孔凡克,劉曙光,紀(jì)中良,南松劍,董仁杰
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙臺研究院,山東 煙臺 264670;2.山東五征集團(tuán)有限公司,山東 日照 262300;3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,北京 100083)
我國是一個農(nóng)業(yè)大國,玉米秸稈資源非常豐富,是具有多種用途的可再生資源。2016年,我國玉米種植面積為3 675.97萬hm2,玉米總產(chǎn)量為21 955.4萬t[1],以玉米籽粒與玉米秸稈產(chǎn)量比1∶1.6進(jìn)行計算,玉米秸稈產(chǎn)量約為35 128.6萬t,居全國各類農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量之首。長期以來,我國人工玉米秸稈收運模式一直以秸稈燃料滿足農(nóng)村人們基本生活及秸稈飼料滿足牲畜飼養(yǎng)為主,20世紀(jì)60年代后,我國從國外引進(jìn)玉米收獲機(jī)械,玉米機(jī)械收獲開始不斷融入人工玉米秸稈收運模式中,這期間玉米秸稈收運以玉米果穗收獲機(jī)械作業(yè)間接體現(xiàn),而秸稈還田成為主要秸稈處理形式,一般認(rèn)為這一階段秸稈綜合化利用是次要、被動式地發(fā)展。2000年之后,我國玉米秸稈收集集成于玉米果穗收獲過程中,并推廣應(yīng)用收集玉米秸稈的專用或兼用的收運核心機(jī)具。
根據(jù)我國玉米秸稈綜合利用途徑,目前我國玉米秸稈田間處理方式一般有3種:
1)田間直接秸稈粉碎還田;
2)田間秸稈粉碎收集運出田間;
3)田間秸稈打捆收集運出田間。
玉米秸稈收運主要包括秸稈的切割、切碎、揉搓、傳輸、撿拾、壓縮打捆、裝載及運輸?shù)裙ぷ鬟^程[2-4],根據(jù)玉米秸稈收運工作過程,目前我國存在的玉米秸稈收運組合模式如圖1所示。
玉米割曬機(jī)完成田間成熟的站立玉米莖稈的切割及鋪放,一般與中小型拖拉機(jī)或手扶拖拉機(jī)配套。工作時,機(jī)組前進(jìn),每行玉米均勻穩(wěn)定進(jìn)入扶禾器(配備扶禾器機(jī)型),并接觸到割臺的傳輸裝置,同時玉米莖稈被機(jī)具下部的切割裝置切斷,傳輸裝置將切斷的莖稈按要求傳輸鋪放。其收割行數(shù)一般為2~4行,應(yīng)用于玉米分段收獲模式中,莖稈切割后可以得到晾曬,使玉米籽粒更加飽滿[2]。通過玉米莖稈的切割、鋪放等過程,輔助隨后人工完成玉米果穗的收獲,秸稈處理是間接的。根據(jù)切割方式及鋪放形式,不同的典型機(jī)型如表1所示。目前,各機(jī)型功能單一、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定,但人工摘穗勞動量較大,一般為小規(guī)模使用,應(yīng)用量呈減少趨勢。
圖1 玉米秸稈收運組合模式
序號典型機(jī)型配套方式配套動力/kW收獲行數(shù)割臺形式切割裝置形式刀軸數(shù)量夾持傳輸形式鋪放形式14G-2.2C型前懸掛式18.4~25.74立式水平圓盤式51排,齒鏈+壓簧彈指夾持傳輸后傳放鋪2GY-200型前懸掛式13.2~22.14立式水平3刀片組合式53排,上:齒帶;中、下:齒鏈,撥禾傳輸側(cè)向放鋪34Y-2型前懸掛式8.8~13.22立式水平3刀片組合式2無夾持,相向旋轉(zhuǎn)攪龍撥禾中間放鋪44G-150型前懸掛式4.783立式往復(fù)式—雙排,上、下:扶禾星輪+齒帶夾持輸送側(cè)向放鋪54YG-150B型前懸掛式13.2~16.24立式水平3刀片組合式33排,上、中、下:齒帶,撥禾傳輸側(cè)向放鋪6XY-220型前懸掛式13.24立式往復(fù)式—3排,上、下:齒帶;中:扶禾星輪+齒帶側(cè)向放鋪
玉米秸稈切、碎一體指已摘穗的田間站立或鋪放秸稈、臘熟期內(nèi)帶果穗的站立玉米植株切割及切碎同時進(jìn)行。玉米秸稈切碎機(jī)主要實現(xiàn)莖稈切碎、拋送,一般與中小型拖拉機(jī)配套,機(jī)具多為后置牽引或懸掛式,結(jié)構(gòu)主要包括切碎裝置、螺旋輸送裝置及拋送裝置3部分。其中,切碎裝置一般為Y形甩刀切割器。工作時,切碎裝置不斷將秸稈切碎后,甩向后方的螺旋輸送裝置,螺旋輸送裝置不斷將切碎秸稈輸送至拋送裝置內(nèi),經(jīng)拋送裝置(一些機(jī)型配風(fēng)機(jī))拋入散裝運輸掛車或秸稈切碎機(jī)配套料箱內(nèi)。典型機(jī)具如4Q-220型后懸掛式后置拋送器玉米秸稈青貯收獲機(jī)(配套動力66.2kW)、YY-200型后懸掛式側(cè)置拋送器玉米秸稈青貯機(jī)(配套動力68-74kW)及ST-2000K型后懸掛式側(cè)置拋送器玉米秸稈青貯機(jī)(配套動力96kW,配料箱)。該機(jī)型結(jié)構(gòu)基本相同,功能單一、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、性能穩(wěn)定,秸稈處理成本低,應(yīng)用較為廣泛,一般用于玉米果穗摘取后的秸稈回收,也可用于玉米莖穗混收的青(黃)貯飼料收集,為散狀收集。
玉米莖穗兼收[5-8]一般指玉米秸稈收集與果穗收集同步分別進(jìn)行。莖穗兼收玉米聯(lián)合收獲機(jī)(工作流程如圖2所示)為聯(lián)合作業(yè)模式,主要過程包括切割、切碎、拋送莖稈,摘、運穗,剝皮,裝箱,卸糧等。穗莖兼收型玉米聯(lián)合收獲機(jī)與玉米聯(lián)合收獲機(jī)相比,機(jī)型以玉米聯(lián)合收獲機(jī)為載體,玉米摘穗結(jié)構(gòu)為核心,玉米果穗收獲過程原理相同,集成適合的玉米秸稈收獲結(jié)構(gòu)及玉米莖稈處理方式由莖稈收集代替秸稈直接還田。莖穗兼收玉米聯(lián)合收獲機(jī)是玉米秸稈收運機(jī)械中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一類,根據(jù)動力配套方式、摘穗形式及切碎裝置類型及安裝位置的差異,機(jī)型種類多樣,典型機(jī)型如表2所示。采用立輥摘穗結(jié)構(gòu),玉米秸稈揉搓或切碎過程離地面較遠(yuǎn),莖稈處理過程完全離地,雜質(zhì)相對較少,比較適合于作為秸稈飼料使用;采用縱臥或板式摘穗結(jié)構(gòu),玉米秸稈揉搓或切碎過程靠近地面,容易接觸地面造成“吃土”,含雜率相對較多。玉米秸稈切割或切碎裝置前置集成在割臺下方的莖穗兼收玉米聯(lián)合收獲機(jī)較中置或后置形式免受車輪碾壓,與地面接觸作業(yè)情況較小,收集率更高,含雜率更低。目前應(yīng)用的莖穗兼收玉米聯(lián)合收獲機(jī)以切碎拋送為主,田間莖稈堆放式的莖穗兼收玉米聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)用較少。自走式一般性能穩(wěn)定,配套動力較背負(fù)式大,行進(jìn)速度快,是目前及今后產(chǎn)品發(fā)展的主流。
圖2 莖穗兼收玉米聯(lián)合收獲機(jī)工作流程
序號典型機(jī)型配套方式配套動力/kW摘穗形式收獲行數(shù)切割、切碎、處理形式拋送形式14YZB-8型自走式130板式8后置甩刀式拋送器24YZ-3型自走式92臥輥式3中置甩刀式拋送器34YZQP-3型自走式103臥輥式3滾刀切割、前置甩刀式拋送器44QSJZ-4型自走式117臥輥式4往復(fù)切割、前置滾筒式拋送器54YQW-2B型背負(fù)式37立輥式2往復(fù)切割、前置滾筒式拋送器64YW-Q型背負(fù)式37臥輥式4后置甩刀式拋送器74Y-1A背負(fù)式7.4~14.8立輥式1雙回轉(zhuǎn)刀切割、成堆鋪放式拋送器8民意農(nóng)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)自走式—立輥式2圓盤切割、成堆鋪放式拋送器
玉米莖穗混收一般指玉米的莖稈與果穗同步一體混合收集,玉米青(黃)貯飼料收獲機(jī)[1,9-10](工作流程如圖3所示)切割、切碎不同時完成,可完成切割、輸送、切碎及拋送莖稈等。
圖3 玉米青(黃)飼料收獲機(jī)工作流程
根據(jù)配套方式、割臺類型(立式滾筒式,通用型臥式)、割臺與作物行的關(guān)系及莖稈輸送裝置形狀的不同,比較典型機(jī)型如4QZ-3型72.1kW履帶自走式青(黃)飼料收獲打捆機(jī)、4QZ-3000型175kW自走式青(黃)飼料收獲機(jī)、4QZ-3000型192kW自走式青(黃)飼料收獲機(jī)、4QZ-12型118kW背負(fù)式青(黃)飼料收獲機(jī)、9Q-1.25型64kw前懸掛式青(黃)飼料收獲機(jī)、4QX-2200后懸掛式(雙向駕駛,后向行走)青(黃)飼料收獲機(jī)等,均采用不對行收割,滾筒式切碎,拋送器拋送。目前,機(jī)型均以散狀為主,滾筒式割臺一般為雙滾筒或單滾筒,4QZ-3型72.1kW履帶自走式青(黃)飼料收獲打捆機(jī)可將散狀秸稈直接打成高密度圓捆。
玉米秸稈壓捆機(jī)[11-15](工作流程如圖4所示)主要有方捆壓捆機(jī)、圓捆打捆機(jī)兩種:方捆壓捆機(jī)以牽引為主,一般可完成秸稈撿拾、揉切、輸送、壓縮、捆扎及卸捆等作業(yè);圓捆打捆機(jī)[16-24]以牽引輥式為主,一般可完成秸稈撿拾、輸送、滾卷、纏網(wǎng)及卸捆等作業(yè),打捆是玉米秸稈便于運輸、儲存、加工采用的處理形式。在田間,玉米秸稈的打捆是針對完整的或被揉搓的鋪放、堆放秸稈、站立秸稈及正在收獲機(jī)內(nèi)被揉搓或切碎秸稈進(jìn)行的。玉米秸稈打捆機(jī)主要為撿拾打捆、配合收獲機(jī)打捆、集成于收獲機(jī)打捆3種形式。玉米秸稈粗壯、高大、節(jié)硬、表皮密實等特點與牧草、稻麥秸稈差異較大[17],使玉米秸稈打捆作業(yè)比較困難。目前,玉米秸稈壓捆機(jī)應(yīng)用還比較少,主要以撿拾打捆為主,對于揉搓的玉米秸稈一般采用彈齒滾筒式撿拾器,其他形式的玉米秸稈一般設(shè)計為撿拾揉搓集成一體[12]或撿拾+揉搓組合撿拾處理器[15]。根據(jù)配套方式、撿拾類型、成捆形狀尺寸的不同,典型機(jī)型如4KZ-275型自走式打捆機(jī)、9YDF-90型牽引式大方捆打捆機(jī)、9YFQ-1.9(2.2)正牽引式方捆打捆機(jī)、9YFQ-2.2G 型牽引式秸稈切割揉碎方捆壓捆機(jī)、92YG-1.3型牽引式圓捆壓捆機(jī)及9Y-1600型牽引式圓捆打捆機(jī)等,均為撿拾打捆機(jī),收集過程中,秸稈著地,撿拾雜質(zhì)較多;配合收獲機(jī)打捆、集成于收獲機(jī)打捆兩種形式近幾年開始發(fā)展,對動力、傳動、配合等配置及生產(chǎn)技術(shù)要求較高,典型機(jī)型如4QZ-3型72.1kW履帶自走式青飼料收獲機(jī)配套圓捆打捆機(jī)、MR1000型牽引式圓捆打捆機(jī)。SL5080型牽引式玉米秸稈圓捆打捆機(jī)前摘穗后打捆、國豐新研制自走式玉米穗莖兼收秸稈打捆一體化收獲機(jī),秸稈收集作業(yè)離地,相對含雜率較低,是未來玉米秸稈壓捆的重要發(fā)展方向。
圖4 玉米秸稈壓捆機(jī)工作流程
散狀玉米秸稈一般由收獲機(jī)上的拋送器直接拋送到運輸車上,無須裝載環(huán)節(jié),因此玉米秸稈裝載主要指捆裝秸稈由打捆機(jī)上或地上轉(zhuǎn)移到運輸車上的過程。目前,玉米秸稈裝載可以使用方草捆、圓草捆撿拾裝載機(jī),以及撿拾裝載、運輸集成的方草捆撿拾集垛車、圓草捆撿拾裝運車。方草捆撿拾集垛車、圓草捆撿拾裝運車在捆裝運輸掛車的基礎(chǔ)上,增加了草捆自動撿拾裝置,典型機(jī)具如1037方草捆撿拾車(配套動力37kW),7xc5t型圓草捆自動撿拾車(配套動力44kW)可實現(xiàn)無人裝載,由拖拉機(jī)牽引,主要用于田間成捆秸稈收集,適用于短途運輸。
玉米秸稈運輸指對田間切碎秸稈、成捆秸稈進(jìn)行田間運輸及將其輸送至儲存、加工目的地的短、長途運輸,主要包括散裝運輸掛車、捆裝運輸掛車兩類,均為運輸通用裝備,田間及長短途運輸均可應(yīng)用。在田間,當(dāng)收獲機(jī)械上無臨時收集箱時,散裝運輸掛車(配網(wǎng)式倉)以拖拉機(jī)牽引隨玉米聯(lián)合收獲機(jī)、玉米青(黃)貯機(jī)及玉米切碎機(jī)等一起行進(jìn)或直接以玉米聯(lián)合收獲機(jī)、玉米青(黃)貯機(jī)牽引掛在收獲機(jī)后面;當(dāng)收獲機(jī)械上有臨時收集箱時,散裝運輸掛車由拖拉機(jī)或汽車牽引,只待臨時收集箱滿后收獲機(jī)停止前進(jìn)將散裝秸稈卸載于散裝運輸掛車內(nèi)。捆裝運輸掛車如汽車倉欄半掛式、掛式車倉,拖拉機(jī)掛式車倉,在田間與叉裝車,如TH4008伸縮臂叉裝車,五征拖拉機(jī)與抱草夾TZ10配套使用。目前,我國運輸通用機(jī)具應(yīng)用普遍,機(jī)械化水平較高,以中小型運輸規(guī)模為主,而在成捆玉米秸稈裝載、裝運環(huán)節(jié)上,仍以人力為主,機(jī)械化程度較低。
多年來,玉米秸稈綜合利用率總體呈逐年增長趨勢,應(yīng)用領(lǐng)域向多元化發(fā)展,但仍以秸稈還田及秸稈燃料兩種處理方式為主,秸稈飼料、原料、基料應(yīng)用占比較小。秸稈還田肥料、秸稈燃料無直接經(jīng)濟(jì)效益,秸稈飼料、原料、基料的應(yīng)用在近幾年才漸漸推廣,受政策、區(qū)域、經(jīng)濟(jì)因素的影響較大,目前處于起步階段。玉米秸稈可以應(yīng)用的領(lǐng)域有限,綜合高效利用程度低,大規(guī)模持續(xù)、穩(wěn)定需求玉米秸稈的領(lǐng)域不多,浪費現(xiàn)象嚴(yán)重,現(xiàn)階段玉米秸稈總體仍呈現(xiàn)供大于求、綜合化利用成本高的情況[25],很多玉米秸稈可能高效應(yīng)用的領(lǐng)域尚待進(jìn)一步研究開發(fā),導(dǎo)致單位秸稈利用價值很低,這是玉米秸稈收運機(jī)械化發(fā)展需要解決的首要問題。
我國玉米秸稈收運機(jī)械在生產(chǎn)與應(yīng)用過程中存在諸多問題,如由于玉米秸稈粗壯,一些通用的收集機(jī)械效果不佳,改進(jìn)或?qū)S玫挠衩捉斩捠占瘷C(jī)械應(yīng)用范圍小,應(yīng)用時間短,經(jīng)濟(jì)效益低;一些零部件、配件需進(jìn)口,先進(jìn)技術(shù)需引進(jìn),提高了制造成本;規(guī)模化收運機(jī)型價格普遍較高,超出了農(nóng)戶購買力;收運機(jī)械、機(jī)具種類少,運輸機(jī)械裝備不適應(yīng)規(guī)?;癄I運;收運體系不完整等,嚴(yán)重制約了玉米秸稈收運機(jī)械化發(fā)展。
目前,我國玉米仍以家庭中小規(guī)模種植為主,人力作業(yè)現(xiàn)象普遍,不適用于規(guī)模化生產(chǎn)。對于小規(guī)模分散種植的農(nóng)戶及玉米秸稈收運環(huán)節(jié)經(jīng)營者,玉米秸稈收運機(jī)械化很難產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,玉米摘穗后,農(nóng)戶往往選擇秸稈直接還田或直接焚燒。如何實現(xiàn)玉米秸稈的規(guī)?;者\,降低收運成本是玉米秸稈收運機(jī)械化發(fā)展的關(guān)鍵。
我國玉米秸稈收運機(jī)械化發(fā)展受玉米種植規(guī)模、玉米秸稈綜合利用程度影響很大,規(guī)?;姆N、收、運、用一體化協(xié)同發(fā)展是促進(jìn)我國玉米秸稈收運機(jī)械化快速、健康、穩(wěn)定、可持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵,是玉米秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的客觀要求。針對目前我國玉米秸稈收運機(jī)械化發(fā)展的現(xiàn)狀及面臨的困難,建議如下:
1)合理加大玉米秸稈綜合利用的宣傳及政策扶持力度,為玉米秸稈收運機(jī)械化發(fā)展提供了巨大的發(fā)展空間與良好的發(fā)展環(huán)境。
(1)加大玉米秸稈多元化、特色化綜合利用優(yōu)勢的宣傳力度,積極推廣玉米秸稈綜合利用新技術(shù);
(2)在玉米主產(chǎn)區(qū)或玉米秸稈集中應(yīng)用區(qū)設(shè)定玉米秸稈綜合利用示范區(qū),建立玉米秸稈的種植、收運、加工、綜合利用一體化模式,以點帶面,輻射玉米主產(chǎn)區(qū);
(3)支持有實力的企業(yè)增加與玉米秸稈綜合利用方面的新項目,設(shè)立玉米秸稈規(guī)?;C合循環(huán)利用項目補貼;
(4)設(shè)立研發(fā)課題,支持企業(yè)、科研院所、大學(xué)進(jìn)行玉米秸稈高效綜合利用領(lǐng)域、技術(shù)等方面的科學(xué)研究,獎勵玉米秸稈綜合利用技術(shù)方面有重大創(chuàng)新及創(chuàng)造突出經(jīng)濟(jì)效益的單位與個人;
(5)擴(kuò)大與玉米秸稈收運相關(guān)機(jī)械國家補貼范圍,適當(dāng)增加其補貼資金,為玉米秸稈收運機(jī)械在玉米主產(chǎn)區(qū)的推廣應(yīng)用提供便利;
(6)設(shè)立專項支持,對秸稈飼料化等種養(yǎng)結(jié)合利用秸稈的經(jīng)營組織,支持其搭建以飼料化為主的秸稈綜合交易平臺,建立飼料交易標(biāo)準(zhǔn)。
2)建立管理指揮、咨詢指導(dǎo)、信息發(fā)布于一體的服務(wù)平臺,為玉米秸稈收運機(jī)械化發(fā)展構(gòu)建良好的供求新秩序,形成規(guī)?;?jīng)營與現(xiàn)代化管理模式。
(1)公布往年玉米生產(chǎn)相關(guān)信息,及時普查、匯總、公布本年全國各省、地區(qū)、鎮(zhèn)、村玉米生產(chǎn)相關(guān)信息,并做出關(guān)鍵指標(biāo)的科學(xué)預(yù)測,統(tǒng)籌規(guī)劃玉米種植規(guī)模,指導(dǎo)農(nóng)戶及時調(diào)整種植結(jié)構(gòu),避免資源生產(chǎn)過剩,降低種植風(fēng)險;
(2)玉米秸稈需求企業(yè)發(fā)布需求的詳細(xì)信息;
(3)玉米收運合作社或組織、個人擁有的收運機(jī)械詳細(xì)情況部分備案,通過二維碼進(jìn)行定位,通過政府調(diào)配或者農(nóng)戶通過手機(jī)查詢規(guī)?;者\;
(4)得到政府認(rèn)可的玉米秸稈收運機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)發(fā)布產(chǎn)品信息,每臺設(shè)置二維碼,便于定位管理。
3)積極推動產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式發(fā)展,為玉米秸稈收運機(jī)械化健康、可持續(xù)發(fā)展提供新型機(jī)具、管理、應(yīng)用人才及應(yīng)用技術(shù)。
(1)生產(chǎn)企業(yè)不斷引進(jìn)、學(xué)習(xí)國外先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù),或開展中外及國內(nèi)企業(yè)之間的技術(shù)合作,完善產(chǎn)品種類,提高產(chǎn)品質(zhì)量與企業(yè)信譽度;
(2)生產(chǎn)企業(yè)與科研單位共同研發(fā)新產(chǎn)品、新技術(shù),解決實際應(yīng)用中的技術(shù)難題,增加機(jī)械適應(yīng)性、通用性、穩(wěn)定性,進(jìn)一步降低制造成本;
(3)科研部門、大學(xué)進(jìn)一步發(fā)掘玉米秸稈綜合利用潛在的應(yīng)用領(lǐng)域;
(4)科研部門、大學(xué)研發(fā)適應(yīng)玉米秸稈綜合應(yīng)用規(guī)模的新型收運機(jī)具,彌補目前玉米秸稈收運沒有成形配套的機(jī)具無法實現(xiàn)全面機(jī)械化的現(xiàn)狀,創(chuàng)造收運機(jī)械化發(fā)展前提條件;
(5)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、大學(xué)對農(nóng)戶及生產(chǎn)經(jīng)營者進(jìn)行玉米秸稈綜合化利用技術(shù)及收運機(jī)械操作、管理、維修技術(shù)的培訓(xùn),建立完備的多樣化的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)、學(xué)校課堂及作業(yè)現(xiàn)場培訓(xùn)服務(wù)機(jī)制;
(6)加快對秸稈綜合利用機(jī)械的推廣鑒定工作,促進(jìn)行業(yè)整體水平提升。
我國玉米秸稈資源豐富,可開發(fā)綜合利用潛力巨大;而目前我國玉米秸稈收運機(jī)械化發(fā)展比較晚,機(jī)械化程度較低,收運體系不完善,玉米秸稈綜合利用的經(jīng)濟(jì)效益不明顯。隨著人們對玉米秸稈應(yīng)用認(rèn)識的深入及玉米秸稈應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大,在政府政策扶持下,運用現(xiàn)代化的管理模式、規(guī)?;慕?jīng)營形式,通過人才培養(yǎng)、技術(shù)創(chuàng)新,一定可以建立一種穩(wěn)定、健康、可持續(xù)的玉米秸稈綜合循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展新模式,解決不適應(yīng)玉米秸稈收運機(jī)械化發(fā)展的問題,全面提高玉米秸稈收運機(jī)械化水平。