第1章　引言

1.1　研究目的与意义

马铃薯是一种茄科茄属块茎繁殖类生产作物，原产于南美洲的安第斯山脉，印第安人最早发现并食用野生马铃薯，距今已有8000多年。马铃薯含有丰富的蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质及脂肪，具有较高的营养价值，有“第二面包”“地下苹果”的美誉，是目前世界上最具发展前景的高产经济作物之一，在农业生产规划中占有重要地位[1]。联合国粮农组织将2008年确定为“国际马铃薯年”，肯定了其在保障世界粮食安全方面的重要作用[2]。由于马铃薯具有增产潜力大、适应性强、营养价值高、粮菜兼用及加工转换能力强等特点，联合国已将马铃薯列为世界四大主粮之一[3~5]。

2015年1月，“马铃薯主粮化发展战略研讨会”在北京召开，余欣荣[6]表示，我国将通过几年的不懈努力，力争使马铃薯作物种植规模（种植面积及单产量）和其主粮化地位得到显著提升。马铃薯主粮化是以国民营养为指导，以马铃薯主食化为切入点，以营养、消费、生产一体化的关键技术体系和政策为支撑，将研究、试验、集成、示范、推广等多种方式相结合，形成马铃薯与小麦、玉米、水稻三大主粮协调发展的新格局，提高马铃薯产业化水平，将马铃薯由目前的副粮、杂粮提升为我国第四大主粮。马铃薯主粮化发展战略对保障国家粮食安全、缓解资源环境压力、改善居民膳食结构、促进马铃薯加工多样化等方面具有重要意义。目前我国的马铃薯作物种植形成了四大区域，这些区域相对集中且各具特色，分别为：中原二作区、北方一作区、南方冬作区、西南混作区，其主要种植地区包括黑龙江、内蒙古、陕西、吉林、辽宁、云南、四川等。

根据联合国粮农组织的统计，2013年全世界种植马铃薯的国家和地区有159个，种植面积为1946.3万公顷（1公顷=10 000m2），总产量达36 809.6万吨。我国自1995年以来，马铃薯种植面积和总产量均居世界首位。2013年世界马铃薯发展情况如图1-1所示，我国的马铃薯种植面积为577.2万公顷，总产量为8 892.5万吨，占世界马铃薯种植面积和产量的比重分别为29.7%和24.2%。

图1-1　2013年世界马铃薯发展情况

图1-1　2013年世界马铃薯发展情况（续）

近些年，随着世界马铃薯产业的快速稳定发展，我国马铃薯作物的生产规模也不断扩大。虽然目前我国马铃薯的种植面积及总产量均为世界第一，但其作物单产水平与其他国家相比仍有较大差距。2013年新西兰是世界上马铃薯单产量最高的国家，约为46.3吨/公顷，世界平均马铃薯单产量为18.93吨/公顷，而我国马铃薯单产量仅为新西兰的三分之一，约为15.4吨/公顷，低于世界平均单产水平。我国是马铃薯作物的生产大国，却不是生产强国[7~8]。

马铃薯全程机械化生产是制约马铃薯生产规模的重要因素之一，加拿大、美国、新西兰、英国等国家于20世纪中期已基本实现了马铃薯机械化生产，而我国马铃薯生产的机械化程度仅为19.6%左右，与国际先进水平（大于70%）相差甚远[9~11]。世界发达国家通过马铃薯机械化生产不断发展马铃薯产业，这也将是我国马铃薯产业发展的必经之路。马铃薯机械化播种作为实现马铃薯全程机械化生产的重要环节，直接影响马铃薯的产量与品质。目前，我国的马铃薯播种仍以人工或半机械化种植方式为主，其费工费时、种植效率低、劳动强度大，且播种作业行距、株距、播种深度不规范，严重影响了马铃薯产业规模的发展。马铃薯机械化播种技术是将机械化应用到生产实践中，以提高其单产量、降低劳动强度及生产成本，为促进马铃薯规模化生产奠定基础。马铃薯精密播种技术由于具有增加产量、提高作业效率、节约成本等优点，因此已成为播种技术的主体发展方向。

合理、有效地推广、应用马铃薯精量播种机具进行精密标准化播种，一次性完成开沟、播种、施肥、覆土、镇压等多项作业，可有效降低作业成本及能源消耗，提高作业质量及效率，同时有利于出苗整齐，减小后续工作强度，利于后期的田间管理及收获作业，是实现马铃薯增产增收的重要途径，对调整我国农业结构及保障粮食生产安全具有重要意义。马铃薯精量排种器作为实现精密播种的核心工作部件，其排种性能直接影响种植的质量与效率。按工作原理的不同，马铃薯精量排种器分为气力式精量排种器和机械式精量排种器[12~14]。勺带式精量排种器属于机械式精量排种器的一种，具有结构简单、维修方便等优点，因此是我国马铃薯播种产业应用最广泛的一种排种装置。从20世纪60年代开始，国内外学者开始对此类排种器进行研究[15~16]，主要以排种器结构、形式的创新研究居多，对关键部件的理论分析和可控影响因素的研究较少。在高速作业过程中，仍存在因播种种薯（切块薯或整薯）尺寸差异及机具振动等原因导致的重播和漏播现象，排种作业质量较差、效率较低，适应范围小，无法完全满足实际生产需求。

在此背景下，本书对马铃薯精密播种技术进行深入研究，结合马铃薯播种农艺要求，对马铃薯种薯物料特性进行研究测定；优化设计双列交错勺带式精量排种器，对其主要结构和工作原理进行分析，建立充种、清种、导种和投种过程动力学模型，优化关键部件双列交错排种总成、主动驱动总成、振动清种装置、充种箱体的结构参数；运用离散元素法进行充种运移性能仿真模拟分析及虚拟充种试验，提高排种器的充种性能及质量；运用高速摄像技术与图像处理技术进行投种轨迹测定试验研究，优化排种器的导种及投种质量；以工作转速和振动幅度为试验因素，以合格指数、重播指数和漏播指数为试验指标，进行多因素二次正交旋转组合设计试验，优化排种器的最优工作参数；在此基础上配置设计马铃薯精量播种机具，进一步测试排种器的工作性能，以期为马铃薯精密播种机具及其关键部件的优化设计提供参考，促进马铃薯播种产业的规模化、标准化发展。