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    我國飼用苧麻青貯加工機械調(diào)研與技術途徑研究

    2017-10-18 08:09:03劉佳杰馬蘭周韋龍超海何宏彬呂江南
    中國麻業(yè)科學 2017年5期
    關鍵詞:苧麻青貯飼料包膜

    劉佳杰,馬蘭,周韋,龍超海,何宏彬,呂江南

    (中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所,長沙410205)

    我國飼用苧麻青貯加工機械調(diào)研與技術途徑研究

    劉佳杰,馬蘭,周韋,龍超海,何宏彬,呂江南*

    (中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所,長沙410205)

    飼用苧麻是一種優(yōu)質(zhì)青貯飼料原料,其加工機械水平的高低成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵。文章采取實地調(diào)研和查閱資料相結合的方式,梳理了當前我國飼用苧麻青貯加工機械發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題。總體而言,我國飼用苧麻青貯加工機械種類繁多,但產(chǎn)品重復度高,水平不高,與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展不適應,故提出制定標準工藝加工流程、融合農(nóng)機與農(nóng)藝技術、重視專用飼用苧麻加工機械研發(fā)等對策。

    飼用苧麻;青貯加工機械;調(diào)研;對策

    1 調(diào)研目的、對象和范圍

    1.1 調(diào)研目的

    苧麻俗稱“中國草”,是我國傳統(tǒng)特色纖維作物之一。目前我國是世界上最大的苧麻生產(chǎn)國,種植面積和總產(chǎn)量均占世界的90%以上[1],主要分布在我國長江流域及以南地區(qū)。苧麻嫩莖葉中蛋白質(zhì)含量高、年生物產(chǎn)量大、營養(yǎng)成分合理,是植物蛋白飼料的重要來源。專用飼用苧麻品種,每年可收割8~10次,每公頃可產(chǎn)鮮莖葉達150 t,相當于18 t干料[2]。近年來,由中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所等單位培育的飼用苧麻品種,作為青貯飼料原料被廣泛種植,比較經(jīng)濟效益明顯。

    飼用苧麻生物量大、青貯加工工序多、收獲季節(jié)性強、勞動強度大,對加工機械的工作性能和作業(yè)效率有很高的要求。苧麻青貯飼料產(chǎn)業(yè)起步晚,在目前青貯加工過程中,尚無相配套專門加工機械設備。因此,開展我國飼用苧麻青貯加工機械調(diào)研,全面了解市場上青貯加工機械生產(chǎn)機型及其產(chǎn)品特性,對飼用苧麻青貯加工機械的研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

    1.2 調(diào)研對象和范圍

    為做好飼用苧麻青貯加工機械的調(diào)研工作,全面了解現(xiàn)行飼用苧麻青貯加工中所使用的各種機型參數(shù)及其產(chǎn)品特性,根據(jù)苧麻飼料青貯加工工藝要求,主要針對青貯飼料收割機械、青貯切碎揉搓機、青貯打包機進行了重點調(diào)研。課題組在做好資料收集的基礎上,挑選出具有一定生產(chǎn)規(guī)模與效益的生產(chǎn)廠家作為調(diào)研對象,2016年7月13~21日重點實地考察了山東曲阜圣泰機械公司、山東省曲阜市遠達機械有限公司、山東省樂陵市明堂集團、山東省樂陵市天力集團、山東省樂陵市天馬農(nóng)業(yè)機械有限公司、山東省樂陵市鐵甲農(nóng)牧機械、鄭州牧昌農(nóng)業(yè)機械設備有限公司這7家企業(yè),通過網(wǎng)上收集資料及電話聯(lián)系的方式了解廣東省中山市賽利智農(nóng)牧機械設備科技有限公司、益陽資江聯(lián)合收割機開發(fā)有限公司等5家企業(yè)(見表1)??疾烊藛T在實地考察過程中,通過觀看機器工作情況及與公司技術人員深入探討交流,基本了解了所生產(chǎn)機器結構組成與工作特性及市場需求情況。

    表1 調(diào)研青貯加工機械企業(yè)Tab.1 Visited enterprises ofmaking silage processingmachine

    2 飼用苧麻青貯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

    2.1 飼用苧麻種植區(qū)域分布

    由于麻類作物的機械化收獲與加工技術落后,勞動強度大;種植分散化,比較經(jīng)濟效益低;再加上受到其他纖維的市場沖擊。近年,苧麻種植面積處于歷史較低水平。我國是較為嚴重的草料缺乏國,尤其是南方地區(qū)這一情況更為嚴重。為保證國家畜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,每年進口苜蓿等干草近200萬噸以上[3],草料缺乏制約著我國奶牛等家畜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近幾年來,隨著飼用苧麻青貯飼料的應用和推廣,使得我國南方多省苧麻種植成本降低,經(jīng)濟效益大幅提升,飼用苧麻種植面積逐年增加,主要分布在湖南、湖北、四川、江西等地。

    2.2 飼用苧麻品種

    在國家麻類產(chǎn)業(yè)技術體系資助下,中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所在苧麻飼料化利用上潛心研究,做了大量的基礎研究工作,取得了初步成效。選育的“中飼苧1號”,“中飼苧2號”等品種具有生物產(chǎn)量高、品質(zhì)好等特點[4]。四川省農(nóng)作物育種攻關麻棉團隊收集了苧麻種質(zhì)資源600多份,其種類、特異性和完整性居國內(nèi)領先水平。育成了多個飼料加工專用苧麻新品種,“川飼苧1號”,“川飼苧2號”,“川飼苧6號”鮮產(chǎn)每公頃達到127.41 t,比苧麻、牧草和青貯玉米對照分別增產(chǎn)30%、44%和83%。同時,蛋白質(zhì)含量超過20%,遠高于玉米和飼草[5]。

    2.3 飼用苧麻青貯加工工藝

    目前生產(chǎn)中,苧麻青貯加工主要分為4道工序,即收獲備料—調(diào)制—裝填打捆—裹包密封。收獲備料是飼用苧麻青貯加工工藝的第一道工序,飼用苧麻嫩莖葉收割后,經(jīng)日曬或風干使其含水量降至70%左右,將其鍘成3~5cm的碎段,濕度應在65%~75%[6],如濕度不足,可在原料中加少量水拌勻后青貯;如濕度過大,可將原料適當晾曬后再青貯。為了降低苧麻青貯時嫩莖葉的水分,防止青貯發(fā)酵過程中由于水分過量造成升溫過高而產(chǎn)生能量損失,可在青貯時適當添加干牧草、稻谷秸稈、小麥秸稈等物料以吸收部分水分。調(diào)制是第二工序,青貯過程的實質(zhì)為通過微生物的厭氧發(fā)酵,主要是乳酸菌發(fā)酵,使原料中所含的糖分轉(zhuǎn)化為有機酸(主要是乳酸)。一般情況下,在最佳收割期收割的苧麻,其含水率常超過80%,水分過高會破壞乳酸菌發(fā)酵所需的條件。要獲得優(yōu)質(zhì)飼用苧麻青貯飼料,必須嚴格控制青貯原料中的水分、糖分、氧含量等各項指標,獲得有利發(fā)酵條件[7]。裝填打捆是第三工序,經(jīng)切碎后的原料不可在室外晾曬過久,最好隨切隨裝。采用青貯打捆機將混合后的苧麻青貯混合物打包成捆,便于運輸和長期保存。裹包密封是最后一道工序,將打捆好的苧麻青貯,用拉膜裹包機密封處理,形成厭氧環(huán)境。處于該密封厭氧條件下,經(jīng)3~6周自引發(fā)酵,最終完成乳酸菌自然發(fā)酵的生物化學過程,獲得理想飼用苧麻青貯飼料[8]。

    2.4 經(jīng)濟效益

    飼用苧麻生物量大,每年可收割6~8次,產(chǎn)量可達150~180 t/hm2·年,將苧麻鮮莖加工成青貯飼料,價格約為800元/t,是苧麻傳統(tǒng)用途種植收入的4倍。采取種養(yǎng)結合的方式,使用苧麻青貯飼料喂牛,可以顯著降低飼料成本。以肉牛為例,苧麻青貯料可以替代30%的精料,飼料成本降低3.0元/天·頭,一年可降低成本1000元以上,出欄量約為500頭的養(yǎng)牛場可節(jié)約飼料成本50萬元/年。而且由于苧麻喂養(yǎng)肉牛為無公害產(chǎn)品,價格比市場普通飼料喂養(yǎng)高1.0元/kg,無形中提高了肉牛養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟收入,在解決肉牛養(yǎng)殖企業(yè)飼料來源的同時,增強了企業(yè)競爭力。因此,飼用苧麻推廣前景廣闊,市場潛力巨大。

    3 青貯加工機械設備研發(fā)應用情況

    3.1 收獲機械

    歐美、日本等發(fā)達國家收獲機械化程度高,已基本上實現(xiàn)了主糧全程機械化作業(yè),隨著科學技術的不斷進步,國外的收獲機械正向著大型化、專業(yè)化、智能化方向發(fā)展。苧麻是我國傳統(tǒng)特色經(jīng)濟作物,國外少有種植,因此國外尚無苧麻機械化收獲方面的研究。近年來,我國南方地區(qū)飼用苧麻發(fā)展快速,收獲機械成為飼用苧麻種植業(yè)的普遍需求,吸引了國內(nèi)一些高校、科研院所、企業(yè)對此領域展開研究。調(diào)研發(fā)現(xiàn),在目前飼用苧麻收獲環(huán)節(jié)中主要有以下幾種方式:一是采用人工收割;二是采用現(xiàn)有玉米、油菜等作物聯(lián)合收獲機械進行作業(yè);三是采用了最新研制專用苧麻收割機?,F(xiàn)行市場上青貯收獲機械種類有幾十種之多,按切割臺架形式來分主要有兩種。這里主要介紹青貯收獲機械的兩種不同形式割臺和一種最新研制的專用飼用苧麻收獲機械。

    3.1.1 多圓盤塔式青貯收獲機械

    多圓盤塔式收割臺,采用鋸齒割刀,可適應各地區(qū)種植模式,不受種植作物粗細、株高、行距等限制,對高桿作物收割能力較強,可實現(xiàn)不對行作業(yè),有效降低割茬高度,提高收割效率。其缺點是割臺運轉(zhuǎn)時,可能因刀具的回轉(zhuǎn)運動造成堵塞。

    圖1 多圓盤塔式青貯收獲機械Fig.1 Multi disc tower silage harvester

    3.1.2 往復式割臺青貯收獲機械

    往復式仿形切割臺青貯收獲機選用雙葉片螺旋推動器,有輸送流暢的特點。這種割臺具有仿形裝置,在不推動液壓手柄的情況下,割臺仍能夠隨地勢變化小范圍上下浮動,有效的保護割刀。其相配套的喂入室由多個輥筒組成,可實現(xiàn)多級滾壓,壓扁的物料牲畜更喜食。

    圖2 往復式割臺青貯收獲機械Fig.2 Reciprocating harvester

    3.1.3 4LZ-220型履帶自走式苧麻收割機

    4LZ-220型履帶自走式苧麻收割機由中國農(nóng)科院麻類研究所、益陽農(nóng)用收割機廠共同研制。該收割機為履帶式行走輪,割幅寬度達到2.2 m,在農(nóng)田中行走自如,靈活調(diào)節(jié)收割高度。機器運行時首先進行飼用苧麻的田間收割,再將收割后的莖稈,經(jīng)夾持傳送裝置輸送至切碎裝置,切碎后材料進入到集麻箱中。該機器可實現(xiàn)田間收獲與切碎功能,收獲工效達到0.267 hm2/h,相比人工收獲工效提高10倍以上,適合大規(guī)模、平地作業(yè)。該機器在試驗中發(fā)現(xiàn)有以下幾個問題有待解決,一是割茬不規(guī)整,刀具磨損嚴重;二是容易出現(xiàn)苧麻纖維纏繞刀具,使機器不能正常工作;三是機器切碎效果不規(guī)則,給后續(xù)加工帶來困難。

    圖3 4LZ-220型履帶自走式苧麻收割機Fig.3 4LZ-220 type crawler ramie harvester

    研究青貯收獲機械的企業(yè)較多,以河南、河北為主,2016年團隊成員調(diào)研收集了益陽農(nóng)用收割機廠、甘肅省機械科學研究院以及河南省新鄉(xiāng)市銀豐青儲機制造有限公司等企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的自走式青貯收獲機4款機型,雖不全面,但具有一定代表性。自走式青飼料收獲機具有適應性強、生產(chǎn)效率高等特點,市場占有率較高。但是,一般玉米收獲機用來收獲飼用苧麻存在一些問題,主要體現(xiàn)在物料不適應,因苧麻為纖維作物,其莖葉中的纖維會造成收獲機械刀具纏繞,導致機器不能正常工作,這是飼用苧麻收獲機設計時應解決的關鍵問題。

    3.2 青貯切碎揉絲機

    飼用苧麻青貯加工過程中需要切碎機將收獲好的莖稈進行切碎處理。按照工作原理分類,切碎機結構形式可分為滾刀式和輪刀式兩種[9],按照功能分類,切碎機又可分為鍘草機和切揉機兩種[10]。鍘草機只是把原料切成一定長度的碎莖,切揉機即切碎揉絲機可以把原料打碎成一定長度絲狀,適口性好,非常適合加工牛、羊等反芻類家畜飼用秸稈。切碎機不同的切碎方式和刀具結構以及物料自身的物理特性差異,對所加工青貯品質(zhì)有一定影響[11]。為了了解青貯切碎機的工作情況,我們走訪了青貯切碎機主產(chǎn)區(qū)山東、河南兩省多家企業(yè),與企業(yè)技術人員進行了廣泛交流與深入探討,并觀看了機器現(xiàn)場工作。具體性能參數(shù)見表2。

    表2 青貯秸稈切碎揉搓機性能參數(shù)表Tab.2 Parameters of silage straw cutting and kneadingmachine

    表3 青貯秸稈切碎機性能參數(shù)表Tab.3 Parameters of silage straw cuttingmachine

    調(diào)研發(fā)現(xiàn):市場上的切碎機,主要以切碎揉搓機居多,應用較為廣泛,而鍘草機相對較少。切碎揉搓機的主軸轉(zhuǎn)速大多在2200 r/min左右(除了明堂集團RC1000型秸稈揉搓機的主軸轉(zhuǎn)速只有1000 r/min)。各機型設計參數(shù)不相同,其工作效率亦不相同。河南鄭州牧昌農(nóng)業(yè)有限公司的鍘草機產(chǎn)品類型豐富,9Z系列有11個型號,最低工作效率為0.4~1.0 t/h,最高工作效率可達到25~28 t/h,主要應用于玉米秸稈、稻草等各種農(nóng)作物秸稈與牧草,適合于大、中、小型養(yǎng)殖場,飼料加工廠,還可以用于造紙與秸稈發(fā)電等領域。山東明堂集團RC1000型秸稈揉搓機是能將玉米秸稈進行揉搓、切斷的專用設備,揉搓后的玉米秸稈便于打捆青貯,提高發(fā)酵分解粗纖維效率,增加營養(yǎng)成份,提高適口性。

    3.3 青貯打包包膜機

    青貯打包包膜機主要完成飼用苧麻青貯制作過程中打包和包膜工作。打包機質(zhì)量的好壞不僅決定青貯加工制作工作效率,而且還影響乳酸菌發(fā)酵質(zhì)量及青貯品質(zhì)。一臺好的青貯打包包膜機應該具有易于操作、工作穩(wěn)定、自動化程度高、打包密度高、包裹密封性好等特點。根據(jù)打捆形狀來分,青貯打包機主要分為圓捆打包包膜機和方捆打包包膜機。團隊走訪調(diào)研了6家公司,其中山東圣泰機械、山東遠達機械、山東明堂集團與山東天馬集團以研發(fā)生產(chǎn)圓捆包膜機為主,鄭州牧場農(nóng)業(yè)有限公司主要生產(chǎn)液壓袋式打包機,中山賽利智農(nóng)牧機械公司研發(fā)了裹包青貯全自動生產(chǎn)線。其各產(chǎn)品機型特性見表4。

    表4 青貯打捆包膜機械特性參數(shù)統(tǒng)計表Tab.4 Parameters of silage balingmachine

    從上表中可以看出,調(diào)研的幾家公司中有4家生產(chǎn)圓捆打包包膜機,只有鄭州牧昌農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn)液壓方捆袋式打包機,1家研發(fā)了裹包青貯全自動生產(chǎn)線。從市場整體來看,圓捆打包包膜機結構相對簡單,體積較小,價格較便宜,操作維修簡單,應用居多,方捆打包機所打的草捆密度比圓捆大,運輸和存儲較為方便,可連續(xù)作業(yè),效率較高,但其內(nèi)部結構復雜,制造成本高,價格高,應用較少。從調(diào)研4家生產(chǎn)圓捆包膜機的公司來看,其產(chǎn)品結構大體相同、性能參數(shù)相差無幾。其中中山賽利智農(nóng)牧機械公司研發(fā)生產(chǎn)的裹包青貯全自動生產(chǎn)線可實現(xiàn)落料—添加乳酸菌—添加精飼料—打捆—裹包全自動運行,在同類產(chǎn)品中具有較強競爭力,但產(chǎn)品售價相對比較昂貴。

    4 飼用苧麻青貯加工機械存在的問題

    通過實地走訪調(diào)研,總結出這些企業(yè)所生產(chǎn)的青貯飼料加工機械主要有以下幾個特點:一是生產(chǎn)規(guī)模不大,產(chǎn)品涉及種類繁多,基本上涵蓋了整個青貯飼料制作過程中所需要的加工機械,如切碎揉絲機、打捆機、打包包膜機、混料機等。就產(chǎn)品的種類而言,其中以鄭州牧昌農(nóng)業(yè)機械有限公司的種類最多,單揉絲機就有10幾種之多,而單打包包膜機而言,以明堂集團的規(guī)模最大,整個車間擺放數(shù)百臺機器;二是各企業(yè)所生產(chǎn)設備結構原理大體相同,工作方式差別不大,只有個別零部件異同。就青貯圓捆打包包膜一體機而言,所調(diào)研的企業(yè)有4家,但這4家企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品型號只有兩種,YK5552圓捆包膜一體機和5050型青貯圓捆打包機;三是各同類型產(chǎn)品之間性能參數(shù)相差不大;四是工作的穩(wěn)定性、可靠性、連續(xù)性、自動化欠佳。

    現(xiàn)行苧麻青貯生產(chǎn)加工中,使用這些玉米或者牧草青貯加工機械設備加工苧麻青貯飼料,存在以下問題:一是機具不適應,切碎機的刀具在工作一段時間后易被苧麻莖葉中的纖維纏繞,使機具不能正常工作;二是打包機在工作時,由于苧麻莖稈粗壯、麻骨硬度大,切割、壓縮困難,打包不密實容易造成青貯霉變;三是基礎研究少,相關數(shù)據(jù)缺失。

    5 飼用苧麻青貯加工機械發(fā)展建議

    5.1 加強飼用苧麻基礎性、系統(tǒng)性研究

    飼用苧麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步晚,研究基礎差,國內(nèi)科研院所、高等院校及企業(yè)等對此領域的研究少。青貯加工機械各零部件結構及設計參數(shù),如切碎方式、裝填速度及包裹壓實程度等都是影響苧麻青貯飼料品質(zhì)的重要因素[12]。因此開展飼用苧麻青貯加工相關基礎應用研究是獲得優(yōu)質(zhì)苧麻青貯飼料的必由之路。

    5.2 攻關加工環(huán)節(jié)關鍵技術問題

    在飼用苧麻青貯加工工藝環(huán)節(jié)中,收獲難的問題是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵。在前期調(diào)研與試驗中發(fā)現(xiàn),無論是使用玉米或牧草青貯收獲機械,還是使用專用的飼用苧麻收獲機來收獲飼用苧麻,都存在收獲機械回轉(zhuǎn)件被苧麻纖維纏繞問題,造成加工中斷,嚴重影響加工效率。解決苧麻纖維纏繞刀具及其它回轉(zhuǎn)件、攻關加工環(huán)節(jié)中關鍵技術問題,是飼用苧麻青貯加工機械設計重中之重。

    5.3 創(chuàng)新融合農(nóng)藝與農(nóng)機技術

    目前在飼用苧麻產(chǎn)業(yè)的研究領域,新品種選育、栽培技術和機械收獲與加工研究之間缺乏有機的結合,育種人員著重考慮的方面是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),作物生產(chǎn)的整齊度、植株粗細均勻度以及適合機械化收獲的植株大小和高度、纖維分離容易程度等均未作為其育種目標[13]。因此創(chuàng)新融合農(nóng)藝與農(nóng)機技術并制訂相關標準是產(chǎn)業(yè)發(fā)展之關鍵。在技術層面上,實現(xiàn)農(nóng)藝路線與動力配備的對接、播種量與精量播種機的對接、莖稈加工處理方式與收獲機械的對接以及種植行距與收獲機行距的對接等。

    5.4 開展飼用苧麻青貯智能聯(lián)合收獲機研究

    研究智能化麻類青貯聯(lián)合收獲機,能夠直接從田間完成飼用苧麻鮮莖的收獲、切碎、揉搓、拋送一條龍作業(yè)過程,極大提高飼用苧麻收獲加工效率,減輕勞動強度,從而根本上解決飼用苧麻青貯加工問題。

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    Processing Machine Investigation and Countermeasure Analysis of Feeding-ramie Silage in China

    LIU Jiajie,MA Lan,ZHOUWei,LONG Chaohai,HE Hongbin,LV Jiangnan*
    (Institute of Bast Fiber Crops,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Changsha 410205,China)

    Feeding-ramie is one kind of high quality source of silage.It is of significant importance to develop processingmachinery for feeding-ramie silage industry.By means of on-site investigation and consulting data,we summarized the current development situation of feeding-ramie silage processingmachinery,existing problems,and then proposed corresponding countermeasures.In general,silage processingmachinery grew forward with low development level,which could notmeet the requirement of modern agricultural development.Therefore,it is proposed to make standard processing work flow,integrate the agriculturalmachinery with agronomy technology,and design special processing machine for feeding-ramie and other countermeasures.

    feeding-ramie;silage processingmachine;on-site investigation;countermeasures

    2017年7月麻類纖維及麻制品進出口情況統(tǒng)計資料

    2017年8月麻類纖維及麻制品進出口情況統(tǒng)計資料

    S563.1

    A

    1671-3532(2017)05-0264-07

    2017-02-23

    國家麻類產(chǎn)業(yè)技術體系(CARS-19-E21);中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程(CAAS-ASTIP-2017-IBFC)

    劉佳杰(1986-),男,助理研究員,主要從事農(nóng)業(yè)機械設計。E-mail:teryjiajie@163.com

    *通訊作者:呂江南(1964-),男,研究員,主要從事麻類剝制機械及麻產(chǎn)品加工技術研究。E-mail:yjljn@sina.com

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