湛江市宜机化菠萝栽培模式及其机械化研究初探

崔振德，陈明文，谢季青，邓干然，周 伟，郑 爽

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524091；2.广东农垦热带农业研究院有限公司，广东 广州 511365；3.中国热带农业科学院农产品加工研究所，广东 湛江 524001）

0 引言

我国是世界十大菠萝主产国之一，主要种植地区有广东、海南、广西、云南、福建等省区，其中广东地区种植面积最大、产量最多[1-3]。据统计，我国65%以上的菠萝出产于广东，而广东菠萝九成产于湛江。广东省湛江市徐闻县被誉为“中国菠萝之乡”，是中国最大的菠萝生产基地，种植面积约35 万亩（1 亩=0.067 hm2），年产量90 多万t[4]。但目前菠萝机械化生产水平极低，田间生产管理过程，如种植、采收环节主要依赖人工。随着经济发展、社会进步，农村劳动力急剧老化和减少，劳动成本逐年增加，用工难、效益低已成为菠萝产业健康持续发展的绊脚石。推进菠萝生产机械化，实现由人工作业向生产全程机械化的产业升级，是建立现代化菠萝产业的重要基础性工作。湛江作为全国菠萝优势产区，在菠萝生产机械化率取得突破具有重要意义。

然而，农业机械的使用离不开适合的农艺条件，农机和农艺结合是机械化的基础，两者只有高度融合才能充分发挥农业机械和种植技术的潜力[5]。当前湛江市菠萝品种繁多，种植模式多样化且无统一标准，致使菠萝机械化田间管理和采收难度较大，特别是种植行距过于狭窄，造成菠萝田间管理过程和收获过程中，机械无法进入田间作业。要实现菠萝生产机械化，必须根据农机农艺结合的基本原理，在考虑菠萝生产综合经济效益的前提下，统筹考虑菠萝种植、管理、收获等环节的机械化技术思路，研究制定新型宜机化的菠萝栽培模式。目前国内外在菠萝农机农艺融合的研究极少，尚未形成可推而广之的模式，从源头上探索适宜机械化的菠萝栽培模式，促进农机农艺融合，指导菠萝标准化种植并为相关菠萝生产机械的设计研发和作业使用提供参考，对推进菠萝生产机械化技术发展具有重要意义。

1 常规菠萝栽培模式及其对机械化作业的影响

1.1 常规菠萝种植主要模式

菠萝属凤梨科凤梨属，目前约有60～70 个栽培品种，一般分为皇后（典型为巴厘）、卡因、西班牙和杂交种（典型为台农）等4 类[6]。菠萝需要合理密植，因品种不同，种植农艺各有不同，不同品种3 000～5 000 株/亩。菠萝是无性繁殖作物，通常采用苗芽进行培育[7]。菠萝植株从上到下有冠芽、裔芽、吸芽、地芽等可以用于移栽，使用较多的是吸芽[8]。种植前选择健康种苗，按大小分级种植，种后生长整齐一致便于后期管理。种植时要浅种定植，种得太浅容易被风吹倒，不易长根成活，种得太深影响发根抽叶，甚至几年都难结果。吸芽种植深度为5～6 cm，苗的生长点露在地面[9]。

菠萝栽培农艺方面，广东省农业科学院果树研究所刘传和等[10]研究总结出一套菠萝优质高效生产种植“12（2）3”模式，提出降低菠萝种植密度的建议，将巴厘品种的种植密度从传统的4 000～4 500 株/亩降低至3 000 株/亩,以获得良好的通风、透光条件，从而有效促进菠萝植株和果实生长，促进光合产物的积累，进而提高产量与品质，也方便水肥管理、催花等田间操作。但该研究没有给出明确的菠萝栽培株距、行距等具体参数和要求。

中国热带农业科学院南亚热带作物研究所孙伟生[11]评述了台农16 号菠萝在广东湛江的引种表现与栽培要点。采用起垄、覆膜、双行种植模式，垄高10～12 cm，垄面宽80～90 cm，覆膜后双行定植菠萝苗，行间距为50～60 cm，株距为35～40 cm，垄间距为50～60 cm。建议种植密度为3 000 株/亩，过密则容易产生较多小果，过疏则不利于菠萝苗生长，种植深度为7～10 cm。

海南省昌江县石碌镇农业服务中心谢朝强[12]提出了昌江地区台农17 号菠萝高产栽培技术，根据不同的品种、土壤营养状况和管理水平等因素决定种植密度，平地一般种植3 100～3 300 株/亩，坡地一般种植2 800～3 000 株/亩。种植方式为每垄种植4 行，垄宽2.5 m，株距32～35 cm,采用大小行间隔种植，大行距50 cm，小行距40 cm，较为适合喷灌系统种植；另一种是每垄种植2 行，垄宽为1.3 m，株距为33 cm，适合滴灌系统种植。

湛江市市场监督管理局朱珊等[13]总结分析了中国菠萝产业标准化现状及发展对策，指出我国菠萝产业标准化工作一直在不断摸索，菠萝种植规范和培育标准逐步完善。我国现有的菠萝种植技术标准包括农业行业标准NY/T 1442—2007 菠萝栽培技术规程、NY/T 5178 无公害食品菠萝生产技术规程；地方标准包括DB53/T 144—2005 西双版纳菠萝综合标准、DB46/T 65—2006 菠萝生产技术规程，DB45/T 657—2010 菠萝栽培技术规程、DB 46/T 210—2011台农16 号菠萝生产技术规程等。如NY/T 1442—2007 菠萝栽培技术规程对种植规格的要求是，根据种植地形和冷冬期长短等因素选用单行、品字形双行、三行或多行式，大行距120～150 cm,小行距卡因类35～50 cm、皇后类30～40 cm、台农类50～70 cm；而DB 46/T 210—2011 台农16 号菠萝生产技术规程则规定了菠萝株行距为40 cm×50 cm，双行种植，大行间距60 cm，每亩种植2 300～2 500 株。

前述相关的研究成果并没有对菠萝栽培模式与机械化的关系进行论述。现行的相关行业或地方标准由于制定时间较早，可能当时整个菠萝行业对机械化认识较浅，因此标准文本中均没有论述种植模式与机械化实施的关系。从已有的研究和标准可以看出，选择以上不同种植参数，通常只从单纯菠萝农艺管理角度和实践经验来考虑，因此难以指导现代菠萝生产面向全程机械化的新要求。

1.2 常规菠萝种植模式对机械化作业的不利影响

1.2.1 菠萝行距与作业机具组的轮距不匹配

按照农业机械动力的常规选择，根据菠萝旱地栽培的管理特点，从通用性和经济性考虑，优先选择轮式拖拉机作为作业机械的牵引动力。但对照前面相关研究或标准提出的行距参数，除了机械化种植可使用轮式拖拉机牵引外，在机械化田间管理和机械化采收环节，正常情况，轮式拖拉机进入菠萝地通常有压行、伤株等现象出现，这是由于现行菠萝行距与作业机具的轮距无法匹配。如果相关作业机械研发不考虑制造和使用成本，设计成带动力的自走式专用装备，之前相关研究或标准提出的行距参数基本不符合机械设计的常理，这使自走式专用装备的行走轮（或履带）轮距参数也难以选择，机型过宽则无法在机耕道路和公路上转运，机型过窄则难以保证重心平衡，易倾倒造成安全事故。也有菠萝生产者认为小型机械可解决问题，但菠萝生产特点是量大（每亩种植数千株大苗）、物重（每亩产量近万斤）、地广（每块地几十上百亩），小型机械在园艺作业方面有优势，但难以满足高效率、大载量的菠萝生产要求。根据菠萝生产管理的作业性质，低于90 马力（1 马力=0.735 kW）或更小的拖拉机动力基本上不足以支撑菠萝联合种植、田间管理、收获转运和秸秆处理的高效作业要求。因此，目前常规菠萝种植行距与作业机具轮距的不匹配，造成作业机组无法下地适配跨行作业，是影响推进菠萝生产机械化的最大障碍。

1.2.2 机械化作业压行

菠萝叶片茂密、细长，最长达到100 cm 以上，到中期管理不论是窄行还是宽行，相邻两行菠萝的叶片基本已交错重叠，难以区分行间。因为菠萝地里没有能满足作业机组行走轮（或履带）的必要宽度的通道，作业机组下地必定要压行、伤株。在这种情况下，即使菠萝行距与作业机组的轮距可以匹配，由于行间宽度不足以供作业机组行走轮（或履带）行走，也会造成作业机组无法下地作业，这也是影响推进菠萝生产机械化的重要因素。目前，在没有通道的情况下人工作业，操作工人须借助防护服、依靠人体的灵巧性来避开菠萝叶以实施作业，有些公司则通过人工削去行间交错的叶片来获得人工行走作业通道。

2 宜机化的菠萝栽培模式设计

2.1 菠萝生产全程机械化的技术思路

在农业由传统作业模式向现代化大生产转型的形势下，农业机械化也从过去注重解决关键环节机械化向全程机械化迈进，相关农机装备从单机设计向耕整、种植（播种、移栽）、中耕管理、采收、秸秆处理体系化设计转变，以保证各环节机械化的有效衔接，获得高效率、高质量的机械化作业效果和低成本的制造及使用效果。菠萝生产全程机械化，以种植、采收为核心环节，前后分别延伸到耕整、中耕管理、种苗采摘、秸秆处理，形成全程机械化作业链。在设计种植机行距参数的时候，必须要考虑到下一步如何设计中耕施肥机械、喷药（或催花）机械、果实采收机械、种苗采摘机械、秸秆处理机械。如果没有做到体系化设计，也就达不到全程机械化的目标。因此，讨论宜机化的菠萝栽培模式，离不开种植与收获2 个核心环节机械化的总体技术思路。

2.1.1 菠萝种植机械化

菠萝种植有平地种植和起垄种植2 个方式。在湛江市菠萝产区，平地种植通常用于巴厘品系，起垄种植通常用于台农品系。其中巴厘品系大多数采用4 行种植模式，即每4 行菠萝间隔1 个管理作业沟，供田间管理作业工人行走；台农品系大多采用2行膜上种植模式，即每2 行菠萝间隔1 个管理作业沟，供田间管理作业工人行走。

根据巴厘、台农2 个典型品系差异性很大的不同种植模式，结合种植习惯和作业效率，菠萝机械化种植机可以考虑设计成2 种机型，即4 行平种式种植机和2 行垄种式种植机，分别应用于巴厘、台农2 个不同品系。

2.1.2 菠萝采收机械化

菠萝采收包括果实采摘与田间转运2 个部分。其中田间转运劳动强度大，需壮劳力才可完成，占采收劳动量的70%。目前，菠萝果实自动采摘、智能采摘仅处于理论探讨阶段或研究初期，离生产应用还有很长的路要走，基于人工辅助采摘、机械田间转运的收获方式是解放菠萝收获70%劳动量的现实选择。

针对前面菠萝机械化种植思路，按照4 行平种式种植机和2 行垄种式种植机的栽植特点，菠萝采收机的轮距可分别设计为跨4 行菠萝和跨2 行菠萝作业，这样种植机械化与采收机械化可较好地对应，获得前后衔接的效果。另外，菠萝采收时果实生长高度巴厘品系在80 cm 左右、台农品系在110 cm 左右，在保证不伤果、不压株的跨行作业情况下，菠萝采收机的底盘应设计成80 cm 和110 cm 以上的高地隙，才能满足要求。而农用车或轮式拖拉机，因其底盘高度在50 cm 以下，无法下地正常作业或作为牵引动力使用。

2.2 适宜全程机械化的种植模式

根据前述菠萝机械化种植与机械化采收的作业特点，结合现行栽培要求，依据种植机与收获机匹配、菠萝行距与作业机组轮距匹配、统筹耕整、管理机械化的原则，研究制定针对巴厘、台农品系的宜机化菠萝栽培模式，分别为“带状种植”，即“标准4 行+1 个宽作业沟”；“宽窄行种植”，即“宽窄2 行+1 个宽作业沟”。其中“宽作业沟”要求作业沟的宽度均在80～100 cm，以最低限度能行走作业机组（尤其是收获机械）、便于辅助工人行进；巴厘品系标准行距为40 cm，台农品系窄行距为50 cm，2个品系株距均选择为35 cm。种植模式如图1 和图2 所示。

图1 宜机化的巴厘品系“带状种植”模式示意

图2 宜机化的台农品系“宽窄行种植”模式示意

2.3 主要农艺参数分析

巴厘品系“带状种植”标准行距取40 cm，台农品系“宽窄行种植”垄上窄行距选择为50 cm，两者取值均在前述相关菠萝栽培研究结果或标准的取值范围内。考虑到机械化种植过程中，因菠萝种苗落地入土和定植时邻行之间的菠萝苗存在干涉的可能，尤其是较大株形或叶片开度较大的种苗，过小行距苗间干涉可能性更大，从而影响机械化种植的质量，因此没有选择更小的行距。此外，考虑到引起的每亩株数减少过多导致减产和增大作业机组的轮距而增大机械的型宽尺寸使机具更笨重的原因，没有选择更大的行距。

两种种植模式的作业沟宽度选择在80～100 cm，主要考虑给作业机组的行走轮留出一定的空间作为前进通道。常规种植作业沟宽度仅为50～60 cm，到收获期时菠萝叶已充分伸展出来占据一定的空间，而行走轮（或履带）的宽度通常在40 cm 左右，将造成较严重的碾压。将作业沟宽度加大以后，可留出一定空间，满足作业机组行走轮（或履带）不碾压或只碾压部分低垂的老叶子，不至于压倒菠萝植株或果实。此外，较宽的作业沟便于采摘辅助工人行走，确保跟上收获机的前进速度。

按照上述2 个种植模式，巴厘品系的每亩有效株数保持在3 400～3 800 株之间，较每亩4 000～4 500 株的常规种植减少约600～700 株；台农品系的每亩有效株数保持在2 500～2 900 株之间，较每亩3 000～3 300株的常规种植减少约400～500株，起到适当降低种植密度的作用。按照理论计算，菠萝株数减少导致产量有所减少，但由于能够实现全程机械化，从节约的人工成本、株数减少相应节省的种苗、肥料和管理成本、密度降低改善果实品质带来的效益增加等各方面来计算，综合效益未必会降低。再者，常规种植模式无法实施机械化，在缺少工人的情况下，产量更高也未必会增收。

3 基于宜机化模式的菠萝生产机械化关键技术研究

3.1 适用于巴厘品系的种植机与收获机

3.1.1 2ZB-4L型四行菠萝移栽机

根据前述巴厘品系“带状种植”的农艺要求，研制了2ZB-4L 型四行菠萝移栽机，以90 马力拖拉机为牵引动力，具备旋耕、施肥、栽植联合作业功能，整体结构如图3 所示。

图3 2ZB-4L 型四行菠萝移栽机结构图

2ZB-4L 型四行菠萝移栽机设计为一次可栽植4行菠萝苗，满足行距为40 cm、株距为35 cm 的栽植要求，采用链夹式移栽机构。目前国内外针对不同作物种植特点,生产上常用的栽植机构主要有链夹式移栽、钳夹式移栽、挠性圆盘式移栽、导苗管式移栽、吊篮式移栽等型式。链夹式移栽机构由于栽植株距准确、种苗栽植后的直立度较好，并且可以直接观察把握放苗时机减少漏植，整体结构紧凑，适宜多行并行种植。考虑到菠萝苗株形较大，不怕夹持伤苗，夹持送苗容易，选择链夹式移栽机构。2ZB-4L 型四行菠萝移栽机的田间试验如图4 所示。

图4 2ZB-4L 型四行菠萝移栽机田间试验

3.1.2 4B-200型高地隙履带自走式菠萝采收机

4B-200 型高地隙履带自走式菠萝采收机采用人工跟随采摘与机器输送收集配合的方式作业[14-15]，承载3 t 的大容量车厢用于菠萝田间转运代替工人背负，采收工作效率提高约3 倍，并可以大大减轻田间转运果实的劳动强度。针对广东省湛江市菠萝主产区丘陵地形和采收季多雨的气候条件，采用附着能力强、田间通过性好、重量轻的全橡胶履带作为行走机构，底盘离地间隙设计高度为80 cm 以避免伤果；配置柴油动力驱动系统与操作控制系统，整机无需拖拉机牵引，结构紧凑；挂设在车厢上的后置式果实输送带具有自动收放功能，便于转场作业和公路运输。4B-200 型高地隙履带自走式菠萝采收机整体结构如图5 所示。

图5 4B-200 型高地隙履带自走式菠萝采收机结构简图

该机设计时，按照前述巴厘品系“带状种植”的农艺特点，橡胶行走履带需要跨4 个标准菠萝行进行作业，而菠萝行距为40 cm、作业沟宽度为80 cm，因此履带中心距应设计为200 cm，选择的橡胶履带宽度为40 cm；两套集果输送臂展开宽度为10 m，满足单次作业采收5 个种植带的要求。按此设计研制完成的我国第一台高地隙履带自走式菠萝采收机,经初步试验表明，农机农艺融合良好，采收机行走在菠萝田间基本上无伤果现象，除少量老叶被碾压外，整株伤害情况极少，有效解决了采收机械无法下地作业的问题。4B-200 型高地隙履带自走式菠萝采收机的田间试验，如图6 所示。

图6 4B-200 型高地隙履带自走式菠萝采收机田间试验

3.2 适用于台农品系的种植机与收获机

3.2.1 2ZB-130型垄作双行菠萝移栽机

根据前述台农品系“宽窄行种植”的农艺要求，研制了2ZB-130 型垄作双行菠萝移栽机[16]，以90 马力拖拉机为牵引动力，具备施肥、栽植的联合作业功能，主要结构如图7 所示。

图7 2ZB-130 型垄作双行菠萝移栽机结构简图

2ZB-130 型垄作双行菠萝移栽机设计成一次栽植2 行菠萝苗，满足行距为50 cm、株距为35 cm 的膜上栽植要求。该机包括机架、施肥装置、压土轮、导种槽、移栽装置等，其中移栽装置设有开合机构，菠萝种苗由人工投送，从导种槽中自由落下并在开合机构的作用下准确送入土穴中并定植。2ZB-130型垄作双行菠萝移栽机的田间试验，如图8 所示。

图8 2ZB-130 型垄作双行菠萝移栽机田间试验

3.2.2 4B-135型高地隙履带自走式菠萝采收机

4B-135 型高地隙履带自走式菠萝采收机（以下简称“135 型”）整体工作原理与4B-200 型高地隙履带自走式菠萝采收机（以下简称“200 型”）相同，其主要差别在于：①行走履带的跨距不同。135 型针对台农的种植农艺特点而设计，行走履带中心距为135 cm，这样总体满足跨1 垄2 行台农品系“宽窄行种植”的要求；②底盘离地间隙不同。200 型针对巴厘品系采收，而巴厘品系为平种不起垄，果实高度比台农品系要低，底盘离地间隙设计为80 cm 即可满足采收不伤果的要求。135 型针对的是台农品系，而台农品系种植起垄高度10 cm 以上,再加上本身较高的株形，根据多个地方田间实测数据，135 型离地间隙设计为110 cm，才能满足不伤果采收的要求。其实物样机如图9 所示。

图9 4B-135 型高地隙履带自走式菠萝采收机（输送臂收起状态）

4 问题与展望

4.1 菠萝种植机械化存在的问题

经过对2ZB-4L 型四行菠萝移栽机和2ZB-130型垄作双行菠萝移栽机的性能测试和初步大田试验，证明总体上2 种移栽方式的栽植质量均能达到实际生产要求，但仍有以下问题需要进一步系统解决。

1）移栽机构对菠萝种苗株形的适应性问题。目前以菠萝果实采收后自然蓄养的种苗，在茎粗、高度、弯度等外观参数上差异很大。在试验中发现，大部分种苗栽植效果好，而小部分栽植则达不到要求甚至出现重植、卡机、漏植。栽植达不到要求或无法栽植的种苗，均为径粗超大、高度过大或弯度过大，不能与栽植机构有效匹配。因此，要实施菠萝机械化种植，必须对菠萝种苗进行大小分级并标准化修剪苗高，剔除弯度过大的异形株，才能获得理想的栽植质量。农艺上，种苗按大小分级再分区种植，也便于植后菠萝的田间管理，获得长势一致的管理效果，农机和农艺的要求是一致的。

2）要高标准整好菠萝地，种植时土壤水分要适宜。上述2 种种植机的移栽机构，均是利用土壤的流动性来配合辅助覆土机构实现对菠萝种苗的回土和压实。如果土壤没有一定的流动性，菠萝种苗的植后回土和压实效果将显著降低。高标准整地，要求土壤要充分旋耕细碎、足够平整，土壤中不能带有过多的残膜、秸秆等影响土壤流动性的异物，并且种植时土壤要求比较干燥以保证合理的流动性、土壤不会粘结于栽植机构上从而影响栽植质量。

3）要构建完整配套的种植机械化技术体系。围绕种苗准备，要配备必须的菠萝种苗采收设备、种苗分级整形设备；围绕种苗栽植，要配备必须的种苗田间配送设备。菠萝栽植过程种苗需求量极大，每亩用苗几千株，百亩用苗几十万株，千亩就要数百万株。庞大的种苗处理量，种苗准备、种苗配送工作量极大，如果没有相应的机械设备支撑，就需要大量的人工。因此，解决了菠萝移栽机，并不代表解决了菠萝种植机械化的问题，需要体系化同步解决。

4.2 菠萝收获机械化存在的问题

1）机械化收获依赖于菠萝机械化种植为基础，只有机械化种植，才能保证标准化、规范化的农艺条件，从而满足收获机下地的要求。菠萝收获固然是菠萝生产机械化的难点和热点，但是要解决机械化收获，不同步解决种植机械化的问题，也难以获得好的效果。

2）需要按菠萝果实的用途和果实特性，进一步细分采收过程中果实的收集形式，以合理提高采收效率。目前按菠萝果用途，可以分为加工果（罐头、果汁、果干等）和鲜售果。加工果收获后一般能及时运转至加工厂加工，流转、存放时间短、能接受少量的损伤，可采用整体收集形式，即采收机上只设置1 个可整体吊运的大容量果篮，由输送臂送来的菠萝果实直接输送到果篮内，无须车上人工分装，这样可以减少辅助工人、提高转运效率。针对果实较坚硬的巴厘品系鲜售果，其抗损伤能力较强，也可以采用整体收集形式进行采收。而对售价较高的台农品系高端鲜售果，由于其流转时间长、易碰撞损伤，必须采用车上单个分装的收集形式，即输送臂送来的菠萝果实由人工捡拾或自动逐个放至带有隔离纸板或防护衬的标准果框内，避免流转过程中果实互相碰撞以减少损伤保持品质。

3）要构建完整配套的采收机械化技术体系。菠萝果实采收并转运至地头后，大容量果篮或标准果框如何快速、高效转移至公路运输车上，同样也需要配备必要的设备，如吊车、叉车、专用的皮带输送机等，形成完整的机械化采收链条。

4.3 菠萝生产全程机械化的技术展望

菠萝生产全程机械化的实现技术路径，是在构建宜机化菠萝栽培模式的基础上，进而攻克种植与收获2 个关键技术，再集成配套相关环节设备的机械化，形成“耕地-作物-机器-管理”协同的技术系统，最后经过一定的应用实践促进各个生产要素充分融合而形成生产模式。这种新型的机械化菠萝生产模式要取代现行以人工作业为主的传统生产模式，还有很多工作需要广大科技工作者继续深入研究和试验，做到技术性和经济性的结合，比如继续探讨更多的宜机化模式以及针对不同宜机化模式设计研制相应配套的耕、种、管、收系列生产机械等，并进行农艺试验验证。只有相关方持续协同努力，中国菠萝生产机械化才能够形成合理优化的整体解决，跟上新时代我国农业机械化全面全程发展的步伐，促进菠萝产业持续健康高质量发展。