烤煙配方營養(yǎng)土定制化生產(chǎn)機械研制

李建勇，王建文，彭孟詳，李 立，趙冏炅，劉良教，曾德武

(長沙市煙草公司瀏陽分公司，湖南 長沙 410302)

0 引言

營養(yǎng)土是為了滿足幼苗生長發(fā)育而專門配制的含有多種礦質(zhì)營養(yǎng)的床土，具有疏松通氣、保水保肥能力強和無病蟲害等特點。烤煙營養(yǎng)土一般由燒制的火土灰或肥料與細碎客土充分拌勻、混合配制而成。營養(yǎng)土圍蔸能顯著增加煙苗根系與土壤接觸面積，增強煙苗根系對水肥的保持和吸收能力。同時，一定數(shù)量和質(zhì)量的營養(yǎng)土能隔離土壤中未被拌勻的肥料和被病菌、農(nóng)藥污染的土壤，降低煙苗肥傷、藥傷和病害風險，是促進煙苗早生快發(fā)、提高產(chǎn)量和質(zhì)量的保障[1-3]。烤煙營養(yǎng)土圍蔸技術(shù)成本小、作用大，是瀏陽傳統(tǒng)優(yōu)良栽培技術(shù)措施之一，在全國煙區(qū)被廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)烤煙營養(yǎng)土制作一般全部或大部分使用火土灰。燒制火土灰時，會破壞土壤表層結(jié)構(gòu)，引起水土流失，燒制產(chǎn)生的濃煙會污染空氣，且易引發(fā)山林火災(zāi)，不符合煙葉生產(chǎn)綠色發(fā)展的需要，受林業(yè)、水土保持和環(huán)境保護等方面法律法規(guī)嚴格限制或禁止[4]。2018年11月30日通過的《湖南省森林防火若干規(guī)定》第十二條第六款規(guī)定：森林防火期內(nèi)，在森林防火區(qū)野外禁止燒山、燒雜、燒火積肥或燒田基草、農(nóng)作物秸稈和果園雜草等。2017年4月5日通過的《湖南省大氣污染防治條例》第二十五條規(guī)定：禁止在人口集中地區(qū)、機場周圍和交通干線附近等區(qū)域露天焚燒秸稈、落葉和垃圾等產(chǎn)生煙塵污染的物質(zhì)。同時，隨著我國現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)建設(shè)持續(xù)推進，煙葉種植規(guī)模化程度越來越高，單戶需要制備的營養(yǎng)土數(shù)量顯著增加。煙農(nóng)自己配制營養(yǎng)土需要經(jīng)過燒制火土灰、歸堆、過篩、取土、搬運、加肥、拌勻和裝袋環(huán)節(jié)。煙葉種植規(guī)模戶制作營養(yǎng)土環(huán)節(jié)多、用工多且成本高，燒制火土灰場所范圍受限的矛盾日益突出。以部分煙葉生產(chǎn)規(guī)模戶最為突出的營養(yǎng)土圍蔸這一重要技術(shù)方案執(zhí)行標準差、不到位的問題越來越突出。因而，需要以不含火土灰的新型配方營養(yǎng)土替代火土灰為主體的傳統(tǒng)配方營養(yǎng)土，適應(yīng)煙葉生產(chǎn)綠色、環(huán)保要求。研發(fā)營養(yǎng)土制作機械，推動烤煙營養(yǎng)土專業(yè)化生產(chǎn)和商品化供應(yīng)，可簡化煙農(nóng)營養(yǎng)土制作工序，降低營養(yǎng)土制作成本，提高烤煙營養(yǎng)土圍蔸技術(shù)執(zhí)行率，使傳統(tǒng)營養(yǎng)土圍蔸技術(shù)措施得到保持和發(fā)揚。

1 瀏陽市烤煙營養(yǎng)土圍蔸技術(shù)執(zhí)行情況調(diào)查

目前，瀏陽市烤煙營養(yǎng)土使用種類主要包括3種。一是以火土灰為主料的傳統(tǒng)營養(yǎng)土，大部分為100%過篩火土灰，少數(shù)煙農(nóng)加入20%～40%的山土和0.5%的苗肥。使用者以年齡較大的中、小型規(guī)模種植戶為主。二是以山土為主要配方的營養(yǎng)土，大部分為92%～94%的黃土加入6%～8%的餅肥。使用者多數(shù)為沒有燒制火土灰煙農(nóng)。三是100%純山土。該類型營養(yǎng)土雖然比前兩種營養(yǎng)土圍蔸效果差，但明顯優(yōu)于沒有營養(yǎng)土而使用竹簽將大田本土圍蔸的效果。該類型營養(yǎng)土圍蔸用戶數(shù)較少，但各地都有分布。

由于勞動力價格上漲和火土灰燒制受限，近年來，烤煙營養(yǎng)土圍蔸技術(shù)執(zhí)行難度越來越大。為探討提高烤煙營養(yǎng)土圍蔸技術(shù)執(zhí)行率的新途徑，長沙市煙草公司瀏陽市分公司技術(shù)人員設(shè)想以機械制作不含火土灰的配方營養(yǎng)土，商品化供應(yīng)沒有準備烤煙營養(yǎng)土的煙農(nóng)的方式，提高烤煙營養(yǎng)土圍蔸這一技術(shù)方案的執(zhí)行率。項目先行以瀏陽市基地單元秧田村為重點，針對瀏陽市煙農(nóng)關(guān)于推出的烤煙商品營養(yǎng)土的購買意向方面進行調(diào)查，結(jié)果如表1所示。

表1 烤煙營養(yǎng)土準備情況調(diào)查結(jié)果

在該村17戶未準備烤煙營養(yǎng)土的煙農(nóng)中，有7戶表示價格適宜，愿意放棄使用大田本土護蔸的計劃，轉(zhuǎn)而購買營養(yǎng)土圍蔸，按1.8 t/hm2用量推算，僅該村商品營養(yǎng)土需求量49.7 t，其他煙區(qū)抽樣調(diào)查的結(jié)果相似。因而，推測以該村為試點，在全市推行機械化生產(chǎn)、商品化供應(yīng)烤煙營養(yǎng)土的方案具備一定的可行性。

2 配方確定

由于烤煙營養(yǎng)土的功能是保護煙苗和促進煙苗前期生長，只有烤煙營養(yǎng)土的物理性能和化學(xué)性能都顯著高于大田本土才能最大程度發(fā)揮營養(yǎng)土的作用。傳統(tǒng)火土灰營養(yǎng)土對煙苗緩苗和前期生長作用顯著，主要原因為火土灰有較低的容重和較高的通透性狀，豐富的礦質(zhì)營養(yǎng)能顯著促進煙苗根系生長和對養(yǎng)分的吸收。但也存在保水、保肥性能不足的問題，在高溫天氣和土壤缺水的情況下容易燒苗。因而，推測以沒有被污染的山土為主要材料，通過加入大量有機肥提高營養(yǎng)土養(yǎng)分含量、降低容重可以達到同樣效果[5-6]。

雖然各地都對烤煙營養(yǎng)土圍蔸的效果及替代火土灰的配方營養(yǎng)土材料進行研究，但目前還沒有關(guān)于替代火土灰的配方營養(yǎng)土大規(guī)模應(yīng)用的報道。許威等[7]證明，煤灰可以替代火土灰，但煤灰含有重金屬且難以去除，不具備進一步檢驗條件。周千雅等[8]證明腐熟稻草秸稈營養(yǎng)土烤煙育苗效果優(yōu)于火土灰營養(yǎng)土，但試驗結(jié)果顯示，使用發(fā)酵劑堆漚2個月后，腐爛程度仍未達到可加工的狀態(tài)。而且收集稻草成本略高，需要堆放場地大，有火災(zāi)風險，目前還不具備規(guī)模應(yīng)用條件。科研人員通過反復(fù)試驗對比，確定規(guī)模化制作烤煙營養(yǎng)土配方[9]。配方配料成本如表2所示。

表2 測算商品化生產(chǎn)1 t營養(yǎng)土配料成本

該配方以山體表層以下沒有污染的黃土為主，添加沒有病蟲害污染的商品餅肥、菌渣、牛糞和鈣鎂磷肥，以省略消毒環(huán)節(jié)成本。配方添加的肥料中有機質(zhì)、氮、磷、鉀含量及C∶N均高于6%腐熟餅肥，制作的營養(yǎng)土容重低于6%腐熟餅肥制作的營養(yǎng)土，使用效果更優(yōu)，配料成本更低。

3 營養(yǎng)土制作機械研制

3.1 設(shè)計思路

由于市場上沒有烤煙營養(yǎng)土制作裝置，烤煙營養(yǎng)土的制作一直采取人工拌制加工，效率低、成本高。因此，設(shè)計使用挖掘機取土，裝載機裝土，農(nóng)用運輸車拖運，并按配方定量在地面預(yù)混合后利用裝載機投入進料箱加工。根據(jù)飼料加工機的工作原理，設(shè)計制作粉碎和攪拌于一體的烤煙營養(yǎng)土加工裝置，將進料箱安裝在粉碎和攪拌裝置上方，定制一個加長出料槽安裝在粉碎和攪拌裝置的下方，底部安裝固定支撐架。經(jīng)粉碎和攪拌后的營養(yǎng)土，由安裝在長出料槽中間的帶葉片的中軸旋轉(zhuǎn)進一步混合后落入地面，裝袋稱量后，用電動手提封包機封口。烤煙營養(yǎng)土制作機械設(shè)計如圖1所示。

3.2 主要結(jié)構(gòu)

烤煙營養(yǎng)土機械制作由瀏陽風順種養(yǎng)合作社承擔，瀏陽煙草分公司負責技術(shù)指導(dǎo)，營養(yǎng)土制作機械主要由控制系統(tǒng)、進料系統(tǒng)、混制系統(tǒng)和包裝系統(tǒng)組成(圖2)。

3.2.1控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)動力為7.5 kW電動機，外設(shè)PLC控制器和漏電保護器。

3.2.2進料系統(tǒng)

進料系統(tǒng)功率42 kW，通過卸載高度3.2 m的輪胎式裝載機將原料送入進料箱。進料箱外形為由2 mm厚不銹鋼板材焊接而成的倒四棱臺體，進料箱入口長62 cm、寬42 cm，與裝載機鏟斗尺寸相吻合。

3.2.3混制系統(tǒng)

粉碎裝置中粉碎箱擊頭最初設(shè)計為多柱磨削型，由粉碎腔內(nèi)固定于圓盤的多個柱頭在中軸的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，對原料進行混合和沖擊，完成粉碎和攪拌。在測試過程中發(fā)現(xiàn)這種粉碎方式易發(fā)生故障，故障頻次達6次/h，營養(yǎng)土制作效率僅0.5 t/h。將加工機械打碎裝置中的多個磨削型固定柱頭換成一字切削型長削片后進行粉碎和攪拌，測試效果為故障頻次4次/h，營養(yǎng)土制作效率0.7 t/h。雖然機械工作效率有所提高，但故障仍然沒有從根本上消除。分析原因為制作烤煙營養(yǎng)土的山土、有機肥等原料均僅經(jīng)過簡單晾曬，在一定含水量下易與粉碎機箱頭粘結(jié)，固定柱頭或長削片擊碎的營養(yǎng)土不斷累積，粘結(jié)成塊后，壓實并擴大，造成粉碎機箱堵塞，沖擊柱或長削片被堵塞而無法運行，需要反復(fù)清除粉碎機箱、沖擊柱和長削片才能繼續(xù)進行。而將山體客土菌渣、有機肥和餅肥完全烘干干燥不僅需要增加烘干設(shè)備，而且需要消耗大量能源，將顯著提高成本，并延長生產(chǎn)周期。通過技術(shù)人員重新設(shè)計，在粉碎箱主軸兩側(cè)安裝2個副軸，將擊頭改為多個矩形刀板，矩形刀板套于副軸中間，在副軸圍繞主軸旋轉(zhuǎn)的同時，矩形刀板也能夠繞副軸旋轉(zhuǎn)擊打，遇到阻礙時，仍然能夠保持對營養(yǎng)土的沖擊和旋挖等作用，以消除粉碎腔內(nèi)因堵塞而導(dǎo)致主軸停轉(zhuǎn)的現(xiàn)象(圖3)。測試結(jié)果顯示，機械連續(xù)工作2 h未發(fā)生故障，營養(yǎng)土加工效率從原來的0.5 t/h和0.7 t/h，提高到3.0 t/h。

3.2.4包裝系統(tǒng)

混制后的烤煙營養(yǎng)土直接流入敞口儲料箱，或由裝載機從地面投入敞口儲料箱，再由敞口儲料箱下方的漏斗(閥門控制)裝入包裝袋，經(jīng)稱量后使用手提封包機封包。

4 結(jié)果驗證

4.1 成本比較

以機械制作的烤煙營養(yǎng)土與當?shù)貍鹘y(tǒng)火土灰營養(yǎng)土和山土與餅肥混合制作的營養(yǎng)土進行成本測試比較。由于裝袋后的營養(yǎng)土搬運方便，能被輕松送到田間地頭，與散裝營養(yǎng)土集中拖到田頭路邊相比，節(jié)約了裝卸時間和往返田頭路邊的搬運距離，提高施放效率，并且不增加烤煙營養(yǎng)土使用總成本，故以上3種烤煙營養(yǎng)土成本均按裝袋方法計算。不同方法制作的烤煙營養(yǎng)土成本如表3～5所示。

表3 傳統(tǒng)1 t火土灰營養(yǎng)土制作成本

表4 人工制作1 t山土餅肥營養(yǎng)土成本

表5 商品化生產(chǎn)營養(yǎng)土總成本

Tab.5 Total cost of commercial production of nutrient soil 單位：元t

表5 商品化生產(chǎn)營養(yǎng)土總成本

取土肥料混制包裝裝卸運輸合計1013248.5402525278.5

從表3～5可以看出，盡管人工制作的火土灰營養(yǎng)土成本全部都是人工成本，但由于人工操作效率低，總成本仍然比機械制作的配方營養(yǎng)土高51.5元/t。與單戶小規(guī)模人工制作烤煙營養(yǎng)土相比，機械化、規(guī)模化制作無論肥料成本還是取土、混制和包裝成本均顯著降低。原因是在機械化、規(guī)模化和商品化制作烤煙營養(yǎng)土的條件下，能夠選擇商品化采購菌渣、牛糞等性價比更高的肥料部分替代餅肥，降低成本。同時，機械取土、機械混制和使用手提封包機封包，可顯著提高工作效率。盡管機械制作烤煙營養(yǎng)土成本增加90元/t(包裝材料成本、裝卸和運輸費用)，但總成本仍然比人工制作的餅肥營養(yǎng)土降低143元/t。

4.2 應(yīng)用效果

2019年，瀏陽風順種養(yǎng)合作社按訂單利用機械制作烤煙營養(yǎng)土80 t，由煙草公司補貼后，按200元/t價格供應(yīng)煙農(nóng)，其中49.7 t按18 t/hm2用量投放秧田村7戶煙農(nóng)試點。觀測結(jié)果與煙農(nóng)反饋均顯示，使用機械制作的配方營養(yǎng)土與傳統(tǒng)火土灰營養(yǎng)土和人工制作山土餅肥營養(yǎng)土效果一致。調(diào)查的試點村7戶使用商品營養(yǎng)土圍蔸的煙農(nóng)中，有5戶單產(chǎn)和收購價格均高于試點村平均產(chǎn)量和價格。2020年，試點制作312 t，供應(yīng)煙農(nóng)109戶，應(yīng)用面積206.4 hm2。對應(yīng)用效果調(diào)查反饋顯示，2020年，使用商品烤煙營養(yǎng)土的109戶煙農(nóng)中，66戶表示非常滿意，41戶表示比較滿意，107戶表達了2021年繼續(xù)購買使用商品營養(yǎng)土的意愿，占調(diào)查戶數(shù)的98.2%。

5 結(jié)束語

借鑒飼料粉碎攪拌一體加工機械原理，制作烤煙營養(yǎng)土加工機械，并改進混制系統(tǒng)的粉碎和攪拌方式，機械化、規(guī)模化制作烤煙配方營養(yǎng)土，商品化供應(yīng)煙農(nóng)，顯著提高了營養(yǎng)土制作效率，降低營養(yǎng)土成本，省去煙農(nóng)營養(yǎng)土制作工序，提高烤煙營養(yǎng)土圍蔸技術(shù)執(zhí)行率。烤煙營養(yǎng)土加工機械的成功研制促進了烤煙生產(chǎn)中以新型配方營養(yǎng)土替代傳統(tǒng)火土灰為主料的營養(yǎng)土的轉(zhuǎn)變，避免了對煙區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞。同時，制作新型配方營養(yǎng)土需要大量菌渣等有機肥，又提高了菌渣等廢棄有機物的歸集和利用，大量有機質(zhì)含量較高的營養(yǎng)土歸入大田有利于增加煙田土壤肥力[10-12]。采用機械制作方式后，營養(yǎng)土取土集中，便于監(jiān)管和治理，在靠近開發(fā)區(qū)取土，削除山頭后，還有利于土地價值的提升。綜上所述，機械制作的營養(yǎng)土對原料塊狀物利用率更高，成品均勻性更好，更有利于煙苗的早生快發(fā)。通過統(tǒng)一營養(yǎng)土配方，統(tǒng)一用量，可避免營養(yǎng)土配制失當引起的燒苗現(xiàn)象，提高烤煙標準化生產(chǎn)水平，有利于提升煙葉質(zhì)量。