山地丘陵煙草機械化研究現狀及建議

王 震，吳長兵，張富貴，李再軍，王丹林

(1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽550025； 2.中國煙草總公司貴州省公司，貴州 貴陽550004)

0 引言

中國是世界上煙草種植面積最大的國家，每年煙草種植面積達110萬hm2，煙草種植主要分布在我國西南地區，種植面積達到全國的66.1%，煙草總產量占據全國的62.53%，其中戶均種植1.1 hm2，收入為4.5萬元，煙草種植業逐漸成為了當地居民脫貧致富的重要策略，因此提高煙草的產量與質量在促進煙農增收方面有著巨大的影響[1-2]。然而，煙草種植屬于一項勞動密集型工作，特別是在覆膜、移栽等作業環節。隨著我國人口結構老齡化程度加劇及工業化的不斷發展，煙草種植業逐漸出現作業人員不足的問題。因此，提高煙草種植機械化水平，減少種植人力消耗成為煙草種植產業升級的必經之路[3]。如今煙草機械化研究已取得了較大進展，但其機械裝備水平與產業需求仍有較大差距，煙草種植機械化水平不高制約著煙草質量的提升，為提高西南地區煙草產業的機械化升級，對西南地區煙草機械的現狀進行分析整理，同時提出煙草種植機械化發展建議。

1 煙草機械基本情況

1.1煙草機械化種植主要環節

煙草種植過程對煙草的產量及質量有著重大的影響，因此煙草的機械化種植對煙農保收促收有著重要的意義。煙草機械化種植過程主要包括翻耕、整地、施肥、起壟、覆膜、移栽、植保、中耕、培土和拔稈等作業環節[4]。由于西南地區特殊的地形地勢，在煙草種植過程中，西南地區煙草種植機械化應用相對落后。

1.2翻耕、整地機械

在煙草種植環節，西南地區翻耕、整地環節使用機械化作業已比較成熟，主要機具有旋耕機、微耕機等[5]。在西南地區煙草種植作業中主要以小型旋耕機為主，從動力源可區分為油動和電動機型。隨著科技的進步，科研人員在不斷為旋耕機、微耕機增添新的配套農具，在滿足作業環境的同時增加新功能以提高機器的利用率。隨著技術的進步，噪聲低、動力強、實用性強的發動機將更多應用于旋耕機和微耕機[6]。根據不同地區土壤情況研發設計的微耕機將使機器作業性能得到提高，機器的研發與應用將更好地服務于煙草種植生產[7]。針對丘陵山地復雜地形研制的小型自走式螺旋旋耕機如圖1所示，該機采用柴油發動機提供旋耕動力及驅動動力，由液壓缸以及液壓馬達控制其旋耕深度，整機采用履帶式行走裝置，保證機具在復雜地形的行走穩定性。該機旋耕深度可以深達30 cm，可打破淺耕層，實現真正的深耕，有效解決了因復雜地形導致大型機械難以作業的問題[8]。

圖1 小型自走式螺旋旋耕機Fig.1 Small self-propelled spiral cultivator

1.3起壟、施肥機械

根據起壟數量，起壟機械可分為單壟起壟機、雙壟起壟機和多壟起壟機。西南煙草種植行業以單壟起壟機為主，主要采用微型旋耕起壟機進行起壟作業，以起壟高度與緊實度作為起壟質量的主要參考依據。目前發達國家的起壟機采用液壓控制元件，隨著液壓技術與控制元件的發展，國內的起壟機械也將應用該類控制元件，電子與自動控制技術將會進一步應用于起壟機械[9]。煙草種植過程中施肥環節是極其重要的環節，施肥機械的應用對煙草生長的質量起著關鍵的作用。肥料箱的排肥裝置對施肥性能有著重要的作用，今后施肥機研發過程中將進一步改進施肥裝置，增加施肥多樣性，在滿足作業農藝要求的前提下提高施肥機的通用性[10]。張周[11]研發的起壟施肥一體機如圖2所示，該機器集成起壟、施肥功能，整機傳動系統共分為兩部分，傳動方式均采用鏈條傳動。機器行走時，地輪受到地面的阻力，通過地輪，動力由鏈條傳至排肥裝置，保證整機施肥的均勻性。另一地輪采用鏈條傳動，將動力傳至攪刀，用于攪拌肥料，確保肥料不因含水率過高而導致排肥孔堵塞，該機在煙草種植基地進行施肥試驗達到了作業施肥的要求。

圖2 起壟施肥一體機Fig.2 Ridging and fertilizing integrated machine

1.4覆膜機械

在煙草種植作業中，覆膜對蓄水保墑和抑制雜草生長具有重要作用。隨著機械化作業在農業生產中的作用日益突出，發展覆膜機械顯得十分必要。由于覆膜機械作業效率是人工覆膜作業效率的10倍以上，使用覆膜機械進行機械化作業的平均總成本僅為人工覆膜作業的一半。對比人工覆膜，機械化覆膜不僅效率高，而且覆膜質量較好[12]。覆膜機械覆膜質量主要取決于覆土輪的工作方式，無動力源覆土輪適合于沙性土壤，有動力源覆土輪適合于黏性土壤。覆膜基本原理相似，主要作業過程為覆膜機械先將地膜平鋪于地壟上，整機帶動地膜在地壟上展開，最后由覆土輪覆土，完成覆膜過程。福建農機研究所研發的自走式鋪膜機如圖3所示，該機采用汽油機為原動力，動力傳輸主要分為兩部分：一部分動力由發動機傳遞給行走輪，用于整機的行走；另一部分通過鏈條將動力傳遞給拋土輪。整機作業時，拋土輪主動拋土，覆膜質量較好，適用于黏性土壤，可有效滿足丘陵地區及黏性土壤覆膜作業的需求[13-14]。我國覆膜機械的研發落后于發達國家，許多覆膜機械作業過程還需要人工輔助，覆膜機械在自動化、集成化方面有著較大的發展空間[15]。

1.5移栽機械

移栽環節是煙草種植作業過程中勞動強度大的環節，移栽機械主要完成開穴、放苗、覆土和鎮壓作業。因煙草幼苗品種的不同，移栽機械作業過程中的株距、種植方式有所不同，因此，一般情況下一種移栽機械主要適用于一種作物。安徽農業大學研制的煙草移栽施肥機如圖4所示，其移栽功能主要由苗盤與移栽機構完成，適用于缽苗移栽以及膜上、膜下移栽。變速箱通過鏈傳動將動力傳輸給移栽機構，另一端帶動苗盤轉動，隨著整機的行走而完成移栽。該機裝有調節手柄，可有效調節缽苗移栽深度[16]。移栽機械按照移栽機構特點分為鉗夾式移植機構、撓性圓盤式移植機構、吊杯式移植器、導苗管式移植器、雙輸送帶式移植器、滑道分缽輪式移植機構和鴨嘴式移植機構。煙草移栽過程用工量較多，且使用的機械大部分為半自動式移栽機械，作業人員長期重復動作容易疲勞，進而造成漏苗。隨著我國勞動力向城鎮轉移，煙草種植產業必然會出現勞動力短缺的現象，因此研發設計集成化、自動化且價格合理的移栽機械是今后發展的趨勢[17]。

圖4 煙草移栽施肥機Fig.4 Tobacco transplanting fertilizer machine

1.6植保機械

植保環節是保證煙草生長環境的重要環節，合理使用植保機械可顯著降低煙草種植成本。目前，我國煙草用植保機械主要以背負式、機動式為主。背負式噴霧器使用方便，操作簡單，在植保機械中使用率占到98%左右，廣為接受。機動式植保機械在煙草種植使用中以小型動力植保機械為主，主要采用動力改裝的方式，如將摩托車加上藥箱、噴桿及噴嘴等裝置做成植保機械，其噴藥作業長度可達到傳統人工作業長度的6倍以上，提高了植保效率[18]。近年來，農作物農藥殘留問題受到廣泛關注，需要加強植保機械的研發，使其不僅可以快速控制農作物病蟲害，也有利于提高農藥的使用率。隨著技術的進步，傳統的人工及半人工植保作業方式已經不能滿足現代市場要求，西南地區煙草種植產業開始引進植保無人機進行植保作業，植保無人機如圖5所示。與傳統的植保作業相比較，新型植保無人機作業效率高，且不受地形地勢的影響，可節省農藥20%～40%，節水90%以上。未來，植保無人機應該更廣泛地應用于各類農業生產領域[19-21]。

圖5 植保無人機Fig.5 Plant protection drone

1.7中耕、培土機械

中耕培土是煙草生長過程中的重要環節，其目的：在生長過程中，煙草根系會越來越發達，此時煙草需要從田間吸收更多的水分和養料，而中耕培土使得煙草根部土壤疏松，利于煙草通過根系吸收水分和養分，進而起到抗倒伏作用；中耕使得土壤得到翻整，能夠達到除去田間雜草和翻曬土壤中蟲卵的目的[22]。國內主要生產小型中耕培土機械，根據培土作業方式可分為螺旋式、圓盤式、鏵式、銑盤式及犁刀等作業機械。國內眾多中耕培土機械研發人員研究分析整機結構、關鍵部件，如優化碎土刀參數，解決機器傳動軸容易斷裂等問題。河南農業大學研發的煙草中耕培土機(圖6)由螺旋培土刀、導向罩裝置、壟形調節裝置等組成，作業時犁刀對壟底的土壤進行深松作業，對土壤形成斜向切削運動，螺旋培土刀對土壤形成銑削運動，兩者復合使機器完成土壤的中耕培土功能。對于煙草種植來說，大多數中耕培土機械難以實現高培土量來達到煙草生長環節需要的抗倒伏能力。因此研發設計具有針對性中耕培土機械，滿足煙草等不同農作物的特殊需求，這類機械具有較大的發展空間[23-24]。

圖6 煙草中耕培土機Fig.6 Tobacco field cultivator

1.8拔稈機械

作為煙草種植收獲過程中的副產物，大量煙稈需要在收獲煙葉后由作業人員及時處理，傳統上煙稈回收需要人工挖掘，整個處理過程費時費力，人工成本較高。大多數拔稈機械較為笨重，需要拖拉機帶動作業，其主要作業方式可分為：利用騎壟作業、反轉挖掘及回轉振土的工作原理進行拔稈作業；利用液壓馬達驅動相對轉動的鏈條進行拔稈作業等[25]。目前國內煙稈拔稈機械種類較多，但由于地域性問題，拔稈機械適應性不強，多數拔稈機械并未能得到充分利用。貴州大學研制的山地烤煙拔稈機如圖7所示，整機作業時靠拖拉機行走將煙稈推倒，輥刀系統工作將煙稈底部土壤疏松，隨后掘出煙蔸根部攜帶的泥土，最后將煙稈向后方拋送，并擺放于煙田。煙稈的機械化拔取是未來煙草種植作業機械化的重要環節，應充分考慮不同地區煙草種植的作業環境，并根據不同地區需求進行針對性的設計[26]。

圖7 山地烤煙拔稈機Fig.7 Mountain flue-cured tobacco rod pulling machine

2 煙草機械存在的問題

2.1農機農藝結合不足

煙草質量深受種植地理環境及種植方式的影響，我國西南地區擁有得天獨厚的氣候條件，適宜于煙草種植業的發展。西南地區具有多種品種的煙苗，不同地區、不同品種的煙草種植存在較大的差異，煙草種植過程中對不同煙苗種植的株距、行距及密度也不相同。農機的研究與應用是為了提高農業種植效率和提高農產品果實的質量，在大規模研究煙草種植模式的過程中，忽視了農機對不同地區不同品種的適應性。因此在不同地區、不同品種種植的過程中，農機的研制需要有不同的針對性，研制適合不同作業狀況的農機，提高農機農藝的融合程度。

2.2專用機械缺乏

我國國土遼闊，國內地貌環境復雜多樣，造成煙草種植作業環境、種植品種等多樣化，難以研發出因地制宜的專用機械。由于我國農業機械研究落后于發達國家，國內農業機械的研發往往是跟隨式的，一般是引進國外機械后進行研發改造，忽視了我國各個地區的氣候條件、土壤條件的差異。如在我國北方研制適用的覆膜機械，在西南地區會出現不適宜的問題，北方氣候較為干旱，土壤以砂性土壤為主，覆膜機械進行作業時，覆土輪不需要主動覆土也可以完成覆膜作業；而西南地區以黏性土壤為主，覆膜作業時覆土輪必須主動覆土才能完成覆膜作業。

2.3關鍵作業部件可靠性較低

由于發達國家農業機械的研發水平領先于我國，國內許多農業機械研發處于對國外機械的仿制階段，某些農業機械的作業原理研究不扎實，機器研制技術沉淀不足，進而造成某些國產農業機械作業性能較低、整機作業功耗較大的問題。由于對機器材料及部件設計的認知不足，出現機器關鍵作業部件壽命較短、損耗較快的問題，嚴重制約了農機的推廣與應用。

2.4智能化程度較低

隨著我國城市化進程的推進和老齡化社會的出現，勞動力人口數量開始下降，農村農業勞動力短缺。在農業生產過程中，采用機械化作業可有效提高作業效率，降低勞動成本。目前，國產農業機械多處于純機械設計階段，整機較為笨重，集成化、自動化程度水平不高。需要研發人員考慮老齡化趨勢，研發智能化、集成化的機器以滿足未來勞動力短缺下農業生產的現實需求。

3 應對策略及建議

3.1推進農業信息化

加大力度推動農業信息化發展，加快實現農機農藝深度結合。隨著我國制造技術的發展，結合農業機械的需求，通過網絡信息技術加快滿足不同種植地區、不同土壤條件的農藝要求，在滿足規范化機械作業的基礎上，利用先進的機械制造技術，提高農業機械關鍵部件的質量，增加使用過程中的整機穩定性，延長整機使用壽命；利用農業技術、信息技術與農業機械相結合，促進農機農藝深度結合。

3.2農用機械本地化

針對西南地區煙草種植產業，在學習國內外先進技術的基礎上，研發設計出適用于西南地區的煙草種植作業機械。如針對西南地區黏性土壤特點，研發設計降粘減阻的移栽機械，在煙苗移栽時，避免出現苗坑深度、株距不穩定的情形，減少幼苗窩根及傷根現象的發生。

3.3國家政策引導

加強國家政策的引導作用，農業機械部門落實國家政策，改變農業生產中落后的生產方式；農業機械研發設計機構加強相關農機作業理論研究，基于我國不同地區的農業作業方式，研發設計農民買得起、用的住、用著方便的農業機械，即在提高作業質量的同時，延長農業機械的整體使用壽命，減少農業作業人員在作業機械上面的開銷。農業機械部門可與政府配合，一方面降低農業機械價格，另一方面推廣農場式種植模式，實現大規模集成化經營，加強對農業機械的推廣與應用。

3.4加強農業機械研發

以高校、科研院所為中心，在考慮我國已進入老齡化社會的基礎上，為滿足不同地區煙草種植農藝要求，研發設計集成化、智能化的農業機械，減少人力資源在農業生產中的消耗。在我國西南地區，煙草種植面積較大，是重要的經濟作物。在人口老齡化的背景下，西南地區集成化、智能化農業機械的研發顯得尤為重要與緊迫。

4 結論

(1)近年來，隨著我國農業信息化的推進，農業機械化取得了長足進步，在某種程度上減緩了農業生產中人力資源的需求壓力，但在技術上仍存在不足，農業機械存在自動化、集成化程度低的缺點。今后，農業機械研發機構須在滿足當地種植農藝的需求基礎上，加大機器自動化、集成化的研發與設計支持力度。

(2)國外農業機械較為成熟，機械整體作業效率較高，作業技術也較為成熟，但國外的農業機械價格較貴，不適于國內農民購買使用。我國國土資源遼闊，許多機械不能適應國內的作業環境。目前國內科研團隊已經開展煙草作業機械化研究，但多數處于起步階段，還沒有出現可以滿足我國大部分地區使用的新型機械。在今后一段時間內，半自動化作業機械依然是我國農業種植生產中的主流。

(3)現階段農業機械需要針對不同地區進行研發設計。西南地區特殊的地形地勢及黏性土壤的特點，使得使用移栽機械時，出現土壤粘附的現象，影響移栽的質量和效率。在該區域使用覆膜機械會出現地壟兩側覆土量不一致的情形，影響覆膜機械的覆膜質量，影響作物的生長。在未來的農業機械研發過程中，需向區域化發展，研發滿足我國不同地區需求的農業機械。