甘薯机械化移栽分苗取苗技术研究现状及展望

周洵泽 严伟 王云霞 刘宏俊 张文毅

摘要：甘薯机械化移栽是目前甘薯机械化种植的薄弱环节，由于薯苗生长过程中可能出现的茎秆弯曲及群体纠缠等物理特性，移栽过程中的分苗取苗技术已成为制约甘薯自动移栽机设计和发展而亟需解决的关键问题。通过阐述国内外甘薯分苗取苗技术的研究现状，对目前投入使用的甘薯自动移栽机进行比较，得出现有甘薯自动移栽机存在人工参与度过高、甘薯分苗专用装置少和地区差异大等问题。提出设立甘薯标准化育苗剪苗规范、细化移栽过程，加强视觉识别和信息技术的应用等发展建议，为甘薯机械化移栽分苗取苗技术的进一步发展提供参考依据。

关键词：甘薯；裸苗；分苗；种植

中图分类号：S223.93

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 03-0035-06

Abstract： The mechanized transplanting of sweet potato is the weak link of the current mechanized sweet potato planting. Due to the physical characteristics such as stem bending and group entanglement which may occur during the growth of sweet potato seedlings， the technology of dividing seedlings and taking seedlings during the transplanting process has become a key problem which restricts the design and development of automatic sweet potato transplanters and needs to be solved urgently. This paper expounds the research status of sweet potato seedlings and harvesting technology at home and abroad， analyzes the problems existing in the sweet potato automatic transplanters currently in use， such as too high manual participation， few special devices for sweet potato seedling and great regional differences. This paper puts forward the relevant suggestions and countermeasures， such as establishing the standard of sweet potato seedling raising and cutting， refining the transplanting process， strengthening the application of visual identification and information technology， for the development direction of sweet potato automatic seedlings and harvesting technology.

Keywords： sweet potato； bare seedlings； dividing seedlings； planting

0引言

甘薯（Ipomoea batatas （L.） Lam.），又称红薯、地瓜、白薯、红苕、番薯、山芋等，是一年或多年生蔓生双子叶植物，属于旋花科甘薯属（Ipomoea）［1］。甘薯原产于南美洲及大、小安列斯群岛，由于其性喜温、不耐寒等特点，目前广泛种植于北纬40°以南的亚热带及热带区域中120余个国家和地区［2］，其中，以亚洲种植面积最大，非洲及美洲分列第二第三［3］。鉴于甘薯适应性强，在栽种、生长过程中相较于其他作物综合投入少，但在不同种植条件下仍能保持高产稳产，营养丰富的特点，不仅被世卫组织推荐为最佳食物，还是目前全球种植的主要作物之一，可用于作为鲜食产品、淀粉加工、食品加工、叶菜和观赏等［4］。

自16世纪末甘薯从福建和广东沿海传入中国以来，中国一直稳居世界第一大甘薯生产国之位，据统计，近年来中国甘薯种植面积及總产量分别稳定在2 100 khm2和50 000 kt左右，以1/3世界甘薯种植面积实现世界甘薯总产量的60%左右，其中，2020年我国甘薯出产率约为21 t/hm2，远超世界甘薯平均出产率的12 t/hm2［5］。此外，由于我国地域辽阔，甘薯种植分布较广，不同地区甘薯种植会随着气候模式、甘薯生态型、栽培习惯、土壤类型等差异而存在区别，一般将甘薯种植区分为三大薯区：北方薯区、南方薯区以及长江中下游薯区［6］。

甘薯种植过程复杂，劳动强度较高，主要生产环节包括育苗、剪苗、起垄、移栽、田间管理等。其中，薯苗的培育，一般采用苗床育苗，且为减少甘薯受病毒的影响，在剪苗过程中采用高剪苗方式，来降低甘薯苗带病概率，使得甘薯苗的移栽成为典型的裸苗移栽［7］。相比钵苗移栽，裸苗移栽过程中对于分苗取苗作业的要求更高，高效准确地裸苗分苗难以实现，目前广泛采用的是半自动移栽机，即采用人工进行分苗作业，极大限制了自动移栽机的生产效率，增加了甘薯移栽生产成本。为此，分析国内外甘薯移栽相关裸苗分苗取苗技术发展现状和存在问题，为进一步研发全自动分苗取苗装置和甘薯自动移栽机构提供参考。

1国内外甘薯移栽机研究现状

1.1国外甘薯移栽机研究现状

目前，在日、美、韩等发达国家的甘薯生产过程中，已经基本实现了全面的机械化作业，大量田间工作依靠机械得以完成，劳动强度相较于传统种植方式大大降低［8］。在自动移栽机的研究方面，由于各国地域特色不同，而存在较大的差异。

美国的甘薯种植主要集中在北卡罗莱纳州、密西西比州、路易斯安娜州以及阿肯色州等南部州的大农场中，土壤以沙壤土为主，使得其主流的甘薯种植模式是大规模集约化生产，突出特点为种植机械的标准化、大型化，对我国以新疆、河南、河北等省为代表的北方薯区的规模化成片种植具有借鉴和指导作用。目前，美国主流使用的移栽机有两种，主要区别在于一次移栽所栽插的垄数和移栽过程中人工选苗和分苗的分工不同。旧型号的移栽机采用拖拉机牵引，一组三人作业，一人驾驶两人分苗，移栽过程中主要是单垄移栽为主；80年代初开发应用的新型高效移栽机则是采用多垄移栽同时进行，除驾驶员外随行人员每人负责一垄，最高栽插速度可达每人70～80株/min，相比于旧型号产能提高一倍［9］。

日韩等国的甘薯种植受限于地形及土地面积原因，更多的是以小型化为主，在丘陵地区地形以及以火山土为主的土壤类型的限制下，日本的甘薯种植模式主要以覆膜栽插为主，注重农机与农艺相结合，对我国大多数的小规模、个体化的甘薯种植户而言具有借鉴意义。日本井关农机生产的PVH1系列通用自走移栽机采用钳夹式的移栽机构，不仅可以实现膜上移栽，还能够完成斜插法和船形法等不同的甘薯移栽插方式［10］。

1.2国内甘薯移栽机研究现状

我国国内甘薯种植地域差异较大，种植模式多样，导致标准化、统一化的甘薯耕种收机械在我国难以得到大规模的推广应用。2021年，国内甘薯耕种收综合机械化率仅有26%，远低于全国农作物平均耕种收综合机械化率的70%。其中，甘薯起垄机械的机械化率在50%以上，收获机械在30%以上，而移栽机械的机械化率不足3%，甘薯移栽机的发展成为甘薯耕种收机械化率提高的掣肘。

国内甘薯移栽机按照秧苗的输送方式不同，可以分为传送带式、吊杯式、链夹式、钳夹式等多种形式，分别适应不同情况下的甘薯移栽作业［11］。此外，在国家的大力支持下，甘薯移栽机构还出现了很多具有独创性思维的结构和作业形式，如山西省农业科学院棉花研究所研制的脉冲式破膜注水移栽机［12］、河北农林科学院粮油作物研究所提出的一种甘薯横插栽植方法及其移栽机械［13］，为甘薯移栽机构创新提出新的思路。

潘志国等［14］采用连杆机构和种苗运输机构相配合设置，设计了一款手扶式的甘薯移栽机如图1所示。在对甘薯苗的夹持机构选择上，采用了合手式柔性护苗移栽机构，依靠曲柄连杆机构和凸轮等结构的综合使用，完成夹取臂的弧形曲线的工作轨迹和同时开合的工作状态的有效配合，完成将甘薯苗从送苗槽上取下后呈船型栽植至土壤中，降低甘薯苗的损伤率，提高甘薯苗移栽的稳定性和准确性，增加甘薯产量。

严伟等［1519］针对甘薯移栽工作，做了一系列的相关研究，设计了从移栽投苗机构到覆土镇压装置的一整套的专利成果，并以此为基础，研发了多款甘薯移栽机如图2所示。其中，对于甘薯苗在移栽过程中的取苗栽植，采用的是以L型布置的柔性带进行夹持传输。整体结构包括输送带和夹持带两部分，均布置有横置带段和竖直带段两部分，在输送过程中，依靠人工分苗后将甘薯苗按输送带上设计的容置槽进行定位放置，随着输送带的转动，甘薯苗被带入夹持带和输送带的倾斜带段区域，完成贴合夾持工作，在柔性带的作用下，薯苗一直保持在容置槽内，并随着柔性带的转动传送至竖直带段的下端，随着竖直带段末端夹持带和输送带的分离，薯苗从容置槽中脱出，在自身重力的作用下，落入预定的栽植位置，进行后续的覆土工作。

吴亦鹏等［20］设计了一款具有覆膜兼开苗口功能的甘薯移栽装置，在采用链夹式栽植机构完成甘薯苗的移栽后，配合覆膜装置和切膜装置，按栽植间距在膜上切割出苗口，从而实现在栽植后覆膜操作，避免了因先覆膜而导致的开穴及甘薯苗定位投放复杂化的问题，节省了劳动力，提高了工作效率。

综上，我国目前甘薯移栽机的研究得到了快速的发展，但同时也面临着和国外先进甘薯移栽机同样的问题。无论是国内还是国外，目前甘薯移栽机的重点都停留在对甘薯苗栽插过程的结构设计，减少在栽插过程中的人工参与，提高甘薯苗的移栽效率，但从目前国内外对甘薯移栽机械的研究成果来看，甘薯的栽插速率已明显高于人工分苗速率，如何提高在移栽过程中对甘薯苗的分苗取苗速率，成为甘薯移栽机效率提升所面临的新挑战。

2国内外甘薯裸苗分苗取苗技术发展现状

裸苗移栽作为国内外种植棉花、芦蒿、甘草、甘薯等作物的主要移栽形式，因其栽植农艺的特殊性及植株复杂的生物性状，使得其分苗难度一直比钵苗和穴盘苗等更高。薯苗作为裸苗的标志性苗种之一，由于其自身的无序性，加之甘薯和芦蒿、棉花等裸苗移栽作物相比，不需要带根移栽，而是采用高剪苗的方式得到用于移栽的甘薯秧苗，使得甘薯秧苗存在叶片大、叶柄长，茎秆较细且不规则等特点，大大增加了甘薯苗分苗的难度，使得甘薯裸苗分苗取苗作业一直依赖人工完成，效率低，成本高。

2.1国外甘薯裸苗分苗取苗技术

国外甘薯裸苗移栽主要以人工手动分苗的半自动移栽为主，美国的甘薯裸苗移栽主要以链夹式裸苗移栽机为主，首先采用机器选取甘薯苗，再通过车辆牵引裸苗移栽机移动，可同时栽植数行，栽植效率大大提升。日本井关设计的小型自走形移栽机，是采用人工分苗取苗，将薯裸苗放在夹取苗的传送带上，然后将薯苗传输至插秧机构夹取点，最后栽植入地。国外对于甘薯裸苗的移栽机器十分稀缺，由于甘薯苗自身特性，大多数还是需要先手动分苗，再机械栽植，自动化分苗的研究进展十分缓慢。

2.2国内甘薯裸苗分苗取苗技术

目前，为促进甘薯产业发展，提高甘薯移栽作业效率，甘薯分苗取苗装置研究成为重点，国内主流的裸苗分苗取苗装置有以下几大类：链带式、外槽轮式、气力式、振动式和夹取式等。在目前国内甘薯移栽机设计过程中，部分学者开展甘薯裸苗分苗取苗关键技术研究，其中以链带式、气力式及振动式甘薯裸苗分苗装置为主，并取得一定成果。

武广伟等［21］以链带式为基础，设计一款用于甘薯裸苗固定的苗带，研制相应的送苗机构如图3所示。其中，苗带依靠上下两层扣带上的凹槽对甘薯苗进行定位，并通过其余位置的黏连层对定位后的甘薯苗进行固定，使得甘薯苗呈有序、等距排列，完成后的苗带可以卷起形成苗带卷，便于运输和自动化有序送苗。该装置解决了在移栽过程中由于人工分苗引起的效率瓶颈，将分苗作业和移栽作业分开进行，提高移栽效率，但在将甘薯苗安装至苗带上时，仍需依靠人工进行分苗、安装作业，实际整体移栽过程所需劳动力情况并未得到改善。

玄冠涛等［22］从甘薯苗群体纠缠的特性出发，设计一种振动式的甘薯裸苗分苗装置如图4所示，将多株带有茎叶交叉的甘薯苗投入分苗台，由于分苗台自身和水平方向呈一定夹角，使得甘薯苗在分苗台上会随着振动逐渐下落。分苗台由四部分组成：首先是喂苗区域，采用凸点板结构以减缓薯苗的下滑速度；其次是分离区域，依靠褶皱状隔板和压板形成楔形的裸苗通道，使得薯苗在下落过程中分离，减少薯苗间彼此纠缠，实现初步分离；第三区域是改向区域，该区域中设置了多个折弯板，在薯苗下落过程中，经过折弯板的同时由于折弯板两侧重量不同而向一侧倾斜，形成由水平下落向竖直下落的转向；最后是分隔运输区域，经过转向的甘薯苗落入分苗槽中，顺着分苗槽继续竖直下落直到落入传送装置。

鉴于薯苗大小不同，对振动式甘薯裸苗分苗装置分苗效果影响较大，张万枝等［23］设计一款振动气吸式甘薯裸苗自动分苗装置如图5所示。

该装置由苗箱和传送苗带两部分组成，其中，苗箱设置有振动器来施加一定的振动激励，将成捆的甘薯裸苗振散，从而滑落至传送苗带；传送苗带为气吸式传送带，苗带整体外侧面设有沿周向分布的苗槽，苗槽底部开设气孔；在苗箱和传送带相交汇处，为苗箱的出料口，设置有可旋转的毛刷辊和与吸风机相连的气室，甘薯裸苗落至传送带上后，由于气室内外压差，经由苗槽上的气孔被吸附在传送带上，毛刷辊的旋转对苗槽外的甘薯苗进行阻隔，使得传送带上的苗槽内除被吸附的甘薯苗外无其余杂乱的甘薯裸苗，保证了甘薯分苗的单株化。

這两种基于振动原理的甘薯裸苗分苗装置从理论上而言，确实能够实现甘薯裸苗的单株有序化分离。但从实际情况而言，甘薯苗的群体纠缠以及茎秆弯曲等特性随着收割茬数的增加而变得更加复杂，单纯依靠简单的振动激励，对甘薯裸苗的振散效果不佳，分苗效果和预期结果差距较大。

可见，甘薯苗分苗问题已经引起国内学者的高度关注，并进行了相关的探索和发展，但研究时间较短，对于甘薯苗叶片大、叶柄长、茎秆细以及群体纠缠现象严重等问题并没有较好的解决方案，甘薯苗的单株化成为了对甘薯苗分苗和其他裸苗分苗相区别的最关键问题。现有的分苗机构对于甘薯苗的姿态和群体纠缠等特性过度的理想化，与实际生产过程中所需要进行分苗的甘薯群体相去甚远。如何进一步优化甘薯苗的分苗机构，实现甘薯苗的单株有序化分苗，是目前甘薯移栽作业过程乃至整个甘薯产业发展的重要因素。薯苗分苗取苗装置分类方式见表1。

3存在问题和发展建议

3.1存在问题

3.1.1人工参与度较高

现阶段甘薯移栽机设计多为半自动移栽机，只是实现自动栽植过程，取苗、喂苗过程仍然需要人工去完成，作业过程需要配备专门人员进行分苗喂苗，没有将劳动力从甘薯移栽环节中完全解放出来。目前，甘薯移栽作业中分苗喂苗工作多以2人/垄的形式进行，虽在一定程度上提高了分苗效率，但由于人工分苗作业受劳动力因素影响较大，难以继续提高分苗效率，对于甘薯移栽作业的快速发展造成了严重的阻碍。

3.1.2甘薯分苗专用装置少

甘薯全自动移栽机的研制还处于设计研究阶段，主要原因在于甘薯苗的机械化分苗作业难度较大。甘薯苗自身的无序、群体纠缠等特性以及叶片大小不一、叶柄长短不一、茎秆粗且不规则等特点，使得机械化分苗取苗工作难以实现，加上薯苗的育苗、分苗均没有设立合适的规范和标准，更是导致薯苗的植株品质差异较大，影响到分苗取苗的精确度，使得甘薯专用分苗装置的设计存在一定的难度，难以实现大面积的推广及使用。此外，对薯苗特性特点的研究与利用匮乏和对更高效分苗手段的探索与应用不足，也使得甘薯专用分苗装置的设计思路受到局限，难以推陈出新，针对性解决目前甘薯移栽中分苗作业所遇到的难题。

3.1.3地区差异较大

我国地域辽阔，不同地区地形、气候等条件差异较大，使得甘薯的种植方式多样，单一的移栽机构无法适应、实现通用。目前，国内采用的甘薯移栽机械大多由国外样机或其余裸苗作物移栽机发展演变而来，一方面没有考虑到我国各个甘薯产区的地理位置、起垄技术以及栽植方式的差异性；另一方面没有明确甘薯和其余裸苗作物的区别，突出甘薯苗自身特点并加以运用。我国甘薯种植多以春薯为主，北方薯区由于气候寒冷，大田种植，需进行覆膜移栽；南方薯区由于地形原因，多为小田种植；长江中下游薯区则是平原与丘陵兼顾，大小田种植均有分布［24］。这使三大薯区所需求的甘薯移栽机的功能需求差异较大，无法实现通用机型推广，对甘薯移栽机设计提出更多挑战。

3.2发展建议

我国土壤类型、地形条件、水肥条件以及气候条件的不同，使得我国甘薯种植多样化，无论是甘薯的品种还是甘薯的种植方式都有较大的不同。依据不同地区以及不同薯种的特点，从育苗阶段开始设立标准化的育苗规范，实现工厂化育苗，为甘薯移栽起到辅助作用。此外，标准化育苗选苗能够进一步和甘薯移栽机上的分苗机构相配合，逐步实现甘薯产业在不同地区的耕整地技术、种植技术、移栽技术分别相互配套，实现依据地域特性的农艺与农机相结合的发展。

当前我国甘薯移栽机以半自动移栽为主，存在移栽效率低、移栽成本高等现象，成为制约我国甘薯移栽发展的主要问题。对于甘薯苗的分苗难现象，主要问题在于甘薯苗自身特性以及甘薯苗收获时的不规范导致，设立相关的标准化育苗剪苗规范，进一步研制移栽用甘薯苗的剪苗机构，可以初步解決由于群体纠缠引起的甘薯苗分苗困难的问题。其次，在对于甘薯自动移栽机的设计上来看，过分依赖于人工分苗的效率提升或是自动分苗机构的研制都将对甘薯自动移栽机的效率产生不利影响，可将移栽过程进一步分解，通过二次栽插的方式，将甘薯苗分苗难的问题由田间向车间内转变，从而提高甘薯自动移栽机在田间的工作效率。

对于甘薯苗分苗问题，需要对甘薯苗的物理特性等进行研究，在了解其生长状态及力学性质后，可以采用机械设备与视觉识别和信息技术等相结合方式，以智能化、信息化的手段实现甘薯苗的精确识别、定位、夹取和分离作业，最终实现甘薯苗在车间内的单株有序化分离，为甘薯移栽全自动化提供良好的基础，推动甘薯产业的发展。

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