叶类蔬菜机械化收获技术装备现状与发展

廖 禺，陈立才，潘 松*，贺 捷，杨伟光，吴友栋，冯细平

(1.江西省农业科学院 农业工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西省永修县吴城镇农业技术推广综合站，江西 永修 330325；3.江西悦丰农业科技有限公司，江西 崇仁 344200)

0 引言

我国是世界上最大的蔬菜产销国，蔬菜播种面积、产量分别占世界总量的40%和50%以上[1-2]，且蔬菜种植面积及产量在逐年增加(图1)，2016年全国蔬菜种植面积为2232.83万hm2，其中叶类蔬菜种植面积达792.41万hm2[3-4]，叶类蔬菜在我国蔬菜生产中所占的比例越来越大，其中收获环节在蔬菜生产中耗时最多，劳动强度最大[5]，且主要依靠人工完成，随着叶类蔬菜产业的快速发展和农村劳动力的日益短缺，发展蔬菜机械化收获装备与技术，有助于提高蔬菜生产效率，对提升蔬菜产业发展及转型升级具有重要的意义。

叶类蔬菜种类繁多，分类方式多样，按叶类蔬菜机械收获品种分为：结球类和非结球类。结球类叶菜主要指结球甘蓝，非结球类叶菜主要指小青菜、菊花菜、韭菜、菠菜等；按行走形式分为：自走式、牵引式和悬挂式；按收获方式分为：一次性收获、多茬收获、选择性收获；按收获的行数分为：单行、双行、多行；按切割部位分为：带根收获、不带根收获；按收获后摆放的方式分为：无序收获、有序收获等[5-10]。

本文按照叶类蔬菜机械收获品种分类进行综述，研究分析国内外结球类和非结球类叶菜机械化收获的现状及存在的问题，并提出合理化发展建议。

1 国内外叶类蔬菜收获现状

以欧美为代表的国外发达国家对蔬菜机械的研究起步早，技术装备成熟，叶菜类、根茎类、果菜类收获均有相应成熟的商业推广机型，以牵引式和悬挂式为主。亚洲的日本也较早开始了蔬菜收获机械的研究，以自走式一次性收获为主[11]，而国内的蔬菜收获机械是近年研究开发的热点，叶菜类收获只有少量产品走向市场。

图1 2012～2016年国内蔬菜播种面积与产量

1.1 国内外结球类叶类蔬菜收获现状

结球类叶类蔬菜主要是指结球甘蓝，其收获过程主要包括拔取、输送提升、切根、剥叶、装箱等环节。各环节收获部件根据作用不同，具有不同分类。拔取装置主要可分为：铲式、双螺旋杆式和双圆盘式。输送提升装置主要可分为：双螺旋杆式、双输送带式。切根装置主要可分为：单圆盘刀式和双圆盘刀式。剥叶装置主要可分为：辊式、螺旋杆式和缕空输送链式。

国外结球类机械化收获研究较早，且技术装备已经成熟。世界上第一台甘蓝收获机由前苏联于1931年研制生产，该机与拖拉机配套，左、右双行收获，拔取器由2条回转链条组成，内边采用弹簧压紧，圆盘式割刀切断菜棵球茎，横向刮板式输送器，安装铰接于拖拉机的机架上，实现蔬菜的收获[5，9,12]。意大利Hortech公司的自走式甘蓝联合收获机，采用3点悬挂连接方式，四行收获，能根据甘蓝种植的直线度自动调整机具行走位置，自动对行，蔬菜根部被前置圆盘割刀切割后，经2条倾斜的回转输送带把蔬菜运送到后方清理平台，由人工清选、装箱[13]。丹麦Asa-lift公司生产了MK-1000型、TK-1000E型和TK-2000E型3种甘蓝收获机。MK-1000型采用拖拉机悬挂式收获，一次作业收获1行，通过前部的扶秧器，扶住甘蓝底部，将其导入后续装置，由液压驱动或固定式扶秧器将甘蓝菜导入到喂入胶带，然后顺着胶带进入切根部分，再由一组圆盘式切刀，在甘蓝底部位置切断球茎根部。通过双杆拔取配合网状皮带，夹住并带动甘蓝向后方运动，实现橄榄收获；TK-1000E型和TK-2000E型分别为1次作业收获1行和2行的牵引式甘蓝收获机，自带重载提升臂，特有的喂入单元，将甘蓝菜输送到辊式去叶器，去除表面的残叶，再经拣选平台然后将甘蓝通过提升臂装到挂车上[14]。加拿大Univerco公司的甘蓝收获机，采用割台侧置式单行收获，全液压驱动[15]。2000年日本国家农业研究中心研制出一种甘蓝联合收获机，由拖拉机远程控制，根茎引拔装置采用旋转式双圆盘,虽然甘蓝根部和头部外包叶的切断由圆盘割刀一次性完成,但是去包叶和分拣装箱由人工完成，而且该机全程由3名工人协同完成甘蓝的收获、去包叶和挑选装箱，收获效率为0.3 hm2/h[5,10，12]。

国内对结球类蔬菜收获研究少，起步晚，几乎没有成熟的商品化机型。浙江大学设计的甘蓝收获机是单行、一次性收获、配有专用履带式底盘，其主要由带拨轮的引拔装置、输送提升装置、切根装置、剥叶装置、收集装置等组成。适宜甘蓝球径15～25 cm，生产率0.2 hm2/h，拔取率97.4%，切根合格率89.8%，剥叶合格率88.2%，作业损失率4.8%[16-18]。东北农业大学设计研制的甘蓝收获样机是以收获结球甘蓝为主，兼收大白菜，半悬挂式，单行、一次性收获，该机采用双圆盘导入装置先将直线性较差的甘蓝引入到双螺旋拔取输送总成上，再对甘蓝进行拔取、运送，切根、剥叶、输送收集、装箱。收获效率0.08～0.10 hm2/h，收获行距50 cm[19-21]。甘肃农业大学和中国农业大学分别对甘蓝收获机和大白菜收获机及关键部位进行了虚拟设计，并未生产出样机，设计方案有待进一步验证[5,14]。

1.2 国内外非结球叶类蔬菜收获现状

非结球叶类蔬菜的机械化收获主要包括拨禾、切割、输送、收集等作业环节。拨禾装置主要可分为：板式、杆式和偏心轮式。切割装置主要可分为：环形带刀、往复式刀、圆盘刀。输送装置主要可分为：风力输送、回转带式输送、同步夹持式输送、扭转夹持式输送。收集装置包括：袋式收集和框式收集。

国外对非结球类蔬菜的研究同样较早，技术也比较成熟。日本川崎公司生产的手扶式风送型叶菜收获机，是利用高压气流将高速往复式双动刀切割的叶菜，吹送到收集袋中，但它只适用于收获小青菜类叶类蔬菜[10]。意大利Hortech公司生产的Slide FW型收获机，通过采用环型锯齿带刀、自定心技术和割台高度自动调节技术，利用前方蔬菜的推挤作用将后方被割叶类蔬菜推至输送带上，再被推入后方收集箱中，但是该机对耕种蔬菜的畦面平整度和土壤细碎度要求很高，适宜收获鸡毛菜、金花菜等叶类蔬菜；Hortech公司生产的一款Slide Valeriana型带根收获机，通过利用带锯切割振动输送的原理及割台前端的合金条交替运动产生振动，快速抖落叶菜上的沙土，适用于砂壤土质栽培下的带根收获的叶菜(如菠菜、芹菜)。丹麦Asa-lift公司和韩国康博公司生产的一种韭菜收割机，收获时需配套种植行间距农艺技术，采用单行收获，由输送带夹持韭菜向后上方运送，同时圆盘割刀将韭菜根部切断，而后半交叉式输送带夹持着韭菜朝同一方向倒下、输送，实现韭菜的有序收集。该机适用于小田块和设施作业，收获的韭菜整齐不乱，但作业效率低、通用性差，且要求种植的韭菜行间距大、经济效益低，因而不被小农户接受[5]。

国内，江苏大学开发了秧草收获机，通过采用风力吹送切割下来的秧草至输送带上，再由输送带将其输送至后方收集。通过电机驱动车轮实现自走，可实现连续调节切割高度[22]。南京农机化研究所研制了4GCD-600型手扶式叶菜无序收获机，采用高速双动往复式切割和回环带式输送技术，对叶菜进行地毯式切割，收获效率高。各部件速度无级可调，对不同栽培方式及叶菜收获的适应性强，切割高度最低可调节至紧贴地面收获，减少浪费[23]。上海农机所研制的4GCZ-100型蔬菜收获机采用履带液压行走驱动、无级变速，带刀式割头形式，适用于小白菜、茼蒿等密植型叶菜，收获地表以上部分的茎叶。上海康博实业有限公司生产的JT-1350型菠菜收获机，适用于菠菜、香菜等需要连根一起收获的叶菜，可在表土下一定深度进行切割作业，菜体留在原地，由人工捡拾装箱。盐城新明悦机械制造有限公司和上海康博实业有限公司生产的JT-HV型电动韭菜收割机，适用于韭菜的对行收获，集收割、传送、收集于一体，柔软的皮带设计可保护韭菜叶不被伤害[24]。农业农村部南京化所果蔬研究团队研制生产的4GCB-2型自走式收获机，采用先拨取再切根和扶正即切根2种方式，研究攻克了自动导正技术、仿生输送技术、模块化组配技术等，解决了蔬菜收获机械在使用过程中存在的切根一致性差、切割阻力大、易壅堵等问题[25]。4GYZ-1200型自走式叶类蔬菜收获机通过更换组件，实现了非结球叶类蔬菜、结球类蔬菜、茶叶等通用收获，可一机多用[26]。

2 叶类蔬菜机械化收获存在的问题

2.1 耕种不规范，机械化水平低

叶类蔬菜的机械化收获对农艺的要求非常高，耕作水平不规范或达不到要求，会影响后续的播种、移栽、浇灌、收获等机械化作业，目前，传统的叶类蔬菜生产耕地不平，少数地区存在套种间作现象，不适合叶菜收获机械作业，同时，传统手工作业思想根深蒂固，农户潜意识里认为，机械化收获难以达到人工作业水平。

2.2 轻简型机型少，大机型生产成本高，推广难度大

我国传统的蔬菜种植以小农户小田块为主，种植规模小，分布广而散，品种多样，农艺复杂，标准化程度低，农机农艺结合不紧密，小规模种植需要轻简型机型。而从国外引进的机型，体型大，制造成本高，价格昂贵，转弯掉头困难，机械化程度高，机具操作难度大，专用性强，适应性差，在国内严重水土不服，只适宜某一、二种蔬菜的收获使用，机具利用率低、生产成本高，多数农户难以接受。

2.3 关键装备技术缺乏，技术不成熟

叶类蔬菜机械收获时，易被泥土等杂物堵塞，影响收获作业效率和蔬菜的品质。现有的机型收割后蔬菜的损伤率高、损失率大，达不到人工收获作业的质量，耕种管收等部分关键装备技术缺乏，不成熟、不配套。

2.4 结构复杂，智能化、精细化程度低

现有蔬菜作物、土壤、环境、机器等互作机理不清，常规的蔬菜收获机械采用机械传动、结构复杂，而且菜地平整度不符合要求、作业对象的差异性大，使得其收获质量达不到要求，目前国内研制的机型多为一次性收获机具，不会智能化区别成熟与不成熟的蔬菜并进行选择性收获，智能化、精细化水平有待提高。叶类蔬菜收获装备智能化、精细化程度低。

3 叶类蔬菜机械化收获技术与装备发展建议

3.1 加强农机与农艺融合

叶类蔬菜机械化收获效率、收获后蔬菜品质的好坏，与标准化种植关系密切，如整地作畦的垄距、播种的行株距、播种量等，都决定了后续的收获作业质量和效率。提高耕作水平，规范农艺种植制度和田间管理程序，加强农机农艺融合，是叶类蔬菜实现全程机械化的关键。

3.2 提高装备的轻简性、通用性

叶类蔬菜收获机要求结构轻简、紧凑，兼顾设施结构与尺寸，满足设施和小田块种植农户的需要，通过更换部分工作部件，实现多种蔬菜收获，提高产品的适应性和通用性。

3.3 增强科研投入，提升关键核心技术研发能力

提升关键核心技术自主研发需要技术创新，而技术创新主要依赖技术研发，技术研发不仅需要高素质的科研人员，还需要较长的研发周期，同时需要大量的资金支撑，因此，政府应加大财政投入，强化创新驱动能力，加大核心技术科研经费的投入，通过对蔬菜收获共性技术和个体技术的研究，消化吸收国外先进的技术，通过产学研等联合公关方式达到关键技术自主创新的目的，进一步提升产品的核心竞争力。

3.4 提升叶类蔬菜收获装备的智能化

切割台堵塞、留茬高、菜茎的损伤大、收获效率低是蔬菜收获过程中主要存在的问题。只有提升收获装备的智能化水平，才能自动解决自动控制防堵、清淤、割台高度自动调节、可变力柔性输送系统、多参数融合自动化控制技术。随着蔬菜机械化需求层次的提升，智能化控制技术的应用将更加广泛。

4 叶类蔬菜机械化收获未来的研究方向

根据国人的消费习惯、生活水平以及各种要求的不断提高，叶类蔬菜机械化收获未来的研究应朝着低损伤高效收获、有序收获、带蔸收获、智能化收获等方向努力。

4.1 低损伤高效收获技术研究

机收蔬菜损伤难免，但应尽量优化蔬菜收获机械结构，充分发挥机收高效的作用，在产品取材及设计上要求加大，以提高机器采收叶类蔬菜的品相，降低叶菜损伤率，以提高蔬菜的完整率和生产效率为目标，研究扶叶、仿形、柔性收获技术、动力配置、整机及部件的设计，实现叶类蔬菜低损伤高效率机械收获。

4.2 有序收获技术与装备研究

目前国内外的非结球叶类蔬菜收获机大多采用无序和半有序收获的方式，无序收获的蔬菜不仅品相不高、卖相不好，而且价格也相对较低。根据国内消费者的购买习惯，大多数的非结球叶类蔬菜(如韭菜、小青菜、芹菜等)均需实现有序收获，可利用柔性输送导向机构实现叶类蔬菜的侧向有序堆放，使叶类蔬菜收集整齐不乱，降低劳动强度，提高经济效益。

4.3 叶类蔬菜带蔸收获技术与装备研究

蔬菜带根收获有利于增产增收，提高蔬菜的品相，延长蔬菜的保存期及增加蔬菜的价值。对于菠菜、芹菜等需要带根收获的叶类蔬菜，技术难度大，要求割刀具有足够的强度和硬度。蔬菜带根收获不同于国内已有成熟机型的马铃薯、胡萝卜等根茎类收获，其物理力学特性相差甚远，收获方式也大不相同，无法套用，适应收获我国较多种植、较普遍食用的叶类蔬菜(如芹菜、菠菜、香菜等)带兜收获技术与装备需求迫切。