甘薯全程机械化技术路径与智能装备关键环节进展、瓶颈与趋势_申海洋.pdf

年 月农业机械学报第 卷第 期 甘薯全程机械化技术路径与智能装备 关键环节进展 瓶颈与趋势 申海洋 王公仆 严 伟 薛广玉 张万枝 周国民 胡良龙 农业农村部南京农业机械化研究所 南京 中国农业科学院农业信息研究所 北京 农业农村部现代农业装备重点实验室 南京 山东农业大学机械与电子工程学院 泰安 摘要 在甘薯产业由粗放生产向现代化 智能化转型背景下 构建覆盖育苗 起垄 移栽与田间管理 收获及产后衔 接的全程机械化体系 是缓解劳动力约束 降低生产成本并提升作业质量的关键途径 本文系统梳理国内外甘薯 机械化作业模式与技术路径 总结关键装备的发展现状与适配特征 比较不同国家机具配置与工艺链协同的差异 并归纳智能化与信息化赋能甘薯机械化的关键技术方向与发展趋势 我国甘薯机械化总体呈现 前端环节基础较 好 中后端短板突出 区域适配不足 结构性失衡 瓶颈主要集中在农机农艺关键参数与标准体系不健全 丘陵山区 与小地块场景成套装备供给不足 以及复杂工况下关键部件工况适应性与可靠性偏低等方面 面向高质量与规模 化需求 提出以轻简化与成套化为基础 以智能化闭环与信息化协同为牵引的系统集成路径 推动甘薯机械化由单 环节优化向全链条稳定提质升级 为粮食安全 绿色生产与智能农机产业发展提供支撑 关键词 甘薯 全程机械化 作业模式 技术路径 智能农机 中图分类号 文献标识码 文章编号 收稿日期 修回日期 基金项目 国家重点研发计划项目 国家甘薯产业技术体系项目 年南京市博士后科研项目 中国农 业科学院基本科研业务费专项 江西省农机装备研发制造推广应用一体化试点项目 国家重大农业 科技项目和山东省薯类产业技术体系农业机械岗位专家项目 作者简介 申海洋 男 博士后 主要从事农业智能装备技术研究 通信作者 胡良龙 男 研究员 主要从事电动农机与丘陵装备研究 引言 甘薯作为兼具食用 饲用和工业加工等多重功 能的块根作物 在全球粮食安全 营养改善和乡村经 济发展中具有重要地位 依托耐贫瘠 抗逆性 强等生物学特性 甘薯在非洲 亚洲和拉丁美洲广泛 种植 是许多发展中国家应对气候变化和粮食短缺 的重要作物 联合国粮农组织统计显示 年全球甘薯种植面积约 总产量接近 其中中国种植面积达 产 量约 分别占全球约 和 长期位居世界首位 甘薯生产过程包括育苗 耕整地与起垄 剪苗与 秧蔓处理 移栽 田间管理以及收获等多个环 节 各环节作业质量与作业效率共同决定块根 膨大和商品品质 与小麦 水稻 玉米等主要粮 食作物相比 甘薯全程机械化发展具有显著的 前 端高 中段弱 末端难 特征 耕整地与起垄环节已 基本实现机械化 但移栽与收获环节受秧苗柔软 块 根浅生且易损伤以及丘陵山地 小田块普遍存在等 因素制约 机械化水平明显偏低 移栽作业需 要实现连续取苗 定量送苗与稳定覆土 对整机结构 匹配和运动协调性要求较高 收获环节则需在 复杂土壤条件下兼顾挖掘深度控制 薯土分离和块 根防损 作业机理明显区别于籽粒作物和直立根茎 作物 在劳动力成本上升 规模化经营加快推进以及 国家 全程机械化 综合农事服务 持续实施的背 景下 国内外针对甘薯全程机械化开展了大量技术 与装备研究与示范应用 栽植前端以 苗 源更标准 作业更省工 为主线 工厂化育苗逐步提 高种苗一致性 苗带供苗自动移栽与 旋耕起垄覆 膜 或膜上 栽植 复式作业减少进地次数并提升栽 植深度 株距等关键质量指标的稳定性 秧蔓与 茎尖利用环节围绕 能收 好转运 少缠绕 开展改 进 双辊式薯蔓回收机与多用途菜用薯尖收获机推 动薯尖菜用和秧蔓饲用的机械化利用 同时降低人 工拣拾与搬运强度 收获后端聚焦 少伤薯 少 漏挖 少带土 牵引式与自走式甘薯联合收获机及 其输送分离部件通过离散元仿真与田间试验反复校 核 收净率与破损率等指标得到持续改进 美 国 日本等甘薯主产国在工厂化育苗 半自动 自动 移栽 小型自走式联合收获以及秧蔓饲料化利用等 方面积累了较成熟的机具体系与作业组织方式 可 为中国按区域条件与经营规模分层构建全程机械化 技术路线提供直接参考 基于上述进展 本文 从全程作业链出发梳理技术路径与装备演进 辨别 关键短板 并提出面向不同地区与经营主体的系统 集成建议 甘薯机械化作业模式 甘薯全程机械化的技术路径主要体现在宜机化 种植 起垄移栽与收获环节的作业模式上 作业模 式由起垄形式 栽插行数 垄体结构及工序集成方式 共同决定 是育苗 移栽 田管和收获机械配置的 基础 甘薯宜机化种植模式 甘薯机械化种植以垄作为核心 围绕 起垄行 数垄体宽度垄上栽插行数 组合形成 种典型模 式 图 在丘陵山区和小田块区域 黏重土 壤 单行起垄单垄栽插模式配套小型机具 适应性 强但作业幅宽有限 在地块规整 规模化程度较 高的平原区域 砂质土壤 大垄双行或宽垄单行双 行栽插模式通过在宽垄上布置双行薯尖 并与起垄 施肥覆膜移栽联合作业机配套 以提高土地利用 率和作业效率 在中等规模经营中 双行起垄单 行栽插与双行起垄双行栽插模式通过一次成垄 多 行栽插实现机具与栽培农艺的协调 在规模化商 品薯生产条件下 三行起垄双行栽插模式预留通行 垄 便于机械对行作业 这些模式构成不同区域 甘薯机械化栽培的基本类型 为移栽 田管与收获装 备的配套衔接提供了农艺基础 甘薯机械化起垄移栽模式 甘薯机械化起垄移栽是衔接种植模式与田间管 理的关键环节 其技术路径依据工序集成度与作业 流程可分为 种典型模式 图 旋耕起垄移栽 第 期 申海洋等 甘薯全程机械化技术路径与智能装备 关键环节进展 瓶颈与趋势 图 甘薯机械化种植模式 图 甘薯机械化起垄移栽模式 一体化模式 通过复式作业机具一次性完成旋耕至 栽插全过程 具有作业连续 效率高 保墒性好等优 势 是平原规模化产区的主流方式 旋耕起垄 移栽分段作业模式 将工艺流程分为 个可灵活调 序的独立环节 适应丘陵山地及中小田块地形与农 时差异 对机具配套的兼容性更强 旋耕起垄后 适时移栽模式 在起垄后根据土壤墒情 气候等条件 择机移栽 有利于维持垄体结构 避免板结 多用于 规模化生产中农艺调控 模式选择受地形条件 田块规模 种植农艺及机具类型共同影响 在平原地 区以一体化模式为主 分段模式为辅 丘陵山区则侧 重分段或适时移栽模式以兼顾适应性与通过性 从 而为田间管理与收获作业提供有效的农艺基础 甘薯机械化去蔓收获模式 甘薯收获作业普遍由秧蔓处理和薯块收获 部 分构成 收获流程主要分为分段收获模式和联合收 获模式 图 秧蔓处理可分为秧蔓收集利用 割 蔓后集中收回 作为饲料或有机物料 和秧蔓粉碎 还田 碎秧后均匀抛撒于垄面或行间 为挖掘作业 提供清垄条件 在此基础上 分段收获模式采用 挖掘犁 挖掘铲或带式挖掘机具将薯土混合物翻出 地表 由人工完成拣拾与分选 适用于丘陵山地和小 规模种植区域 是人工向机械化收获过渡的主要形 式 联合收获模式则在同一平台上集成秧蔓切断或 粉碎 块根挖掘 输送分离及集薯分拣等工序 收获 产品可在机上直接完成初步分拣与装箱 更适用于 地块规整 规模化和商品化程度较高的生产体 系 图 甘薯机械化收获模式 通过不断优化甘薯机械化种植 移栽与收获模 式 能够有效提高农业生产的机械化程度 提升作业 效率 并在不同的作物需求和地形条件下灵活选择 最合适的作业模式 从而推动甘薯产业向更高效 低 成本的方向发展 甘薯全程机械化装备与技术路径 甘薯全程机械化覆盖育苗供苗 耕整地起垄 移 栽 田间管理 秧蔓处理与块根收获等关键环节 其 装备成熟度 作业可靠性与系统配套性共同决定劳 动生产率 成本结构以及减损控伤水平 受蔓生 匍匐生长 块根地下非定向膨大与高垄栽培等生物 学特性及农艺模式约束 全球甘薯生产在机械化推 进过程普遍呈现结构性不均衡 耕整地环节相对成 熟 而移栽与秧蔓利用薄弱 收获阶段挖掘分离输 送机理复杂且区域适配性不足 中国甘薯综 合机械化水平稳步提升 但提升主要由前端贡献 移 栽自动化 秧蔓资源化利用与低损伤联合收获装备 等仍是全链条提质增效的短板 甘薯全程机械化可推广性受区域生产条件对作 业过程的系统性约束影响 且南方多阴雨 北方干旱 和西北砂质土壤等不同地形的适应性差异 在南方 多阴雨区 频繁降水和较高的土壤含水率导致田面 农 业 机 械 学 报 年 承载力波动 影响作业可进入性 成垄与移栽质量易 受塌垄影响 收获期则可能出现黏附加剧现象 在北 方干旱区 土体硬化和块土比例上升增加旋耕起垄 与挖掘阻力 薯块冲击与表皮损伤风险上升 作业参 数依赖限深与分离强度的匹配 在西北砂质土区 垄 体稳定性较弱 筛分与输送过程漏失风险突出 需协 调成垄强度与分离方式 在此基础上 如图 所示 将关键环节装备组织归纳为 条典型技术路径 微小型路径面向丘陵山区与小地块 强调轻量化 与通过性 通常需较高人工补充保证作业连续 中型路径面向中小规模经营 突出模块化配套与 分段组织 在效率 成本与适应性之间取得平衡 大型路径面向平原规模化产区 依托较大功率平 台实现连续高效作业与质量一致性 对田块连片度 与作业服务组织要求更高 条路径为各作业环节 装备与关键机构分析提供了统一的技术框架 图 甘薯机械化技术路径 育苗机械化装备与技术 甘薯育苗是全程机械化作业链起点 苗源质量 与供苗方式将通过 供苗移栽栽植质量 逐级传 导 直接影响移栽作业的株距均匀性 栽植深度稳定 性与成活率 传统 块根催芽露地苗床育苗人工 剪苗 供苗 方式劳动投入大 且苗长 节位与含水 状况波动明显 难以满足规模化机械移栽对苗源整 齐度与稳定供苗的要求 因此 育苗机械化的 关键应聚焦苗床整地与成床质量稳定 灌溉与水分 管理配套 取苗与供苗作业节本增效 并与移栽机的 供苗方式相匹配 国内育苗机械化目前总体处于 苗床作业机械 化相对成熟 供苗环节机械化起步 阶段 主产区 已普遍应用拖拉机配套旋耕起畦 起垄 联合作业 装备 实现碎土 整平与床体几何一致性控制 为均 匀出苗提供基础 图 设施端以大棚 温 室 图 配套喷灌 微喷或滴灌并叠加环境监测与 阈值控制为主 可提高出苗率与苗齐度 降低气候波 动影响 但剪苗 集苗与标准化供苗仍以人工为 主 穴盘 基质化与苗带化育苗用于自动供苗的研究 与示范虽已启动 但整体仍处于起步阶段 国外育苗体系体现 条路径 一类依托工厂化 育苗推动过程标准化并服务自动移栽 另一类更强 图 甘薯育苗机械化技术 调健康种苗认证与检疫制度保障苗源安全 但剪苗 与供苗的高自动化并未实现 国内外甘薯育 苗模式与装备见表 中国下阶段应以机械移栽需 求为牵引 优先推进苗体工程指标与供苗接口标准 统一 带动剪苗与低成本供苗装备由示范走向规模 应用 在作业衔接上 苗源一致性提升后 移栽环节的 约束更集中于 姿态轨迹对行基准垄膜边界 匹 配 因此需依托起垄环节形成稳定几何基准 并在移 栽环节实现与供苗接口相适配的栽插组织 起垄机械化装备与技术 高垄栽培通过改善根区通气排水 增温保墒 提 供稳定的结薯空间 是甘薯高产与商品薯形成的关 键环节 起垄质量主要通过 类指标表征 垄形 第 期 申海洋等 甘薯全程机械化技术路径与智能装备 关键环节进展 瓶颈与趋势 表 国内外甘薯育苗模式与装备 模式区域 国家典型技术路径主要技术优势主要局限性与挑战 露地苗床 人工 供苗 中国中西部 东 南亚小农区 微耕机 小型拖拉机整地 人工摆放种薯 与覆盖 简易灌溉投入低 适应性强 劳动投入大 苗齐度受气候影响 明显 病虫害风险较高 设施苗床 整地 机械化中国主产区基地 旋耕起垄联合作业机 大棚 温室 喷 灌 微喷 滴灌 配套管理 成床质量稳定 出苗率 与苗齐度提高 自动摆薯与取苗环节机械化不 足 剪苗与集苗耗时 工厂化穴盘育苗日本 韩国 荷兰工厂化育苗线 标准穴盘与基质 潮汐灌溉苗床 计算机控制环境标准化程度高 苗株整齐 便于组织化供苗投入成本高 取苗 喂入与移栽机构适配仍需优化 苗带化育苗 研 发 示范 中国 科研与试 验示范 可降解苗带 纸质 无纺布等 卷盘化 供苗 渗灌 喷灌有利于连续供苗与栽插 仍在示范阶段 苗带成本与降解 周期需验证 大型露地 温室 育苗 美国 澳大利亚 等 大型起垄整床 喷灌系统 半自动剪苗与 苗捆供应适配大农场组织化生产剪苗与供苗机械化提升相对缓慢 几何参数 如垄高 垄顶宽 垄底宽 垄距 影响结 薯层空间和移栽 收获的对行边界 垄体紧实度 及均匀性 如容重 影响垄体抗塌陷能力和水分养 分运移 行距一致性与直线度 直接影响铺膜 滴 灌带布设及移栽与收获的通过性 研究表明 垄形 波动与紧实度不均会增加苗期差异 并在收获期导 致漏挖 碰伤和堵塞风险 因此 起垄目标是保持垄 形参数稳定 行距一致 对行可靠 为后续作业提供 统一基准 起垄不仅影响结薯空间与水热条件 还 为移栽对行 田间通行和收获限深提供几何基 准 在不同区域条件下 成垄质量对后续作业 的影响显著 在南方多阴雨区 过高含水率易引发土 体涂抹和垄体弱化 降低移栽对行精度 北方干旱区 土体硬化增加功耗 影响垄面质量与中耕通行 西北 砂质土区垄体松散 需强化成垄稳定性并优化覆土 策略 国内起垄装备处于成熟应用阶段 成垄原理主 要有 类 旋耕碎土抛土成垄 刮板整形 特点是 碎土与成垄同步 效率高 适用于土壤较疏松工况 犁铧开沟分土镇压整形 通过镇压辊提高垄体紧 实度与稳定性 适用于对垄形保持要求较高的工况 图 围绕农艺配套需求 已形成较多起垄覆膜 复合作业机 图 与起垄施肥 施药复合作业机 图 实现成垄 铺膜压膜 覆土以及条带施肥 施 药等工序同机完成 减少进地次数并提升作业效 率 面向垄内投入药和肥 部分机具采用垄内 开沟器与施肥 施药器组合 实现条带位置与深度控 制 其效果依赖开沟器和覆土整形部件与作业速度 等参数 国外起垄机械主要沿 条路线发展 欧美规模 化生产区以多行垄作为主 强调幅宽效率与断面一 致性控制 并将起垄与铺膜 滴灌带铺设 条带施肥 等作为成套单元集成 图 日韩等精细化经营区 域以小型 自走 悬挂式 旋耕起垄一体机为代表 图 单垄 双垄起垄机具 图 起垄覆膜复式作业机 图 起垄施肥 施药复式作业机 图 欧美大型起垄机械作业机具 突出小田块与设施边界条件下机动性及复合作业能 农 业 机 械 学 报 年 力 图 在作业质量评价方面 国外研究多将垄 形一致性 条带布设偏移与深度误差作为关键指标 图 日本小起垄机械作业机具 并与出苗整齐度 养分利用效率等农艺响应进行关 联分析 综上 起垄环节优化重点应由 机型多样 转向 参数范围明确与质量可检验 面向移栽对行与 收获限深的共同需求 结合区域土壤与栽培模式 明 确并推广垄高 垄距 垄顶宽 膜面宽等关键参数 围 绕垄形稳定 紧实度均匀与直线度 建立可检测 可 对标的作业质量指标与测试方法 推进起垄与后续 机具的成套配置与参数匹配 降低跨机具 跨地块条 件下失配风险 表 表 国内外典型起垄装备 类型成垄机理关注指标主要优势主要局限 旋耕 刮板抛土起垄 机 旋耕碎土 抛土聚 垄 刮板成垄 断面几何稳定 垄距一致 对行 直线度成垄效率高 适配性广 黏重 湿黏与石砾地块稳定 性受限 犁铧分土 镇压整形 起垄机 犁铧开沟分土 镇压 辊 或罩 整形 紧实度均匀与可调 断面抗塌 陷垄体稳型 利于后续对行 牵引阻力与参数匹配要求较 高 起垄覆膜一体机成垄 铺膜压膜 覆土垄顶平整与膜边覆土一致 膜垄同轴单次进地多工序 节本增效结构复杂 对动力 液压输出要求提高 起垄施肥 施药复式 机 成垄 条带 或分 层 施用 覆土整饰 肥 药条带位置与深度一致 垄 芯 弧面 定位 农机农艺深度耦合 提升投 入品效率 对地况敏感 需工况自适应 与参数优化 国外多行床作起垄覆 膜机 床作整形 铺膜 覆 土 可集成滴灌 幅宽效率 断面一致性 成套接 口标准化 规模化效率高 成套集成度 高 依赖规整田块与规模经营 投资较高 国外双行起垄机具双垄成型 整形小田块机动性 对行与断面可控灵活 适合精细化经营幅宽与效率受限 薯尖 茎尖 采收机械化装备与技术 薯尖采收面向标准化种苗供给与茎尖商品化生 产 作业对象含水率高 易挤压损伤且冠层遮挡明 显 机械化关键在于稳定完成 扶持集拢定高切 割低落差输送集料装载 连续作业 与叶菜收获 机在机构组成上相近 往复式割刀实现剪切 扶持 拨禾装置完成植株姿态整理 带式输送与集料装置 实现连续转运 因此 基于叶菜收获平台进行构型 与参数匹配 是形成薯尖专用机具的主要技术路线 之一 国内装备总体沿 平台复用部件专用闭环控 制 演进 以轻简化电驱或小型自走底盘为载体 集 成往复式双动割刀 扶持拨禾与带式输送集料单 元 形成可移植的茎尖采收构型 图 为 抑制留茬波动并降低挤压损伤 关键在于割台离地 高度与行走拨禾输送的协同控制 通过位移 高度 传感与增量式控制策略 可将割台对地高度误差控 制在较窄区间 从而提高留茬一致性与完整 率 国外专用装备供给相对有限 但通用叶菜机具 已形成可对标的范式 型叶菜收获机典 型工艺链为 扶持集拢 对行切割夹持输送带有 图 国内甘薯薯尖收获机 序转运作业平台人工整束 装箱 图 优势在 图 型叶菜收获机 于连续作业能力强 输送有序化程度高 单位时间处 理量大 型步行式叶菜收获机则依托可 调高度底盘与气力集料实现低接触切割与集料 图 在轻质茎尖物料条件下 气力输送易产生 逸散与漏失 应通过气流整形与集料腔体结构的协 第 期 申海洋等 甘薯全程机械化技术路径与智能装备 关键环节进展 瓶颈与趋势 图 型叶菜收获机 同设计进行抑制 综上所述 该环节主要约束已从 有无机具 转 向 作业稳定性与适配性 如表 所示 农艺条件 直立性 密度 留茬高度范围 必须与机具割台高 度调节范围及扶持集拢能力匹配 装备侧应以留茬 高度波动 完整率 缠绕堵塞发生率作为核心指标 围绕割台高度 行走拨禾输送速度匹配进行参数 标定 作业时需保证行距与田间通行条件一致 并匹 配集料更换与转运 降低跨地块条件下性能波动 表 国内外典型薯尖与茎尖收获装备 类型代表机具关键作业链关键参数适用性与局限 平台移植型 国 内 电动 轻型茎尖采 收平台 往复式割刀扶持拨禾带 式输送集料 割台对地高度控制 行走拨禾输送 速度匹配 抑制留茬波动与挤压损伤 通用性强 对缠绕与集料节 拍敏感 专用型 国内 菜用甘薯茎尖收获机往复式切割低落差输送箱 袋集料高度 速度与割刀参数组合标定 输送过程与落差控制受形态与含水率影响较大 集料更换制约连续作业 高通量有序输送型 国外 型叶菜 收获机 扶持对行切割夹持有序 输送整理装箱 强调有序输送与节拍稳定 对直立性 与整齐度要求高 效率高但投入大 薯尖需针 对缠绕与形态差异改装 小型步行型 国 外 步行式叶菜收获机切割集拢输送 集料低扰动切割 集料装置防飘散 漏失 机动性好但通量有限 组织 节拍受人工影响明显 移栽机械化装备与技术 甘薯移栽在全流程中处于关键位置 输入端受 育苗供苗对象及接口形态的约束 作业边界受垄形 几何和直线度提供的对行基准约束 输出端通过行 间可通行性影响田间管理效率 并间接影响收获阶 段的限深稳定性和作业有效性 目前 移栽自动化 水平仍较低 主要受 裸苗形态离散取苗与定向不 稳定栽插姿态与对行一致性耦合 制约 裸苗通 常具有柔嫩茎秆 长度和粗细差异大 叶片繁多和根 系缠绕等特点 使得链夹式 挠盘式等机构在较高速 度下容易出现分苗失败 夹持偏转和损伤 从而形成 以人工喂苗为主的半自动作业模式 国外技术路线以 降低取苗难度 保障姿态一 致性 为主线 形成 类较成熟方案 牵引式半自 动移栽机 通过机具完成开沟 覆土与镇压 人工投 苗承担 分苗定向 关键环节 以组织层面换取稳 定性 小型自走 步行式专用或通用移栽 平台 通过苗盒 苗带预整理与夹持输送机构实现斜 插或膜上栽插 并强化割台 夹持高度调节以适配覆 膜床作 典型国外移栽机如图 所示 上述路 线共同特征是把不确定的裸苗供给转化为可整理的 供苗方式 以降低栽植环节的随机性 国内装备总体呈 复式作业成套化 覆膜与姿 态专用化 供苗标准化探索 条并行路线 一方 面 旋耕起垄开沟栽插覆土镇压等多工序联合 作业机在露地体系具备应用基础 优势在于起垄与 图 国外移栽机 栽插边界同步形成 便于保证行距与对行基准 图 另一方面 针对覆膜栽培与多节 图 国内移栽机 浅埋需求 膜上移栽 横向移栽与电动自走式移栽机 等专用机型通过 膜面开孔 开缝定高夹持轨迹 约束 提高姿态可控性 图 同时 面向 自动取苗 瓶颈 苗带 苗盘供苗方案通过将 秧苗预固定于连续载体 使取苗由随机抓取转为节 农 业 机 械 学 报 年 拍切取或顶出 为自动化移栽提供工程路径 图 综上 移栽环节提升重点应由 机型增多 转 向 垄型与姿态参数固化 作业质量可评价 结 合区域栽培模式 明确垄距 垄顶宽 膜面宽与目 标栽插姿态的参数范围 并与栽植器轨迹边界对 应 建立以取苗成功率 姿态偏差 损伤率 漏栽率 为核心的质量指标体系 对机具与作业参数评价 以苗源预整理提高供苗一致性 减轻取苗与定向 环节的不确定性 从而提升跨地块 跨品种适用 性 国内外典型甘薯移栽装备见表 移栽完成 后 系统约束由 栽插一致性 转向 通行稳定 性 并在田间管理环节体现为对垄体结构与行间 可通行性的要求 表 国内外典型甘薯移栽装备 类型代表机具 方案供苗与栽植方式关键技术要点适用性与主要约束 国外半自动牵引 式 美国 公司半自动 链夹式甘薯移栽机 人工投苗 机具开沟覆土镇 压 以组织替代自动取苗 强调 深度 株距一致仍依赖人工与熟练度 国外小型自走 步行式日本小型专用 通用移栽机 苗盒 苗带预整理 夹持 输 送斜插 多为覆膜 高度调节 轨迹约束 膜面开 孔协同 幅宽有限 设备成本高 对预 整理要求高 国内复式作业型旋耕起垄复式移栽机人工喂苗 栽植器栽插 与起垄同步 多工序耦合 对行边界同步固化自动取苗未解决 受喂苗节拍约束 国内覆膜专用型膜上移栽机膜面开孔 夹持 栽植膜面边界约束 定高栽插对垄膜一致性与苗长区间敏感 国内自动化探索 型苗带 苗盘自动移栽样机 苗带连续供苗 切取 顶出 节拍栽植 通过载体 结构化供苗 收 敛取苗自由度 苗带成本 耐久与田间可靠 性待验证 国内姿态专用型横向移栽机人工喂苗 横向浅埋多节浅埋 姿态可控结构复杂 速度上限受限 田间管理机械化装备与技术 甘薯田间管理主要包括中耕除草与培土 水肥 管理以及病虫害防控 机械化程度受 类工程条件 约束 高垄垄沟通行与轮距 离地间隙匹配 冠层封 闭导致株间作业干扰 以及根区投入品条带施用对 位置与深度的要求 该环节可借鉴行作作物通用平 台 但要稳定传递 作业质量群体整齐度后续通 行性 需围绕垄体断面 入土边界与喷施沉积 漂 移等关键参数进行适配与固化 图 田间管理在提升投入品效率的同时 应维持垄体结 构与行间可通行性 以保证收获阶段限深稳定 物料 流连续与有效作业率 图 甘薯中耕培土除草机 国内路径以 通用平台改型 关键部件组合 为主 中耕培土除草通过窄轮距 或跨垄 与松土 铲 翼铲除草铲培土器的模块化配置 实现垄沟通 行与覆土边界稳定 作业质量对土壤含水率 入土 深度与作业速度敏感 参数偏离易出现垄侧塌陷 伤 苗或培土不足 从而影响后续通行与田间一致 图 传感处方执行闭环水肥调控架构示意 图 田间管理机器人 性 水肥方面 滴灌带与施肥装置 垄间追肥机 等硬件覆盖较充分 但处方生成规则 分区供给精度 与 传感决策执行 闭环标定流程仍相对薄弱 变 量灌溉 变量施肥以示范应用为主 植保方面形 成地面喷施与无人机喷施并行格局 无人机在冠层 封闭期具有通行优势 国外发展更强调株间精准作业与作业过程数 字化管理 对行间管理 基于视觉 光谱作物行识 第 期 申海洋等 甘薯全程机械化技术路径与智能装备 关键环节进展 瓶颈与趋势 别与自动对行技术可支撑机械除草 靶向喷施与 作业质量监测在高地隙平台上集成 提高株间作 业精度并降低非靶标扰动 对水肥管理 以 土壤墒情 气象与作物生长信息为输入 形成分区 供给方案 并通过作业记录与产量 长势反馈对参 数进行校核 突出 施用位置与剂量的可控 可核 查 植保则将监测 处方与变量施药组织 成规范化作业流程 并以漂移测试与作业规范约 束外逸风险 实现剂量匹配与环境风险控制的工 程化管理 总体差异已由 是否具备机具 转向 作业指标 参数控制与作业记录 系统化水 平 表 表 甘薯田间管理关键环节国内外机械化路径与装备 作业环节国内主流路径与装备国外先进路径与装备关键差异 中耕除草 与培土 通用中耕机改型 窄轮距或跨垄 松土铲除草铲培土器组合 视觉 光谱识别驱动作物行定位 自动对 行 机械除草 靶向喷施集成平台 国内以 通过性与作业完成 为主 国外强化 行 识别对行控制株间精细作业质量监测 闭环 水肥调控滴灌带 施肥装置 追肥机 分区与变量控制多处示范传感器 模型驱动处方 分区供给与执行回传校正成熟国内短板主要在处方生成与执行精度 闭环标定流程 国外强调可执行与可验证 病虫害绿 色防控 地面喷施与无人机并行 以覆盖 完成为主 监测处方变量施药链条 漂移与剂量 匹配标准化约束 核心从 覆盖 转向 有效沉积漂移约束剂量匹 配 国外在标准与闭环方面更系统 收获机械化装备与技术 甘薯收获由秧蔓清理 块根挖掘 薯土 杂分离及 输送集料等环节构成 受块根表皮脆弱 入土深度不 一 秧蔓缠绕及黏附性土壤影响 损伤 漏挖及含杂相 互制约 影响作业质量的关键因素包括 对行与限深 稳定性决定挖掘部件与块根的接触概率 分离清选单 元的激励强度及卸料落差影响损伤与含杂程度 物料 流连续性与转运协调性决定堵塞发生及作业 率 收获阶段损伤与漏挖受前序环节塑造的作 业边界约束影响 行距与对行基准改变块根相对位 置 垄体稳定性与通行条件影响限深控制 秧蔓清理 质量决定缠绕与堵塞 区域土壤与含水率条件对收 获的损伤与遗漏贡献显著差异 砂质土因颗粒磨蚀与 表皮脆弱性使损伤敏感 黏重土在高含水率下易产生 附土与堵塞 干旱硬土条件下冲击损伤增强 需优化 参数匹配与缓冲控制 收获技术路线可概括为 秧蔓处理 分段收获与联合收获 类 秧蔓处理 秧蔓处理旨在尽量降低垄体扰动与触薯风险的 前提下实现秧蔓快速清理 为挖掘与分离环节提供 稳定的作业边界 并减少缠绕堵塞风险 国内 装备已形成步行式小型粉碎还田 悬挂式单 双垄碎 蔓还田以及自走式藤蔓回收等类型 图 典型 作业过程为拢蔓 挑蔓切断粉碎抛撒或集料 主 要控制参数集中于刀辊线速度 离地间隙 前进速度 以及导向与防缠绕结构的匹配 国外多垄粉 碎与收集机具在作业量与可靠性方面表现突出 但 在垄作贴地漏割控制 匍匐缠绕形态适配以及地头 转运组织方面仍受到作业条件与配套体系的制约 图 秧蔓处理装备类型及技术要点见 表 图 国内秧蔓处理机型 图 国外秧蔓处理机型 表 甘薯秧蔓处理装备类型与技术要点 类型关键作业链关键参数 要点适用性与局限 步行式粉碎还田拢蔓切断粉碎抛撒离地间隙与导向 低速稳定机动性强 效率受幅宽与人工随行限制 悬挂式粉碎还田挑蔓切断粉碎抛撒刀辊与前进速度匹配 防缠绕结构幅宽大 对功率与地头条件要求较高 藤蔓回收 青贮捡拾切碎集箱捆转运节拍与容积匹配 堵塞控制资源化价值明确 连续作业受物流组织约束 多垄粉碎 收集切割粉碎收集 抛撒高通量下防缠绕与落料均匀性效率高 贴地漏割与匍匐缠绕适配仍需改进 农 业 机 械 学 报 年 分段收获 分段收获通常采用 秧蔓处理挖掘起薯人 工 半机械拣拾 作业流程 通过较低的机具集成度 获得较强的地块与土壤适应性 在丘陵缓坡 小地块 及劳动力相对充足地区仍具应用基础 国内 常见机型包括挖掘犁 栅条 振动式挖掘机 升运链 式挖掘机等 图 形成从 简易起薯 到 挖 掘初步清土 的不同配置层级 分段收获作业质 量主要受 类因素控制 挖掘部件的入土角 作业深 度与限深稳定性影响触薯与漏挖风险 栅条或升运 链的线速度 振动强度及过渡落差共同影响清土效 果 土壤含水率与黏附性影响夹土 堵塞与清土难 度 小型牵引或手扶配套挖掘机可降低劳动 强度 但受幅宽 对行与限深稳定性限制 作业质量 对工况波动更敏感 甘薯分段收获装备类型与技术 要点见表 图 挖掘犁 图 甘薯分段式收获机 表 甘薯分段收获装备类型与技术要点 类型分离机理适用条件优势主要局限 挖掘犁 简易 仅挖掘抛出小规模 土壤较松结构简单 成本最低依赖人工捡拾 含土高 栅条 振动挖掘机振动激励 栅条分离砂壤土 轻黏土抖土减负 效率较高黏重土易粘附堵塞 升运链式挖掘机提升 抖落 分离中等规模 田块较规整物流连续 减轻人工强度线速度与落差不当易损伤 手扶牵引挖掘机简化挖掘 有限分离坡地 小田块可进入性好 投资低作业稳定性与效率受限 联合收获 图 国外甘薯联合收获机 联合收获以单机一次完成挖掘分离清选集 料 装箱 部分含分级 主要面向规模化与商品化 经营 评价指标通常包括破皮 伤薯率 遗漏率 含杂 率与有效作业率 欧美牵引式 行联合收 获机 如 体系 多采用多级杆条 升运链配合强制振动 清洁辊实现分离清选 并配 置对行与限深调节 适用于标准行距与较规整田 块 图 日系小型自走机型侧重 机动性与地头通过性 常以 两级挖掘输送 分拣 输送 组织作业 但清土与分离能力受结构尺度与 功率储备限制 图 国内机型呈现轻简 型 鲜食低损型与淀粉加工型并行 轻简型成本约 束更强且常需人工辅助 图 鲜食型通过柔性 接触与低落差卸薯降低伤薯 图 加工型以 更高通量 多仓集料与运输衔接提升连续作业能力 图 国内甘薯联合收获机 图 综上所述 作业质量提升依赖限深 与对行稳定 分离强度分级配置以及输送 卸料落差 控制 并通过前进速度 链速与振动参数匹配形成稳 定的作业参数范围 甘薯联合收获装备类型与技术 要点见表 智能化与信息化赋能甘薯机械化的关键 技术与发展趋势 甘薯全程机械化涵盖育苗 起垄 薯尖采收 移 栽 田间管理与收获等环节 作业质量受垄形一致 性 对行精度 苗源差异性 土壤黏附性与秧蔓缠绕 等因素共同影响 近年来 多源传感 自动控制 导 航定位与作业数据分析加速融合 使关键环节从 可完成作业 进一步向 质量可量化 参数可调 结 果可追溯 提升 并在起垄 移栽与收获等对参数敏 感环节体现出稳定的质量增益 第 期 申海洋等 甘薯全程机械化技术路径与智能装备 关键环节进展 瓶颈与趋势 表 甘薯联合收获装备类型与技术要点 类型代表机型 方案核心工艺单元适用条件优势主要局限 牵引式高效联合收获 欧美 等 挖掘铲 多级升运链 清洁辊 装箱 装车 大田块 标准 行距 吞吐量高 质量稳定 自 动化配置成熟 投入高 对田块与道路 配套要求高 小型自走式联合收获 日系 行自走 挖掘 简化分离 人 工 半自动分拣 小田块 边界 复杂机动性强 可进入性好 分离清选能力受结构约 束 国内自走轻简型联合 收获轻简自走 挖掘 简易分离 人工 辅助捡拾 中小经营 推 广型成本低 维护简化 自动化程度有限 连续 性受人工约束 国内商品型低损伤联 合收获商品薯专用 两段式柔性分离 低落 差卸薯 集料箱 鲜食基地 品 牌化损伤 破皮控制能力强 对整地与垄形一致性敏 感 国内加工型联合收获淀粉加工用强化碎土清土 多仓 袋集料 高效物流加工原料基地连续作业与装运匹配好对作业组织与运输系统依赖高 关键环节在线感知与作业参数闭环调控 智能化在甘薯生产中优先应用对象集中在质 量指标敏感且作业参数可在线调节的作业环节 育苗阶段已通过温湿度 光照与基质含水率监测 实现灌溉与环境调控 起垄阶段基于北斗高程 测 距与姿态信息开展垄高 垄距偏差监测 并与限深 仿形及成垄部件联动以提高断面一致性 图 移栽阶段围绕取苗定向入土轨迹株距过程 引 入视觉识别与力 转矩反馈约束夹持力与释放时 序 降低伤苗与漏栽 收获阶段在挖掘深度 升运 链速 振动参数与卸薯落差等关键参数之间协同 调节 以适应土壤类型与含水率变化 兼顾低损 伤 低含杂与低堵塞 并通过后端集薯高度自适应 装置抑制卸薯冲击与损伤 各环节的感知信息 调控参数与作业质量指标按可测可调可验收的 逻辑归纳 表 图 北斗辅助自动导航在起垄作业中应用示例 表 甘薯全程机械化关键环节感知信息与调控参数 环节主要感知信息典型传感器调控参数作业质量指标 育苗温湿度 光照 基质含水率温湿度 光照 水分探头通风 补光 灌溉出苗率 苗齐度 壮苗 起垄垄高 垄距偏差 姿态北斗 激光测距限深 仿形 成垄部件参数垄高变异系数 垄距偏差 薯尖采收冠层高度 密度 载荷视觉 位移 载荷割台高度 刀具转速切割一致性 漏割率 移栽苗长 姿态 供苗状态视觉 深度学习 力 转矩夹持位置 夹持力 释放时序 栽植轨迹栽植合格率 株距变异系数 伤苗率 漏栽率 田间管理作物行 杂草 土壤水肥多光谱 视觉 土壤墒情中耕深度 变量施肥处方防效 减药率 水肥利用率 收获块根分布深度 土壤阻力 振动冲击 附土 损伤位移 牵引力 加速度 视觉挖掘深度 链速 振幅 落差破皮 损伤率 遗漏率 含杂率 数据采集 过程监测与参数优化决策 智能化的核心在于实现作业过程数据化 质量 指标化与参数处方化 机载控制器与导航终端可自 动采集位移 速度 幅宽 重叠率 能耗 载荷谱与振 动冲击等过程数据 并与地块 土壤 品种及农艺投 入信息关联 在 平台上形成作业质量验收与 成本核算依据 结合载荷与振动特征还可开展预测 性维护 降低关键季节停机风险 在参数优化层面 利用历史作业数据拟合环境条件参数组合质量指标 的响应关系 可为起垄断面一致性 移栽质量 收获 分离强度与落差控制等提供处方图 并将处方图回 传至作业终端形成闭环 表 农 业 机 械 学 报 年 表 甘薯机械化作业关键数据类型及其决策应用 数据类型主要来源典型指标主要用途 作业过程机载控制器 导航轨迹 速度 幅宽 覆盖率 重叠率质量验收 效率评估 路径优化 动力与负载动力总成 牵引功率 油耗 电耗 牵引阻力 载荷谱能耗核算 参数匹配 维护决策 作业质量传感 视觉垄高偏差 栽植合格率 破损率 含杂率在线调参 稳定性评价 土壤与作物传感 遥感 巡检墒情 养分 冠层指数 杂草密度变量管理 作业窗口识别 产量与品质收获 产后线商品率 规格分布 损伤等级品种与模式评价 收获策略优化 收获转运分级加工一体化智能化路径 全程机械化的智能化效益 最终需要在收获 地头转运分级加工环节形成可核验的质量闭环 前端育苗 起垄 移栽与田间管理所固化的垄形边 界 决定了收获环节对行 限深及分离强度等参数 的可控区间 因此 收获端宜以自动导航与多源传 感为基础 将对行 挖掘深度 分离强度 输送速度 与卸薯落差等关键作业参数进行联动调控 以稳 定约束破皮 损伤 遗漏与含杂等作业质量指标 图 收获后品质保持不仅受机内流程影响 地头转运是二次损伤的敏感环节 应通过低振动 输送 短距离自主搬运与载荷状态监测 降低碰撞 与挤压风险 并实现作业数据与转运数据的关联 记录 图 综上所述 甘薯机械化后段 智能化应以跨环节质量指标体系与数据接口标准 化为核心 实现质量形成质量保持质量分级利 用的闭环验证 从而为规模化与品质化生产提供 可重复 可对标的技术支撑 图 德国 公司智能化甘薯收获机 图 智能化协同作业 中国甘薯全程机械化发展挑战与未来趋势 主要挑战与制约因素 尽管甘薯机械化技术持续进步 但在中国等发 展中国家 其推广仍面临多重制约 地形与田块条件限制 甘薯产区多位于丘 陵山区与坡耕地 田块细碎 田间道路与地头空间不 足等生产条件并非装备缺陷本身 但会通过限制通 行边界与回转条件 抬升转场与掉头等非作业时间 占比 显著降低单位时间有效作业能力 从而表现为 机械化作业受限 坡度与微地形起伏进一步加剧机 具姿态波动与对行偏差 削弱限深一致性 提升漏 挖 堵塞与作业中断风险 土壤类型差异对上述约束 具有放大作用 沙壤土作业阻力与黏附相对较低 而 黏重土或山地土壤在含水率偏高时入土阻力与黏附 增强 清土难度上升 导致损伤与含杂风险同步增 加 类似问题在美国 日本等小田块区域亦需依靠 小型化与专用化机具缓释 但中国地形与地块格局