摘要: 土下作物是指以根莖、塊莖等為栽培目的農(nóng)作物，其生長環(huán)境復(fù)雜，土壤類型多樣。如何有效解決土壤與土下作物復(fù)合體的根土分離問題，成為制約土下作物機械化收獲質(zhì)量和效率的主要挑戰(zhàn)。本文通過文獻分析法，綜述了土壤與土下作物的相互作用機理及根土分離技術(shù)的研究進展，重點分析了土下作物的物理特性及其與土壤相互作用的力學(xué)機制。基于現(xiàn)有研究，提出了胡蘿卜和馬鈴薯根土復(fù)合物的力學(xué)模型，并總結(jié)了國內(nèi)外根土分離裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理及作業(yè)效果。綜合現(xiàn)有成果，本文指出目前根土分離技術(shù)面臨的主要問題，包括技術(shù)水平和工藝技能的不足，以及裝置與收獲機的通用性差等。最后，展望了農(nóng)機根土分離技術(shù)的發(fā)展方向，提出應(yīng)深入研究根土分離技術(shù)及其模型，改進脫土減粘技術(shù)，并提高不同種植模式下裝置的適應(yīng)性。旨在為高性能土下作物根土分離技術(shù)的開發(fā)提供理論依據(jù)，進一步提升機械化收獲質(zhì)量和效率。

　　關(guān)鍵詞: 根土復(fù)合體; 根土分離技術(shù); 互作機理; 物理特性; 力學(xué)模型

　　論文《土下作物根土分離技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢》發(fā)表在《農(nóng)業(yè)與技術(shù)》，版權(quán)歸《農(nóng)業(yè)與技術(shù)》所有。本文來自網(wǎng)絡(luò)平臺，僅供參考。

　　以馬鈴薯、紅薯、胡蘿卜等為代表的土下農(nóng)作物是重要的糧食作物。當(dāng)前，國內(nèi)外土下作物的收獲方式主要分為人工挖掘撿拾、機械挖掘與人工撿拾的半機械化，以及機械挖掘與機器撿拾的全程機械化模式。據(jù)統(tǒng)計，我國胡蘿卜的種植和收獲機械化率極低，馬鈴薯的綜合機械化率不足60%，而機械化收獲水平更是不到32%。在機械化收獲過程中，土下作物常常出現(xiàn)裹挾大量土壤，導(dǎo)致土壤黏附，需進行脫土處理的問題。因此，實現(xiàn)土下作物的全面機械化尤為重要，而收獲機上的根土分離技術(shù)是其薄弱環(huán)節(jié)。解決減粘脫土問題的關(guān)鍵是研究土下作物與土壤的根土復(fù)合體。

　　土壤粘附是指土壤與非土壤材料之間的力學(xué)相互作用。自19世紀(jì)30年代，Schiiblear首次開展了土壤粘附的研究。SchjnningP[1]為了探究粘土分散性和土壤易碎性，進行了土壤粘碳飽和度測試。試驗顯示隨著粘土分散性的增加，土壤易碎性降低，而粘土分散性的有機碳比率極大的反映了土壤物理特性。自20世紀(jì)80年代以來,國內(nèi)對土壤粘附問題展開了深入研究。張際先[2]根據(jù)土壤和固體界面相互作用時能量的變化，分析土壤粘附和摩擦的機理，并通過土壤粘附試驗和土壤摩擦試驗，研究土壤對非土壤物質(zhì)的粘附和摩擦規(guī)律。

　　目前市場上配備根土分離裝置的主流收獲機較為稀少，且現(xiàn)有的根土分離裝置通常無法高效去除土下作物表面附著的土壤。此外，機械種類單一、機械化水平較低、農(nóng)機與農(nóng)藝脫節(jié)等問題，導(dǎo)致規(guī)模化分段作業(yè)和聯(lián)合作業(yè)難以實現(xiàn)。本文將重點分析土下作物的物理特性及其與土壤相互作用的力學(xué)機制，并整理目前國內(nèi)外土下作物根土分離裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理及作業(yè)效果，為根土分離技術(shù)的進一步研究和應(yīng)用提供參考。

　　1 土下作物物理特性與作用力關(guān)系

　　1.1 土下作物的物理特性

　　目前，國內(nèi)外研究了土下作物的線性尺寸、投影面積、體積和質(zhì)量等物理參數(shù)。Roman Stopa等[3]使用INSTRON試驗機研究平板間徑向壓縮樣品的壓力，試驗顯示，徑向壓縮試驗中獲得的最大壓力值范圍是1.95~2.55Mpa,與赫茲公式計算所得的表面壓力平均值相差不大,最大差異值不超過6%。FGiadrossich等[4]基于建模和拉拔試驗,研究單個根的簡單幾何特征，量化特征根密度，計算徑向和縱向摩擦根與土壤應(yīng)力的作用力關(guān)系。此外，還測試了非平行根束幾何形狀的影響。Roman Stopa等[5]基于有限元法和COSMS/M計算機分析，提出了一種精確測定胡蘿卜在不同加載條件下表面壓力的方法。該方法可基于等值線和表面壓力分布曲線觀察到最大應(yīng)變集中處的損傷區(qū)域，也可觀察到最小應(yīng)變集中力，并得到胡蘿卜模型圖像和該模型在平壓桿載荷下的最高載荷。

　　近年來，國內(nèi)研究者也開始關(guān)注土下作物的幾何特性、摩擦系數(shù)、密度等物理特性。LiYuya[6]通過實驗測定了不同牽引時間下馬鈴薯塊莖的物理力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著拔出時間的延長，塊莖的斷裂壓力、楊氏模量和剪切模量顯著增加，這對分析土下作物損傷機制具有重要意義。Liang Zhenwei[7]基于準(zhǔn)靜態(tài)加載實驗建立的力變形曲線擬合模型，用于模擬根土復(fù)合體在振動篩上的運動表現(xiàn)，準(zhǔn)確描述了馬鈴薯的粘彈塑性行為，從而優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　1.2 土壤與土下作物之間的作用力

　　馬鈴薯與土壤界面的水膜理論模型見圖1，土壤與馬鈴薯之間通過水膜和孔隙接觸，水的張力是土壤黏附力的重要來源。土壤與土下作物之間的相互作用力主要包括黏附力和摩擦力。兩者的作用機制不同:黏附力由土壤與作物表面的接觸產(chǎn)生，而摩擦力則是切向力作用下界面沿水膜的剪切和滑移力，這一過程涉及土壤與固體材料的機械作用。

　　Wu和Waldron[8]提出了2種常用的土壤與土下作物相互作用力學(xué)模型。將土壤與土下作物看作不同性質(zhì)的材料，通過界面相互作用進行建模;另一種則認(rèn)為土壤與土下作物是一個復(fù)合體，通過內(nèi)力影響復(fù)合體的性質(zhì)。早期對于根土復(fù)合體的力學(xué)模型大多聚焦于抗剪特性及影響機理，相關(guān)試驗主要涉及林木防沙固土、水土保持、土壤侵蝕與土壤穩(wěn)定等方面，對于土下作物與土壤的根土復(fù)合體力學(xué)模型研究較少。

　　本文在對業(yè)界最早提出的Wu-Waldron模型進行梳理分析之后，提出胡蘿卜與土壤根土復(fù)合體的力學(xué)模型，見圖2、圖3。通過對土壤與土下作物復(fù)合體的摩擦力學(xué)模型試驗分析可得，土壤與土下作物之間存在2種相互作用關(guān)系，分別是黏貼力和摩擦力。研究表明，土下作物抗剪強度要遠(yuǎn)大于土壤抗剪強度，當(dāng)土壤與土下作物相互作用時，土下作物顯著提高根土復(fù)合體的抗剪強度。土下作物與土壤之間的黏附和摩擦力對根土復(fù)合體的力學(xué)特性有顯著影響，隨著土下作物數(shù)量的增加，復(fù)合體的抗剪強度和摩擦力都會顯著增[10]。張謝東[9]通過分析復(fù)合體微觀力學(xué)和宏觀力學(xué)模型，得到土下作物與土壤之間的力學(xué)規(guī)律。研究認(rèn)為復(fù)合體的力學(xué)常數(shù)與土下作物的體積分?jǐn)?shù)成正比關(guān)系，根土復(fù)合體的抗剪強度和剪切面上的法向壓力成正比關(guān)系。根土復(fù)合體的粘聚力隨土下作物密度的不斷增大而不斷增大。

　　2 土下作物根土分離技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　我國的土壤大致可分為砂土、壤土和粘土3大類型。不同土壤環(huán)境下，土下作物的種植模式和農(nóng)藝要求各異。目前國內(nèi)外對根土分離技術(shù)的研究主要集中在馬鈴薯、花生等作物，而針對中藥材機械化收獲的根土分離技術(shù)研究較少。本章將從馬鈴薯、花生、玉米及中藥材機械化收獲的根土分離技術(shù)入手，梳理土下作物機械化收獲根土分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

　　自20世紀(jì)起，蘇聯(lián)和美國便開始研究土下作物的收獲技術(shù)，國外研究人員相繼研究土下作物的機械化及自動化收獲、單機收獲及聯(lián)合收獲。代表性產(chǎn)品包括日本久保田CH-151FV型胡蘿卜收獲機、比利時GKIIS系列牽引式及安裝式胡蘿卜收獲機，以及丹麥ASA-LIFT公司的多行胡蘿卜收獲機等。目前國內(nèi)外的研究聚焦于如何在收獲時減少根莖損傷、提高土下作物的收獲率等方面。

　　2.1 砂土環(huán)境下根土分離技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　砂土指土壤顆粒中砂粒含量超過50%的土壤，主要分布在我國北方地區(qū)。由于砂土水分含量少，土壤與土下作物之間不易發(fā)生黏附，根土分離技術(shù)較為簡單，通常采用抖土、振動等單一方式進行根土分離。

　　以馬鈴薯和中藥材板藍(lán)根的機械化收獲根土分離技術(shù)為例。20世紀(jì)60年代，國內(nèi)開始引入土下作物收獲機，主要用于短根莖作物的收獲。根土分離技術(shù)主要包括帶桿振動式、振擺結(jié)合式、撥動式和旋轉(zhuǎn)式分離技術(shù)。目前市場上廣泛應(yīng)用的是帶桿振動式分離技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)工作環(huán)境調(diào)節(jié)振動帶結(jié)構(gòu)，適用于分段收獲和聯(lián)合收獲。賈晶霞[11]等結(jié)合我國國情，基于計算機模擬和VB程語言，優(yōu)化部件的設(shè)計和參數(shù)，改善土垡碎土性能、提升高度、減少土壤阻塞以及提高篩分效率，顯著提高了馬鈴薯挖掘鏟的挖掘凈率，降低了傷薯率，進而提升了馬鈴薯機械化收獲的工作效率。

　　美國Doublel公司生產(chǎn)的973型回流式馬鈴薯收獲機，見圖4。該收獲機通過滿負(fù)荷運行，最大限度減少了因馬鈴薯滾動和碰撞帶來的磨損。采用柔性帶可緩沖馬鈴薯與鐵鏈之間的碰撞，降低馬鈴薯的損傷率，進而提高經(jīng)濟效益。并且設(shè)計反向旋轉(zhuǎn)軸可分離馬鈴薯秧苗等雜物，減少黃萎病等真菌感染，同時保護機器本身[12]。

　　王薇[13]研制的板藍(lán)根收獲機采用碾壓輥傳動鏈輪裝置，帶動可調(diào)節(jié)高度的碾壓輥轉(zhuǎn)動，碾碎板藍(lán)根根莖，從而實現(xiàn)根土分離。陶桂香[14]針對黑龍江砂土土壤，設(shè)計了一種篩條式和篩板式結(jié)合的組合篩面，有效解決了板藍(lán)根機械化收獲中根土分離效率低和莖葉與篩面纏繞導(dǎo)致的損傷問題。

　　2.2 壤土環(huán)境下根土分離技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　壤土質(zhì)地介于砂土和粘土之間，幾乎適宜種植馬鈴薯、紅薯、蘿卜、玉米、虎杖、麥冬等所有的農(nóng)作物和中藥材。

　　2019年，魏忠彩等[15]為了解決馬鈴薯收獲機薯土分離效果差、傷薯率較高等問題，采用2級高頻低幅振動薯秧分離及側(cè)輸出、低位鋪放的薯土分離工藝，研制了一種緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機。該機具包括挖掘、松土限深、秧蔓側(cè)輸出以及壓實整平裝置等部分。經(jīng)田間試驗顯示，隨著收獲速度的增大，有效降低傷薯率和破皮率，最低可達(dá)1.12%和1.07%。

　　我國從20世紀(jì)80年代開始進行根莖類中藥材收獲機械方面的研究。為了實現(xiàn)高效率、低損傷的深根莖類中藥材根土分離，陳學(xué)深[16]在分析虎杖根系物理特性后，提出虎杖根系的根土復(fù)合體固土模式較為復(fù)雜。虎杖根系表面通過摩擦、咬合、黏附等方式固結(jié)土壤，同時通過根系與土壤之間的交叉、纏繞和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成牢固的復(fù)合體。因此結(jié)合碾壓、揉搓、撞擊、拋送等多種根土分離原理，研制出了雙輥式根土分離裝置，采用“底部梳刷脫土、側(cè)面翻轉(zhuǎn)配合”的分離模式，提高了分離效率。近期，羅俊[17]針對麥冬收獲機根土分離能力差的問題，研制了逐級碾壓輸送去土裝置、雙級對輥擠壓碎土裝置和離心拋散式循環(huán)篩，大幅提高了麥冬收獲機的根土分離效果。

　　2.3 粘重土壤環(huán)境下根土分離技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　粘土含砂量少、通氣透水性差，但養(yǎng)分不易流失。馬鈴薯、花生等作物適宜在砂土環(huán)境中生長。然而，市場調(diào)研和田間試驗表明，馬鈴薯、花生等作物在南方丘陵地帶的種植面積較大，占全國種植面積的38%。

　　目前，國內(nèi)外對于粘重土壤環(huán)境下機械化收獲根土分離技術(shù)的研究較為薄弱。南方丘陵地粘土環(huán)境中，土下作物收獲極度依賴人力手工作業(yè)，勞動強度大，經(jīng)濟效低。國外研制的適用于粘重土壤的收獲機在設(shè)計和工藝技術(shù)上較為先進，但引進成本高，與我國農(nóng)作物的農(nóng)藝要求和土壤地質(zhì)條件不完全匹配。因此，應(yīng)在研究國內(nèi)外現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國農(nóng)作物的農(nóng)藝需求和土壤條件，研制出適應(yīng)我國粘重土壤環(huán)境下土下作物收獲要求的根土分離裝置。

　　美國GRIMME公司研制的GT170裝車提升臂式馬鈴薯收獲機,見圖5。該機器采用新型傳動機構(gòu)和底盤架,替代了傳統(tǒng)的鏈?zhǔn)絺鲃?提升了收獲視野,能夠適應(yīng)不同土地結(jié)構(gòu)，工作更加可靠。輸送分離裝置由四排指型刮刀網(wǎng)篩、循環(huán)刺猬網(wǎng)和雙刮板滾筒組成。Vario-RS分離單元的分離輥輪間距可無級調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同大小的馬鈴薯。此外，設(shè)計的雙重多級除雜器可高效解決粘重土壤環(huán)境下的機械化收獲問題[20]。

　　呂金慶等[18]研制的4U2A型馬鈴薯挖掘機，見圖6，該機器采用升運鏈?zhǔn)椒蛛x裝置，首次將彎桿和直桿間隔布置，并配備振幅調(diào)節(jié)滾輪。與傳統(tǒng)直桿布置相比，該設(shè)計可使升運鏈工作面產(chǎn)生抖動，增大了馬鈴薯與運輸桿的接觸面積，顯著提高了根土分離率，降低了馬鈴薯的損傷率，最低可達(dá)0.76%。

　　近期，崔振猛等[19]針對云南地區(qū)粘性土壤，設(shè)計了振動式三七根土分離裝置。該裝置結(jié)合了曲柄搖桿機構(gòu)與振動篩，通過往復(fù)式振動與摩擦，有效抖落三七根土復(fù)合體中的粘性土壤，從而提高了三七的機械化收獲率。

　　3 存在問題

　　通過對國內(nèi)外收獲機根土分離技術(shù)研究現(xiàn)狀的分析，可知這一技術(shù)的核心在于通過碾壓、沖擊和揉搓等方式實現(xiàn)土壤與土下作物復(fù)合體的分離。綜合分析國內(nèi)外研究成果后，發(fā)現(xiàn)目前的研究中仍存在一些不足。

　　根土復(fù)合體力學(xué)模型準(zhǔn)確性較差。研究表明，現(xiàn)有的根土復(fù)合體力學(xué)模型無法準(zhǔn)確反映其物理和力學(xué)特性。經(jīng)田間試驗表明，已有的模型無法有效展示根土復(fù)合體的實際力學(xué)特性。此外，現(xiàn)有研究多側(cè)重于單一植物根土復(fù)合體的抗剪特性和影響機理，大多從根土之間的粘聚力和內(nèi)摩擦角等方面入手，較少研究土下作物之間的相互作用。

　　機械化收獲時機械損傷率較大。馬鈴薯收獲機的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:馬鈴薯挖掘機在根土分離階段，土下作物與分離裝置或其他作物之間的碰撞與摩擦產(chǎn)生機械損傷破皮率應(yīng)≤2%，聯(lián)合收獲應(yīng)≤3%。然而，目前市場上滿足要求的馬鈴薯收獲機較少，且土下作物機械化收獲面臨合適機型不足的問題。

　　根土分離裝置的通用性與地域性發(fā)展不平衡。當(dāng)前的根土分離裝通用性、適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面仍存在不足。由于各地區(qū)土壤條件、農(nóng)藝要求和地形地貌差異較大，土下作物收獲機的地域性特點較強。因此，需根據(jù)不同地區(qū)的農(nóng)機農(nóng)藝要求開發(fā)地域化的根土分離技術(shù)。雖有裝置適用于單一品種的作物，但適應(yīng)多種土下作物的通用型根土分離裝置較為稀缺。未來需要開發(fā)可調(diào)節(jié)的收獲機械，以提高其推廣應(yīng)用率。

　　收獲機聯(lián)合作業(yè)能力較低。土下作物聯(lián)合收獲機的應(yīng)用程度是衡量作物收獲機械化水平的重要標(biāo)志。現(xiàn)有的根土分離技術(shù)已經(jīng)能夠適應(yīng)不同地形和土壤的需求，但隨著技術(shù)的發(fā)展，根土分離裝置需要不斷優(yōu)化和提升。當(dāng)前的單一機械設(shè)備已經(jīng)無法有效推動土下作物機械化收獲的進程。未來，土下作物聯(lián)合收獲機的多功能協(xié)同作業(yè)將逐步取代傳統(tǒng)的單一機械設(shè)備，成為土下作物機械化收獲的主流方向。

　　4 發(fā)展趨勢

　　土下作物根土分離技術(shù)對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械化進程的重要性是毋庸置疑的，進一步加深對根土分離技術(shù)的研究尤為重要。

　　4.1 理論研究

　　研究根土分離技術(shù)，首要研究的是土壤與土下作物根土復(fù)合體的力學(xué)模型。本文提出了胡蘿卜和馬鈴薯根土復(fù)合體的力學(xué)模型示意圖，未來可以現(xiàn)有的林木根土復(fù)合體為基礎(chǔ)，探究不同土壤類型下土壤與土下作物之間的力學(xué)關(guān)系與作用機理。

　　4.2 脫土減粘技術(shù)應(yīng)用

　　本文聚焦于土下作物的物理特性及其與土壤之間的互作關(guān)系，但未涉及脫土減粘技術(shù)在根土分離裝置中的應(yīng)用。未來的研究可重點探討脫土減粘技術(shù)在根土分離裝置上的應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)改進。

　　4.3 種植模式的地域性

　　由于我國地形復(fù)雜、種植模式和農(nóng)藝要求因地而異，土下作物收獲機的根土分離裝置具有較強的地域性。本研究未對種植模式與根土分離技術(shù)的匹配進行深入分析。未來研究可基于不同種植模式，設(shè)計更具通用性的根土分離技術(shù)，以適應(yīng)各地區(qū)的需求。

　　5 結(jié)論

　　近年來，隨著農(nóng)業(yè)機械的不斷發(fā)展，國內(nèi)農(nóng)機根土分離技術(shù)取得了顯著進展。本文綜述了國內(nèi)外土下作物的物理特性及根土復(fù)合體間的相互作用力，重點回顧了不同土壤條件下根土分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并提出了馬鈴薯和胡蘿卜等土下作物的力學(xué)模型。

　　現(xiàn)有的根土復(fù)合體力學(xué)模型無法準(zhǔn)確反映其物理和力學(xué)特性，機械化收獲時損傷率較高，且根土分離技術(shù)的通用性和地域性發(fā)展存在不平衡。針對這些挑戰(zhàn)，本文建議從理論研究入手，深入探索根土復(fù)合體力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上開展脫土減粘技術(shù)在根土分離裝置中的應(yīng)用研究，為土下作物收獲機根土分離技術(shù)的進一步發(fā)展提供理論依據(jù)。

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