水生蔬菜产业生产机械化技术概况

2018-03-27李旭王锐廖剑杜铮舒虹杰卢泽民

长江蔬菜 2018年14期

李旭，王锐，廖剑，杜铮，舒虹杰，卢泽民

（武汉市农业科学院农业机械化研究所，430345）

水生蔬菜是指在淡水中生长，产品可作蔬菜食用的维管束植物，包括莲藕、子莲、茭白、芋头、荸荠、菱角、慈姑、水芹、蕹菜、芡实、莼菜、蒲菜、豆瓣菜、蒌蒿等。水生蔬菜作业环境比陆地蔬菜更为恶劣、劳动更密集，因而严重制约着水生蔬菜产业发展。近10 a来，通过各科研院校、农机企业、技术推广部门和种植农户的共同努力，水生蔬菜生产专用机械的研制与开发取得了较好的成绩。

1 水生蔬菜生产机械

1.1 莲藕生产机械

①莲藕种植装置蚌埠市徐善种植农民专业合作社发明了一种立体式莲藕种植装置，在单位空间内可增加莲藕的种植密度，延长光照时间，使得莲藕生长速度加快，产量增加，提高了劳动生产效率，可实现大规模工业化生产[1]。

②莲藕施肥装置莲藕种植户目前采用的施肥方法是人工抛撒，速度慢，效率低，劳动强度大。安徽绿源渔业科技有限公司研制了一种莲藕施肥装置，利用水泵将肥料和水混合后经喷头喷出，种植人员只需拿着喷头对着藕池均匀喷洒就能完成施肥，显著降低了劳动强度，且速度快，效率高[2]。

③莲藕收获机械目前主要通过高压水流或气流冲挖采收莲藕[3]，挖藕机按结构形式可分为5类。

a.船式挖藕机。作业时自行移动，无外延长水管。山东微山县微山湖挖藕机械制造厂生产的4CW-2.6型船式挖藕机，工作效率200.1～333.5m2/h，已在山东、江苏、安徽、湖北等地推广使用[4，5]。湖北襄樊市航鹰航空科技有限责任公司研制的挖藕机[6，7]和华中农业大学研发的4CWO-3.2型船式挖藕机[8，9]，采挖效率分别为 167～416、100～400m2/h。

b.浮筒式挖藕机。作业时自行移动，无外延长水管，操作人员需下水作业。最早的为日本Iwamoto等[10]发明的莲藕挖掘装置，直接使用藕田水作为高压水泵水源，但仍需人手持高压水管作业，挖掘机配有浮筒，在水面随人一起移动。武汉兴盛农机技术开发有限公司生产的W-FPZ-1200C型浮筒鸭嘴式挖藕机[11]和山东临沂梅工机械制造有限公司开发的DCE-1001D浮筒式挖藕机[12]，挖藕效率分别为166.8～250.1m2/h和200m2/h。山东华盛中天机械集团股份有限公司研制的4W-100型自走式挖藕机，工作幅宽1m，挖掘深度小于60 cm[13]。

c.水泵机组漂浮式挖藕机。可在藕田内漂浮移动，作业过程中按需固定，有外延长水管，操作人员需下水作业。其代表为安徽四平食品开发有限公司设计的一种高压水冲式挖藕机[14]。

d.水泵机组岸基式挖藕机。水泵机组在岸边固定，作业时按需移动，有外延长水管，操作人员需下水作业。韩国的Lee[15，16]发明的高压水力式莲藕收获机以及日本的Yamaguchi[17]公开的采用超声波使土壤液化原理的莲藕收获机均属此类。武汉市农机服务总站、华中农业大学和南通市江华机械有限公司联合研制的4OZ-3型自走式水压莲藕挖掘机，工作幅宽3m，采挖效率667m2/d[18]。

e.滑板式挖藕机。其行走装置为滑板，以利于机器在藕田中移动。韩国的Lee等[16]设计出一种高压气力式莲藕收获机，挖掘装置由压力室、机体、破碎装置和控制单元等组成，挖掘装置安装于滑板上，将高压气体喷射到高硬度莲藕培养土中，轻易完成莲藕收获。

另外，Ozasa[19]研制了一种莲藕收获机，由三角形履带底盘、发动机、收获装置等组成，该机用于收获在非透水性框体中由适当厚度的培养土和水培养出来的莲藕，通过简单的收获结构和操作就能将莲藕舀起。

1.2 莲蓬采摘器

莲蓬生长在水体中，用手采摘时采摘范围小，需要不断移动船体甚至涉水采摘，费时费力，效率低下，且可能造成莲叶损伤。为此，姜琛[20]公开了一种漏斗形莲蓬采集器，结构简单，造价低廉；乔建强[21]开发出一种莲蓬采摘器，采摘到的莲蓬落入采摘器的网袋内，莲蓬采摘一定量后，抬高网袋端，莲蓬即可到达网袋底口，从网袋底口即可取出莲蓬，减轻了劳动强度，提高了采摘效率；浙江省农业科学院和浙江机电职业技术学院设计出一种便携式莲蓬采摘器，使用时，需将收集网扣合在莲蓬上，剪断叶柄后翻转收集网完成莲蓬采摘[22，23]；浙江理工大学研制出便携式自动莲蓬采收装置，动力为直流电机，通过传动机构各动作的配合，同时完成莲蓬的采摘和收集工作[24]；黄江龙[25]发明了一种莲蓬采摘、分离与筛分一体化自动设备，解决了现有莲蓬采摘过程工序繁多、操作复杂、劳动强度大等难题。

1.3 芋头生产机械

①芋头播种机 a.通用芋头播种机。芋头在日本已基本达到全程机械化作业水平，种芋播种机可同时进行起垄、播种、地膜覆盖3项作业，作业效率3.7 h/1 000m2；地膜回收机作业效率0.4 h/1 000m2[26]。山东理工大学发明的转筒式芋头穴播机，可一次完成起垄、整平、开沟、播种、覆土等多种作业[27]。潍坊职业学院设计了一种多功能播种机，能完成芋头、生姜、马铃薯等根茎类作物的刨沟、撒种、盖土、施肥等工序[28]。于珊珊等[29]研发的芋头播种机，开沟、施肥、排种、覆土、起垄、喷药一次完成。青岛农业大学开发出的芋头直立播种机亦能达到播种要求[30]。

b.专用芋头播种机。四川农业大学研制出一种魔芋播种机，能保证播种后种芋种芽倾斜向上，固结一定数量种勺的传动链穿过种箱，带出的种芋经输种管掉入开沟器，输种管内壁螺旋排列的毛刷和塑土器能保证种芋种芽倾斜向上，提高了种芋的播种质量和成活率[31]。

②芋头收获机 a.通用芋头收获机。大致可以分为以下2类：一类是集中铺放式芋头收获机。一般挂接于拖拉机后方，收获后的芋头被集中铺放于机具后方地面。以山东曲阜为主的多家农机企业生产的薯类收获机可实现芋头的机械化采收[32～34]，作业效率可达4 002～6 670m2/h。广西大学发明的带茎秆分离装置的芋头收获机以及农业部南京农业机械化研究所研制出芋头双抖土收获机，收获效果亦较理想[35，36]。

另一类是芋头联合收获机。收获机集挖掘、输送、筛分、果实收集为一体，机型较大，一般采用履带底盘，挖掘装置在履带底盘前方。日本Ito[37]于2001年公开了一种芋头分离器和芋头收获机，其分离器配备有芋头分离和振动装置，能将母芋和子芋分离，并筛分掉附着在芋头上的泥土，其芋头收割机行走装置为履带底盘，履带底盘前方为挖掘部件，挖掘部件前方配有地轮，后方为运送装置，履带底盘上方为芋头分离器。Shingo等[38]2009年公开了一种芋头收获机，其配有将挖掘部分挖出的芋头运送至分离部分的运送装置以及将子芋和母芋分离的分离装置，分离装置位于运送装置的上侧，辅助分离装置位于分离装置附近。

b.专用芋头收获机。宁德师范学院研发出槟榔芋采挖设备，槟榔芋经松土机构松土，抬升机构抬举后由夹持机构夹持槟榔芋秆将槟榔芋拔出，克服了现有收获技术损伤槟榔芋的缺陷[39]。

1.4 荸荠收获机

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）。现有公开的荸荠机械化收获技术大致可分为2类。

①整层收获挖掘装置将荸荠生长层泥土整层铲起，再经分离装置进行荸荠和泥土分离。焦忠等[40]和唐仲华等[41]发明的荸荠收获机以及陕西科技大学设计的荸荠采收船[42～47]，荸荠损伤率较高。丁年生[48]、东北大学秦皇岛分校[49]、华中农业大学[50]以及马锁才等[51]发明的荸荠收获机，工作时均需用水冲洗，存在一定局限性。安徽农业科学院农业工程研究所的王川等[52，53]提出采用农机与农艺相结合的模式，并开发出一种升运链式荸荠收获机，但该农机与农艺结合模式尚处在探索阶段。

②分层收获挖掘装置分2层，上层铲起无荸荠层泥土输送至机具侧边或后方，下层铲起荸荠集中层输送至分离装置进行泥果分离。丁年生[54，55]和高峰等[56]设计的荸荠收获机，荸荠损伤率较高。唐仲华等[57，58]公开的荸荠收获设备，收获前要晒田至泥土含水量低于20%，并将荸荠茎部割平地面。周晓明[59]2009年发明的荸荠挖掘机，轮式机动车牵引附着性能差，还存在泥果分离困难和茎秆缠绕等问题；2015年设计的履带式荸荠挖掘机，需用水冲洗荸荠[60]；2016年研发的分层式荸荠挖掘机，泥果能有效分离，将采收后的田地平整[61]。

1.5 水芹耕种机械

曹国荣联合扬州大学开发了水芹自动化农业耕种机，作业者站在平台上脚不沾地即可进行开沟、播种、施肥和收割等工作，比传统种植方式节约近八成人力成本[62]。

1.6 芡实生产机械

①芡实定植播种机传统芡实种植方式，一种是直接将芡实种子抛撒于水田，此无序播种方式长成的植株不利于种植和管理，同时影响芡实产量；一种是提前对芡实种子进行催芽后移栽定植，在田间排布横竖交错的细线确定定植点，在定植点处插入细竹竿标记位置，然后依靠人工将催芽后的种子播于细竹竿处，此法种植规范，便于管理和采摘，亦能使芡实收获期提前，但工作量巨大。滁州学院研发出一种芡实定植播种机，育种盘可提前对种子进行催芽处理，水槽不仅可以多带种子，实现大面积播种，同时能防止种子长时间脱水降低生命力，调节播种电机的转速可以实现芡实种子逐粒定植[63]。

②芡实采收装置刺芡的果实、叶柄及叶均被尖刺覆盖，不适宜人工直接采收，通常用镰刀将其果实砍下，再用网兜捞起，或者待芡实充分成熟，果皮碎裂，种子散落到水中后，再在冬季统一从水底打捞。前者会因芡实管状果柄内进水而致植株死亡，影响后期产量；后者不宜多茬采收，仅适合老熟芡实种子采收。为解决芡实采收难题，滁州学院陈志宏等[64]研发出一种机械传动式芡实果实采收装置，只需手握手柄和紧线手柄，向上提压紧线手柄，缩小两手柄之间的夹角，则齿轮传动装置会将钢丝绳收起，带动抓手装置将芡实果实抓住并切下，并放在收集位置，释放紧线手柄，抓手装置失去钢丝绳的拉力作用，芡实果实在重力的作用下脱落出来，完成采收。该装置对不同大小果实的适应性较好，可以有效提高采收效率，克服因果实有刺或采收技术问题而导致的果柄进水问题。江西明湖农业发展有限公司设计出一种气吸式芡实种子采集装置，采用气吸原理，将芡实种子从果实内吸附出来输送至集种箱，显著降低了采集难度，提高了采集效率[65]。

1.7 慈姑收获机械

传统的慈姑种植方法，生产过程中的育苗、定植、采收3个关键环节均在水田中人工操作，机械化水平很低。江苏里下河地区农业科学研究所提出了一种慈姑覆膜垄作栽培方法，应用起垄覆膜机、蔬菜移栽机、通用根茎作物收获机完成种植到收获各环节作业，大大提高了机械化水平[66]。吴爱兵[67]发明了一种慈姑自动收获机器人，能在浅水田和浅水湖内对慈姑进行自动拔取、清洗、球茎与慈姑主体分离，弥补了传统技术的不足。

1.8 菱角采摘机械

菱角垂生于密叶下水中，需全株拿起来倒翻，才能看见采摘，工作效率低。李荣等[68]设计出一种菱角收获装置，工作时，船体带动菱角收获装置前行，菱角秧被打碎排出，菱角则被输送至收获机后置的菱角船内。泉州市科茂利通智能科技有限公司开发的菱角采摘自动生产线和中国计量大学发明的菱角采摘船，其采菱过程仍由人工完成[69，70]。

1.9 莼菜生产机械

①莼菜种植机械目前莼菜种植时的施肥方式，容易灼伤莼菜或造成水质污染，影响莼菜胶质的形成，从而影响莼菜的营养价值。重庆国农环境科技股份有限公司研发出莼菜施肥装置，能将肥丸逐个施放到莼菜穴土中，很好地保证了莼菜的商品品质[71]。该公司还发明了莼菜水田光照调整结构、莼菜水田采光及雨水引流结构、莼菜胶质形成促进设备等一系列莼菜种植机械，填补了该领域的空白。

②莼菜采摘器苏州农业职业技术学院开发了莼菜手动控制采摘器，采摘器分为采摘装置和收集装置，采摘装置由握把、手柄、钢丝、铝合金管、弹簧、刀片支架和刀片组成，主刀片上设置刀片盒，完成剪切后莼菜落入刀片盒中，松开手柄，将莼菜转至固定在船头网兜中收集[72，73]。该采摘器在一定程度上降低了劳动强度，但工作效率并未提升。