荸荠机械化收获技术研究进展

李旭，廖剑，王锐，卢泽民，杜铮，舒虹杰，罗友谊

（武汉市农业科学院农业机械化研究所，430345）

荸荠机械化收获技术研究进展

李旭，廖剑，王锐，卢泽民，杜铮，舒虹杰，罗友谊

（武汉市农业科学院农业机械化研究所，430345）

系统分析了当前我国荸荠的种植情况和收获现状，阐述了荸荠机械化收获技术研究进展，比较分析了各种荸荠收获机的特点，揭示了我国荸荠机械化收获存在的问题，展望了我国荸荠机械化收获技术的研究与发展趋势。

荸荠；挖掘；采挖；收获；机械化

荸荠又名马蹄，既可作水果亦可作蔬菜，营养丰富且具有一定的药用价值。荸荠有分株分蘖特性，平均每株基本苗分生成10个分株，每个分株结球5～6个，球茎主要集中在9～20 cm深的土层，且任意分布。荸荠最佳采收时节为冬至（12月21～23日）到小寒（1月5～6日），此时球茎皮色为红褐色，含糖量最高，味最甜；早期采收的球茎，皮薄肉嫩味淡，不耐贮藏；晚期采收的球茎，含糖量减少，表皮增厚，皮色加深为黑褐色，表皮下长出一层黄衣，品质变差。我国荸荠栽培面积5万hm2，其中广西栽培面积最大，达2万hm2，主要分布在广西的贺州、荔浦等地；湖北团风县、沙洋县共0.33万hm2[1]。

荸荠易种难收，目前荸荠收获没有适用机具，以传统人工挖掘为主，方法有2种：一是在采收前1 d放掉田水，边清理秸秆，边用手扒掉上层（0～9 cm）泥土，然后扒出下层泥土，用手捏出球茎；二是在采收前10～15 d将荸荠种植田排水晾干，用锹或叉挖取球茎。由于黏性土壤和荸荠的亲和力大，不易实现分离，荸荠挖掘劳动强度大、效率低、收获成本高（人工成本高达3万元/hm2）[2]，且受气候和人工不足的限制，延长了采收时间，降低了荸荠的商品价值[3]，以上这些因素严重制约了荸荠的集约化、规模化生产，农民迫切期盼能有荸荠收获机代替人工作业。由于荸荠不是主要农作物，创造的经济价值有限，对其研究相对也较少[4]，2009年才见荸荠机械化收获技术的文献报道。本文系统地对我国荸荠的机械化收获技术进行了分析，拟为荸荠机械化收获技术的进一步深入研究提供参考。

1 荸荠机械化收获技术研究现状

1.1 通用成熟机械收获荸荠研究

为探索黏性土壤荸荠机械化采收模式，黄宁等[5]用小型马铃薯收获机、小型耕田机和莲藕挖掘机分别采收荸荠，但小型马铃薯收获机采收荸荠时，挖掘部件入土困难，机具出现打滑现象，且土块和荸荠分离困难；小型耕田机采收荸荠时，荸荠损伤大，机具易打滑，并要求及时捡拾，否则影响机器下一行程的作业；莲藕挖掘机采收荸荠时，大部分荸荠田块田埂高度无法满足蓄水高度要求，漏失率高，且采收的荸荠不宜长时间保存。

1.2 不分层式荸荠机械化收获技术研究

为解决荸荠的机械化收获问题，解放劳动力，一些科研院所和企业研制出了不分层式荸荠收获机械。2011年焦忠等[6]设计出一种由手扶拖拉机、犁地装置、传动装置、旋切破碎装置和尾轮装置组成的荸荠挖掘机，2013年唐仲华等[7]发明了一种包括支架、犁地机构和传输筛机构的荸荠收获机，这2种荸荠收获机的挖掘部件均为犁体，而犁体适合于收获垄作栽培，且球茎比较集中的场合[8]，在收获荸荠时，机具行进过程中，犁壁切割荸荠集中层，荸荠损伤率较高。

陕西科技大学陈海峰等[9]设计了一种利用振动原理使土壤液化后进行荸荠收获的荸荠采收船，船体中部安装可以振动与旋转的采收滚筒，并对其挖掘部件和振动系统展开了一系列研究[10～14]，该荸荠采收船在工作过程中，挖掘部件旋转切割荸荠集中层，荸荠损伤率较高；丁年生[15，16]研发了2种由高压喷水管、铲刀等组成的马蹄收获机；东北大学秦皇岛分校郭献章等[17]设计开发了一种由液压式履带机车、挖掘输送装置、振动筛、泥浆泵清洗装置、转笼高压气泵风干装置等组成的联合型荸荠采收机；华中农业大学夏俊芳等[18]研制了一种由挖掘铲、推送装置、清洗分离装置和抽水装置等组成的水田荸荠采收机；江苏马锁才等[19]试制了一种由履带机身、除草机构、采集机构和筛选机构等组成的大型马蹄收获机，其在采集过程中通过高压水枪使土壤和荸荠进行分离，从而保证马蹄的完整性。这几种荸荠收获机收获过程中，均需用水冲洗荸荠，在实际应用中，一是大部分荸荠种植田无法满足机具作业水深要求；二是经水冲洗后的荸荠无法长时间保存，因此存在一定的局限性。

安徽农业科学院农业工程研究所的王川等[20]提出采用农机与农艺相结合的模式，在荸荠种植过程中引入秸秆，以改善荸荠栽培土壤的品质，减轻荸荠在生长过程中深钻的发生几率，并开发生产了一种由机架、挖掘装置、传输和分离装置、清洗、收集等部分组成的升运链式荸荠收获机，机器生产率较高，损失率、伤实率、含杂率低，性能较好[21]，但该农机与农艺结合模式尚处在探索阶段，没有广泛推广应用。

1.3 分层式荸荠机械化收获技术研究

2009年周晓明[22]发明了一种由排泥装置、荸荠挖掘装置分层进行收获的荸荠挖掘机，排泥装置和挖掘装置平行倾斜固定在机动车的前端，其排泥装置为螺旋输送机构，将上层根茎和泥土从机具侧面排出，其挖掘装置铲起荸荠集中层，在滚轴的推动下进入带式输送机，但该挖掘机的行走装置为轮式机动车，在高湿黏重土壤的荸荠田作业时，牵引附着性能差，易打滑，同时还存在荸荠与泥土分离困难和茎秆缠绕等问题。丁年生[23，24]2013年设计出的荸荠收获机，其耕翻装置为带齿的旋转部件，该机具挖掘部件运动过程中旋转切割荸荠集中层，荸荠损伤率较高。高峰等[25]开发出一种由旋耕机、犁体和可伸缩滚筒等组成的荸荠收获机，其旋耕机打碎上层无荸荠的泥土，犁体铲起荸荠集中层进入滚筒实现荸荠和泥土分离，但犁体随机具行进过程中，犁壁切割荸荠集中层，荸荠损伤率亦较高。唐仲华等[26]于2015年公开了一种荸荠收获设备，其包括履带机体、铲土机构和筛网支架，其铲土机构前端上部设置旋耕刀，能打松上层土，为铲土机构减轻作业强度；同时他们还公布了1种双层铲两级筛分型荸荠收获机[27]，其上铲土板将上层泥土铲到机具侧边，减轻后续作业强度，下铲土板铲起荸荠集中层，经输送机构输送到筛分机构，该机具收获前要晒田至泥土含水量低于20%，并将荸荠的茎部割平地面，且上铲土板运动过程中可能存在壅土堵塞问题。周晓明[28]2015年设计出一种包括履带机车、挖掘装置、排泥装置的履带式荸荠挖掘机，其排泥装置将上层泥土排到机具侧边，其荸荠集中层挖掘装置的铲爪上开有出水孔，水从出水口喷出冲刷荸荠集中层，实现荸荠与泥土的分离，而荸荠经水冲刷后不能长时间保存。周晓明[29]又于2016年公布了一种由履带式行走机构、挖掘装置和输送机构等组成的分层式荸荠挖掘机，其上层泥土和下层球茎被分层挖掘提升后从驾驶位下方输送至机具后方，大限度地增加了荸荠集中层翻转分离面积，使球茎和泥土有效分离，并能保证采收后的田地平整。此外，盖国安等[30，31]、吴红顺[32]、张 雅静等[33，34]也对 分层式荸荠收获机械提出了一些设计思路和方案。

2 制约荸荠机械化研究进程的原因

美国在1930年开始引进试种荸荠，试种至今的80多a里，由于缺乏合适的荸荠采收机械，荸荠在美国的种植面积并没有大幅增加[35]。虽然我国2009年已经开始有企业和科研机构进行荸荠机械化收获的探索和研究，但七八年过去，市场上仍然没有适于荸荠收获的定型机具进入实际生产应用。究其原因，主要有以下几个方面：

①由于黏土与荸荠亲和力大，荸荠被黏性土壤紧密包裹，致使荸荠与土壤的分离比较困难。

②荸荠分株分蘖生长的特性，使得荸荠在9～20 cm深的土层任意分布，加之其较脆易破损，非常不利于机械化作业，现有的用于成行成排的后置式根茎类挖掘收获机械均难沿用。

③企业直接经营比重低，以散户种植为主，种植规模较小，使得大型机械难以施展。

④荸荠主要集中分布在9～20 cm深的土层，挖掘工作量大，挖掘阻力大，机具易打滑。

3 荸荠机械化收获技术展望

荸荠集中层的挖掘、球茎与泥土的分离是荸荠机械化收获过程中的2个关键环节，目前，我国对于荸荠机械化收获技术的研究还处于发明专利和实用新型专利的申请层面，除陕西科技大学的荸荠采收船有进一步的理论研究外，鲜见荸荠收获机械的理论及试验研究，因此，加强对荸荠机械化收获技术的理论及试验研究具有重要的现实意义。

当前，我国荸荠机械化收获技术的研究趋势主要在于：①为降低荸荠破损率，荸荠收获机应朝前置式发展，即收获装置在前，行走机构在后，且下层挖掘部件工作过程中不宜穿越切割荸荠集中层，行走机构优选履带底盘。

②为减少挖掘阻力，一是在收获前1 d放干田水，第2天收获；二是采用分层收获，上层挖掘铲铲除0～9 cm的泥土根茎，下层铲起9～20 cm的荸荠集中层，以减少挖掘阻力，并减轻后续球茎和泥土的分离工作量；三是重点开展荸荠集中层挖掘部件的减阻研究。

③在荸荠集中层铲起后的球茎和泥土分离环节，应慢输送、快振动，利用振动原理使土壤液化，实现荸荠与泥土的有效分离。

④探索农机农艺结合的新模式，改变荸荠栽培方式，开沟制垄种植，改良土壤，降低泥土黏性，并减少荸荠在生长过程中深钻的发生几率，提升荸荠生长层，为后期机械化收获提供便利。

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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，硕士，助理工程师，主要从事现代农业装备设计研究，电话：13638670392，E-mail：lx@whiam.cn

2017-08-11