秸稈粉碎機的研究現狀及發展方向

劉向東

(會寧縣農業機械化服務中心，甘肅 會寧 730799)

0 引言

我國是農業生產大國，每年可以產生7.5億t的作物秸稈，其中大量的秸稈被直接進行露天焚燒，對大氣環境造成嚴重污染[1]。空氣嚴重污染造成可見度降低，影響我國交通安全；在秸稈焚燒時，火勢若不能及時控制會造成大面積火勢蔓延，形成火災，帶來巨大的經濟損失與人員傷亡；秸稈焚燒時還會破壞土壤中的微生物菌群，破壞土壤理化結構，影響地力提升，對后續作物種植及產量的提高帶來了一定的影響。目前，我國正在逐步推進秸稈資源化利用進程，主要包括秸稈直接粉碎還田，以及秸稈收集儲存并后續加工成各種生物肥料、畜禽飼料，還可以進行工業發電、制備乙醇等。

目前，秸稈利用主要分為秸稈直接還田和秸稈加工技術，其中，以秸稈直接還田技術應用最為廣泛。秸稈直接還田主要是在作物收獲后利用秸稈粉碎裝置進行秸稈粉碎后直接拋灑于土壤地表。秸稈中富含各種營養成分，秸稈進入土壤后，經過一段時間的發酵腐解，分解釋放出營養成分與有機質，達到提高土壤肥力，改善土壤理化結構的作用。秸稈粉碎效果是影響秸稈還田效果的主要因素，提高秸稈粉碎機田間工作效率對于秸稈還田技術的高效應用提供了技術支撐。

本研究通過分析秸稈粉碎技術的研究意義，對目前國內外秸稈粉技術的發展趨勢及應用過程中存在的問題進行剖析，提出未來秸稈粉碎技術及秸稈機械化粉碎裝置的發展方向及研究重點，研究結果對于提高秸稈機械化利用效率提供研究參考與技術支撐。

1 秸稈粉碎機的研究意義

秸稈粉碎機械主要由秸稈喂入機構、鍘切機構、秸稈拋灑機構及相關行走傳動機構等組成，用于粉碎玉米、小麥、花生等農作物秸稈，粉碎后均勻拋灑于地表，替代傳統的秸稈露天焚燒，在保護生態環境的同時，提高可再生資源的利用率[2]。秸稈粉碎機械的主要評價指標有秸稈粉碎程度及秸稈粉碎穩定性。高效穩定的秸稈粉碎機械對于提高作物秸稈利用效率與農業生產效率具有重要意義。

1.1 提高作物秸稈的綜合利用效率

農業機械化是提高農業生產效率的重要保障。要想提高秸稈綜合利用率，前提就是提高機械化程度，減少人力投入，減輕農戶勞動強度。秸稈粉碎機械化程度的提高可以減輕農戶勞動強度，有利于秸稈綜合利用相關技術政策的推廣，將秸稈資源“變廢為寶”，發揮新的經濟價值，改善生態環境的同時還可以起到改良土壤理化結構的作用。

1.2 減輕田間勞動強度，提高農業生產效率

隨著農業機械化的發展，將秸稈粉碎裝置與其他農業機具聯合使用，一次作業完成多項農事操作。目前，廣泛將秸稈粉碎裝置與大型聯合收獲機相結合，在實現作物果實收獲的同時，直接將作物秸稈粉碎，并均勻拋灑于地表，實現秸稈粉碎后還田；或者將秸稈粉碎裝置與土壤翻耕裝置結合，在秸稈粉碎后深翻入土壤，可以更好地與土壤進行混合，在土壤地表下進行發酵腐解后可以直接作為生物有機肥料實現地力提升。

2 粉碎機的研究現狀

玉米、小麥和水稻是世界范圍內種植面積最為廣泛的3種作物，秸稈中也被證實含有豐富的營養成分(表1)。目前，國內外秸稈粉碎機主要包括玉米、水稻、小麥和谷物等農作物的秸稈粉碎機械。

表1 我國幾種主要作物秸稈氮磷鉀含量

2.1 國外秸稈粉碎機研究現狀

國外秸稈粉碎機研發起步較早，美國GBS公司研制出MSV120/25型立式綜合作物秸稈粉碎裝置，主要是以電機驅動，粉碎機的分離篩片為“魚鱗”形狀，增大篩網面積，可以高效地進行秸稈粉碎與分離，但是篩網磨損較快，需要頻繁更換。后期，瑞士Bulher公司研制出一種錘片式玉米秸稈粉碎機，粉碎程度高，但是田間試驗表明，在工作過程中，整機易于發生堵塞，粉碎效率較低。美國GPM公司針對秸稈粉碎過程中的堵塞問題，設計一種臥式秸稈粉碎機，將粉碎部件設計為水滴型，減少了秸稈粉碎過程中的堵塞問題，提高了工作效率。后期，研究學者逐漸將秸稈粉碎裝置與收獲機進行聯合，實現作物收獲過程中直接進行秸稈粉碎還田，一次性完成收獲作業。最早是在2006年，美國約翰迪爾公司研發一種自走式玉米收獲機(圖1)，配合秸稈粉碎裝置，一次性完成玉米收獲與秸稈粉碎、拋灑等作業。但是在作業過程中發現，由于玉米秸稈較高，上半部分的秸稈難以粉碎完全，粉碎程度不均勻，不利于秸稈還田后的腐解。德國生產的BIG110型高粱收獲機，結合秸稈粉碎裝置，采用可伸縮刀片設計，可以根據目標秸稈的高度自動調整刀片位置，進行秸稈粉碎，提高了田間高作物秸稈的粉碎效率。

圖1 約翰迪爾公司研發的自走式玉米收獲機

2.2 我國秸稈粉碎機研究現狀

國外秸稈粉碎機研究起步較早，機械化程度較高，但是大多為大型機械，適宜于在農場等大面積種植區使用，不適宜于我國地形地貌特征，在我國無法進行大面積普及。近年來關于玉米與小麥秸稈粉碎裝置研究較多[3]。研究較為成熟的為雷沃4YZ系列玉米聯合收獲機(圖2)，進行玉米收獲的同時實現秸稈粉碎還田，粉碎裝置還可以上下移動，實現對玉米秸稈的整株粉碎。

圖2 雷沃4YZ系列玉米聯合收獲機

目前，應用較為廣泛的為秸稈粉碎旋耕機，通過對作物秸稈與根茬粉碎后進行土壤翻耕，將粉碎后的秸稈根茬與土壤充分混合，提高秸稈腐解效率。2019年，山東農業機械有限公司研制出東華2BFX系列旋耕播種施肥機(圖3)，可以進行小麥和玉米的根茬粉碎、旋耕、播種與施肥等多項作業，提高農業生產效率。

圖3 東華2BFX旋耕播種施肥機

3 秸稈粉碎機存在的問題

3.1 秸稈粉碎程度低，田間腐熟困難

關于秸稈粉碎相關標準要求秸稈粉碎后長度小于10 cm，但是目前在實際應用中，很難達到這個標準，導致秸稈還田后對土壤造成不良影響。一方面主要是秸稈過大進入土壤中會使得土壤過于分散，不利于土壤保水保肥；另一方面秸稈粉碎程度低不能與土壤進行更好的腐解發酵，秸稈較大進入田間土壤后腐解速度緩慢，不僅不能作為生物有機肥達到培肥地力的效果，秸稈本身含有的病害蟲卵不能被有效殺死，在進行后期作物種植時容易引發病蟲害，尤其是絲孢子和蟲卵，若不能有效解決，后期爆發會引發更嚴重的病蟲害。

目前，國內外炭行業專家表明，在作物秸稈后續處理中增加一道工序，將秸稈進行碳化后的粉末還田，可以有效解決秸稈粉碎程度低、秸稈發酵腐解不完全導致的病蟲害問題，秸稈碳化后的粉末還田，可以有效解決由于秸稈粉碎程度低、秸稈拋灑不均勻等問題。秸稈碳化后進入土壤，附著面積大，吸附能力強，可以保水保肥，提高土壤肥力，提高土壤孔隙度與理化結構，改良土壤環境，有利于作物的增產提質。

3.2 秸稈粉碎機保養維護體系不健全

農業機械在使用前后都要進行定期的保養與維護，可以大大提高農業機械的田間工作效率，減少故障發生，延長農業機械的使用壽命。農戶在進行田間操作后經常忽視機械的定期保養與維護，因此容易造成機械壽命短、田間工作效率低，容易發生故障，延長了農業生產周期[4]。秸稈粉碎機械一年中使用次數較少，停放時間長，因此，更應該重視對其保養與維護。定期保養主要包括對秸稈粉碎機械進行檢查，如各個零部件之間連接是否牢固，定期進行軸承潤滑，傳動皮帶及時更換檢查，并保持干凈，防止零件發生銹蝕[5]。

近年來，農業機械使用事故頻發，因此，對于操作人員應該進行定期技術培訓，安全問題不容忽視。在進行田間秸稈粉碎時，如果發生故障，應該謹記先切斷動力再進行檢查。由于秸稈粉碎裝置的刀片鋒利，轉速高，因此未滿十八歲、老年人、酒后或神志不清醒者嚴禁操作。

4 秸稈粉碎機未來發展方向與目標

4.1 加強秸稈粉碎機整機和部件創新研究

通過國內外研究現狀分析可知，目前秸稈粉碎裝置發展存在研發創新能力不足、研究過程較為粗放及配套產品不完善等問題。現階段，我國關于秸稈粉碎機械的研究雖然具有一定的技術基礎與知識累積，但是自主研發能力較為薄弱，多為技術仿制，研發產品缺乏創新性，缺乏市場競爭力，較高的研發成本與研發周期也是限制我國秸稈粉碎機械發展的重要因素。在秸稈粉碎機械研發過程中，缺乏一定的“工匠精神”，研發過程較為粗放，關鍵零部件、鑄造噴漆、電子元件及高精度技術等方面研發能力不足，整體結構配合性能較差，導致機械品質難以提升，阻礙秸稈粉碎機械的技術發展。

4.2 開發大馬力拖拉機配套機具

傳統小型或中型拖拉機不能一次性完成作業工序，需要多次進入田間進行農業操作，因此應該鼓勵大馬力拖拉機配套農機具的研發。大馬力拖拉機具有如下優勢。1)節能減排。大馬力拖拉機具有更多機械結構設計的空間，可以減少油耗，可以一次完成多項田間作業，減少復雜的作業工序與生產投入。2)減少對土壤的壓實與破壞。大馬力拖拉機配合多種農業機具可以進入田間一次性完成多項農事操作，不需要多次進入田間對土壤進行碾壓，降低土壤板結風險，保護土壤團粒結構，維持良好的土壤耕作狀態。3)節省農時，降低勞動強度。大馬力拖拉機可以提供更大更充足的動力，保證田間作業過程中的作業效率與時間，減少多項作業工序，有利于節省農時，減少農戶勞動作業強度，可以做到搶農時，有利于作物提質穩產。

4.3 關注山區需要的小型秸稈粉碎機械的研制

目前，我國農業種植較為分散，大型農業機械難以進行推廣使用，而且農業種植操作人員主要為農民，文化程度低，難以接受新型農業技術，一味按照傳統的農業操作進行種植，不愿增加額外的作業工序。因此，要針對不同地區進行秸稈粉碎機械的研制，提高田間使用效率，增加農戶進行秸稈粉碎的積極性，大大提高秸稈粉碎機械在全國的使用，促進秸稈綜合利用技術的大力推廣，為可持續發展農業提供有力保障。

5 結語

秸稈粉碎機對于提高秸稈綜合利用效率具有重要意義。本研究基于發展秸稈粉碎機的重要性，分析目前國內外秸稈粉碎機械的發展現狀，通過分析目前秸稈粉碎機在田間應用中存在的問題及缺陷，提出未來秸稈粉碎機械應該加強配套農機具的研究以及適應不同地區發展的秸稈粉碎機械的研制，研究結果對于提高秸稈粉碎機械的創新性提供研究參考與技術支撐。