甘薯機械控旺技術研究與裝備設計試驗

河北省農業機械化研究所有限公司 徐志杰 張秀平 高清海

前言

甘薯既是重要的糧食、飼料、工業原料作物，同時也是現代社會優質的抗癌保健食品之一[1]。甘薯具有產量高、耐旱、怕澇、適應性強等特點，其地下部塊根為儲存養分的器官，富含淀粉、可溶性糖、維生素、脂肪酸等多種物質，具有較高的營養價值，是主要的利用部位。甘薯生長中期（又稱為莖葉生長盛期、薯蔓并長期等）是從莖葉封壟到莖葉的生長達到高峰的一段時期，此時塊根也慢慢地增粗膨大，此時若莖葉生長較快，而結薯較晚，且塊根膨大較緩慢，則光合作用產物向塊根的轉運會受阻，導致莖葉與塊根的生長發育不協調，從而難以獲得較高的薯塊產量[2]。甘薯生長中期由于高溫多雨、日照不足等因素，造成甘薯秧蔓長勢過旺，莖葉旺長會滋生莖節根，大量消耗養分，嚴重影響塊根膨大，從而影響甘薯產量的問題亟待解決[3]。

目前，甘薯秧蔓生長調控技術中，多采用噴灑化學藥劑的方式抑制甘薯秧蔓的生長，雖然能起到控旺的目的，但藥物不僅會對土壤及環境造成污染，且薯塊生長過程中長期吸收或接觸化學藥劑易產生農藥殘留，影響甘薯的品質，人類長時間食用，會對人的身體健康造成一定的傷害。

針對化學藥劑控旺對甘薯品質的影響，通過對甘薯種植農藝、甘薯秧蔓長勢特性等方面進行分析研究，經多方走訪調研、反復論證，設計一種機械裝置，實現甘薯機械控旺，即在甘薯秧蔓旺長期，通過機械方式將秧蔓沿一定距離切斷，同時切斷秧蔓莖節根或防止滋生莖節根，以減弱秧蔓對營養物質的過度消耗，促進根部薯塊的生長。

1 甘薯種植模式及秧蔓生長特點

甘薯抗旱、耐瘠薄、喜光喜溫、適應性強、易恢復生長，在河北省種植分布廣泛。根據種植時間的不同，主要分為春種甘薯和夏種甘薯，春薯種植一般在4 月中旬到5 月上旬，夏薯種植一般在6 月上旬到7 月中旬。河北省以春薯種植為主，且90%以上采用起壟覆膜種植，種植規格有小壟單行、大壟單行和大壟雙行等。目前河北省小單壟種植占多數，壟斷面呈梯形，壟高250～300mm，壟頂寬250～350mm，壟底寬450～500mm，壟距800～850mm；大壟雙行種植方式壟距為1000～1200mm[4]，由于其在作業效率、產量等方面的優勢，該技術正逐步擴大推廣應用范圍。

甘薯生長中期一般在7 月中旬到8 月下旬，正處于高溫多雨的季節，水分供應較充足，葉片制造的光合作用產物多分配于地上部莖葉，莖葉生長速度較快，塊根增粗膨大較慢。生長中期末地上莖葉生長量達到最大值。旺長期應及時采取有效措施，控制甘薯秧蔓的快速旺長，把更多的養分供給到薯塊生長，確保增產增收。甘薯長勢如圖1 所示。

圖1 甘薯長勢圖

在甘薯秧蔓匍匐生長特性及重力影響下，甘薯秧蔓沿壟形交錯分布，無法進行梳理剪切。壟頂、壟側內部結有薯塊，且離秧蔓根部較近，不易采用擠壓、切割等方式進行薯秧控旺，只能對頂端向上旺長的秧蔓尖進行切割處理，充分利用甘薯秧蔓頂尖生長優勢，打掉頂尖即可抑制其旺長。壟溝內的秧蔓貼著地面交錯生長，甘薯頂尖向上生長，同時壟溝秧蔓和地面接觸的部分，會滋生很多的莖節根。旺長的秧蔓和莖節根會爭奪更多的養料，因此壟溝內的秧蔓不僅要去掉頂尖、切割秧蔓，還要想辦法把莖節根同時斷掉，保證在甘薯膨大期，營養更多地供給薯塊生長。

隨著甘薯秧蔓過度旺長，當甘薯秧蔓封壟后，可以利用拖拉機等順壟溝碾壓，通過碾壓對薯秧造成一定程度的損傷，起到有效抑制莖葉過度旺長、甘薯地上和地下部分生長得到合理調節的作用。對于甘薯生長過旺的薯田，可間隔15 天左右進行第2 次碾壓[5]。對甘薯秧蔓碾壓，并不能切斷甘薯秧蔓，只是簡單的通過碾壓延緩甘薯秧蔓的長勢，對于甘薯秧蔓控旺作用相對較小，不能有效根治。

2 部件設計

2.1 甘薯打頂器設計

通過對甘薯種植模式和甘薯秧蔓生長特性進行研究分析，設計了如下裝置（圖2）：在甘薯壟頂和壟側位置安裝打頂器，打頂器的作用是通過由電機控制的打頂刀片高速旋轉，對作物進行切割，一般壟頂寬250～350mm，且壟頂不完全平整，會呈現拱形結構，左右對稱安裝兩組打頂器，可更有效地處理壟頂向上旺長的秧蔓頂尖，壟側兩組打頂器平行安裝在壟側上方一定距離上，對壟側的秧蔓頂尖進行處理。

圖2 甘薯秧蔓打頂裝置

打頂器由12V 電瓶、連接線、控制開關、電機、刀片（寬20mm，長200mm）、連桿等組成。連桿與電機鉸接，可沿轉軸方向靈活調整，同時打頂器固定在機架上的上下位置以及角度均可調整，可適用于不同大小的壟型結構，同時也可根據實際需求調整切割量。刀片采用錳鋼結構，鋒利耐用，一組刀片寬度200mm，2 組刀片寬度400mm，可覆蓋整個不同寬度的壟頂。打頂器由電控按鈕控制，可隨時控制啟停作業。

2.2 甘薯秧蔓切割裝置

基于對壟溝甘薯秧蔓長勢和一些傳統處理秧蔓方法進行分析研究，設計了甘薯秧蔓切割裝置，如圖3 所示，該裝置由壓力調節裝置和切割盤組成。甘薯秧蔓切割裝置安裝在機架上，前端固定，后端觸地，通過調節壓力調節裝置上的壓簧，可以調節切割圓盤的壓力，切割圓盤位于壟溝內，負責對壟溝內的秧蔓進行碾壓切割，切割圓盤上開有等距分布的凹槽，圓盤部分可實現對秧蔓進行碾壓切割，圓盤轉動時，凹槽部分對甘薯秧蔓產生縱向拉力，使秧蔓產生位移，從而拉斷莖節根。壓力調節裝置由拉桿、調節壓簧等組成，通過調節壓力可調整切割力的大小，同時調節裝置可實現仿形功能。甘薯秧蔓切割裝置通過連接U 型卡安裝在機架上，因此可根據切割量需求左右調整甘薯秧蔓切割裝置。

圖3 甘薯秧蔓切割裝置

3 裝置試驗

3.1 試驗條件

2023 年7 月，在石家莊市深澤縣對甘薯秧蔓打頂裝置、甘薯秧蔓切割裝置進行田間試驗。試驗地起壟參數為：壟高280mm，壟頂寬310mm，壟底寬460mm，壟距850mm，壟溝寬390mm；甘薯秧蔓生長情況：秧蔓長勢旺盛，交錯鋪滿整個地塊，秧蔓頂尖向上生長，秧蔓觸地部分滋生了莖節根。

3.2 試驗過程

3.2.1 打頂裝置試驗

采用簡易人力推車結構進行試驗，調整打頂器位置，距離甘薯秧蔓頂尖向下調整高度100mm，壟頂兩組打頂器刀片中心距220mm（刀片長200mm）；壟側打頂器根據壟型調整角度，同樣調整甘薯秧蔓頂尖高度向下100mm。試驗現象：隨著機器啟動，打頂器高速轉動，當打頂器刀片觸碰到葉片時，甘薯葉片被快速切割掉，經過打頂器切割后的甘薯秧蔓壟型整齊，如圖4 所示。

圖4 甘薯打頂尖裝置試驗

3.2.2 切割裝置試驗

采用拖拉機懸掛方式進行試驗。根據地塊調整切割圓盤位置，根據秧蔓直徑及地塊干濕軟硬情況調整壓力調節裝置，使其能夠切斷秧蔓。試驗現象：拖拉機牽引甘薯秧蔓切割裝置沿壟溝行走，外緣開刃的切割圓盤在壓力調節裝置的作用下，接觸到刃部的秧蔓直接被切斷，卡在凹槽內的秧蔓則被拖行離開原始位置，同時帶動與之交錯的相鄰秧蔓產生位移，從而將莖節根拉斷，試驗取得良好效果（表1）。

表1 甘薯秧蔓處理效果

3.3 試驗小結

經過初步試驗，打頂器刀片范圍內的薯秧頂尖、葉片在刀片快速旋轉切割作用下均被有效切割，切口整齊，壟型整齊，基本達到設計預期，但由于刀片只有四組，并沒有完全覆蓋到整個壟型，所有還有部分頂尖未處理到；壟溝內的秧蔓基本全部都被碾壓切斷，同時由于拉扯作用，大部分莖節根被拉斷，且切口整齊，起到了機械控旺的作用，但由于拖拉機進地碾壓，其輪胎較寬且不能保證行進直線度，易剮蹭到壟側，對壟型造成一定的損傷。

4 改進

由于壟頂、壟側和壟溝的秧蔓處理方式的不同，造成甘薯控旺需要兩遍處理，多次進地勢必會造成甘薯損傷，同時也增加了投入成本。因此，需要把甘薯秧蔓打頂裝置和切割裝置進行整合，實現一次性完成整個甘薯秧蔓的控旺處理，節本提效。打頂器處理壟頂、壟側，切割裝置處理壟溝，兩者在橫向位置上有重疊，且壟側打頂器位置處于壟溝上方，與甘薯秧蔓切割裝置位置有干涉，因此兩個裝置需要前后交錯開位置，且保證整機結構緊湊美觀。

基于上述分析，進行了優化改進設計，如圖5 所示。打頂器位于前端，切割裝置位于后端，壟側打頂器與切割裝置前后交錯，且由于切割裝置為前高后低，所以可更好地合理利用空間位置。同時，安裝四個甘薯秧蔓切割裝置，可更充分切割壟溝內的甘薯秧蔓。

圖5 甘薯控旺機

5 結語

機械控旺可有效解決甘薯生長中期由于甘薯秧蔓長勢過旺及莖葉滋生莖節根而大量消耗養分，從而影響甘薯產量的問題，同時也解決了使用化學藥劑對環境、土壤的污染問題，實現甘薯的綠色生產。研制的甘薯控旺機一次性進地即可完成壟頂、壟側、壟溝內薯秧控旺處理，節本提效，為甘薯機械控旺提供了技術裝備支撐。