土下作物根土分离技术研究现状与发展趋势

　　摘要: 土下作物是指以根茎、块茎等为栽培目的农作物，其生长环境复杂，土壤类型多样。如何有效解决土壤与土下作物复合体的根土分离问题，成为制约土下作物机械化收获质量和效率的主要挑战。本文通过文献分析法，综述了土壤与土下作物的相互作用机理及根土分离技术的研究进展，重点分析了土下作物的物理特性及其与土壤相互作用的力学机制。基于现有研究，提出了胡萝卜和马铃薯根土复合物的力学模型，并总结了国内外根土分离装置的结构、工作原理及作业效果。综合现有成果，本文指出目前根土分离技术面临的主要问题，包括技术水平和工艺技能的不足，以及装置与收获机的通用性差等。最后，展望了农机根土分离技术的发展方向，提出应深入研究根土分离技术及其模型，改进脱土减粘技术，并提高不同种植模式下装置的适应性。旨在为高性能土下作物根土分离技术的开发提供理论依据，进一步提升机械化收获质量和效率。

　　关键词: 根土复合体; 根土分离技术; 互作机理; 物理特性; 力学模型

　　论文《土下作物根土分离技术研究现状与发展趋势》发表在《农业与技术》，版权归《农业与技术》所有。本文来自网络平台，仅供参考。

　　以马铃薯、红薯、胡萝卜等为代表的土下农作物是重要的粮食作物。当前，国内外土下作物的收获方式主要分为人工挖掘捡拾、机械挖掘与人工捡拾的半机械化，以及机械挖掘与机器捡拾的全程机械化模式。据统计，我国胡萝卜的种植和收获机械化率极低，马铃薯的综合机械化率不足60%，而机械化收获水平更是不到32%。在机械化收获过程中，土下作物常常出现裹挟大量土壤，导致土壤黏附，需进行脱土处理的问题。因此，实现土下作物的全面机械化尤为重要，而收获机上的根土分离技术是其薄弱环节。解决减粘脱土问题的关键是研究土下作物与土壤的根土复合体。

　　土壤粘附是指土壤与非土壤材料之间的力学相互作用。自19世纪30年代，Schiiblear首次开展了土壤粘附的研究。SchjnningP[1]为了探究粘土分散性和土壤易碎性，进行了土壤粘碳饱和度测试。试验显示随着粘土分散性的增加，土壤易碎性降低，而粘土分散性的有机碳比率极大的反映了土壤物理特性。自20世纪80年代以来,国内对土壤粘附问题展开了深入研究。张际先[2]根据土壤和固体界面相互作用时能量的变化，分析土壤粘附和摩擦的机理，并通过土壤粘附试验和土壤摩擦试验，研究土壤对非土壤物质的粘附和摩擦规律。

　　目前市场上配备根土分离装置的主流收获机较为稀少，且现有的根土分离装置通常无法高效去除土下作物表面附着的土壤。此外，机械种类单一、机械化水平较低、农机与农艺脱节等问题，导致规模化分段作业和联合作业难以实现。本文将重点分析土下作物的物理特性及其与土壤相互作用的力学机制，并整理目前国内外土下作物根土分离装置的结构、工作原理及作业效果，为根土分离技术的进一步研究和应用提供参考。

　　1 土下作物物理特性与作用力关系

　　1.1 土下作物的物理特性

　　目前，国内外研究了土下作物的线性尺寸、投影面积、体积和质量等物理参数。Roman Stopa等[3]使用INSTRON试验机研究平板间径向压缩样品的压力，试验显示，径向压缩试验中获得的最大压力值范围是1.95~2.55Mpa,与赫兹公式计算所得的表面压力平均值相差不大,最大差异值不超过6%。FGiadrossich等[4]基于建模和拉拔试验,研究单个根的简单几何特征，量化特征根密度，计算径向和纵向摩擦根与土壤应力的作用力关系。此外，还测试了非平行根束几何形状的影响。Roman Stopa等[5]基于有限元法和COSMS/M计算机分析，提出了一种精确测定胡萝卜在不同加载条件下表面压力的方法。该方法可基于等值线和表面压力分布曲线观察到最大应变集中处的损伤区域，也可观察到最小应变集中力，并得到胡萝卜模型图像和该模型在平压杆载荷下的最高载荷。

　　近年来，国内研究者也开始关注土下作物的几何特性、摩擦系数、密度等物理特性。LiYuya[6]通过实验测定了不同牵引时间下马铃薯块茎的物理力学参数，发现随着拔出时间的延长，块茎的断裂压力、杨氏模量和剪切模量显著增加，这对分析土下作物损伤机制具有重要意义。Liang Zhenwei[7]基于准静态加载实验建立的力变形曲线拟合模型，用于模拟根土复合体在振动筛上的运动表现，准确描述了马铃薯的粘弹塑性行为，从而优化机械结构设计。

　　1.2 土壤与土下作物之间的作用力

　　马铃薯与土壤界面的水膜理论模型见图1，土壤与马铃薯之间通过水膜和孔隙接触，水的张力是土壤黏附力的重要来源。土壤与土下作物之间的相互作用力主要包括黏附力和摩擦力。两者的作用机制不同:黏附力由土壤与作物表面的接触产生，而摩擦力则是切向力作用下界面沿水膜的剪切和滑移力，这一过程涉及土壤与固体材料的机械作用。

　　Wu和Waldron[8]提出了2种常用的土壤与土下作物相互作用力学模型。将土壤与土下作物看作不同性质的材料，通过界面相互作用进行建模;另一种则认为土壤与土下作物是一个复合体，通过内力影响复合体的性质。早期对于根土复合体的力学模型大多聚焦于抗剪特性及影响机理，相关试验主要涉及林木防沙固土、水土保持、土壤侵蚀与土壤稳定等方面，对于土下作物与土壤的根土复合体力学模型研究较少。

　　本文在对业界最早提出的Wu-Waldron模型进行梳理分析之后，提出胡萝卜与土壤根土复合体的力学模型，见图2、图3。通过对土壤与土下作物复合体的摩擦力学模型试验分析可得，土壤与土下作物之间存在2种相互作用关系，分别是黏贴力和摩擦力。研究表明，土下作物抗剪强度要远大于土壤抗剪强度，当土壤与土下作物相互作用时，土下作物显著提高根土复合体的抗剪强度。土下作物与土壤之间的黏附和摩擦力对根土复合体的力学特性有显著影响，随着土下作物数量的增加，复合体的抗剪强度和摩擦力都会显著增[10]。张谢东[9]通过分析复合体微观力学和宏观力学模型，得到土下作物与土壤之间的力学规律。研究认为复合体的力学常数与土下作物的体积分数成正比关系，根土复合体的抗剪强度和剪切面上的法向压力成正比关系。根土复合体的粘聚力随土下作物密度的不断增大而不断增大。

　　2 土下作物根土分离技术研究现状

　　我国的土壤大致可分为砂土、壤土和粘土3大类型。不同土壤环境下，土下作物的种植模式和农艺要求各异。目前国内外对根土分离技术的研究主要集中在马铃薯、花生等作物，而针对中药材机械化收获的根土分离技术研究较少。本章将从马铃薯、花生、玉米及中药材机械化收获的根土分离技术入手，梳理土下作物机械化收获根土分离技术的研究现状。

　　自20世纪起，苏联和美国便开始研究土下作物的收获技术，国外研究人员相继研究土下作物的机械化及自动化收获、单机收获及联合收获。代表性产品包括日本久保田CH-151FV型胡萝卜收获机、比利时GKIIS系列牵引式及安装式胡萝卜收获机，以及丹麦ASA-LIFT公司的多行胡萝卜收获机等。目前国内外的研究聚焦于如何在收获时减少根茎损伤、提高土下作物的收获率等方面。

　　2.1 砂土环境下根土分离技术研究现状

　　砂土指土壤颗粒中砂粒含量超过50%的土壤，主要分布在我国北方地区。由于砂土水分含量少，土壤与土下作物之间不易发生黏附，根土分离技术较为简单，通常采用抖土、振动等单一方式进行根土分离。

　　以马铃薯和中药材板蓝根的机械化收获根土分离技术为例。20世纪60年代，国内开始引入土下作物收获机，主要用于短根茎作物的收获。根土分离技术主要包括带杆振动式、振摆结合式、拨动式和旋转式分离技术。目前市场上广泛应用的是带杆振动式分离技术，该技术可根据工作环境调节振动带结构，适用于分段收获和联合收获。贾晶霞[11]等结合我国国情，基于计算机模拟和VB程语言，优化部件的设计和参数，改善土垡碎土性能、提升高度、减少土壤阻塞以及提高筛分效率，显著提高了马铃薯挖掘铲的挖掘净率，降低了伤薯率，进而提升了马铃薯机械化收获的工作效率。

　　美国Doublel公司生产的973型回流式马铃薯收获机，见图4。该收获机通过满负荷运行，最大限度减少了因马铃薯滚动和碰撞带来的磨损。采用柔性带可缓冲马铃薯与铁链之间的碰撞，降低马铃薯的损伤率，进而提高经济效益。并且设计反向旋转轴可分离马铃薯秧苗等杂物，减少黄萎病等真菌感染，同时保护机器本身[12]。

　　王薇[13]研制的板蓝根收获机采用碾压辊传动链轮装置，带动可调节高度的碾压辊转动，碾碎板蓝根根茎，从而实现根土分离。陶桂香[14]针对黑龙江砂土土壤，设计了一种筛条式和筛板式结合的组合筛面，有效解决了板蓝根机械化收获中根土分离效率低和茎叶与筛面缠绕导致的损伤问题。

　　2.2 壤土环境下根土分离技术研究现状

　　壤土质地介于砂土和粘土之间，几乎适宜种植马铃薯、红薯、萝卜、玉米、虎杖、麦冬等所有的农作物和中药材。

　　2019年，魏忠彩等[15]为了解决马铃薯收获机薯土分离效果差、伤薯率较高等问题，采用2级高频低幅振动薯秧分离及侧输出、低位铺放的薯土分离工艺，研制了一种缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机。该机具包括挖掘、松土限深、秧蔓侧输出以及压实整平装置等部分。经田间试验显示，随着收获速度的增大，有效降低伤薯率和破皮率，最低可达1.12%和1.07%。

　　我国从20世纪80年代开始进行根茎类中药材收获机械方面的研究。为了实现高效率、低损伤的深根茎类中药材根土分离，陈学深[16]在分析虎杖根系物理特性后，提出虎杖根系的根土复合体固土模式较为复杂。虎杖根系表面通过摩擦、咬合、黏附等方式固结土壤，同时通过根系与土壤之间的交叉、缠绕和网络结构形成牢固的复合体。因此结合碾压、揉搓、撞击、抛送等多种根土分离原理，研制出了双辊式根土分离装置，采用“底部梳刷脱土、侧面翻转配合”的分离模式，提高了分离效率。近期，罗俊[17]针对麦冬收获机根土分离能力差的问题，研制了逐级碾压输送去土装置、双级对辊挤压碎土装置和离心抛散式循环筛，大幅提高了麦冬收获机的根土分离效果。

　　2.3 粘重土壤环境下根土分离技术研究现状

　　粘土含砂量少、通气透水性差，但养分不易流失。马铃薯、花生等作物适宜在砂土环境中生长。然而，市场调研和田间试验表明，马铃薯、花生等作物在南方丘陵地带的种植面积较大，占全国种植面积的38%。

　　目前，国内外对于粘重土壤环境下机械化收获根土分离技术的研究较为薄弱。南方丘陵地粘土环境中，土下作物收获极度依赖人力手工作业，劳动强度大，经济效低。国外研制的适用于粘重土壤的收获机在设计和工艺技术上较为先进，但引进成本高，与我国农作物的农艺要求和土壤地质条件不完全匹配。因此，应在研究国内外现有设备的基础上，结合我国农作物的农艺需求和土壤条件，研制出适应我国粘重土壤环境下土下作物收获要求的根土分离装置。

　　美国GRIMME公司研制的GT170装车提升臂式马铃薯收获机,见图5。该机器采用新型传动机构和底盘架,替代了传统的链式传动,提升了收获视野,能够适应不同土地结构，工作更加可靠。输送分离装置由四排指型刮刀网筛、循环刺猬网和双刮板滚筒组成。Vario-RS分离单元的分离辊轮间距可无级调节，适应不同大小的马铃薯。此外，设计的双重多级除杂器可高效解决粘重土壤环境下的机械化收获问题[20]。

　　吕金庆等[18]研制的4U2A型马铃薯挖掘机，见图6，该机器采用升运链式分离装置，首次将弯杆和直杆间隔布置，并配备振幅调节滚轮。与传统直杆布置相比，该设计可使升运链工作面产生抖动，增大了马铃薯与运输杆的接触面积，显著提高了根土分离率，降低了马铃薯的损伤率，最低可达0.76%。

　　近期，崔振猛等[19]针对云南地区粘性土壤，设计了振动式三七根土分离装置。该装置结合了曲柄摇杆机构与振动筛，通过往复式振动与摩擦，有效抖落三七根土复合体中的粘性土壤，从而提高了三七的机械化收获率。

　　3 存在问题

　　通过对国内外收获机根土分离技术研究现状的分析，可知这一技术的核心在于通过碾压、冲击和揉搓等方式实现土壤与土下作物复合体的分离。综合分析国内外研究成果后，发现目前的研究中仍存在一些不足。

　　根土复合体力学模型准确性较差。研究表明，现有的根土复合体力学模型无法准确反映其物理和力学特性。经田间试验表明，已有的模型无法有效展示根土复合体的实际力学特性。此外，现有研究多侧重于单一植物根土复合体的抗剪特性和影响机理，大多从根土之间的粘聚力和内摩擦角等方面入手，较少研究土下作物之间的相互作用。

　　机械化收获时机械损伤率较大。马铃薯收获机的国家标准规定:马铃薯挖掘机在根土分离阶段，土下作物与分离装置或其他作物之间的碰撞与摩擦产生机械损伤破皮率应≤2%，联合收获应≤3%。然而，目前市场上满足要求的马铃薯收获机较少，且土下作物机械化收获面临合适机型不足的问题。

　　根土分离装置的通用性与地域性发展不平衡。当前的根土分离装通用性、适应性和稳定性方面仍存在不足。由于各地区土壤条件、农艺要求和地形地貌差异较大，土下作物收获机的地域性特点较强。因此，需根据不同地区的农机农艺要求开发地域化的根土分离技术。虽有装置适用于单一品种的作物，但适应多种土下作物的通用型根土分离装置较为稀缺。未来需要开发可调节的收获机械，以提高其推广应用率。

　　收获机联合作业能力较低。土下作物联合收获机的应用程度是衡量作物收获机械化水平的重要标志。现有的根土分离技术已经能够适应不同地形和土壤的需求，但随着技术的发展，根土分离装置需要不断优化和提升。当前的单一机械设备已经无法有效推动土下作物机械化收获的进程。未来，土下作物联合收获机的多功能协同作业将逐步取代传统的单一机械设备，成为土下作物机械化收获的主流方向。

　　4 发展趋势

　　土下作物根土分离技术对于现代农业机械化进程的重要性是毋庸置疑的，进一步加深对根土分离技术的研究尤为重要。

　　4.1 理论研究

　　研究根土分离技术，首要研究的是土壤与土下作物根土复合体的力学模型。本文提出了胡萝卜和马铃薯根土复合体的力学模型示意图，未来可以现有的林木根土复合体为基础，探究不同土壤类型下土壤与土下作物之间的力学关系与作用机理。

　　4.2 脱土减粘技术应用

　　本文聚焦于土下作物的物理特性及其与土壤之间的互作关系，但未涉及脱土减粘技术在根土分离装置中的应用。未来的研究可重点探讨脱土减粘技术在根土分离装置上的应用现状与技术改进。

　　4.3 种植模式的地域性

　　由于我国地形复杂、种植模式和农艺要求因地而异，土下作物收获机的根土分离装置具有较强的地域性。本研究未对种植模式与根土分离技术的匹配进行深入分析。未来研究可基于不同种植模式，设计更具通用性的根土分离技术，以适应各地区的需求。

　　5 结论

　　近年来，随着农业机械的不断发展，国内农机根土分离技术取得了显著进展。本文综述了国内外土下作物的物理特性及根土复合体间的相互作用力，重点回顾了不同土壤条件下根土分离技术的研究现状和发展趋势，并提出了马铃薯和胡萝卜等土下作物的力学模型。

　　现有的根土复合体力学模型无法准确反映其物理和力学特性，机械化收获时损伤率较高，且根土分离技术的通用性和地域性发展存在不平衡。针对这些挑战，本文建议从理论研究入手，深入探索根土复合体力学模型，并在此基础上开展脱土减粘技术在根土分离装置中的应用研究，为土下作物收获机根土分离技术的进一步发展提供理论依据。

　　参考文献

　　[1] Schjnning P, Jonge L W D, Munkholm L J, et al. Clay Dispersibility and Soil Friability-Testing the Soil Clay- to- Carbon Saturation Concept[J]. Vadose Zone Journal, 2012, 11(1).

　　[2] 张际先，李耀明，桑正中. 粘土对固体材料的粘附和摩擦[J]. 江苏工学院学报，1985(01):1-9.

　　[3] Roman, Romafiski Leszek. Surface pressure for carrot roots under radial compression[Z]. 1997.

　　[4] Giadrossich F, Schwarz M, Cohen D, et al. Mechanical interactions between neighbouring roots during pullout tests[J]. Plant&Soil, 2013, 367(1-2):391-406.

　　[5] Stopa R, Komarnicki P, Kuta U, et al. Modeling with the finite element method the influence of shaped elements of loading components on the surface pressure distribution of carrot roots[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2019, 167: 105046.

　　[6] Li Yuya, Hu Z, Gu F, et al. An experimental study on the physical mechanics and collision characteristics of potato tubers in different haulm removal times[J]. International Journal of Food Properties, 2022, 2(1):2009-2021.

　　[7] Zhenwei Liang, Yin Huang, Depeng Li, et al. Parameter determination of a viscoelastic-plastic contact model for potatoes during transient collisions[J]. Biosystems Engineering, 2023, 234: 156-171.

　　[8] Wu T H. Investigation of landslides on Prince of Wales Island, Alaska[D]. Columbus, OH: Department of Civil Engineering, Ohio State University, 1976.

　　[9] 张谢东，石明强，赵来，等. 公路边坡植物根系固土的力学分析研究[J]. 交通科技，2008(01):50-52.

　　[10] Xiao H, Zhang Q H, Xia Z Y, et al. Mechanical properties of roots of Vetiveria zizanioides as protection slope plants under tensile and pullout conditions[J]. Nongye Gongcheng Xuebao/Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2022, 38(11):91-97.

　　[11] 贾晶霞，张东兴. 基于计算机模拟的挖掘铲参数优化与试验分析[J]. 华中农业大学学报，2005(S1):103-105.

　　[12] 美国DoubleL公司. 马铃薯收获机[EB/OL]. https://www.doublelglobal. com/about-double-l. php.

　　[13] 王薇. 北药板蓝根收获机的研制[J]. 新疆农机化，2014(04):22-24.

　　[14] 陶桂香，张紫恒，衣淑娟，等. 板蓝根收获机组合筛面摆动式根土分离装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2022(04):053.

　　[15] 魏忠彩，李洪文，苏国粱，等. 缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机研制[J]. 农业工程学报，2019，35(08):1-11.

　　[16] 陈学深，马旭，陈国锐，等. 深根茎类中药材根土分离装置的研究[J]. 机械设计，2015，32(07):65-70.

　　[17] 罗俊，刘宇，蒋辉霞，等. 麦冬机械化收获根茎土壤分离装置的设计研究[J]. 南方农机，2022，53(10):1-4，8.

　　[18] 吕金庆，田忠恩，杨颖，等. 4U2A型双行马铃薯挖掘机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(06):17-24.

　　[19] 崔振猛，张兆国，王法安，等. 振动式三七根土分离装置的运动学分析及优化设计[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版)，2018，46(11):146-154.

　　[20] 吴清分. Grimme公司GT170系列牵引式马铃薯收获机[J]. 农业工程，2015，5(03):161-164.