王天果,程兴田,潘卫云,赵建托,张锋伟,葛佳佳
(1. 甘肃省农业机械化技术推广总站,兰州市,730046; 2. 甘肃农业大学机电工程学院,兰州市,730070; 3. 白银市平川区畜牧兽医技术服务中心,甘肃白银,730090)
我国马铃薯种植地域分布广泛,种植面积较大,目前居世界首位[1],已成为我国四大主要粮食作物之一。马铃薯茎叶作为马铃薯种植的主要副产物,其产量平均为13.8 t/hm2[2],产量较高,生物质资源丰富。在传统的收获模式下,马铃薯块茎收获前,大部分茎叶均被作为废弃物进行处理[3],直接杀秧还田、废弃或晒干焚烧,这些处理方法不仅造成了生物资源的严重浪费,也对环境造成了一定的污染,此外马铃薯茎叶所携带的植物病毒在土壤中无法自行消除,复种后又会侵害新的马铃薯植株[4],造成马铃薯品质下降和减产歉收[5]。因此,马铃薯茎叶的有效综合利用开发问题亟待解决。相关研究表明,马铃薯茎叶营养较为丰富,饲用价值较高[6],其中含有糖苷生物碱、茄尼醇、挥发油等70多种生物活性物质[7-9],可作为医药、化工原料,应用开发前景较为广阔。由于马铃薯鲜茎叶中含水率较高,且含有龙葵素等有毒物质[10],可溶性含糖量较少,在发酵过程中乳酸菌难以大量繁殖,其直接青贮较为困难且难以保存。为此,国内学者对马铃薯秧饲用化青贮方法及工艺进行了大量研究,并取得了显著成果,有效地解决了马铃薯茎叶的饲用化问题,当前饲用化利用前景广阔。马铃薯茎叶的收获作为其综合开发利用的关键环节之一,大多数地区仍采用人工收割及后续饲用化加工,人工收割及加工存在用工量大、劳动成本高、生产效率低及劳动强度大等问题,严重阻碍了马铃薯茎叶综合开发利用进程,因此,综合分析我国马铃薯茎叶青贮技术发展现状,突破技术瓶颈,消除装备体系薄弱对马铃薯茎叶资源化利用的阻碍,实现马铃薯茎叶青贮机械化收获,具有深刻的现实意义。
本文结合国内不同地区马铃薯种植模式,马铃薯茎叶机械化青贮技术模式及马铃薯茎叶青贮收获研究成果,按照作业方式,对马铃薯茎叶青贮机械与收获技术进行了综述,对马铃薯茎叶机械化收获存在的问题及技术展望进行阐述,为花生秧、地瓜秧等茎蔓植物茎秧的机械化收获奠定一定的理论基础及研究方法,对缓解畜牧业迅速发展与饲料短缺的矛盾、推动马铃薯全程机械化进程、逐步推进区域标准化种植及发展现代农业提出了建议。
我国马铃薯种植分布区域较广,受气候条件、播种时间及作物品种等因素的影响,各地区种植时间、种植模式及农艺要求不一,即使在相同地区,也存在多种种植模式并存的情况。按照覆膜方式有露地栽培、单膜覆盖、双膜覆盖、三膜覆盖还有四膜覆盖,按照垄行数有大垄双行和单垄单行模式,总体而言,马铃薯种植按种植模式不同可分为平作与垄作(图1)。垄作主要以单行单垄、双行单垄及宽窄行垄作为主;平作则主要以宽窄行为主。目前,我国马铃薯主流种植模式的行距、垄宽、垄高等参数如表1所示[11-13]。
(a) 单行单垄
(b) 双行单垄
(c) 宽窄行垄作
(d) 宽窄行平作图1 我国马铃薯主流种植模式Fig. 1 Mainstream planting pattern of potato in China
表1 马铃薯不同种植模式参数表Tab. 1 Parameters of different planting pattern of potato cm
此外,受各地区外部环境、气候条件及种植习惯等影响,马铃薯的种植还存在其他种植模式,如玉米—马铃薯间作、大豆—马铃薯间作、蚕豆—马铃薯间作、马铃薯—玉米—红薯三熟套种间作等多种种植模式。套种模式在时间及空间上对土地进行了综合利用,提高了土地的产出比,增加了种植户收入,但对于机械化作业提出了更高的要求。
在马铃薯块茎传统的收获过程中,为减少马铃薯收获机喂入口及茎叶分离载荷,提高收获效率及马铃薯的成熟度,在马铃薯收获前均采用人工、机械或化学方法进行杀秧作业,杀秧作业结束一段时间后再利用收获机或人工对马铃薯块茎进行收获。目前,马铃薯茎叶除小部分作为饲料用于饲喂外,其他大部分则被丢弃、焚烧或还田(图2),不仅造成了资源浪费,还污染了环境和土壤,不符合我国现代化农业可持续发展的基本要求[14-15]。
(a) 杀秧还田
(b) 焚烧
(c) 丢弃
(d) 秸秆还田图2 马铃薯茎叶主要处理方式Fig. 2 Main processing mode of potato stalks and leaves
近年来,为解决马铃薯茎叶饲用问题,汪鸿儒[6]对马铃薯茎叶混合青贮的发酵机理进行了研究,提出了马铃薯茎叶与玉米秸秆混合青贮的比例;韩俊清[10]对青贮后的马铃薯茎叶营养成分进行了研究;白云峰等[16]对青贮前后的马铃薯茎叶营养成分进行了对比,指出青马铃薯秧中硝酸盐含量大,青喂如贮存或调制不当,易转化为有毒的亚硝酸盐;谢振兵[17]研究了马铃薯茎叶采集时间对青贮效果的影响;张增欣等[18]则对添加发酵抑制剂甲醛对青贮腐败的控制作用进行了研究,详细地阐述了其作用机制、添加效果及其影响因素;徐亚姣等[19]研究了与马铃薯茎叶混合青贮物料的种类和配比量,通过感官鉴定和营养分析研究了不同生物制剂对青贮马铃薯茎叶品质的影响;周娟娟[20]对辣椒秧和马铃薯茎叶混合青贮品质的影响因素进行了研究;张敏等[21]研究了不同水分和甲酸添加量对马铃薯茎叶青贮品质的影响,获取了最佳配比组合;杨闻文[22]、杨永在等[23]分别研究了不同吸收剂和玉米对马铃薯茎叶青贮特性和发酵品质的影响及不同添加物对马铃薯茎叶青贮品质的影响;何玉鹏等[24]则分别研究了添加米糠和玉米以及添加米糠和小麦麸对两个品种马铃薯茎叶青贮品质的影响;雒瑞瑞[25-26]、梁玉红等[27]分别采用马铃薯茎叶混合青贮料与甜高粱混合青贮料、玉米秸青贮料等配制青贮饲料,研究了马铃薯茎叶混合青贮料的发酵特性;张成新等[28]采用豌豆秸、胡麻秸及玉米秸秆与铃薯茎叶混合进行对比,研究了马铃薯茎叶青贮发酵品质的影响。为解决马铃薯茎叶青贮机械化收获问题,闵令强等[29]设计了一种与自走式青贮收获机配套使用的马铃薯秧收获割台,解决了倒伏马铃薯秧的收获难题。
综上所述,国内学者对马铃薯茎叶青贮方法及工艺进行了大量研究,并取得了显著成果,但对马铃薯茎叶青贮机械化收获技术的研究还处于起步阶段,相关研究较少,随着马铃薯茎叶饲用需求的进一步增大,相关配套机械的研究亟待提高。
根据马铃薯茎叶物理特性、青贮特点及工艺要求,参照常见的青贮饲料作物(青贮玉米、青贮燕麦、青贮高粱及苜蓿等)的青贮加工模式,整理了窖贮、裹包青贮两种马铃薯茎叶机械化青贮技术路线。
窖贮技术路线为:采用马铃薯茎叶青贮收获机械对马铃薯茎叶依次进行切割收获、切碎揉搓及抛送装运,利用运输车对物料进行场地转移,用混合搅拌机对添加的其他物料(干玉米秸秆、玉米面、米糠、麸皮等)或青贮添加剂与马铃薯茎叶进行均匀搅拌,降低含水率,再进行物料装窖、压实及密封作业,实现马铃薯茎叶的窖贮,该技术路线如图3所示。除需进行必要的基础设施建设外,该技术流程所需的机械装备主要有马铃薯杀秧机、马铃薯茎叶捡拾机、马铃薯茎叶青贮收获机、运输车、饲料粉碎机、饲料混合机、装载机、抓料机等。
图3 马铃薯茎叶窖贮技术路线图Fig. 3 Roadmap of the storage of potato stalks and leaves
裹包青贮主要流程为:采用马铃薯茎叶青贮收获机对其一次性进行切割收获、切碎揉搓及抛送装运,并利用运输车对物料进行场地转移,用混合搅拌机对添加的其他物料(干玉米秸秆、稻草、玉米面、米糠、麸皮等)或青贮添加剂与马铃薯茎叶进行均匀搅拌,降低含水率,再利用打捆及缠膜机械对物料进行打捆、缠膜作业,实现马铃薯茎叶的裹包青贮,其技术路线如图4所示。
图4 马铃薯茎叶裹包青贮技术路线图Fig. 4 Roadmap of silage package wrapped of potato stalks and leaves
研究显示,裹包青贮的饲料损失率、加工成本、饲喂质量上都具有一定的成本优势[30],可有效促进农牧民减负增收。该技术流程所需的机械装备主要有马铃薯杀秧机、马铃薯茎叶捡拾机、马铃薯茎叶青贮收获机、运输车、饲料粉碎机、饲料混合机、打捆机、包膜机等。
目前,针对玉米、牧草等常用畜牧机械的开发研究较为成熟,而对于马铃薯茎叶青贮机械化收获机具的开发研究较少。按照马铃薯生产技术及马铃薯茎叶青贮利用条件,马铃薯茎叶青贮收获机械可分为“分段式收获机械”和“一体式收获机械”,所使用的机具主要有马铃薯杀秧机、茎叶捡拾切碎机、茎叶青贮收获机以及茎叶青贮打捆包膜机等。
由于新鲜马铃薯茎叶含水率较高,不利于青贮,直接青贮无法有效降低龙葵素含量,因此,杀秧是马铃薯茎叶青贮机械收获和马铃薯块茎收获的首要技术环节,在将马铃薯茎叶割倒后进行一定时间的晾晒不仅可降低马铃薯茎叶的含水率,也可有效降低其龙葵素的含量,增加其适口性。
常见马铃薯杀秧机如图5所示,此类杀秧机以格里莫KS系列马铃薯杀秧机、中机美诺1804型马铃薯杀秧机为代表,作业时,由拖拉机动力输出轴提供动力,动力经传动系统通过机具两侧的皮带带动刀轴进行杀秧作业,该机具开发较为成熟,有较好的杀秧效果,但所需配套动力大。
图5 马铃薯杀秧机Fig. 5 Haulm cutter of potato
国内中小企业生产的马铃薯杀秧机以小型马铃薯杀秧机为主,如图6所示,代表机型有洪珠1JH-110马铃薯杀秧机、璞盛1JH-75-95牵引式杀秧机等。该类机具主要由悬挂或牵引装置、机架、刀轴、甩刀等组成。作业时,拖拉机带动机具前进并提供动力带动甩刀打碎茎秧并抛洒至地表。小型马铃薯杀秧机配套动力低,多用于单垄作业,设计新颖,结构紧凑,适应性强,但作业效率相对较低。
近年来,国内专家学者针对马铃薯杀秧机存在的诸多技术缺点进行研究,取得了一定的成果。中国石油大学机电工程学院研制了一种薯垄仿形马铃薯杀秧机,如图7所示。该机主要由机架、传动系统、薯垄仿形刀轴总成、仿形地轮总成等组成。作业时,拖拉机动力输出轴通过皮带传动将动力传递给刀轴带动甩刀将薯秧打碎抛洒至地表。该机改变了传统杀秧机对垄作马铃薯适应性差的缺点,采用仿形设计,可对垄作马铃薯的垄顶和垄间同时进行杀秧作业。
图6 小型马铃薯杀秧机Fig. 6 Miniature haulm cutter of potato
图7 薯垄仿形马铃薯杀秧机Fig. 7 Imitation ridge haulm cutter of potato
马铃薯茎叶青贮分段收获在杀秧晾晒后需对其茎叶进行捡拾粉碎。专家学者对马铃薯茎叶捡拾粉碎机进行了一些研究,但相关研究成果较少。
自走式马铃薯茎叶捡拾切碎机如图8所示。该机具主要由捡拾装置、强制喂入装置、切碎揉搓装置、抛送装置及物料箱等组成。能够将杀秧机杀秧后抛洒到地表的马铃薯茎叶捡拾到割台,物料由螺旋搅龙输送集中至强制喂入装置,然后通过提升机构将物料输送至切碎揉搓装置按照牲畜适口尺寸进行切碎,并抛送到料箱进行存储。该机自带动力,设计紧凑,作业可靠,可较大程度的减少机器进地次数,降低动力消耗,但其割台适应性一般。
张军强等设计了一种悬挂式马铃薯茎叶捡拾切碎机,该机由拖拉机提供动力并带动机具作业,捡拾装置将杀秧机杀秧后地表的马铃薯茎叶捡拾到切台,再由螺旋输送器输送至切碎滚筒进行切碎,最后由抛送装置抛送至运输车中。悬挂式马铃薯茎叶捡拾切碎机一般为小型机械,适用于单垄或双垄作业,但须配套运输车同步作业,具有一定的局限性。
图8 自走式茎叶捡拾切碎机Fig. 8 Self-propelled haulm picker and cutter of potato
悬挂式马铃薯茎叶青贮收获机其结构与悬挂式马铃薯茎叶捡拾切碎机基本相同[29],其割台如图9所示,主要用于完成马铃薯茎叶的切割、输送和喂入工作,结构包括机架、弹齿式拨禾轮、输送搅龙、推禾杆、往复式切割器、分禾器及传动系统等。作业时,随着青贮机的行进,推禾秆将马铃薯秧推至倾斜,往复式切割器伸入马铃薯秧根部将其切断,前端做余摆线运动的拨禾轮弹齿插入马铃薯秧底部,并将其沿割台向后输送至输送搅龙,由输送搅龙对马铃薯秧进行收集并统一喂入过桥。该机与双向拖拉机进行配套,结构简单合理,作业效果好,适应性强,有效解决了马铃薯茎叶的青贮收获问题。
图9 马铃薯茎叶青贮收获割台Fig. 9 CuttingTable of haulm cutter of potato1.传动系统 2.往复式切割器 3.输送搅龙 4.机架 5.弹齿式拨禾轮 6.推禾杆 7.分禾器
一体式马铃薯茎叶青贮收获机主要由切割装置,粉碎装置,抛送装置等组成,可一次完成马铃薯茎叶的切割、粉碎、收集作业。自走式马铃薯茎叶青贮收获机如图10所示。该机主要由割台、割台限位装置、过桥、粉碎装置、料箱、行走系统及传动系统等组成。作业过程中,割台在液压控制系统或割台限深轮作用下,将具有仿形功能的马铃薯茎叶割台放置到割台底部贴近垄顶位置,由割台前端的往复式切割刀将马铃薯茎秆从根部进行切割,并输送到过桥,过桥中的耙齿输送器将马铃薯茎叶输送至粉碎室,粉碎室的滚刀式旋转粉碎刀按照青贮作业要求将马铃薯茎叶进行切碎,粉碎的物料在割刀旋转产生的流场作用下沿着抛送通道被抛送到料箱进行临时储存和运输。
图10 马铃薯茎叶收获机Fig. 10 Haulm harvester of potato1.料箱 2.行走系统 3.粉碎抛送装置 4.传动系统 5.过桥 6.割台限位装置 7.割台
国内专家学者对马铃薯茎叶青贮收获各个环节的机械进行了大量研究。闵令强等[29]设计了一种与自走式青贮收获机配套使用的2 800 mm幅宽青贮割台并进行了田间试验,其具有马铃薯秧留茬高度低、收获损失率低的特点。中国农业大学初旭宏[31]对马铃薯茎叶切割收集关键部件进行了设计与虚拟仿真,确定了马铃薯茎叶切割收集关键部件的主要结构参数和作业参数,虽有一定的理论参考价值,但并未解决马铃薯茎叶机械化收获技术的系统性实际应用问题。辛青青[32]在马铃薯青贮机整机概念设计的基础上,设计了马铃薯秧粉碎抛送装置,并用理论分析、Fluent-EDEM耦合模拟仿真和田间试验相结合的方法,以粉碎合格率和回收率为指标对作业装置进行了优化。
包膜青贮技术是将青贮饲料压缩成高密度草捆后进行包膜发酵的技术,广泛应用于各种饲料的青贮。当前马铃薯茎叶青贮打捆与包膜无专用机械,采用通用打捆包膜机械即可满足作业要求。
青贮打捆包膜机成套设备如图11所示。代表机型有花溪玉田9QYK-5252型青贮圆捆机包膜机、鲁牧9QYG-0.5全自动打捆包膜机等。该机将粉碎后的青贮物料通过输送带输送至打捆机构进行打捆压实,然后通过包膜机进行包膜。该机捆包重量40~65 kg,作业效率为40~50包/h。该机主要适用于固定场地的打捆包膜作业。
移动式打捆包膜一体机如图12所示。代表机型有世达尔starTSW2020C型打捆包膜一体机、安格尼克MR1210&MR820青贮打捆包膜一体机等。该类机具主要由料仓、打捆机构、包膜机构等组成,由拖拉机或电机提供动力,将粉碎好的青贮原料用打捆机进行高密度压实打捆,然后输送至后部进行包膜作业,可与马铃薯茎叶捡拾粉碎机或一体式马铃薯茎叶收获机配套使用。
图11 青贮圆捆打捆包膜机Fig. 11 Round baler and wrapping machine
图12 移动式打捆包膜一体机Fig. 12 Mobile bale wrapping machine
针对马铃薯茎叶的青贮打捆包膜作业,一些生产厂家设计了具有粉碎、打捆、包膜等工序的生产线,如图13所示。该机集粉碎、打捆、包膜于一体,作业环节较多,作业效率较低,在茎叶捡拾、转运等环节需要较多的人工参与,在粉碎、打捆、包膜等环节需要固定场地,虽然机械的购置成本较低,但使用和作业成本较高。
图13 粉碎打捆包膜生产线Fig. 13 Production line for cutting、 round baler and wrapping1.包膜机 2.打捆机 3.输送带 4.粉碎机 5.喂料口
综合分析,分段式马铃薯茎叶青贮收获通过马铃薯杀秧机、茎叶捡拾粉碎机、打捆包膜机等机具进行分段作业,具有适应性强,能够完成不同种植模式下马铃薯茎叶的收获作业,且能够有效控制马铃薯茎叶的收获时间,控制其含水率,提高青贮品质,但存在作业环节多,作业效率低,作业成本高等问题。
一体式马铃薯茎叶青贮收获机械具有集成度高、作业效率高、作业成本低的特点,但由于各地马铃薯种植模式各异,标准化程度不高,导致该种作业模式使用时的适应性较差,须在马铃薯种植模式、行垄距、作业幅宽等方面提高机械的相适应,防止马铃薯秧的漏割和块茎被压坏。
现阶段马铃薯茎叶的青贮技术有了一定的研究成果,要实现这项技术的产业化,就要解决马铃薯茎叶青贮机械化收获问题。目前,主要饲料作物的青贮收获机械的研究较为成熟,但针对马铃茎叶的机械化收获研究还有一定差距。
马铃薯茎叶的机械化收获作为解决其饲料化利用的关键环节之一,与其他青贮作物的青贮机械化收获相比,还存在着不小的差距。另外,由于受工况条件、种植模式、种植规模及气候条件等多重因素影响,我国马铃薯茎叶的机械化收获条件较为苛刻,目前马铃薯茎叶青贮机械化收获技术的发展主要存在以下几个方面的问题。
1) 马铃薯茎叶青贮机械化生产各环节发展不平衡,机械化收获存在短板。我国马铃薯生产全程机械化技术已有一定的发展,耕种收各个环节机械化技术较为成熟,常见青贮饲料如玉米、苜蓿、燕麦草等机械化生产的各个环节也较为成熟,但针对马铃薯茎叶青贮的机械化收获技术发展才处于起步阶段,研究进展缓慢,马铃薯茎叶的捡拾和联合收获存在短板,机械化水平低,研发力度不够。
2) 马铃薯茎叶青贮产业化程度低,制约了其资源化利用的进一步发展。目前我国各地区马铃薯种植模式多种多样,不同地区种植模式不同,不同地区马铃薯品种差异大,作业条件及作物的各项物理性能各不相同;此外,马铃薯茎叶的机械化收获作业是在其块茎收获前进行,必须保证不影响马铃薯块茎的产量、品质。因此,马铃薯茎叶青贮产业标准化生产与管理难度大,机械化收获作业条件复杂苛刻,限制了马铃薯茎叶青贮产业化进一步发展。
3) 农机与农艺融合不够充分。马铃薯种植方式和马铃薯品种的多样性使得马铃薯茎叶青贮收获与农艺要求匹配难度大。根据作业难点,当前需要突破的马铃薯茎叶青贮机械关键技术有:(1)基于起垄种植模式的高适应性茎叶青贮割台,为适应不同垄距、垄高、龙宽的起垄种植模式,青贮割台应实现针对各参数的可调式配置,以提高割台的适应性;(2)割台茎叶捡拾去土技术:在分段式茎叶青贮收获模式下,尤其在杀秧机杀秧后,马铃薯茎叶物料中混杂有较多的土壤,既不利于青贮工艺的进行,也会降低饲料适口性,因此,需对其中夹杂的土壤进行去除作业;(3)马铃薯青贮饲料复混关键技术由于马铃薯独特的生物化学属性,青贮工艺中需要添加各种不同含量的辅料,该工艺流程与茎叶的切碎、抛送环节进行有机融合研究不够深入,影响了相应作业环节机具的适应性。
我国有26个省份种植马铃薯,种植面积达4 667 khm2左右,鲜薯年产量达90 000 kt,每年马铃薯茎叶有45 000 kt左右的产出,且我国马铃薯产量呈逐年上升趋势,马铃薯茎叶的资源化利用迫在眉睫。近年来的研究初步解决了马铃薯茎叶饲料化利用的技术路线问题,机械化收获作为解决马铃薯茎叶饲料化利用的关键环节之一,需要有针对性地进行深入研究。
1) 提高马铃薯茎叶青贮收获机械研发力度,加快研发先进适用的机具。马铃薯茎叶青贮收获机械作为马铃薯茎叶青贮技术产业化发展的瓶颈,阻碍了马铃薯茎叶青贮产业化发展。通过各级项目支持,加大马铃薯茎叶青贮收获机研发投入,按照马铃薯茎叶的生物形态和青贮工艺进行有针对性的作业机理研究和作业机械开发,在保证马铃薯块茎产量的基础上,对现有机具进行进一步研究改进,特别是对马铃薯茎叶捡拾机械及马铃薯茎叶联合收获机械进行进一步研发,补齐马铃薯茎叶青贮技术短板,按照不同马铃薯种植模式提高青贮机械的适用性,从而达到农艺与农机的有机融合。实现马铃薯茎叶资源化利用。
2) 加强马铃薯茎叶青贮收获机械智能化研究,提高马铃薯茎叶青贮收获机械自动化程度。通过传统机械作业方式与现代智能化作业方式相结合,提高机具对垄距、垄高等作业条件的适用性。结合精细农业,对作物含水率、倒伏情况、成熟度等进行综合分析,实现割茬高度的自动调节,实现作业速度与喂入量的自动匹配,提高机具作业的可靠性,提升机具的作业效率。
3) 构建完整合理的马铃薯茎叶机械化收获体系,推进马铃薯茎叶收获机械化进程。加强马铃薯茎叶机械化收获各个环节的技术体系建设,促进农机农艺结合发展,解决马铃薯茎叶机械化收获的短板,提高马铃薯茎叶青贮机械化生产效率与质量。
4) 加大马铃薯茎叶青贮机械化收获技术推广力度,普及马铃薯茎叶青贮技术。对先进适用的机具体系模式建立示范区,通过示范区的建设带动使农户对马铃薯茎叶青贮技术进行深入直观的了解,从而带动马铃薯茎叶青贮产业的发展,推动相关技术进步。