李旭，王銳，廖劍，杜錚，舒虹杰，盧澤民

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，430345）

水生蔬菜是指在淡水中生長(zhǎng)，產(chǎn)品可作蔬菜食用的維管束植物，包括蓮藕、子蓮、茭白、芋頭、荸薺、菱角、慈姑、水芹、蕹菜、芡實(shí)、莼菜、蒲菜、豆瓣菜、蔞蒿等。水生蔬菜作業(yè)環(huán)境比陸地蔬菜更為惡劣、勞動(dòng)更密集，因而嚴(yán)重制約著水生蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近10 a來，通過各科研院校、農(nóng)機(jī)企業(yè)、技術(shù)推廣部門和種植農(nóng)戶的共同努力，水生蔬菜生產(chǎn)專用機(jī)械的研制與開發(fā)取得了較好的成績(jī)。

1 水生蔬菜生產(chǎn)機(jī)械

1.1 蓮藕生產(chǎn)機(jī)械

①蓮藕種植裝置 蚌埠市徐善種植農(nóng)民專業(yè)合作社發(fā)明了一種立體式蓮藕種植裝置，在單位空間內(nèi)可增加蓮藕的種植密度，延長(zhǎng)光照時(shí)間，使得蓮藕生長(zhǎng)速度加快，產(chǎn)量增加，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[1]。

②蓮藕施肥裝置 蓮藕種植戶目前采用的施肥方法是人工拋撒，速度慢，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。安徽綠源漁業(yè)科技有限公司研制了一種蓮藕施肥裝置，利用水泵將肥料和水混合后經(jīng)噴頭噴出，種植人員只需拿著噴頭對(duì)著藕池均勻噴灑就能完成施肥，顯著降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，且速度快，效率高[2]。

③蓮藕收獲機(jī)械 目前主要通過高壓水流或氣流沖挖采收蓮藕[3]，挖藕機(jī)按結(jié)構(gòu)形式可分為5類。

a.船式挖藕機(jī)。作業(yè)時(shí)自行移動(dòng)，無(wú)外延長(zhǎng)水管。山東微山縣微山湖挖藕機(jī)械制造廠生產(chǎn)的4CW-2.6型船式挖藕機(jī)，工作效率200.1～333.5m2/h，已在山東、江蘇、安徽、湖北等地推廣使用[4，5]。 湖北襄樊市航鷹航空科技有限責(zé)任公司研制的挖藕機(jī)[6，7]和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的4CWO-3.2型船式挖藕機(jī)[8，9]，采挖效率分別為 167～416、100～400m2/h。

b.浮筒式挖藕機(jī)。作業(yè)時(shí)自行移動(dòng)，無(wú)外延長(zhǎng)水管，操作人員需下水作業(yè)。最早的為日本Iwamoto等[10]發(fā)明的蓮藕挖掘裝置，直接使用藕田水作為高壓水泵水源，但仍需人手持高壓水管作業(yè)，挖掘機(jī)配有浮筒，在水面隨人一起移動(dòng)。武漢興盛農(nóng)機(jī)技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的W-FPZ-1200C型浮筒鴨嘴式挖藕機(jī)[11]和山東臨沂梅工機(jī)械制造有限公司開發(fā)的DCE-1001D浮筒式挖藕機(jī)[12]，挖藕效率分別為166.8～250.1m2/h和200m2/h。山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司研制的4W-100型自走式挖藕機(jī)，工作幅寬1m，挖掘深度小于60 cm[13]。

c.水泵機(jī)組漂浮式挖藕機(jī)?？稍谂禾飪?nèi)漂浮移動(dòng)，作業(yè)過程中按需固定，有外延長(zhǎng)水管，操作人員需下水作業(yè)。其代表為安徽四平食品開發(fā)有限公司設(shè)計(jì)的一種高壓水沖式挖藕機(jī)[14]。

d.水泵機(jī)組岸基式挖藕機(jī)。水泵機(jī)組在岸邊固定，作業(yè)時(shí)按需移動(dòng)，有外延長(zhǎng)水管，操作人員需下水作業(yè)。韓國(guó)的Lee[15，16]發(fā)明的高壓水力式蓮藕收獲機(jī)以及日本的Yamaguchi[17]公開的采用超聲波使土壤液化原理的蓮藕收獲機(jī)均屬此類。武漢市農(nóng)機(jī)服務(wù)總站、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)和南通市江華機(jī)械有限公司聯(lián)合研制的4OZ-3型自走式水壓蓮藕挖掘機(jī)，工作幅寬3m，采挖效率667m2/d[18]。

e.滑板式挖藕機(jī)。其行走裝置為滑板，以利于機(jī)器在藕田中移動(dòng)。韓國(guó)的Lee等[16]設(shè)計(jì)出一種高壓氣力式蓮藕收獲機(jī)，挖掘裝置由壓力室、機(jī)體、破碎裝置和控制單元等組成，挖掘裝置安裝于滑板上，將高壓氣體噴射到高硬度蓮藕培養(yǎng)土中，輕易完成蓮藕收獲。

另外，Ozasa[19]研制了一種蓮藕收獲機(jī)，由三角形履帶底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、收獲裝置等組成，該機(jī)用于收獲在非透水性框體中由適當(dāng)厚度的培養(yǎng)土和水培養(yǎng)出來的蓮藕，通過簡(jiǎn)單的收獲結(jié)構(gòu)和操作就能將蓮藕舀起。

1.2 蓮蓬采摘器

蓮蓬生長(zhǎng)在水體中，用手采摘時(shí)采摘范圍小，需要不斷移動(dòng)船體甚至涉水采摘，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，且可能造成蓮葉損傷。為此，姜琛[20]公開了一種漏斗形蓮蓬采集器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉；喬建強(qiáng)[21]開發(fā)出一種蓮蓬采摘器，采摘到的蓮蓬落入采摘器的網(wǎng)袋內(nèi)，蓮蓬采摘一定量后，抬高網(wǎng)袋端，蓮蓬即可到達(dá)網(wǎng)袋底口，從網(wǎng)袋底口即可取出蓮蓬，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采摘效率；浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)出一種便攜式蓮蓬采摘器，使用時(shí)，需將收集網(wǎng)扣合在蓮蓬上，剪斷葉柄后翻轉(zhuǎn)收集網(wǎng)完成蓮蓬采摘[22，23]；浙江理工大學(xué)研制出便攜式自動(dòng)蓮蓬采收裝置，動(dòng)力為直流電機(jī)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各動(dòng)作的配合，同時(shí)完成蓮蓬的采摘和收集工作[24]；黃江龍[25]發(fā)明了一種蓮蓬采摘、分離與篩分一體化自動(dòng)設(shè)備，解決了現(xiàn)有蓮蓬采摘過程工序繁多、操作復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大等難題。

1.3 芋頭生產(chǎn)機(jī)械

①芋頭播種機(jī) a.通用芋頭播種機(jī)。芋頭在日本已基本達(dá)到全程機(jī)械化作業(yè)水平，種芋播種機(jī)可同時(shí)進(jìn)行起壟、播種、地膜覆蓋3項(xiàng)作業(yè)，作業(yè)效率3.7 h/1 000m2；地膜回收機(jī)作業(yè)效率0.4 h/1 000m2[26]。山東理工大學(xué)發(fā)明的轉(zhuǎn)筒式芋頭穴播機(jī)，可一次完成起壟、整平、開溝、播種、覆土等多種作業(yè)[27]。濰坊職業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)了一種多功能播種機(jī)，能完成芋頭、生姜、馬鈴薯等根莖類作物的刨溝、撒種、蓋土、施肥等工序[28]。于珊珊等[29]研發(fā)的芋頭播種機(jī)，開溝、施肥、排種、覆土、起壟、噴藥一次完成。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)出的芋頭直立播種機(jī)亦能達(dá)到播種要求[30]。

b.專用芋頭播種機(jī)。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出一種魔芋播種機(jī)，能保證播種后種芋種芽?jī)A斜向上，固結(jié)一定數(shù)量種勺的傳動(dòng)鏈穿過種箱，帶出的種芋經(jīng)輸種管掉入開溝器，輸種管內(nèi)壁螺旋排列的毛刷和塑土器能保證種芋種芽?jī)A斜向上，提高了種芋的播種質(zhì)量和成活率[31]。

②芋頭收獲機(jī) a.通用芋頭收獲機(jī)。大致可以分為以下2類：一類是集中鋪放式芋頭收獲機(jī)。一般掛接于拖拉機(jī)后方，收獲后的芋頭被集中鋪放于機(jī)具后方地面。以山東曲阜為主的多家農(nóng)機(jī)企業(yè)生產(chǎn)的薯類收獲機(jī)可實(shí)現(xiàn)芋頭的機(jī)械化采收[32～34]，作業(yè)效率可達(dá)4 002～6 670m2/h。廣西大學(xué)發(fā)明的帶莖稈分離裝置的芋頭收獲機(jī)以及農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制出芋頭雙抖土收獲機(jī)，收獲效果亦較理想[35，36]。

另一類是芋頭聯(lián)合收獲機(jī)。收獲機(jī)集挖掘、輸送、篩分、果實(shí)收集為一體，機(jī)型較大，一般采用履帶底盤，挖掘裝置在履帶底盤前方。日本Ito[37]于2001年公開了一種芋頭分離器和芋頭收獲機(jī)，其分離器配備有芋頭分離和振動(dòng)裝置，能將母芋和子芋分離，并篩分掉附著在芋頭上的泥土，其芋頭收割機(jī)行走裝置為履帶底盤，履帶底盤前方為挖掘部件，挖掘部件前方配有地輪，后方為運(yùn)送裝置，履帶底盤上方為芋頭分離器。Shingo等[38]2009年公開了一種芋頭收獲機(jī)，其配有將挖掘部分挖出的芋頭運(yùn)送至分離部分的運(yùn)送裝置以及將子芋和母芋分離的分離裝置，分離裝置位于運(yùn)送裝置的上側(cè)，輔助分離裝置位于分離裝置附近。

b.專用芋頭收獲機(jī)。寧德師范學(xué)院研發(fā)出檳榔芋采挖設(shè)備，檳榔芋經(jīng)松土機(jī)構(gòu)松土，抬升機(jī)構(gòu)抬舉后由夾持機(jī)構(gòu)夾持檳榔芋稈將檳榔芋拔出，克服了現(xiàn)有收獲技術(shù)損傷檳榔芋的缺陷[39]。

1.4 荸薺收獲機(jī)

荸薺挖掘勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、收獲成本高（人工成本高達(dá)3萬(wàn)元/hm2）?，F(xiàn)有公開的荸薺機(jī)械化收獲技術(shù)大致可分為2類。

①整層收獲 挖掘裝置將荸薺生長(zhǎng)層泥土整層鏟起，再經(jīng)分離裝置進(jìn)行荸薺和泥土分離。焦忠等[40]和唐仲華等[41]發(fā)明的荸薺收獲機(jī)以及陜西科技大學(xué)設(shè)計(jì)的荸薺采收船[42～47]，荸薺損傷率較高。丁年生[48]、東北大學(xué)秦皇島分校[49]、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)[50]以及馬鎖才等[51]發(fā)明的荸薺收獲機(jī)，工作時(shí)均需用水沖洗，存在一定局限性。安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所的王川等[52，53]提出采用農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的模式，并開發(fā)出一種升運(yùn)鏈?zhǔn)捷┧j收獲機(jī)，但該農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合模式尚處在探索階段。

②分層收獲 挖掘裝置分2層，上層鏟起無(wú)荸薺層泥土輸送至機(jī)具側(cè)邊或后方，下層鏟起荸薺集中層輸送至分離裝置進(jìn)行泥果分離。丁年生[54，55]和高峰等[56]設(shè)計(jì)的荸薺收獲機(jī)，荸薺損傷率較高。唐仲華等[57，58]公開的荸薺收獲設(shè)備，收獲前要曬田至泥土含水量低于20%，并將荸薺莖部割平地面。周曉明[59]2009年發(fā)明的荸薺挖掘機(jī)，輪式機(jī)動(dòng)車牽引附著性能差，還存在泥果分離困難和莖稈纏繞等問題；2015年設(shè)計(jì)的履帶式荸薺挖掘機(jī)，需用水沖洗荸薺[60]；2016年研發(fā)的分層式荸薺挖掘機(jī)，泥果能有效分離，將采收后的田地平整[61]。

1.5 水芹耕種機(jī)械

曹國(guó)榮聯(lián)合揚(yáng)州大學(xué)開發(fā)了水芹自動(dòng)化農(nóng)業(yè)耕種機(jī)，作業(yè)者站在平臺(tái)上腳不沾地即可進(jìn)行開溝、播種、施肥和收割等工作，比傳統(tǒng)種植方式節(jié)約近八成人力成本[62]。

1.6 芡實(shí)生產(chǎn)機(jī)械

①芡實(shí)定植播種機(jī) 傳統(tǒng)芡實(shí)種植方式，一種是直接將芡實(shí)種子拋撒于水田，此無(wú)序播種方式長(zhǎng)成的植株不利于種植和管理，同時(shí)影響芡實(shí)產(chǎn)量；一種是提前對(duì)芡實(shí)種子進(jìn)行催芽后移栽定植，在田間排布橫豎交錯(cuò)的細(xì)線確定定植點(diǎn)，在定植點(diǎn)處插入細(xì)竹竿標(biāo)記位置，然后依靠人工將催芽后的種子播于細(xì)竹竿處，此法種植規(guī)范，便于管理和采摘，亦能使芡實(shí)收獲期提前，但工作量巨大。滁州學(xué)院研發(fā)出一種芡實(shí)定植播種機(jī)，育種盤可提前對(duì)種子進(jìn)行催芽處理，水槽不僅可以多帶種子，實(shí)現(xiàn)大面積播種，同時(shí)能防止種子長(zhǎng)時(shí)間脫水降低生命力，調(diào)節(jié)播種電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)芡實(shí)種子逐粒定植[63]。

②芡實(shí)采收裝置 刺芡的果實(shí)、葉柄及葉均被尖刺覆蓋，不適宜人工直接采收，通常用鐮刀將其果實(shí)砍下，再用網(wǎng)兜撈起，或者待芡實(shí)充分成熟，果皮碎裂，種子散落到水中后，再在冬季統(tǒng)一從水底打撈。前者會(huì)因芡實(shí)管狀果柄內(nèi)進(jìn)水而致植株死亡，影響后期產(chǎn)量；后者不宜多茬采收，僅適合老熟芡實(shí)種子采收。為解決芡實(shí)采收難題，滁州學(xué)院陳志宏等[64]研發(fā)出一種機(jī)械傳動(dòng)式芡實(shí)果實(shí)采收裝置，只需手握手柄和緊線手柄，向上提壓緊線手柄，縮小兩手柄之間的夾角，則齒輪傳動(dòng)裝置會(huì)將鋼絲繩收起，帶動(dòng)抓手裝置將芡實(shí)果實(shí)抓住并切下，并放在收集位置，釋放緊線手柄，抓手裝置失去鋼絲繩的拉力作用，芡實(shí)果實(shí)在重力的作用下脫落出來，完成采收。該裝置對(duì)不同大小果實(shí)的適應(yīng)性較好，可以有效提高采收效率，克服因果實(shí)有刺或采收技術(shù)問題而導(dǎo)致的果柄進(jìn)水問題。江西明湖農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)出一種氣吸式芡實(shí)種子采集裝置，采用氣吸原理，將芡實(shí)種子從果實(shí)內(nèi)吸附出來輸送至集種箱，顯著降低了采集難度，提高了采集效率[65]。

1.7 慈姑收獲機(jī)械

傳統(tǒng)的慈姑種植方法，生產(chǎn)過程中的育苗、定植、采收3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)均在水田中人工操作，機(jī)械化水平很低。江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提出了一種慈姑覆膜壟作栽培方法，應(yīng)用起壟覆膜機(jī)、蔬菜移栽機(jī)、通用根莖作物收獲機(jī)完成種植到收獲各環(huán)節(jié)作業(yè)，大大提高了機(jī)械化水平[66]。吳愛兵[67]發(fā)明了一種慈姑自動(dòng)收獲機(jī)器人，能在淺水田和淺水湖內(nèi)對(duì)慈姑進(jìn)行自動(dòng)拔取、清洗、球莖與慈姑主體分離，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的不足。

1.8 菱角采摘機(jī)械

菱角垂生于密葉下水中，需全株拿起來倒翻，才能看見采摘，工作效率低。李榮等[68]設(shè)計(jì)出一種菱角收獲裝置，工作時(shí)，船體帶動(dòng)菱角收獲裝置前行，菱角秧被打碎排出，菱角則被輸送至收獲機(jī)后置的菱角船內(nèi)。泉州市科茂利通智能科技有限公司開發(fā)的菱角采摘自動(dòng)生產(chǎn)線和中國(guó)計(jì)量大學(xué)發(fā)明的菱角采摘船，其采菱過程仍由人工完成[69，70]。

1.9 莼菜生產(chǎn)機(jī)械

①莼菜種植機(jī)械 目前莼菜種植時(shí)的施肥方式，容易灼傷莼菜或造成水質(zhì)污染，影響莼菜膠質(zhì)的形成，從而影響莼菜的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。重慶國(guó)農(nóng)環(huán)境科技股份有限公司研發(fā)出莼菜施肥裝置，能將肥丸逐個(gè)施放到莼菜穴土中，很好地保證了莼菜的商品品質(zhì)[71]。該公司還發(fā)明了莼菜水田光照調(diào)整結(jié)構(gòu)、莼菜水田采光及雨水引流結(jié)構(gòu)、莼菜膠質(zhì)形成促進(jìn)設(shè)備等一系列莼菜種植機(jī)械，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。

②莼菜采摘器 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院開發(fā)了莼菜手動(dòng)控制采摘器，采摘器分為采摘裝置和收集裝置，采摘裝置由握把、手柄、鋼絲、鋁合金管、彈簧、刀片支架和刀片組成，主刀片上設(shè)置刀片盒，完成剪切后莼菜落入刀片盒中，松開手柄，將莼菜轉(zhuǎn)至固定在船頭網(wǎng)兜中收集[72，73]。該采摘器在一定程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但工作效率并未提升。

1.10 藜蒿（蔞蒿）生產(chǎn)機(jī)械

①藜蒿（蔞蒿）扦插機(jī) 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出的藜蒿扦插機(jī)，可實(shí)現(xiàn)分苗、取苗、扦插等多項(xiàng)作業(yè)，行進(jìn)速度108mm/s，行距90mm，扦插10行，株距80～100mm，扦插深度50～60mm，扦插直立度≤10%[74，75]。

②藜蒿收割機(jī) 武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制出一種小型自走式藜蒿收割機(jī)，行進(jìn)速度 2.2 km/h，工作幅寬 0.75 m，作業(yè)效率 1 334～1 667.5m2/h，曾在武漢市蔡甸區(qū)進(jìn)行了試用[76，77]。

2 存在的問題

由于水生蔬菜研究起步較晚，生產(chǎn)組織化、規(guī)?；潭鹊?，對(duì)機(jī)械化作業(yè)需求不夠強(qiáng)烈，政府與種植戶不夠重視，缺少持續(xù)的研發(fā)計(jì)劃與資金扶持，導(dǎo)致水生蔬菜機(jī)械裝備研究發(fā)展緩慢，且許多成果還停留在方案設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制階段，實(shí)用性有待加強(qiáng)。