葉類蔬菜機械化收獲技術(shù)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展

廖 禺，陳立才，潘 松*，賀 捷，楊偉光，吳友棟，馮細平

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西省永修縣吳城鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣綜合站，江西 永修 330325；3.江西悅豐農(nóng)業(yè)科技有限公司，江西 崇仁 344200)

0 引言

我國是世界上最大的蔬菜產(chǎn)銷國，蔬菜播種面積、產(chǎn)量分別占世界總量的40%和50%以上[1-2]，且蔬菜種植面積及產(chǎn)量在逐年增加(圖1)，2016年全國蔬菜種植面積為2232.83萬hm2，其中葉類蔬菜種植面積達792.41萬hm2[3-4]，葉類蔬菜在我國蔬菜生產(chǎn)中所占的比例越來越大，其中收獲環(huán)節(jié)在蔬菜生產(chǎn)中耗時最多，勞動強度最大[5]，且主要依靠人工完成，隨著葉類蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)村勞動力的日益短缺，發(fā)展蔬菜機械化收獲裝備與技術(shù)，有助于提高蔬菜生產(chǎn)效率，對提升蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展及轉(zhuǎn)型升級具有重要的意義。

葉類蔬菜種類繁多，分類方式多樣，按葉類蔬菜機械收獲品種分為：結(jié)球類和非結(jié)球類。結(jié)球類葉菜主要指結(jié)球甘藍，非結(jié)球類葉菜主要指小青菜、菊花菜、韭菜、菠菜等；按行走形式分為：自走式、牽引式和懸掛式；按收獲方式分為：一次性收獲、多茬收獲、選擇性收獲；按收獲的行數(shù)分為：單行、雙行、多行；按切割部位分為：帶根收獲、不帶根收獲；按收獲后擺放的方式分為：無序收獲、有序收獲等[5-10]。

本文按照葉類蔬菜機械收獲品種分類進行綜述，研究分析國內(nèi)外結(jié)球類和非結(jié)球類葉菜機械化收獲的現(xiàn)狀及存在的問題，并提出合理化發(fā)展建議。

1 國內(nèi)外葉類蔬菜收獲現(xiàn)狀

以歐美為代表的國外發(fā)達國家對蔬菜機械的研究起步早，技術(shù)裝備成熟，葉菜類、根莖類、果菜類收獲均有相應成熟的商業(yè)推廣機型，以牽引式和懸掛式為主。亞洲的日本也較早開始了蔬菜收獲機械的研究，以自走式一次性收獲為主[11]，而國內(nèi)的蔬菜收獲機械是近年研究開發(fā)的熱點，葉菜類收獲只有少量產(chǎn)品走向市場。

圖1 2012～2016年國內(nèi)蔬菜播種面積與產(chǎn)量

1.1 國內(nèi)外結(jié)球類葉類蔬菜收獲現(xiàn)狀

結(jié)球類葉類蔬菜主要是指結(jié)球甘藍，其收獲過程主要包括拔取、輸送提升、切根、剝?nèi)~、裝箱等環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)收獲部件根據(jù)作用不同，具有不同分類。拔取裝置主要可分為：鏟式、雙螺旋桿式和雙圓盤式。輸送提升裝置主要可分為：雙螺旋桿式、雙輸送帶式。切根裝置主要可分為：單圓盤刀式和雙圓盤刀式。剝?nèi)~裝置主要可分為：輥式、螺旋桿式和縷空輸送鏈式。

國外結(jié)球類機械化收獲研究較早，且技術(shù)裝備已經(jīng)成熟。世界上第一臺甘藍收獲機由前蘇聯(lián)于1931年研制生產(chǎn)，該機與拖拉機配套，左、右雙行收獲，拔取器由2條回轉(zhuǎn)鏈條組成，內(nèi)邊采用彈簧壓緊，圓盤式割刀切斷菜棵球莖，橫向刮板式輸送器，安裝鉸接于拖拉機的機架上，實現(xiàn)蔬菜的收獲[5，9,12]。意大利Hortech公司的自走式甘藍聯(lián)合收獲機，采用3點懸掛連接方式，四行收獲，能根據(jù)甘藍種植的直線度自動調(diào)整機具行走位置，自動對行，蔬菜根部被前置圓盤割刀切割后，經(jīng)2條傾斜的回轉(zhuǎn)輸送帶把蔬菜運送到后方清理平臺，由人工清選、裝箱[13]。丹麥Asa-lift公司生產(chǎn)了MK-1000型、TK-1000E型和TK-2000E型3種甘藍收獲機。MK-1000型采用拖拉機懸掛式收獲，一次作業(yè)收獲1行，通過前部的扶秧器，扶住甘藍底部，將其導入后續(xù)裝置，由液壓驅(qū)動或固定式扶秧器將甘藍菜導入到喂入膠帶，然后順著膠帶進入切根部分，再由一組圓盤式切刀，在甘藍底部位置切斷球莖根部。通過雙桿拔取配合網(wǎng)狀皮帶，夾住并帶動甘藍向后方運動，實現(xiàn)橄欖收獲；TK-1000E型和TK-2000E型分別為1次作業(yè)收獲1行和2行的牽引式甘藍收獲機，自帶重載提升臂，特有的喂入單元，將甘藍菜輸送到輥式去葉器，去除表面的殘葉，再經(jīng)揀選平臺然后將甘藍通過提升臂裝到掛車上[14]。加拿大Univerco公司的甘藍收獲機，采用割臺側(cè)置式單行收獲，全液壓驅(qū)動[15]。2000年日本國家農(nóng)業(yè)研究中心研制出一種甘藍聯(lián)合收獲機，由拖拉機遠程控制，根莖引拔裝置采用旋轉(zhuǎn)式雙圓盤,雖然甘藍根部和頭部外包葉的切斷由圓盤割刀一次性完成,但是去包葉和分揀裝箱由人工完成，而且該機全程由3名工人協(xié)同完成甘藍的收獲、去包葉和挑選裝箱，收獲效率為0.3 hm2/h[5,10，12]。

國內(nèi)對結(jié)球類蔬菜收獲研究少，起步晚，幾乎沒有成熟的商品化機型。浙江大學設計的甘藍收獲機是單行、一次性收獲、配有專用履帶式底盤，其主要由帶撥輪的引拔裝置、輸送提升裝置、切根裝置、剝?nèi)~裝置、收集裝置等組成。適宜甘藍球徑15～25 cm，生產(chǎn)率0.2 hm2/h，拔取率97.4%，切根合格率89.8%，剝?nèi)~合格率88.2%，作業(yè)損失率4.8%[16-18]。東北農(nóng)業(yè)大學設計研制的甘藍收獲樣機是以收獲結(jié)球甘藍為主，兼收大白菜，半懸掛式，單行、一次性收獲，該機采用雙圓盤導入裝置先將直線性較差的甘藍引入到雙螺旋拔取輸送總成上，再對甘藍進行拔取、運送，切根、剝?nèi)~、輸送收集、裝箱。收獲效率0.08～0.10 hm2/h，收獲行距50 cm[19-21]。甘肅農(nóng)業(yè)大學和中國農(nóng)業(yè)大學分別對甘藍收獲機和大白菜收獲機及關鍵部位進行了虛擬設計，并未生產(chǎn)出樣機，設計方案有待進一步驗證[5,14]。

1.2 國內(nèi)外非結(jié)球葉類蔬菜收獲現(xiàn)狀

非結(jié)球葉類蔬菜的機械化收獲主要包括撥禾、切割、輸送、收集等作業(yè)環(huán)節(jié)。撥禾裝置主要可分為：板式、桿式和偏心輪式。切割裝置主要可分為：環(huán)形帶刀、往復式刀、圓盤刀。輸送裝置主要可分為：風力輸送、回轉(zhuǎn)帶式輸送、同步夾持式輸送、扭轉(zhuǎn)夾持式輸送。收集裝置包括：袋式收集和框式收集。

國外對非結(jié)球類蔬菜的研究同樣較早，技術(shù)也比較成熟。日本川崎公司生產(chǎn)的手扶式風送型葉菜收獲機，是利用高壓氣流將高速往復式雙動刀切割的葉菜，吹送到收集袋中，但它只適用于收獲小青菜類葉類蔬菜[10]。意大利Hortech公司生產(chǎn)的Slide FW型收獲機，通過采用環(huán)型鋸齒帶刀、自定心技術(shù)和割臺高度自動調(diào)節(jié)技術(shù)，利用前方蔬菜的推擠作用將后方被割葉類蔬菜推至輸送帶上，再被推入后方收集箱中，但是該機對耕種蔬菜的畦面平整度和土壤細碎度要求很高，適宜收獲雞毛菜、金花菜等葉類蔬菜；Hortech公司生產(chǎn)的一款Slide Valeriana型帶根收獲機，通過利用帶鋸切割振動輸送的原理及割臺前端的合金條交替運動產(chǎn)生振動，快速抖落葉菜上的沙土，適用于砂壤土質(zhì)栽培下的帶根收獲的葉菜(如菠菜、芹菜)。丹麥Asa-lift公司和韓國康博公司生產(chǎn)的一種韭菜收割機，收獲時需配套種植行間距農(nóng)藝技術(shù)，采用單行收獲，由輸送帶夾持韭菜向后上方運送，同時圓盤割刀將韭菜根部切斷，而后半交叉式輸送帶夾持著韭菜朝同一方向倒下、輸送，實現(xiàn)韭菜的有序收集。該機適用于小田塊和設施作業(yè)，收獲的韭菜整齊不亂，但作業(yè)效率低、通用性差，且要求種植的韭菜行間距大、經(jīng)濟效益低，因而不被小農(nóng)戶接受[5]。

國內(nèi)，江蘇大學開發(fā)了秧草收獲機，通過采用風力吹送切割下來的秧草至輸送帶上，再由輸送帶將其輸送至后方收集。通過電機驅(qū)動車輪實現(xiàn)自走，可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)切割高度[22]。南京農(nóng)機化研究所研制了4GCD-600型手扶式葉菜無序收獲機，采用高速雙動往復式切割和回環(huán)帶式輸送技術(shù)，對葉菜進行地毯式切割，收獲效率高。各部件速度無級可調(diào)，對不同栽培方式及葉菜收獲的適應性強，切割高度最低可調(diào)節(jié)至緊貼地面收獲，減少浪費[23]。上海農(nóng)機所研制的4GCZ-100型蔬菜收獲機采用履帶液壓行走驅(qū)動、無級變速，帶刀式割頭形式，適用于小白菜、茼蒿等密植型葉菜，收獲地表以上部分的莖葉。上海康博實業(yè)有限公司生產(chǎn)的JT-1350型菠菜收獲機，適用于菠菜、香菜等需要連根一起收獲的葉菜，可在表土下一定深度進行切割作業(yè)，菜體留在原地，由人工撿拾裝箱。鹽城新明悅機械制造有限公司和上?？挡崢I(yè)有限公司生產(chǎn)的JT-HV型電動韭菜收割機，適用于韭菜的對行收獲，集收割、傳送、收集于一體，柔軟的皮帶設計可保護韭菜葉不被傷害[24]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京化所果蔬研究團隊研制生產(chǎn)的4GCB-2型自走式收獲機，采用先撥取再切根和扶正即切根2種方式，研究攻克了自動導正技術(shù)、仿生輸送技術(shù)、模塊化組配技術(shù)等，解決了蔬菜收獲機械在使用過程中存在的切根一致性差、切割阻力大、易壅堵等問題[25]。4GYZ-1200型自走式葉類蔬菜收獲機通過更換組件，實現(xiàn)了非結(jié)球葉類蔬菜、結(jié)球類蔬菜、茶葉等通用收獲，可一機多用[26]。

2 葉類蔬菜機械化收獲存在的問題

2.1 耕種不規(guī)范，機械化水平低

葉類蔬菜的機械化收獲對農(nóng)藝的要求非常高，耕作水平不規(guī)范或達不到要求，會影響后續(xù)的播種、移栽、澆灌、收獲等機械化作業(yè)，目前，傳統(tǒng)的葉類蔬菜生產(chǎn)耕地不平，少數(shù)地區(qū)存在套種間作現(xiàn)象，不適合葉菜收獲機械作業(yè)，同時，傳統(tǒng)手工作業(yè)思想根深蒂固，農(nóng)戶潛意識里認為，機械化收獲難以達到人工作業(yè)水平。

2.2 輕簡型機型少，大機型生產(chǎn)成本高，推廣難度大

我國傳統(tǒng)的蔬菜種植以小農(nóng)戶小田塊為主，種植規(guī)模小，分布廣而散，品種多樣，農(nóng)藝復雜，標準化程度低，農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合不緊密，小規(guī)模種植需要輕簡型機型。而從國外引進的機型，體型大，制造成本高，價格昂貴，轉(zhuǎn)彎掉頭困難，機械化程度高，機具操作難度大，專用性強，適應性差，在國內(nèi)嚴重水土不服，只適宜某一、二種蔬菜的收獲使用，機具利用率低、生產(chǎn)成本高，多數(shù)農(nóng)戶難以接受。

2.3 關鍵裝備技術(shù)缺乏，技術(shù)不成熟

葉類蔬菜機械收獲時，易被泥土等雜物堵塞，影響收獲作業(yè)效率和蔬菜的品質(zhì)。現(xiàn)有的機型收割后蔬菜的損傷率高、損失率大，達不到人工收獲作業(yè)的質(zhì)量，耕種管收等部分關鍵裝備技術(shù)缺乏，不成熟、不配套。

2.4 結(jié)構(gòu)復雜，智能化、精細化程度低

現(xiàn)有蔬菜作物、土壤、環(huán)境、機器等互作機理不清，常規(guī)的蔬菜收獲機械采用機械傳動、結(jié)構(gòu)復雜，而且菜地平整度不符合要求、作業(yè)對象的差異性大，使得其收獲質(zhì)量達不到要求，目前國內(nèi)研制的機型多為一次性收獲機具，不會智能化區(qū)別成熟與不成熟的蔬菜并進行選擇性收獲，智能化、精細化水平有待提高。葉類蔬菜收獲裝備智能化、精細化程度低。

3 葉類蔬菜機械化收獲技術(shù)與裝備發(fā)展建議

3.1 加強農(nóng)機與農(nóng)藝融合

葉類蔬菜機械化收獲效率、收獲后蔬菜品質(zhì)的好壞，與標準化種植關系密切，如整地作畦的壟距、播種的行株距、播種量等，都決定了后續(xù)的收獲作業(yè)質(zhì)量和效率。提高耕作水平，規(guī)范農(nóng)藝種植制度和田間管理程序，加強農(nóng)機農(nóng)藝融合，是葉類蔬菜實現(xiàn)全程機械化的關鍵。

3.2 提高裝備的輕簡性、通用性

葉類蔬菜收獲機要求結(jié)構(gòu)輕簡、緊湊，兼顧設施結(jié)構(gòu)與尺寸，滿足設施和小田塊種植農(nóng)戶的需要，通過更換部分工作部件，實現(xiàn)多種蔬菜收獲，提高產(chǎn)品的適應性和通用性。

3.3 增強科研投入，提升關鍵核心技術(shù)研發(fā)能力

提升關鍵核心技術(shù)自主研發(fā)需要技術(shù)創(chuàng)新，而技術(shù)創(chuàng)新主要依賴技術(shù)研發(fā)，技術(shù)研發(fā)不僅需要高素質(zhì)的科研人員，還需要較長的研發(fā)周期，同時需要大量的資金支撐，因此，政府應加大財政投入，強化創(chuàng)新驅(qū)動能力，加大核心技術(shù)科研經(jīng)費的投入，通過對蔬菜收獲共性技術(shù)和個體技術(shù)的研究，消化吸收國外先進的技術(shù)，通過產(chǎn)學研等聯(lián)合公關方式達到關鍵技術(shù)自主創(chuàng)新的目的，進一步提升產(chǎn)品的核心競爭力。

3.4 提升葉類蔬菜收獲裝備的智能化

切割臺堵塞、留茬高、菜莖的損傷大、收獲效率低是蔬菜收獲過程中主要存在的問題。只有提升收獲裝備的智能化水平，才能自動解決自動控制防堵、清淤、割臺高度自動調(diào)節(jié)、可變力柔性輸送系統(tǒng)、多參數(shù)融合自動化控制技術(shù)。隨著蔬菜機械化需求層次的提升，智能化控制技術(shù)的應用將更加廣泛。

4 葉類蔬菜機械化收獲未來的研究方向

根據(jù)國人的消費習慣、生活水平以及各種要求的不斷提高，葉類蔬菜機械化收獲未來的研究應朝著低損傷高效收獲、有序收獲、帶蔸收獲、智能化收獲等方向努力。

4.1 低損傷高效收獲技術(shù)研究

機收蔬菜損傷難免，但應盡量優(yōu)化蔬菜收獲機械結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮機收高效的作用，在產(chǎn)品取材及設計上要求加大，以提高機器采收葉類蔬菜的品相，降低葉菜損傷率，以提高蔬菜的完整率和生產(chǎn)效率為目標，研究扶葉、仿形、柔性收獲技術(shù)、動力配置、整機及部件的設計，實現(xiàn)葉類蔬菜低損傷高效率機械收獲。

4.2 有序收獲技術(shù)與裝備研究

目前國內(nèi)外的非結(jié)球葉類蔬菜收獲機大多采用無序和半有序收獲的方式，無序收獲的蔬菜不僅品相不高、賣相不好，而且價格也相對較低。根據(jù)國內(nèi)消費者的購買習慣，大多數(shù)的非結(jié)球葉類蔬菜(如韭菜、小青菜、芹菜等)均需實現(xiàn)有序收獲，可利用柔性輸送導向機構(gòu)實現(xiàn)葉類蔬菜的側(cè)向有序堆放，使葉類蔬菜收集整齊不亂，降低勞動強度，提高經(jīng)濟效益。

4.3 葉類蔬菜帶蔸收獲技術(shù)與裝備研究

蔬菜帶根收獲有利于增產(chǎn)增收，提高蔬菜的品相，延長蔬菜的保存期及增加蔬菜的價值。對于菠菜、芹菜等需要帶根收獲的葉類蔬菜，技術(shù)難度大，要求割刀具有足夠的強度和硬度。蔬菜帶根收獲不同于國內(nèi)已有成熟機型的馬鈴薯、胡蘿卜等根莖類收獲，其物理力學特性相差甚遠，收獲方式也大不相同，無法套用，適應收獲我國較多種植、較普遍食用的葉類蔬菜(如芹菜、菠菜、香菜等)帶兜收獲技術(shù)與裝備需求迫切。