甘薯机械控旺技术研究与装备设计试验

河北省农业机械化研究所有限公司 徐志杰 张秀平 高清海

前言

甘薯既是重要的粮食、饲料、工业原料作物，同时也是现代社会优质的抗癌保健食品之一[1]。甘薯具有产量高、耐旱、怕涝、适应性强等特点，其地下部块根为储存养分的器官，富含淀粉、可溶性糖、维生素、脂肪酸等多种物质，具有较高的营养价值，是主要的利用部位。甘薯生长中期（又称为茎叶生长盛期、薯蔓并长期等）是从茎叶封垄到茎叶的生长达到高峰的一段时期，此时块根也慢慢地增粗膨大，此时若茎叶生长较快，而结薯较晚，且块根膨大较缓慢，则光合作用产物向块根的转运会受阻，导致茎叶与块根的生长发育不协调，从而难以获得较高的薯块产量[2]。甘薯生长中期由于高温多雨、日照不足等因素，造成甘薯秧蔓长势过旺，茎叶旺长会滋生茎节根，大量消耗养分，严重影响块根膨大，从而影响甘薯产量的问题亟待解决[3]。

目前，甘薯秧蔓生长调控技术中，多采用喷洒化学药剂的方式抑制甘薯秧蔓的生长，虽然能起到控旺的目的，但药物不仅会对土壤及环境造成污染，且薯块生长过程中长期吸收或接触化学药剂易产生农药残留，影响甘薯的品质，人类长时间食用，会对人的身体健康造成一定的伤害。

针对化学药剂控旺对甘薯品质的影响，通过对甘薯种植农艺、甘薯秧蔓长势特性等方面进行分析研究，经多方走访调研、反复论证，设计一种机械装置，实现甘薯机械控旺，即在甘薯秧蔓旺长期，通过机械方式将秧蔓沿一定距离切断，同时切断秧蔓茎节根或防止滋生茎节根，以减弱秧蔓对营养物质的过度消耗，促进根部薯块的生长。

1 甘薯种植模式及秧蔓生长特点

甘薯抗旱、耐瘠薄、喜光喜温、适应性强、易恢复生长，在河北省种植分布广泛。根据种植时间的不同，主要分为春种甘薯和夏种甘薯，春薯种植一般在4 月中旬到5 月上旬，夏薯种植一般在6 月上旬到7 月中旬。河北省以春薯种植为主，且90%以上采用起垄覆膜种植，种植规格有小垄单行、大垄单行和大垄双行等。目前河北省小单垄种植占多数，垄断面呈梯形，垄高250～300mm，垄顶宽250～350mm，垄底宽450～500mm，垄距800～850mm；大垄双行种植方式垄距为1000～1200mm[4]，由于其在作业效率、产量等方面的优势，该技术正逐步扩大推广应用范围。

甘薯生长中期一般在7 月中旬到8 月下旬，正处于高温多雨的季节，水分供应较充足，叶片制造的光合作用产物多分配于地上部茎叶，茎叶生长速度较快，块根增粗膨大较慢。生长中期末地上茎叶生长量达到最大值。旺长期应及时采取有效措施，控制甘薯秧蔓的快速旺长，把更多的养分供给到薯块生长，确保增产增收。甘薯长势如图1 所示。

图1 甘薯长势图

在甘薯秧蔓匍匐生长特性及重力影响下，甘薯秧蔓沿垄形交错分布，无法进行梳理剪切。垄顶、垄侧内部结有薯块，且离秧蔓根部较近，不易采用挤压、切割等方式进行薯秧控旺，只能对顶端向上旺长的秧蔓尖进行切割处理，充分利用甘薯秧蔓顶尖生长优势，打掉顶尖即可抑制其旺长。垄沟内的秧蔓贴着地面交错生长，甘薯顶尖向上生长，同时垄沟秧蔓和地面接触的部分，会滋生很多的茎节根。旺长的秧蔓和茎节根会争夺更多的养料，因此垄沟内的秧蔓不仅要去掉顶尖、切割秧蔓，还要想办法把茎节根同时断掉，保证在甘薯膨大期，营养更多地供给薯块生长。

随着甘薯秧蔓过度旺长，当甘薯秧蔓封垄后，可以利用拖拉机等顺垄沟碾压，通过碾压对薯秧造成一定程度的损伤，起到有效抑制茎叶过度旺长、甘薯地上和地下部分生长得到合理调节的作用。对于甘薯生长过旺的薯田，可间隔15 天左右进行第2 次碾压[5]。对甘薯秧蔓碾压，并不能切断甘薯秧蔓，只是简单的通过碾压延缓甘薯秧蔓的长势，对于甘薯秧蔓控旺作用相对较小，不能有效根治。

2 部件设计

2.1 甘薯打顶器设计

通过对甘薯种植模式和甘薯秧蔓生长特性进行研究分析，设计了如下装置（图2）：在甘薯垄顶和垄侧位置安装打顶器，打顶器的作用是通过由电机控制的打顶刀片高速旋转，对作物进行切割，一般垄顶宽250～350mm，且垄顶不完全平整，会呈现拱形结构，左右对称安装两组打顶器，可更有效地处理垄顶向上旺长的秧蔓顶尖，垄侧两组打顶器平行安装在垄侧上方一定距离上，对垄侧的秧蔓顶尖进行处理。

图2 甘薯秧蔓打顶装置

打顶器由12V 电瓶、连接线、控制开关、电机、刀片（宽20mm，长200mm）、连杆等组成。连杆与电机铰接，可沿转轴方向灵活调整，同时打顶器固定在机架上的上下位置以及角度均可调整，可适用于不同大小的垄型结构，同时也可根据实际需求调整切割量。刀片采用锰钢结构，锋利耐用，一组刀片宽度200mm，2 组刀片宽度400mm，可覆盖整个不同宽度的垄顶。打顶器由电控按钮控制，可随时控制启停作业。

2.2 甘薯秧蔓切割装置

基于对垄沟甘薯秧蔓长势和一些传统处理秧蔓方法进行分析研究，设计了甘薯秧蔓切割装置，如图3 所示，该装置由压力调节装置和切割盘组成。甘薯秧蔓切割装置安装在机架上，前端固定，后端触地，通过调节压力调节装置上的压簧，可以调节切割圆盘的压力，切割圆盘位于垄沟内，负责对垄沟内的秧蔓进行碾压切割，切割圆盘上开有等距分布的凹槽，圆盘部分可实现对秧蔓进行碾压切割，圆盘转动时，凹槽部分对甘薯秧蔓产生纵向拉力，使秧蔓产生位移，从而拉断茎节根。压力调节装置由拉杆、调节压簧等组成，通过调节压力可调整切割力的大小，同时调节装置可实现仿形功能。甘薯秧蔓切割装置通过连接U 型卡安装在机架上，因此可根据切割量需求左右调整甘薯秧蔓切割装置。

图3 甘薯秧蔓切割装置

3 装置试验

3.1 试验条件

2023 年7 月，在石家庄市深泽县对甘薯秧蔓打顶装置、甘薯秧蔓切割装置进行田间试验。试验地起垄参数为：垄高280mm，垄顶宽310mm，垄底宽460mm，垄距850mm，垄沟宽390mm；甘薯秧蔓生长情况：秧蔓长势旺盛，交错铺满整个地块，秧蔓顶尖向上生长，秧蔓触地部分滋生了茎节根。

3.2 试验过程

3.2.1 打顶装置试验

采用简易人力推车结构进行试验，调整打顶器位置，距离甘薯秧蔓顶尖向下调整高度100mm，垄顶两组打顶器刀片中心距220mm（刀片长200mm）；垄侧打顶器根据垄型调整角度，同样调整甘薯秧蔓顶尖高度向下100mm。试验现象：随着机器启动，打顶器高速转动，当打顶器刀片触碰到叶片时，甘薯叶片被快速切割掉，经过打顶器切割后的甘薯秧蔓垄型整齐，如图4 所示。

图4 甘薯打顶尖装置试验

3.2.2 切割装置试验

采用拖拉机悬挂方式进行试验。根据地块调整切割圆盘位置，根据秧蔓直径及地块干湿软硬情况调整压力调节装置，使其能够切断秧蔓。试验现象：拖拉机牵引甘薯秧蔓切割装置沿垄沟行走，外缘开刃的切割圆盘在压力调节装置的作用下，接触到刃部的秧蔓直接被切断，卡在凹槽内的秧蔓则被拖行离开原始位置，同时带动与之交错的相邻秧蔓产生位移，从而将茎节根拉断，试验取得良好效果（表1）。

表1 甘薯秧蔓处理效果

3.3 试验小结

经过初步试验，打顶器刀片范围内的薯秧顶尖、叶片在刀片快速旋转切割作用下均被有效切割，切口整齐，垄型整齐，基本达到设计预期，但由于刀片只有四组，并没有完全覆盖到整个垄型，所有还有部分顶尖未处理到；垄沟内的秧蔓基本全部都被碾压切断，同时由于拉扯作用，大部分茎节根被拉断，且切口整齐，起到了机械控旺的作用，但由于拖拉机进地碾压，其轮胎较宽且不能保证行进直线度，易剐蹭到垄侧，对垄型造成一定的损伤。

4 改进

由于垄顶、垄侧和垄沟的秧蔓处理方式的不同，造成甘薯控旺需要两遍处理，多次进地势必会造成甘薯损伤，同时也增加了投入成本。因此，需要把甘薯秧蔓打顶装置和切割装置进行整合，实现一次性完成整个甘薯秧蔓的控旺处理，节本提效。打顶器处理垄顶、垄侧，切割装置处理垄沟，两者在横向位置上有重叠，且垄侧打顶器位置处于垄沟上方，与甘薯秧蔓切割装置位置有干涉，因此两个装置需要前后交错开位置，且保证整机结构紧凑美观。

基于上述分析，进行了优化改进设计，如图5 所示。打顶器位于前端，切割装置位于后端，垄侧打顶器与切割装置前后交错，且由于切割装置为前高后低，所以可更好地合理利用空间位置。同时，安装四个甘薯秧蔓切割装置，可更充分切割垄沟内的甘薯秧蔓。

图5 甘薯控旺机

5 结语

机械控旺可有效解决甘薯生长中期由于甘薯秧蔓长势过旺及茎叶滋生茎节根而大量消耗养分，从而影响甘薯产量的问题，同时也解决了使用化学药剂对环境、土壤的污染问题，实现甘薯的绿色生产。研制的甘薯控旺机一次性进地即可完成垄顶、垄侧、垄沟内薯秧控旺处理，节本提效，为甘薯机械控旺提供了技术装备支撑。