山地丘陵烟草机械化研究现状及建议

王 震，吴长兵，张富贵，李再军，王丹林

(1.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳550025； 2.中国烟草总公司贵州省公司，贵州 贵阳550004)

0 引言

中国是世界上烟草种植面积最大的国家，每年烟草种植面积达110万hm2，烟草种植主要分布在我国西南地区，种植面积达到全国的66.1%，烟草总产量占据全国的62.53%，其中户均种植1.1 hm2，收入为4.5万元，烟草种植业逐渐成为了当地居民脱贫致富的重要策略，因此提高烟草的产量与质量在促进烟农增收方面有着巨大的影响[1-2]。然而，烟草种植属于一项劳动密集型工作，特别是在覆膜、移栽等作业环节。随着我国人口结构老龄化程度加剧及工业化的不断发展，烟草种植业逐渐出现作业人员不足的问题。因此，提高烟草种植机械化水平，减少种植人力消耗成为烟草种植产业升级的必经之路[3]。如今烟草机械化研究已取得了较大进展，但其机械装备水平与产业需求仍有较大差距，烟草种植机械化水平不高制约着烟草质量的提升，为提高西南地区烟草产业的机械化升级，对西南地区烟草机械的现状进行分析整理，同时提出烟草种植机械化发展建议。

1 烟草机械基本情况

1.1烟草机械化种植主要环节

烟草种植过程对烟草的产量及质量有着重大的影响，因此烟草的机械化种植对烟农保收促收有着重要的意义。烟草机械化种植过程主要包括翻耕、整地、施肥、起垄、覆膜、移栽、植保、中耕、培土和拔秆等作业环节[4]。由于西南地区特殊的地形地势，在烟草种植过程中，西南地区烟草种植机械化应用相对落后。

1.2翻耕、整地机械

在烟草种植环节，西南地区翻耕、整地环节使用机械化作业已比较成熟，主要机具有旋耕机、微耕机等[5]。在西南地区烟草种植作业中主要以小型旋耕机为主，从动力源可区分为油动和电动机型。随着科技的进步，科研人员在不断为旋耕机、微耕机增添新的配套农具，在满足作业环境的同时增加新功能以提高机器的利用率。随着技术的进步，噪声低、动力强、实用性强的发动机将更多应用于旋耕机和微耕机[6]。根据不同地区土壤情况研发设计的微耕机将使机器作业性能得到提高，机器的研发与应用将更好地服务于烟草种植生产[7]。针对丘陵山地复杂地形研制的小型自走式螺旋旋耕机如图1所示，该机采用柴油发动机提供旋耕动力及驱动动力，由液压缸以及液压马达控制其旋耕深度，整机采用履带式行走装置，保证机具在复杂地形的行走稳定性。该机旋耕深度可以深达30 cm，可打破浅耕层，实现真正的深耕，有效解决了因复杂地形导致大型机械难以作业的问题[8]。

图1 小型自走式螺旋旋耕机Fig.1 Small self-propelled spiral cultivator

1.3起垄、施肥机械

根据起垄数量，起垄机械可分为单垄起垄机、双垄起垄机和多垄起垄机。西南烟草种植行业以单垄起垄机为主，主要采用微型旋耕起垄机进行起垄作业，以起垄高度与紧实度作为起垄质量的主要参考依据。目前发达国家的起垄机采用液压控制元件，随着液压技术与控制元件的发展，国内的起垄机械也将应用该类控制元件，电子与自动控制技术将会进一步应用于起垄机械[9]。烟草种植过程中施肥环节是极其重要的环节，施肥机械的应用对烟草生长的质量起着关键的作用。肥料箱的排肥装置对施肥性能有着重要的作用，今后施肥机研发过程中将进一步改进施肥装置，增加施肥多样性，在满足作业农艺要求的前提下提高施肥机的通用性[10]。张周[11]研发的起垄施肥一体机如图2所示，该机器集成起垄、施肥功能，整机传动系统共分为两部分，传动方式均采用链条传动。机器行走时，地轮受到地面的阻力，通过地轮，动力由链条传至排肥装置，保证整机施肥的均匀性。另一地轮采用链条传动，将动力传至搅刀，用于搅拌肥料，确保肥料不因含水率过高而导致排肥孔堵塞，该机在烟草种植基地进行施肥试验达到了作业施肥的要求。

图2 起垄施肥一体机Fig.2 Ridging and fertilizing integrated machine

1.4覆膜机械

在烟草种植作业中，覆膜对蓄水保墒和抑制杂草生长具有重要作用。随着机械化作业在农业生产中的作用日益突出，发展覆膜机械显得十分必要。由于覆膜机械作业效率是人工覆膜作业效率的10倍以上，使用覆膜机械进行机械化作业的平均总成本仅为人工覆膜作业的一半。对比人工覆膜，机械化覆膜不仅效率高，而且覆膜质量较好[12]。覆膜机械覆膜质量主要取决于覆土轮的工作方式，无动力源覆土轮适合于沙性土壤，有动力源覆土轮适合于黏性土壤。覆膜基本原理相似，主要作业过程为覆膜机械先将地膜平铺于地垄上，整机带动地膜在地垄上展开，最后由覆土轮覆土，完成覆膜过程。福建农机研究所研发的自走式铺膜机如图3所示，该机采用汽油机为原动力，动力传输主要分为两部分：一部分动力由发动机传递给行走轮，用于整机的行走；另一部分通过链条将动力传递给抛土轮。整机作业时，抛土轮主动抛土，覆膜质量较好，适用于黏性土壤，可有效满足丘陵地区及黏性土壤覆膜作业的需求[13-14]。我国覆膜机械的研发落后于发达国家，许多覆膜机械作业过程还需要人工辅助，覆膜机械在自动化、集成化方面有着较大的发展空间[15]。

1.5移栽机械

移栽环节是烟草种植作业过程中劳动强度大的环节，移栽机械主要完成开穴、放苗、覆土和镇压作业。因烟草幼苗品种的不同，移栽机械作业过程中的株距、种植方式有所不同，因此，一般情况下一种移栽机械主要适用于一种作物。安徽农业大学研制的烟草移栽施肥机如图4所示，其移栽功能主要由苗盘与移栽机构完成，适用于钵苗移栽以及膜上、膜下移栽。变速箱通过链传动将动力传输给移栽机构，另一端带动苗盘转动，随着整机的行走而完成移栽。该机装有调节手柄，可有效调节钵苗移栽深度[16]。移栽机械按照移栽机构特点分为钳夹式移植机构、挠性圆盘式移植机构、吊杯式移植器、导苗管式移植器、双输送带式移植器、滑道分钵轮式移植机构和鸭嘴式移植机构。烟草移栽过程用工量较多，且使用的机械大部分为半自动式移栽机械，作业人员长期重复动作容易疲劳，进而造成漏苗。随着我国劳动力向城镇转移，烟草种植产业必然会出现劳动力短缺的现象，因此研发设计集成化、自动化且价格合理的移栽机械是今后发展的趋势[17]。

图4 烟草移栽施肥机Fig.4 Tobacco transplanting fertilizer machine

1.6植保机械

植保环节是保证烟草生长环境的重要环节，合理使用植保机械可显著降低烟草种植成本。目前，我国烟草用植保机械主要以背负式、机动式为主。背负式喷雾器使用方便，操作简单，在植保机械中使用率占到98%左右，广为接受。机动式植保机械在烟草种植使用中以小型动力植保机械为主，主要采用动力改装的方式，如将摩托车加上药箱、喷杆及喷嘴等装置做成植保机械，其喷药作业长度可达到传统人工作业长度的6倍以上，提高了植保效率[18]。近年来，农作物农药残留问题受到广泛关注，需要加强植保机械的研发，使其不仅可以快速控制农作物病虫害，也有利于提高农药的使用率。随着技术的进步，传统的人工及半人工植保作业方式已经不能满足现代市场要求，西南地区烟草种植产业开始引进植保无人机进行植保作业，植保无人机如图5所示。与传统的植保作业相比较，新型植保无人机作业效率高，且不受地形地势的影响，可节省农药20%～40%，节水90%以上。未来，植保无人机应该更广泛地应用于各类农业生产领域[19-21]。

图5 植保无人机Fig.5 Plant protection drone

1.7中耕、培土机械

中耕培土是烟草生长过程中的重要环节，其目的：在生长过程中，烟草根系会越来越发达，此时烟草需要从田间吸收更多的水分和养料，而中耕培土使得烟草根部土壤疏松，利于烟草通过根系吸收水分和养分，进而起到抗倒伏作用；中耕使得土壤得到翻整，能够达到除去田间杂草和翻晒土壤中虫卵的目的[22]。国内主要生产小型中耕培土机械，根据培土作业方式可分为螺旋式、圆盘式、铧式、铣盘式及犁刀等作业机械。国内众多中耕培土机械研发人员研究分析整机结构、关键部件，如优化碎土刀参数，解决机器传动轴容易断裂等问题。河南农业大学研发的烟草中耕培土机(图6)由螺旋培土刀、导向罩装置、垄形调节装置等组成，作业时犁刀对垄底的土壤进行深松作业，对土壤形成斜向切削运动，螺旋培土刀对土壤形成铣削运动，两者复合使机器完成土壤的中耕培土功能。对于烟草种植来说，大多数中耕培土机械难以实现高培土量来达到烟草生长环节需要的抗倒伏能力。因此研发设计具有针对性中耕培土机械，满足烟草等不同农作物的特殊需求，这类机械具有较大的发展空间[23-24]。

图6 烟草中耕培土机Fig.6 Tobacco field cultivator

1.8拔秆机械

作为烟草种植收获过程中的副产物，大量烟秆需要在收获烟叶后由作业人员及时处理，传统上烟秆回收需要人工挖掘，整个处理过程费时费力，人工成本较高。大多数拔秆机械较为笨重，需要拖拉机带动作业，其主要作业方式可分为：利用骑垄作业、反转挖掘及回转振土的工作原理进行拔秆作业；利用液压马达驱动相对转动的链条进行拔秆作业等[25]。目前国内烟秆拔秆机械种类较多，但由于地域性问题，拔秆机械适应性不强，多数拔秆机械并未能得到充分利用。贵州大学研制的山地烤烟拔秆机如图7所示，整机作业时靠拖拉机行走将烟秆推倒，辊刀系统工作将烟秆底部土壤疏松，随后掘出烟蔸根部携带的泥土，最后将烟秆向后方抛送，并摆放于烟田。烟秆的机械化拔取是未来烟草种植作业机械化的重要环节，应充分考虑不同地区烟草种植的作业环境，并根据不同地区需求进行针对性的设计[26]。

图7 山地烤烟拔秆机Fig.7 Mountain flue-cured tobacco rod pulling machine

2 烟草机械存在的问题

2.1农机农艺结合不足

烟草质量深受种植地理环境及种植方式的影响，我国西南地区拥有得天独厚的气候条件，适宜于烟草种植业的发展。西南地区具有多种品种的烟苗，不同地区、不同品种的烟草种植存在较大的差异，烟草种植过程中对不同烟苗种植的株距、行距及密度也不相同。农机的研究与应用是为了提高农业种植效率和提高农产品果实的质量，在大规模研究烟草种植模式的过程中，忽视了农机对不同地区不同品种的适应性。因此在不同地区、不同品种种植的过程中，农机的研制需要有不同的针对性，研制适合不同作业状况的农机，提高农机农艺的融合程度。

2.2专用机械缺乏

我国国土辽阔，国内地貌环境复杂多样，造成烟草种植作业环境、种植品种等多样化，难以研发出因地制宜的专用机械。由于我国农业机械研究落后于发达国家，国内农业机械的研发往往是跟随式的，一般是引进国外机械后进行研发改造，忽视了我国各个地区的气候条件、土壤条件的差异。如在我国北方研制适用的覆膜机械，在西南地区会出现不适宜的问题，北方气候较为干旱，土壤以砂性土壤为主，覆膜机械进行作业时，覆土轮不需要主动覆土也可以完成覆膜作业；而西南地区以黏性土壤为主，覆膜作业时覆土轮必须主动覆土才能完成覆膜作业。

2.3关键作业部件可靠性较低

由于发达国家农业机械的研发水平领先于我国，国内许多农业机械研发处于对国外机械的仿制阶段，某些农业机械的作业原理研究不扎实，机器研制技术沉淀不足，进而造成某些国产农业机械作业性能较低、整机作业功耗较大的问题。由于对机器材料及部件设计的认知不足，出现机器关键作业部件寿命较短、损耗较快的问题，严重制约了农机的推广与应用。

2.4智能化程度较低

随着我国城市化进程的推进和老龄化社会的出现，劳动力人口数量开始下降，农村农业劳动力短缺。在农业生产过程中，采用机械化作业可有效提高作业效率，降低劳动成本。目前，国产农业机械多处于纯机械设计阶段，整机较为笨重，集成化、自动化程度水平不高。需要研发人员考虑老龄化趋势，研发智能化、集成化的机器以满足未来劳动力短缺下农业生产的现实需求。

3 应对策略及建议

3.1推进农业信息化

加大力度推动农业信息化发展，加快实现农机农艺深度结合。随着我国制造技术的发展，结合农业机械的需求，通过网络信息技术加快满足不同种植地区、不同土壤条件的农艺要求，在满足规范化机械作业的基础上，利用先进的机械制造技术，提高农业机械关键部件的质量，增加使用过程中的整机稳定性，延长整机使用寿命；利用农业技术、信息技术与农业机械相结合，促进农机农艺深度结合。

3.2农用机械本地化

针对西南地区烟草种植产业，在学习国内外先进技术的基础上，研发设计出适用于西南地区的烟草种植作业机械。如针对西南地区黏性土壤特点，研发设计降粘减阻的移栽机械，在烟苗移栽时，避免出现苗坑深度、株距不稳定的情形，减少幼苗窝根及伤根现象的发生。

3.3国家政策引导

加强国家政策的引导作用，农业机械部门落实国家政策，改变农业生产中落后的生产方式；农业机械研发设计机构加强相关农机作业理论研究，基于我国不同地区的农业作业方式，研发设计农民买得起、用的住、用着方便的农业机械，即在提高作业质量的同时，延长农业机械的整体使用寿命，减少农业作业人员在作业机械上面的开销。农业机械部门可与政府配合，一方面降低农业机械价格，另一方面推广农场式种植模式，实现大规模集成化经营，加强对农业机械的推广与应用。

3.4加强农业机械研发

以高校、科研院所为中心，在考虑我国已进入老龄化社会的基础上，为满足不同地区烟草种植农艺要求，研发设计集成化、智能化的农业机械，减少人力资源在农业生产中的消耗。在我国西南地区，烟草种植面积较大，是重要的经济作物。在人口老龄化的背景下，西南地区集成化、智能化农业机械的研发显得尤为重要与紧迫。

4 结论

(1)近年来，随着我国农业信息化的推进，农业机械化取得了长足进步，在某种程度上减缓了农业生产中人力资源的需求压力，但在技术上仍存在不足，农业机械存在自动化、集成化程度低的缺点。今后，农业机械研发机构须在满足当地种植农艺的需求基础上，加大机器自动化、集成化的研发与设计支持力度。

(2)国外农业机械较为成熟，机械整体作业效率较高，作业技术也较为成熟，但国外的农业机械价格较贵，不适于国内农民购买使用。我国国土资源辽阔，许多机械不能适应国内的作业环境。目前国内科研团队已经开展烟草作业机械化研究，但多数处于起步阶段，还没有出现可以满足我国大部分地区使用的新型机械。在今后一段时间内，半自动化作业机械依然是我国农业种植生产中的主流。

(3)现阶段农业机械需要针对不同地区进行研发设计。西南地区特殊的地形地势及黏性土壤的特点，使得使用移栽机械时，出现土壤粘附的现象，影响移栽的质量和效率。在该区域使用覆膜机械会出现地垄两侧覆土量不一致的情形，影响覆膜机械的覆膜质量，影响作物的生长。在未来的农业机械研发过程中，需向区域化发展，研发满足我国不同地区需求的农业机械。