西南丘陵山区马铃薯全程机械化生产现状及存在的问题

刘 伟， 谢守勇， 李明生， 刘凡一， 孙玉华

（西南大学工程技术学院，重庆 400715）

0 引言

我国马铃薯种植面积约0.667 亿hm2，面积和产量均占世界的1/4 左右[1]。马铃薯是西南地区重要的粮食作物，西南地区的云南、贵州、四川、重庆等省（市）是我国重要的马铃薯产区，种植面积占全国马铃薯种植面积的40%左右[2]。西南地区因地处丘陵山区，区域内地势复杂、海拔高度变化大、耕地分布零散，制约了马铃薯生产全程机械化发展[3]。目前国内外马铃薯机械化生产基本以中大型设备为载体，中大型设备主要应用于土地平整、地块面积大的北方一作区[4]。西南丘陵山区耕地细碎，主要使用小型机械进行种植与收获，技术与装备提升空间较大，是未来马铃薯生产全程机械化推进工作的重点地区[5]。针对西南丘陵山区马铃薯全程机械化生产现状，研究关键生产问题并提出解决方案，推动西南丘陵山区马铃薯全程机械化生产。

1 马铃薯生产现状

1.1 宜机化马铃薯品种

目前，国内外马铃薯品种选育方面的研究集中在品质、抗病性、环境适应性、生长稳定性及产量提升等方面。针对丘陵山区土壤特性及气候特征，西南大学选育出的缙云薯2 号和华渝5 号，以及重庆市农业技术推广总站选育出的渝马铃薯5 号和巫洋芋2 号等新品种，在云贵川渝不同海拔区域广泛种植。

1.2 马铃薯生产技术现状

国内外马铃薯机械化生产技术研究主要是通过机械化手段将先进的农艺技术运用于生产实践，最大程度地提升农作物产量，节省人力物力，提高经济效益。

北方一作区、中原二作区、西南一二季混作区和南方冬作区是我国马铃薯种植的4 个主要区域[6]。由于地处丘陵地区、耕地细碎、山地和陡坡种植面积占比高，西南一二季混作区无法采用大型机械，当前又缺乏适合南方生产作业的小型机械，因而西南地区马铃薯种植的机械化程度低，大部分采用人力作业。由于西南丘陵山区复杂的地理环境，不同马铃薯生产区种植模式不一样，种植技术多样化导致全程机械化难度大。间作套种模式是按照不同的比例，在细碎的耕地资源中种植不同种类的农作物，西南地区主要采用马铃薯、玉米间作套种模式，能有效提高单位面积产出与经济效益[7]。

1.3 马铃薯生产装备现状

1.3.1 播种作业技术及装备

提升马铃薯产量和质量的重点在于采用马铃薯专用播种技术与装备以改善播种质量[8]。马铃薯播种机主要由开沟装置、施肥装置、播深控制装置、排种器、覆土起垄装置及其他辅助部件组成。其中，马铃薯排种技术是影响播种质量的关键。根据马铃薯种薯（切块薯、整薯、微型薯）类型，国内外具有代表性的马铃薯排种器可分为带（链）勺式、气力式、差动输送带式、转盘式、针刺式、指夹式等[9]。

西南丘陵山区播种作业中，带（链）勺式马铃薯排种器应用最为广泛，其工作可分为4 个过程，即取种、清种、携种和排种。取种勺安装在带或者链条上，由带或者链条带动，自下而上运动，从种箱中舀取1～2颗种薯后，继续向上运动至清种区域，清种装置去除种勺内多余种薯，保证每个种勺内只有一个种薯，随着带或链条向上运动，翻越上带轮或上链条轮，种薯从种勺中掉落在前一个种勺背部，随着前一个种勺向下运动，种薯脱离种勺背部做抛物线运动落在播种区，完成一次播种作业[10]。

1.3.2 植保作业技术及装备

根据行走动力方式的不同，丘陵山区传统马铃薯植保施药机械可分为人工施药机具与机动式施药机具。

人工施药机具以背负式、脚踏式和担架式为主，具有成本低、不受地形限制的优点，但作业效率低、作业强度大、喷施质量不易保证，对人体危害性大。根据不同的喷药机构，机动式施药机分为风炮式、塔式、圆环式及柔性导管式等，以牵引悬挂方式安装在动力行走机械上，极大提升了作业效率，减少农民劳动强度，同时提高了农药喷施均匀度。

丘陵山区高低不平，地势起伏大，大部分机动式施药机具无法进地作业，80%以上的施药工作仍然依靠人工完成，只有部分小型化、转场能力强的装备适用于丘陵山区植保作业。

1.3.3 收获作业技术及装备

根据技术原理和结构，马铃薯收获机可分为轻简型挖掘机、分段式收获机和联合收获机[11]。在西南丘陵山区应用较为广泛的是轻简型挖掘机和分段式收获机。

轻简型挖掘机结构简单，适用于疏松土质单垄种植模式下的收获，挖掘后在较短行程完成薯土分离与铺放，分为振动挖掘式、拨辊推送式、圆盘栅式、防损链式等类型[12]。在收获过程中，马铃薯表皮与分离筛的各部件产生碰撞冲击与剧烈摩擦，承受各种静载、剪切、挤压、振动和冲击载荷等作用，易使胶质层破裂而产生损伤。

分段式收获机作业工艺流程一般为杀秧−松土−挖掘−分离−铺放−捡拾，杀秧和收获作业分段进行，使用杀秧机和收获机单独作业。分段式收获机一般包含松土限深装置、挖掘装置、切土切蔓装置和薯土分离装置等结构。分段式收获机种类较多，其薯土分离形式多样，包括单段分离、两段分离、一级振动分离和两级振动分离等多种形式。马铃薯分段收获机主要特点是杀秧、收获分开作业，薯块挖掘分离和铺放后需人工捡拾，效率低、成本高、劳动强度大[13]。

1.3.4 田间转运作业及设备

国内丘陵山区田间转运设备可分为简易田间转运车、牵引式田间转运车和履带式田间转运车[14]。

简易转运车结构简单，制作成本低，工作效率低。牵引式田间转运车由拖拉机牵引，操作方便，工作效率高，适用于平整大田。传统履带式田间转运车上下坡货厢倾斜引起货物自然滑动易翻车，同时上坡耗能增加，下坡制动系统负担大，发热严重，安全性差。

2 马铃薯生产问题分析

2.1 宜机化品种短缺

针对丘陵山区宜机化品种短缺的问题，应大量引进国内外优质宜机化品种，并结合当地优秀品种进行选育。选育后的宜机化品种在薯块外观上，应具有薯形规整、芽眼浅且分布均匀、薯皮易木栓化、抗压伤、耐机械损伤的性状；在种薯质量上，应具有大小分级、规格一致的特点。这些优质性状能够显著改善马铃薯播种、收获等关键环节的漏播、高损伤现象，将为丘陵山区马铃薯产业持续发展、促进农民增收提供重要保障。

2.2 生产农艺与机械化生产技术不匹配

目前，西南丘陵山区广泛应用的间作套种模式农艺技术与当前机械化生产技术并不协调，开展西南丘陵山区马铃薯机械化生产技术及区域差异性研究，探索本地化的全程机械化生产模式，制定丘陵山区马铃薯全程机械化生产技术规程，是西南地区马铃薯生产的必然趋势和当务之急。考虑间作套作种植模式存在的问题，根据丘陵山区马铃薯生产的地理环境、土壤条件，宜采用净作大垄双行的种植模式，与传统种植模式相比，该种植模式显著提高光能和水肥利用率，可通过合理密植提高产量，充分发挥边际效应，具有保墒、保肥、保温等优点。

2.3 精量播种作业效率及作业质量较低

马铃薯机械化播种的作业质量、效率是影响其产量的关键要素。国内机型主要为中小型，自动化、智能化程度较低，机构相对简单，制造成本相对较低。西南丘陵地区地形复杂，土壤黏性大导致起垄高度低，降低了排种装置的可靠性，导致漏播突出、株距均匀性差等问题。

基于现有切块薯播种机结构，研究排种器取种、送种运动特性，构建切块薯−排种装置−土壤的互作模型，分析基于离散元模拟排种作业过程，明确切块薯单粒排序落种作业机理，实现高速作业下切块薯的均匀有序排种。研发实时漏播监测补种机构及控制系统，在现有排种技术基础上进行精确补种装置的结构创新，基于单片机/PLC、传感器、电磁等技术进行自动精确补薯控制技术研究，将先进制造技术融入排种器中，能够提升马铃薯播种作业效率和作业质量。

2.4 植保作业机动式机械进出场难

近年来，无人机植保技术因不受作物种类、地形限制影响，成为解决丘陵山地地面植保机械进出困难的有效选择。但是无人机植保效果会受到温度、湿度、飞行高度、飞行速度、风速、风向的影响。未来无人机植保技术应该引入气候监测系统和飞行微控制系统，实时传输无人机工作数据，精确化控制无人机植保作业。

2.5 收获作业高功耗及高损伤

西南丘陵山区黏重土壤具有通透性差、颗粒细小、透气透水不良的特点，土壤的黏性、可塑性、湿胀性强，耕作阻力大，易起土垡。现有的马铃薯收获作业装备作业功耗大、损伤率高。开展马铃薯种植土壤特性研究，融合机械、控制、信息和仿生等技术，使用仿生减阻、振动减阻等技术手段，实现黏重土壤下的低功耗挖掘。对机械收获过程中容易导致马铃薯损伤的作业环节进行研究，从挖掘−筛土−输送提升−收集等各环节降低收获机械对马铃薯块茎的损伤程度。

2.6 田间转运作业设备适应性差

简易田间转运车效率低；牵引式田间转运车由拖拉机牵引，适用于平整大田；传统履带式田间转运车的货厢倾斜易引起货物堆积，导致上坡耗能增加，下坡制动系统发热量大，安全性差。针对丘陵山区马铃薯收获作业后田间转运设备适应性差的问题，宜采用带液压控制的履带式田间转运车，可通过调整油缸活塞杆的伸缩行程，保证货厢在上下坡时处于水平状态，防止货物因重力自由滑动引起转运车翻车、侧翻等安全事故。

3 结束语

在国家“马铃薯主粮化”战略和粮食种植结构调整的政策驱动下，提高马铃薯生产全程机械化水平，未来应该从以下方面展开以取得突破性的进展。

一是选育丘陵山区宜机化品种。加大宜机化品种优良性状研究力度，在典型区县宣传推广宜机化品种，这些宜机化品种将为本地马铃薯产业持续发展、广大马铃薯种植户增收提供重要保障。

二是制定区域内发展规划。地理条件和农艺多样性严重阻碍了丘陵山区马铃薯全程机械化进程，开展丘陵山区马铃薯机械化生产技术及区域差异性研究，探索本地化的全程机械化生产模式，制定丘陵山区马铃薯全程机械化生产技术规程，将传统的间作套种模式改为净作大垄双行模式，显著提高光能和水肥利用率。

三是大力推进技术创新，尤其是工艺原理、机械结构简单的小型马铃薯生产机械。坚持农机和农艺相结合，注重农机、农艺技术协调发展，研发适合丘陵山区地理、气候特点的性能可靠的马铃薯生产机械。研发适应丘陵山区土壤黏性大的马铃薯排种装置，可有效改善漏播突出、株距均匀性不高等问题。