油莎豆种植与收获机械技术装备研究现状

邸志峰，李青龙，姜伟，张志起，张华*，李娜，崔中凯，周进

（1.山东省农业科学院，山东 济南 250100；2.山东省农业机械科学研究院，山东济南 250100）

油莎豆（Cyperus esculentus）又称油沙草，是原产于非洲及地中海沿岸国家的一种草本植物，它具有适应性强、喜光、抗旱、耐高温、耐盐碱等性状［1-3］。其块茎生长于地下，外形与花生相似呈椭圆形，略小于花生；油脂含量高，富含膳食纤维、微量元素和抗氧化物质，有助于阻止细胞的退化、衰老，同时具有降低血压、血脂、胆固醇的功效。据测定，油莎豆油莎豆富含淀粉（25%～40%）、油脂（20%～30%）和糖（15%～20%）［4］，还有蛋白质、膳食纤维，且膳食纤维具有高持水性和持油性［5-7］，另外还有有机酸、甾类化合物等功能性成分［8］。油莎豆又被称为“地下核桃”，20 世纪50年代开始我国多地进行了试种推广，但由于种植成本高、销路窄导致产业发展缓慢，其中重要原因之一是油莎豆生产机械化程度较低。本文系统梳理我国油莎豆产业发展历程，通过分析种植收获技术与装备现状，明晰制约油莎豆生产机械化水平提高的关键问题，提出油莎豆产业健康发展的建议。

1 我国油莎豆产业发展历程

20 世纪50年代，我国从前苏联引进油莎豆并在北京植物园试种成功；60年代中国科学院植物研究所从保加利亚引种栽培［1-3］，1975年左右中国科学院植物研究所北京植物园和中科院遗传研究所分别从朝鲜引进大粒油莎豆进行种植，到70年代全国掀起了油莎豆种植小高潮。但由于种植成本高、市场销路窄、机械化程度低、种植热情迅速衰退。到本世纪初期，油莎豆种植一直处于低谷期。伴随着人们对油莎豆经济价值、生态价值的进一步认识，以及栽培和加工技术的进一步提高完善，我国许多省份又开始推广扩大油莎豆种植规模，从2006年起我国新疆、内蒙、河北、吉林等多地开始小规模种植油莎豆（图1、图2）。农业部分别于2015年11 月和2016年6月发文《关于“镰刀弯”地区玉米结构调整的指导意见》和《全国种植业结构调整规划（2016—2020年）》，建议适宜地区示范推广种植油莎豆，以调整种植结构和增加新的食用油来源。在各种政策的推动下，近年来油莎豆种植面积持续增加，据统计，到2019年全国油莎豆种植面积约20 万亩，最近几年都维持在25 万亩左右［9-11］。

图1 油莎豆籽粒Fig.1 The grain of Cyperus esculentus

图2 油莎豆植株Fig.2 The plant of Cyperus esculentus

2 油莎豆播种机械现状

2.1 油莎豆播种要求

油莎豆种植对土壤要求不严格，红、黄、沙壤，盐碱地均可种植［12-13］。根据不同种植需求，油莎豆可纯作、间作、套作或在果园行间种植。若在沙质土壤或者肥沃疏松土壤种植，则应主要用来收获果实；种植在果园行间，既可改良土壤，遮阴抑制杂草，防止水土流失，改善果园微环境，又可提高经济效益增加收入；油莎豆具有耐盐碱特性，在盐碱地推广种植油莎豆是盐碱地改良利用和提高种植效益的较好选择；以收油沙草为主要目的则可因地制宜种植。油莎豆春、夏均可播种，生育期长短因各地气候条件和播种期而异一般在120 d 左右［14］，北方生育期长，南方生育期短；一般3～4 月底春播，5 月中旬夏播，播前需要浸种催芽，行距40～45 cm，株距20～30 cm，播深3 cm，亩株数约5000～8000 株。

2.2 油莎豆播种机械

目前还未见有批量生产的专用油莎豆播种机产品，生产中使用的油莎豆播种机大都是简易手推式播种机，或者是在现有机械式花生播种机基础上简单改进而来，国内部分单位进行了油莎豆播种机的研究，但大多在实验样机阶段。简易播种机播种精度不高、效率低；机械式花生排种器的排种精度不高、种子破损率较大［15］。油莎豆实现机械化播种可大量节省人工成本，提升作业效率，大幅提高种植经济效益，油莎豆机械化播种技术发展慢成了制约油莎豆规模化发展的关键问题之一，制约了油莎豆产业的快速发展。

目前油莎豆播种大多采用手推式简易播种机械进行播种（图3）［16］。主要靠人力推动完成播种作业，通过更换不同排种器可满足不同外形尺寸油莎豆播种，属于半机械化产品。手推式播种机价格较低、操作简单，播种精度差、作业效率较低，适于丘陵山区等小面积地块使用。

图3 手推式简易播种机Fig.3 Hand push seeder

由于油莎豆外形呈不规则的球体，形状和花生相似，在生产实践中也经常采用改进后的机械式花生播种机进行播种，两垄四行花生覆膜播种机是代表性产品（图4A）。该机可一次完成起垄、施肥、播种、施药、覆膜、膜上筑土等多项作业工序，播种行数4 行，播种深度3～5 cm，适应膜宽80～90 cm，穴距可选［17］。该机的特点是可以在膜上建立筑土带，免去人工放苗，节省劳力，但在雨水较多地区使用可能造成出苗困难，受机械式排种器限制，排种精度不高。另外，油莎豆播种也可采用花生膜上打孔播种机［18］进行播种（图4B）。

图4 花生播种机Fig.4 Peanut planter

此类机械借助鸭嘴式排种器完成膜上打孔播种，可完全避免人工放苗，但排种稳定性差，地膜易被撕裂，对播前整地质量和墒情要求高。

针对油莎豆的专用播种机研究甚少，2013年河北农业大学机电工程学院杨冬冬，张晋国等设计了一种气吸式油莎豆精量播种机［19］，该机可与小型拖拉机配套使用一次完成开沟、播种、覆土、铺膜等工序（图5）。该机的核心部件是气吸式排种器，工作时靠风机产生负压油莎豆种子被吸附到排种盘上，种子随排种盘转动，当转动到排种位置时不在承受负压，靠自重落在种沟内。结合油莎豆外形尺新设计了专用的排种盘，且增加搅拌装置，改善种子流动性，确保了充种率；通过加大输种管与种子室接触面积，避免了种子架空产生堵塞漏播，一定程度上解决油莎豆种子流动性差、易架空产生漏播的问题，经过试验表明能够满足油莎豆播种需求。

图5 气吸式油莎豆精量铺膜播种机［19］Fig.5 Air suction Cyperus esculentus precision film laying seeder

2020年吉林省农业机械研究院彭飞等［20］，研制了一种气吸式油莎豆精量免耕播种机（图6）。采用牵引式连接，可以实现施肥、开沟、播种、覆土、镇压多道工序作业。该播种机动力来源于拖拉机，靠双圆盘开沟器进行开沟，配备仿形轮，开沟深度2～6 cm，宽度2～4 cm；机架上装有电力负压风机高速旋转产生负压，风机通过软管与真空室相连，种子在负压作用下吸附到排种盘上，排种盘转出真空室后负压消失，在种子自重和清种器共同作用通过导种管落入种沟；在V 字形橡胶轮作用下进行镇压覆土；整机配备电子监控系统，光电监测株距距、漏播等指标，具有漏播报警，播种粒数显示，作业面积统计等功能。该产品是吉林省重大科技专项研制产品，仍处于样机阶段，还需要持续试验优化改进。

图6 气吸式油莎豆精量免耕播种机［20］Fig.6 Air suction type refined no tillage planter for Cyperus escul⁃entus

总之，目前油莎豆播种大多是采用简易手推式播种机或者是在不同类型花生播种机上经过简单改装后使用，少有针对油莎豆特点而设计的专用播种机。气吸式排种器结构复杂，气吸室密封状态和油莎豆种子尺寸等对播种性能有较大影响，已有部分单位进行了研究，但仍处于试验样机阶段，性能有待进一步提高。油莎豆虽然外形与花生类似，但其千粒重、孔隙度、休止角等物理特性与花生不同，为了满足油莎豆产业快速发展需求，应加大对油莎豆的系统研究，开发播种质量好、效率高的专用播种机。

3 油莎豆收获机械研究现状

3.1 油莎豆收获要求

油莎豆一般9 月下旬或10 月初，叶片大部分变黄，块茎变硬且呈橘黄色或棕褐色方可收获［21］。收获过早块茎发育不完全，籽粒不饱满，收获过晚会造成营养物质流失。油莎豆根系发达，块茎埋于地下，块茎与植株间相连的根茎较细、韧性低、易断裂，收获过程中极易发生落果现象。目前油莎豆收获大部分以人工为主，收获时用手或者耙等工具拔起，再用工具敲打根部使得油莎豆脱落，或者用工具将地面油沙草进行粉碎后用铁锹等工具将油莎豆挖掘出来，然后放入筛网中进行筛选［16，22-23］。

3.2 油莎豆收获机械研究现状

国外很少有油莎豆收获机相关报道，目前只有西班牙某公司的油莎豆收获机［24］，且均为拖拉机牵引式（图7）。作业时靠挖掘铲将油莎豆挖起送入滚筒筛进行分离，滚筒筛有单滚筒和双滚筒两种，经过滚筒筛分选后的油莎豆在输送装置作用下送入集粮车，此类型机械适合沙土地油莎豆的收获，分离效果较好，不易堵塞。

图7 西班牙油莎豆收获机Fig.7 Cyperus esculentus harvester in Spanish

我国伴随着70年代油莎豆种植热潮，研制了多款油莎豆收获机具。1974年西北植物研究所在江苏淮阳农机修造厂试制了油莎豆收获机［25］，该机为悬挂式收获机，采用铲筛联合机构及半圆弧强制分离原理。挖掘部件采用鸭掌形，破土能力好，阻力小；采用离心式半圆弧强制分离机构，分离筛间隙大小对分离效果影响较大。该机型与人工收获相比效率大大提高，适应于沙质土壤，对土壤水分要求严格。

1975年西北植物研究所机械研究组研制了油莎豆简易筛选机［26］（图8）。该机为人力脚踏式（配有0.6 kW 电机，只能在有电源地方使用），该机体积小结构简单，操作方便灵活，且传动件大多采用自行车标准件，更换筛网后还可用作多种作物的筛选。该机需多人操作，一人脚踏机器运转，一人用铁锹将油莎豆铲起抛入机器，机器两侧人手持油莎豆抖动摔打，一人捆草填土，工作效率比纯人工提高5 倍左右，适于当时生产条件使用。

图8 油莎豆简易筛选机［26］Fig.8 Simple screening machine for Cyperus esculentus

1976年12 月广西灵川县召开了全国油莎豆收获机现场会［27］，到会17 台样机（图9～图18）。沈阳市农机所研制了工农518-28I 型油莎豆收获机，由大型八角锥形滚筛（兼作挖掘铲）和搅拌滚轴组成，与东方红-28 拖拉机配套（图9）。彰武县一中研制了辽宁518-12 型半化式油莎豆收获机，与辽宁518-12 手扶拖拉机配套，有立式双圆笼筛和双层振动平筛组成，用人工铲掘后喂入，经撕碎和筛选得到油莎豆（图10）。沈阳市农机研究所研制的工农518-12Ⅳ型油莎豆收获机，与518-12 手扶拖拉机配套（图11）；该机收获时，需要人工将地面莎草收割或粉碎，再由钉齿式回转输送带把根、豆、土等沿倾斜条筛输送撕碎，然后进入半圆弧筛进一步撕碎和分离，最后由两层平筛完成分离清选。

图9 工农518-28 I 型油莎豆收获机［27］Fig.9 Gongnong 518-28 I Cyperus esculentus harvester

图10 辽宁518-12 型半化式油莎豆收获机［27］Fig.10 Liaoning 518-12 Semi mechanized harvester

图11 工农518-12Ⅳ型油莎豆收获机［27］Fig.11 Gongnong 518-28 ⅣCyperus esculentus harvester

邢台地区农机所和华北农机学院共同研制的平筛式油莎豆收获机，与铁牛-55 拖拉机配套，由挖掘平铲、输送带、撕碎机构、逐稿器和清选筛等组成（图12）。由阜新市农机所和阜新县西关大队共同研制的辽宁518-12 型油莎豆收获机，与辽宁518-12 拖拉机配套，由挖掘铲、撕碎辊、抖动升运链、钉齿分离筒和平筛组成（图13）。彰武县农机所、阜新市农机化所、辽宁省农机化所等单位联合研制的半圆弧筛式油莎豆收获机［28］，与东方红-75拖拉机配套，由挖掘铲、扒土轮、半圆弧筛、锥形分离滚筒和平筛组成（图14）。

图12 平筛式油莎豆收获机［27］Fig.12 Plansifter Cyperus esculentus harvester

图13 辽宁518-12 型油莎豆收获机［27］Fig.13 Liaoning 518-12 Cyperus esculentus harvester

图14 半圆弧筛式油莎豆收获机［27］Fig.14 Semicircular arc sieve harvester

湖南省轮隆回县农具所研制了湘隆-62 型半化式油莎豆收获机［27］（图15）。该机由脱粒筒和振动平筛组成，采用165F 柴油机带动，人工铲掘喂入，机型小，重量轻，适于山区和小地块搬运。

图15 湘隆-62 型半化式油莎豆收获机［27］Fig.15 Xianglong-62 Semi mechanized harvester

西北植物研究所研制了76-1、76-2 型2种油莎豆收获机（图16、图17）。76-1 型由进料斗、撕碎机构、除杂筛、平筛和接豆箱等组成，由南泥湾-12手扶拖拉机带动，工作时需要人工将油莎豆铲掘喂入；76-2 型与12 马力手扶拖拉机配套，由旋耕刀、三角叶片筛、撕碎轮和平筛组成，不需要人工铲掘喂入，可节省劳动力，属于76-1 升级型产品。

图16 76-1 型油莎豆收获机［27］Fig.16 76-1 Cyperus esculentus harvester

图17 76-2 型油莎豆收获机［27］Fig.17 76-2 Cyperus esculentus harvester

由湖北油料研究所研制的油-3Ⅱ型半化式油莎豆收获机由脱粒滚筒和双层平筛组成，靠165 柴油机带动，工作时需要人工铲掘喂入（图18）。

图18 油-3 Ⅱ型半化式油莎豆收获机［27］Fig.18 You-3 ⅡSemi mechanized harvester

以上是我国上世纪70年代开展的油莎豆收获机械相关研究工作和所研制的样机，其中大部分需要人工挖掘后喂入，实质上是分离筛选机械，有少量机械可以免去人工铲掘喂入，但受制于当时的技术条件，只是进行了少量的生产，并未形成批量产品。由于油莎豆并不是主要农作物，种植面积有限，上世纪80年代至本世纪初基本没有专门进行油莎豆收获技术相关研究报道。

近年来，随着国家种植结构调整和其他一些相关政策得出台，油莎豆产业又得到了重视，有不少企业纷纷开始研制各种类型的油莎豆收获机以满足产业发展需求。2010年，湖南省邵阳市农机研究所成功开发出一种小型多功能收获机械［29］（图19）。该机一定程度上解决了在粘性壤条件下土果分离差、振动筛筛孔易堵塞的难题，该机通过调整振动模块和更换分选模块，可以快速实现功能转换，一机多用。整机体积小、重量轻、筛选干净、破碎率低，是一种适于南方丘陵地区散户使用的可移动式小型收获机。

图19 多功能收获机［29］Fig.19 Multifunctional harvester［29］

2013年，河南省汝州市严瑞山等发明了一种油莎豆收获机［30］（图20）。在工作时由拖拉机连接悬挂架2、牵引架3 使油莎豆收获机前进，切土轮1将土壤提前切开，减轻了拖拉机的动力消耗，挖掘铲4 将地下生长的油莎豆挖出，送入输送链板7，经由输送链板7 把油莎豆送到入料口9，落入旋转分离器11 之中，把油莎豆与土壤和其它杂物旋转分离，土壤和杂物通过带筛孔的下料溜槽16 落到机器外面，油莎豆被提升机15 输送到装豆箱8 中。但未见有相关实物产品报道。

图20 一种油莎豆收获机结构示意图［30］Fig.20 Structural diagram of a Cyperus esculentus harvester

2019年吉林省农业机械研究院刘文亮等设计了一种油莎豆籽粒收获机［31］，采用开式脱粒滚筒（图21）。采用板齿、弓齿、钉齿组合式脱粒元件，综合了板齿抓取能力强，弓齿可排出茎秆中籽粒，钉齿抓取能力强的特点；分离装置采用栅格凹板筛，清选装置采用编织筛，经过脱粒分离的油莎豆掉落到编织筛上，完成清选。

图21 油莎豆脱粒滚筒［31］Fig.21 Threshing cylinder of Cyperus esculentus harvester

2019年吉林省农业机械研究院刘文亮等设计了一种立式轴流油莎豆脱粒分离装置［32］（图22、图23）。解决了油莎豆收获时起获物含土量大，茎、豆、土高效分离困难，以及传统滚筒筛分离效果差、结构大等问题。整机在工作时，油莎豆的混合物通过喂入机构进入固定在机架下端的进料壳体，油莎豆的混合物进入脱粒滚筒部件中，脱粒滚筒的下端有2 片螺旋叶片，在立辊主轴的带动下，油莎豆混合物中的杂质随着脱粒滚筒一起做高速旋转，混合物中体积较大的杂草及其他杂物移动到上端，在离心力的作用下通过排料壳体排出；体积较小的油莎豆及碎土块，在离心力的作用下通过转动筛网进入最外层的外罩中，然后落入固定在机架上的钢筋涡卷筛，筛网底部安装有拨片，土随着筛网转动通过钢筋涡卷筛落下，分离出来的油莎豆随着拨片从出料口排出。该设计是一种固定式油莎豆脱粒分离装置，可为自走式油莎豆开发设计提供了新思路。

图22 立式轴流油莎豆脱粒分离装置［32］Fig.22 Vertical axial flow threshing and separation device

图23 脱粒滚筒示意图［32］Fig.23 Structure diagram of threshing cylinder

2015年吉林省好易收农牧科技开发有限公司研发出两种油莎豆收获机［33］（图24）。一种是单滚筒双振油莎豆收获机，一种是双滚筒双振油莎豆收获机。两种机型均为牵引式油莎豆收获机，工作时挖掘铲将油莎豆挖起由输送装置送入滚筒，在滚筒中完成摘豆和分离后，在斗式提升装置作用下送入前部的及粮箱。

图24 好易收油莎豆收获机［33］Fig.24 Cyperus esculentus harvester of Haoyishou company

近年来，河南新乡市地隆药业机械有限公司在其药材收获机底盘上，开发了自走式油莎豆收获机［34］（图25）。收获前应对地表油沙草进行处理，工作时靠前部的破土装置将土壤松开，挖掘铲将油莎豆铲起送入链耙输送装置，在链式输送装置作用下送入到分离装置进行根、豆、土及其余杂质的分离，完成分离的油莎豆在二级输送装置作用下进入到集粮箱，杂质被抛出。

图25 地隆自走式油莎豆收获机［34］Fig.25 Self propelled harvester of Dilong company

2019年一拖（黑龙江）东方工业园有限公司研发了自走式油莎豆收获机［35］（图26）。并于2019年初在齐齐哈尔市泰来县举行油莎豆收获机现场演示会，该机以自走式谷物收获机械技术基础，结合马铃薯收获和花生收获机械技术，研发了自走式油莎豆收获机，作业流程为“破土-挖掘-脱粒分离-收集”，经过现场试验得到了参观用户好评。

图26 一拖集团有限公司油莎豆收获机［35］Fig.26 Cyperus esculentus harvester of YTO Group

4 展望与建议

油莎豆具有抗旱、耐涝、耐贫瘠、耐盐碱等特性，适合大多数地区种植。近年来，其高产、油粮兼具的特性越来越得到广大种植户的认可，其耐盐特性为盐碱地改良和开发利用提供了新的作物品种。随着种植规模的不断扩大，种植和收获机械技术装备发展缓慢已成为制约油莎豆产业健康发展的主要因素之一。针对发展面临的问题，建议做好以下几方面工作。

（1）进行多种方式宣传，促进人们对油莎豆价值的再认识。

虽然种植油莎豆投资少、回报率高经济社会效益显著，但农户认可度低。急需要多方式、不同层面展开宣传，使更多人们进一步认识并重视油莎豆的价值。通过技术扶持、大户示范带动等方式不断增强农户种植积极性，不断扩大种植面积。同时，让农机企业看到油莎豆广阔的市场前景，将更多的资金、技术投入到油莎豆机械装备的研发生产中，加速油莎豆生产机械化进程。

（2）全面开展基础研究，为油莎豆机械设计提供理论支撑。

目前，对油莎豆的研究主要集中在化学成分、营养成分、栽培技术等研究，鲜有对油莎豆物理机械特性的研究。油莎豆籽粒的硬度、摩擦系数、休止角等物理机械特性参数直接决定排种器的工作原理方法的选择；油莎豆与须根连接力、油莎豆破碎力学特性、油莎豆与杂草和土壤的分离机理等直接决定油莎豆收获过程中关键部件的设计和工作参数的选择。因此，必须全面开展油莎豆的基础研究工作，为机械设计提供可靠的理论基础，进而促进机械化生产水平的提高。

（3）加强农机农艺融合，进行种植收获机械关键技术攻关。

随着油莎豆种植规模的扩大，专用机械关键技术缺失已成为制约产业发展的瓶颈。农机农艺融合是实现现代农业优质、高产、高效的关键，是农业机械化发展的必由之路。因此，相关科研部门应充分研究油莎豆生产农艺要求，以油莎豆自身物理机械特性为基础，分析现有播种和收获机械工作原理和特点，以提高油莎豆播种、收获质量和作业效率为目标，集成机、电、液、信息等多学科知识开展关键技术研究，研发新型油莎豆种植收获装备，为油莎豆产业健康发展提供装备保障。