荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)研究進(jìn)展

李旭，廖劍，王銳，盧澤民，杜錚，舒虹杰，羅友誼

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，430345）

荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)研究進(jìn)展

李旭，廖劍，王銳，盧澤民，杜錚，舒虹杰，羅友誼

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，430345）

系統(tǒng)分析了當(dāng)前我國(guó)荸薺的種植情況和收獲現(xiàn)狀，闡述了荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)研究進(jìn)展，比較分析了各種荸薺收獲機(jī)的特點(diǎn)，揭示了我國(guó)荸薺機(jī)械化收獲存在的問題，展望了我國(guó)荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)的研究與發(fā)展趨勢(shì)。

荸薺；挖掘；采挖；收獲；機(jī)械化

荸薺又名馬蹄，既可作水果亦可作蔬菜，營(yíng)養(yǎng)豐富且具有一定的藥用價(jià)值。荸薺有分株分蘗特性，平均每株基本苗分生成10個(gè)分株，每個(gè)分株結(jié)球5～6個(gè)，球莖主要集中在9～20 cm深的土層，且任意分布。荸薺最佳采收時(shí)節(jié)為冬至（12月21～23日）到小寒（1月5～6日），此時(shí)球莖皮色為紅褐色，含糖量最高，味最甜；早期采收的球莖，皮薄肉嫩味淡，不耐貯藏；晚期采收的球莖，含糖量減少，表皮增厚，皮色加深為黑褐色，表皮下長(zhǎng)出一層黃衣，品質(zhì)變差。我國(guó)荸薺栽培面積5萬hm2，其中廣西栽培面積最大，達(dá)2萬hm2，主要分布在廣西的賀州、荔浦等地；湖北團(tuán)風(fēng)縣、沙洋縣共0.33萬hm2[1]。

荸薺易種難收，目前荸薺收獲沒有適用機(jī)具，以傳統(tǒng)人工挖掘?yàn)橹?，方法?種：一是在采收前1 d放掉田水，邊清理秸稈，邊用手扒掉上層（0～9 cm）泥土，然后扒出下層泥土，用手捏出球莖；二是在采收前10～15 d將荸薺種植田排水晾干，用鍬或叉挖取球莖。由于黏性土壤和荸薺的親和力大，不易實(shí)現(xiàn)分離，荸薺挖掘勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、收獲成本高（人工成本高達(dá)3萬元/hm2）[2]，且受氣候和人工不足的限制，延長(zhǎng)了采收時(shí)間，降低了荸薺的商品價(jià)值[3]，以上這些因素嚴(yán)重制約了荸薺的集約化、規(guī)?；a(chǎn)，農(nóng)民迫切期盼能有荸薺收獲機(jī)代替人工作業(yè)。由于荸薺不是主要農(nóng)作物，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值有限，對(duì)其研究相對(duì)也較少[4]，2009年才見荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)的文獻(xiàn)報(bào)道。本文系統(tǒng)地對(duì)我國(guó)荸薺的機(jī)械化收獲技術(shù)進(jìn)行了分析，擬為荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)的進(jìn)一步深入研究提供參考。

1 荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 通用成熟機(jī)械收獲荸薺研究

為探索黏性土壤荸薺機(jī)械化采收模式，黃寧等[5]用小型馬鈴薯收獲機(jī)、小型耕田機(jī)和蓮藕挖掘機(jī)分別采收荸薺，但小型馬鈴薯收獲機(jī)采收荸薺時(shí)，挖掘部件入土困難，機(jī)具出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，且土塊和荸薺分離困難；小型耕田機(jī)采收荸薺時(shí)，荸薺損傷大，機(jī)具易打滑，并要求及時(shí)撿拾，否則影響機(jī)器下一行程的作業(yè)；蓮藕挖掘機(jī)采收荸薺時(shí)，大部分荸薺田塊田埂高度無法滿足蓄水高度要求，漏失率高，且采收的荸薺不宜長(zhǎng)時(shí)間保存。

1.2 不分層式荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)研究

為解決荸薺的機(jī)械化收獲問題，解放勞動(dòng)力，一些科研院所和企業(yè)研制出了不分層式荸薺收獲機(jī)械。2011年焦忠等[6]設(shè)計(jì)出一種由手扶拖拉機(jī)、犁地裝置、傳動(dòng)裝置、旋切破碎裝置和尾輪裝置組成的荸薺挖掘機(jī)，2013年唐仲華等[7]發(fā)明了一種包括支架、犁地機(jī)構(gòu)和傳輸篩機(jī)構(gòu)的荸薺收獲機(jī)，這2種荸薺收獲機(jī)的挖掘部件均為犁體，而犁體適合于收獲壟作栽培，且球莖比較集中的場(chǎng)合[8]，在收獲荸薺時(shí)，機(jī)具行進(jìn)過程中，犁壁切割荸薺集中層，荸薺損傷率較高。

陜西科技大學(xué)陳海峰等[9]設(shè)計(jì)了一種利用振動(dòng)原理使土壤液化后進(jìn)行荸薺收獲的荸薺采收船，船體中部安裝可以振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)的采收滾筒，并對(duì)其挖掘部件和振動(dòng)系統(tǒng)展開了一系列研究[10～14]，該荸薺采收船在工作過程中，挖掘部件旋轉(zhuǎn)切割荸薺集中層，荸薺損傷率較高；丁年生[15，16]研發(fā)了2種由高壓噴水管、鏟刀等組成的馬蹄收獲機(jī)；東北大學(xué)秦皇島分校郭獻(xiàn)章等[17]設(shè)計(jì)開發(fā)了一種由液壓式履帶機(jī)車、挖掘輸送裝置、振動(dòng)篩、泥漿泵清洗裝置、轉(zhuǎn)籠高壓氣泵風(fēng)干裝置等組成的聯(lián)合型荸薺采收機(jī)；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)夏俊芳等[18]研制了一種由挖掘鏟、推送裝置、清洗分離裝置和抽水裝置等組成的水田荸薺采收機(jī)；江蘇馬鎖才等[19]試制了一種由履帶機(jī)身、除草機(jī)構(gòu)、采集機(jī)構(gòu)和篩選機(jī)構(gòu)等組成的大型馬蹄收獲機(jī)，其在采集過程中通過高壓水槍使土壤和荸薺進(jìn)行分離，從而保證馬蹄的完整性。這幾種荸薺收獲機(jī)收獲過程中，均需用水沖洗荸薺，在實(shí)際應(yīng)用中，一是大部分荸薺種植田無法滿足機(jī)具作業(yè)水深要求；二是經(jīng)水沖洗后的荸薺無法長(zhǎng)時(shí)間保存，因此存在一定的局限性。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所的王川等[20]提出采用農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的模式，在荸薺種植過程中引入秸稈，以改善荸薺栽培土壤的品質(zhì)，減輕荸薺在生長(zhǎng)過程中深鉆的發(fā)生幾率，并開發(fā)生產(chǎn)了一種由機(jī)架、挖掘裝置、傳輸和分離裝置、清洗、收集等部分組成的升運(yùn)鏈?zhǔn)捷┧j收獲機(jī)，機(jī)器生產(chǎn)率較高，損失率、傷實(shí)率、含雜率低，性能較好[21]，但該農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合模式尚處在探索階段，沒有廣泛推廣應(yīng)用。

1.3 分層式荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)研究

2009年周曉明[22]發(fā)明了一種由排泥裝置、荸薺挖掘裝置分層進(jìn)行收獲的荸薺挖掘機(jī)，排泥裝置和挖掘裝置平行傾斜固定在機(jī)動(dòng)車的前端，其排泥裝置為螺旋輸送機(jī)構(gòu)，將上層根莖和泥土從機(jī)具側(cè)面排出，其挖掘裝置鏟起荸薺集中層，在滾軸的推動(dòng)下進(jìn)入帶式輸送機(jī)，但該挖掘機(jī)的行走裝置為輪式機(jī)動(dòng)車，在高濕黏重土壤的荸薺田作業(yè)時(shí)，牽引附著性能差，易打滑，同時(shí)還存在荸薺與泥土分離困難和莖稈纏繞等問題。丁年生[23，24]2013年設(shè)計(jì)出的荸薺收獲機(jī)，其耕翻裝置為帶齒的旋轉(zhuǎn)部件，該機(jī)具挖掘部件運(yùn)動(dòng)過程中旋轉(zhuǎn)切割荸薺集中層，荸薺損傷率較高。高峰等[25]開發(fā)出一種由旋耕機(jī)、犁體和可伸縮滾筒等組成的荸薺收獲機(jī)，其旋耕機(jī)打碎上層無荸薺的泥土，犁體鏟起荸薺集中層進(jìn)入滾筒實(shí)現(xiàn)荸薺和泥土分離，但犁體隨機(jī)具行進(jìn)過程中，犁壁切割荸薺集中層，荸薺損傷率亦較高。唐仲華等[26]于2015年公開了一種荸薺收獲設(shè)備，其包括履帶機(jī)體、鏟土機(jī)構(gòu)和篩網(wǎng)支架，其鏟土機(jī)構(gòu)前端上部設(shè)置旋耕刀，能打松上層土，為鏟土機(jī)構(gòu)減輕作業(yè)強(qiáng)度；同時(shí)他們還公布了1種雙層鏟兩級(jí)篩分型荸薺收獲機(jī)[27]，其上鏟土板將上層泥土鏟到機(jī)具側(cè)邊，減輕后續(xù)作業(yè)強(qiáng)度，下鏟土板鏟起荸薺集中層，經(jīng)輸送機(jī)構(gòu)輸送到篩分機(jī)構(gòu)，該機(jī)具收獲前要曬田至泥土含水量低于20%，并將荸薺的莖部割平地面，且上鏟土板運(yùn)動(dòng)過程中可能存在壅土堵塞問題。周曉明[28]2015年設(shè)計(jì)出一種包括履帶機(jī)車、挖掘裝置、排泥裝置的履帶式荸薺挖掘機(jī)，其排泥裝置將上層泥土排到機(jī)具側(cè)邊，其荸薺集中層挖掘裝置的鏟爪上開有出水孔，水從出水口噴出沖刷荸薺集中層，實(shí)現(xiàn)荸薺與泥土的分離，而荸薺經(jīng)水沖刷后不能長(zhǎng)時(shí)間保存。周曉明[29]又于2016年公布了一種由履帶式行走機(jī)構(gòu)、挖掘裝置和輸送機(jī)構(gòu)等組成的分層式荸薺挖掘機(jī)，其上層泥土和下層球莖被分層挖掘提升后從駕駛位下方輸送至機(jī)具后方，大限度地增加了荸薺集中層翻轉(zhuǎn)分離面積，使球莖和泥土有效分離，并能保證采收后的田地平整。此外，蓋國(guó)安等[30，31]、吳紅順[32]、張 雅靜等[33，34]也對(duì) 分層式荸薺收獲機(jī)械提出了一些設(shè)計(jì)思路和方案。

2 制約荸薺機(jī)械化研究進(jìn)程的原因

美國(guó)在1930年開始引進(jìn)試種荸薺，試種至今的80多a里，由于缺乏合適的荸薺采收機(jī)械，荸薺在美國(guó)的種植面積并沒有大幅增加[35]。雖然我國(guó)2009年已經(jīng)開始有企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行荸薺機(jī)械化收獲的探索和研究，但七八年過去，市場(chǎng)上仍然沒有適于荸薺收獲的定型機(jī)具進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。究其原因，主要有以下幾個(gè)方面：

①由于黏土與荸薺親和力大，荸薺被黏性土壤緊密包裹，致使荸薺與土壤的分離比較困難。

②荸薺分株分蘗生長(zhǎng)的特性，使得荸薺在9～20 cm深的土層任意分布，加之其較脆易破損，非常不利于機(jī)械化作業(yè)，現(xiàn)有的用于成行成排的后置式根莖類挖掘收獲機(jī)械均難沿用。

③企業(yè)直接經(jīng)營(yíng)比重低，以散戶種植為主，種植規(guī)模較小，使得大型機(jī)械難以施展。

④荸薺主要集中分布在9～20 cm深的土層，挖掘工作量大，挖掘阻力大，機(jī)具易打滑。

3 荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)展望

荸薺集中層的挖掘、球莖與泥土的分離是荸薺機(jī)械化收獲過程中的2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前，我國(guó)對(duì)于荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)的研究還處于發(fā)明專利和實(shí)用新型專利的申請(qǐng)層面，除陜西科技大學(xué)的荸薺采收船有進(jìn)一步的理論研究外，鮮見荸薺收獲機(jī)械的理論及試驗(yàn)研究，因此，加強(qiáng)對(duì)荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)的理論及試驗(yàn)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，我國(guó)荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)的研究趨勢(shì)主要在于：①為降低荸薺破損率，荸薺收獲機(jī)應(yīng)朝前置式發(fā)展，即收獲裝置在前，行走機(jī)構(gòu)在后，且下層挖掘部件工作過程中不宜穿越切割荸薺集中層，行走機(jī)構(gòu)優(yōu)選履帶底盤。

②為減少挖掘阻力，一是在收獲前1 d放干田水，第2天收獲；二是采用分層收獲，上層挖掘鏟鏟除0～9 cm的泥土根莖，下層鏟起9～20 cm的荸薺集中層，以減少挖掘阻力，并減輕后續(xù)球莖和泥土的分離工作量；三是重點(diǎn)開展荸薺集中層挖掘部件的減阻研究。

③在荸薺集中層鏟起后的球莖和泥土分離環(huán)節(jié)，應(yīng)慢輸送、快振動(dòng)，利用振動(dòng)原理使土壤液化，實(shí)現(xiàn)荸薺與泥土的有效分離。

④探索農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合的新模式，改變荸薺栽培方式，開溝制壟種植，改良土壤，降低泥土黏性，并減少荸薺在生長(zhǎng)過程中深鉆的發(fā)生幾率，提升荸薺生長(zhǎng)層，為后期機(jī)械化收獲提供便利。

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[16]丁年生.一種新型馬蹄收獲機(jī)：CN201310565550.3[P]．2013-11-07．

[17]郭獻(xiàn)章，陳曉明，柴海斌．聯(lián)合型荸薺采收機(jī)：CN 201410067356.7[P]．2014-02-27．

[18]夏俊芳，陳子林，展鵬程，等．水田荸薺采收機(jī)：CN 201610372590.X[P]．2016-05-30．

[19]馬鎖才，陳書金．一種馬蹄收獲機(jī)：CN201610470572.5[P]．2016-06-18．

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[22]周曉明．荸薺挖掘機(jī)：CN200910116347.1[P]．2009-03-13．

[23]丁年生．一種一體化馬蹄收獲機(jī)：CN201310323257.6[P]．

[24]丁年生．一種多功能馬蹄收獲機(jī)：CN201310323282.4[P]．2013-07-29．

[25]高峰，潘泰任，丁衛(wèi)中，等．馬蹄收獲機(jī)：CN201310678476.6[P]．2013-12-14．

[26]唐仲華，高峰，高巧明，等．一種荸薺的收獲方法及設(shè)備：CN201510383875.9[P]．2015-07-03．

[27]唐仲華，高峰，高巧明，等．荸薺的收獲方法及設(shè)備：CN 201510384057.0[P]．2015-07-03．

[28]周曉明．一種履帶式荸薺挖掘機(jī)：CN201510369687.0[P]．2015-06-30．

[29]周曉明．一種分層式荸薺挖掘機(jī)：CN201610334237.2[P]．2016-05-18．

[30]蓋國(guó)安，蓋碩．土壤分層壓濾荸薺采收機(jī)：CN201420601633.3[P]．2014-10-17．

[31]蓋國(guó)安，蓋碩．荸薺采收機(jī)：CN201520630043.8[P]．2015-08-20．

[32]吳紅順．全自動(dòng)荸薺挖掘機(jī)：CN201420314478.7[P]．2014-06-13．

[33]張雅靜，張健，吳潤(rùn)秀，等．分層采挖馬蹄的方法：CN 201410369923.4[P]．2014-07-30．

[34]張雅靜，張健，吳潤(rùn)秀，等．旋切采挖馬蹄的方法及其采挖機(jī)：CN201410369948.4[P]．2014-07-30．

[35]李峰，劉義滿，李明華，等．美國(guó)荸薺生產(chǎn)與研究情況[J]．長(zhǎng)江蔬菜，2009（16）：19-22．

Research Progress in Mechanized Harvesting Technology of Water Chestnut

LIXu,LIAO Jian,WANG Rui,LU Zemin,DU Zheng,SHU Hongjie,LUO Youyi
(Wuhan Academy of Agricultural Sciences,Institute of Agricultural Mechanization,430345)

In this paper,planting condition and harvesting status of water chestnut in China were analyzed,and the research progress of water chestnut mechanized harvesting technology was expounded.The characteristics of various water chestnut harvester were compared and analyzed which revealed the problems of mechanized harvesting of water chestnut and forecasted the harvesting technology research and development trends of water chestnut in China.

Water chestnut;Excavate;Digging;Harvesting;Mechanization

S645.3

A

1001-3547（2017）18-0077-04

10.3865/j.issn.1001-3547.2017.18.022

李旭（1985-），女，碩士，助理工程師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)研究，電話：13638670392，E-mail：lx@whiam.cn

2017-08-11