甜高粱秸秆综合利用及收储运机械化现状分析

杜晓雪，王春光，郭文斌，王洪波

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

甜高粱[1-2]也叫芦栗、甜秆、珍珠黍或糖高粱。甜高粱(见图1)，高2～4m，基部径2～2.5cm，叶7～12片或较多，多汁液、味甜，属于粒用高粱的一个变种。国际半干旱地区热带研究所总干事达尔称“甜高粱是一种‘智慧谷物’，因为它既是粮食，也能用来生产燃料。”此外，作为一种具有较高生物产量和糖产量的作物品种，甜高粱除了制糖以外，甜高粱秸秆(见图2)还可以用于制作饲料、乙醇燃料、制酒、造纸，以及制作板材等，被称作“高能作物”。甜高粱每公顷可产籽实2 250～7 500kg，与普通高粱不同之处在于其每公顷能生产60 000～75 000kg富含糖分的秸秆[3]，而这些糖分，使甜高粱秸秆成为近年来新兴糖料作物、饲料作物及能源作物的主要原因。

近年来，农作物秸秆不断被开发和利用，甜高粱秸秆较高的开发价值呈现出巨大优势，因此如何合理、充分地开发利用甜高粱秸秆，提高其综合利用率，也已经成为各国研究学者的研究热点[4]。多样式多功能的加工机具、生产设备、配套工艺等秸秆类物料产品也相继产生。同时，对秸秆物料的加工特性方面的研究有了较快的发展速度，为进一步设计研发新工艺、新设备提供了理论依据和试验基础。但是，目前对于甜高粱的研究甚少，尤其是甜高粱在播种栽培技术方面、收获储运机械方面，以及秸秆的加工方式上的研究都明显滞后于玉米、小麦等作物。

图1 整株甜高粱

图2 甜高粱秸秆直径

1 甜高粱秸秆利用现状

我国秸秆资源富足，毕于运(2010年)指出我国秸秆实际总产量达到8亿t[5]。据国家统计局显示[6]我国秸秆综合利用率在2010年达到了70.6%，利用量约为5亿t，综合利用成效显著；到2015年国内主要农作物秸秆理论资源量为10.4亿t，可收集资源量为9.0亿t，利用量为7.2亿t，秸秆综合利用率为80.1%。其中，甜高粱秸秆的利用率占10.34%，与2010年相比，秸秆总体利用率增加了10%。从总体发展趋势分析得到秸秆的利用范围在不断地扩大。其中，甜高粱秸秆综合利用工艺路线如图3所示。

图3 甜高粱秸秆综合利用工艺路线

1.1 甜高粱秸秆饲料化利用技术

甜高粱秸秆除含有纤维素、木质素、半纤维素、果胶和粗蛋白等物质外，还含有微量的单宁、粗脂肪和矿物质等[7],因此甜高粱秸秆被广泛用于制作饲料[8]。柴庆伟(2010年)通过对处于乳熟后期的甜高粱—“凯勒”品种与玉米秸秆的对比(各营养参数见表1)，总结出甜高粱秸秆较其他秸秆具有更高的营养价值及更广泛的开拓领域[9]。杨森等指出：利用甜高粱茎秆、复合菌株及1%的尿素混合经发酵后来制取蛋白饲料，既提高了甜高粱秸秆的利用率又提高其饲料的营养价值[10-11]。甜高粱秸秆饲料化利用技术包含：压块、丝化、制粒技术，以及生物发酵技术等，不仅可以实现废弃资源的再利用，还可以提高其作为饲料的营养价值，减少对环境的污染。此外，甜高粱经过秸秆发酵生产乙醇后的酒糟还可以实现二次利用，生产粗饲料，且其配置方法简单易于推广，既提高了其秸秆的综合利用率，又满足了动物养殖的饲料需求。甜高粱秸秆乙醇发酵后的酒糟用于制作饲料具有如下的优点[12]：①配置方法简单、价格低廉，可实现秸秆的二次利用；②用酒糟生产粗饲料保留了酒糟的特殊香味，且柔软、适口性好；③减少发酵企业对环境的污染。

表1 高粱秸秆与玉米秸秆营养成分含量

1.2 甜高粱秸秆有机肥化利用技术

甜高粱秸秆中含有一定量的氮、磷、钾等微量元素，研究发现，风干的高粱秸秆含氮量一般在0.6%左右，磷含量为0.41%，是玉米秸秆钙、磷含量的2倍[13]。大多数农村地区多采用秸秆覆盖还田及焚烧还田，但焚烧因对空气的污染较大且浪费秸秆等被逐渐取缔。目前，多数采用将甜高粱秸秆作为辅料与畜禽粪便混合，经过堆积、发酵的方式达到肥化的效果，这样肥化处理后还田，可以有效地改善土壤环境，增加其肥力。相关研究表明，在不同程度上对秸秆进行覆盖和翻压可有效改善农田生态环境。祝明雪(2009年)等研究发现秸秆还田是一项有效的增产措施，平均增产幅度在10%以上[14]。总之，甜高粱秸秆经过肥化处理后，在一定程度上不仅可以减少粪便对环境的污染，还将污染源变成了再生资源，达到了高效、无污染的双赢目标。

1.3 甜高粱秸秆能源化利用技术

甜高粱秸秆富含可溶性糖和纤维素，被认为是最具开发应用潜力的第一代和第二代能源作物之一[15]。近年来，为解决全球能源供需矛盾及气候变化等挑战，大多数国家都积极推进生物质能源开发利用，将发展生物质能源作为代替化石能源及保障能源安全的重要战略措施。崔明等学者[16-18]也指出：甜高粱秸秆在C4作物中有较高的生物产量，其单位面积的生物产量生产无水乙醇的产量较高，是生物质能源的主要来源，被称为“高能作物”，是近年来生产乙醇燃料的优选原料。田宜水等(2011年)也在甜高粱茎秆乙醇生命周期的分析中通过对比试验研究的方法，指出甜高粱茎秆作为能源材料具有显著的优势[19]。程意峰(2008年)指出：甜高粱秸秆中的汁液可以进行丙酮、丁醇发酵，进而优化降低原料糖度和提高丁醇的产量，且可以降低生产丁醇的成本[20]。此外，还可以利用甜高粱秸秆进行沼气化利用、热解气化及液化燃料等技术方面的研究，进而发挥甜高粱秸秆作为能源在促进可持续发展、保护环境和节能减排等方面的重大研究意义。

1.4 甜高粱秸秆糖料化利用技术

甜高粱秸秆中富含葡萄糖、蔗糖、果糖、纤维素，以及半纤维素等五大营养素，还常被用于生产糖浆和结晶糖。李翼新(2012年)通过对甜高粱组织进行人工分离得到甜高粱的营养分布是不均匀的，并得出甜高粱秸秆中的糖分主要集中于髓，其次为皮中，约占总量的91%[21]。甜高粱秸秆富含糖分，其汁液锤度一般在10%～20%范围内[22]。王同朝(2004年)等研究发现：甜高粱秸秆中汁液的锤度可达到10%～20%，平均每公顷甜高粱秸秆可产糖900～1 500kg，同比甜菜榨糖效益高达35%[23]。此外，甜高粱秸秆制糖的工艺流程和设备可以参照甜菜或甘蔗的制糖工艺，其工艺设备简单、易操作，所以实现甜高粱秸秆糖化利用技术不仅可以解决我国糖源缺乏、供应紧张的局面，又可以降低成本，实现资源的可持续发展。

1.5 甜高粱秸秆工业原料化技术

甜高粱秸秆富含纤维，组织结构较强，可通过加工生产工业上所需的原料。其中，沈阳新洋高粱合板有限公司利用甜高粱茎皮制板材,其产品可代替中低密度花板、胶合板等,该厂可年产3万m3甜高粱秆板材[24]。甜高粱秸秆不仅可以制作建筑板材，还可以作为纸浆原料和包装材料等的原材料。另外，在制作板材方面，王艳秋(2004年)等研究得到甜高粱茎秆表皮组织致密坚韧，可用来生产高质量的板材[25]；甜高粱秸秆产量高并且含有14%～18%的纤维素，是造纸的好原料，用30%甜高粱渣和70%的稻草能造出最佳的纸浆来。甜高粱秸秆的高纤维含量成为推动制作板材产业的发展。

甜高粱秸秆中含有微量的单宁(又称栲胶)[7]，而单宁的需求遍布医药、冶金、印染等行业，传统提取单宁的方法是从青柿子和五倍子中提取，但是每生产1万t的单宁大约需要10万t的柿子其产量仍无法满足市场的需求。所以，利用甜高粱秸秆提取单宁，既增加了甜高粱秸秆的附加值，又可以缓解单宁市场供不应求的局面。

综上所述，甜高粱及其秸秆的利用技术遍布饲料工艺、有机肥化、制糖产业及能源利用等领域。但对于甜高粱的研究甚少，尤其是甜高粱在播种栽培技术方面、收获、储运机械方面以及秸秆的加工方式等方面上的研究都明显滞后于玉米、小麦等作物。

2 研究现状及发展对策

机械化是农业现代化的中枢，不仅可以提高劳动生产率,还可以提高土地生产利用率[26-27]。冯启高(2010年)针对国内机械化的发展水平指出：我国现在还处于实现农业机械化的起步阶段，尤其是在甜高粱的种植、栽培及收获等机械方面[28]。甜高粱[29]作为世界第五大类谷类作物，其综合利用价值高、应用前景广，具有可观的市场价值；但是，在播种、收获、加工设备、秸秆处理等机械化方面明显滞后于玉米、小麦等作物。2015年，农业部在《关于农作物生产全程机械化推进行动的意见》中陈列了包含水稻、小麦、玉米、马铃薯、棉花等九大作物要实现分作物分区域全面推动其实现机械化[30]，却未提及甜高粱甚至是高粱如何实现机械化的任何意见。这与其利用价值呈反比，因此实现甜高粱产业机械化刻不容缓，现阶段其研究方向主要包括以下几方面：甜高粱栽培收获机械化、加工方式与设备，以及物料的力学特性研究。

2.1 甜高粱栽培、收获机械化研究现状

目前，伴随着种植结构的调整和轮作倒茬的需求不断增加，结合甜高粱种植环境要求低、生物量高、营养丰富，非常适合作为饲料等优势[31-33]，以及近年来国家大力扶持农业机械化力度的不断增加，机械化栽培甜高粱及机械化收割技术成为研究学者日益关注的问题。如宋旭东等[34]通过在玉米播种机械的基础上加以改进，研制出了高粱专用播种机；乔慧琴、白文斌(2013年)、李海(2011年)等学者对高粱联合收获技术进行了研究[35-36]；张晓军(2014年)将小麦联合收获机改制成高粱联合收获机[37]。同时，袁志华、吴晓强等[38-39]指出：收获机械的作业效果与作物的倒伏有关，严重影响作物的产量，可见甜高粱品种的优良、秸秆力学特性、物理特性等影响了机械化水平的高低。但是，目前国内关于甜高粱机械化方面的研究较少，从总体水平上看，甜高粱的机械化水平较低。

2.2 甜高粱秸秆加工方式及设备

甜高粱秸秆同其它秸秆类物料的加工方式一样，包括拉伸、压缩、弯曲、扭转、粉碎等，考虑到秸秆类物料的各向异性，一般多采用的加工方式为剪切、揉碎、粉碎和压缩。目前，秸秆常用加工机具主要以铡草机、揉碎机和粉碎机为主。其中，铡草机是最早的秸秆类切碎式加工机具，具有结构简单、操作方便等特点；但加工过程无法破碎秸秆的茎节和细碎度不均等特点影响了牲畜的消化率，导致秸秆物料的营养损失。揉碎机包括揉搓机和揉切机，是近年来研制的一种新式加工机具，其加工原理主要以物料之间的相互拉伸、揉搓和粉碎为主；但具有功耗大、生产率低等缺点。粉碎机虽可以达到粉碎的效果，但其动力功耗大。同时，为解决秸秆物料易松散、密度小、难储存和运输不便等问题，秸秆打捆机成为近几年来必不可少的新机器，到目前为止，已开发研制了包括圆捆机、方捆机、饲草打捆机及田间捡拾打捆联合作业机具，但在打捆密度、捆绳张紧力等方面仍需进一步的改进和优化。

2.3 甜高粱秸秆力学特性研究

农作物茎秆的力学特性研究在农业工程技术领域、装备开发阶段等方面都具有重要的意义。陈超科(2016年)在高粱秸秆力学试验中指出：研究高粱秸秆的力学特性的目的是为研究高粱作物相关机械提供理论依据[40]。因此，在农业机械设计领域，研究农作物秸秆的力学特性不仅可以减少农机具的成本与缩短研发周期，也有利于机器的设计及其工作情况的确定[41]。孟海波(2005年)指出：研究秸秆物料力学特性，可以解决秸秆加工机具参数优化设计等问题[42]。在作物高产育种中，通过对农作物茎秆的生物力学性能进行研究，如秸秆的剪切、拉伸、弯扭等力学特性研究，可对作物茎秆的倒伏进行评估，且能够更好地反映作物的物性本质[43-45]，进而为实现甜高粱实现机械化奠定理论基础；同时，通过研究甜高粱秸秆的压缩、松弛、蠕变特性等，不仅可以减少物料储运空间，还为收获机成捆装置的设计及工艺提供设计依据。但是，目前国内对于甜高粱力学特性方面的研究未见报道，因研究方法类似，可通过农业纤维物料具有的共性方面进行初步研究，进而实现对甜高粱秸秆力学特性的全面研究。

3 存在的问题

对甜高粱秸秆力学特性、物理特性的相关研究较少。在设计制造收储运机械设备时，缺少物料力学特性等参数的参考，所用设备没有针对性。例如，含糖量及含水率对秸秆力学特性的影响，如何根据含糖及含水率变化设计收储运机械，并选择最佳的收获、储藏及运输时间与方式。饲用甜高粱与现代饲料工业的结合不紧密，目前的生产中尚未有甜高粱秸秆进行饲料加工的完善工艺流程。

1)甜高粱秸秆易发酵、难储存、季节性较强。相关研究表明：甜高粱秸秆汁液在常温下贮存2天时可溶性糖损失20%，7天时则可达到50%[46]。在实际生产中，由于集中采收，大量甜高粱秸秆并不能立即进入生产，需要揉碎、榨汁贮存或运输到生产地点，因而大大降低了甜高粱的利用率。

2)甜高粱秸秆作为农业纤维物料的一种，其物料本身容积密度小、易松散，而且产地不集中，过于分散，不利于收储，成为制约甜高粱秸秆实现机械化的重要瓶颈。

4 结论与建议

1)研究甜高粱秸秆力学特性，对于未来收获、加工处理设备的研制和使用提供指导。从物料的机械、物理特性出发进行研究，研究含糖、含水率及不同收获期对甜高粱秸秆的力学、物理特性的影响，为收储运机械的设计、优化和加工设备的研制等提供理论依据。

2)研制适合甜高粱生产、加工处理机械，实现生产、加工处理机械化，提高生产、加工处理质量，提高甜高粱利用价值，通过甜高粱秸秆的压缩、打捆技术，进一步解决甜高粱质地松散、分布广、难储运、占用空间面积大，以及费用昂贵等缺点。

3)研究甜高粱秸秆的保鲜技术，解决其收获季节性强的缺点，进而减少在贮运过程中糖分的损失及易发酵的不足，提高甜高粱秸秆的利用率。

4)研制并开发关于甜高粱成分快速检测方法和仪器，为研究甜高粱营养成分及甜高粱及时收获等奠定良好的基础，进而加快甜高粱产业实现机械化的步伐。

参考文献：

[1] 梅晓岩,刘荣厚,沈飞.甜高粱茎秆汁液成分分析及浓缩贮藏的试验研究[J].农业工程学报,2008(1):218-223.

[2] 黎大爵.甜高粱可持续农业生态系统研究[J].中国农业科学,2002(8):1021-1024.

[3] 张丽敏,刘智全,陈冰嬬，等.我国能源甜高粱育种现状及应用前景[J].中国农业大学学报,2012(6):76-82.

[4] Egues I,Sanches C,Mondragon I, et al.Effect of alkaline and autohydrolysis processes on the purity of obtained hemicelluloses from corn stalks[J].Bioresour Technol,2012,103(1):239-248.

[5] 毕于运,王亚静,高春雨.中国主要秸秆资源数量及其区域分布[J].农机化研究,2010,32(3):1-7.

[6] 2020年全国秸秆综合利用率达到85%以上[EB/OL].2016-11-07.http://www.chinabgao.com/info/95363.html.

[7] 张永北,周汝琴,何冲霄，等.一种甜高粱秸秆综合利用的方法：中国，CN104109694A[P].2014-10-22.

[8] 赵凯，马龙彪，耿贵，等.能源作物甜高梁的综合开发与利用[J].中国糖料，2008(3)：67-71.

[9] 柴庆伟.利用甜高粱秸秆榨汁后的皮渣替代玉米秸秆制取青贮饲料[D].石河子：石河子大学,2010.

[10] 孙清,敖永华,葛雯，等.甜高粱茎秆残渣生产蛋白饲料的研究[J].中国农业科学,2001(1):61-65.

[11] 杨森,王石垒,张雷，等.甜高粱茎秆残渣生料多菌种固态发酵生产蛋白饲料[J].农业工程学报,2015(15):309-314.

[12] 边文祥,田瑞华,段开红，等.甜高粱秸秆酒糟复合饲料的初步研制[J].畜牧与饲料科学,2010(1):37-38.

[13] 邵丽玮,安永福,王晓芳,等.甜高粱的饲用价值及其在畜牧生产中的应用[J].养殖与饲料料,2016(9):42-45.

[14] 祝明雪.玉米鲜秸秆压缩打捆特性及装备的试验研究[D].杨凌：西北农林科技大学,2009.

[15] Antonopoulou G,Gavala H N,Skiadas L V，et al.Lyberatos G,Biofuels generation from sweet sorghum:Fermentive hydrogen production and anaerobic digestion of the remaining biomass[J].Bioresource Technology,2008,99(1):110-119.

[16] 崔明,赵立欣,田宜水，等.中国主要农作物秸秆资源能源化利用分析评价[J].农业工程学报,2008(12):291-296.

[17] 梅晓岩,刘荣厚,曹卫星.甜高粱茎秆固态发酵制取燃料乙醇中试项目能耗分析[J].农业工程学报,2012(4):194-198.

[18] Ratnavathi C V, Suresh K, Vijay Kumar B S, et al. Study on genotypic variation for ethanol production from sweet sorghum juice[J].Biomass and Bioenery, 2010, 34(7): 947-952.

[19] 田宜水,李十中,赵立欣，等.甜高粱茎秆乙醇全生命周期分析[J].农业机械学报,2011(6):132-137.

[20] 程意峰,李世杰,黄金鹏，等.利用甜高粱秸秆汁发酵生产丁醇、丙酮[J].农业工程学报,2008(10):177-180.

[21] 李冀新,赵志永,武冬梅，等.甜高粱秸秆主要营养成分含量及分布研究[J].食品工业科技,2012(4):400-401，409.

[22] 赵立欣,张艳丽,沈丰菊.能源作物甜高粱及其可供应性研究[J].可再生能源,2005(4):37-40.

[23] 王同朝,郭红艳,李新美，等.甜高粱综合开发利用现状与前景[J].河南农业科学,2004(8):29-32.

[24] 王阿平,陈明,卢庆善.加快实现甜高粱产业化[J].杂粮作物,2002(5):299-301.

[25] 王艳秋,朱翠云,卢峰，等.甜高粱的用途及其发展前景[J].杂粮作物,2004(1):55-56.

[26] 郭栋才,张清河.机械化是农业现代化的重要标志[J].农业机械学报,1980(1):110-115.

[27] 李中华,王国占,齐飞.农机化与设施农业技术推广工作的思考[J].农机化研究,2012,34(12):249-252.

[28] 冯启高,毛罕平.我国农业机械化发展现状及对策[J].农机化研究,2010,32(2):245-248.

[29] 丛靖宇.甜高粱高产栽培及秸秆贮藏研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2010.

[30] 陈巧敏,李斯华,王利民,等.主要农作物生产全程机械化水平评价研究[J].农机化研究,2017,39(1):1-5，31.

[31] 李春喜,董喜存,李文建，等. 甜高粱在青海高原种植的初步研究[J].草业科学,2010(9):75-81.

[32] 张苏江,艾买尔江·吾斯曼,薛兴中，等.南疆玉米和不同糖分甜高粱的青贮品质分析[J].草业学报,2014(3):232-240.

[33] 王玮,崔明九,秦春林，等.基于文献计量的甜高粱研究态势分析[J].草业科学,2016(9):1846-1857.

[34] 李爱军,宋旭东,曹昌林.高粱精播机及配套栽培技术的应用与发展方向[J].农业技术与装备,2012(1):52-53.

[35] 乔慧琴,白文斌,马宏斌，等.高粱联合收获技术研究进展[J].现代农业科技,2013(24):217-218.

[36] 张晓军.高粱收获割台的研制与试验[J]. 农业机械,2014(17):120-123.

[37] 杨海，李晓华，冯小川，等.甜高粱收获机割台的设计与实验[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2011(4):582-584.

[38] 袁志华,冯宝萍,赵安庆，等.作物茎秆抗倒伏的力学分析及综合评价探讨[J].农业工程学报,2002(6):30-31.

[39] 吴晓强,佘跃辉.作物茎秆抗倒性综合评价指标的力学分析[J].农机化研究,2012,34(2):31-37.

[40] 陈超科,李法德,闫银发，等.高粱秸秆力学特性的试验[J].中国农机化学报，2016(5):130-135，159.

[41] Y Hirai，E Inoue，K Mori，et al． Investigation of mechani-cal interaction between a combine harvester reel and cropstalk[J].Biosystems Engineering，2002，83 ( 3 ) : 307-317．

[42] 孟海波,韩鲁佳,王继承.秸秆物料力学特性试验台及其测控系统的研制[J].农业工程学报,2005(5):77-80.

[43] 郭玉明,袁红梅,阴妍，等.茎秆作物抗倒伏生物力学评价研究及关联分析[J].农业工程学报,2007(7):14-18.

[44] 王东洋,金鑫,姬江涛,等.典型农业物料机械特性研究进展[J].农机化研究,2016,38(7):1-8，39.

[45] 曹玉,刘伟峰,张欣达.玉米茎秆切割力影响因素试验研究[J].农机化研究,2012,34(11):129-132，137.

[46] Regassa T H，Wortmann C S. Sweet sorghum as a bioenergy crop:Literature review[J].Biomass & Bioenergy，2014，64(3)：348-355.