盐碱地油莎豆机械化播种收获技术与装备研究进展

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　　摘要：油莎豆适应性强、抗逆性高、耐盐碱、耐贫瘠、抗旱、耐涝的特点使其成为盐碱地改良和农业可持续发展的优良选择。油莎豆块茎生于地下，其機械化播种、收获方式成为该作物规模化推广种植及实现全产业链开发的关键。本文介绍了油莎豆的播种、收获方式方法，重点对目前油莎豆播种、收获机械研究开发情况进行了系统阐述，并对盐碱地油莎豆推广种植及产业发展做了展望。
　　关键词：油莎豆;盐碱地;播种;收获;机械化
　　中图分类号：S223.2+S225.7+3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）04-0143-05
　　Abstract Because of its strong adaptability， high stress resistance， salt and alkali tolerance， leanness tolerance， drought resistance and waterlogging tolerance， Cyperus esculentus has become a good choice for improving saline-alkali land and sustainable development of agriculture. The tuber of Cyperus esculentus grows underground， so the mechanical sowing and harvesting methods become the key to limit its large-scale extension and planting and the realization of industrial chain development. The study introduced the sowing and harvesting techniques and methods of oil-sowing soybean， summarized the research and development status of relevant techniques and methods， and prospected the promoting planting and industrial development of oil-sowing soybean in saline-alkali soil.
　　Keywords Cyperus esculentus; Saline-alkali soil; Sow; Harvest; Mechanization
　　油莎豆又称为油莎草或洋荸荠，是莎草科多年生草本植物，具有耐盐独特性状，1952年中国科学院植物研究所北京植物园从苏联引入，1960年又从保加利亚引入栽培[1]。近年来国内多地已引种试种，新疆、广西、内蒙古、湖南、山东等20多个省市自治区有所分布[2]，主要种植于盐碱地块。
　　 有研究表明，油莎豆含油脂20%～32%、淀粉25%～30%、糖分12%～20%、纤维素2.5%～3%以及树脂7%[3-6]，因此它又叫做“地下核桃”及“油料作物之王，是替代大豆的重要油料作物”[7]。油莎豆块茎中亚油酸、油酸、棕榈油酸和亚麻油酸含量较高，可以用于制作生物柴油[8-14] ，因此具有良好的种植效益和应用前景。油莎豆具有抗旱耐涝、耐贫瘠、病虫害发生率低以及适应性强、耐盐碱等特性，可缓解盐碱对其生长发育的限制[15]，同时其根系发达、须根多，又有改良盐碱地的作用，因此规模化推广种植油莎豆是盐碱地改良利用和提高种植效益的优良选择[16]。
　　 农业的根本出路在于机械化。为实现盐碱地油莎豆的高产优质和规模化种植，加快推进油莎豆播种、收获机械化生产进程成为重中之重。本文拟通过总结普通大田及盐碱地油莎豆播种、收获方式方法，通过系统阐述目前油莎豆播种、收获机械研究开发情况，对我国及山东省盐碱地油莎豆高效种植与产业化开发前景进行展望，对其机械化规模生产和相关研究提供参考。
　　1 油莎豆播种方式及播种机研发进展
　　1.1 油莎豆播种
　　 为提高油莎豆种子出苗率，在土壤改良、精细整地基础上，选用头年收获的饱满、无虫眼损坏的种子进行浸种催芽，在地温保持至13℃以上时播种。盐碱地油莎豆可采用点播方式浅播，每穴播种2～3粒，播后覆盖2 cm沙土，株行距为30 cm×20 cm。由于盐碱地性凉，在种植后覆盖地膜，提高土温的同时保持水分，避免水分过度蒸发造成土壤返盐而影响油莎豆的出苗生长。播种后根据油莎豆生长所需的元素进行追肥，降低土壤盐碱度的同时促进油莎豆的分蘖与果实膨大。为了避免病虫害发生，可适量喷撒药物例如稀释后的敌百虫进行病虫害防治。
　　1.2 油莎豆播种机研发进展
　　 油莎豆播种费时费力效率较低，实现播种机械化将会大幅提高作物种植效益，节省人力物力，实质性推动油莎豆规模化种植推广。目前常见的油莎豆播种机采用以下三种方式。一是单行精播方式：手推式滚轮精播机是当前最普遍的油莎豆人工播种机械，主要靠人力推动进行播种作业，能根据种子类型和大小，灵活选择相应的播种器进行播种，操作简单、性能稳定、造价低廉，适合于地形复杂及小面积地块使用。二是油莎豆膜下播种方式：主要采用两行四行膜下播种机，该机械能够一次性完成筑垄、施肥、播种、撒药、覆膜等一系列工序，其特点是能在膜上筑土、省去人工破孔插苗步骤以避免膜上打孔穴播造成的板结，但不宜在降雨量多的地区使用。三是油莎豆膜上播种方式：采用膜上打孔播种机，该机械的鸭嘴式排种器可实现膜上打孔、先铺膜后播种，避免了人工放苗，但存在稳定性差且对整地要求较高等缺点[17]。
　　 盐碱土壤种植过程中应实施铺膜种植进行保温保墒，同时防止水分蒸发造成土壤返盐。目前针对盐碱地油莎豆播种机械的研发相对较少，其中河北农业大学机电工程学院研制的气吸式油莎豆精量铺膜播种机较为理想[18]。该播种机采用气吸式排种器，能够适应不同种类和直径大小的种子，同时对种子有较好的保护作用，基本实现了开沟、单粒精播、覆土、铺膜等工序一次性完成，具有易调整、操作简单等特点。田间试验证明，该机械结构设计合理，能够较好地实现精量播种，适合大规模播种作业，是一种可靠度较高的油莎豆播种机。但是该机械的气吸式排种器结构较为复杂，存在气吸室真空程度、吸种孔大小等影响性能的因素[19-24]。因此，大力开展多功能播种机的试验研究、进一步提高机械科技含量和工作效率是当前油莎豆播种机械研究的重点。 　　2 油莎豆收获方法与收获机械研究进展
　　2.1 油莎豆收获方法
　　 油莎豆根系发达，塊茎埋于地下，块茎与植株间相连的根茎较细、韧性低、易断裂，收获过程中极易发生落果现象[25]，盐碱地因其土壤粘性大、板结严重收获难度更大。油莎豆全育期为120天左右，北方春播时间一般为4月中下旬，9月下旬或10月初即可收获[26]，南方可提前一个月种植，可稍延缓收获。收获时通过地上植株叶片及地下块茎来判断是否成熟，即叶片大部分变黄，块茎变得坚硬且大部分呈橘黄色或棕褐色则表示成熟，此时便可进行采摘收获。
　　 油莎豆对收获期的要求较为严格，过早或过晚都会对块茎品质产生不利影响[27]。辽宁省林业土壤研究所相关研究表明，在一定收获时期范围内，随时间推移，油莎豆块茎粗脂肪含量呈先增加后减少趋势，收获过早，块茎发育不完全，呈现不饱满的状态，且油脂、淀粉、糖类等成分含量降低，并导致块茎的发芽率降低、不能用作种子;过晚则同样使其营养物质有所减少，两者都不利于实现油莎豆的优质高产。因此把握好最适收获时间是实现油莎豆优质高产种植的关键。
　　 目前油莎豆的收获方式主要以人工为主，收获时用手或短耙将植株拔起，在土壤条件较好的地带，大部分块茎会连同植株一齐拔出，后用短棒轻轻敲打，使较大的土块从植株块茎上脱落，而后放入准备好的铁筛中，筛除和块茎沾黏的泥土。而在土壤粘性大的地块直接拔起植株易造成植株与块茎分离，块茎滞留在土中，此时应使用铲子在适当的土壤深度中将土与块茎一同挖出，经过一到两天的晾晒，使其块茎上粘附的土块变松散，而后用上述同样的方法去除泥土。本研究团队尝试在油莎豆地下块茎生长的位置（地面以下5～10 cm）下面铺一层尼龙网的种植方式，待收获时直接将网拉出，以提高收获效率，目前尚在进行规模化、系统性种植试验测试过程中。
　　 收获后的油莎豆含水量一般在60%左右，此时不宜立即贮藏，因为温度高时会引起种子腐烂，过低则易使内含的自由水结晶而损伤种子，因此，刚收获的油莎豆种子需经过1～2天晾晒，待种子含水量降至15%以下时即可入库贮藏[28]。贮藏过程中应保证其内空间的空气流通，防止种子回潮发霉，且温度不宜过高，置于0～5℃下即可，同时注意鼠害的防控。
　　2.2 油莎豆收获机械研究进展
　　 油莎豆人工收获费时费力，研制推广收获机械是实现油莎豆规模化推广种植的关键。国内部分省份20世纪80年代就已开展油莎豆收获机械的研制工作，通过不断试验改进，收获机械的指标和性能也在不断完善，为实现机收奠定了基础。
　　 早期的油莎豆收获机有西北植物研究所研制的油莎豆简易筛选机，是一种人力脚踏式半自动化机械[29]。根据对人力脚踏速率的估测，该筛选机可达到1∶10的传动比，一定程度上减轻了劳动强度。它具有结构简单、操作方便、造价低的特点，并且能够实现一机多用。相关测试结果表明该机收获效果较好，几乎无种子破碎现象，在一般土壤条件下都能使用，但在含水量较高的粘土中需要加大人工操作力度，工作效率较低，尽管在惯性轮上考虑了配重平衡的问题，但仍未改善作业时晃动幅度大的缺点。该研究所随后又研制出悬挂式机型，采用铲筛联合机构及半圆弧强制分离原理，整体性能得到了提高，能够一次性完成收割、分离、入斗等一系列收获环节，具有结构简单、易维修、操作方便等特点。但该机型对土壤性质如含水量方面也有严格要求，加之其试验面积较小，许多缺点尚未显现出来，仍需进一步完善[30]。
　　 河北唐山市郊区农机厂研制的油莎豆收获机采用“窜垡”挖土铲，具有良好的碎土性能，通过滚筒筛与半圆筛的双重筛选，使入斗的油莎豆比较洁净。辽宁省彰武县农机研究所、营口市农业生产资料公司等单位于20世纪70年代也开展了油莎豆收获机的研制工作，在2～3年内研制出9种样机，其中半圆弧筛式收获机和人力移动半机械化收获机是两种典型代表机型。两种收获机在工作前期都需要人力的参与，进行人工割茎秆，前者通过轴流滚筒分离根茎与大石块，再经过平筛去除少量残土，实现油莎豆的土果分离，但只适用于平坦、无大石块的地块且要求机械有较大功率。
　　 与上述收获机相似的机型还有很多，如工农518—28Ⅰ型、Ⅳ型油莎豆收获机和辽宁518—12型半化式油莎豆收获机、平筛式油莎豆收获机等等。这些收获机为油莎豆机械化生产带来了便利，但是仍存在功能较为单一、适用范围窄等技术缺陷，具有一定的局限性。
　　 近年来，针对我国油莎豆产业发展需求，通过油莎豆产业上中下游研究专家协同攻关，引入模块化、数字化、自动化、智能化等现代化技术，油莎豆收获机研制取得较快发展。2010年，邵阳市农机研究所成功研制出一种振动筛式多功能收获机，运用模块化理念解决了油莎豆在粘土中土果难以分离的难题。该机在传统收获机的基础上增加了一个风轮机，能在低耗能情况下将粉碎的根茎吹出，避免出现以往草茎堵塞筛孔现象;在功能化模块的基础上同时实现了不同适应性机型和功能的快速转换，使之具有良好的适应性。该设备具有重量轻、体积小、成本低、筛选效率高、种子破碎率低、性能稳定、维修方便等一系列优点，为油莎豆的机械化生产提供了良好选择[31，32]。
　　 油莎豆和花生收获方式相似，可以借鉴花生收获机械的优点加以利用。目前，铲筛组合分段式花生收获机是一种新的收获机研制模式，该模式将收获过程中挖掘与分离两个步骤整合为一体，实现一次性挖掘、去土、送秧作业，落果率、破损率、机器耗油量都普遍较低[33] 。针对花生垄作覆膜种植模式，青岛农业大学联合相关农机研发企业研制出一种4H—2型花生收获机，利用反向等角度摆动原理一次性完成种子的挖掘与分离，机器结构紧凑，而且能够切割地膜，降低了残膜对土壤的危害[34]。以上两种花生收获机械均对油莎豆收获机的研制开发具有一定借鉴意义。
　　 当前，油莎豆播种、收获机械的研发应根据山东省盐碱地油莎豆推广种植面临的实际需求和问题，在现有研发基础上加大新技术、新工艺创新力度，开展关键设备研制和相关分析测试，加大设备与人工智能技术对接，以期研制出一种适用于不同盐碱地类型的油莎豆高效种植收获机械。 　　3 展望
　　 近年来，油莎豆因其自身的特征和优势，已成为我国经济作物产业发展中的一颗明星，在盐碱地改良和开发利用方面应用前景广阔。一是国家、山东省盐碱地开发利用以及油莎豆产业发展相关政策的陆续出台，为油莎豆盐碱地推广种植提供了广阔空间。二是由于农村劳动力减少、劳动力价格提升，盐碱地棉花等作物种植产业近趋萎缩，大量的盐碱地得不到利用，亟待新的种植效益较高的作物新品种加以替代，油莎豆以其耐盐碱、耐贫瘠、含油量高等特点成为盐碱地可持续开发利用的最佳选择之一。三是山东省滨海盐碱地面积分布较大，沿海城市具有良好的产业发展区位优势，能够为油莎豆全产业链开发提供较为扎实的产业基础。
　　 目前，山东省盐碱地油莎豆规模化推广种植仍然面临着诸多困难和瓶颈。一是油莎豆全产业链发展模式还不完善，种植效益较常规作物不明显，加上农民对油莎豆了解较少，导致农民种植积极性偏低。二是针对盐碱地不同土壤类型的油莎豆机械研发创新力度不够，现有机械普遍存在稳定性差、功能单一等缺点，多功能种植机械仍处于发展初期阶段。三是缺乏适宜于盐碱地种植的高产、优质、耐盐油莎豆品种及配套高效栽培技术，对相关种植技术普及力度不够。
　　 针对油莎豆产业发展面临的问题和瓶颈，建议做好以下四个方面工作。第一，加大油莎豆种植的宣传力度，开展多层次、多样化的宣传活动，同时加强农技人员相关培训和政策扶持力度，加大油莎豆种植技术的普及和推广，使农民更加全面深入地了解油莎豆，不断提高农民种植油莎豆的积极性。第二，加强油莎豆高产优质耐盐品种的培育，育出适合山东不同类型盐碱地种植的优良品种;研发出相关配套高效栽培技术，建立起完善的盐碱地油莎豆栽培技术体系。第三，大力开展油莎豆播种收获机械及相关配套技术的开发和研制，探索形成多元农机化研发资金投入机制，发挥国家补贴政策的宏观调节作用，实现油莎豆全程机械化生产，为油莎豆大规模种植提供保障，实现节本增效和农业现代化进程。第四，加强油莎豆深加工研究，研发一系列基于油莎豆优异品质及特性的深加工技术和产品，促进其应用模式和产业开发的多样化，增强油莎豆产品的市场竞争力，力求盐碱地油莎豆种植产业效益的最大化。
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