国内外马铃薯种植机械研究现状

李 洋，王 楠，蒲连影，郭 勇

(1.中机美诺科技股份有限公司，北京 100083；2.现代农装科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

马铃薯原产于南美洲，是一种世界性经济作物，其分布广泛，容易栽培，据联合国粮食及农业组织(FAO)数据统计，全世界157个国家均有种植，种植面积达到1 946万hm2，年产量3.7亿t。马铃薯营养丰富，不仅可以当作粮食、蔬菜食用，还可以用作饲料和工业原料，营养价值高于一般粮食作物，富含大量淀粉、多种维生素和氨基酸等成分，单位面积蛋白质产量分别是小麦的2倍、水稻的1.3倍、玉米的1.2倍，被世界公认为“第二面包”和“地下苹果”。

在我国，马铃薯也是继小麦、水稻、玉米之后的第4大粮食作物，据统计，2020年我国马铃薯种植面积580万hm2以上，总产量2 000万t左右，是世界上马铃薯种植面积及产量最大的国家，自2015年原农业部提出启动马铃薯主粮化战略以来，马铃薯产业发展迅速[1-4]。马铃薯种植机械化水平不高一直是制约马铃薯产业发展的重要因素之一，本文介绍了国内外马铃薯种植机械研究现状，指出关键技术难题，为相关单位研发马铃薯种植机械提供参考。

1 国外研究现状

国外对马铃薯种植机械的研究较早，19世纪90年代，农民就开始使用一些简易的农具从事马铃薯播种作业，这些农具结构简单，马铃薯播种需要耗费大量时间和人工。20世纪50年代以后，发达国家对马铃薯种植机械进行了多次技术革新，凭借丰富的基础理论、技术积累和实践经验，对种植机不断改进，种植机械化程度不断提高，形成了完整的技术体系，目前正朝着大型化、智能化、精量化和多功能联合型方向发展。无论是作业速度、生产效率、工作性能、播种质量，还是机具的通用性和适应性方面，整体水平都比较高，这对降低重播率、漏播率、种子损伤率，以及提高产量有很大的促进作用[5-7]。

目前，国际市场上的马铃薯种植机械种类很多，技术水平差别较大，根据国家可分为两个梯队，第1梯队以德国、美国、荷兰、比利时和挪威为代表，他们主要生产大中型马铃薯种植机械，普遍采用4行、6行或8行播种，可一次性完成旋耕整地、喷药、施肥、开沟、播种和起垄培土等工序，同时具有播种监控及施肥量、播种量自动控制技术，结构复杂，配备了液压电控系统，产品价格昂贵。第2梯队以意大利、日本和韩国为代表，主要生产中小型马铃薯种植机械，与第1梯队的国家产品相比，其结构简单、功能单一，但做工精细、可靠性高。这些国家生产的马铃薯种植机械在结构、传动形式和机电液控制系统等方面都有自身特色，技术水平在国际上处于领先地位。

德国Grimme公司生产的GL860 Compacta杯式8行马铃薯种植机械(图1)，机身可折叠，不仅能够在大型农场实现高效率作业，还可以灵活快速地转换作业地块；采用模块化设计，提供多种选配功能，可以适应在不平地块作业。配套动力110 kW以上，载种量6 t，行距、株距可调，通过功能选配组合，该机可与动力驱动耙或旋耕机组合使用，集松土整地和播种于一体，可以一次完成整地、喷药、施肥、开沟、播种、起垄培土和压垄等多道工序，播种效率高，非常适合大面积播种作业。由于采用牵引式结构，自身尺寸较长，为此配备了有仿形功能的犁式开沟器，保证播种深度一致；采用圆盘培土器，可选配垄成型装置；提供3种尺寸的种杯适用于不同规格的种薯；搅龙式施肥系统，配合传动比的调整，可以满足不同土质对施肥量的要求。该种植机械还可选配带有ISOBUS功能的CCI智能控制终端(图2)，以满足不同用户对自动化作业的要求。

图1 Grimme GL860 Compacta马铃薯种植机Fig.1 Grimme GL860 Compacta potato planter

图2 CCI智能控制终端Fig.2 CCI Intelligent control terminal

德国Grimme GL32F型杯式2行马铃薯施肥种植机(图3)，配套动力47.8 kW以上，悬挂式，载种量0.6 t，载肥量0.5 t，行距、株距可调，最大施肥量1 500 kg/hm2；可以一次完成喷药、施肥、开沟、播种、起垄培土和压垄等工序。该机另一特点是可以将施肥部件拆除，作为单一种植机械使用，型号变更为GL32E(图4)。

图3 Grimme GL32F型马铃薯种植机Fig.3 Grimme GL32F potato planter

图4 Grimme GL32E型马铃薯种植机Fig.4 Grimme GL32F potato planter

GB系列是Grimme生产的带式马铃薯种植机，该机区别于杯式种植机，主要通过橡胶带和泡沫带的摩擦力夹持种薯完成投种作业，播种精度高，适合播种未经筛选的、大小不一的种薯；可以实现更高的驱动速度，最高作业速度可达10 km/h，也可用于苗床播种作业。配套动力58.8 kW以上，安装了液压控制系统，通过CCI智能控制终端进行操作。代表机型有2行悬挂式GB215型(图5)、2行牵引式GB230型(图6)、3行悬挂式GB330型(图7)和4行牵引式GB430型(图8)。上述马铃薯种植机械液压控制系统都需拖拉机具备向其提供连续40 L/min以上的液压输出能力，且对操作者技术水平要求高，在国内应用较少。

图5 Grimme GB215型马铃薯种植机Fig.5 Grimme GB215 potato planter

图6 Grimme GB230型马铃薯种植机Fig.6 Grimme GB230 potato planter

图7 Grimme GB330型马铃薯种植机Fig.7 Grimme GB330 potato planter

图8 Grimme GB430型马铃薯种植机Fig.8 Grimme GB430 potato planter

美国Double L公司生产的9500系列马铃薯种植机(图9)，配套动力88.2 kW以上，可选4行、6行或8行播种，一次作业完成喷药、施肥、开沟、播种和起垄培土等工序。美国Lockwood公司生产的506P型6行马铃薯种植机(图10)在播种速度和精度方面与老款机型相比有很大改进，作业效率更高，由液压控制系统自动控制。

图9 Double L 9560型马铃薯种植机Fig.9 Double L 9560 potato planter

图10 Lockwood 506P型马铃薯种植机Fig.10 Lockwood 506P potato planter

挪威Underhaug公司生产的UP3760型6行马铃薯种植机由液压马达提供动力，通过可编程控制器调节施肥量和播种株距，载种量6 t，肥箱容积2 t，可满足超长距离播种作业；播种作业速度可达6 km/h以上，作业效率高。其他产品还有UP3740型4行马铃薯种植机(图11)，采用同样的液压马达驱动和电控系统，保证种植精度的同时，实现高效率作业。挪威Kverneland公司生产的马铃薯种植机以中、小型为主，可选配喷药、施肥装置；配备漏播监测、电子控制等电气装置，结构较复杂。同类水平的机具还有荷兰APH集团生产的Marathon TH系列及Miedema CP系列马铃薯种植机，以及一些超大型机具，如Harriston 6行和8行种植机(图12)。

图11 Underhaug UP3740型马铃薯种植机Fig.11 Underhaug UP3740 potato planter

图12 Harriston 6-Row型马铃薯种植机Fig.12 Harriston 6-Row potato planter

意大利Spedo公司生产的马铃薯种植机以小型机为主，机身结构紧凑、操作方便，一次作业可完成喷药、施肥、开沟、播种和起垄培土等工序，行距可在60～90 cm内进行多级调节，对播种面积的适用性好。

综上所述，国外马铃薯种植机械结构复杂、实现多种功能集成且作业效率高，配备完善的液压控制系统、漏播监测及报警系统；需要配套拖拉机功率大，要求操作人员素质高，产品销售价格昂贵，导致作业成本高；多数采用牵引式，作业行数在6行以上，只适用于大面积播种地块。

2 国内研究现状

虽然我国马铃薯生产面积和产量均居世界第一，但是马铃薯机械化播种率只有20%左右。我国对马铃薯种植机械的研制工作起步较晚，20世纪50年代末至60年代初，国内开始研究马铃薯种植机械。为了满足马铃薯产业发展需要，研制初期，我国引进了国外的一些马铃薯种植机械进行仿制，但由于国外马铃薯育种形成了标准化生产，绝大多数采用整薯播种，因此，种植机械的播种部件对标准种薯的适应性强，播种质量较高。而我国在马铃薯种植时，多为种薯切块种植，在1块或几块种薯同时进入播种部件时，出现重播、漏播等严重问题。为此，国家连续在“十五”、“十一五”科技攻关，“十二五”行业科技和“十三五”重点研发计划4个五年计划中都为马铃薯播种装备设置了科研项目。

结合农艺要求，马铃薯机械化播种作业时，要求设备可以一次性完成喷药、施肥、开沟、播种、覆土起垄和覆膜等作业。在提高播种质量和效率的同时，有利于后续的田间管理及收获转运等机械化作业。播种部件是马铃薯种植机械的核心部件，根据工作原理，可将播种部件分为勺式、气力式、带式、转盘式和针刺式等。

①针刺式播种部件是马铃薯种植机较多采用的播种部件，其取种结构对种薯的大小适应性较好，既能播种整薯也能播种薯块。但针刺式播种部件在取种时将刺针插入种薯，造成种薯破损，刺针上或种薯表皮上携带的病菌容易感染种薯，刺针在取种时也易损坏，目前已基本淘汰。②转盘式播种部件对种薯形状大小没有要求，且播种过程不会对种薯造成损伤，漏播率和重播率低，但需依靠人工放种，劳动强度大。③带式播种部件播种精度高，适合播种未经筛选的、大小不一的整薯，不适应国内大多数种植农艺要求；由于是仿制，关键技术应用不成熟，还需加大研发力度。④气力式播种部件主要用于种植微型薯，播种部件结构复杂，对于微型薯的形状大小、单体质量要求严格，播种前需要将微型薯按质量大小分类，不能混合在一起播种，否则无法控制漏播率和重播率。⑤勺式播种部件是目前世界上马铃薯种植机具应用最为广泛的播种部件，结构简单、调节方便，由驱动机构、多个取种碗和导种管、种箱、振动装置和张紧机构等组成。其中取种勺通过种勺固定背板由螺栓固定在传动链条或夹线橡胶带上。勺式种植机具有可靠性高、造价低、株距可调和可适用于不同株行间距播种的要求等优点[8-9]。

目前，国内马铃薯种植机大都采用勺式播种装置。如中机美诺科技股份有限公司生产的1240型悬挂式4行马铃薯种植机(图13)，适用于大面积机械化作业，可一次完成喷药、施肥、开沟、播种和起垄培土等作业；采用搅龙式施肥装置，可满足大施肥量作业要求，采用犁式开沟器和圆盘覆土器；勺式播种部件采用先进的勺带驱动方式，减少打滑率；振动装置可选装机械式或高频电机式，有效降低漏播率和重播率，提高播种精度；配有喷药系统，可为马铃薯种在入土前进行消毒处理。配套动力88.2 kW以上，载种量1.5 t，载肥量0.6 t，行距80～90 cm可调，株距12～47 cm，施肥量0～1 800 kg/hm2，重播率<5%，漏播率<3%，作业效率可达1.0～1.8 hm2/h，适合大规模播种作业，有效减轻劳动强度，提高劳动生产率，降低生产成本，综合效益高。与其类似的机型还有黑龙江德沃科技股份有限公司生产的2CMZ系列马铃薯施肥种植机(图14)、山东希成农业机械科技有限公司生产的2CMX-4B型4行马铃薯种植机(图15)[10]。

图13 美诺1240型马铃薯种植机Fig.13 Menoble 1240 potato planter

图14 德沃2CMZ型马铃薯种植机Fig.14 Dewo 2CMZ potato planter

图15 希成2CMX-4B型马铃薯种植机Fig.15 Xicheng 2CMX-4B potato planter

青岛洪珠农业机械有限公司生产的2CM-1/2型大垄双行覆膜马铃薯种植机(图16)，采用3点悬挂机构、链勺式播种装置，中部设有补种座供工作人员补种时使用，后部除标准配置的起垄覆土装置外，还设有铺膜、铺设滴灌管等装置。其工作深度8～15 cm，播种行距24～28 cm，株距20～35 cm，施肥量0～1 200 kg/hm2，且这些参数均可调，提高了机具的适应性，配套动力22 kW以上。

图16 洪珠2CM-1/2型马铃薯种植机Fig.16 Hongzhu 2CM-1/2 potato planter

对比国内外马铃薯种植机械发展现状可知，我国现阶段使用和生产的国产马铃薯种植机械还处于纯机械式作业阶段，在机械结构、作业性能方面，差距已经逐渐缩小，零部件的选材、制造工艺也逐渐接近发达国家水平，在价格上比进口种植机械有优势。但是，在电控系统、液压控制系统等研发方面成果较少，市场应用属于空白状态[11-13]。

3 关键技术难题

(1)针对我国马铃薯播种作业过程重播率、漏播率偏高的难点和瓶颈，无法满足精密播种和高产要求的现状，研究播种理论，分析播种部件投种过程，研究种薯的运动特征，实现单粒精量播种。

(2)针对施肥过程缺乏配混施肥技术的问题，开发均匀混肥装置，控制不同元素肥料的供应量，实现多种肥料配混，实现按需施肥。马铃薯种肥播施与作业速度不同步造成播种排肥量不一致、稳定性差，实时获得速度信息决策种肥同步施用控制，是解决这一问题的关键。

(3)依据现有配套动力拖拉机液压系统的性能，为马铃薯种植机设计与之匹配的液压控制系统。

4 结束语

论述了马铃薯种植机械的国内外研究现状，分析了现有马铃薯种植机械在国内作业的基本情况和遇到的问题。国外马铃薯种植机械技术先进，但是价格昂贵，结构设计也不符合我国国情；国内马铃薯种植机械产品质量层次不齐，机具质量和适应性有待进一步提高。提出了国内马铃薯种植机械需解决的关键技术难题，为开发适合我国国情的马铃薯种植机械提供参考和发展方向。