起壟機械研究現(xiàn)狀及其在丘陵山區(qū)煙葉生產(chǎn)中的應用

吳長兵 李再軍 張富貴 王丹林 戴洪鋒 袁 奎

（1中國煙草總公司貴州省公司，貴州貴陽 550004；2貴州大學機械工程學院，貴州貴陽 550025；3貴州省煙草公司黔南州公司，貴州都勻 558000）

據(jù)統(tǒng)計，我國設施栽培面積逾250萬hm2，其中壟作栽培面積占總面積的80%以上[1]。隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，人口老齡化和農(nóng)村勞動力流失問題日益突出，依靠傳統(tǒng)人工作業(yè)實現(xiàn)壟作農(nóng)作物的種植，不僅勞動成本高、效率低，而且還不能滿足標準化作業(yè)需求。近年來，以起壟機械為代表的農(nóng)業(yè)機械廣泛應用于多種農(nóng)作物耕作中，特別是應用于烤煙種植中。減少起壟用工、實現(xiàn)標準化作業(yè)，是起壟機械推廣應用的最終目的。

我國烤煙的生產(chǎn)量位居世界第一，其中云南和貴州烤煙種植分布尤為廣泛。以貴州省為例，據(jù)貴州省統(tǒng)計局最新發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，貴州省2019年度煙葉種植面積為13.898萬hm2，其中烤煙種植面積為12.998萬hm2，占煙葉種植面積的93.52%，烤煙的總產(chǎn)量為21.58萬t[2]。傳統(tǒng)的煙葉種植主要靠人工勞動力完成整地、起壟，不僅勞動強度大、效率低，還不能保證煙田的作業(yè)質(zhì)量。由此可見，在烤煙的種植中，對起壟機械設備的需求巨大。與傳統(tǒng)的人力、畜力作業(yè)相比，起壟機械化作業(yè)不僅可以減少對人力、畜力的依賴，還可以明顯提高作物產(chǎn)量、生產(chǎn)效率以及土地利用率。

本文結(jié)合起壟機械使用及發(fā)展現(xiàn)狀，分析起壟機械類型，對煙葉生產(chǎn)中起壟機械應用現(xiàn)狀進行歸納，并指出起壟機械研發(fā)及使用中存在的主要問題，以期為新型起壟機械的創(chuàng)新設計提供參考。

1 起壟機械研究現(xiàn)狀

我國起壟機械研究起步較晚，初期主要是引進國外的技術，其中以引進韓國及日本的起壟機械居多。但是經(jīng)過不斷的技術摸索和理論積累，在20世紀70年代，我國開始研制以小型機具為代表的農(nóng)用機械；到20世紀90年代，在農(nóng)機購置補貼政策的支持及國家大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大背景下，國內(nèi)起壟機械的發(fā)展非常迅速，傳統(tǒng)的人工起壟方式逐步被機械化起壟方式所替代[3]。目前，國內(nèi)的起壟機械主要有3種類型：整形式起壟機、開溝式起壟機及圓盤式起壟機。不同類型起壟機械對比如表1所示。

表1 不同類型起壟機比較分析

1.1 整形式起壟機

整形式起壟機是我國蔬菜壟作種植中應用最為廣泛的農(nóng)用機械，較開溝式、圓盤式起壟機而言，其結(jié)構是最為復雜的[4]。整形式起壟機一般由壟體成形部件和旋耕刀片組成，起壟旋耕刀片在刀軸兩側(cè)呈對稱分布，工作時兩側(cè)的旋耕刀片轉(zhuǎn)動，將土壤逐步向中間堆積，初步形成壟溝[5]。雖然整形式起壟機的使用大幅提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量、減輕了勞動強度，但在實際的農(nóng)作過程中，會有機器振動過大、旋耕深度不夠及壟體質(zhì)量參差不齊等現(xiàn)象發(fā)生。因此，如何根據(jù)耕植農(nóng)作物品種設計成形部件和旋耕刀片成為整形式起壟機研制的難點。

孫繼東[6]針對遼西傳統(tǒng)的玉米種植起壟機在起壟過程中存在土壤團粒較大、壟體不規(guī)整等問題，研制了1SGQ-100型整形式起壟機。該機型旋耕刀片呈圓弧形，左右對稱布置，工作時由旋耕刀片起壟；起壟刀軸的中間布置碎土刀片，碎土刀片的安裝采用螺旋輸送器的形式，既可以使土壤團粒變細又可以輔助將土壤輸送到中部；為了達到玉米的種植要求，在機架的尾部安裝有截面呈梯形的壟體修整部件，使得到的壟體勻整。

陳宇[7]針對整形式起壟機在甘薯種植過程中因壟距小形成的壟體不能達到農(nóng)藝要求的壟高和壟形等問題，設計了一款適用于福建省甘薯種植的小型整形式起壟機（圖1）。該機器主要由旋耕刀、起壟刀、刮壟器和限深輪組成。福建丘陵山區(qū)土壤黏性大、含水率高，要滿足甘薯的種植條件，起壟機械的旋耕刀、起壟刀的設計和布置尤為重要。該起壟機的起壟刀和旋耕刀交叉布置，兩者在軸向上錯開40～50 mm，圓周上滯后60°，以達到碎土的目的。刮壟器的設置可以進一步壓實壟畦，同時限深輪可以控制耕深。

孫步功等[8]針對干旱半干旱地區(qū)全膜雙壟溝種植因翻地次數(shù)過多造成肥料和農(nóng)藥浪費嚴重等問題，對全膜雙壟溝整形式起壟覆膜機進行改進，得到一種集翻地、起壟、施肥、噴藥和覆膜于一體的多功能起壟覆膜機（圖2～圖4）。該機械的起壟刀和旋耕刀分別焊接在起壟軸、旋耕軸上，為了更好地達到碎土效果，旋耕刀與軸的焊接角度為90°，起壟刀與軸的焊接偏角為20°。這樣不僅能更好地滿足旋土高度和旋土量要求，還減少了旋耕面積，達到了減少翻地次數(shù)的目的。

1.2 開溝式起壟機

我國對于開溝式起壟機的研制相對較早，從20世紀60年代開始陸續(xù)有開溝式起壟機應用于實際生產(chǎn)中。開溝式起壟機一般由開溝鏵式犁、機架組成，結(jié)構簡單、操作方便。但是，在板土上開溝起壟時，得到的壟體不僅土塊大，而且壟體形狀不規(guī)整。因此，如何使壟體規(guī)整，提高起壟效果是開溝式起壟機發(fā)展的關鍵。

馬德鋒[9]針對甘肅省果蔬開溝起壟作業(yè)要求，設計了一款1K-30×50型可調(diào)式開溝起壟機（圖5）。該機械主要由限深輪、壟面整形板、開溝起壟鏟、三點懸掛架、犁鏟臂組成。機器在拖拉機的牽引作用下作業(yè)，開溝起壟鏟完成土壤的翻覆，形成壟體，可以通過調(diào)節(jié)懸掛架的斜拉桿或起壟鏟的高度來實現(xiàn)開溝深度的變化；壟面整形板的作用主要是使壟面規(guī)整，同時壟面的高低也可通過壟面整形板進行調(diào)整；限深輪主要起著開溝限深和支撐機具的作用。

張青松等[10]針對長江中下游油菜播種農(nóng)藝要求，研制了一種符合油菜壟作種植的直播機開壟溝系統(tǒng)（圖6）。該直播機開壟溝系統(tǒng)主要由開壟溝系統(tǒng)前犁、前犁調(diào)節(jié)裝置、開壟溝系統(tǒng)后犁和后犁調(diào)節(jié)裝置組成，前犁間距和后犁間距均為1 800 mm。前犁主要用來開溝起壟，所受的阻力大，犁面為扭柱形；后犁主要用來清理溝土和壟體整形，不需要特別強的開溝功能，犁面為圓柱形。為了得到不同的壟形、壟距，前犁和后犁可以上下調(diào)整、左右旋轉(zhuǎn)。

針對南方油菜田土壤黏性大、含水率高，利用傳統(tǒng)開溝起壟機起壟形成的壟體易垮塌、壟溝容易積水，影響油菜生長等一系列問題，包攀峰等[11]研制了一款符合南方黏性土種植油菜的犁旋組合式油菜播種開溝起壟裝置（圖7）。該裝置主要由旋犁式起壟機構、壟面整理部件、傳動部件和機架組成。工作時，小前犁完成破土翻土，旋耕彎刀完成壟體碎土；推土板、切土直刀和矩形成形體一起完成對壟體的切分，使壟體截面呈規(guī)整的矩形；最后由壟面整理部件完成對壟體的壓實，使其不易垮塌。

1.3 圓盤式起壟機

我國對于圓盤式起壟機的研究較開溝式起壟機晚，初期主要是引進國外的技術[12]。圓盤式起壟機主要用于以小壟單行或大壟雙行種植為主的農(nóng)作物種植時開溝起壟，具有工作效率高、牽引阻力小等優(yōu)點。在農(nóng)作耕植時，可以根據(jù)種植農(nóng)作物所需的壟體大小，選擇合適的圓形壟盤和壟盤之間的夾角。不過在遇到惡劣的耕地環(huán)境時，圓盤開溝的阻力比較大，沒有開溝和旋耕起壟機耕作的效果好。

黃世醒等[13]針對甘蔗中耕環(huán)節(jié)培土質(zhì)量不佳而影響甘蔗后期生長及不利于機械化收割等問題，設計了一種圓盤式甘蔗中耕施肥培土機。該施肥培土機主要由肥料箱、骨架總成、傳動裝置及開溝裝置組成。其中，圓盤耙由8個耙片組成，工作時耙片在土壤的接觸阻力和機構牽引力的共同作用下完成對雜草的旋切及對土壤的翻轉(zhuǎn)。同時，為了更好地控制圓盤耙的碎土能力和切入土壤的深度，在圓盤耙上方設置有調(diào)節(jié)螺栓，通過調(diào)節(jié)螺栓可以改變圓盤耙的傾角、仰角，從而實現(xiàn)對圓盤耙的控制。試驗得出，該機械平均耕深為19.6 cm，碎土程度為88.5%，并且碎土穩(wěn)定性好。

衣淑娟等[14]針對東北地區(qū)馬鈴薯中耕機械作業(yè)效果不佳、機器容易傷苗等問題，設計了一種滿足馬鈴薯作業(yè)標準的圓盤式中耕機（圖8、圖9）。該機械主要由限深輪、“S”形振動彈齒、培土圓盤、液壓折疊機構和圓盤高度調(diào)節(jié)部件組成，工作時，“S”形振動彈齒會起到對土壤的破碎和松土作用，然后培土圓盤完成對土壤的培覆，完成起壟。該機械可以根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境，通過液壓折疊裝置決定培土圓盤的收放，同時通過調(diào)節(jié)圓盤高度調(diào)節(jié)部件改變起壟的高度。通過試驗得出，該機械耕深0.13 m、調(diào)節(jié)角為52°時傷苗率為3.9%，滿足馬鈴薯中耕的農(nóng)藝要求。

2 煙葉生產(chǎn)中起壟機械應用現(xiàn)狀

煙葉是中高檔煙的主要原材料，是我國重要的經(jīng)濟作物，對于提高農(nóng)民收入具有重要意義。機械化種植煙葉對實現(xiàn)“增效，降本，減工”有積極作用，煙葉種植機械化是煙葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵，同時也是我國廣大煙民的迫切需求[15]。我國煙葉種植起壟機械的研發(fā)基礎薄弱，目前仍然處于起步階段。近年來，國內(nèi)許多科研人員廣泛開展煙田起壟機械的設計工作，效果明顯，陸續(xù)有各類型起壟機械用于實際生產(chǎn)，在一定程度上緩解了煙葉種植過程中機械落后、老化的問題。

根據(jù)煙葉生產(chǎn)起壟環(huán)節(jié)作業(yè)標準（表2），常見的煙葉種植起壟機以整形式和開溝式居多，圓盤式在煙田中的應用很少。因此，本文主要介紹整形式和開溝式起壟機械在煙葉生產(chǎn)中的應用現(xiàn)狀。

表2 煙葉生產(chǎn)起壟環(huán)節(jié)作業(yè)標準

2.1 整形式起壟機在煙葉生產(chǎn)中的應用

在煙葉生產(chǎn)中應用的整形式起壟機以福建永順和江蘇久泰2家公司生產(chǎn)的起壟機為典型代表。福建永順公司研制的YS-1QF1Z型自走式起壟施肥機（圖10），其主要性能參數(shù)如表3所示。該起壟施肥機主要由行走輪、起壟板、起壟刀、限深裝置、肥料箱、單缸發(fā)動機等部件組成，完成旋耕起壟和單行連續(xù)條施肥（或間隔穴施肥）。經(jīng)田間試驗得出：起壟階段，形成的壟高為30.8 cm，壟高合格率為100%；施肥階段，最大條播施肥量為75.3 g/m，最大穴播施肥量為53.2 g/穴，最小條播施肥量為6.7 g/m，最小穴播施肥量為13.0 g/穴，幾項指標均達到煙田生產(chǎn)起壟施肥的要求。

表3 YS-1QF1Z型自走式起壟施肥機主要性能參數(shù)

江蘇久泰公司研制的JT10-A型起壟覆膜機（圖11、圖12），主要由耕犁裝置、傳動裝置、施肥裝置和覆土裝置等4個部分組成，可以實現(xiàn)開溝起壟、施肥及土壤覆膜一體化，其主要性能參數(shù)如表4所示。耕犁裝置通過調(diào)節(jié)螺桿與通用連接頭連接，可調(diào)節(jié)犁頭高度，達到施肥深度可調(diào)的效果，保證不同地質(zhì)、不同地形都可以完成施肥作業(yè)。傳動裝置有鏈傳動部分和齒輪傳動部分，其中施肥機無獨立動力裝置，依靠車輪軸的牽引完成作業(yè)。施肥裝置有2個獨立料斗，可施不同的肥料，同時可以調(diào)節(jié)相應的擋板控制施肥量。覆土裝置由2個覆土輪組成，調(diào)節(jié)覆土輪高度及角度可以調(diào)節(jié)肥料覆土高度。該機器結(jié)構簡單、維護方便，形成的壟體均勻飽滿、采光面大，同時覆膜嚴實，膜緊貼壟面。

表4 JT10-A型起壟覆膜機主要性能參數(shù)

此外，國內(nèi)學者對于煙田整形式起壟機也開展了相應的研究。高鳳[16]針對江西省煙地的作業(yè)環(huán)境，為防止南方黏性土壤堵塞旋耕刀片，將刀軸上的旋耕刀片設計成雙螺旋變螺距結(jié)構。由于土壤從兩端向中間輸送速度是變化的，單螺旋等距排列的旋耕刀片需滿足土壤輸送速度的最大要求才能保證刀片不會堵塞，減少起壟機不必要的能耗?；诖?，作者將旋耕刀片由單螺旋等螺距改為雙螺旋變螺距，不僅能很好地解決土壤堵塞問題，同時也節(jié)約了能耗。林北森等[17]針對煙田旋耕起壟過程中土塊大、壟體面上碎土多等問題，設計了一種適用于煙田耕植的整形式起壟機。該機械主要由耕深調(diào)節(jié)機構、壟溝寬度調(diào)節(jié)機構和旋耕起壟機構組成，通過對耕深、壟溝寬度的調(diào)節(jié)，可以很好地控制壟體的成形質(zhì)量，同時還可以提高起壟機的適應性。李國昌等[18]針對貴州山區(qū)烤煙田間作業(yè)實際情況，設計了一種可同時完成起壟、施肥的整形式起壟機。為了提高作業(yè)效率且滿足不同煙葉種植農(nóng)藝要求，該機械起壟部件在壟高、壟寬、壟面形狀等參數(shù)上均可進行調(diào)節(jié)。由田間試驗得出，該機械起壟形成的壟高、壟寬、壟面形狀的穩(wěn)定系數(shù)都在95%以上，較好地滿足了種植農(nóng)藝要求。

2.2 開溝式起壟機在煙葉生產(chǎn)中的應用

在煙葉生產(chǎn)上，應用的開溝式起壟機以耀虎牌微耕機（重慶耀虎動力機械有限公司）為代表（圖13）。該手扶式起壟機主要由單缸發(fā)動機、螺旋培土部分和起壟部分組成。該機器工作時螺旋培土部分的螺旋培土刀旋轉(zhuǎn)，將土壤向中部輸送，起著松土和送土的作用，起壟機構由2個“V”形壁面所形成的起壟犁組成，主要完成壟體壁面的形成與規(guī)整。

貴州山區(qū)烤煙開溝起壟機開溝部件結(jié)構為單一的開溝板或開土板，所形成的溝槽質(zhì)量差、不平整，且需要手扶起壟機來回至少作業(yè)兩趟，作業(yè)效率差的同時還影響壟體質(zhì)量等。針對此問題，貴州省煙草科學研究院將起壟機開土板設計成“V”形，每一個開土板均由橫向開土部和豎向開土部組成，橫向開土部與水平方向呈銳角，使得形成的溝槽壁和槽底土壤平整，同時還減少了起壟機下地的次數(shù)，提高了作業(yè)效率[19]。

3 存在的問題及建議

3.1 存在的問題

我國在起壟機械的研制上雖然發(fā)展迅速，取得了一些成果，有一系列起壟機械投入到農(nóng)作物生產(chǎn)實踐中，但在研制和應用中仍然存在一定的不足，具體如下。

3.1.1 制造能力不足，研發(fā)力量不夠。我國對起壟機械的研發(fā)起步較晚，同時在相關起壟技術研發(fā)中投入較少，人才和技術儲備不足。目前，起壟設備以小型化、通用化為主，對煙草等具體農(nóng)業(yè)領域的起壟設備及配套設施研發(fā)不足；同時，國內(nèi)生產(chǎn)起壟機械的廠家多為小型農(nóng)機生產(chǎn)廠，其制造能力不足以支撐制造大型起壟設施設備，核心技術突破受限；起壟機械的配件質(zhì)量差，制造材料不合格。起壟機械在山區(qū)或作業(yè)環(huán)境惡劣的地方完成起壟作業(yè)時，不管是旋耕刀還是起壟犁都會經(jīng)常接觸碎石或殘茬，因而對相應的配件質(zhì)量要求較高。目前，多數(shù)的起壟機械配件質(zhì)量達不到要求，制造工藝和材料不合格，不僅影響加工連續(xù)性，還會影響壟體的質(zhì)量。

3.1.2 宜機化條件差。西南地區(qū)農(nóng)作物耕種收獲機械化率低，特別是貴州丘陵山區(qū)，其農(nóng)作物耕種收獲機械化率僅為36.2%。主要原因是丘陵山區(qū)土地零碎，土地之間溝坎較多，土地坡度大，農(nóng)用機械進出土地困難；同時用于起壟作業(yè)的機器笨重，不適用于丘陵山區(qū)坡地和小塊煙地，作業(yè)時調(diào)頭困難。這兩方面原因嚴重制約了丘陵山區(qū)起壟機械的應用。

3.1.3 土地耕作層淺。貴州丘陵山區(qū)土壤耕作層普遍較薄，無法滿足30 cm壟高要求。根據(jù)測算，旋耕后耕作層厚度達到17 cm即可滿足起壟要求。但是，貴州多數(shù)煙區(qū)由于常年沒有采用翻犁作業(yè)，土地板結(jié)嚴重，造成耕作層厚度逐漸變薄；起壟環(huán)節(jié)多數(shù)只采用旋耕作業(yè)，旋耕后耕層厚度只有12～15 cm，壟高達不到要求。

3.2 建議

起壟機械在農(nóng)作物現(xiàn)代生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，針對目前起壟設備所存在的一些問題，提出以下幾點建議。

3.2.1 加強起壟機械研發(fā)的投入力度，注重配件材料的選擇。以政府為主導，完善相關農(nóng)機補貼政策，加強起壟機械研發(fā)的投入力度，加強相關人才和技術的儲備，形成起壟機械領域自主核心技術。同時，也可以借鑒國外相關的起壟技術，避免閉門造車的現(xiàn)象。在配件材料的選擇上，必須要保證配件具備相應的強度、剛度以及耐磨性，以便于在丘陵山區(qū)惡劣環(huán)境下完成作業(yè)。

3.2.2 實施土地宜機化整治工程，優(yōu)化地塊利用布局。統(tǒng)籌資金，配合工程機械、農(nóng)用機械等改造土地，將分散零碎、大小不一的地塊改造成適合大中型起壟機械起壟耕作的土地，實現(xiàn)地塊互聯(lián)互通。同時，還要實現(xiàn)地塊和農(nóng)田耕作道、生產(chǎn)道互聯(lián)互通，使起壟機等農(nóng)用機具進出地塊自由。改善這兩方面不僅可以提高起壟機械的適應性，還能提高土地的利用率以及耕作效率。

3.2.3 結(jié)合喀斯特地形地貌特點，采取適度深耕方式。針對目前的起壟機具，耕作層需要進一步提高，可以結(jié)合實際情況，隔年翻犁一次，從改善起壟機具的起壟工藝及動力匹配著手，使土層達到要求；同時，針對丘陵地區(qū)土壤特性，制定輕簡型起壟作業(yè)技術，減少機具下地次數(shù)，提高作業(yè)效率。

4 發(fā)展趨勢

4.1 多用途作業(yè)

目前，起壟機功能比較單一，多數(shù)只能實現(xiàn)起壟和整形，應研發(fā)一機多用型起壟機，即可以同時完成施肥、施藥、起壟、覆膜等工作，減少工人下地次數(shù)，提高機器作業(yè)效率、肥料利用率和藥效。同時，研發(fā)只需替換機具零件配件即可滿足不同種植類型農(nóng)作物作業(yè)要求的起壟機，加強機械設備和零件之間的通用性，提高機器的適用性。

4.2 機具結(jié)構輕量化

在保證基本起壟作業(yè)要求后，可以在起壟機上運用輕量化材料和技術，減輕起壟機的重量，增加靈活性，以提高起壟的作業(yè)效率和減輕作業(yè)強度。

4.3 信息化、智能化發(fā)展

近年來，隨著我國北斗導航系統(tǒng)的完善，北斗導航系統(tǒng)技術在農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)中應用比較廣泛。其中，農(nóng)業(yè)收割機和播種機上北斗系統(tǒng)的運用比較成熟，可實現(xiàn)精確收割和精良播種?？梢钥紤]將北斗導航系統(tǒng)運用到起壟機上，實現(xiàn)田間作業(yè)的自動導航、精確定位，保證機器的作業(yè)質(zhì)量，解放勞動力。