根莖類作物采收裝置的研究現狀*

李 桂 ， 谷潤潤 ， 吳業北

（新疆理工學院實驗實訓中心，新疆 阿克蘇 843000）

通信作者：吳業北（1988—），男，山東泰安人，碩士研究生，實驗師，研究方向為機械設計。我國作為種植根莖類作物的大國，根莖類作物種植區域廣泛。目前，根莖類作物包括薯類、花生、山藥及各類藥材等[1]。薯類包括甘薯和馬鈴薯，二者主要分布在長江中下游地區，其中四川產量位居前列[2]。花生的產量與含油率都很高，且對土地要求不高，所以在全國各地都有種植。我國種植的根莖類藥材有100多種，有些既可以食用又可以醫用，如黃連、人參、板藍根、肉蓯蓉等是不可或缺的藥用原料[3]。根部作為根莖類作物經濟價值最高的部分，不僅可以貯存并合成各類有機物質，還可以為作物的生長提供所必需的營養[4]。馬鈴薯類的作物有著很高的淀粉含量，可以滿足人類對食物的需求，有些作物還具有一定的醫療效果，可以促進醫藥學的研究。例如，在2020年抗擊新冠疫情的初期，部分中藥材就起到了十分重要的作用[5]。根莖類作物的食用部分通常為作物的根或者莖，而植物的根莖又都生長扎根于土中，所以如何高效采摘根莖類作物是農作物采收的重要課題。傳統的人工刨土采收方式不僅成本高、勞動強度大、效率低，而且很難滿足市場對根莖類作物產品的高質量需求。故而需要不斷實踐以促進我國農業機械行業的發展，這既是挑戰，也是機遇[6]。

1 根莖類作物采收方式

目前，我國根莖類作物的采收方式主要為機械采收、人工采收和人工機械結合采收。如馬鈴薯主要采用機械采收的方式，但一些偏遠的山區和農村地區因種植面積較小且受交通、地形因素的制約，仍然采用人工采收的方式。況且，我國多高山和丘陵地形，有些地區不適合大規模機械化作業[7]。

1.1 傳統采收方式

根莖類作物的傳統采收方式就是采用人工刨土，十分耗時耗力。比如，在馬鈴薯、紅薯、山藥等采摘時，由于根莖深埋土中，采收就存在較大難度。山藥的根莖是直立生長在土中，有的長達1 m左右，傳統的采收方式需要在土里挖掘深溝，并且不能折斷山藥的根莖，導致了許多根莖類的藥材綜合成本極高[8]。因此，手工采摘根莖類作物不僅勞動強度大，且效率低下。

1.2 機械采收方式

根莖類藥材作物的采收部分實現了半機械化，機器負責挖掘，人工進行藥材和土壤分離的操作。山藥的采收采用機械采挖和人工采挖相結合的方式，人工采挖雖然勞動力大、效率低，但是可以更好地保證山藥的完整性和品質；機械采挖雖然勞動力小、效率高，但是機械采挖很容易破壞山藥的完整性。所以目前山藥收獲多采用機械開溝和人工采挖相結合的方式，不僅可以提高效率，也能保證山藥的品質和完整性。

2 根莖類作物采收機械發展現狀

2.1 短根莖類作物采收機械發展現狀

中國在社會主義改造時期就開始學習歐美等西方國家的先進農業技術，引進國外先進的根莖類作物收獲機，對馬鈴薯、花生、紅薯等一些常見的根莖類作物實行機械化采收[9]。馬鈴薯挖掘機的引進、研制較早，1960年，我國農業機械相關部門引進了西德VR-2、波蘭RCE-2、英國Johson和蘇聯KTH-2型馬鈴薯挖掘機等。在對機械的性能進行測試、技術吸收后，結合國內馬鈴薯種植的現狀研制了適合我國發展的馬鈴薯收獲機，但是由于技術條件的限制，馬鈴薯收獲機的研發工作一直比較緩慢[10]。隨著我國馬鈴薯種植面積的不斷擴大，國產的小型馬鈴薯收獲機也開始進入市場，馬鈴薯機械制造企業迅速崛起并高速發展，取得了長足的進步。結合前期對馬鈴薯收獲機技術的研發工作，我國馬鈴薯機械制造企業成功研制出多款技術成熟、性能可靠、功能完善的馬鈴薯收獲機[11]。

中機美諾科技股份有限公司研發的1710A型馬鈴薯聯合收獲機可以一次性完成挖掘、分離運輸、除秧、側輸出作業，具有收凈率高、破損率低、成本回收快等特性[12]；青島洪珠農業機械有限公司與青島農業大學聯合研制的洪珠4U-170大型馬鈴薯收獲機可以實現薯秧分離、薯土分離、薯塊集條鋪放作業，具有明薯率高、傷薯和破皮率低等突出特性，此機器被廣泛用于大面積短根莖類作物種植區域[13]；山東思代爾農業裝備有限公司和山東理工大學研發的希森天成4ULZ-170型馬鈴薯聯合收獲機結構為牽引式，需要拖拉機牽引聯合收獲，挖掘后的薯土通過輸送網篩進行薯土分離和薯塊輸送，在薯塊輸送的過程中進行薯秧分離，薯土、薯秧分離后的干凈馬鈴薯進入集薯輸送裝置，通過集薯輸送裝置將干凈的馬鈴薯輸送至運輸車中，然后運輸車將收獲后的馬鈴薯轉運回廠[14]。該馬鈴薯聯合收獲機能實現馬鈴薯的挖掘、薯土分離、薯秧分離、集中收集輸送等作業。

2.2 長根莖類作物采收機械發展現狀

以往我國長根莖類作物的收獲工作大部分采用傳統的人工刨土、手工分離、人工拾取等方式，目前采用挖掘、抖動、傳送、收集等鏟鏈結合的機構進行作業。先采用框式、鏵式等入土機構，將土松動，然后進行人工分離和拾取[15]，再采用震動鏟、叉齒去挖掘、抖動，最后傳送到地面。該方式直接實現了作物和泥土的挖掘、分離、傳送、收集等一體化的機械工作[16]，一定程度上提高了人工拾取的效率。

賈素梅等[17]共同研發的4GJ-880型根莖類藥材作物收獲機，收獲效率高，結構簡單易操作；甘肅省渭源縣農機推廣站研發并投入使用的4YW-160型根莖類藥材挖掘機可以完成簡單的挖掘工作，并在進行挖掘分離和收獲工作部分做了進一步的改進[18]。4YW-160型的根莖類藥材挖掘機由高級工程師周振華主持的研發小組進行了多年的研究改進，現已達到了國內先進水平，并在全國進行了大規模推廣[19]。

2.3 根莖類藥材采收裝置發展現狀

根莖類藥材收獲機的研究是從1990年開始的，國內相關的農機科研單位、學者和企業所研制、生產和銷售的根莖類藥材收獲機樣式眾多，但是按照藥土分離機構進行劃分，主要分為桿條式升運篩式、振動帶式和振動篩式三大類根莖類藥材挖掘機。

陳威等[20]研制了一臺自走式太子參聯合收獲機，針對挖掘鏟和振動篩進行試驗研究，采凈率高達90%，而破損率控制在10%以內，可用于丘陵山區太子參收獲作業；何曉芬等[21]研究設計了一臺小型折耳根收獲機，針對挖掘鏟和輸送分離裝置的關鍵部件進行設計，以適用于我國西南山區、丘陵地區等小面積土地的折耳根收獲；張文杰等[22]針對西北地區研究設計了一臺4Y-1200型藥材收獲機，可適用于黃芪、紅芪、黨參、甘草等深根莖類藥材的收獲；謝新亞[23]研究設計了一種適合新疆地區甘草種植模式的甘草收獲機，可一次性完成甘草的挖掘、輸送、分離、鋪地等作業；崔振猛等[24]研發了4SD-1700型懸掛式三七藥材收獲機，以用于三七的采摘收獲工作。

3 根莖類作物采收裝置存在的主要問題

近年來，隨著科學技術水平的提高，我國根莖類收獲機得到了迅速發展，但是根莖類收獲機在應用過程中仍存在諸多技術和使用問題，制約了我國根莖類作物采收工作質量的提升，阻礙了先進科學技術的指引和改善作用，也直接影響了我國未來農業農村的發展。

3.1 機械化智能水平低

根莖類作物收獲機的機械化智能水平低，缺少智能設備的結合。根莖類作物收獲機在工作時，其根莖和泥土分離機構的振動頻率會對根莖泥土的分離率和根莖的損傷率產生較大影響。如果振動頻率過高，會對根莖造成過度損傷；如果振動頻率太低，又會使根莖和泥土難以分離。因此，根莖類作物收獲機需要結合一種可以根據土壤的堅硬度、濕度、挖溝的深度等因素變化而自動調節振動頻率的智能化輔助設備。此外，由于我國根莖類收獲機種類多、機械設備自動化水平低等因素，進一步加大了數字化智能技術和收獲機械設備有效融合的難度[25-26]。

3.2 功能單一

根莖類作物收獲機的功能單一，難以滿足根莖類收獲機的應用技術需求，導致每年需要投入大量的人工成本到根莖類藥材的采收中。部分根莖類草藥收獲機僅有挖掘功能，沒有配套的藥土分離裝置和藥材傳輸運輸裝置，藥土分離結構有待完善，而僅有的根莖類多功能機械又存在藥土分離不徹底、不干凈、藥材損傷大等問題。根莖類作物收獲機在設計和制造上存在缺陷，機械工作的可靠性較低，經常出現技術故障，而需要的調修時間又過長，直接導致了工作效率低下。同時，根莖類作物收獲機在收獲時如果挖溝深度不夠，則會出現油耗高、動力消耗大、牽引阻力大等問題[27]。此外，我國在根莖類作物收獲機技術中，缺乏機械聯動關系等知識的研究，只能通過多年積累的工作經驗對機械設備進行改善，很難提升機械技術的應用水平[28]。

4 未來展望

我國的根莖類作物機械收獲技術的發展與應用，還需要相關農業部門的重視，鼓勵機械創新，大力發揮農業機械化的作用，加大對根莖類作物收獲機的研制投入力度，妥善解決根莖類作物收獲過程中遇到的各種問題，最大程度提升根莖類作物在農村、藥材市場的價值效益，并且加強根莖類加工業、藥品制造業等相關產業鏈的發展，引導更多人才加入，特別是鼓勵大學生積極從事機械制造業，大力發展機械創新等。

4.1 農機與農藝結合

我國不同地區的土壤條件與氣候環境差異較大，各個地區對根莖類作物的種植習慣也不相同，播種、種植方式也不一樣，導致了同一根莖類作物收獲機很難對不同地區的作物進行統一采收。所以農業部門應該對各類根莖類作物的種植方式制定統一的要求，方便收獲機在采收作業時減少對根莖的損傷，保證根莖類作物的收獲質量，降低機械使用成本，提高農村整體經濟效益。

4.2 加強機械技術研發

大部分根莖類藥材收獲機的分離裝置不夠完善，相關部門需要引進歐美等西方國家的先進機械設備，研究改進出不僅可以對根莖類作物進行挖掘工作，還可以對其進行作物分離、選擇和處理等的優質收獲機，將機械信息化、自動化、電氣化等先進技術有機結合起來，最終實現功能一體化，增強機械設備的使用能力。

4.3 提高機械可靠性，延長使用壽命

目前，我國根莖類機械的可靠性較低，工作時常出現問題，且使用質量不高。由此，我們可以使用先進的材料加工工藝對機械的材料和零部件進行改進，延長收獲機的使用壽命，從而更好地減少投入成本。

4.4 加大資金投入和扶持力度

政府應加大對根莖類作物收獲機械的扶持力度，重視根莖類作物機械設備的研發工作，提供良好的政策環境，起到調節市場的作用，并鼓勵大學生等科研人才投入機械設備的研發與改進工作中，鼓勵企業自主創新，提高各企業的研發能力，支持研究單位、高校與企業合作，提升企業的市場競爭力。