王德成 賀長彬 武紅劍 尤 泳 王光輝

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析

王德成 賀長彬 武紅劍 尤 泳 王光輝

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

苜蓿是優(yōu)質(zhì)牧草之一，隨著“糧-經(jīng)-草”三元結(jié)構(gòu)到“糧-經(jīng)-畜-草”四元結(jié)構(gòu)發(fā)展模式的擴大，國內(nèi)對苜蓿的需求量日漸增大。為了向我國苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考和支持，提出了適宜我國國情的苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術模式，對國內(nèi)外苜蓿機械化生產(chǎn)技術現(xiàn)狀進行了概述，并進行了總結(jié)和分析。我國苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術模式包含苜蓿種子工程、土地整理、播種、田間管理、刈割收獲、儲藏運輸和草產(chǎn)品加工7種機械化生產(chǎn)技術工藝，30多個具體的機械化生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前，我國已經(jīng)初步形成了適合我國國情的苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術體系，但與國外苜蓿機械化生產(chǎn)技術還存在一定差距，存在生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)展不均衡，機械化生產(chǎn)技術存在短板，產(chǎn)業(yè)化程度低，基礎性研究落后，生產(chǎn)工藝與機械化生產(chǎn)技術聯(lián)動性差，以及生產(chǎn)裝備適用性與可靠性低等問題。構(gòu)建完整的苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術體系，發(fā)展具有中國特色的苜蓿機械化生產(chǎn)體系，加強土壤-苜蓿-機具相互作用關系理論技術體系研究，實現(xiàn)苜蓿生產(chǎn)機械集成化、智能化，將是我國苜蓿機械化生產(chǎn)技術體系的發(fā)展方向。

苜蓿； 全程機械化； 產(chǎn)業(yè)化； 技術體系

引言

苜蓿是一種多年生優(yōu)質(zhì)牧草，因其營養(yǎng)物質(zhì)豐富、應用廣泛被譽為“牧草之王”。發(fā)展苜蓿產(chǎn)業(yè)對調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)，推進“糧改飼”進程，提升草產(chǎn)品和畜產(chǎn)品市場競爭力具有重要意義。

隨著苜蓿生產(chǎn)規(guī)模的擴大，和國內(nèi)對優(yōu)質(zhì)苜蓿產(chǎn)品需求的增加，建立高效低損的苜蓿機械化生產(chǎn)體系的需求越來越迫切。而我國苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在優(yōu)質(zhì)苜蓿供不應求、產(chǎn)品質(zhì)量水平參差不齊和產(chǎn)業(yè)化程度較低等問題，這與我國苜蓿機械化生產(chǎn)技術水平落后有很大的關系。為提升我國苜蓿生產(chǎn)機械化作業(yè)水平，消除裝備技術體系薄弱對苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的阻礙，應綜合分析我國苜蓿生產(chǎn)機械化技術水平現(xiàn)狀，基于國內(nèi)苜蓿生產(chǎn)實際，堅持自主研發(fā)國產(chǎn)機具和吸收引進先進技術相結(jié)合，填補技術空白、提升薄弱環(huán)節(jié)、建立適用于我國優(yōu)質(zhì)苜蓿生產(chǎn)需求的苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術工藝模式，從而提高我國苜蓿產(chǎn)品質(zhì)量，推動苜蓿產(chǎn)品生產(chǎn)標準化體系建設，保障苜蓿產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

1 苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術模式

苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術是指以苜蓿為作業(yè)對象，以耕整地、播種、收獲、干燥和產(chǎn)品加工為重點環(huán)節(jié)，推廣選用先進適用的農(nóng)機化技術及裝備，建立適宜的全程機械化生產(chǎn)模式的綜合集成技術。全程機械化生產(chǎn)技術在完成生產(chǎn)要素環(huán)節(jié)軸向串聯(lián)覆蓋的前提下，應重點根據(jù)不同地區(qū)的自然條件、經(jīng)濟條件、生產(chǎn)規(guī)模、機械化水平等因素，剖析關鍵環(huán)節(jié)內(nèi)部的不同方式方法與工藝路線，構(gòu)建具有作物針對性、環(huán)境適應性、區(qū)域需求性、工藝匹配性和規(guī)模經(jīng)濟性的多元全程機械化生產(chǎn)技術模式。因此，為實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)全覆蓋、作業(yè)環(huán)境全適應、工藝模式全兼容，對建立苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術也提出了針對性的要求，主要包括：

(1)作物適應性。機械化生產(chǎn)作業(yè)工藝模式需與作物特性相適應，苜蓿不同生長期的營養(yǎng)物質(zhì)含量、植株不同部位營養(yǎng)成分含量及干燥失水速率均有很大區(qū)別，因此在選用苜蓿收獲工藝、加工技術時應針對上述特點研發(fā)選用刈割壓扁、一體化青貯等適用技術，最大程度保護苜蓿營養(yǎng)物質(zhì)，降低損失。

(2)作業(yè)條件適應性。我國苜蓿種植區(qū)域覆蓋到華北、東北、西北和南方等多地區(qū)，涉及到的地形包括平原、山地和丘陵等，不同的區(qū)域氣候和地形等環(huán)境因素成為苜蓿生產(chǎn)機械的一個主要限制因素，因此苜蓿機械化生產(chǎn)模式應秉持大型牽引式作業(yè)機具(平原大地塊作業(yè))和自走式輕便型設備(山地作業(yè))并舉，圍繞我國苜蓿主要生產(chǎn)區(qū)域，發(fā)展針對性較強的苜蓿生產(chǎn)機械，重點突破區(qū)域的環(huán)境因素限制，因地制宜，提高生產(chǎn)效率。

(3)產(chǎn)品需求適應性。苜蓿產(chǎn)品應用廣泛，苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術應滿足鮮草飼喂、干草調(diào)制、青貯、草粉、草顆粒、蛋白質(zhì)提純以及生物發(fā)酵等用途。

(4)經(jīng)濟適用性。苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術工藝模式應為不同生產(chǎn)規(guī)模、不同組織形式和不同投入成本條件下的苜蓿生產(chǎn)提供相適應的技術模式和具體裝備的配套方案。

針對上述要求，結(jié)合我國苜蓿主產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)實踐情況，在現(xiàn)有技術研究基礎上，重點突破種子工程、播種、田間管理、改良促生、刈割壓扁、打捆、加工和青貯等關鍵環(huán)節(jié)機械化技術，經(jīng)過原始創(chuàng)新、集成配套、優(yōu)化配置、性能試驗、跟蹤考核和示范推廣，提出一種適應我國苜蓿生產(chǎn)的全程機械化技術模式，將苜蓿生產(chǎn)全程具體劃分為：種子工程—土地整理—播種—田間管理—刈割收獲—儲藏運輸—草產(chǎn)品加工7個技術環(huán)節(jié)，具體技術工藝流程如圖1所示。

2 苜蓿種子工程技術與裝備

苜蓿全程機械化生產(chǎn)過程中，常見的苜蓿種子工程技術內(nèi)容主要包括苜蓿種子機械化收獲、播前處理和小區(qū)育種等。

2.1 苜蓿種子機械化收獲技術與裝備

我國苜蓿種子的主要產(chǎn)區(qū)包括甘肅省、河西地區(qū)、陜西省、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)等地區(qū)，但地域差異性顯著，其中西北干旱、半干旱灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)的產(chǎn)量較高[1]。苜蓿莢果和葉片的含水率是其收獲過程中主要考慮的因素。苜蓿種子成熟期不一致，在收獲季節(jié)，苜蓿葉子和莖稈均具有較高含水率，并且仍有開花現(xiàn)象，這種生長特性使其與其他種子的收獲工藝存在顯著的差別。國外常用苜蓿種子收獲工藝包括分段收獲法和噴藥直接收獲法，兩種方法的工藝流程如圖2所示[1-2]。

圖1 苜蓿全程機械化生產(chǎn)技術工藝模式Fig.1 Full-mechanized production technology of alfalfa

圖2 苜蓿種子機械化收獲工藝Fig.2 Mechanized harvesting technology of alfalfa seeds

由于苜蓿種子成熟期內(nèi)苜蓿莖葉均為綠色，且水分含量高，直接收獲時植株所產(chǎn)生的漿液不僅給種子的脫粒清選帶來很大困難，還可能對種子和收獲機具產(chǎn)生影響，因此不管是分段收獲還是噴藥直接收獲，在收獲種子時必須保證苜蓿莖或葉的水分降低到一定值。

我國對苜蓿種子機械化收獲工藝及配套機具的研究主要包括全喂入收獲和半喂入收獲兩方面，全喂入收獲的主要工藝為：全株切割—螺栓疏松—篩選—分離—種子與莖葉混合物收集；半喂入收獲的主要工藝為：種莢疏刷—風力疏松—沉降—種子與莖葉混合物收集，半喂入收獲一般以疏脫輥筒的形式進行種子采集，疏脫下的物料直接進入沉降室再進行收集[3]。

早期苜蓿種子收獲機械主要包括谷物收獲機和專用草籽收獲清選機，其中大部分苜蓿種子收獲機械都是在現(xiàn)有聯(lián)合收獲機上進行改裝的[2-5]。王鳳清等[2]提出了一種站稈式收獲工藝(半喂入收獲即站稈收獲)，并設計了92Z-1.4型苜蓿種子收獲機，能一次性連續(xù)完成苜蓿站稈脫莢、物料拋送、脫粒、物料輸送和物料貯存的工藝過程，實現(xiàn)了苜蓿植株站立不切割情況下的苜蓿種子割前脫粒收獲。

中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院呼和浩特分院針對草籽機械化收獲存在的損失大、凈度低的普遍問題，設計了9ZQ-2.7型苜蓿種子采集機(圖3)和5TQ-110型苜蓿種莢脫粒清選機，采用縱向傾斜滾筒采集頭，可一次性對整株苜蓿完成脫莢，種莢梳脫率大于96%，總損失率小于6%，其中，5TQ-110型苜蓿種莢脫粒清選機是配套機具，組成了苜蓿種子收獲清選機組，形成了先采集種莢后對干燥種莢進行清選得到苜蓿種子的機械化收獲工藝[1]。

圖3 9ZQ-2.7型苜蓿種子采集機Fig.3 9ZQ-2.7 type alfalfa seed collection machine

陳海霞等[3,6]設計了柔性膠絲與撓性彈齒組合安裝的疏脫部件，并采用氣流吸允的收集方案，設計了9ZS-1.3 型柔性苜蓿種子收獲機。國外對苜蓿種子收獲機械研究較早，所涉及的苜蓿種子收獲機械包括改進的聯(lián)合收獲機、撿拾聯(lián)合收獲機、專用的牽引式苜蓿聯(lián)合收獲機、青草種子收獲機械和自走式站稈種子收獲機械等，而國內(nèi)對苜蓿種子收獲機械的研究仍處于發(fā)展階段。損失大和凈度低是我國目前苜蓿種子收獲機械存在的主要技術問題，苜蓿種子機械化收獲技術及機具仍是苜蓿生產(chǎn)全程機械化過程中的一個相對薄弱的環(huán)節(jié)。

2.2 苜蓿種子播前處理技術與裝備

苜蓿種子休眠、老化生理所造成的種子活力低下等問題一直是種子科學關注的熱點與難點的問題[7]。我國牧草種子機械加工的基本過程包括初清、除芒、干燥、清選分級、包衣、計量包裝和貯存等方面[8]。一般都采用干燥、精選、曬種、浸種、拌種、包衣和催芽等化學和生物學方法對種子進行播前處理[9]，通過加工處理，獲得顆粒大小均勻一致、飽滿健壯和無菌防病的優(yōu)質(zhì)商品種子。經(jīng)過播前處理，確實克服了苜蓿種子的相關問題[10-11]，但也存在諸多弊端，如化學處理方法易產(chǎn)生藥害，造成土壤環(huán)境的破壞；某些防治病蟲的藥劑不能與根瘤菌、植物生長調(diào)節(jié)劑同時用于種子處理等。

近年來，以電、熱和機械為代表的物理技術處理種子的方法開始得到應用，以物理手段作為植物生長發(fā)育促進因子的新型農(nóng)業(yè)技術應運而生[12]。種子磁化技術是近年發(fā)展起來的一項種子處理技術。SHAO等[13]發(fā)現(xiàn)應用磁化處理可以改善種子發(fā)芽情況。應用于種子的外磁場主要有恒定磁場、脈沖磁場、旋轉(zhuǎn)磁場、核磁共振以及磁化水、電磁場等，可有效地激發(fā)種子內(nèi)部酶的活性，改善種子素質(zhì)。除磁化處理技術外，也可采用射頻等離子體處理牧草種子。DOBRIN等[14]發(fā)現(xiàn)等離子體處理對種子早期生長有促進作用，MATRA[15]證實了射頻離子能夠促進種子發(fā)芽并提高種子的干重，而ZAHORANOVA等[16]則發(fā)現(xiàn)等離子體處理可以提高種子潤濕性，王德成等[17]提出了一種冷等離子體處理的苜蓿育種方法，與未經(jīng)處理的相比，苜蓿種子發(fā)芽能力、株高、產(chǎn)量或制種產(chǎn)量中的至少一種目標性狀表現(xiàn)出了提高或增加的特點。通過射頻等離子處理技術，可以對苜蓿種子產(chǎn)生積極的生物學作用，種子抗逆基因的表達增加了作物產(chǎn)量、改善了產(chǎn)品品質(zhì)。

常見苜蓿種子機械化播前處理過程工藝如圖4所示。

圖4 苜蓿種子機械化播前處理工藝Fig.4 Alfalfa seed mechanized sowing pre-treatment process

常見種子處理設備包括牧草種子清選機、種子包衣機、拌種機、種子磁化處理機和射頻離子能種子處理儀等，但專用的苜蓿種子處理設備市場上并不多見。

2.3 苜蓿機械化小區(qū)育種技術及裝備

與以美國為代表的西方發(fā)達國家產(chǎn)業(yè)需求不同，我國當前的主要苜蓿育種目標包括抗寒、耐鹽堿品種的選育，抗病、抗蟲品種的選育，根蘗型苜蓿品種的選育等，主要解決苜蓿產(chǎn)量、抗性等生產(chǎn)需求，而國外從事的主要育種目標是低木質(zhì)素含量苜蓿品種培育，多酚氧化酶(PPO)苜蓿育種和高產(chǎn)雜交苜蓿育種等，主要是解決奶牛業(yè)、奶牛飼養(yǎng)業(yè)等對苜蓿質(zhì)量方面的需求以及提高種子純度和基因安全等問題[18]。

長期以來，我國育種專家通過傳統(tǒng)的手工作業(yè)完成小區(qū)試驗的播種、收獲和種子加工處理等各環(huán)節(jié)的煩瑣工作程序[19]。采用機械化作業(yè)不僅可以提高試驗的精確度，減少試驗誤差，而且還可以擴大苜蓿育種規(guī)模加速試驗過程，提高苜蓿育種工作效率。目前小區(qū)育種機械主要包括小區(qū)種子加工處理機械、播種機械、收獲機械和田間植保機械等。

小區(qū)育種播種機主要包括小區(qū)單粒播種機、小區(qū)條播播種機和單行播種機。小區(qū)單粒播種機是專為在試驗小區(qū)進行精確單粒播種而開發(fā)設計的，也就是實現(xiàn)小區(qū)精密播種；小區(qū)條播播種機是為在試驗小區(qū)進行準確播種而設計，按照規(guī)定的播種量(一定長度區(qū)段內(nèi)的粒數(shù))、行距和播深將同一品系的種子播入播行內(nèi)，播完規(guī)定長度后，種子不得存留于排種裝置內(nèi)[19]，能夠?qū)崿F(xiàn)多行作業(yè)；而小區(qū)單行播種機主要用于為單穗或單株植物種子進行準確播種。處于國際領先地位的奧地利溫特斯泰格公司(Wintersteiger)、丹麥霍爾公司(Haldrup)等設計生產(chǎn)的小區(qū)育種機械已經(jīng)形成了完整的育種機械體系，特別是對于小麥、玉米、大豆等糧食作物或經(jīng)濟作物，對于牧草等小粒種子的小區(qū)育種機械也可通過更換特定部件后進行小區(qū)育種。如溫特斯泰格公司的Monoseed GP單粒播種機(圖5a)，配備標準的帶有孔排種盤的播種元件，通過組裝不同的分配系統(tǒng)和多種模塊系統(tǒng)，機器可以進行多種功能操作，可用于播種小型谷類、油菜籽、玉米、甜菜或類似種子(大的和小的種子)的小區(qū)播種作業(yè)；Plotseed系列小區(qū)條播機(圖5b)采用皮帶錐體式排種器和蜂窩輪結(jié)構(gòu)，適用于播種精細種子(如牧草種子)、谷物及大粒的豆類種子。丹麥霍爾公司SB-25型皮帶錐體式播種機(圖5c)和SR-30型單行播種機(圖5d)，通過氣力式排種系統(tǒng)，可用于小區(qū)播種精細種子或牧草種子。黑龍江省農(nóng)墾總局紅興隆科研所研制的XBJ-150型自走式(懸掛式)小區(qū)條播機，采用離心式排種器的結(jié)構(gòu)，可播小至牧草，大至豆類的種子[20]。王德成等[21-22]設計的自走式小區(qū)牧草播種作業(yè)機械，包括多功能自走式動力平臺和小區(qū)專用播種機，用于實現(xiàn)牧草小區(qū)育種。

圖5 小區(qū)育種播種機舉例Fig.5 Examples of planters on test plot

圖6 F-55型小區(qū)收獲機Fig.6 F-55 type forage harvester

相比之下，國外小區(qū)育種機械化播種技術相對成熟，田間育種的小區(qū)播種和管理方面已應用專業(yè)機械和智能化播種機械進行。而我國機械化制種生產(chǎn)相對薄弱，制種單位多數(shù)以農(nóng)戶為主，生產(chǎn)效率低，種子質(zhì)量難以得到保障[23]。此外，在牧草小區(qū)收獲機械等方面國外也有相對成熟的機械，如哈德瑞普公司(HALDRUP)F-55型小區(qū)收獲機(圖6)，適用于牧草或草藥等作物的收獲。我國在小區(qū)牧草收獲方面仍基本上采用人工收獲的方式，專用的小區(qū)牧草收獲機械則少有研究。針對苜蓿小區(qū)育種方面，國內(nèi)外并無專用的小區(qū)育種機械，但國外牧草小區(qū)育種機械具有良好的通用性和適用性，可以通過其他牧草小區(qū)育種機械進行苜蓿的機械化小區(qū)育種作業(yè)，并且在小區(qū)種子收獲、田間植保以及種子加工處理方面均有相對成熟的設備，而國內(nèi)目前在這方面尚沒有成熟的設備，研發(fā)專用的小區(qū)生產(chǎn)機械是未來需要解決的一個技術問題。

3 苜蓿田間機械化生產(chǎn)技術與裝備

3.1 苜蓿機械化耕整地技術與裝備

我國苜蓿種植主要以人工建植草地為主，與糧食作物或者經(jīng)濟作物的土地條件相似，所用的耕整地機械也與大田作業(yè)區(qū)域的耕整地機械基本相同。由于苜蓿是深根作物，且種子細小，種子頂土能力弱，所以對土壤細碎程度有一定要求，而整地質(zhì)量好壞，直接影響苜蓿的出苗率和整齊度。表面細碎的土壤狀態(tài)有利于苜蓿出苗和出苗整齊，利于根系的生長和水分的滲透[24]。

苜蓿機械化耕整地作業(yè)環(huán)節(jié)包括耕、耙、耢(耱)和壓等環(huán)節(jié)，同時根據(jù)土地情況還可適當將深松和旋耕等作業(yè)環(huán)節(jié)加以配合。在翻地基礎上，采用圓盤耙、釘齒耙耙碎土塊，平整地面，可提高土壤顆粒細度。耕地時要求深翻或深松25～30 cm；耙地時要求耙出雜草根莖，耙碎土塊，混拌土肥，達到表面平整；耢(耱)地時要求耢(耱)碎土塊和土壤，達到粗細均勻，質(zhì)地疏松；鎮(zhèn)壓時要求土質(zhì)細碎、地面平整、土層壓緊、上虛下實，達到保墑效果[25]。

考慮到作業(yè)成本及綜合效率，國外往往采用復合式耕整地機械，能有效完成混合前茬、碎土平整、和墑保墑作業(yè)[24]。而國內(nèi)以中小型機械為主，也采用復式聯(lián)合整地的方式，單式作業(yè)居多，分段完成破茬、碎土以及整地等作業(yè)環(huán)節(jié)，而在機具關鍵部件的優(yōu)化設計、可靠性問題以及作業(yè)效果方面仍是苜蓿耕整地機械需要解決的技術問題。國內(nèi)外常見典型耕整地機械有美國大平原Tl-300型聯(lián)合整地機、約翰迪爾2230LL型聯(lián)合整地機、牧神1ZL-7.0型聯(lián)合整地機，還有常見的鏵式犁、旋耕機和深松機等，可實現(xiàn)土地的深松、碎土和平整土壤等各項作業(yè)。

3.2 苜蓿機械化播種技術與裝備

依據(jù)苜蓿種植區(qū)域的地形、土壤條件以及其他特點來劃分，苜蓿的的播種方式可分為條播、撒播、穴播和混播。苜蓿栽培若為草用，行距一般為30 cm；若為種用，行距則一般為20 cm。播種量為15～22.5 kg/hm2，播種深度一般為1～4 cm[26]。由于牧草種子具有顆粒小、產(chǎn)量低的特點，特別是苜蓿種子(紫花苜蓿種子千粒質(zhì)量僅約為1.95 g[27])，其物理特性與糧食作物和其它禾本科牧草種子有著明顯的不同，因此與其他作物機械化播種作業(yè)相比，苜蓿播種機械具有一定的特殊性。目前所采用的苜蓿播種技術包括精量播種、禾豆混播以及作物間作、套作和輪作等。苜蓿機械化播種的一般工藝包括劃破草皮、松土、播種和覆土鎮(zhèn)壓[28]。國內(nèi)最早的牧草播種機主要用于草原方面的建植，如9SBY-3.6型牧草種子撒播鎮(zhèn)壓聯(lián)合機組和9LBZ-2.0型重型牧草播種機等，對于人工種植草場用的牧草播種機則起步較晚，特別是苜蓿精量播種機。苜蓿播種機開始由傳統(tǒng)的小麥或谷物播種機更換上小槽輪排種器或小窩眼排種器改裝而成，用于苜蓿建植，雖然各項指標不能達到牧草播種要求，但使用成本較低[29]。中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院開發(fā)的2BMC系列牧草精量播種機(圖7a)可專門用于于播種牧草等小粒種子[30]。李長榮等[31]設計了2BMC-24型牧草精少量播種機，采用控制式微型精量排種器、雙圓盤種肥分施開溝器、單組仿行鎮(zhèn)壓輪，滿足了苜蓿等小粒種子小播量、淺播種的農(nóng)藝要求，同時實現(xiàn)種肥分施、播后覆土鎮(zhèn)壓。戴立勛等[32]設計了2BC-1.2型山地牧草播種機。陶桂香等[33]研制了2BMY-5型牧草免耕播種與液體施肥機(圖7b)，該機采用小型外槽輪式排種器，總排量一致性變異系數(shù)為5.56%。中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院呼和浩特分院研發(fā)的9BQM-3.0型氣力式牧草免耕播種機(圖7c)，通過進行苜蓿播種試驗得到排量一致性變異系數(shù)為3.41%，可實現(xiàn)高速單粒體排種[34]。趙春花團隊針對山地丘陵復雜地形和機械化種植牧草的作業(yè)要求，研制了2BC系列小型山地牧草播種機(圖7d)，適合梯田、套種田等中小地塊硬實種子的無級精量播種[35-36]。國外種植面積較大，用于播種苜蓿的機械多數(shù)以大型為主，且牧草播種機與小麥等播種機可通用，通常既可以播禾本科牧草，也可以播豆科牧草。比較常用的國外牧草播種機包括美國百利靈SS系列保苗播種機(圖8a)、約翰迪爾免耕播種機(圖8b)、美國大平原免耕播種機(圖8c)和凱斯播種機(圖8d)等。

圖7 國內(nèi)典型苜蓿播種機Fig.7 Examples of domestic alfalfa seed planter

圖8 國外典型牧草免耕播種機Fig.8 Examples of foreign no-tillage planter

3.3 苜蓿機械化田間管理技術與裝備

苜蓿機械化田間管理技術是指在苜蓿從播種到收獲的整個栽培過程中，通過機械手段進行各種田間管理措施，目前所采用的苜蓿機械化田間管理技術包括苜蓿補播、切根促生、中耕除草、施肥、灌溉排水和植保技術等。

苜蓿播種或次年越冬返青時，會出現(xiàn)缺苗的現(xiàn)象，適時的補播可以提高苜蓿草地的植被蓋度和產(chǎn)量，提高草場生產(chǎn)力。國內(nèi)外現(xiàn)有的牧草補播機械主要針對天然退化草場而設計，主要用于改良天然退化草場，如91BS-2.4型草原松土補播機、9MSB-2.1型牧草免耕松土補播機、9MSB-2.1型草地免耕松土播種聯(lián)合機組等[29]，而用于苜蓿補播的專用機械市場并不多見。專用苜蓿補播機可以實現(xiàn)對缺苗率達到40%的人工苜蓿草場的缺苗斷壟區(qū)域的精確補播，在補播的過程中連續(xù)施肥，并將缺苗檢測、補播控制、定量施肥功能進行了集成。張淑敏等[37]針對苜蓿補播過程中的問題還設計了一種新型紫花苜蓿補播排種器，對補播機進行了優(yōu)化和改進。

苜蓿在種植生長第2年到第4年產(chǎn)量相對較高，但此后開始降低，其主要原因在于根系開始老化[38]，使得苜蓿根系活力下降。侯扶琴等[39]對苜蓿栽培草地進行了切根處理，對其生長特性和經(jīng)濟效益進行分析，結(jié)果表明苜蓿切根可以減短返青時間，切根后的苜蓿在第4到第6年的產(chǎn)草量均比未切根的高。王德成等[40]提出了一種用于退化苜蓿草地的切根平地機，對苜蓿進行切根促生改良，同時對土地進行平整地作業(yè)，實現(xiàn)對多年生苜蓿草地的機械化田間管理作業(yè)。

除此之外，苜蓿田間管理技術還包括灌溉、中耕除草和病蟲害防治等技術。從現(xiàn)有的市場份額和研究來看，專門針對苜蓿田間管理的機械相關研究基本屬于空白。大部分都采用以化學試劑的方式進行除草和防治病蟲害，也采用人工除草的方式進行中耕除草，資料介紹較多的國外除草技術有化學除草方法和非化學除草方法[41]。并沒有苜蓿專用的中耕除草機械，常見的中耕除草機械主要針對玉米、水稻、小麥和大豆等糧食作物或經(jīng)濟作物，如梁遠等[42]設計的3ZCS-7 型復式中耕除草機，韓豹等[43]設計的3ZCF-7700型多功能中耕除草機以及王金武等[44]設計的3ZS-150 型水稻中耕除草機等。國外的除草機械大都是牽引式工作，幅面很大，其結(jié)構(gòu)和工作性能等方面不太符合我國的國情，國內(nèi)的除草機大都為中耕除草機，工作部件多為單翼鏟或者雙翼鏟，也有圓盤式的除草機，但數(shù)量相對較少[41]。而灌溉機械和噴施藥劑用的植保機械大都采用糧食作物或經(jīng)濟作物的田間管理機械，但與苜蓿種植工藝配套性差，多樣的種植方式增加了植保機械的作業(yè)難度。

3.4 苜蓿機械化收獲技術與裝備

根據(jù)生產(chǎn)需要，苜蓿機械化收獲技術根據(jù)苜蓿含水量的不同可分為干草機械化收獲技術、高水分機械化青貯收獲技術和半干機械化青貯收獲技術。苜蓿干草機械化收獲技術一般指苜蓿經(jīng)刈割壓扁后在田間晾曬，當含水率達到一定的低值后再進行撿拾打捆，其最終目的是將苜蓿制成干草制品[45]；苜蓿機械化高水分或半干青貯收獲技術指的是苜蓿經(jīng)刈割后直接或刈割壓扁后在田間進行晾曬后，進行鍘切粉碎或撿拾打捆然后進行袋貯、窖貯或裹包纏膜等青貯手段。

3.4.1 苜蓿機械化刈割技術與裝備

國內(nèi)外針對苜蓿收獲過程中所使用的機械化刈割技術大部分為割草壓扁技術。苜蓿割草壓扁技術是通過橡膠輥、鋼輥等不同形式的調(diào)制裝置，對苜蓿莖稈進行壓扁調(diào)制，從而加快苜蓿莖稈干燥速率，實現(xiàn)莖葉同時干燥并縮短田間晾曬時間。該技術能有效減少收獲損失，提高苜蓿干草產(chǎn)品品質(zhì)，實現(xiàn)該技術的機械稱為割草壓扁機或割草調(diào)制機。

國外常見的苜蓿割草壓扁機生產(chǎn)廠商有美國的John Deere、New Holland、Agco，法國的Kuhn、德國的Claas、加拿大的Macdon等公司。近年來，部分學者針對我國苜蓿種植現(xiàn)狀，設計研究出了適用于山區(qū)丘陵地區(qū)的割草壓扁機，這些割草壓扁機的特點是轉(zhuǎn)向靈活，爬坡能力強，填補了我國山區(qū)苜蓿收獲機械的空白[46-48]。通過搭建試驗臺等方式，提出了適合我國山區(qū)苜蓿收獲的切割及喂入方式[49-50]，以及適用于山區(qū)小型自走式苜蓿割草壓扁機的傳動系統(tǒng)[51-52]；通過理論分析和試驗研究，結(jié)合我國苜蓿生產(chǎn)實際，優(yōu)化了壓扁調(diào)制裝置的參數(shù)[53-54]；通過虛擬分析與田間試驗結(jié)合，研究并創(chuàng)新了適用于山區(qū)丘陵地區(qū)的苜蓿割草壓扁機仿形裝置[55]。針對平原地區(qū)等大地塊苜蓿種植區(qū)，我國同樣出現(xiàn)了大幅寬、高效率的割草壓扁機[56]，能實現(xiàn)平原地區(qū)的苜蓿壓扁收獲。國內(nèi)外典型苜蓿割草壓扁機如表1所示。

3.4.2 苜蓿干草田間調(diào)制機械化技術與裝備

田間干草調(diào)制作業(yè)的目的是要盡量減少損失，以適當?shù)淖鳂I(yè)機具，合理的工藝過程，加快牧草的干燥速度，減輕和避免各種因素對養(yǎng)分的造成的損失，獲得高質(zhì)量的干草?；菊{(diào)制方法是成條干燥和攤散干燥，主要作業(yè)內(nèi)容為攤行、翻草、摟草、翻條、攤條和并條等。苜蓿進行田間干草調(diào)制過程中，先進行刈割壓扁作業(yè)，然后由田間的摟攤晾曬進行干草調(diào)制。

表1 國內(nèi)外典型苜蓿割草壓扁機Tab.1 Examples of alfalfa mower

常用的干草調(diào)制機械包括指盤式攤摟草機、滾筒式攤摟草機、多轉(zhuǎn)子水平旋轉(zhuǎn)攤摟草機、雙轉(zhuǎn)子水平旋轉(zhuǎn)攤摟草機、懸臂式水平旋轉(zhuǎn)摟草機、多轉(zhuǎn)子攤曬機、傳送帶式攤摟草機和橫向摟草機等[29]。

草條的運動方式?jīng)Q定了攤摟草機械關鍵裝置的運動形式，常見的草條運動方式和攤摟草機械的工作方式如圖9和圖10所示。

圖9 法國Kuhn公司水平旋轉(zhuǎn)式攤摟草機8種工作方式Fig.9 Working process of hayrake produced by Kuhn company

圖10 意大利ROC公司傳送帶式攤摟草機5種工作方式Fig.10 Working process of hayrake produced by ROC company

國內(nèi)外常使用的摟草機有橫向摟草機、指盤式摟草機、滾筒式側(cè)向摟草機和水平旋轉(zhuǎn)摟草機，其中水平旋轉(zhuǎn)式摟草機應用較為廣泛[57]?，F(xiàn)階段比較成熟的有法國Kuhn公司，美國Sip、John Deere公司、New Holland公司，德國Claas公司，意大利的Enorossi公司和ROC公司等。而國內(nèi)攤摟草機械起步相對較晚，并且目前使用的攤摟草機多為國外進口，雖然也有國內(nèi)自主研發(fā)的攤摟草設備，但仍存在性能較差、可靠性不高等問題。目前，國內(nèi)針對苜蓿等人工建植草場，田間干草調(diào)制機械使用較廣的為指盤式攤摟草機和水平旋轉(zhuǎn)式攤摟草機，其中水平旋轉(zhuǎn)式攤摟草機應用較為廣泛，既能摟草，又能攤草，還能翻曬、移行等。賈紅超等[58]針對天然草場的田間調(diào)制問題設計了RT13型指盤式摟草機。翟改霞等[57]研制出適用于天然草場和人工種植草場的高效低損的多功能水平旋轉(zhuǎn)摟草機，采用模塊化結(jié)構(gòu)，能夠完成優(yōu)質(zhì)青干草的摟、攤、翻等多種作業(yè)工序。羅金海等[59]設計了牽引式V形折疊摟草翻曬機，可呈V形折疊展開，能同時完成摟草和翻曬作業(yè)，對紫花苜蓿的漏摟率為1.2%，花葉損失率為2.4%。李鳳鳴等[60]針對目前我國傳統(tǒng)摟草設備存在的干燥速度慢、散草打捆困難和草根容易捂爛等問題，研制出新型指盤式摟草機，能夠?qū)崿F(xiàn)對苜蓿、稻秸稈、麥秸稈的摟集和翻曬作業(yè)。常用的國內(nèi)外攤摟草機械如表2所示。

3.4.3 苜蓿機械化方草捆成捆技術與裝備

苜蓿是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的首選飼料作物，在開發(fā)利用中需要壓縮成不同的成型草產(chǎn)品(如草捆、草塊、草顆粒等)，來滿足牲畜的飼喂要求和運輸要求，提高草產(chǎn)品的商品性[61]。根據(jù)苜蓿生產(chǎn)實際需求，在壓縮成捆作業(yè)過程中可以進行干草捆或青貯草捆收獲作業(yè)。根據(jù)成型草捆的形狀，可以將草捆成型設備分為方草捆機和圓草捆機。由于圓草捆打捆機與圓草捆青貯內(nèi)容有重疊，因此本部分重點介紹方草捆機械化成捆技術與裝備。

方草捆撿拾打捆機一般包括撿拾喂入機構(gòu)、輸送機構(gòu)、壓捆機構(gòu)和打結(jié)機構(gòu)等部分，能一次性完成牧草的撿拾、喂入、壓縮成捆、打結(jié)和卸料等工序。市場上所能見到的方草捆撿拾打捆機可形成小方草捆和大方草捆。根據(jù)動力來源情況分為牽引式方草捆撿拾打捆機和自走式方草捆撿拾打捆機，其中牽引式方草捆撿拾打捆機應用相對廣泛。國外方草捆撿拾打捆機具有代表性的企業(yè)有凱斯紐荷蘭、德國克拉斯、約翰迪爾、麥賽弗格森、惠斯頓等。而國內(nèi)大多數(shù)撿拾打捆機為進口或根據(jù)國外的機械采用測繪或類比的方法設計的，在撿拾打捆效果、配套動力、主要零部件參數(shù)等方面仍存在很大的發(fā)展空間[61]，相對較為成熟并且應用較多的國內(nèi)方草捆撿拾打捆機主要有內(nèi)蒙古華德牧草機械有限責任公司和上海世達爾現(xiàn)代農(nóng)機有限公司所生產(chǎn)的。

針對不同的作物收獲要求和不同區(qū)域的作業(yè)環(huán)境影響，國內(nèi)外針對方草捆撿拾打捆機方面開展了多元化的研究，主要對整機的整體結(jié)構(gòu)以及關鍵部件進行了優(yōu)化設計和改進，同時對物料壓縮過程相關理論進行了試驗研究。王鋒德等[62]針對玉米秸稈壓縮特性設計了4YF-1300型大方捆打捆機。

表2 國內(nèi)外典型攤摟草機械Tab.2 Examples of hayrakes and tedders

ROBB[63]開發(fā)了一種稻稈流線型運輸?shù)姆讲堇豪C。KENNETH等[64]設計了與粉碎機結(jié)合于一體的方草捆壓捆機，可以是牽引式，也可以是自走式。馬曉剛[65]設計了一種自走式方草捆壓捆機，可針對我國北方旱作區(qū)等山區(qū)、丘陵小地塊牧草種植區(qū)進行田間苜蓿撿拾壓捆作業(yè)。圍繞撿拾打捆機的關鍵部件，尤其是打結(jié)關鍵部件相關學者展開了大量的研究。蘇剛等[66]基于逆向工程技術，提出一種改進的參數(shù)化方法建立圓柱面的幾何距離函數(shù)，用來測量打結(jié)器關鍵參數(shù)。孫貴斌等[67]設計了一種由氣壓缸提供動力的卡扣式方草捆打結(jié)器。尹建軍等[68]以苜邦9KF-8042型方草捆壓捆機為研究對象，采用虛擬樣機技術對其D型打結(jié)器及其輔助機構(gòu)的耦合運動進行了分析，確定捆扎過程的耦合動作時序關系。王振華等[69]對方草捆壓捆機撿拾器的工作幅寬及滾筒轉(zhuǎn)速進行了設計。楊莉等[70]對自帶傳動動力恒頻方草捆撿拾壓捆機進行了深入研究。尹建軍等[71]設計了一種彈簧力平衡式方捆機撿拾器高度自動仿形裝置。張姬等[72]在分析方草捆打捆機使用的D型打結(jié)器及食品包裝打卡機結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎上，將兩者優(yōu)點加以集成，設計了打卡裝置，取代D型打結(jié)器的打結(jié)鉗嘴及驅(qū)動機構(gòu)，從而組成了新型卡扣式方草捆打結(jié)器。杜克爽[73]對方草捆撿拾裝置進行了優(yōu)化設計。尹建軍等[74]針對打結(jié)器結(jié)構(gòu)改進或參數(shù)調(diào)整后在設計階段難以評判優(yōu)劣而增加制造投入成本的問題，以打結(jié)器能否打出繩結(jié)為評判準則，提出了一種基于剛?cè)峤佑|動力學的打結(jié)器虛擬打結(jié)方法。熊亞等[75]針對打結(jié)器脫扣失效和剛性碰撞的問題，分析割繩脫扣機構(gòu)與繞繩機構(gòu)的相互作用機理，對割繩脫口機構(gòu)與繞繩機構(gòu)進行了改進設計。撿拾打捆機的關鍵部件特別是打結(jié)關鍵部件仍然是國內(nèi)眾多研究人員在努力解決的一個技術問題。典型的國內(nèi)外方草捆撿拾打捆機如表3所示。

3.4.4 苜蓿機械化青貯技術與裝備

我國苜蓿青貯技術主要包括窖貯、堆貯、拉伸膜裹包青貯和袋式灌裝青貯[76]。苜蓿窖(堆)貯一般都需經(jīng)過將苜蓿原料切碎，形成2～3 cm的碎段，然后入窖或裝填，在此過程中都必須經(jīng)過壓實，然后再進行密封處理。常見的苜蓿窖貯的技術流程為刈割→晾曬→切短→裝填→壓實→密封→管理，或青飼料收獲→運輸→裝填→壓實→密封→管理。

表3 國內(nèi)外典型方草捆打捆機械Tab.3 Examples of square baler

苜蓿窖(堆)貯工藝下主要包括碎料和壓實兩大機械化處理過程。國外往往由青貯飼料收獲機在田間直接收割、切碎、收集，由飼料掛車運輸，用拖拉機壓實，人工封窖；而國內(nèi)在苜蓿窖(堆)貯方面常采用分段作業(yè)的方式進行，先通過田間苜蓿收獲，然后將收獲后的苜蓿運輸至窖貯地點，通過固定式鍘切粉碎等機械完成苜蓿的碎料作業(yè)，并可直接將碎料噴出，再進行壓實和密封處理。所采用的機械包括了飼草切碎機、青貯飼料收獲機和壓實設備等。

飼草切碎機是我國使用最早和生產(chǎn)量較多的飼草加工機械之一。通常所說的鍘草機、青飼切碎機、秸稈切碎機等都屬于飼草切碎機。小型鍘草機在農(nóng)村應用較廣，主要用來鍘切谷草、麥秸、青飼料及干草。青飼切碎機又稱青貯切碎機，常用在養(yǎng)牛場，主要用作鍘切青貯料。國外對于飼草切碎機的研究多以聯(lián)合收獲機上的切碎裝置為主要研究對象，且多針對玉米或小麥等糧食作物。研究多以提高切碎性能作為目標進行實驗，分析總結(jié)了各項因素對切碎裝置的影響，并提出了一些改進措施。并以通用聯(lián)合收割機為主，尚未對飼草專用獨立切碎機械進行深入研究。KATTENSTROTH等[77]為保證作物的切割長度，利用流體力學的原理，討論了作物莖稈在進入切碎裝置的各種情況，針對較短的作物莖稈在切碎裝置中的運動狀態(tài)進行了分析模擬實驗；WALTHER等[78]對切碎過程中切碎刀具的磨削進行了試驗分析，測量了實際切割過程中刀具的磨損狀況，并提出了新的磨削方式；SOUZA等[79]以3種混合飼料為研究對象，改變刀具的旋轉(zhuǎn)角度、斜切角度，得出38°的斜切角為其中兩種飼料最佳角度，而另一種飼料的最佳斜切角度為30°，并對比了不同斜切角度帶給農(nóng)戶的利益大小；AJAV等[80]針對切割裝置的主要影響因素進行了總結(jié)分析，并提出了以切碎時間和飼料含水率為性能指標，確定了切割角、刀刃厚度等影響因素。我國現(xiàn)有的飼草切碎機主要包括滾刀式和輪刀式(圓盤式)切碎機。大型鍘草機便于拋送青貯料，多為輪刀式，而小型鍘草機多為滾刀式。

青貯飼料收獲機主要分為自走式和懸掛式。自走式往往配有高稈作物割臺、牧草割臺、撿拾器、收摘穗玉米的割臺等附件。懸掛式青貯飼料收獲機在國際上應用于青貯玉米、高粱等高稈青貯作物和苜蓿等矮稈牧草的機械收獲，主機一般配有矮稈割臺、對行(不對行)式割臺、撿拾器等附件。美國及西歐的自走式青貯飼料收獲機技術較先進，如美國的John Deere公司、New Holland公司，德國的Claas公司、Mengle公司、DEUTZ公司，俄羅斯的羅斯托夫公司和捷爾諾波公司等生產(chǎn)的自走式青貯飼料收獲機，不但能夠收獲玉米、高粱等高稈作物，還能收獲大麥、燕麥和苜蓿等矮稈作物，適用性廣，而且可以進行不對行收割[81]。21世紀初，我國從國外引進并使用青貯飼料收獲機來滿足青貯飼料機械化作業(yè)需求，主要應用在玉米、小麥等作物。國內(nèi)外常用的青貯飼料收獲機械如表4所示。

苜蓿青貯飼料壓實設備多采用拖拉機來完成，主要分為輪式和鏈軌式(圖11)。輪式設備具有碾壓面平整光滑、設備操作靈活的特點，但其爬坡能力較弱，這在一定程度上會增加壓窖時間。鏈軌式設備有推鏟與車身寬度不一致，導致難于對窖墻部分壓實，同時鏈軌式設備對青貯窖地面的損傷也較大，但是其優(yōu)點是爬坡性能好，壓窖作業(yè)面短。

圖11 壓窖機Fig.11 Silage silo pressing machinery

拉伸膜裹包青貯技術與袋式灌裝青貯技術是在半干青貯的原理上發(fā)展的兩種青貯工藝[82]。袋式灌裝青貯技術可用于對晾曬半天至一天，含水率為55%～70%的牧草進行單獨青貯，也可用于對含水率70%～80%的新鮮豆科牧草，在添加發(fā)酵液后進行青貯[83]。所需配套設備主要有青飼料收獲機、青飼料運輸車、喂料平臺、袋式灌裝機以及大中型拖拉機作為配套動力，其工藝流程為青飼料收獲→拉運→卸料→灌裝→封存，如圖12所示。

圖12 袋式灌裝青貯作業(yè)現(xiàn)場Fig.12 Bag silage process

袋式青貯是將新鮮的青飼料高密度地裝入密封、遮光、不透氣，又能抗高溫和低溫的特制塑料袋內(nèi)，存貯單元小，僅為幾十立方米，比較靈活適用，存貯過程短，最大限度地保留了乳酸菌的存活量和原料的新鮮度，為有益發(fā)酵奠定了良好基礎[84]。袋式青貯灌裝機在歐美發(fā)達國家應用廣泛，如奧地利Silospeed G4-06型青貯灌裝機和德國Ag-Bagger系列青貯灌裝機(圖13)等，但是由于貯存袋比其他塑料產(chǎn)品昂貴，不適合3年以上的長期貯存，因此這種青貯產(chǎn)品在國際上多用于商品化使用以滿足小型養(yǎng)殖戶小貯存的需求。

圖13 袋式青貯灌裝機Fig.13 Bag silage machinery

北京市農(nóng)機試驗鑒定推廣站根據(jù)我國實際，設計了9LT-50型青貯飼料袋式灌裝機，工作時，壓裝輥筒旋轉(zhuǎn)，將喂入料倉中的物料壓入位于撐口鏟的塑料袋中，配套動力40.4 kW，工作效率50 t/h[85]，通過后期試驗發(fā)現(xiàn)，袋式灌裝青貯技術也可用于對含水率為65%～70%的苜蓿進行青貯作業(yè)。王亞波等[86]對9SYG-2型青貯飼料灌裝機進行了研究，該機可對60%～70%的玉米秸稈經(jīng)扎切揉碎后進行袋式灌裝青貯作業(yè)，配套動力11 kW，生產(chǎn)率達3 t/h。鄭澤穎等[87]設計了一種可移動的青貯灌裝平臺，該平臺可連續(xù)、均勻地卸料，保證了與青貯灌裝機的良好對接。萬其號等[88]研制了自走式青貯聯(lián)合收獲機，集收割、粉碎、拋送、攪拌、添加青貯劑、裝袋等功能為一體，可將新鮮的牧草收割后直接裝袋進行青貯，通過液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)壓實密度400～800 kg/m3調(diào)節(jié)。

目前袋式灌裝青貯技術在我國僅用于苜蓿的半干青貯，而對于苜蓿高水分青貯，袋式灌裝青貯技術還沒有相關應用。

拉伸膜裹包青貯技術在國際上廣泛用于禾本科與豆科牧草的低水分青貯作業(yè)[84]。目前，大多采用圓草捆的形式進行拉伸膜裹包青貯，所采用的機械包括圓草捆打捆機和纏膜機等，圓草捆纏膜機往往與圓草捆打捆機配套使用，但集打圓捆和纏膜功能于一體的打捆纏膜一體機在市場上逐漸得到推廣和應用。

圓草捆打捆機作為飼草收獲機械之一，與方草捆相對，可實現(xiàn)對飼草的及時收獲打圓捆作業(yè)，便于草捆的儲存、青貯和運輸。苜蓿圓草捆青貯，屬于拉伸膜裹包青貯技術中的一種，即通過圓捆機對苜蓿進行打捆作業(yè)，然后再通過裹包設備，對成型后的圓草捆進行裹包青貯作業(yè)。與灌注裝袋青貯技術不同的是，圓草捆青貯所形成的青貯單元較小，運移方便，利于實現(xiàn)青貯飼料的商品化。

目前，國內(nèi)外進行圓草捆打捆作業(yè)的機械根據(jù)成型工藝可分為內(nèi)纏繞式和外纏繞式兩種。內(nèi)纏繞式草捆成型原理是指通過傳動帶或鏈條使飼草剛進入草捆機就形成一個草捆核心，隨著飼草不斷被喂入，傳動帶(鏈)連續(xù)不斷地將之包在核心上，并隨草核的變大而不斷擴展形成草捆；外纏繞式草捆成型原理與內(nèi)纏繞式不同之處在于傳送帶、傳動輪或鋼輥安裝在成型室的整個圓周面上，飼草進入成捆室后被曲面上的裝置翻滾，直到成型室中有了足夠多的飼草，使得成捆裝置的各個部分都接觸到飼草，隨后被壓縮成層，外層漸漸向飼草中心壓下來直至達到所要求的密度。

國外比較有代表性的企業(yè)如CLAAS、John Deere、Kuhn和New Holland等，這些公司的圓捆機在機械結(jié)構(gòu)、動力配套、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設計方面都有自身的特點，處于國際領先的技術水平。近幾年，國內(nèi)也呈現(xiàn)出相對成熟的生產(chǎn)企業(yè)，比如中機美諾、上海世達爾和內(nèi)蒙古華德等企業(yè)。此外，相關學者圍繞整機結(jié)構(gòu)設計、成型參數(shù)、纏捆方法等方面展開了大量的研究工作。如王春光等[89]設計了由傳動系統(tǒng)、牽引裝置、撿拾器、喂入機構(gòu)、成捆室、捆繩機構(gòu)、液壓系統(tǒng)以及卸草器等組成的鋼輥外卷式圓捆打捆機。王德福等[90]為解決小型鋼輥式圓捆撿拾打捆機秸草打捆時的堵塞問題,對其結(jié)構(gòu)進行了改進試驗，在試驗中，采用了增加喂入單輥、喂入對輥結(jié)構(gòu)，并對其喂入能力、可靠性指標進行了測定。雷軍樂等[91]針對國產(chǎn)的中小型鋼輥式圓捆機收獲完整稻稈易產(chǎn)生堵塞的問題，利用自行設計的鋼輥式圓捆機(草捆直徑約500 mm)試驗裝置對其打捆過程進行了研究，并將鋼輥對稻稈的摩擦作用、撿拾器彈齒端點線速度以及稻稈喂入量作為成捆的影響因素進行了試驗研究。高東明等[92]為提高青貯飼料的打捆作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，在現(xiàn)有青貯飼料打捆技術的基礎上，設計了一種用于青貯作業(yè)，由喂料預壓機構(gòu)、對數(shù)螺線式二次壓捆機構(gòu)組成的對數(shù)螺線式圓草捆成捆裝置。李葉龍等[93]針對國產(chǎn)中小型鋼輥式圓捆機收獲完整稻稈時易于堵塞問題，設計了側(cè)圓盤與鋼輥組合式(簡稱輥盤式)卷捆機構(gòu)，并利用自制輥盤式圓捆機試驗裝置對其卷捆過程進行了試驗研究。國內(nèi)外常用的圓草捆成捆機械如表5所示。

牧草拉伸膜裹包青貯的原理就是將收獲后的新鮮牧草用打捆機高密度壓實打捆，然后使用纏膜機裹包起來，從而給牧草營造一個最佳的發(fā)酵環(huán)境[94]。國內(nèi)外目前針對于牧草拉伸膜裹包青貯的手段大體分為兩種，一種是分段式作業(yè)的方式，即先將牧草打成高密度草捆，然后再單獨應用纏膜機進行裹包作業(yè)，另一種一體化作業(yè)方式，是采用打捆纏膜一體機一次性完成牧草打捆纏膜裹包作業(yè)。國外一些大型企業(yè)研制的纏膜機可應用于圓草捆，也可用于方草捆，還有圓草捆和方草捆均可使用的一體機。愛爾蘭TANCO公司是世界上最大的纏膜機的生產(chǎn)商。此外還有法國Kuhn，愛爾蘭Mchale，美國H&S、紐荷蘭、約翰迪爾，德國克拉斯等，這些公司產(chǎn)品都已經(jīng)非常成熟，已成為國際上主流的拉伸膜裹包青貯技術，在多個國家應用廣泛。而我國主要將拉伸膜裹包青貯技術應用于青貯玉米和苜蓿等牧草的半干青貯方面。國內(nèi)生產(chǎn)的打捆纏膜機械多以小型、圓捆為主，草捆直徑為0.5～1.2 m，長度主要為0.75～1.2 m，草捆密度也較小，一般在100～160 kg/m3，適合于小地塊作業(yè)，但存在自動化程度低、作業(yè)效率低等問題[84，95]。郝彥靖等[96]發(fā)明了一種自走式青貯飼料裹膜機，該機采用履帶式底盤，通過性好，轉(zhuǎn)彎半徑小，同時采用無級變速，調(diào)速靈活，工作效率高。李志鵬等[97]開發(fā)了一套基于AVR單片機的圓捆裹膜機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對圓草捆的自動拾包、裹膜、切膜、放包作業(yè)，同時可實時監(jiān)測作業(yè)過程進展狀況。張將等[98]設計了一種自走式青貯打捆纏膜一體機，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米秸稈的一次性收割、輸送、切碎、打捆和纏膜作業(yè)，減少了中間作業(yè)環(huán)節(jié)，提高了工作效率與草捆質(zhì)量。常見的國內(nèi)外典型纏膜機械如表6所示。

表5 國內(nèi)外典型圓草捆成捆機械Tab.5 Examples of round balers

表6 國內(nèi)外典型纏膜機械Tab.6 Examples of wrapping machines

4 苜蓿機械化儲運技術與裝備

苜蓿機械化儲運環(huán)節(jié)主要包括了田間草捆撿拾、車輛轉(zhuǎn)運、集運堆垛、異形堆存以及青貯取飼等內(nèi)容，一般的儲運工藝流程根據(jù)實際生產(chǎn)需要劃分為如圖14所示。

圖14 苜蓿機械化儲運工藝流程Fig.14 Process of mechanized storage and transportation of alfalfa

常見的飼草儲運方式包括鮮草切碎儲運、散干草儲運、小方草捆儲運、大圓草捆儲運和壓垛儲運[29]。由于鮮草切碎儲運主要針對的是青貯過程中的問題，前一部分介紹了機械化青貯技術，本部分主要針對鮮草青貯后的機械化取飼問題進行闡述。

首先，對于成捆儲運技術，主要包括田間撿拾和集運堆垛技術。先對田間草捆撿拾，然后再進行集運堆垛儲存，根據(jù)生產(chǎn)需求，有的可通過機械裝備直接進行田間撿拾后由草捆撿拾裝備運輸至儲存地點進行堆垛儲存，有的則先進行撿拾然后通過車輛轉(zhuǎn)運至銷售點或儲存點進行銷售或儲存，在車輛轉(zhuǎn)運過程中主要應用市場上常用的卡車或貨車。根據(jù)田間形成的草捆形狀，用于田間撿拾的草捆撿拾裝備根據(jù)草捆的形狀主要分為圓草捆撿拾裝載裝備和方草捆撿拾裝載裝備，根據(jù)動力來源一般分為自走式和牽引式，其中牽引式居多。國外草捆撿拾裝載機械發(fā)展速度和使用程度相對較高，并且已經(jīng)達到一定的自動化規(guī)?！，F(xiàn)階段，常用的草捆撿拾裝載機械裝備主要包括New Holland、Vermeer和Kidsfarm等。常見的國外撿拾裝載機械如表7所示。

表7 國外常見的撿拾裝載機械Tab.7 Examples of pick-up loaders in foreign countries

國內(nèi)對于草捆撿拾裝載，尤其在草捆撿拾裝車環(huán)節(jié)，仍主要采用人工撿拾或機械輔助撿拾的方式[99]。楊志超等[100]為解決大型圓草捆短距離運輸難的問題，設計了一種圓草捆撿拾車，成功裝卸率達98%。王超等[101]則對圓草捆撿拾車的撿拾臂進行了優(yōu)化設計和改進。還有一部分學者設計了用于撿拾方草捆的撿拾裝載車[102]。郝興玉等[103]研制了方草捆的收集車并針對方草捆收集車作業(yè)時草捆在喂入過程中發(fā)生歪斜嚴重影響其穩(wěn)定性的問題，應用ARIZ算法對技術系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。高旭宏等[99]為解決方草捆撿拾效率低、費用高、長途運輸難等問題，設計了方草捆集捆機，一次能實現(xiàn)12個方草捆的捆扎。常見的國內(nèi)撿拾裝載機械如表8所示。

表8 國內(nèi)常見的撿拾裝載機械Tab.8 Examples of pick-up loaders in China

此外，針對苜蓿的儲運問題，有學者提出了一種新的儲運方式，即將苜蓿鮮草進行梳理，然后制成“草辮”進行異形堆存，通過這種方式來進行苜蓿的儲運[104]。王光輝等[105-107]提出了苜蓿鮮草的成型、調(diào)制和梳理的方法及專用設備，并形成了“梳理—壓扁—成辮—牽伸—切斷”的機械化草辮制備工藝。

常用的青貯取料方式包括人工取料和機械取料。國外往往采用機械方式進行取料，且技術相對成熟，有專用的青貯取料機；而國內(nèi)青貯窖大小不一且不同地區(qū)的機械化水平有所差異，因此國內(nèi)現(xiàn)階段的青貯既有人工取料，又有機械取料。郭英洲等[108]結(jié)合目前我國青貯飼料的發(fā)展狀況研制了9QZ-2.0型自走式青貯取料機，在小范圍內(nèi)完成切削取料工作。趙風雷等[109]設計了一種自走式青貯堆料取料機，采用純電動和液壓控制，取料快速。王光輝等[110]則設計了一種青貯窖取料頭，提供了一種能與動力機械配合使用的青貯料取飼工具。

國內(nèi)外采用的青貯料取料機械主要包括動力機械(裝載車或鏟車)、改裝的動力機械以及專用的青貯料取料機，如圖15所示。

圖15 典型的青貯取料機械Fig.15 Silage reclaiming machinery

5 苜蓿機械化加工技術與裝備

5.1 苜蓿機械化草粉加工技術與裝備

苜蓿飼料主要應用形式包括苜蓿草粉、草顆粒和草塊，而草顆粒或草塊均是苜蓿草粉經(jīng)過壓縮而制成的，因此形成苜蓿草粉是加工苜蓿草顆粒和草塊產(chǎn)品很重要的一個環(huán)節(jié)[111]。

常見的粉碎機類型有錘片式、勁錘式、爪式和對輥式4種。其中錘片式粉碎機在飼草粉碎方面應用較為廣泛，既能粉碎谷物類精飼料，又能粉碎纖維、水分較多的青草類、秸稈類飼料[29]，其工作原理是無支撐式的沖擊粉碎，在粉碎過程匯總，物料進入粉碎室后，受到高速旋轉(zhuǎn)的錘片的反復沖擊、搓擦和在齒板上的碰撞，從而被逐步粉碎至需要的粒度后穿過篩孔排出。

近些年，圍繞錘片式粉碎機的整機設計優(yōu)化、關鍵部件的設計以及內(nèi)部物料運移狀態(tài)等方面，相關學者開展了大量研究。申慶泰等[112]提出了錘片自磨刃強化處理的工藝方法。田海清等[113]設計了分段圓弧篩片代替環(huán)形平篩，使錘篩間隙不斷變化，破壞環(huán)流層，改善粉碎機性能。付敏等[114]研發(fā)了一款粉碎產(chǎn)品粒度為1 mm，生產(chǎn)率為1 000 kg/h的秸稈粉碎機，設計了振幅方向平行于轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸線的振動篩。汪建新等[115]研究了物料顆粒在氣固兩相流中運動軌跡的數(shù)學模型。祁曉敏[116]設計了一種多功能牧草粉碎機。曹麗英等[117]提出一種基于虛擬儀器技術的流場測試方法，以錘片式粉碎機樣機為試驗對象，對粉碎室內(nèi)的流場進行多點測量以論證該測試方法及測試系統(tǒng)的可靠性。并通過研究粉碎機篩片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和分離裝置內(nèi)的氣流速度對篩分效率之間的影響規(guī)律，揭示物料的透篩機理[118]。通過計算物料沿外管壁運動時摩擦力所做的功，得到摩擦力做功最小時外管壁的曲線形狀，并根據(jù)該形狀制作了分離裝置[119]?？梢钥闯?，國內(nèi)近階段主要還是以飼料為研究對象，對錘片式粉碎機展開相關研究，在苜蓿專用粉碎機的整機設計、關鍵部件的參數(shù)以及物料與部件相互作用關系方面的研究有所欠缺。

國外比較典型的粉碎機如美國CPM公司生產(chǎn)的HM54系列錘片式粉碎機(圖16a)，適用于易碎或纖維類材料；荷蘭VAN Aarsen公司生產(chǎn)的GD1400型錘片粉碎機(圖16b)，采用分體式結(jié)構(gòu)，不停機手動/自動換篩，且?guī)в蟹勒駝友b置。此外，國外在草捆粉碎機械方面也相對成熟，如意大利STORTI公司的SB30型粉碎噴草機(圖16c)，可實現(xiàn)方草捆或圓草捆的粉碎和噴草作業(yè)工序，是一種牽引式多功能粉碎機；美國VRC系列飼草粉碎機(圖16d)具有錘片式粉碎機的功效，通過改變錘片的數(shù)量和篩子的大小得到用戶期望的粉碎尺寸，可直接喂入大草捆進行粉碎，可實現(xiàn)無粉塵粉碎。國內(nèi)的粉碎機有很多，但設備相對單一，且大部分設備主要用于玉米秸稈和小麥秸稈等粉碎，或主要進行飼料粉碎，如江蘇牧羊、江蘇正昌等企業(yè)生產(chǎn)的飼料粉碎機械，目前仍采用飼料或秸稈粉碎機械進行草粉的加工。

圖16 典型的粉碎機械Fig.16 Examples of silage crushing machinery

5.2 苜蓿機械化壓縮技術與裝備

草顆粒(塊)對于反芻動物來說是一種很好的長纖維飼料，且極大限度地保存了營養(yǎng)成分，適口性好，動物喜食[120]。苜蓿制粒、壓塊等壓縮成型是指能夠?qū)⑺缮⒌能俎Ｔ谝欢▔毫ο聣嚎s成具有較高密度和特定形狀的草顆?；虿輭K，從而較好地解決了牧草堆積密度小、儲運不方便的問題[121]。

常用的牧草壓縮設備主要分為螺旋擠壓式成型機、活塞式擠壓成型機、壓輥式成型機。

丹麥Sprout-Matador公司生產(chǎn)的PM717XW型環(huán)模顆粒機采用齒輪傳動，有3個壓輥工作，環(huán)模和壓輥類型可調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)功率和產(chǎn)量調(diào)整。英國的UMT公司、瑞士的Buhler公司均研發(fā)了技術先進、自動化程度較高的環(huán)模顆粒機產(chǎn)品。此外，還包括俄羅斯的ОΓМ和OJIM系列飼草制粒機。我國目前市場上有很多品牌和種類的產(chǎn)品，江蘇牧羊集團生產(chǎn)的MUZL系列顆粒機采用三壓輥設計，雙馬達柔性傳動方式，使制粒安全高效；MUZL10C系列機型設計有快速配合系統(tǒng)，可短時間內(nèi)完成更換環(huán)境的工作，適用于苜蓿、秸稈等比重較小的物料顆粒；中機華豐科技有限公司生產(chǎn)的PM系列平模制粒機能夠?qū)崿F(xiàn)飼草料等多種類物料的壓制成型，原料適應范圍廣，對原料水分和粉碎細度要求低；正昌集團生產(chǎn)的SZLH508M型苜蓿牧草制粒機，主要適用于牧草、酒花和秸稈等容重較輕的物料；中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院研制的9KP36型平模制粒機，能壓制配合飼料顆粒、草顆粒等。

國外環(huán)模成型技術具有代表性的是美國沃潤貝爾(Warren & Baer) 公司生產(chǎn)的WBSCS-168型壓塊機，該設備能夠移動，不受場地限制，作業(yè)范圍廣，該公司生產(chǎn)的200HD型壓塊機頂部安裝了噴灑裝置，可調(diào)節(jié)秸稈含水率，適合在干燥環(huán)境下使用。在飼草壓塊機的發(fā)展中，國外已逐漸從設備功能性的研究上升到自動化、數(shù)字化及信息化技術在壓塊機設備上的集成應用研究。針對環(huán)模式壓塊機，已經(jīng)實現(xiàn)了設備的快速裝配、輥模間隙自動調(diào)整、液壓過載保護、自動控制蒸汽添加技術以及環(huán)模真空滲氮、組合加工等技術，設備工作性能得到了極大的提升[122-124]。目前在售壓塊機主要以立式環(huán)模壓塊機為主，且結(jié)構(gòu)大同小異，模盤結(jié)構(gòu)均采用國外引進的模塊拼接式結(jié)構(gòu)，主軸傳動多為電機減速機傳動并配有主動循環(huán)的浸油潤滑系統(tǒng)，最后配以單口出料形式。北京奧科瑞豐新能源股份有限公司生產(chǎn)的立式環(huán)模壓塊設備裝配有上料喂入機和冷卻輸送機，可高效壓制玉米、小麥等秸稈；中國農(nóng)業(yè)大學和固安金科源機電自動化有限公司共同研發(fā)了9YKS系列牧草(生物質(zhì))壓塊機和9KLH-560牧草顆粒機，并在此基礎上集成研發(fā)了牧草(生物質(zhì))致密成型成套設備，集除塵系統(tǒng)、實時監(jiān)控系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)為一體，實現(xiàn)了牧草粉碎—防塵沉降—螺旋輸送—上料喂入—壓制成型—冷卻出料等一系列工藝流程，采用了模套嵌入模盤的組合式環(huán)模結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有拼接式環(huán)模模盤機構(gòu)存在的磨損后難拆卸、零部件過度浪費和物料適應性差等問題。

5.3 苜蓿機械化干燥技術與裝備

苜蓿干燥方法包括自然干燥方法、人工干燥方法和混合脫水干燥法[125]。自然干燥方法指通過自然干燥的形式實現(xiàn)苜蓿干燥，包括地面干燥法、草架干燥法和發(fā)酵干燥法，人工干燥法是通過機械手段或化學手段實現(xiàn)苜蓿干燥，常用的機械干燥方法即苜蓿機械化干燥技術，而混合脫水干燥法即采取2種或2種以上方法結(jié)合的干燥技術[29,125]。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外苜蓿機械化干燥環(huán)節(jié)主要包括田間直接干燥和收獲后干燥兩部分，田間直接干燥是苜蓿刈割后在田間自然晾曬使苜蓿含水率達到特定值以下，刈割時往往對苜蓿進行調(diào)質(zhì)處理，如進行壓扁調(diào)質(zhì)處理等；而收獲后干燥一般指根據(jù)后續(xù)生產(chǎn)的需要，如制?；驂簤K等，對刈割后的鮮草進行切碎后干燥，也包括對晾曬后的苜蓿通過打捆或散草運輸至干燥地點，再進行草捆干燥或?qū)⑸⒉萸袛?、切碎干燥?/p>

國內(nèi)外常用的苜蓿機械化干燥技術包括了苜蓿薄層干燥技術[126]、基于薄層干燥理論提出的深床干燥技術[127]、紅外或微波等輻射傳熱干燥技術[29,128]、過熱蒸汽干燥技術[129]、太陽能干燥技術[130]、高溫熱風干燥技術[131]和莖葉分離技術[132]等。用于苜蓿干燥的機械化裝備包括轉(zhuǎn)筒干燥設備、帶式干燥設備、干燥床、遠紅外干燥設備、氣流干燥設備、過熱蒸汽干燥設備、太陽能干燥設備和莖葉分離干燥設備等。其中，苜蓿轉(zhuǎn)筒干燥設備在國內(nèi)外應用最為廣泛[133]，包括單回程、三回程和四回程等。

近年來，國外主要對轉(zhuǎn)筒干燥設備的理論基礎研究居多，主要分析抄板參數(shù)、喂入量、轉(zhuǎn)速等因素對下落高度、停留時間的影響，探討最佳載荷、高傳熱傳質(zhì)系數(shù)的條件，對轉(zhuǎn)筒干燥設備性能進行優(yōu)化改進，以及對苜蓿轉(zhuǎn)筒干燥模型及控制等的研究[134-136]。

國內(nèi)苜蓿人工干燥技術起步較晚，大部分都從國外引進或仿制。中國農(nóng)業(yè)大學設計的9G-650型飼草秸稈高溫快速干燥成套設備，采用多級組合干燥工藝，將三回程轉(zhuǎn)筒干燥、氣流干燥及攪拌干燥原理結(jié)合，有效地提高了飼草的干燥效率[137]。東北大學和沈陽遠大科技實業(yè)有限公司聯(lián)合研制了適用于牧草的HYG-B型多回程轉(zhuǎn)筒干燥設備，主要包括干燥主機系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、燃煤(燃氣、燃油熱風爐系統(tǒng))、出料系統(tǒng)、引風系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，提高了熱效率[138]。武漢工業(yè)學院易啟偉等[139]在總結(jié)單回程滾筒干燥機不足的基礎上，研發(fā)了薄板轉(zhuǎn)筒干燥設備，用于干燥生物質(zhì)原料，將傳導、輻射、對流3種加熱方式有機結(jié)合，促進進入筒體的物料快速加熱失水干燥，其熱效率較單回程滾筒干燥機有了一定的提高。東北農(nóng)業(yè)大學研制出四重滾筒式牧草干燥設備，采用四重滾筒方式進行干燥[140]。此外，相關學者還進行了影響苜蓿干燥品質(zhì)的干燥因素方面研究[141-142]。

5.4 苜蓿機械化莖葉分離技術與裝備

苜蓿機械化莖葉分離技術是在收獲或者加工過程中將苜蓿葉與苜蓿莖稈分開進行收集的技術。國內(nèi)外苜蓿機械化莖葉分離技術主要包括田間直接分離技術和收獲后分離技術[143]。

苜蓿田間直接分離技術指在苜蓿未收割的條件下，通過機械化手段使苜蓿葉子從莖稈上脫離并收集起來，余下的莖稈則單獨刈割或繼續(xù)生長，實現(xiàn)苜蓿莖葉分離。這種模式主要包括分層收獲法和分段收獲法。一般情況下植株的枝葉多分布在植株的上部，植株下部主要是莖稈，根據(jù)這種特征采取按不同先后順序分層收割植株的上部和下部的方法，從而實現(xiàn)初步分離苜蓿莖葉[144]。而分段收獲法是指先通過機械或人工手段直接收集作物葉片，然后再進行莖稈收獲的方法，這種方法在一定程度上提高了分離后的莖葉料的純度，但實現(xiàn)過程難度較大，難以保證較高的分離率。

苜蓿收獲后分離技術指在收割后集中進行莖葉分離加工的一種技術模式，分離前一般需要進行干燥或切短等預加工環(huán)節(jié)，包括了篩分法、風分法和干燥分離法。篩分法根據(jù)物料成分的外形尺寸、表面特征以及密度和比重等特性之間的差異，將切碎的葉片和莖稈進行篩分；風分法則主要根據(jù)葉片與莖稈的空氣動力學特性之間的差異，使用特定的風分裝置或設備進行分離；干燥分離法需要將切碎的物料進行干燥，將含水率降到一定程度以下，在干燥的過程中實現(xiàn)葉片和莖稈分離。

國外一直在進行關于牧草莖葉分離技術及設備的研究，包括作為理論基礎的牧草生物、物理特性等方面的研究[145-146]。通過理論研究，進行多種形式的莖葉分離設備與裝置的研制，并進行了大量的試驗研究[132,147-148]。

對于苜蓿田間直接莖葉分離方面的研究，大多數(shù)圍繞苜蓿收獲后莖葉分離技術展開。CURRENCE等[149]提出了一種苜蓿葉片采收機，可在田間對生長狀態(tài)的紫花苜蓿進行葉片采收作業(yè)，主要功能部件為2個疏脫滾筒和1個撥喂裝置，其原理示意圖如圖18所示。SHINNERS等[150]則在收獲中使用旋轉(zhuǎn)割刀將葉子從莖稈上剝脫來實現(xiàn)收獲時苜蓿莖葉分離。DIGMAN等[151]提出了通過機械莖葉分離、壓榨和厭氧儲存的工作環(huán)節(jié)來提高富含蛋白質(zhì)的苜蓿葉子利用率的設想，并進行了相關工藝試驗。

圖18 苜蓿葉片收獲原理示意圖Fig.18 Schematic diagram of harvesting principle of alfalfa leaves

GAN等[152]設計了一種立式莖葉風分設備，根據(jù)空氣動力學原理，利用2種多孔風分轉(zhuǎn)筒(外分式和內(nèi)分式)研究莖葉分離技術。BILANSKI等[153]利用水平風洞對紫花苜蓿實施莖葉分離，這種水平風洞的截面為方形，內(nèi)部設有不等間隔的柵板，通過安裝在風洞上部的水平帶式喂料器喂料。ADAPA等[154]研究了切碎的新鮮紫花苜蓿的熱風分離法。ARINZE等[155]建立了一個苜蓿干燥和空氣動力學莖葉分離回轉(zhuǎn)筒數(shù)學模型，可以用來確定最適宜的干燥和空氣動力分離參數(shù)，也可以用來設計使干燥和分離在一個過程中完成的干燥分離設備。幾種收獲后莖葉分離方法相關的原理和設備見文獻[132,147,152,154]。

王德成等[156]提出了一種苜蓿分層分形收獲方法及裝備，用于進行苜蓿田間直接莖葉分離，實現(xiàn)苜蓿莖稈和花葉的分離收獲，且收獲過程不受天氣影響、能夠減少收儲過程中的花和葉損失。熊華等[157]提出了一種干燥苜蓿葉莖分離裝置，干燥草料平均長度在5～20 cm之間，分離率可達95%左右。羅小燕等[158]針對轉(zhuǎn)筒干燥苜蓿的莖葉垂直分離原理，應用CFD技術對三回程苜蓿干燥分離轉(zhuǎn)筒出口附近的氣流場進行了模擬和優(yōu)化設計，提出了改進莖葉分離效率的方案。高揚等[159]為研究新鮮切碎紫花苜蓿莖葉干燥分離過程中的入口溫度、入口風速、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速和喂料速度對出機葉料含水率、莖料含水率和莖葉分離率的影響,進行了莖葉分離試驗,建立了相應的數(shù)學模型并進行了優(yōu)化。寧國鵬[143,160]等依據(jù)苜蓿干燥莖葉分離機理(圖19a)，提出了“切碎與干燥”新型苜蓿莖葉干燥分離工藝(圖19b)，設計了滾筒式苜蓿干燥與莖葉分離設備,可在完成干燥的同時實現(xiàn)莖葉分離加工過程。苜蓿干燥莖葉分離設備如圖20所示。

圖19 苜蓿干燥莖葉分離機理及工藝Fig.19 Mechanism of fractionation of dry alfalfa stem and leaf

圖20 苜蓿干燥莖葉分離設備Fig.20 Alfalfa drying stem and leaf separation equipment

6 國內(nèi)外苜蓿全程機械化生產(chǎn)技術現(xiàn)狀分析

根據(jù)中國畜牧業(yè)協(xié)會草業(yè)分會相關論壇數(shù)據(jù)，全球苜蓿種植面積約2 380萬hm2，包括北美洲、歐洲、亞洲、非洲、拉丁美洲、大洋洲。總體上看，北美洲仍然占據(jù)主要的種植面積。以美國為例，美國苜蓿種植面積占全球的36%，而中國占15%，美國仍是當前最大的、最穩(wěn)定的苜蓿產(chǎn)品生產(chǎn)者和供應商。

根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部(USDA)官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，美國苜蓿的種植面積保持在80.94萬hm2以上，在2016年度種植面積有所縮減(比2015年縮減10.5%)，但苜蓿干草產(chǎn)量近幾年均穩(wěn)定在4 000萬t以上，雖然2016年種植面積和收獲面積均有所降低，但苜蓿干草產(chǎn)量仍在4 000萬t以上，且比2015年增加1.14%，并且美國苜蓿的收獲面積是苜蓿種植面積的5倍多，說明平均一年收獲苜蓿在5茬左右。

從美國農(nóng)業(yè)機械每項支付收益(Price paid，美元/ITEM)來看，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部所列支的機械分類，常用的農(nóng)業(yè)機械總支付收益每年呈增加的趨勢，牧草生產(chǎn)機械(包括打捆機、飼草收獲機、摟草機、攤曬機、割草機和割草調(diào)制機，不包括耕整地和播種機械)所占比例超過24%，并且每年數(shù)額相差不大，進一步說明所列支的牧草生產(chǎn)機械(不包括耕整地和播種機械)所占市場份額相對穩(wěn)定，從2009年開始一直上下浮動并處于穩(wěn)定狀態(tài)。

從美國農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)可知，僅美國國內(nèi)持有的打捆機(BALER-INVENTORY)在2012年最大的作業(yè)區(qū)域數(shù)量突破10萬個，作業(yè)區(qū)域面積范圍從0.4 hm2到809.37 hm2甚至更大，作業(yè)面積超過809.37 hm2的區(qū)域超過4萬個，作業(yè)區(qū)域面積在4.05～20.19 hm2以及105.22～201.94 hm2范圍內(nèi)分布較廣，其次是40.47～56.25 hm2、202.34～404.28 hm2和28.33～40.43 hm2。

國外在苜蓿生產(chǎn)過程中，從耕整地到收獲已基本實現(xiàn)全面機械化作業(yè)，并且技術已十分成熟，國外所擁有的國內(nèi)機械市場份額逐漸趨于穩(wěn)定，并且向相對落后的生產(chǎn)國家逐漸拓展。

根據(jù)我國農(nóng)業(yè)機械統(tǒng)計年鑒所統(tǒng)計的全國機械擁有量數(shù)據(jù)，并沒有針對苜蓿生產(chǎn)所用機械情況進行單獨統(tǒng)計，且僅單獨表明牧草生產(chǎn)機械方面的列支數(shù)據(jù)只包括青飼料收獲機械、牧草收獲機械和飼草料加工機械。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，我國青飼料收獲機械、牧草收獲機械和飼草料加工機械的全國擁有量從2008年至2015年呈穩(wěn)定增加的變化趨勢，并且牧草收獲機械每年數(shù)量增長的幅度要大于青飼料收獲機械的增幅，飼草料加工機械要遠大于牧草收獲機械和青飼料收獲機械的數(shù)量，且遠大于二者之和。

我國機械化種植牧草面積在2014年和2015年將近120萬hm2，2015年雖然牧草種植面積有所減少，但機械化牧草收獲數(shù)量卻未減少，比2014年度機械化收獲牧草數(shù)量增加258.33萬t，且從2014年開始，我國機械化牧草收獲數(shù)量突破5 000萬t。另外，從2012年開始，我國機械化播種牧草面積逐年增加，機械化牧草收獲數(shù)量從2012年開始也呈現(xiàn)急劇增長的狀態(tài)，隨著2015年牧草種植面積有所下滑，機械化牧草收獲總量增長趨勢有所減弱。我國牧草收獲機械也是從2012年開始出現(xiàn)較大的增長幅度，2012年之后牧草收獲機械增長幅度比2012年之前有了很大的提高。機械化程度的提高加快了牧草生產(chǎn)的水平和效率。

雖然我國牧草收獲數(shù)量上有所增加，但我國苜蓿進口量仍在世界市場份額中占相當大的比例。根據(jù)行業(yè)相關統(tǒng)計，我國苜蓿干草進口量近幾年出現(xiàn)急劇增加的變化趨勢，從2012年開始急劇增長，2015年我國苜蓿干草進口量占我國2015年機械化收獲牧草總量的2.25%，至2016年，我國苜蓿干草進口量突破了146萬t，占我國2015年機械化收獲牧草總量的2.71%，而2014年只有1.72%。逐漸增加的苜蓿干草進口量一方面說明了我國對苜蓿需求量的增加，另一方面也要求我國苜蓿生產(chǎn)技術水平要有所提高來滿足國內(nèi)對苜蓿草的需求。2015年我國苜蓿年末保留面積達471.13萬hm2，產(chǎn)量3217萬t，而美國2015年度苜蓿種植面積為102.59萬hm2，但產(chǎn)量卻達到了4 159.6萬噸，美國苜蓿種植面積為我國的21.78%，但苜蓿干草產(chǎn)量卻為我國苜蓿產(chǎn)量的1.29倍，由此可以看出我國與國外發(fā)達國家在苜蓿生產(chǎn)技術水平上的差距，也間接反映出苜蓿生產(chǎn)機械化水平上的差距。

我國牧草產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成“一帶兩區(qū)”適宜區(qū)域布局[84]?！耙粠А奔窜俎．a(chǎn)業(yè)帶，涵蓋新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古西部和陜北等西部灌溉苜蓿產(chǎn)業(yè)帶和內(nèi)蒙古東部、黑龍江、遼寧、吉林、陜西、河北、河南、山東和山西等農(nóng)牧交錯帶雨養(yǎng)苜蓿產(chǎn)業(yè)帶兩部分。根據(jù)《全國苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》，我國苜蓿產(chǎn)業(yè)分為東北及內(nèi)蒙古、西北、華北和南方4個發(fā)展區(qū)域，共計238個苜蓿重點發(fā)展縣，如圖21(綠色標記)所示。從圖上可以看出，我國苜蓿主要產(chǎn)區(qū)橫跨東西區(qū)域，涉及了丘陵、平原等多種地形，多樣的地形分布也是制約苜蓿生產(chǎn)機械化水平的原因之一。

圖21 238個苜蓿重點縣Fig.21 Key counties of alfalfa production in China

我國已經(jīng)初步形成苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術體系，所謂“初步形成”是指在苜蓿生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，能夠找到用于該環(huán)節(jié)機械化作業(yè)的機械與裝備，并能完成機械化作業(yè)工序，但還無法實現(xiàn)機械配套和推廣應用，只能高成本、低效率地完成相關作業(yè)環(huán)節(jié)。與其他環(huán)節(jié)相比，我國在苜蓿機械化收獲環(huán)節(jié)相對成熟，但仍存在機具可靠性以及區(qū)域適應性等問題，在種子收獲加工、小區(qū)育種等方面仍然是相對薄弱的環(huán)節(jié)。

7 現(xiàn)階段問題及發(fā)展趨勢

我國苜蓿生產(chǎn)技術體系正處于振興發(fā)展階段，與國外發(fā)達國家相比，我國苜蓿機械化生產(chǎn)技術存在一定的差距，國外從苜蓿耕整地到收獲加工環(huán)節(jié)已形成十分成熟的苜蓿機械化生產(chǎn)技術體系；我國已經(jīng)初步形成了適合我國國情的苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術體系，包括苜蓿種子工程、土地整理、精量播種、田間管理、刈割收獲、儲藏運輸和草產(chǎn)品加工7種機械化生產(chǎn)技術工藝，但仍存在相對薄弱的機械化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，存在的問題具體為：

(1)苜蓿機械化生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)展不均衡，機械化生產(chǎn)技術存在短板

我國牧草生產(chǎn)機械已經(jīng)發(fā)展多年，已基本覆蓋到工藝流程的各個環(huán)節(jié)，但苜蓿機械化生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)發(fā)展并不均衡。在苜蓿收獲環(huán)節(jié)方面，相關的機械化技術水平發(fā)展相對成熟，但在苜蓿種子收獲、加工、小區(qū)育種，苜蓿精量播種、田間管理以及苜蓿干燥加工等環(huán)節(jié)仍屬于薄弱環(huán)節(jié)，苜蓿機械化生產(chǎn)過程存在短板，高效低損的專用苜蓿機械化生產(chǎn)裝備仍然缺乏。

(2)苜蓿產(chǎn)業(yè)化程度低，制約著苜蓿機械化生產(chǎn)技術的發(fā)展速度

我國甘肅、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、黑龍江、河北等6省(區(qū))的優(yōu)秀苜蓿種植面積占全國的89.8%，已基本形成了甘肅河西走廊、內(nèi)蒙古科爾沁草地、寧夏河套灌區(qū)等一批10萬畝以上集中連片的優(yōu)秀苜蓿種植基地。但我國的苜蓿產(chǎn)業(yè)化程度仍然較低，全國年產(chǎn)1萬t以上的苜蓿草業(yè)企業(yè)只有50家，生產(chǎn)主體仍多以家庭為單位的個體經(jīng)營者為主，經(jīng)營規(guī)模較小，種植環(huán)境較為復雜，多樣的生產(chǎn)規(guī)模、種植和管理模式，加上多變的種植地形，為實現(xiàn)苜蓿標準機械化管理和生產(chǎn)作業(yè)增加難度，制約著苜蓿機械化生產(chǎn)技術的發(fā)展速度。此外，在苜蓿生產(chǎn)技術研究推廣方面，存在著研發(fā)集成不夠、推廣力度小等問題，也制約著苜蓿機械化生產(chǎn)發(fā)展速度。

(3)基礎性研究落后，苜蓿生產(chǎn)工藝與機械化生產(chǎn)技術聯(lián)動性差

我國苜蓿生產(chǎn)機械雖然經(jīng)過了多年發(fā)展，但是針對苜蓿生產(chǎn)機械的基礎研究、機械-植物相互作用系統(tǒng)理論和共性技術還比較缺乏，企業(yè)技術創(chuàng)新機制也還未形成，具有自主知識產(chǎn)權的技術極度缺乏，由此造成了我國苜蓿機械產(chǎn)品技術水平低下，對國外技術嚴重依賴。此外，雖然每個工藝環(huán)節(jié)均有機型覆蓋，但是每種作業(yè)機械多為單一機型，可供用戶選擇范圍較窄，而不同經(jīng)營規(guī)模和苜蓿種植條件對機械要求不同，生產(chǎn)工藝與機械化生產(chǎn)聯(lián)動性差，因此經(jīng)常會出現(xiàn)無合適機型可選，或者已選機型不適用等情況，降低了生產(chǎn)效率。

(4)苜蓿機械化生產(chǎn)裝備適用性與可靠性低

我國苜蓿生產(chǎn)種植環(huán)境較為復雜，并且從現(xiàn)有的種植條件來看，適合我國苜蓿生產(chǎn)田間作業(yè)的小型裝備需求量較大，但從技術角度和企業(yè)經(jīng)營來說，小型機械的研發(fā)難度大，生產(chǎn)成本高且收益低，此外我國牧草機械生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模不大，經(jīng)濟和技術力量均比較薄弱，無法進行高端、大型、尖端的苜蓿設備研發(fā)，這就造成企業(yè)所生產(chǎn)的苜蓿生產(chǎn)機械裝備無法適應各地區(qū)的生產(chǎn)環(huán)境，達不到生產(chǎn)要求，并且在機械裝備關鍵部件的材料及作業(yè)方面不如其他國家可靠，所應用的苜蓿生產(chǎn)機械適用性和可靠性都相對較低。

結(jié)合我國苜蓿生產(chǎn)的實際情況，提出我國未來苜蓿機械化生產(chǎn)技術的發(fā)展趨勢：

(1)構(gòu)建完整的苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術體系

推進苜蓿生產(chǎn)全程機械化，建立健全并完善苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術體系，解決苜蓿機械化生產(chǎn)環(huán)節(jié)的短板，建立高效低損的專用苜蓿機械化生產(chǎn)技術體系，尤其在苜蓿種子生產(chǎn)環(huán)節(jié)、種植環(huán)節(jié)和收獲加工環(huán)節(jié)等方面，針對薄弱項目推進實施苜蓿生產(chǎn)機械化提升示范行動，加快機械化生產(chǎn)進度，發(fā)展適合我國國情的苜蓿生產(chǎn)全程機械化技術體系。

(2)發(fā)展具有中國特色的苜蓿機械化生產(chǎn)體系

我國苜蓿種植區(qū)域橫跨東西部，地形復雜，包括平原、丘陵等地，并且苜蓿種植區(qū)域包括大地塊和小地塊，應提高苜蓿產(chǎn)業(yè)化程度，依據(jù)不同種植區(qū)域的生長環(huán)境，結(jié)合區(qū)域生產(chǎn)條件及現(xiàn)狀，發(fā)展適宜的苜蓿機械化生產(chǎn)技術體系，并提高苜蓿機械化生產(chǎn)管理水平，完善苜蓿生產(chǎn)推廣體系，強化苜蓿產(chǎn)業(yè)科技支撐，加快苜蓿機械化生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化進程。

(3)加強土壤-苜蓿-機具相互作用關系理論技術體系研究

以進行高效低損的苜蓿機械化生產(chǎn)作業(yè)為前提，進行土壤和苜蓿飼草料與作業(yè)機具及關鍵部件的相互作用關系理論技術研究，提高機具及關鍵部件的適用性和可靠性，同時加強苜蓿生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)機械的聯(lián)動性，提高作業(yè)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，以實現(xiàn)機具良好的作業(yè)效果和苜蓿高效低損的生產(chǎn)環(huán)境，實現(xiàn)土壤-植物-機具有效的三元一體發(fā)展模式。

(4)實現(xiàn)苜蓿生產(chǎn)機械集成化、智能化

加強苜蓿生產(chǎn)作業(yè)機械的集成化、智能化研究，提高作業(yè)機械的生產(chǎn)效率，降低作業(yè)成本和勞動強度，同時減少作業(yè)損失，實現(xiàn)苜蓿機械化生產(chǎn)作業(yè)時集成作業(yè)工序和智能化操作控制系統(tǒng)。

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Review of Alfalfa Full-mechanized Production Technology

WANG Decheng HE Changbin WU Hongjian YOU Yong WANG Guanghui

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Alfalfa is one kind of high-quality forage grass. With the development pattern expanding from food crop-commercial crop-forage, ternary structure, to food crop-commercial crop-livestock-forage，quaternary structure, the domestic demand for alfalfa is increasing. In order to provide references and supports for the development of alfalfa industry in China, and propose appropriate full-mechanized alfalfa production development patterns which are suitable for China, the present situation of alfalfa mechanized production technology in China and foreign countries were reviewed, summarized and analyzed. The full-mechanized alfalfa production technical pattern included seven mechanized production technology, i.e. alfalfa seed project, cultivation, sowing, field management, high-quality harvest, storage and transportation, and forage products processing, with more than thirty production links. For now, a suitable mechanization technology system for alfalfa production has initially formed in China, which means that available equipment could be found and used during the production operation with not completing machine matching, high production cost and low-efficiency problems. Certain gaps about the alfalfa mechanized production technology existed between China and foreign countries. Issues of uneven development of production processes, short boards in the mechanized production technology, low industrialization, basic research backward, poor linkage and reliability of equipment of the mechanized production operation still existed. Establishing a complete full-mechanized technology system for alfalfa production, developing a special alfalfa mechanization technology system with Chinese characteristics, strengthening theoretical system research of soil-alfalfa-machine interaction, and realizing alfalfa production machinery with integration as well as intellectualization,would be the development direction of alfalfa mechanized production technology system in China.

alfalfa; full-mechanized; industrialization; technology system

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.001

2017-06-01

2017-07-06

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項資金項目(CARS-34)

王德成(1965—)，男，教授，博士生導師，主要從事牧草機械研究，E-mail： wdc@cau.edu.cn

S-1； S22

A

1000-1298(2017)08-0001-25