甘薯种植农艺及机械化种植技术研究*

赵海，刘新鑫，潘志国，李林，孙扬

(青岛农业大学，山东青岛，266109)

0 引言

甘薯，又名山芋、番薯、红薯、白薯等，不同地区有着不同的叫法[1]，其营养丰富，富含淀粉、蛋白质、多种维生素、氨基酸，可以预防结肠癌和乳腺癌，食用价值高。我国是世界上最大的甘薯生产国，甘薯年产量在1 000万t左右。由于甘薯适应性好，故而甘薯的种植区域广、产量高，但种植模式多样，工序复杂，种植技术不成熟导致我国甘薯的机械化种植水平一直不高，种植的大多数环节都是由人工进行，而人工栽植费时费力，成本高，综合效益低，阻碍了种植户的积极性，严重制约了甘薯种植业的发展[2]。本文对国内外甘薯种植机械进行对比分析，并结合我国的甘薯种植特点，得出国内甘薯机械化种植所面临的主要问题，并提出了未来甘薯机械化移栽的发展方向。

1 甘薯种植农艺要求

甘薯移栽工序复杂，且多个步骤需要与相关农艺结合才能有效提高产量。移栽前需要在施过肥的土地上进行旋耕碎土，能够有效灭除田中的杂草，改善土壤条件，使土地表面更加平整；一般采用起垄种植的方式，可以有效的加深土层，为甘薯的生长提供良好的土壤环境[3]；在成型的垄上铺设滴灌带，覆盖地膜[4]以便于维持土壤中的温度以及水分含量，提供良好的生长环境，在膜上移栽难度大，需要与地方相关农艺特点相结合，应根据当地条件选择合适的移栽方式，提高甘薯的产量。

1.1 甘薯种植模式

甘薯在不同地区的栽培方式有较大差异，但大多都进行起垄种植，一般采取单垄单行进行栽培，单垄单行的下垄宽700～800 mm，上垄宽200～300 mm，垄高300 mm较为合适。在垄上进行覆膜后能够有效维持土壤的含水量及温度，令甘薯的生长环境变得更加适宜，从而增加产量。移栽时的株距根据种植密度的不同也有些许差异，72 000株/hm2时株距一般在190 mm；51 000株/hm2时株距要大于200 mm；一般种植秧苗要有3个节栽入地下，长度在50～70 mm[5]。

1.2 甘薯栽插方式

由于甘薯种植地区分布广泛，各地水土条件各不相同，导致各地的栽插方式也有所不同，不同移栽方式中秧苗移栽的角度和深浅各不相同，导致结薯点也不同，会直接影响甘薯的结薯数、大中薯率及产量[6]。目前常用的栽插方式有4种，分别是直插法、斜插法、平插法和船形法[7]。

1) 甘薯直插法是将秧苗垂直插入土中2～3节，深约100 mm，有1～2节露在土外，如图1(a)所示。这种栽插方式秧苗入土较深，可以较多的吸收下层水分，因此其抗旱能力较强，成活率也较高。但由于入土节数较少，所以单株结薯数也较少，可以采取适当密植来弥补因单株结薯量少而导致产量变少的影响。

2) 甘薯斜插法是将秧苗倾斜插入土中2～3节，入土长度约为100 mm，2～3节露在土外，如图1(b)所示。其抗旱能力与单株结薯数介于直插法与平插法之间，综合性较好。

3) 甘薯平插法是将秧苗水平插入土中3～4节，2～3节露在土外，距离土面30～50 mm，如图1(c)所示。由于秧苗的入土节数多，入土盖土较浅，因此可结薯的节位较多，有利于早结薯，但是栽插较为费时且不耐旱，因而适合用于水肥条件好的薯地。

4) 甘薯船形法是将秧苗头尾翘起，苗尖和各节叶子外露，入土部分呈船形而得名，秧苗入土深度在 50～70 mm，如图1(d)所示。因入土节数较多，多数节位接近土表，有利于结薯，但薯苗中部入土深的部位结薯少而小。适用于土质肥沃、无干旱威胁的地区。

(a) 直插法

2 甘薯种植机械研究与应用现状

甘薯种植工序复杂，包含施肥、起垄、覆膜、栽植、浇水等工序，随着甘薯种植机械化的发展出现了结构简单、功能相对单一的甘薯起垄机、移栽机，以及结构复杂、功能多样的甘薯种植联合作业机械。

2.1 甘薯起垄机

国外甘薯起垄机比较成熟，日本、韩国所设计的甘薯起垄机注重农机农艺相结合，将起垄、施肥合为一体，多为单垄或者双垄作业，起垄时还可以提高土地的含肥量，增加甘薯产量；德国生产的GF400+旋耕起垄机也可一次完成旋耕碎土、起垄施肥工序，如图2所示，单次可完形成四垄作业，这对我国大部分种植地区有着很高的借鉴价值。

图2 GF400+旋耕起垄机

目前国内起垄机械发展较快，生产厂家较多，机械起垄比人工起垄效果更好一些，但总体来说差异不大[8]。但甘薯起垄的垄型较大，而其他需要起垄种植的作物的垄型较小，因此需要专门研发针对于甘薯的起垄机械，其他作物的起垄机械可作为甘薯起垄机的参考。

近些年，由滕州某公司生产的甘薯多行联合起垄覆膜机[9]，能够高效率地完成甘薯的起垄覆膜和铺设滴灌带的工作。由中国计量大学现代科技学院研制的甘薯起垄覆膜机[10]能够实现起垄覆膜并铺设滴灌带以及膜上定穴的工序，机械化水平高。

由威海市农业科学院研制的甘薯旋耕施肥起垄覆膜一体机[11]，在装置中安装了整形棍、覆膜棍和压膜橡胶轮，改善了起垄时车轮对垄底的压实程度，防止甘薯的下扎受阻，提高了起垄覆膜的效率和质量，每条垄宽窄较为均匀，促进了标准化种植的发展。

河北省农业机械化研究所研发的新型膜上覆土多功能甘薯起垄机，将多道工序合为一体，可实现旋耕碎土、施肥、起垄、铺设滴灌带、覆膜、膜上覆土等多道工序，如图3所示。

图3 多功能甘薯起垄机

综上所述，国外甘薯起垄机械的发展相对成熟，机械化程度高，欧美国家以大型机械为主，日韩以小型起垄机为主；国内种植农艺、地块面积差别较大，除了完成旋耕起垄功能，根据实际需要，又增加了覆膜、铺设滴灌带等功能，国内外机型均能较好地完成甘薯移栽前准备工作，在很大程度上提高甘薯种植的效率。

2.2 甘薯移栽机

国外甘薯移栽机主要以美国和日本为代表，其中美国甘薯移栽机采用链夹式裸苗移栽机，由于美国土地面积广但人口少，移栽机以标准化、大型化为主，一次可栽插十几行。日本、韩国的国土以丘陵山区为主，地块小，注重农机与农艺的结合，能利用有限的土地资源获得更大化的收益，且能够实现覆膜移栽[12]。日本秉持甘薯智能种植的理念设计了一款山地丘陵地区均适合的小型自走式移栽机，在经过旋耕起垄整地后的田间进行甘薯裸苗移栽作业，如图4所示，该机具的送苗带和夹苗爪由间歇机构带动作业，其优点是人工放苗能够更加准确及时，夹取爪在夹取苗后往土里移栽至夹取爪离开土壤并进入下一棵甘薯苗的夹取准备工作的时间间隙比较短，在如此快速移栽的情况下能降低机具前进速度变化对移栽轨迹的影响。

图4 自走式甘薯移栽机

国内目前甘薯移栽机按照秧苗输送方式可分为3种，分别是传送带式甘薯移栽机、吊杯式甘薯移栽机、链夹式甘薯移栽机[13]，其各存在优劣。近些年来国内甘薯移栽的研发力度加大，因此涌现出许多创意新颖的移栽机械，如甘薯脉冲式破膜注水移栽机、甘薯横插栽植机械。

由山西省农业科学院棉花研究所研制的甘薯脉冲式破膜注水移栽机[14]将地膜刺破并压出一个穴，利用摩擦力让破膜注水的轮子在起好的垄上移动，水从供水管进入注水轮再进入到开好的穴中，人工将甘薯苗放入穴中，压实土壤完成移栽工作。其缺点是作业过程中，供水管无法闭合，造成水资源浪费，且不具备核心的甘薯苗移栽功能。

由河北省农林科学院粮油作物研究所研制的甘薯横插栽植机械[15]，独创地在垄的长方向开一个长沟槽，另一侧是开槽产生的小土丘，苗与垄的方向呈现一个夹角放置，之后土丘回填至沟槽中，从而完成甘薯的移栽。该方式易于实现机械化、标准化。

国内外主要甘薯生产国移栽情况对比如表1所示。

表1 甘薯移栽情况对比Tab. 1 Comparison of sweet potato transplanting

综上所述，美国甘薯移栽机效率高，日本的移栽机注重农机农艺结合，而我国上述甘薯移栽机并未与相关起垄整形机等进行集成，功能单一，工作时费时费力，多次进地对土地进行碾压，容易对垄体造成破坏。无论是国内还是国外都是由人工手动分苗喂苗，全程机械化移栽技术有待完善，主要由于甘薯秧苗枝叶交错的物理特性使全自动移栽机械的研发变得困难，如何利用机器有效进行分苗、喂苗是下一步所需要研究的重点。

2.3 联合作业机械

由南通某公司研制的2CGF系列甘薯复式移栽机(图5)以及由农业部南京农业机械化研究所研制的甘薯旋耕起垄移栽联合做业机都能够一次完成旋耕碎土、施肥、起垄、移栽覆土工序，但也需要由人工进行分苗喂苗，影响作业效率；由农业部南京农业机械化研究所研制的另一台牵引悬挂组配式可载水甘薯复式移栽机，除了能够完成上述功能外还可以实现载水移栽，减小了转弯时容易造成部件在土中的损伤[16-18]。

图5 2CGF系列甘薯复式移栽机

青州某公司是生产多功能秧苗移栽机的专业厂家，在移栽方面有过多年的研究，其研制的合手式柔性护苗移栽机可以实现破膜移栽，秧苗在土中可以呈现倾斜状[19]，能够有效增加机械移栽的产量，但也需要人工分苗喂苗，移栽效率受到影响。

综上所述，虽然国内移栽机械能够实现联合作业，但依然采用人工进行分苗喂苗，这样大大影响作业效率，因此实现全自动移栽是未来发展的趋势也是难点。

3 甘薯栽插机械化面临的主要问题

3.1 种植环境复杂多样

我国甘薯种植区分布广泛，因而各地种植模式多样，地形复杂，甘薯秧苗种类繁多，不同品种及种植模式所需要的土质、垄型、垄距也有所不同。地形也在影响着机械化的发展方向，丘陵地区大多是小块作业，适用体积小、方便移动的机械，而平原大面积种植地区则适用标准化、大型化的移栽机械[20]。因此，甘薯移栽机械能够适应多样的种植环境是当下需要解决的问题之一。

3.2 甘薯裸苗移栽自动分苗困难

国内的甘薯移栽多为裸苗移栽，然而利用机械自动进行分苗相对困难，目前甘薯自动分苗移栽仍是一项世界难题，国内移栽机皆由人工手动分苗、喂苗，再由机器送苗，人工分苗的速度限制了机器移栽的速度，且劳动强度大，人工成本高，从而影响移栽效率和成本。因此完成自动机械分苗，实现自动移栽，是当下亟需解决的一个难题。

3.3 种植农艺工序复杂

甘薯种植程序较多，需要对农田进行旋耕、起垄、压实、覆膜、移栽、浇水等多道工序。而起垄与移栽又需要与相关农艺相结合，起垄后垄的坡角、垄型、紧实度要符合甘薯农艺的要求；移栽则需要保证扦插时的角度和深浅一致，秧苗在土壤中呈现出船底形或水平形才能有效提高产量。目前甘薯移栽的机械化集程度低，现有机型仅能实现部分功能或分步进行，费时费力，劳动成本高，还增加了对土地的碾压次数。

3.4 甘薯栽插技术不成熟

国内甘薯移栽机械采用直插法较多，由于斜插法、平插法机械化移栽仿形较为困难，所以相关技术不成熟，船形法机械化移栽仿形难度最大，相关技术在不断充实完善。在这4种移栽方式中船形法甘薯产量最高，斜插法、平插法产量居中，直插法产量最低。目前国内移栽机械多为农业的通用机械，采用直插法为主，并不能很好的与甘薯栽插农艺相结合，因此研究甘薯专用的栽插关键技术是解决甘薯机械化移栽的基础。

3.5 整地起垄质量较低

目前，国内甘薯起垄机仍存在着土壤耕层浅、起垄高度不达标、垄体紧实度差、垄侧不规整、垄距不规范等问题，严重影响后续薯苗栽插及薯块生长；究其原因主要由于机具的可靠性偏低且结构强度差。如何提高起垄机的整地质量，实现整地规范化、标准化是目前面临的主要问题之一。

3.6 载水移栽效率低

在载水移栽(机具上带水箱，边栽边浇)时，由于甘薯移栽后的需水量很大，一株的需水量在200～300 mL，若加大水箱容积则会大大增加拖拉机负荷，增大田间作业的难度，且水箱体积有限，作业中经常停机加水，不仅会影响作业效率，还会增加作业成本[21]，例如2CGF-2甘薯复式移栽机将水箱浇水改为铺设滴灌带，提高了移栽效果。因此采用适合甘薯的浇水模式有助于甘薯相关机械的研发与推广。

3.7 定向定位输送难度大

甘薯移栽机械在输送过程中秧苗位置不稳定，易出现漏苗现象，主要由于栽插装置不能准确地夹取输送过来的秧苗，因此尽可能地提高输送的准确度以及夹取能力，从而降低漏苗率，但甘薯秧苗茎秆柔弱无规则，在输送的过程中常常改变状态，令其能够实现定向定位输送存在一定困难。

3.8 膜上移栽难度大

甘薯种植时进行覆膜会提高膜下温度，有利于甘薯的生长。但移栽后需要将苗露在膜外，进行机械化破膜移栽常出现膜的破损过大，降低覆膜作用效果，由于秧苗在土壤中并非常规样式，实现常规膜上移栽的机械应用在甘薯的移栽上显然不太合适，因此研发专用于甘薯的覆膜移栽机构是很有必要的。

4 机械化移栽研究方向

4.1 农机农艺有机融合

应对农机和农艺进行有机的融合，进行融合后能够有效增加农业机械化生产的产量及质量，提高农民收入[22]。甘薯的品种繁多、种植模式多样且移栽工艺复杂，这些因素提高了甘薯机械化移栽的难度，只有对移栽有较为深入的了解才能实现农机农艺相结合，并增加机器的适用性。甘薯的移栽方式对产量的影响很大，这就需要与相关农艺专家对移栽的关键部位进行研究优化，促使农机与农艺有效结合，从而提高机械化作业的效率和产量。

4.2 提高移栽机的适应性

甘薯具有较好的抗贫瘠能力，所以甘薯在我国各地均有种植，然而各地水土环境不同，导致种植的土质、垄型、垄距差异较大，然而国内拥有的甘薯移栽机器大多是一些通用器械，难适应多变的栽插条件，从而限制了甘薯移栽机的发展进程。提高甘薯移栽机普适性，重点研究移栽机的可调性，适用不同地区的不同种植模式是未来的发展方向之一。

4.3 移栽机的共性技术研究

国内农业机械在起垄、覆膜、定向定位输送技术、扦插技术还存在不足之处，研究这些相关通用的共性技术可以减少其他类型机械研发所需要的时间及投入，提高机具研发速度。

4.4 甘薯移栽装备集成

甘薯移栽前需要对土地进行施肥、旋耕、起垄和覆膜操作，栽插时需要进行扦插、覆土、镇压和浇水工作，移栽过程复杂。未来甘薯移栽机械应根据甘薯的相关农艺要求，将旋耕、起垄、覆膜、移栽、浇水等工序进行系统集成，使机械一次进地作业能够完成更多的工序，从而降低人工作业强度，提高播种效率，减少对土地的碾压次数。

4.5 智能化技术的研究与应用

未来理想化机械作业在实现自动取苗喂苗后，能够与导航定位技术、无人驾驶技术相结合，实现机械自动行驶、故障诊断、实时状态监测，智能识别是否栽插成功，并对漏栽的地方进行标注或者补栽，在机械发生故障之后自动检测故障部位，提出维修建议，提高机械的智能化，降低人工操作的难度，节约劳动力，降低劳动强度，并在保证移栽效率的同时保证移栽质量。

5 移栽机械亟需突破的关键技术

5.1 甘薯自动分苗技术

由于甘薯秧苗叶片较大，茎秆柔弱无规则，难以实现机械分苗，目前甘薯移栽机械依旧以半自动化为主，需由人工手工分苗、喂苗，从而限制了扦插效率，目前甘薯移栽机械的发展也陷入了瓶颈，自动分苗技术是完成甘薯移栽自动化作业的先决条件[23]。

5.2 定向定位输送技术

可靠稳定的定向定位输送技术也是甘薯移栽机械未来发展急需突破的技术之一，使甘薯秧苗在播种时能够精准的将秧苗输送至移栽部位前，可保证栽插的准确度，降低漏苗概率，减少人工补栽的次数。

5.3 水平、船底栽插技术

甘薯移栽机械需要与相关农艺相结合，目前移栽机对甘薯秧苗进行直插法、斜插法的栽插技术较为成熟，但对水平、船底型的栽插技术并不成熟，重点突破甘薯的水平、船底型移栽技术可以有效提高机械化移栽的效果，增加甘薯的产量。

6 结论

甘薯的种植农艺要求较高，工序繁琐复杂，而我国甘薯种植机械化程度低，相关技术不成熟，甘薯联合作业机械的发展陷入了瓶颈，严重限制了甘薯产业的发展。未来应以农机与农艺进行有机融合为基础，针对甘薯种植模式多样，提高机具的适应性，研究移栽机的共性技术与关键技术，并在移栽装备研发上进行系统集成，进行创新和优化设计。未来研究的重点在自动化分苗取苗，以此实现自动化移栽作业；提高输送的精准度，降低漏苗率，提高机具的作业效率和质量；研制符合我国甘薯主产区要求的多功能甘薯移栽机械，促进我国甘薯产业的发展。