甜菜生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)與裝備研究進(jìn)展*＊

劉洋，楊善東，魏忠彩，邱田元，蓋金星，胡培杰

(1.山東理工大學(xué)，農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255091；2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，山東德州，253600)

0 引言

甜菜，屬二年生草本植物，具有耐寒、耐旱、耐鹽堿等特性，是世界上主要的糖料作物之一。除制糖外，甜菜還是制作化工和醫(yī)藥用品的重要原料，其榨糖后的殘?jiān)嗫捎糜谥谱鲝?fù)合飼料等農(nóng)副產(chǎn)品，具備較高的綜合利用價(jià)值[1]。

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和人民生活水平的迅速提高，國(guó)內(nèi)人均食糖消費(fèi)水平呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，在甘蔗生產(chǎn)資源受限的情況下[2]，推進(jìn)甜菜生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以滿足食糖市場(chǎng)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支持，前景廣闊。

然而，由于國(guó)內(nèi)甜菜種植產(chǎn)業(yè)化起步晚，發(fā)展進(jìn)程在國(guó)內(nèi)和國(guó)際食糖市場(chǎng)雙重因素影響下曲折緩慢[3]，限制了甜菜生產(chǎn)裝備的研發(fā)進(jìn)展，進(jìn)而致使甜菜生產(chǎn)農(nóng)藝與機(jī)械化的適應(yīng)與融合存在水平低、進(jìn)程慢、問(wèn)題多等情況，難以滿足生產(chǎn)與加工產(chǎn)業(yè)化需求。

隨著國(guó)內(nèi)甜菜種植面積的回升和穩(wěn)步增長(zhǎng)，不完備的機(jī)械化水平對(duì)甜菜生產(chǎn)的影響愈發(fā)明顯，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：(1)據(jù)統(tǒng)計(jì)，甜菜生產(chǎn)用工量約比玉米高47%～58%、比小麥高72%～82%、比大豆高91%～156%[4]，機(jī)械化生產(chǎn)能力的不足，造成國(guó)內(nèi)有限的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力與甜菜生產(chǎn)的高用工量之間的矛盾日益突出，致使甜菜生產(chǎn)效益在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力逐漸下降；(2)在相同收獲條件下，甜菜的機(jī)收損失率高出同為根莖類作物的馬鈴薯3%～14%，高出谷物4%～16%[5]，作為專用性最強(qiáng)甜菜生產(chǎn)機(jī)械，甜菜收獲裝備因研發(fā)與制造水平不足而造成的機(jī)收高損失率，嚴(yán)重影響了甜農(nóng)的生產(chǎn)收益。

雖然國(guó)內(nèi)也有企業(yè)、高校和研究院揚(yáng)對(duì)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行了引進(jìn)和學(xué)習(xí)，但在關(guān)鍵技術(shù)的消化吸收和自主創(chuàng)新進(jìn)程上仍顯疲軟，研制機(jī)型不能夠兼顧國(guó)外設(shè)備的先進(jìn)性和對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)情的適應(yīng)性，難以滿足國(guó)內(nèi)甜菜產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)對(duì)配套裝備的需求。

因此，研究和優(yōu)化適用于中國(guó)國(guó)情的甜菜生產(chǎn)裝備對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)甜菜生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展意義重大。為此，以甜菜各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的農(nóng)藝和機(jī)械化技術(shù)為切入點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外前沿甜菜生產(chǎn)裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理及存在問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)，期望對(duì)推進(jìn)國(guó)內(nèi)甜菜生產(chǎn)機(jī)械化進(jìn)程提供支持和幫助。

1 甜菜種植農(nóng)藝

甜菜是深根作物，土層深厚、疏松的壤土或沙壤土適宜其生長(zhǎng)，實(shí)行四年以上輪作，適宜的前茬作物為瓜果、豆類、麥類和綠肥作物等[6]。

甜菜的生產(chǎn)流程主要包括種床整備、種植、田間管理和收獲等環(huán)節(jié)，種植方式、種子質(zhì)量、土壤狀況、株行距、肥藥施用和收獲質(zhì)量等都是影響甜菜最終產(chǎn)量及含糖量的重要因素。

甜菜種植對(duì)種床整備的質(zhì)量要求較高，耕深要求在200 mm以上，條件允許可深至350 mm，宜秋耕，耕層土壤要求細(xì)碎平整、上虛下實(shí)，墑情要達(dá)到手捏成團(tuán)、扔地易散的標(biāo)準(zhǔn)[7]。石塊會(huì)造成甜菜塊根生長(zhǎng)畸形，應(yīng)盡量減少耕層內(nèi)石塊摻雜。

當(dāng)深5 cm的土溫連續(xù)5 d持續(xù)保持在5℃以上即可進(jìn)行甜菜播種作業(yè)[7]，甜菜種植一般控制行距45～50 cm，株距15～18 cm，播深2～5 cm，理論株量約為100 000～125 000株/hm2。播種要求株行距均勻、播深一致、無(wú)斷條漏播等[8]。精密直播和育苗移栽是甜菜種植最主要的兩種方式，種子丸?；夹g(shù)(如圖1)規(guī)范了甜菜種子的外部形態(tài)并增其粒重，使甜菜種植得以實(shí)現(xiàn)機(jī)械精密直播，避免了種子的浪費(fèi)和間苗作業(yè)對(duì)勞動(dòng)力的需求，并為后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供了機(jī)械作業(yè)的可行條件[9-10]；育苗移栽技術(shù)可延長(zhǎng)甜菜生長(zhǎng)期30～40 d，提高保苗率至95%以上，能有效解決茬口矛盾和積溫不足等問(wèn)題[11-12]。

圖1 丸粒化前后甜菜種子外形Fig.1 Seed shape of sugar beet before and after pelleting

中耕和施藥是甜菜田間管理的主要作業(yè)內(nèi)容。中耕作業(yè)包括松土、培土、除草和施肥等，可達(dá)到保持土壤疏松、促進(jìn)耕層營(yíng)養(yǎng)傳遞、消滅雜草及補(bǔ)充甜菜生長(zhǎng)期的營(yíng)養(yǎng)供給等目的。此外，中耕作業(yè)還是甜菜施行“蹲苗”管理的主要措施，通過(guò)抑制根系徒長(zhǎng)，能有效提高塊根的吸水吸肥能力，為甜菜高產(chǎn)打下基礎(chǔ)[8]。甜菜施藥應(yīng)避免施藥量過(guò)度或不足，在保證藥液高利用率并滿足作物對(duì)施藥量需求的同時(shí)，避免因施藥量過(guò)度而造成環(huán)境污染或農(nóng)產(chǎn)品藥物殘留等問(wèn)題。

甜菜收獲作業(yè)包括打纓切頂和收獲兩部分。當(dāng)?shù)販氐陀?℃時(shí)甜菜根莖不再生長(zhǎng)，糖分儲(chǔ)量的提升也趨于停滯，當(dāng)?shù)販氐陀?℃時(shí)，甜菜塊根儲(chǔ)藏的糖分將會(huì)隨消耗慢慢減少[13]。因此，適時(shí)收獲是保證甜菜產(chǎn)量和含糖量的重要因素。

2 甜菜種床整備與種植機(jī)械

2.1 甜菜種床整備機(jī)械

作為深根作物，甜菜對(duì)種床整備質(zhì)量要求較高，種床整備質(zhì)量的優(yōu)劣將對(duì)甜菜的出苗率、保苗率及后期長(zhǎng)勢(shì)等產(chǎn)生重要影響。國(guó)內(nèi)甜菜種床整備作業(yè)一般選用深松機(jī)、翻轉(zhuǎn)犁、動(dòng)力耙、旋耕機(jī)、圓盤(pán)耙等機(jī)具配合進(jìn)行。觸土部件性能的優(yōu)劣是影響耕整裝備作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，也是國(guó)內(nèi)外于種床整備機(jī)械研究?jī)?nèi)容中的重點(diǎn)部分，主要包括減阻降耗、耐磨延壽、減粘脫附等[14]，如通過(guò)模仿生物體輪廓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入土部件實(shí)現(xiàn)減粘脫附的效果；利用堆焊耐磨焊材、熱噴涂等處理技術(shù)在入土部件表面制造耐磨層；采用激光強(qiáng)化和高能離子注滲入土基材等方法改變基材的晶體結(jié)構(gòu)，以提高材料的耐磨特性等[15-16]。

近年來(lái)，聯(lián)合耕整地裝備(圖2)因可同時(shí)完成多項(xiàng)作業(yè)內(nèi)容，并具備作業(yè)效果好、效率高、成本低和益于土壤保護(hù)等優(yōu)勢(shì)在我國(guó)迅速普及。相對(duì)于多機(jī)具重復(fù)作業(yè)，聯(lián)合作業(yè)模式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展方面具備巨大潛能，然而在相關(guān)設(shè)備推廣時(shí)依然存在一些限制：(1)多單元同時(shí)作業(yè)加大了機(jī)具對(duì)動(dòng)力的需求，動(dòng)力配備問(wèn)題形成對(duì)中小型農(nóng)場(chǎng)的生產(chǎn)資本考驗(yàn)；(2)現(xiàn)有聯(lián)合作業(yè)裝備存在作業(yè)單元之間組合柔性不足的問(wèn)題，在掛接和搭載時(shí)往往具有強(qiáng)制性，難以根據(jù)種床整備的需求自由調(diào)整組合方式，降低了機(jī)具對(duì)不同地況及土壤特性的適應(yīng)能力，在實(shí)際應(yīng)用中常表現(xiàn)為無(wú)效作業(yè)和動(dòng)力浪費(fèi)等情況。因此，在減阻降耗和組合柔性等方面的突破應(yīng)作為推進(jìn)聯(lián)合耕整裝備發(fā)展的主要研究方向。

圖2 聯(lián)合整地機(jī)Fig.2 Combined soil preparation machine

2.2 甜菜種植機(jī)械

甜菜種植主要分為精密直播和育苗移栽兩種形式，種植設(shè)備的優(yōu)良性能可為甜菜后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)械作業(yè)打下良好基礎(chǔ)，也是提高甜農(nóng)最終生產(chǎn)收益的基礎(chǔ)保障。

2.2.1 甜菜精密播種機(jī)械

甜菜播種作業(yè)主要包括開(kāi)溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓、覆土等內(nèi)容，精密播種裝備是實(shí)現(xiàn)甜菜精密播種的主要手段(圖3)。高質(zhì)量的精密播種應(yīng)保證播量穩(wěn)定、株行距均勻和種植深度的一致等，以達(dá)到節(jié)約種子、避免間苗、保證植株間營(yíng)養(yǎng)均衡等目的[17]，并為后續(xù)的田間管理和收獲等環(huán)節(jié)的機(jī)械作業(yè)打下良好基礎(chǔ)。

圖3 甜菜精密播種機(jī)Fig.3 Beet precision seeder

精密播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的好壞由排種器、輸種管、覆土及鎮(zhèn)壓裝置共同決定，其中排種器的作業(yè)性能對(duì)整機(jī)作業(yè)質(zhì)量的影響最為關(guān)鍵。根據(jù)排種器的作業(yè)方式不同，甜菜播種機(jī)可分為機(jī)械式和氣力式兩類，其中機(jī)械式甜菜播種機(jī)因具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、制造成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。機(jī)械式排種器主要由主殼體、法蘭盤(pán)軸和排種盤(pán)組成(圖4)。

圖4 甜菜機(jī)械式排種器Fig.4 Beet mechanical metering device

主殼體負(fù)責(zé)進(jìn)種、存種和排種，法蘭盤(pán)軸負(fù)責(zé)傳動(dòng)，排種盤(pán)上均布取種槽孔，負(fù)責(zé)取種和排種。工作時(shí)，播種機(jī)將動(dòng)力傳遞給排種器傳動(dòng)鏈輪，由鏈輪帶動(dòng)法蘭盤(pán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，法蘭盤(pán)帶動(dòng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主殼體排種區(qū)內(nèi)的種子依靠種群壓力及自身重力充入排種盤(pán)槽孔內(nèi)，并隨其一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)種子轉(zhuǎn)動(dòng)到清種毛刷位置時(shí)，清種毛刷將多余種子刷掉，并使種子靠近排種盤(pán)外壁，避免種子在未進(jìn)入弧形擋片時(shí)提前掉落，造成缺種、漏種，當(dāng)種子隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)至排種口位置時(shí)，壓種輪將種子從護(hù)盤(pán)中壓出，完成排種過(guò)程。

此種方式對(duì)種子的外形尺寸要求嚴(yán)格，傷種率和漏播率高，以適應(yīng)高速作業(yè)，超過(guò)一定作業(yè)速度時(shí)，其漏播率和種子損傷率會(huì)急劇上升，限制了整機(jī)的作業(yè)效率。

氣力式播種機(jī)依靠正負(fù)壓氣流實(shí)現(xiàn)排種作業(yè)，其排種器根據(jù)對(duì)氣流的應(yīng)用方式可分為氣吸式、氣吹式和氣壓式三種，其中氣吸式排種器在國(guó)內(nèi)外專利的研發(fā)中占比最高，分別為87.9%和51.6%[18]。氣吸式排種器主要由主殼體、吸種盤(pán)、副殼體和中心軸組成，主殼體負(fù)責(zé)進(jìn)種、存種和排種，吸種盤(pán)上均布取種槽孔，與副殼體之間密封形成正、負(fù)壓區(qū)，中心軸負(fù)責(zé)傳動(dòng)。工作時(shí)，播種機(jī)將動(dòng)力傳遞給排種器傳動(dòng)鏈輪，由鏈輪帶動(dòng)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，中心軸帶動(dòng)吸種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)吸種盤(pán)上槽孔轉(zhuǎn)動(dòng)至負(fù)壓區(qū)時(shí)，主殼體排種區(qū)內(nèi)的種子在負(fù)氣壓作用下被吸附到吸種盤(pán)槽孔內(nèi)，并隨吸種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)種子轉(zhuǎn)動(dòng)到清種毛刷位置時(shí)，清種毛刷將多余種子刷掉以保證單粒，當(dāng)種子隨吸種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)至正壓區(qū)時(shí)，有正氣壓將種子從吸種盤(pán)中排出，完成排種過(guò)程[19]。

氣力式排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣室的密封性能要求高，作業(yè)的穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)力供應(yīng)系統(tǒng)的要求較高，整機(jī)的制造成本和作業(yè)能耗也較高[20]，但其對(duì)種子的幾何尺寸要求不再嚴(yán)格，傷種率和漏播率低，并可以滿足高速作業(yè)，在作業(yè)效率、可靠性、通用性等方面都優(yōu)于機(jī)械式排種，是國(guó)內(nèi)推進(jìn)甜菜精密播種裝備發(fā)展的重要方向。

甜菜種子丸粒后的規(guī)則外形使其具備了對(duì)排種器高度的適應(yīng)能力，也因此，國(guó)內(nèi)少有專用于甜菜種植的播種裝備，多與玉米、大豆、向日葵、油菜等農(nóng)作物共用，一般通過(guò)更換排種器吸種盤(pán)的方式來(lái)適應(yīng)其種子外形尺寸和株距對(duì)排種的需求。國(guó)外對(duì)甜菜專用播種裝備的研究已頗為成熟，市場(chǎng)流通較為廣泛的品牌及機(jī)型皆具備高效率、高精度及專用性強(qiáng)等特點(diǎn)(表1)。

表1 甜菜播種機(jī)Tab.1 Sugarbeet planter

甜菜精密播種裝備對(duì)施肥、施藥系統(tǒng)和保護(hù)性作業(yè)能力的搭載已屬其基礎(chǔ)配備，播種狀況監(jiān)測(cè)、覆土鎮(zhèn)壓力度的自動(dòng)調(diào)節(jié)、零速投種等方面的新技術(shù)在研究和實(shí)際應(yīng)用中也逐漸實(shí)現(xiàn)[27]。此外，新的排種方式如磁吸播種[28]、靜電播種、液體播種[29]等雖尚存弊端，但為排種技術(shù)研究思路的拓展提供了借鑒意義。

2.2.2 甜菜移栽機(jī)械

育苗移栽是甜菜的另一種植形式。根據(jù)送苗方式不同，甜菜移栽機(jī)分為半自動(dòng)移栽機(jī)和全自動(dòng)移栽機(jī)兩類。半自動(dòng)式移栽機(jī)由人工取苗并將種苗喂入送苗裝置，存在作業(yè)效率低、作業(yè)連續(xù)性差、用工量大的問(wèn)題，但目前在我國(guó)甜菜移栽作業(yè)中依然占有較大比例[30]；全自動(dòng)移栽機(jī)以自動(dòng)供苗裝置代替人工取苗和喂苗，可保證作業(yè)的連續(xù)性和高效率，解放了取喂苗作業(yè)環(huán)節(jié)中的勞動(dòng)力，提高了機(jī)械作業(yè)的生產(chǎn)效益，對(duì)甜菜生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展意義深遠(yuǎn)。

基于自動(dòng)供苗裝置對(duì)甜菜移栽機(jī)的重要性，國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)供苗裝置的研究較為豐富。包括取苗裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡和取苗姿態(tài)的研究[31]，通過(guò)對(duì)PLC、單片機(jī)等控制技術(shù)的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)種苗的精準(zhǔn)抓取、輸送和投放等。此外，為解決移栽作業(yè)中的漏栽問(wèn)題，文永雙等[32]設(shè)計(jì)缽苗檢測(cè)及漏苗補(bǔ)償系統(tǒng)，在利用傳感器判定苗盤(pán)缺苗的情況下，由PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)苗裝置進(jìn)行補(bǔ)苗，補(bǔ)苗系統(tǒng)識(shí)別成功率達(dá)到了98.15%，將移栽機(jī)漏栽率降低到2.31%，為提高移栽機(jī)的作業(yè)質(zhì)量提供了可行性解決方案。

育苗移栽技術(shù)雖然能在很大程度上提高甜菜的產(chǎn)量和含糖量，但在國(guó)內(nèi)推廣面積僅占甜菜總面積的12%，究其原因是復(fù)雜的農(nóng)藝要求和作業(yè)流程限制了此種農(nóng)藝技術(shù)發(fā)展，且甜菜種苗的物理狀態(tài)對(duì)機(jī)械化種植的約束性較強(qiáng)，使得移栽機(jī)作業(yè)效率和穩(wěn)定性方面很難滿足大田作業(yè)的種植需求。此外，與國(guó)外成熟的育苗、移栽產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)模式相比，國(guó)內(nèi)目前尚未形成標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)?；奶鸩擞绠a(chǎn)業(yè)，更沒(méi)有基于育苗設(shè)備和移栽裝備形成配套的設(shè)備體系，造成國(guó)內(nèi)區(qū)域種植模式各自為戰(zhàn)，以種植習(xí)慣為農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)的耕作意識(shí)依然盛行。

3 甜菜田間管理機(jī)械

國(guó)家十三五規(guī)劃“藥肥雙減”項(xiàng)目的實(shí)施，為國(guó)內(nèi)田間管理裝備的研究提供參考方向和政策支持。提高田間管理設(shè)備的精準(zhǔn)施藥、肥能力，確保藥、肥高利用率，避免藥、肥施用過(guò)量造成土壤、作物污染等，成為田間管理設(shè)備研發(fā)的主導(dǎo)思路。

3.1 甜菜中耕機(jī)械

甜菜機(jī)械中耕的普及代替了高強(qiáng)度的人工作業(yè)，同時(shí)緩解了化學(xué)除草對(duì)作物和土壤的污染，對(duì)推進(jìn)甜菜生產(chǎn)機(jī)械化進(jìn)程和提高甜菜生產(chǎn)質(zhì)量意義重大。甜菜的中耕作業(yè)包括松土、培土、除草、追肥等內(nèi)容，碎土程度、除草能力、傷苗率等是衡量中耕機(jī)械作業(yè)水準(zhǔn)的主要指標(biāo)。

甜菜的追肥作業(yè)一般與中耕同時(shí)進(jìn)行，施肥系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源主要有機(jī)械驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)等形式，其中機(jī)械驅(qū)動(dòng)利用轉(zhuǎn)輪觸地滾動(dòng)來(lái)提供動(dòng)力，通過(guò)更換鏈輪調(diào)整施肥量，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣。但這種驅(qū)動(dòng)方式作業(yè)穩(wěn)定性易受農(nóng)田地表狀況影響，難以達(dá)到精準(zhǔn)施肥的作業(yè)要求(圖5)。

圖5 甜菜中耕機(jī)Fig.5 Beet fertilizing field cultivator

提高機(jī)械精準(zhǔn)施肥作業(yè)能力是保證肥料高利用率、避免肥料浪費(fèi)及污染土壤的有效措施。國(guó)內(nèi)對(duì)精準(zhǔn)施肥的研究：如以穴施代替溝施，通過(guò)物理方法測(cè)得植株位置，后由施肥裝置對(duì)單植株進(jìn)行施肥，存在一定的傷苗率和擬合度偏差[33]；采用機(jī)器視覺(jué)方法，根據(jù)作物長(zhǎng)勢(shì)判斷肥料需求，控制排肥裝置精準(zhǔn)施肥；利用遙感技術(shù)獲取農(nóng)田作物長(zhǎng)勢(shì)信息，判斷區(qū)塊肥量需求，控制施肥裝備據(jù)此進(jìn)行區(qū)塊精準(zhǔn)施肥等。

3.2 甜菜施藥機(jī)械

甜菜對(duì)施藥機(jī)械的適用性較強(qiáng)，常規(guī)施藥裝備大都能滿足其施藥需求(圖6)。因此，體現(xiàn)在甜菜施藥機(jī)械方面的問(wèn)題也是國(guó)內(nèi)常規(guī)施藥機(jī)械的共通性問(wèn)題，主要有兩點(diǎn)：(1)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的施藥方式依然多采用均勻施藥法，施藥量利用手動(dòng)調(diào)壓閥控制，自動(dòng)化程度低，難以滿足精準(zhǔn)施藥的要求；(2)高效率的追求使大寬幅成為施藥設(shè)備的“標(biāo)配”，但大的作業(yè)寬幅也對(duì)機(jī)具作業(yè)的穩(wěn)定性帶來(lái)了不利的影響，對(duì)地面起伏和顛簸的應(yīng)對(duì)能力較差，難以保持噴頭和植株冠層之間最佳施藥距離，易出現(xiàn)施藥不均和霧滴漂移的情況。上述問(wèn)題皆影響著施藥機(jī)械的精準(zhǔn)施藥作業(yè)水平。

圖6 牽引打藥機(jī)Fig.6 Trailed sprayer

國(guó)內(nèi)對(duì)噴藥設(shè)備的研究也主要集中在從各個(gè)角度促進(jìn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)作業(yè)能力上。王相友等[34]設(shè)計(jì)了一種回流式變量噴藥控制系統(tǒng)，可根據(jù)機(jī)具的行駛速度智能調(diào)節(jié)水路系統(tǒng)回流口的開(kāi)口度以達(dá)到變量施藥的目的，將設(shè)定噴藥量和實(shí)際噴藥量之間相對(duì)誤差控制在了6%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了較高控制精度的實(shí)時(shí)變量施藥；徐艷蕾等[35]設(shè)計(jì)了一種基于多噴頭組合的變量噴藥系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)采集雜草信息并確定區(qū)域施藥量，根據(jù)區(qū)域施藥量需求控制噴頭搭載的電磁閥達(dá)到變量施藥的目的，在試驗(yàn)中將實(shí)際施藥量與理論值誤差控制在了10%以內(nèi)。也有學(xué)者應(yīng)用超聲波傳感器實(shí)測(cè)機(jī)具作業(yè)時(shí)兩側(cè)噴桿的對(duì)地或?qū)诰嚯x，通過(guò)對(duì)比設(shè)定的作業(yè)高度值，控制油缸實(shí)時(shí)調(diào)整噴桿高度和平衡，使機(jī)具保持穩(wěn)定的作業(yè)狀態(tài)[36]。

總體來(lái)看，為提高噴藥設(shè)備的精準(zhǔn)作業(yè)水平，國(guó)內(nèi)學(xué)者在噴藥機(jī)的智能控制和作業(yè)穩(wěn)定性等方面做了較多研究，對(duì)如智能控制、機(jī)器視覺(jué)、傳感器等技術(shù)也進(jìn)行了比較廣泛的應(yīng)用并取得了一定成果。但從研究成果到實(shí)際產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化的進(jìn)程依然緩慢，應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中的精準(zhǔn)、智能施藥技術(shù)并不多見(jiàn)，農(nóng)藥利用率低、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)及環(huán)境污染等依然是制約國(guó)內(nèi)施藥機(jī)械發(fā)展的主要問(wèn)題。

4 甜菜收獲機(jī)械

甜菜收獲作業(yè)包括打纓切頂和收獲兩個(gè)環(huán)節(jié)。作業(yè)方式分為一段式、二段式和三段式三種。一段式收獲作業(yè)使用自走式聯(lián)合收獲機(jī)或牽引聯(lián)合式收獲機(jī)配備前置打纓機(jī)進(jìn)行；二段式收獲作業(yè)使用打纓機(jī)和牽引式聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行；三段式收獲作業(yè)使用打纓機(jī)、懸掛式收獲機(jī)配合塊根撿拾機(jī)或人工撿拾的方式進(jìn)行。

4.1 甜菜打纓機(jī)

甜菜打纓機(jī)分為前置和懸掛兩種形式，前置式一般用于一段收獲，懸掛式用于二、三段收獲。打纓作業(yè)內(nèi)容包括打纓和削頂兩部分，作業(yè)質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到甜菜的產(chǎn)量和后續(xù)收獲作業(yè)的質(zhì)量，是甜菜生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要組成部分。

受種床條件、種子品質(zhì)、種植質(zhì)量及后天管理等因素的影響，同一地塊甜菜生長(zhǎng)的大小和青頂高度往往都存在一定的差別，對(duì)打纓機(jī)具的作業(yè)效果影響明顯，易因此出現(xiàn)打纓量過(guò)度或不足、多切、少切、漏切等情況[5]，嚴(yán)重影響著甜農(nóng)的生產(chǎn)收益。因此，研發(fā)性能可靠的甜菜打纓機(jī)對(duì)提高甜菜生產(chǎn)效益意義重大。

國(guó)內(nèi)對(duì)甜菜打纓機(jī)的研究主要集中在甜菜物理特性、打纓方式和仿形削頂?shù)确矫?。如通過(guò)獲取收獲期甜菜塊根的物理狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)分析影響甜菜打纓質(zhì)量的客觀因素；研究刀軸的排列順序和打纓刀片的安裝排布對(duì)打纓效果影響；通過(guò)設(shè)計(jì)性能可靠的仿形裝置來(lái)降低甜菜削頂作業(yè)造成的產(chǎn)量損失等[37-38]。

總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)于甜菜打纓裝備的研究較為成熟，在研究成果轉(zhuǎn)化方面也取得了一定成績(jī)。圖7為一款4JT-360B型牽引式甜菜打纓機(jī)，通過(guò)對(duì)鋼制打纓刀片和橡膠清纓刀片在作業(yè)方向和安裝排布上進(jìn)行合理分配，使得打纓機(jī)獲得良好的打纓及清纓效果；此外，該機(jī)型搭載了平行四桿仿形削頂機(jī)構(gòu)，配合切刀滑切削頂作業(yè)，在滿足甜菜切頂要求同時(shí)大幅降低了甜菜的切削損失率，大田作業(yè)質(zhì)量和穩(wěn)定性都達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖7 牽引式甜菜打纓機(jī)Fig.7 Trailed beet tasseling machine

4.2 甜菜收獲機(jī)

甜菜的收獲裝備分為懸掛式、牽引式、自走式三種類型。懸掛式甜菜收獲機(jī)用于三段式收獲作業(yè)；牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)用于二段式收獲作業(yè)或配備懸掛式打纓機(jī)用于一段式收獲作業(yè)；自走式甜菜收獲機(jī)用于一段式收獲作業(yè)。

4.2.1 懸掛式甜菜收獲機(jī)

懸掛式甜菜收獲機(jī)主要由挖掘裝置、清選輸送裝置、集條裝置等組成(圖8)，可實(shí)現(xiàn)塊根挖掘、清選輸送和集條鋪放等，鋪放至地面的塊根由人工或機(jī)械撿拾。

圖8 懸掛式甜菜收獲機(jī)Fig.8 Mounted sugar beet harvester

懸掛式甜菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)靈活、制造成本低，適用于小規(guī)模作業(yè)；其收獲后的甜菜塊根鋪放田間，需要人工或撿拾機(jī)撿取，機(jī)械化程度低、用工量大、作業(yè)時(shí)耗長(zhǎng)，且易造成塊根埋藏和漏撿，難以滿足我國(guó)甜菜產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、集約化的需求，在甜菜收獲設(shè)備的市場(chǎng)占有率較低。

4.2.2 牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)

牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)是甜菜打纓后的聯(lián)合收獲裝備(圖9)，配合等行前置式甜菜打纓機(jī)可完成甜菜一段式收獲作業(yè)。牽引式甜菜收獲機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、挖掘單元、清選輸送單元、提升單元和存儲(chǔ)裝車(chē)系統(tǒng)等組成，作業(yè)內(nèi)容包括塊根挖掘、清潔輸送、提升存儲(chǔ)、卸料裝車(chē)等，其中挖掘單元是影響甜菜收獲質(zhì)量的關(guān)鍵部件。

圖9 牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)Fig.9 Trailed sugar beet joint tasseling machine

甜菜收獲機(jī)的挖掘單元主要分為輪式和鏟式。輪式挖掘器，如圖10揚(yáng)示。

圖10 輪式挖掘單元Fig.10 Wheeled digging unit

由兩片呈“倒八字”狀排布的起拔輪組成，作業(yè)時(shí)起拔輪陷入土層一定深度，隨機(jī)具前進(jìn)被動(dòng)滾動(dòng)，對(duì)挖掘空間內(nèi)包裹甜菜塊根的土垡產(chǎn)生擠壓、松碎和向后上方的拔取力，將甜菜塊根與土壤分離、夾持并延圓盤(pán)運(yùn)動(dòng)軌跡向后拋送，在撥送器的輔助下將塊根送入清選輸送單元，完成拔取作業(yè)。

相比鏟式挖掘器將土垡及塊根整體挖掘的作業(yè)方式，輪式挖掘器有效的降低整機(jī)的作業(yè)阻力和功耗，拔取后的塊根夾帶土雜少，減輕了清選輸送系統(tǒng)的作業(yè)壓力，在各類型甜菜收獲裝備中應(yīng)用廣泛。甜菜塊根由挖掘裝置挖掘后，在撥送器的協(xié)助下進(jìn)入清選輸送單元，由清選輸送單元將甜菜塊根黏附的泥土及夾帶的菜纓、雜草、石塊等篩除并輸送至提升單元；提升單元將甜菜塊根提升至儲(chǔ)存裝車(chē)系統(tǒng)，由儲(chǔ)存輸送帶送入儲(chǔ)料箱或由裝車(chē)輸送帶直接裝車(chē)，完成輸送清潔、提升和裝車(chē)作業(yè)。

高損失率是現(xiàn)今制約甜菜聯(lián)合收獲裝備發(fā)展的主要問(wèn)題。在眾多影響因素中，挖掘單元的作業(yè)性能是影響甜菜機(jī)收損失的關(guān)鍵，而體現(xiàn)在挖掘單元的對(duì)行偏差問(wèn)題是影響機(jī)收損失的重中之重。

胡志超、王申瑩、吳惠昌等[39-41]一直致力于對(duì)甜菜挖掘器自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)的研發(fā)與優(yōu)化，分別設(shè)計(jì)了自動(dòng)對(duì)行探測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)對(duì)行液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)和搭載于牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)，其中聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)以塊根漏挖率、折斷率、損傷率和系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間等為性能指標(biāo)，最終分析結(jié)果表明了當(dāng)復(fù)位彈簧預(yù)緊力在198 N時(shí)漏挖率和破損率達(dá)到最低值，分別為2.34%和3.77%，當(dāng)液壓流量q=25 L/min時(shí)，破損率和反應(yīng)時(shí)間最小，分別為3.77%、0.47 s，并明確了機(jī)具前進(jìn)速度和偏移距離等對(duì)個(gè)別性能指標(biāo)的影響規(guī)律。

王方艷等[42-44]通過(guò)分析收獲期甜菜的物理特征和田間分布規(guī)律，從而確定塊根質(zhì)量、最大截面尺寸和長(zhǎng)度為影響起拔力的主要因素，針對(duì)收獲過(guò)程易壅堵的問(wèn)題，以粘土率、折斷率和損傷率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了當(dāng)挖掘器張角為15°、偏轉(zhuǎn)角為30°、挖掘深度為120 mm時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最佳狀態(tài)；針對(duì)對(duì)行偏差問(wèn)題，研制了挖掘器自動(dòng)導(dǎo)向裝置并確定了其較優(yōu)參數(shù)組合。

劉百順等通過(guò)對(duì)甜菜進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測(cè)定了壓縮力、壓縮速度和壓縮時(shí)間對(duì)甜菜變形位移之間的影響關(guān)系；張洪宇等[45]通過(guò)分析甜菜拔送和清選裝置在協(xié)同作業(yè)過(guò)程種對(duì)甜菜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，確定了當(dāng)拔送器轉(zhuǎn)速為190 r/min、輸送鏈線速度為1.6 m/s、輸送鏈地面水平傾角為10°時(shí)，甜菜損傷率為2.6%，優(yōu)于國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在整機(jī)研究方面，胡志超等[46]牽頭研制4LT-A型牽引式甜菜錯(cuò)行聯(lián)合收獲機(jī)，是近年來(lái)較為成熟的甜菜收獲裝備，此機(jī)型雙行作業(yè)，一次可完成打纓、切頂、挖掘、輸送、清選、裝卸等作業(yè)內(nèi)容，純生產(chǎn)效率達(dá)到0.3 hm2/h，并將塊根含雜率控制在2%以下，塊根綜合損失率控制在4%以下，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)均達(dá)到了國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)相比自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)在自動(dòng)化程度、作業(yè)效率、機(jī)動(dòng)性等方面存在較大差距，但從國(guó)內(nèi)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)水平、制造水平、生產(chǎn)需求等方面來(lái)看，牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)在國(guó)內(nèi)擁有更廣闊的發(fā)展空間，也是國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化向更高層次發(fā)展的必經(jīng)之路。

4.2.3 自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)

自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)用于一段式甜菜收獲作業(yè)，是由大功率底盤(pán)搭載打纓切頂、挖掘輸送、存儲(chǔ)裝卸等機(jī)構(gòu)構(gòu)成的聯(lián)合作業(yè)裝備，具備作業(yè)效率高、機(jī)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小、操作方便、視野廣闊等優(yōu)點(diǎn)；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力部分利用率較低，制造及維護(hù)成本高昂，主要適用于大型甜菜種植農(nóng)場(chǎng)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的研發(fā)尚未有突出成果，需求主要依賴進(jìn)口；國(guó)外對(duì)自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的研究起步早，發(fā)展快，研制機(jī)型先進(jìn)且高效[47]，隨著社會(huì)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步，甜菜自走式收獲裝備在滿足作業(yè)效率、清潔性能、收獲減損等方面追求的同時(shí)，已逐漸注重于向駕駛?cè)诵曰屯寥辣Ｗo(hù)性作業(yè)等方面的拓展。

表2為目前市面上主要存在的自走式甜菜收獲機(jī)的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)的對(duì)比內(nèi)容。

表2 自走式甜菜收獲機(jī)Tab.2 Self-propelled sugar beet harvester

5 結(jié)論與建議

本文通過(guò)對(duì)甜菜生產(chǎn)耕、種、管、收各環(huán)節(jié)農(nóng)藝及機(jī)械化技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)的分析和總結(jié)，展望如下：(1)對(duì)于甜菜種床整備，聯(lián)合作業(yè)模式的普及已成必然之勢(shì)，如何提高聯(lián)合耕整地機(jī)械的作業(yè)質(zhì)量，并在節(jié)能降耗、設(shè)備組合柔性、不同作物農(nóng)藝需求的適應(yīng)性等方面做出突破是今后應(yīng)該考慮的重點(diǎn)。(2)對(duì)于甜菜種植，首先，機(jī)械式播種設(shè)備的研究應(yīng)在提高排種效率和保證播種質(zhì)量之間尋找平衡點(diǎn)，尋求打破機(jī)械排種效率與質(zhì)量之間壁壘的排種方式、方法尤為重要；其次，氣力式播種設(shè)備的研究重點(diǎn)應(yīng)放在提高優(yōu)化排種器密閉性能和氣力供應(yīng)源的穩(wěn)定性能等方面；最后，加強(qiáng)育苗-移栽產(chǎn)業(yè)一體化種植模式的構(gòu)建力度是推廣育苗移栽種植的重要途徑。(3)對(duì)于甜菜田間管理，應(yīng)以解決現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)藥、肥均勻施用模式對(duì)土壤環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品安全造成的不利影響為出發(fā)點(diǎn)，將提高藥、肥施用機(jī)械的精準(zhǔn)作業(yè)能力作為植保機(jī)械重點(diǎn)研究方向。(4)對(duì)于甜菜收獲，適用于現(xiàn)代化生產(chǎn)模式的聯(lián)合作業(yè)裝備研發(fā)能力不足和關(guān)鍵部件的科研性成果向?qū)嵱眯猿晒D(zhuǎn)化進(jìn)程緩慢是限制國(guó)內(nèi)甜菜收獲裝備發(fā)展的主要因素，以?！舐?lián)合研究、研發(fā)的形式為主導(dǎo)，推進(jìn)甜菜聯(lián)合收獲裝備整體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件優(yōu)化的進(jìn)程，開(kāi)拓新技術(shù)的搭載空間并降低新技術(shù)的搭載局限性，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、學(xué)習(xí)和吸收力度，或?qū)⑹墙鉀Q國(guó)內(nèi)甜菜收獲裝備發(fā)展難題的關(guān)鍵。