牧草種子收獲機研究現狀與展望

劉 偉，李鳳鳴，李 偉，張英俊，劉立平，劉貴林，高曉宏，賈俊俊

(中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

一些發達國家，在土地使用的集中與需要不斷地改良天然草地兩者的促進下，牧草種子的使用量不斷增加，促進了牧草種子收獲機械技術水平的發展，從而也使得國外的牧草種子收獲機械水平處于領先地位。

隨著我國農業產業結構的調整，畜牧業得到大力支持，如退耕還林還草等政策的實施，使得飼草種植面積不斷增加。統計資料顯示，我國每年草籽需求量約20萬t，實際供應量不足5萬t，每年進口的牧草種子超過6萬t，其中苜蓿種子的進口量約占總進口量的1/3[1]。牧草種子需求量的增加帶動我國牧草種子收獲機械的發展，但發展中還存在一些問題。本文基于牧草種子機械化收獲農業技術要求與收獲工藝，介紹了國內外牧草種子收獲機的發展概況，并提出了發展趨勢。

1 牧草種子機械化收獲技術

1.1 農藝要求

適時收獲是牧草種子對于收獲機械的農藝要求之一。根據種子的成熟程度、品質和產量及收獲所用機具來判斷牧草種子的收獲期。牧草種子成熟大致可分為3個時期：乳熟期、蠟熟期和完熟期[2]。一般適宜在完熟期收獲，此時的牧草種子品質好，發芽概率高、產量高，具有較高的經濟價值。蠟熟期的牧草種子易斷，呈現蠟質狀，一般不建議此期間收獲。乳熟期的牧草種子種胚剛剛形成，具有的經濟價值最低。

不同品種的牧草，其收獲適宜期及脫落性不同，所以收獲農藝要求也不同。如披堿草種子脫落性強，應及時在1～2 d內收完，在完熟期適宜用聯合收獲機或專用草籽采集機收獲，在蠟熟期用簡單機具收獲即可。老麥芒的脫落性較強烈，應在1～2 d內收完。許多牧草種子在收獲期的損失與收獲不及時有很大關系，因此要求牧草種子收獲機能滿足適時性的農藝要求[3]。

減少損失率是牧草種子對于收獲機械的另一項農藝要求，收獲方式會影響種子的損失率。如人工收獲與聯合收獲機收獲相比，人工收獲方式所用工序較多，在各個工序中種子都較易脫落。因此牧草種子收獲時需盡量減少收獲工序以減少損失率，同時收獲時避免混種。

1.2 收獲工藝

1.2.1 分段收獲

分段收獲是用割曬機將牧草割倒，并成條鋪放在割茬地上，在田間晾曬以后，再進行撿拾、脫粒、分離和清選等工序。一般牧草需經過8～12 d的晾曬，以提高脫粒與清選作業效率，同時在晾曬時間段內，未成熟的種子通過自身后熟的特性進一步成熟。

分段收獲工藝的優點如下。一是種子的后熟作用使種子的成熟程度趨于一致，籽粒飽滿，減少癟種子的數量，提高種子質量等級，增加產量。二是經過晾曬的種子含水率降低，種子變得堅實。同時植株上的莖葉已經干燥，脫粒、分離更容易，有利于提高收獲后種子的凈度。三是根據氣候條件，晾曬時間可以靈活掌握。其缺點是兩種機器配合作業，增加了對土壤的壓實，同時也增加了作業成本，種子損失率增加；易受天氣因素影響，如遇雨天種子易發霉。

1.2.2 直接收獲

直接收獲工藝可分為3種形式，分別為直接收獲法、落葉收獲法和專用牧草種子收獲機直接收獲法。直接收獲法是用經過改裝的谷物聯合收獲機進行收獲。落葉收獲法是收獲前在牧草植株上噴灑藥物，使牧草的葉子脫落，然后再用經過改裝的谷物聯合收獲機收獲，落葉收獲法比直接收獲法收獲后的種子凈度更高，并可提高收獲效率，但收獲成本增加。專用牧草種子收獲機直接收獲法是基于割前脫粒的技術條件，直接對牧草種子進行收集的方法[4]。

2 國外牧草種子收獲機發展概況

歐美等發達國家對牧草種子收獲機的研究歷史較長，在20世紀初就進行了大量的研究與試驗，并且獲得了很多研究成果。1912年，美國的Samuel E McCormick和Winchester研制了早熟禾本科種子收獲機，主要用于禾本科牧草種子的收獲。該收獲機由3個旋轉的梳脫分離裝置組成，分別對植株上的牧草種子進行分離，最后進行裝袋處理。該機型屬于站稈收獲且收獲損失率較低，能夠滿足當時的作業要求。1914年，美國的Albert Frederickson和Niels Nielsen為了降低牧草種子收獲損失率研制了牽引式亞麻和牧草種子聯合收獲機。該收獲機在割草機的基礎上搭載了種子收獲裝置，實現了切割牧草到撿拾脫粒的整個收獲環節。1917年，Woodson J Hatheway改進了1912年的早熟禾本科牧草種子收獲機，將原來采集頭中的旋轉、梳脫、分離裝置改裝為梳刷滾筒。該收獲機通過梳刷滾筒內徑向排列成指狀的刷子進行梳刷，從而實現牧草種子的采集，同時通過增加高度調整裝置，實現不同高度作物種子的采集，滿足了對牧草種子收獲的需求。該機型結構簡且成本低，在操作方面實現了單人操作。

20世紀30年代，研究人員根據苜蓿的生長特性，成功研制了專用苜蓿種子收獲機。1933年，一種專用的苜蓿種子聯合收獲機被James E Wilson和Hickory Ky兩人共同研制出來，該種收獲機通過捶打作物的方式脫離莖稈上的牧草種子，被脫離下來的牧草種子經多孔的種子盤進入輸送通道，輸送通道內通過內外壓差將種子裝入收集袋[5]。1959年，Francis M Jordan和Lawrence M Jordan研制了牧草種子撿拾聯合收獲機，撿拾部件由旋轉的刷子組成，作業時撿拾部件可根據地面的高低變化進行仿形作業。1982年，加拿大的John C Kienholz和Edmonton研制了自走式站稈牧草種子收獲機，當種子成熟后，自走式站稈種子收獲機通過采集頭的梳刷將種子梳刷下來，種子經過氣流分離裝置進行分離，分離后被送入收集箱內。多年生牧草存在倒伏、纏繞、連片等現象，種子收獲難度較大，21世紀初，烏克蘭科研人員研制出一種多年生牧草谷物聯合收割機[6]。

3 國內牧草種子收獲機發展概況

近年來，隨著我國畜牧產業的迅速發展，牧草種子收獲機收獲效果明顯提高，技術水平明顯提升，但與國外畜牧業發達國家相比，我國的牧草種子收獲機技術水平還有很大的差距。目前，我國市場上銷售的牧草種子聯合收獲機有兩種類型：一種是由谷物聯合收獲機改裝的機型；另一種是牧草種子專用聯合收獲機。

谷物聯合收獲機收獲牧草種子一般是在傳統谷物聯合收獲機的基礎上，通過對部分零部件進行改裝或更換，對一些工作參數進行改變后，對牧草種子進行收獲。改裝后的谷物聯合收獲機除具有原機功能外，還適應草籽收獲條件，收獲工序包括切割、輸送、脫粒、分離和清選等。我國從20世紀80年代初，開始使用改裝的谷物聯合收獲機收獲草籽。從實踐經驗來看，這種方法具有生產效率高、改裝成本低、能適時收獲等優點，基本能夠滿足草籽收獲的農業技術要求，在國內收獲牧草種子中應用比較廣泛。

在機型方面，由吉林工業大學與新疆聯合收割機廠共同研制的4AZ-1.5型牽引式牧草種子聯合收獲機，是經過改裝后的谷物聯合收獲機的典型機型，該機是在新疆-2.5型牽引式谷物聯合收獲機的基礎上，對割臺與脫粒裝置等部分進行改裝而成，改裝后的牧草種子收獲機除可實現原機所有收獲功能外，還可收獲紫花苜蓿、老麥芒、披堿草等牧草種子[7]。

經過改裝的谷物聯合收獲機雖然能夠滿足牧草種子的收獲，但聯合收獲機結構一般較復雜，動力較大，加之牧草與谷物在產量上的差異很大，有些牧草的草谷比達60∶1；同時谷物聯合收獲機收獲牧草種子的損失較大、凈度偏低，作業環境不如農田平整，適應性不良。顯然，改裝的谷物聯合收獲機不是收獲牧草種子的理想設備，從20世紀80年代開始，國內新型專用牧草種子收獲機相繼被研制出來。

20世紀80年代末90年代初，機械工業部呼和浩特畜牧機械研究所研制出92ZS-1.5型牧草種子收獲機。該機采用割前脫粒技術，機器在前進過程中通過轉刷接觸牧草，牧草的種穗被自上而下進行梳刷，在轉刷絲沖擊力作用下，牧草種子與莖稈分離完成脫粒過程。同時，高速旋轉的轉刷帶動空氣流動，在采集通道形成負壓區，對牧草種子進行吸附，加強了牧草種子收獲的采集效果。除了92ZS-1.5型牧草種子收獲機外，典型機型還有9ZQ-3.0型牧草種子收獲機，這兩種機型收獲原理相同。

92ZS-1.5型牧草種子收獲機一般與11.0～13.2 kW拖拉機配套使用，作業寬幅1.5 m，作業速度8～12 km/h。9ZQ-3.0型牧草種子收獲機(圖1)與25.8 kW以上拖拉機配套使用，工作寬幅3 m，生產效率2.33～3 hm2/h(35～45畝/h)。兩種收獲機適宜收獲地勢一般較為平坦，高低起伏地勢收獲效果較差，可以用來收獲老麥芒、羊草等[8]。

圖1 9ZQ-3.0型禾本科牧草種子收獲機Fig.1 9ZQ-3.0 type gramineous forage seed harvester

我國其他省市也根據本地區的氣候和地理條件，研制了適宜本地區的牧草種子收獲機具。如適合川西北高山、亞高山草甸草原及草原坡地作業的9TZ-1.2型草籽收獲機，由四川阿壩藏族自治州畜牧機械研究所研制，在當地的草籽收獲中發揮了重要作用。

21世紀初，中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院研制出9ZQ-2.7型苜蓿種子收獲機，如圖2所示[9]。該機由梳刷采集系統、輸送系統、沉降系統、傳動系統和風機系統等部分組成，其主要技術參數如表1所示。

圖2 9ZQ-2.7型牧草種子收獲機Fig.2 9ZQ-2.7 type forage seed harvester

表1 9ZQ-2.7型牧草種子收獲機主要技術參數

9ZQ-2.7型苜蓿種子收獲機采用割前脫莢、脫粒收獲原理，采集系統由5組采集裝置組成，采用縱向傾斜滾筒采集技術，可同時采集5行豆科牧草種子[10]。采集頭高度、間距可調，間距調節范圍350～1 000 mm，作業速度2.0～4.5 km/h，適用于大中型豆科牧草種子基地作業[11]。9ZQ-2.7型苜蓿種子收獲機一般與5TQ-110型苜蓿種莢脫粒清選機配套使用，加工后的牧草種子破碎率小、凈度高。

2020年，中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司研制出9ZZ-3.0型牧草種子收獲機(圖3)，該機由自走式底盤、負壓采集頭、沉降箱、風機和卸料筒等部分組成，配套發動機功率103 kW。該機轉彎半徑小、采集能力強、種子收獲率高和行距可調，能夠收獲苜蓿等豆科牧草種子，且不需要切割牧草。基于氣吸式割前梳脫技術、牧草種子沉降技術、自走式底盤技術和傳動系統等技術條件下，在試驗過程中，9ZZ-3.0型牧草種子收獲機收獲效果良好。通過互換割臺，該機還可收獲禾本科牧草種子，實現一機多用。

圖3 9ZZ-3.0型牧草種子收獲機Fig.3 9ZZ-3.0 type forage seed harvester

4 國內牧草種子收獲機存在的問題

隨著畜牧業的發展，牧草種子的需求量逐年增加，對牧草種子收獲機械的需求也不斷增加，而且對設備的性能要求也越來越高。

4.1 技術水平低

我國牧草種子收獲機研發起步較晚，受投入力度不足等的影響，我國牧草種子收獲機制造能力與水平比較滯后，現有產品質量與技術有很大提升空間。

4.2 草籽損失大、凈度低，適應性和可靠性差

草籽在收獲期脫落性較強，收獲過程中收獲機對植株的碰撞會導致種子脫落，這是損失的主要原因之一；收獲后種子中出現莖葉與雜草等雜物導致種子凈度低。同一臺牧草種子收獲機在收獲不同牧草時，由于牧草品種、生長條件、環境因素的不同，所收獲牧草種子的效果也不同，收獲時常會出現纏繞、堵塞等問題。這些都是現階段牧草種子收獲機亟須解決的關鍵問題。

4.3 效率和智能化水平低

近年來，計算機與電子技術發展迅速，互聯網、物聯網應用是行業關注的熱點，但現有的牧草種子收獲機信息化、自動化技術應用較少，效率和智能化水平較低。如工作中遇到纏繞問題需人工檢查，采集頭碰到異物沒有預警，地形變化不能及時調整等。

5 牧草種子收獲機發展趨勢

隨著畜牧業的迅速發展，草種需求量增加與我國牧草種子機械化收獲水平低之間的矛盾不斷加劇，適宜我國牧草種子收獲的精良機具研發勢在必行。

(1)向高質量與高技術水平方向發展。通過選擇先進設備、優化工藝路線、引進專業人才等措施，不斷提高產品質量與技術水平。

(2)向高效率、高可靠性、高凈度、低損失率和強適應性方向發展。在條件適宜的情況下，可以增加采集設備的工作速度與幅寬，以提高工作效率；增加更多的柔性裝置來滿足不同條件的牧草種子收獲，如在不平的地上，研究可仿形的梳脫機構來實現牧草種子的采集。

(3)向大中型智能化設備升級。隨著草場的規?；?、集約化發展，以及人工成本的不斷提高，智能化技術會更多地應用于牧草種子收獲機上，以提高設備的可靠性、可控性及生產效率，且大中型機械會受到更多用戶的青睞。

(4)聯合收獲。基于牧草種子條件與需求的不同，可以進行聯合收獲。如在牧草種子收獲時，既需要牧草種子，又需要揉絲后的牧草，則需要一臺具有聯合收獲功能的牧草收獲機。聯合收獲經濟效益較好，作業連續且專業化水平較高，是未來發展趨勢。