王方艷,高洪偉
(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)
大蔥在我國栽培歷史悠久,常年種植面積約50萬hm2,是我國重要的蔬菜和調(diào)味品。目前,大蔥在山東、河南、河北等省大面積種植,種植面積約占全國總面積的40%,對地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的促進(jìn)作用。其中,山東大蔥享譽(yù)海外,常年種植面積約8.9萬hm2,是山東省重要的經(jīng)濟(jì)作物和創(chuàng)匯產(chǎn)品。在濰坊、濟(jì)南、臨沂等地,大蔥種植已經(jīng)成為地區(qū)品牌產(chǎn)業(yè),年出口量約占全國出口總量的70%,具有較好的發(fā)展空間和前景[1]。
當(dāng)前,大蔥種植采用先育苗再栽植后培土管理的種植農(nóng)藝。大蔥栽植前的整地、開溝環(huán)節(jié)的機(jī)械化率達(dá)70%,灌溉環(huán)節(jié)的機(jī)械化率達(dá)100%,大蔥培土機(jī)械化率達(dá)30%~40%;但占大蔥全程生產(chǎn)用工70%的大蔥移栽及收獲作業(yè)還主要依靠人工完成,整體機(jī)械化水平較低,嚴(yán)重影響著大蔥全程機(jī)械化的進(jìn)程[2]。尤其,種植環(huán)節(jié)正處于機(jī)械化種植起步階段后期的“瓶頸”時(shí)期,迫切需要解決機(jī)械化種植的關(guān)鍵技術(shù)。為此,從大蔥種植的現(xiàn)狀出發(fā),針對大蔥種植的農(nóng)藝要求,結(jié)合農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的狀況,分析了制約大蔥機(jī)械化種植的關(guān)鍵技術(shù),并探索解決關(guān)鍵問題的對策,對實(shí)現(xiàn)大蔥機(jī)械化種植、推動大蔥種植的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合、提高大蔥生產(chǎn)機(jī)械化水平具有重要的意義。
大蔥是山東重要經(jīng)濟(jì)作物和區(qū)域品牌,種植面積大、適應(yīng)性強(qiáng),可春季或秋季栽植,產(chǎn)量較高、種植效益好。近年來,隨著北方農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整及“天價(jià)大蔥”現(xiàn)象的出現(xiàn),大蔥種植面積及產(chǎn)量逐年遞增,并逐漸形成了以章丘的“市場蔥”和安丘的“出口蔥”為代表的生產(chǎn)模式。僅2013年,章丘大蔥種植面積達(dá)0.8萬hm2,總產(chǎn)量6億kg多;安丘大蔥面積達(dá)到1萬hm2,銷往日韓等20多個國家和地區(qū),并在山東起到較好的種植示范及推廣效應(yīng)[3-5]。由于直播種植占地時(shí)間長,大蔥種植多采用苗床育苗(或穴盤育苗)與大田移栽配合的種植模式,借助后期的培土作業(yè)以獲得大蔥的軟化假莖。掌握以章丘“大梧桐蔥”和安丘“日本鋼蔥”為代表的大蔥特性及種植農(nóng)藝,合理安排大蔥種植輪作模式,對提高土地單產(chǎn)率及提升大蔥機(jī)械化種植水平具有重要的意義。
章丘大蔥以“長、白、脆、甜”為特點(diǎn),辣味輕、適合生吃,可分為一年一茬的春季蔥和跨年種植的秋季蔥。一般,春季蔥在3月中旬-4月上旬采用苗床育苗,6月下旬移栽定植,10月-11月份收獲;秋季蔥為9月下旬-10月上旬苗床育苗,來年的6月中下旬移栽定植,11月中旬后收獲。此外,章丘部分地域探索了10月份蔥溝內(nèi)套種小麥及6月份收麥后移栽蔥的大蔥與小麥套種的模式。栽植時(shí),大蔥為選苗后的裸苗,鱗莖粗10mm左右,主要采用傳統(tǒng)的“水插”法,即溝內(nèi)澆透水后隨水將大蔥按標(biāo)準(zhǔn)株距手動直插,每天人工栽植效率為0.02~0.03hm2。其株距為50mm左右,種植行距為800~900mm,栽植深度為60~100mm,溝寬為200~300mm,溝深300mm,并將溝底寬150mm,深250~300mm的土層松動,以備插蔥[6]。章丘蔥種植農(nóng)藝如圖1所示。目前,章丘大蔥以秋播為主,收獲大蔥粗細(xì)勻稱、品相較好,株高約1 300~1 400mm,蔥白長為500~600mm,鱗莖粗30~50mm,單株重約0.5~0.75kg,每667m2(畝)產(chǎn)4 000~5 000kg,比春季種植豐產(chǎn)[7]。
圖1 章丘蔥的種植農(nóng)藝
安丘大蔥的主要品種是日本鋼蔥(鐵桿蔥),蔥白結(jié)實(shí)、纖維粗,吃起來辛辣味濃郁,多為依托蔬菜加工貿(mào)易公司的冷凍或加工出口蔥。人工栽植農(nóng)藝與章丘大蔥的栽植農(nóng)藝相仿,但行距為950~1 000mm,溝寬為200~300mm,溝深為300mm,溝底寬為150mm,株距為25~30mm,溝深為250~300mm。人工種植農(nóng)藝如圖2所示。隨著機(jī)械化種植機(jī)具的引進(jìn)及缽體育苗技術(shù)的發(fā)展,安丘大蔥改變了傳統(tǒng)春播與秋播的方式,依托蔬菜加工企業(yè)采用二年三茬的輪茬種植農(nóng)藝,以充分利用地力獲得較多的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,即通過缽體育苗技術(shù)縮短大蔥種植的占地時(shí)間。通常,在清明前后播種育苗,5、6月份移栽,10月份收獲;或7、8月份播種育苗,10、11月份移栽,次年3、4月份收獲的種植農(nóng)藝。種植時(shí),大蔥苗高約30cm,鱗莖粗7~8mm,種植行距為800~850mm,株距為30mm左右,溝寬為280mm,溝底寬為150mm,溝深300mm。近年來,大蔥穴盤育苗發(fā)展較快,一般每穴3苗,栽植時(shí)采用日本進(jìn)口機(jī)具完成[8]。機(jī)械種植農(nóng)藝如圖3所示。收獲時(shí),大蔥株高約1 100mm,蔥白長為350mm-450mm,鱗莖粗20~35mm,每667m2(畝)產(chǎn)約5 000kg。當(dāng)前,安丘的缽體育苗技術(shù)及種植方式正在逐漸推廣,并得到了農(nóng)戶和政府的認(rèn)可。
圖2 安丘蔥的人工種植農(nóng)藝
圖3 安丘蔥的機(jī)械種植農(nóng)藝
綜上所述,與其他移栽作物相比,大蔥移栽環(huán)節(jié)的季節(jié)性強(qiáng)、用工多、效率低,且勞動強(qiáng)度大,移栽要求高。目前,山東大蔥的種植行距及開溝寬度等參數(shù)相差不大,種植模式便于規(guī)范化,利于移栽機(jī)具研發(fā)及技術(shù)推廣。因大蔥品種種植存在差異、蔥苗規(guī)格不一、莖部柔軟,且大蔥移栽具有株距小(一般小于50mm)、栽植深(60~100mm)、直立性強(qiáng)等特點(diǎn),目前主要有裸苗移栽和缽體移栽兩種方式。其中,裸苗移栽一般經(jīng)過選苗工序,移栽大蔥大小均勻,收獲效益好;缽體移栽省工省力、效率高,發(fā)展前景較好,但一缽3苗,大蔥生長不一致,影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。因此,根據(jù)大蔥的種植目的及供應(yīng)需求,分別研制適于裸苗和缽苗的移栽機(jī)具,可提高大蔥的種植效益及生產(chǎn)規(guī)模。
歐美、日本等國外發(fā)達(dá)國家對移栽技術(shù)及裝備的研究較早,主要經(jīng)歷了20世紀(jì)30年代由手工喂苗的栽禾器移栽階段,20世紀(jì)40年代至50年代的土缽育苗和半自動移栽機(jī)具階段,直至20世紀(jì)80年代工廠化育苗技術(shù)及自動化移栽機(jī)具趨于成熟。目前,國外發(fā)達(dá)國家旱田移栽機(jī)的發(fā)展已比較成熟,主要集中在茄子、甜菜、油菜等蔬菜領(lǐng)域,并針對缽苗研制了氣力式、推出式、夾持式、平面四桿式、回轉(zhuǎn)式取苗投苗機(jī)構(gòu)及五桿取苗機(jī)構(gòu),開發(fā)了鉗夾式、吊籃式、導(dǎo)苗管式、鏈夾式、撓盤式栽植器;但在研究與推廣過程中仍存在結(jié)構(gòu)繁雜、體積大、成本高等問題。取苗投苗機(jī)構(gòu)如表1所示[9-14]。栽植器結(jié)構(gòu)及特性如表2所示[15-22]。取苗機(jī)構(gòu)和栽植器是移栽機(jī)械的關(guān)鍵部件。我國大蔥栽植時(shí),其直徑1~2cm,株高40~60cm,蔥白(假莖)長約20~30cm,且蔥頭須根極易纏繞,給大蔥的分苗和小株距栽植帶來困難。因此,全面、深入地研究機(jī)械化移栽技術(shù)與裝備仍是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。
表1 取苗投苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
續(xù)表1
表2 栽植器結(jié)構(gòu)及特性
續(xù)表2
大蔥移栽機(jī)的研制主要集中在亞洲,以日本久保田公司生產(chǎn)的KN-P6半自動大蔥移栽機(jī)和豐收產(chǎn)業(yè)公司生產(chǎn)的OP290/2100全自動大蔥移栽機(jī)為代表。KN-P6大蔥移栽機(jī)自帶動力行走,結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、栽植深度可調(diào),可借助橫向輸送帶將人工送入的裸苗傳送到撓性圓盤式栽植器,通過撓性圓盤的轉(zhuǎn)送及覆土鎮(zhèn)壓輪的配合完成大蔥裸苗的單行移栽;但生產(chǎn)率為0.01~0.015hm2/h,不能滿足大蔥高效栽植的要求,具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。OP290/2100 全自動大蔥移栽機(jī)適宜缽體蔥苗的栽植,采用推苗機(jī)構(gòu)及曲柄連桿機(jī)構(gòu)完成大蔥的自動推苗及放苗工序,借助金屬撓性圓盤式栽植器實(shí)現(xiàn)缽苗的柔性夾持,利用覆土鎮(zhèn)壓輪完成缽苗的扶正壓實(shí),機(jī)具主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖4 KN-P6半自動大蔥移栽機(jī)
圖5 OP290/2100 全自動大蔥移栽機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)
該機(jī)的栽植深度及蔥苗株距準(zhǔn)確可調(diào),一次完成2行或4行的缽苗移栽;推苗機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)整排缽苗的推出,使得移栽效率達(dá)0.1hm2/h;但整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高,價(jià)格昂貴(約40萬元),需要改變傳統(tǒng)的大蔥苗床育苗的方法,難于在我國大面積應(yīng)用和推廣[23-25]。
國內(nèi)旱田缽苗移栽機(jī)研究始于20世紀(jì)70年代后期,在借鑒國外先進(jìn)機(jī)型的基礎(chǔ)上,研制了柔性圓盤式移栽機(jī)及回轉(zhuǎn)式缽苗移栽機(jī)構(gòu),距離實(shí)現(xiàn)全自動化移栽還有較大的差距[26]。當(dāng)前,針對大蔥移栽技術(shù)及裝備的研究較晚,整體技術(shù)及水平較差,還缺少成熟的移栽技術(shù)及機(jī)具?,F(xiàn)有的移栽裝備主要針對大蔥的裸苗移栽設(shè)計(jì),且以人工送苗為主。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的撓性圓盤式大蔥移栽機(jī)為半自動化機(jī)具,通過橫向及豎向帶輸送大蔥裸苗,借助撓性圓盤栽植機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大蔥的小株距移栽,可實(shí)現(xiàn)株距為5~7cm,栽植深度為5~10cm,行距大于60cm的單行大蔥的移栽,如圖6所示。沈陽良雁農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的大蔥移栽機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊,采用人工送苗,實(shí)現(xiàn)了大蔥的低損夾持,栽植速度為100~160m/h,工作效率為0.01~0.015 hm2/h,且受人工送苗速度的影響較大,如圖7所示。
圖7 大蔥移栽機(jī)
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的鏈夾式大蔥移栽機(jī)采用人工分苗,通過苗槽喂入機(jī)構(gòu)將蔥苗送到適當(dāng)位置,借助夾苗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)蔥苗的夾持及投苗。該機(jī)重點(diǎn)解決了大蔥的零速栽植問題,但受喂入及投苗方式的限制,移栽效率低、易傷苗,且仍需人工分苗,如圖8所示。針對大蔥裸苗人工分苗效率低的問題,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的大蔥裸根苗自動送苗裝置采用多個取苗機(jī)械手將裸苗抓取,并通過多軸滑臺模組完成蔥苗的輸送,裸苗抓取率可達(dá)90%以上;但受裸苗形狀影響易發(fā)生漏苗和連帶現(xiàn)象,僅處于試制階段,如圖9所示。其試制的大蔥移栽自動快速投苗裝置仍需人工預(yù)先將裸苗擺到帶柵格的苗箱中,且需要扶苗器,結(jié)構(gòu)及運(yùn)動要求復(fù)雜[27-30]。
1.苗夾 2.投苗鏈條 3.喂苗鏈條 4.苗槽
1.機(jī)型 2.滑臺 3.取苗夾 4.苗箱
由此可見,大蔥傳統(tǒng)的裸苗栽植及國際上的缽體育苗種植技術(shù),為我國大蔥的種植提供了兩種種植模式,適于不同的種植環(huán)境及種植品種。大蔥移栽機(jī)主要分為適于大蔥缽苗的全自動式栽植機(jī)和大蔥裸苗的半自動栽植機(jī)。全自動栽植機(jī)裝有供苗裝置,能自動分苗并經(jīng)栽植器栽入溝內(nèi),覆土壓實(shí);但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,在我國推廣難度大。半自動栽植機(jī)是由人工或秧苗輸送機(jī)構(gòu)將蔥苗供給栽植器,通過栽植器抓取蔥苗后送入栽植溝內(nèi),并隨即覆土壓實(shí);但栽植速度低、人工勞動強(qiáng)度大,影響機(jī)具的研發(fā)及推廣。其中,栽植裝置及取苗送苗裝置是大蔥移栽的關(guān)鍵部件,決定著大蔥的種植效率及移栽質(zhì)量。
結(jié)合大蔥移栽株距小的特點(diǎn),現(xiàn)有的鉗夾式、吊藍(lán)式栽植器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,成本較高,作業(yè)速度慢(約30株/min),無法滿足大蔥小株距栽植的要求;導(dǎo)苗管式移栽器不能保證蔥苗栽植的直力度,易受前進(jìn)速度的影響,株距調(diào)整繁瑣;鏈夾式栽植器易傷苗、易漏栽,株距調(diào)節(jié)困難;只有撓盤式栽植器株距調(diào)整方便,傷苗輕,可以滿足蔥苗的株距移栽要求,但零速度栽植及直立度還需要進(jìn)一步的提升和完善。同時(shí),提升自動送苗技術(shù)及裝置是解決大蔥機(jī)械化移栽的關(guān)鍵問題,也是我國大蔥移栽裝備的重要發(fā)展方向。受大蔥裸苗外形不規(guī)則及蔥葉易纏繞的影響,實(shí)現(xiàn)裸苗自動分苗的難度較大,還沒有成熟的自動分苗機(jī)構(gòu)。國外主要針對大蔥缽苗采用推出式投苗裝置實(shí)現(xiàn)自動分苗,避免了常用的氣力式取苗機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動效率低的弊端,避開夾取式取苗機(jī)構(gòu)和對棍式取苗裝置的易損苗或缽體的缺陷。相比多桿取苗機(jī)構(gòu),推出式投苗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動軌跡明了、制作成本低的特點(diǎn),也是當(dāng)前國外普遍使用的一種自動取苗方式;但在分苗質(zhì)量及機(jī)構(gòu)制作繁簡程度上還需進(jìn)一步的完善和提高。
目前,我國對大蔥移栽技術(shù)及裝置的研究還主要處于模仿及借鑒的初級階段,核心技術(shù)及裝備遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于意、日等國外發(fā)達(dá)國家,許多關(guān)鍵技術(shù)及問題還亟待解決。主要表現(xiàn)為:大蔥種植要求高、區(qū)域性強(qiáng)、種植粗放,與移栽機(jī)具及配套機(jī)具脫節(jié),使得大蔥種植的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合不緊密;人工移栽及半自動機(jī)械化移栽勞動強(qiáng)度大,為大蔥種植的主要形式,在國內(nèi)市場占據(jù)較大份額,而全自動移栽機(jī)具還處于空白,整體機(jī)械化移栽水平及質(zhì)量有待提高;國家對大蔥種植投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)、精力及關(guān)注少,自主研發(fā)力量薄弱,沒有針對大蔥的規(guī)范化制度、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)及專業(yè)企業(yè);大蔥移栽機(jī)自動化程度低、產(chǎn)品單一、生產(chǎn)效率低、適應(yīng)性及可靠性差、生產(chǎn)成本高,種植的綜合效益不突出,難以滿足大蔥種植的不同需求。縱觀國外發(fā)達(dá)國家旱地移栽機(jī)具的發(fā)展歷程,結(jié)合我國大蔥種植區(qū)域性強(qiáng)、種植粗放、栽植質(zhì)量要求高的特點(diǎn),提出了我國大蔥移栽機(jī)的研究重點(diǎn)及建議。
1)移栽機(jī)研發(fā)與種植農(nóng)藝、育苗技術(shù)相結(jié)合。育苗、栽植及農(nóng)藝是一個不可分割的系統(tǒng)工程。結(jié)合大蔥的物理特性、種植模式及農(nóng)藝特點(diǎn),規(guī)范大蔥裸苗及缽苗種植方式、規(guī)格,設(shè)計(jì)和完善育苗技術(shù)及配套設(shè)備,并加快大蔥栽植方式與移栽機(jī)具的融合,實(shí)現(xiàn)育苗技術(shù)及移栽機(jī)具的協(xié)調(diào)配合。借鑒國外缽苗培育技術(shù),采用農(nóng)藝及機(jī)械等相關(guān)專家的定期交流及協(xié)同研究,推進(jìn)工廠化育苗技術(shù)發(fā)展及配套設(shè)備的完善,實(shí)現(xiàn)大蔥移栽機(jī)具與育苗設(shè)備的一體化及準(zhǔn)確配合。
2)自主技術(shù)創(chuàng)新與引進(jìn)吸收相結(jié)合。我國大蔥移栽處于人工喂苗的半自動化移栽階段,智能化及自動化水平低。在對國外現(xiàn)有技術(shù)和裝備消化吸收的基礎(chǔ)上,針對大蔥種植株距小、傳統(tǒng)裸苗移栽習(xí)慣及農(nóng)民購買力弱的條件,研制對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的半自動化移栽機(jī),逐步提高半自動化大蔥移栽機(jī)的人工喂苗速度、移栽的適應(yīng)性和可靠性,將是今后大蔥種植機(jī)具研究的一個主要發(fā)展方向。同時(shí),通過國際學(xué)術(shù)交流與合作,走出去引進(jìn)來,趨利避害、發(fā)揮優(yōu)勢互補(bǔ)的作用,研究缽苗的全自動移栽技術(shù)及裝備。通過加強(qiáng)自動取苗技術(shù)及裝置的研究及機(jī)-電-液技術(shù)的融合,攻克缽苗移栽的關(guān)鍵技術(shù)及裝備,為實(shí)現(xiàn)大蔥自動化、智能化移栽儲備技術(shù)。
3)專業(yè)研究與通用研究相結(jié)合。從實(shí)際需求出發(fā),強(qiáng)化產(chǎn)學(xué)研的研發(fā)模式,避免重復(fù)及低水平移栽技術(shù)研究,培植專業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及專業(yè)生產(chǎn)制造企業(yè),保證研究工作的延續(xù)性及嚴(yán)謹(jǐn)性。在借鑒國外研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,制定符合我國國情的統(tǒng)一評價(jià)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),篩選及比較現(xiàn)有機(jī)具,規(guī)范共性技術(shù)及裝置,實(shí)現(xiàn)技術(shù)及裝置的通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的快速轉(zhuǎn)化,確保大蔥移栽機(jī)的可靠性、利用率及推廣性。
4)政府扶持與市場導(dǎo)向相結(jié)合。爭取大蔥移栽科研專項(xiàng)扶持,組織科研院所、大中院校及地方龍頭企業(yè)進(jìn)行科技攻關(guān)及成果轉(zhuǎn)化,解決大蔥機(jī)械化移栽過程中的難點(diǎn)及瓶頸,提高大蔥種植的經(jīng)濟(jì)附加值及種植經(jīng)濟(jì)效益。加大大蔥移栽機(jī)具補(bǔ)貼力度,提高農(nóng)戶使用機(jī)械化移栽的熱情及企業(yè)參與研發(fā)及推廣的積極性。借助新型的農(nóng)村合作社等經(jīng)濟(jì)實(shí)體,采用訂單式種收管服務(wù)模式及社會化生產(chǎn)服務(wù)項(xiàng)目,補(bǔ)充政府扶持政策及資金投入的不足,發(fā)揮市場引導(dǎo)及經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)作用,開拓適于市場需求的技術(shù)及機(jī)具。
大蔥是山東廣泛種植的蔬菜,主要形成了以章丘裸苗栽植和安丘缽苗栽植的模式。其種植農(nóng)藝(行距、壟距、壟高等)相似,種植效益的逐漸突顯及耕整地裝備的發(fā)展,為大蔥移栽機(jī)械的規(guī)?;N植提供了可行性及基礎(chǔ)條件。由于大蔥小株距栽植、分苗效率低、栽植要求高等,給大蔥移栽技術(shù)及裝備提出了要求。我國大蔥移栽技術(shù)及裝備研究處于起步階段,智能化及自動化水平較低,主要為人工移栽及人工分苗的半自動化機(jī)械移栽。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)及勞動力的資源性短缺,針對大蔥的品種差異、種植銷售用途,進(jìn)行針對性的技術(shù)革新及儲備具有重要的意義。因此,研究自動送苗技術(shù)、零速栽植技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)大蔥育種栽培農(nóng)藝及農(nóng)機(jī)具的融合,提升半自動化機(jī)械移栽效率及性能,探索全自動化移栽關(guān)鍵機(jī)構(gòu)及技術(shù),已成為我國大蔥移栽種植的主要發(fā)展方向。