楊紅光王 冰彭寶良*胡志超高學梅

（1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇南京 210014）

楊紅光，男，研究實習員，主要從事土下果實收獲機械化技術研究，

2017 年中國洋蔥總產(chǎn)量為2 434.45 萬t，種植面積為110.25 萬hm2，分別居世界第一、二位，但洋蔥收獲機械研究與丹麥和美國等國家差距較大，尚無性能可靠的洋蔥收獲機械，雖然前期進行過相關機具研發(fā)，但均未得到較好的推廣；近幾年相關專利雖有申報，但均未實現(xiàn)成果轉化。中國洋蔥收獲機具還需結合中國種植農(nóng)藝和模式進行自主研發(fā)。

洋蔥（Allium cepa L.）具有豐富的營養(yǎng)價值和較強的食療作用，在國外被譽為“菜中皇后”（胡良龍 等，2007）。按鱗莖形狀分類，主要有圓球形、扁圓形和長球形，按鱗莖皮色又分為紅皮、白皮和黃皮洋蔥，其尺寸規(guī)格通常按照橫徑（洋蔥鱗莖最大橫切面直徑）劃分（NY/T 1071—2006），基本栽植流程為育苗→苗期管理→耕整地→移栽→田間管理→收獲（崔慕華 等，2018）。

近年來，隨著洋蔥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，廣大種植戶對洋蔥機械化作業(yè)需求迫切，特別是作業(yè)過程復雜和人工勞動強度大的收獲環(huán)節(jié)，洋蔥的機械化收獲作業(yè)已成為該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸（賀得飛，2013；顧永平，2014）。為此，了解當前國內外洋蔥種植現(xiàn)狀和中國典型產(chǎn)區(qū)種植模式，研究分析國內外洋蔥機械化收獲技術及機具主要類型、結構特點，對中國洋蔥機械化收獲技術及機具的研發(fā)有重要價值。

1 洋蔥種植現(xiàn)狀概述

洋蔥在世界各地均有種植，據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計，2017 年全世界洋蔥種植總面積為520.16 萬hm2，總產(chǎn)量為9 786.29 萬t。種植面積前十的國家依次為印度、中國、尼日利亞、孟加拉國、印度尼西亞、巴基斯坦、越南、蘇丹、烏干達、緬甸，產(chǎn)量前十的國家依次為中國、印度、美國、伊朗、埃及、俄羅斯、土耳其、孟加拉國、巴基斯坦、荷蘭。

洋蔥是中國主栽蔬菜之一，已有百余年的栽培歷史（李平 等，2005）。主產(chǎn)區(qū)在云南?。ㄔ\縣）、四川?。ㄎ鞑校⒔K?。ㄐ熘菔校?、山東省（濟寧市、濰坊市）、內蒙古自治區(qū)（烏蘭察布市、赤峰市、通遼市）、甘肅?。ň迫?、武威市）、吉林?。ㄑ蛹校⒑邶埥。R齊哈爾市），自南向北依次為短日照區(qū)、中日照區(qū)和長日照區(qū)。

由圖1 可見，2017 年中國洋蔥種植面積為110.25 萬hm2，占世界總種植面積的21.20%，總產(chǎn)量為2 434.45 萬t，占世界總產(chǎn)量的24.88%，雖然種植面積低于印度，但總產(chǎn)量卻穩(wěn)居第一；自2011年以來，中國洋蔥年種植面積均超過100 萬hm2、總產(chǎn)量均超過2 200 萬t，種植面積和總產(chǎn)量均呈逐年穩(wěn)定增長趨勢。

圖1 2008～2017 年中國洋蔥的種植面積和總產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）。

2 中國典型產(chǎn)區(qū)洋蔥種植及收獲模式

2.1 種植模式

中國洋蔥栽培主要分為平作、畦作（平畦高埂或高畦深溝）和壟作，以畦作為主。分別對長日照洋蔥主產(chǎn)區(qū)甘肅省酒泉市（肅州區(qū)西洞鎮(zhèn)、三墩鎮(zhèn)）和中日照洋蔥主產(chǎn)區(qū)江蘇省徐州市（豐縣首羨鎮(zhèn)、趙莊鎮(zhèn)）洋蔥種植及收獲情況進行了調研。這兩個產(chǎn)區(qū)洋蔥栽培均為平畦高埂，平畦種植洋蔥，高埂用于澆灌和田間管理。種植品種方面，肅州區(qū)主要為紅皮（陜西紅）、黃皮（圣賢），豐縣為紅皮（二紅）、黃皮（中甲高黃）。均采用覆膜栽培方式，其中豐縣采用洋蔥—玉米輪作和洋蔥—棉花套種模式。

平畦高埂洋蔥種植模式如圖2-a 所示，肅州區(qū)為適應機械鋪膜作業(yè)，洋蔥種植已形成一定規(guī)范，行距L 和株距R 均為15 cm，畦埂寬D 和高H 分別為40 cm 和10 cm，畦面寬B 為120 cm，畦面上種植9 行洋蔥。豐縣洋蔥種植各環(huán)節(jié)均為人工作業(yè)，行距L 和株距R 也均為15 cm，畦埂寬D 一般為30～40 cm，畦埂高H 一般為10～20 cm，根據(jù)地塊大小畦面寬B 一般為200～400 cm，畦面上種植洋蔥13～26 行。通過文獻可知，長江流域及其以南地區(qū)為方便排水，采用如圖2-b 所示的高畦深溝種植模式，一般情況下行距L 為15 cm，株距R 為13～15 cm，溝寬D 和溝深H 分別為40 cm 和20 cm，畦面寬B 為150～200 cm，畦面上種植洋蔥10～13 行（王桂軍，2012）。

2.2 收獲方式

洋蔥假莖變軟、植株出現(xiàn)大面積倒伏，標志著收獲期臨近。豐縣洋蔥一般在5 月下旬收獲，肅州區(qū)洋蔥一般在8 月下旬收獲，調研發(fā)現(xiàn)這兩個產(chǎn)區(qū)洋蔥收獲均為人工作業(yè)，基本流程為起挖蔥→剪蔥秧→去蔥根→裝袋。通過人工撥推和剜刀輔助的方式進行洋蔥挖掘，然后用剪刀進行剪秧和去根，最后按不同規(guī)格等級進行裝袋，完成收獲作業(yè)。兩個產(chǎn)區(qū)人工收獲洋蔥基本作業(yè)原理類似，區(qū)別僅在于豐縣洋蔥挖掘后成條集中鋪放于地表，然后集中進行剪秧作業(yè)；而肅州區(qū)洋蔥收獲是在挖掘前進行剪秧作業(yè)。

3 洋蔥機械化收獲技術及機具研究進展

3.1 國外研究進展

圖2 中國典型產(chǎn)區(qū)洋蔥畦作模式

收獲是洋蔥生產(chǎn)過程中最為繁瑣的環(huán)節(jié)，用工量較大，其作業(yè)質量直接影響洋蔥產(chǎn)量和種植戶經(jīng)濟收益。國外洋蔥收獲機械研發(fā)起步較早，許多高校和公司都開展了研究工作，并取得了眾多成果（Bendix & Krier，2002；Qarallah et al.，2008；Laryushin & Laryushin，2009；Arimura et al.，2013）。歐美國家研發(fā)的收獲機具偏向于多功能、自動化和聯(lián)合作業(yè)，如丹麥ASA-LIFT（http：//www.asa-lift.com/?mID=2&msID=9）、 美 國LEE SHUKNECHT & SONS（http：//www.shuknecht.com/custom-single-bed-onion-harvesters.html.） 和TEN SQUARE INTERNATIONA（April，2013）、 加 拿大UNIVERCO（http：//www.univerco.com/en/fieldmachinery/）公司；亞洲研發(fā)的收獲機具偏向于中小型聯(lián)合作業(yè)，如韓國（https：//www.nongjitong.com/video/411468.html.）、日本（https：//www.nongjitong.com/video/413725.html.）、伊 朗（Mehta & Yadav，2015）、 印 度（Massah et al.，2012）、 菲 律 賓（Gavino & Mateo，2018） 等 國 家。 其 中 丹 麥ASA-LIFT 公司生產(chǎn)的洋蔥收獲機是目前市場上使用最多的，覆蓋世界60 多個國家，已實現(xiàn)洋蔥收獲系列化和標準化，主要包括去秧機、挖掘機和撿拾機三大類（表1）。

伊朗、印度和菲律賓等國家結合本國國情和洋蔥種植現(xiàn)狀，研發(fā)的收獲機具偏向于小型化和輕簡化作業(yè)。Tapan 等（2011）設計了一種牽引式洋蔥收獲機，并對6 種不同形狀的挖掘鏟進行了性能比較試驗，結果表明“倒V”形結構的挖掘鏟平均牽引力最小。并通過試驗分析最終確定分離輸送裝置長度120 cm、傾角15°，分離輸送裝置運動速度與機具前進速度之間的速比關系為1.25∶1，此參數(shù)下洋蔥明蔥率為97.7%、傷蔥率為3.5%，機械挖掘收獲比人工挖掘收獲節(jié)約成本56%。Singh（2014）設計了一種簡易洋蔥挖掘機，挖掘鏟片采用高碳鋼材料（EN45）加工而成，寬度為7.0 cm，厚度為1.5 cm。試驗結果表明，作業(yè)速度為每小時4 000 m、挖掘深度為7.6 cm 時效果較好，此時洋蔥明蔥率為94.9%、傷蔥率為5.1%，與人工收獲作業(yè)相比可分別節(jié)省勞動力和成本58%和49%。Nisha 和Shridar（2018）針對印度現(xiàn)有洋蔥收獲機傷蔥率高和通用性差的問題，研發(fā)了一種與微耕機配套使用的小型洋蔥收獲機，主要由旋轉齒輪箱、挖掘機構、V 帶滑輪機構、輸送裝置等組成，挖掘幅寬為53 cm，挖掘深度為10 cm。田間對比試驗結果表明，相比于傳統(tǒng)的人工收獲可分別節(jié)省成本和時間59.20%和93.75%。

表1 丹麥ASA-LIFT 公司系列洋蔥收獲機具

3.2 國內研究進展

中國雖然是洋蔥生產(chǎn)大國，但機械化生產(chǎn)水平較低。特別是收獲環(huán)節(jié)，主產(chǎn)區(qū)仍以人工方式收獲洋蔥，收獲機具的研究較少，發(fā)展也相對滯后，前期研究的一些收獲機具也多是在大蒜和花生等作物收獲機具的基礎上進行改進，其適應性較差，一直也未得到大范圍推廣應用。人工收獲洋蔥勞動強度大、生產(chǎn)效率低的現(xiàn)狀，嚴重制約著中國洋蔥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展（封成智和楊蕾，2019）。

徐州市農(nóng)機技術推廣站研制了一種與手扶拖拉機配套使用的4CS-85 型洋蔥收獲機，該機械采用振動挖掘方式可一次性完成2 行洋蔥的挖掘、分離輸送和鋪放作業(yè)，整機結構簡單（汪澤，2012；張海琨，2012；陳文龍，2013；胡守信，2013）。黑龍江省畜牧機械化研究所根據(jù)本省洋蔥種植特點研發(fā)了一種洋蔥收獲機，該機械采用側懸掛的方式與動力為16.5 kW 的拖拉機配套使用，并利用斜鏟進行挖掘作業(yè)，田間試驗結果表明損失率為1.16%、傷蔥率為1.58%（張伯韌 等，2009；康承昊和付敏良，2011；黑龍江省畜牧機械化研究所，2012）。甘肅省酒泉市農(nóng)機推廣站根據(jù)本市洋蔥種植模式，研發(fā)了U-125 型洋蔥挖掘收獲機，該機械配套動力為22.1～29.4 kW 拖拉機，作業(yè)速度為每小時2 000～3 000 m，作業(yè)幅寬125 cm，挖掘深度4～6 cm，田間性能試驗結果表明傷蔥率為1.5%，損失率為1.5%，挖凈率為98%，作業(yè)效率為每小時0.55 hm2，同人工相比可提高效率約12 倍（馮正睿，2015）。

甘肅畜牧工程職業(yè)技術學院聯(lián)合武威市裕鑫機械廠研制了YS-1240 型洋蔥收獲機，該機械依靠撥果輪和鏟板聯(lián)合作用實現(xiàn)洋蔥收起撥送，一次性可完成洋蔥切葉、收果和分級作業(yè)（劉玉春 等，2014）。黑龍江德沃科技開發(fā)有限公司（2016）發(fā)明了一種可以防止洋蔥滯留的收獲機，該機械借鑒馬鈴薯收獲機械結構形式，采用兩級分離機構進行作業(yè)，清理效果較好，洋蔥破損率較低。青島農(nóng)業(yè)大學研制了一種圓蔥（洋蔥）收獲機，該機械是由分禾撥禾裝置、挖掘、側向輸送、去土清選輸送等裝置組成，可一次完成4 行洋蔥收獲，田間試驗表明損失率為1.20%、傷蔥率為1.25%（王建剛 等，2015）。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所依托國家重點研發(fā)計劃項目，研制了兩種洋蔥分段收獲機（圖3）。網(wǎng)鏈式洋蔥收獲機主要由挖掘、防纏草、網(wǎng)鏈式輸送分離、限深及行走支撐等裝置組成，采用三點懸掛的方式與拖拉機相連接，機具作業(yè)時拖拉機動力輸出軸經(jīng)變速箱將動力傳至一側的皮帶輪，然后再經(jīng)過皮帶驅動網(wǎng)鏈式輸送分離裝置轉動，進而實現(xiàn)對洋蔥和土壤、殘膜及雜草的輸送分離作業(yè)，其最大特點是輸送去土部分采用新型網(wǎng)鏈式結構，可進一步降低果實損傷。

桿條升運鏈和振動篩組合式洋蔥收獲機主要由挖掘、圓盤切秧草、帶桿式輸送分離、限深及行走支撐、振動尾篩等裝置組成，采用三點懸掛的方式與拖拉機相連接，機具作業(yè)時拖拉機動力輸出軸經(jīng)變速箱將動力傳至一側的鏈輪，經(jīng)過鏈條驅動帶桿式輸送分離裝置轉動，然后再將動力傳遞到振動尾篩，實現(xiàn)對洋蔥和土壤、殘膜及雜草的輸送分離作業(yè)，其最大特點是后部增設二次振動輸送分離尾篩，可進一步提高洋蔥、土壤及地膜的分離效果。

圖3 洋蔥分段收獲機

兩個樣機作業(yè)幅寬均為160 cm，挖掘深度0～12 cm 可調，配套動力≥55 kW，田間收獲性能試驗結果表明兩個樣機作業(yè)過程基本滿足洋蔥分段收獲要求，為進一步提高機具可靠性和適應性，還需進行優(yōu)化改進。

4 面臨的問題和發(fā)展對策

通過上面分析可知，丹麥和美國等國家洋蔥收獲機械研究已非常成熟，而中國與之差距較大，尚無性能可靠的洋蔥收獲機械，雖然前期進行過相關機具研發(fā)，但均未得到較好的推廣；近幾年相關專利雖有申報，但均未實現(xiàn)成果轉化。洋蔥收獲機具匱乏、技術水平偏低，使洋蔥產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到嚴重影響。同時，受自然條件和種植模式等多種因素影響，國外機械直接引進并不能適應中國當前國情。中國洋蔥收獲機具還需結合中國種植農(nóng)藝和模式進行自主研發(fā)。

通過分析發(fā)現(xiàn)，中國洋蔥機械化收獲面臨的問題及對策如下。

① 洋蔥物理及力學特性參數(shù)測定。洋蔥收獲期果實、秧莖的物理和力學特性參數(shù)是夾持、去秧、挖掘和去土裝置設計的依據(jù)，而這些物理和力學特性又受不同的品種、土壤環(huán)境和種植模式等諸多因素影響，為此需對主產(chǎn)區(qū)不同種植模式下收獲期的洋蔥及秧莖關鍵物理和力學特性參數(shù)進行試驗測定分析。

② 農(nóng)機農(nóng)藝深度融合與模式轉換。近年來，雖然已經(jīng)實現(xiàn)從農(nóng)機單方面適應農(nóng)藝向農(nóng)機農(nóng)藝融合的轉變，但融合的深度還遠遠不夠。由于中國幅員遼闊、地形復雜，各地區(qū)洋蔥種植農(nóng)藝和模式不同，單純依靠農(nóng)機適應農(nóng)藝的方式顯然不夠。為此，應加強與洋蔥主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)管理部門和種植大戶之間的溝通，制定符合當?shù)氐囊?guī)范化和宜機化種植模式，在保證產(chǎn)量不減的前提下，通過改變種植農(nóng)藝的方式為機械化收獲作業(yè)創(chuàng)造條件，通過農(nóng)藝的調整促進機械的研發(fā)，減少機具研發(fā)種類和數(shù)量，提高機具適應性。

③ 分區(qū)域研發(fā)機型。中國洋蔥種植較為分散，各產(chǎn)區(qū)種植模式及地況不同，應分區(qū)域研發(fā)不同類型機具。在小面積種植區(qū)可優(yōu)先選用分段收獲方式，研發(fā)通用性和適應性較好的去秧、挖掘收獲和撿拾（可選配有分級、裝袋等功能）系列化收獲機械。在大面積種植區(qū)可探索研發(fā)洋蔥聯(lián)合收獲機械，并將機、電、液、氣等多項技術融入，實現(xiàn)洋蔥去秧、挖掘、去土、裝袋一體化作業(yè)。

④ 仿生與自適應技術的應用。洋蔥不同于水稻、小麥、玉米等作物，由于一部分果實埋于地下，收獲時需要挖掘作業(yè)，而該環(huán)節(jié)極易造成果實損傷。為解決該問題可以考慮采用仿生技術，由于洋蔥根須較少且入土較淺，因此可模仿人手撥推洋蔥的方式完成洋蔥起挖。同時研究適用于洋蔥去秧的自適應技術，綜合利用傳感、液壓、電控等技術實現(xiàn)去秧作業(yè)深度的自動調控。