葉類蔬菜有序收獲機械的研究現狀及發展對策

劉東　肖宏儒　金月

摘要：我國是蔬菜生產大國，但目前對于葉類蔬菜的收獲主要還是依賴于人工收獲，這就大大影響了葉類蔬菜收獲的效率，隨著我國城鎮化進程的加快，農業勞動力資源急劇短缺，葉類蔬菜的收獲作為傳統勞動密集型產業，收獲機械短缺已嚴重制約了我國新型高效蔬菜產業的發展。葉類蔬菜有序收獲機械的目的是為了實現有序切割、有序輸送及有序收集，從而大大提高效率，節約勞動力，降低成本。為此，針對國內外葉類蔬菜有序收獲機械進行綜述，分析發展趨勢，指出存在的問題，并據此提出未來的研究方向。

關鍵詞：葉類蔬菜;有序收獲;機械化

中圖分類號：S225.92? ?文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0027-05

我國有著幾千年的悠久農業發展史，蔬菜一直是中國人飲食當中不可或缺的食材，并且蔬菜產業一直以來都是我國農業農村經濟的重要支柱產業，關乎農民錢袋子和城鎮居民菜籃子。但我國蔬菜的收獲機械化水平極低，目前依然沿襲傳統的手工采收，嚴重制約了其規模發展。近年來，隨著設施蔬菜生產技術、蔬菜移栽、灌溉和植保技術的逐漸成熟和廣泛應用，蔬菜種植面積和產量逐年增加。據統計，2015年我國的蔬菜種植面積超過2億hm2，蔬菜產量達7億t[1-3]，比狹義的糧食產量（指禾本科作物，主要包括稻、麥、糜等）還多。作業過程當中，收獲作業約占整個作業量的40%，但是目前蔬菜機械化水平卻只有20%，相對于糧食的機械化水平嚴重滯后，與其相應的地位嚴重不符。因此，對蔬菜收獲過程實現機械化的要求越來越迫切[4-9]。

由于蔬菜品種繁多，蔬菜的機械化收獲也要根據其種類采取不同的辦法來完成，根據收獲部位不同，蔬菜收獲機一般可分為葉類蔬菜收獲機、根菜類蔬菜收獲機、果菜類蔬菜收獲機。就葉類蔬菜收獲機而言，一般主要包括分禾裝置、切割裝置、輸送裝置等，其中分禾裝置扶持莖稈，切割器進行切割，輸送裝置將切下的葉菜送往料箱。按收獲后蔬菜的堆放方式，蔬菜收獲機又可分為無序收獲機和有序收獲機，其中有序收獲后的蔬菜品相好，且有序收獲又能節省對收獲后的蔬菜進行二次整理所需的勞動力，相較于無序收獲機更具有研發價值。但目前國內研制的蔬菜有序收獲機還存在著蔬菜損傷率較大、收獲效率低下以及實用性和適用性較差等問題，因此并未得到大面積的推廣使用[9-14]。

針對葉類蔬菜需求增長和人工生產效率低下的現狀，分析國內外葉類蔬菜有序收獲機械化的研究現狀及存在問題，創造性提出葉類蔬菜有序收獲未來的研究方向，對改善我國現有蔬菜有序收獲機械的不足及我國蔬菜產業的發展都具有重要意義。

1 葉類蔬菜有序收獲機械的特點

1.1 作業環境的非結構性

葉類蔬菜的生長環境復雜，我國蔬菜種植情況總體上仍處于小規模、零散分布的狀態，要求作業機械要面對各類不同的作業環境，對于露天生長的蔬菜來說，還要考慮惡劣的天氣影響、田間環境等一系列的因素。隨著設施農業在我國的快速發展，蔬菜收獲機械的設計研究還須要考慮大棚內狹小的作業空間和特殊環境。

1.2 作業對象的非標準性

葉類蔬菜品種眾多，不同品種蔬菜往往具有不同的幾何形態和物理特點，即便是同品種的蔬菜生長也有一定的隨機性，在受到土壤、天氣、肥料等多種因素的影響下，長成之后的蔬菜也往往具有不同的形態，且葉類蔬菜的食用部分是葉片，葉片具有柔軟易碎的物理特點，同時多數葉類蔬菜還須要實現有序收獲，以便進一步提高收獲效率，降低勞動強度。這就要求在進行葉類蔬菜有序收獲機械的設計和研發的過程中，要考慮到蔬菜的特殊物理特性和幾何形態，從而設計出適用性較強的蔬菜有序收獲機械。

1.3 收獲作業的特殊性

葉類蔬菜生長周期較短，對于采收成熟期一致或用于食品加工的葉類蔬菜來說，為了能夠提高收獲效率，一般多采用一次性收獲作業的方式收獲蔬菜，但不同于小麥、水稻等農作物，葉類蔬菜具有柔軟易碎的物理特性，收獲過程中，易造成較大程度上的損失率和損傷率，再加上葉類蔬菜復雜的生長環境，因此就對作業機械的設計和研發提出了更高的要求。

1.4 葉類蔬菜有序收獲機械的專用性

不同品種的葉類蔬菜往往具有不同的幾何形態和物理特性，就需要不同的作業機械收獲，因此目前設計的葉類蔬菜收獲機械專用性很強，通用性較差，這就大大增加了成本，阻礙了葉類蔬菜收獲機械的推廣和普及。因此，在設計研發葉類蔬菜有序收獲機械時，應當考慮這方面的因素，開發某些大面積種植的蔬菜收獲機械，通過更換割臺或部分零件就能實現不同品種蔬菜收獲的機械，從而提高作業機械通用性[15-18]。

2 葉類蔬菜有序收獲機械的國內外研究現狀

國外對蔬菜機械化收獲的研究起步較早，技術也較為成熟，但與水稻、小麥等機械化水平相比，葉類蔬菜的機械化水平仍然相對偏低。據統計，美國用于加工的果蔬菜約60%釆用機械化收獲，而其中用于直接食用的鮮用果蔬菜的機械化收獲只有小部分。目前，國外的科研機構正在加快蔬菜機械化收獲方面的研究開發。

2.1 國外研究現狀

2.1.1 SLIDE TW型葉菜收獲機 在葉類蔬菜收獲機械中，以意大利HORTECH公司研制的SLIDE TW型葉菜收獲機為例，SLIDE TW型葉菜收獲機采用環狀帶刀的切割方式，傳動方式選用電機或液壓馬達，結構簡單且能實現作業速度的連續可調（圖1）。SLIDE TW型葉菜收獲機可以實現葉類蔬菜的有序收獲，主要工作過程和原理如下：在整機前進過程當中，扶禾裝置能實現葉類蔬菜的分行收獲，分禾器將蔬菜植株扶起并攏入分禾器內部;環狀帶刀將被夾持的蔬菜植株進行切割;機具前進，波紋狀夾持帶完成將切割后的蔬菜進行柔性夾持的輸送過程，波紋狀夾持帶的夾持力能保證蔬菜植株的立式輸送;葉類蔬菜被輸送至作業機器上端由人工進行捆扎。SLIDE TW型葉菜收獲機能夠實現葉類蔬菜收獲過程中對蔬菜收獲的有序切割、有序輸送及有序收集，實現了葉類蔬菜的有序收獲，缺點是結構復雜，僅適用于莖稈類蔬菜或大棵青菜，不利于機具推廣[19]。

2.1.2 MT-200型葉菜收獲機 韓國播藍特蔬菜公司研制的MT-200葉菜類小型收割收獲機，整機質量為140 kg，小巧輕便，收割高度可調（圖2），收割作物高度范圍為3～20 cm，工作效率可達到667 m2/h（實測40 kg/min），相比于人工收獲，大大提高了收獲效率，節約了勞動力。具體工作過程為MT-200型葉菜收獲機在行進過程中將蔬菜植株切割，收割過程為電機驅動，驅動電機型號為DC24V，60 W割刀采用往復式，上下2片割刀左右交錯完成割斷過程，行進過程為電機驅動，驅動電機型號為DC24V，300 W，行進作業速度分為3檔，可進行調整;割后的蔬菜被后面蔬菜的推擠作用力及傳送帶和蔬菜間的摩擦力推送到傳送帶上實現蔬菜的輸送過程，輸送過程采用電機驅動，驅動電機型號為DC24V，90 W;由于收割過程持續，蔬菜被不斷推擠而不會出現倒伏情況，割后的蔬菜被輸送至作業機器上端的轉向裝置進行回旋轉動式收集，收集電機型號為DC24V，15 W。該機具具有結構簡單、小巧輕便、工作效率高、適應性廣等特點，缺點是不能實現有序收獲過程。

2.1.3 卷心菜收獲機 美國在很早便意識到葉類蔬菜機械化收獲的重要性，約10年前，2所大學開始合作研究一次性收獲工藝收獲機械，并在近幾年取得重要突破。俄亥俄州的馬徹-韋爾德制造公司率先開始出售了金-科爾食用卷心菜收獲機。該收獲機分為單行和雙行2種類型，型號分別為 PT-K-1、PT-K-2，二者都是牽引式。相比于人工收獲卷心菜，收獲機的出現大大提高了收獲效率，PT-K-1為單行收獲機，工作效率為40～60 t/d，PT-K-2為雙行收獲機，工作效率為50～120 t/d以上。其中PT-K-1型收獲機長 4.3 m，寬2.0 m，總質量約為1 260 kg（包括升運器），工作行距為0.6 m以上，而2行收獲機的工作行距為0.76 m以上。

該公司出售的卷心菜收獲機由2根螺旋攪龍拔出卷心菜并由沿著攪龍移動的限位輸送帶的作用完成輸送過程，在輸送過程中，2片回轉式圓板型割刀切除卷心菜的根部及其外葉，切割裝置由液壓馬達驅動，機具上裝有鼓風機能對切除下來的外葉進行去除，最后由升運裝置將卷心菜輸送上車。該機型目前已得到廣泛應用，除了俄亥俄州的馬徹-韋爾德制造公司，包括紐約的卡斯爾收獲機公司和伊曼紐爾-博耶公司在內的2家大型農機具制造公司以及同在俄亥俄州的洛機器公司都在出售該種型號的收獲機。

歐洲也很早便開始了對葉類蔬菜收獲機械的研究開發，同樣以卷心菜收獲機為例，德國的海因里希布萊因羅特農機制造公司出售農夫收獲機，荷蘭的多凱克斯公司出售一款名為多凱克斯收獲機的類似機具。

與金-科爾食用卷心菜收獲機原理相似，農夫收獲機同樣由導引的2根螺旋攪龍拔出卷心菜，不同的是農夫收獲機是由帶鋸切斷卷心菜的根部及其外葉，最后由螺旋輸送器進行橫向輸送至升運器完成輸送過程，并在輸送過程中完成外葉的去除與分離。農夫收獲機采用一次性收獲，由 25.725 kW 以上的拖拉機牽引，工作過程中，需要包括拖拉機駕駛員、清選人員、負責裝菜人員在內的共計3人，工作效率約為收獲 1 hm2/d。

荷蘭的多凱克斯收獲機的收獲機構是由2片圓盤對卷心菜的位置控制和夾入起到輔助作用，再由波形皮帶夾著卷心菜進行輸送，波形皮帶由1組實心軸驅動，輸送裝置末端裝有回轉鋸對卷心菜根部及其外葉進行切斷，最后卷心菜通過外葉分離裝置輸送到裝菜車上。

除了上述介紹的幾種蔬菜收獲機，國外已經研制了多種其他種類蔬菜的收獲機械。如由加里福尼亞的Nu-Way收獲機公司以及歐洲的德國海因里希-威廉農業機械制造廠等公司出售的菠菜收獲機在馬里蘭州已經得到廣泛應用，美國有龍須菜、食莢菜豆等收獲機，日本川崎公司研發的風送型葉菜收獲機以及德國的菜花收獲機[20-28]。

2.2 國內研究現狀

2.2.1 金花菜收獲機 現階段國內對葉類蔬菜收獲機械的研發尚處于起步階段，蔬菜的收獲過程仍然以人工收獲為主。江蘇大學和鎮江市農業機械技術推廣站使用TA-XT2i新型質地物性測試儀對金花菜包括拉斷力、拉應力、剪切力和剪應力在內的一系列力學特性進行試驗研究，研制出了金花菜收獲機（圖3），能夠實現對金花菜的機械化收獲過程[29-31]。該機具的作業過程為機具行進過程中，往復式雙動割刀完成對金花菜的切割，切割動力采用直流電源電機驅動，收割高度可調;考慮到金花菜體積小、單個質量較輕，因此采用風力輸送來完成金花菜的收集過程，通過控制手柄對發動機轉速和風機轉速進行控制，將收集袋掛在機架上，收割后的金花菜被風力吹入收集袋中完成收割過程。通過樣機試驗，該機具能順利實現金花菜的收獲過程，生產率可達到960 kg/h，收割后的畦面相比于人工收割更加平整，有利于后期的采收。該機具的缺點是對作業土地的適應性較差，風力收集無法實現金花菜的有序收獲[32-34]。

2.2.2 蘆蒿收獲機 由南京農業部農業機械化研究所與鹽城市鹽海拖拉機制造有限公司合作研發的蘆蒿收獲機（圖4），實現了蘆蒿的機械化收獲，該作業機具割幅寬為1 m，可完成蘆蒿高度在30～80 cm范圍內的收獲作業且割茬齊整，比人工收獲的效率提高了8～10倍，大大降低了勞動強度，該機型結構小巧簡單，適用性較強[35]，稍加改裝便可實現對青菜、菠菜等葉類蔬菜的收獲。

目前，國內葉類蔬菜的無序收獲機技術相對來說已經較為成熟，除了上述介紹的2款無序收獲機外，還包括由南通富來威農業裝備有限公司研制，主要針對青菜、韭菜、菠菜等葉類蔬菜的一款通用標準化收獲機，該機具可以實現多種葉類蔬菜的機械化收獲，但無法實現有序化收獲過程;南京農業部農業機械化研究所研制的一款通用葉類蔬菜無序收獲機，適用于青菜、菠菜、雞毛菜等多種葉類蔬菜（圖 5），采用電機驅動，往復型動刀完成切割過程，通過傳送帶完成輸送過程，蔬菜輸送至作業機具頂部落入收集框內，能高效率地實現葉類蔬菜的無序收獲。