我国大蒜全程机械化生产现状、问题与对策*

崔志超，刘先才，陈永生，2，管春松，杨雅婷，许斌星

(1.农业农村部南京农业机械化研究所,南京市,210014;2.江苏现代园艺工程技术中心,江苏镇江,212400)

0 引言

我国是世界上最大的大蒜生产和消费国,种植面积、产量、出口量以及出口额均居世界首位,为农民增收,国家创汇做出了积极贡献[1-2]。相对于大蒜产业的快速发展,大蒜机械化生产条件滞后成为制约大蒜产业瓶颈问题,目前大蒜生产机械化技术个别环节虽然有所突破,但全程机械化整体水平较低。随着国家对农机装备整体水平的转型升级,传统大蒜生产方式已无法满足市场需要,推进大蒜全程机械化生产愈发显得尤为重要,攻克大蒜正芽播种、联合收获、蒜薹收获等关键技术,优化耕整地、田间管理、产后处理等装备水平,完善大蒜全程机械化中的不足,实现劳动生产率提高,农民节本增收,对大蒜产业稳步发展具有促进作用[3-4]。本文通过调研了解我国大蒜产业和机械化研究现状,分析大蒜全程机械化生产面临的主要问题并提出对策建议,旨在为我国大蒜生产装备的研究提供系统参考。

1 大蒜产业现状

据农业农村部统计,近几年全国年种植大蒜面积稳定在800 khm2左右[5]。山东、河南、江苏是核心种植区,占全国种植面积50%以上[6-7]。山东是全国大蒜产业的领头羊,各地市基本都有大蒜种植,有3个全国著名的大蒜种植区,近年来年大蒜种植面积约200 khm2[8]。鲁西南大蒜种植区：以金乡县为核心的济宁市、菏泽市大蒜种植区,面积超过133.3 khm2,其种植大蒜的品种以及种植模式基本一致[9-10]。该地区大蒜以收获蒜头为主,品种多为“杂交红蒜”以及“金乡白皮大蒜”。红皮大蒜蒜薹产量一般在3 750～6 000 kg/hm2,蒜头产量在15 000～21 000 kg/hm2;白皮大蒜蒜薹产量较低,约750～2 250 kg/hm2,可忽略不计,蒜头产量16 500～22 500 kg/hm2。白皮大蒜价格较红皮稍高,不同地区种植喜好不同。鲁南大蒜种植区：以兰陵县为核心地的临沂市大蒜种植区,面积约7 500 khm2[8,11]。该地区大蒜以收获蒜薹为主,品种以“二水早”以及“苍山大蒜”为主。“二水早”为密植型大蒜,蒜薹产量一般在15 000～19 500 kg/hm2,蒜头产量在12 000～15 000 kg/hm2,蒜薹收获早,价格高,经济效益也高;苍山大蒜蒜薹一般在12 000～15 000 kg/hm2,蒜头产量15 000～16 500 kg/hm2,该品种蒜薹蒜头均高产,经济效益也很好。鲁中、西北大蒜种植区：以莱芜、聊城、济南商河为代表的大蒜种植区,面积约13 500 khm2,该地区大蒜品种更为复杂,有“金乡红皮大蒜”“白皮大蒜”以及“苍山大蒜”等[8]。

河南省大蒜种植面积30 000 khm2,主要分布在杞县、通许、开封、中牟等地[12]。该种植区可分为早熟蒜和晚熟蒜：早熟蒜比晚熟蒜大约提前收获20多天,量少;主要是晚熟蒜,收获期比山东、江苏略早几天。

江苏省大蒜种植面积约30 000 khm2,可分为邳州、盐城2大种植区,二个区域的种植模式略有差异[13]。邳州大蒜种植区：以邳州市为核心地的徐州大蒜种植区,面积15 000 khm2,占江苏省大蒜总面积近七成,大蒜以收获蒜头为主,品种多为杂交红蒜以及金乡白皮大蒜。盐城大蒜种植区：主要包括射阳和大丰两个县,该地区大蒜以收获鲜蒜头为主,也是蒜薹专业化产区,蒜薹产量一般在6 000～9 000 kg/hm2不等,鲜蒜头产量在15 000～22 500 kg/hm2左右。

2 大蒜主要种植模式

大蒜的播种期因地区和品种而异,可分为秋播和春播。以北纬35°～38°为大蒜春播和秋播的分界线,北纬35°以南地区冬季不太寒冷,大蒜幼苗可自然露地越冬,多以秋播为主,来年初夏收获。北纬38°以北或高海拔地区,冬季严寒,幼苗不能安全越冬,秋播易遭冻害,宜在早春播种,夏中或夏末收获。北纬35°～38°之间的地区春、秋播均可。虽然各地的具体播种期千差万别,但春播时的日平均温度一般在3 ℃～6 ℃之间;秋播时的日平均温度约在20 ℃～22 ℃之间。春播大蒜的生育期,尤其是幼苗生长期比秋播大蒜显著缩短,所以应尽量早播,以满足发育过程中对低温的要求,使大蒜抽苔、分瓣。如春播过晚,势必影响产品的形成,降低产量。

大蒜生产流程如图1所示。

图1 大蒜主要生产流程Fig.1 Main production process of garlic

1) 垄(畦)型：大蒜是好水性植物,种植有露地平作,也有起垄或作畦,以便于田间管理时人机作业。一般缺水地区作畦,丰水地区起垄。各地因为种植习惯不同,垄或畦宽度、高度并不一致,并无特殊农艺上的要求。尽管垄畦型各种各样,然而在一定区域内,行株距的范围是大致统一的。确定行株距的习惯一是密植高产,二是为套种作物预留合理种植行距。

2) 定植：苏鲁豫大蒜主要栽培模式为秋播大蒜。秋播大蒜需要经过冬季,生长期长。9月底10月初是集中种植时间,播种作业期10 d以上。播期主要作业环节包括：整地—播种—喷除草剂—浇水—覆膜,播完到覆膜周期需一周左右。定植密度通常45～52.5万株/hm2,部分品种可以达75万株/hm2。常见行距：180～220 mm;株距：80～180 mm。也有间作套种选择宽窄行(如射阳：150 mm-300 mm-150 mm-300 mm)。有起垄、也有不起垄。灌溉一般为漫灌,少数采用喷灌。

3) 覆膜：种植习惯上,大蒜播种期有覆膜和不覆膜之分。覆膜有利于增加产量,使收获期提前,兼有压制杂草生长功能,目前多数地区已习惯覆膜种植。据金正大公司在山东兰陵种植实验,对比不覆膜,覆膜后抽薹提前6～10 d;蒜头成熟提前5～8 d;蒜薹增产55.35%;蒜头增产44.8%。

4) 收获：收获期一般为10 d,晚蒜品种干销为主、产量高,5月20日开始收获,月底结束。开封地区早蒜品种4月20左右开始收获,收获期10 d左右,鲜销为主,产量略小,但销售价格较高。人工收获作业环节主要包括：挖拔—晾晒—剪茎去胡—收集装袋—运送—收集处理秸秆及残膜。

5) 轮茬套种：大蒜通常与其他作物轮作,不同地区轮作作物不同。轮茬并需套作作物常见的有玉米、辣椒、棉花、花生等。种植户基于经济效益考虑,80%～90%采取套作方式,给推广机械化收获造成很大困难。

3 大蒜全程机械化现状

我国大蒜机械化总体水平较低。整地、植保、灌溉、施肥、运输等环节机械化作业因为机械设备的通用性和使用率高,目前已达到较高水平;播种机械化有较快发展,机械装备也日渐成熟,规模种植户使用率较高;大蒜全程机械化瓶颈是蒜头田间收获、蒜头茎胡整理、蒜头干燥及蒜薹田间收获四个环节。从生产成本分析,近年来人工费用绝对值和相对比例逐年增长,规模种植户在收获季节无工可雇佣已成为常态,尤其是人工收获方式中的收获环节人工费用一般占生产全程人工费用的50%。实现机械完全替代人工收获,是大蒜机械化发展的重点和难点。

3.1 大蒜播种机械

大蒜播种方式可以分人工播种和机械播种,机械播种又分正芽(蒜种芽尖朝上)播种和随机性播种两类[14]。正芽播种一直是困扰广大科研工作者的难题,崔志超等[15]运用大蒜弓背特征,基于多层弧形料斗+鸭嘴直立栽插的原理,设计了牵引式大蒜播种机,机具作业速度在0.5～0.9 km/h时立直率95%以上;崔荣江等[16]运用大蒜芽尖特征设计了弧形开口换向器,结合鸭嘴式栽植器,实现正芽率90%以上;侯加林等[17]基于图像识别与正芽方法设计了试验台,正芽率90.56%。实际生产中,选择正芽播种还是随机性播种,取决于种植户对分别使用两类机械投资收益水平及后期生长差异的经验性比较。

由于正芽播种机对蒜种形态一致性要求较高,而大多数实际使用蒜种外形、大小差异性显著,加之整地质量不高的影响,正芽播种机往往难以达到预期的正芽效果,种植户对价格偏高的正芽播种机接受度较低;比较而言、随机性播种机具有购机费用低、种子预处理要求低、操作轻简易上手、田块适应性好的优势,易被中小种植户接受。据调查,目前机械化播种中采用随机性播种机比例占80%以上。

据现有研究和种植户反映,同等田间管理条件下,正芽播种导致大蒜前期生长发育整齐,蒜头、蒜薹的优品比率较高。虽然采用正芽播种和随机性播种使大蒜品质、产量或有差异,但是对于种植户总体经济效益的影响并不显著[18-19]。

大蒜机械化播种节本增效十分显著,近几年机械化播种率正快速提升,部分主产区播种机械化水平已经接近70%。调研了不同产区的10个大蒜种植基地,结果表明：人工播种效率是0.026～0.033 hm2/d,人工播种费用3 000～6 000元/hm2(不同地区人工成本差距导致人工播种费用存有差异);6～10行正芽播种机(玛利亚系列及同类机型)效率是1.33～1.66 hm2/d,8行左右随机性播种机(得易播系列及同类机型)效率是1.67～2.67 hm2/d,在当季机械10 d满负荷作业情况下,正芽机械播种综合费用不超过人工播种费用1/2,随机性机械播种综合费用通常只有人工费用的1/4～1/3。

3.2 蒜头收获机械

蒜头收获分人工收获、半机械化收获和机械化收获。

人工收获使用工具是挖蒜铲、剪茎剪胡的剪刀或小铡刀。采用手工夹持作业方式的台式电动剪胡机尽管存安全隐患,也有大量使用。挖掘和剪茎剪胡装袋可同日进行,也可田间带茎秆晾晒蒜头1～2 d后分段作业。

半机械化收获方式是采用机械挖掘,有的机械挖掘同时完成剪茎,再人工剪茎去胡后装袋,完成收获作业。大蒜联合收获机目前处于试用阶段,实际应用面积不大,联合收获机械推广进展缓慢有种植模式不适应和机械性能不完善双方面原因。现有联合收获机开发的技术路径有夹持式收获和挖掘式收获两种[20-22]。其中,夹持式收获作业主要包括“松土夹秧—拔蒜输送—剪秧去胡—蒜头集装—运输车离田”过程;挖掘式收获包括“剪秧—挖掘—蒜土筛分—蒜头集装—运输车离田”过程。李超[23]研发了手扶式大蒜夹持收获机,可实现夹拔、切秧、切胡等功能,收获成功率98%左右;于昭洋等[24]基于挖掘铲+夹持链,设计了组合式大蒜联合收获机,实现铲出、夹送、切秧、收集功能,伤蒜率在2.78%左右。

国内目前针对蒜头收获已经开发的几种联合收获机多采用夹持方式收获。夹持式收获机关键机构是“夹”,优点是机械伤蒜轻、剪茎合格率较高。缺点是在蒜秧不完整情况下将出现较高漏夹漏收率,因为一般天气条件下,覆膜大蒜在5月中下旬收获,这时植株叶片大部分已经枯干,假茎变软,若主杆枯萎,对夹持式收获不利。夹持式收获机需要较高的茎秆完好率,收获宜早不宜迟。

挖掘式联合收获机较夹持式联合收获机理论上作业效率更高,机械结构相对简单,是大蒜联合收获机开发值得重视的方向。

国际上根茎类联合收获机对于收土豆、胡萝卜等已有相当成熟技术装备,国内大蒜挖掘机加人工捡拾模式在实际生产中已有较高的普及率。因此,在土壤性状合适条件下,通过“清膜、剪茎、挖掘、筛分、装袋、运输”,实现蒜头一次性收获在技术上是完全可行的。

挖掘式联合收获机关键机构是“筛”,实现已去茎蒜头与土壤有效分分离。该方式优点是对大蒜收获期茎秆性状没有要求,缺点是对土壤要求高,在黏土和土壤含水量过高时筛分效果不好。另外,蒜土筛分过程中易撞击碰擦伤蒜,留茎长度可能合格率不高,茎秆再次整理工作量大等。

为获得挖掘式联合收获机较佳收获效果,要做好农机农艺融合,例如进行耕地前期精整、改良土壤性状。另外,残余地膜对于筛分效果会有影响,可用机械或人工方法进行清理。

调查对比大蒜人工收获与机械收获的成本与效率,大致结论如下。

人工收获作业包括挖掘、剪胡剪茎与蒜头装袋环节,一般效率为0.026 hm2/d,费用通常12 000～15 000元/hm2,视劳动力供给情况或有波动。

半机械化收获作业模式比较普遍,主要是挖掘和剪茎使用专用机械或根茎类蔬菜兼用型挖掘机(有的机械仅完成挖掘),其余仍由人工完成。这种收获模式与全人工作业模式比较,能显著降低挖掘劳动强度,工效略有提高,但增效节本并不明显。

联合收获机收获模式目前仍在试用阶段,没有大面积使用相关数据。据丰县、金乡县夹持式6行以上自走式联合收获机样机小面积试用结果推演,如机械化收获达到设计性能并完成当季作业总量13.33 hm2(日均1.33 hm2)以上,预期综合收获成本可控制在9 000元/hm2以下。

正是由于机械化联合收获模式预期综合效率不低于纯人工效率15倍,收获成本较纯人工收获降低25%以上的诱人前景,我们认为开发先进适用的高效大蒜联合收获机是当务之急。

3.3 蒜薹收获机械

蒜薹是大蒜植株上抽出的花茎,作为一种传统特色蔬菜,是大蒜产业的主要产品之一。蒜薹采收是大蒜生产中常有的作业环节,其季节性强,收获时间短而集中。长期以来,蒜农主要依靠手工方式或简易工具抽取蒜薹,作业效率低,劳动强度大,生产成本高,采收质量参差不齐难以保障,蒜薹及蒜头产量、质量均受到严重制约[25]。近年来,蒜薹采收人费用本甚至占生产成本八成,受人工费用增长和劳动力短缺制约,部分地区甚至放弃蒜薹收获。

由于蒜薹采收时既要不重伤蒜茎,使蒜头后期生长不受影响,又要将蒜薹较完整取出,机械化作业难度较大,耿令新等[26]基于人工抽薹原理设计了具有划茎夹薹功能的蒜薹收获机,试验抽薹成功率89.1%,损伤率20.55%;刘龙[27]设计了一种具有针扎和抽拔功能的电动蒜薹收获机,试验成功率仅16%,关于蒜薹收获机械目前还停留在研究试验阶段,期待有实质性的技术突破。

4 大蒜全程机械化发展主要问题

大蒜全程机械化是一个系统工程,其障碍不仅限于机械技术,还受到经营规模、种植模式的制约。与之相比,机械化自身的技术难点或不是症结所在。

4.1 种植规模小

种植户规模化经营是大蒜生产全程机械化的基本前提,建立在兼业农户和分散小农户基础上的机械化生产是不可能实现的。目前经营规模0.2～0.53 hm2小农户占经营面积比重在90%以上,10 hm2以上的种植大户并不多,农机装备如投资在10万元以上对于小农户则不具有机械化的规模经济性。对于10 hm2以上大规模经营户,机械化替代人工效益则十分显著,建议政府做好主产区产业带规划,引导蒜农土地流转相对集中经营、推广专业化标准化生产、并发展以机械化为主导的社会化服务合作社,同时还要加大机械购置补贴。

4.2 种植模式与规范不统一

大蒜套种种植模式采用比例太高,是推进大蒜全程机械化的重大难题。据苏、鲁、豫等主产区调查,大蒜与其他连茬作物如辣椒、玉米、棉花、花生等等套种,导致收获机无法下地,全程机械化无从下手。另外,起垄、作畦规格不统一,或采取宽窄行形式种植,也不便于播种、收获及田间管理机械的系列化定型。金乡县、邳州市、杞县等大蒜主产区近年来分别制定了大蒜全程机械化种植模式与技术规范,并进行试验示范推广,已经收到一定效果。目前,全国性的机械化种植模式与规范仍然缺乏,需要跨区域进行农机农艺大融合,从制种、种植、到商品初加工形态,提出共性的技术标准。

4.3 机械性能与效率低下

大蒜全程机械化要做到有机可用、有机好用。当前,机械设备供给与生产需求还有很大缺口。首先,正芽播种机需要适应不同类型的种子,蒜种的正芽技术还有待完善;其次,蒜薹收获难题至今没有解决,需要机械技术或生产模式上有所创新;第三、蒜头的机械损伤机理缺乏深入研究,不利于从机收环节降低蒜头损伤率;第四、推行联合收获机,需要改变蒜头田间干燥传统做法,开发与之配套的蒜头轻简节能低成本干燥技术及其操作标准。

5 促进大蒜全程机械化的对策建议

5.1 推广宜机化种植模式

推广宜机化种植模式一是要引导蒜农土地流转集中,推进种植户的规模化经营;二是为了便于机械化播种及机械化收获,在全国主产区推广大蒜非套作的种植模式;三是开展耕地宜机化改造,完善机耕路规划建设、小田块并大田块、避免插花地种植。

5.2 制定主产区通用的机械化种植规范

在种植模式规范化基础上,要对整地起垄、播种覆膜、收获机械的系列作业进行标准和配套统一。鉴于收获环节是全程机械化的核心和重心,建议兼顾收获机单机价格与单机作业效率两个主要因素,制定适合收获机的垄宽系列标准,例可以以垄宽1.5 m、一垄6行种植为基本型,以作为国内通用型大蒜收获机及播种机及其他有关田间作业机具的开发制造依据。

5.3 完善联合收获成套的技术与装备

发展大蒜联合机收获是替代人工、提高效率、降低成本的必由之路。需要继续支持产学研开发完善夹持式联合收获机、掘式联合收获机、试验优化轻简高效烘干技术、探索蒜苗收获技术装备。

5.4 抓好基地建设示范推广

从农业生产实际和农村经济发展阶段看,我国大蒜全程机械化是个渐进过程,不可一蹴而就。必须由政府主导建立标准化全程机械化示范基地,先行先试,以带动大蒜主产区全程机械化渐次发展。政府要从种植户购机补贴、机械作业补贴、技术技能培训等方面对大蒜机械化进行大力扶持。要提升农机作业的社会化服务水平,大力推广“农业机械+综合农事”服务中心,以解决中小种植户配置大型高效机械后面临经营规模不经济的矛盾。