梁蘇寧,沐森林,湯 慶,張 敏,吳崇友
(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京 210014)
中國是世界油菜生產(chǎn)大國,常年種植面積為0.07億hm2左右,產(chǎn)量1 200萬t,均在世界前列。油菜已成為繼水稻、小麥、玉米、大豆之后的第5大優(yōu)勢(shì)作物[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2014年全國油菜機(jī)械化收獲水平為25.32%[2],遠(yuǎn)低于主要糧食作物。我國油菜生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展緩慢,尤其是收獲機(jī)械化更是薄弱環(huán)節(jié);而加拿大、德國等歐美發(fā)達(dá)國家基本100%實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲。目前,中國油菜收獲技術(shù)主要分為人工收獲、機(jī)械分段收獲及機(jī)械聯(lián)合收獲3種形式。因此,對(duì)人工收獲、機(jī)械分段收獲和機(jī)械聯(lián)合收獲3種方式的收獲損失構(gòu)成進(jìn)行測(cè)定,研究油菜收獲方式差異,比較分析油菜收獲機(jī)械化技術(shù)先進(jìn)性、適用性,對(duì)科學(xué)選擇油菜收獲方式及明確油菜收獲機(jī)械化發(fā)展方向具有重要意義。
國內(nèi)外專家對(duì)于油菜不同收獲方式的損失構(gòu)成有著廣泛的研究。國外學(xué)者Ralph E.H.Sims早于1979年以新西蘭春油菜為研究對(duì)象,對(duì)不同收獲方式進(jìn)行了比較研究[3],以獲取最大油菜籽產(chǎn)量和最高油菜籽含油量為目的進(jìn)行了試驗(yàn)分析。劉德軍等[4]研究了不同含水率條件下不同環(huán)節(jié)損失率的變化規(guī)律,研究表明:分段收獲總損失大于聯(lián)合收獲總損失,隨含水率的降低,脫粒損失和清選損失降低。陳紅琳[5]通過不同收獲方式對(duì)川油36和華海油1號(hào)兩種油菜品種試驗(yàn)比較分析得出:兩個(gè)品種不同收獲方式的籽??倱p失率均表現(xiàn)為:機(jī)械聯(lián)合收獲>脫粒機(jī)分段收獲>全人工收獲。對(duì)于其機(jī)械收獲的損失影響分析,已有較為詳細(xì)的研究。朱云才等[6]以桂林-3全喂入聯(lián)合收割機(jī)為研究對(duì)象,配套安裝蘇U(B)型油菜收割裝置進(jìn)行了油菜田間收獲損失試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)油菜成熟度為95%。分段收獲和聯(lián)合收獲兩種收獲方式普遍應(yīng)用卻各有利弊[12-13],且對(duì)于其單一收獲方式的損失率的試驗(yàn)研究較多[7-11]。本文通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)3種收獲的損失構(gòu)成特征進(jìn)行對(duì)比分析。
試驗(yàn)設(shè)人工收獲、機(jī)械聯(lián)合收獲和機(jī)械分段收獲3種收獲方式。
試驗(yàn)于2015年5月26日-6月4日在江蘇省蘇州市吳江區(qū)同里鎮(zhèn)北聯(lián)村進(jìn)行。試驗(yàn)田是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代園區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田,選擇油菜長勢(shì)好、均勻一致、無倒伏且面積不小于0.3hm2的田塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。每個(gè)測(cè)區(qū)30m,其中機(jī)械收獲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)長20m,前穩(wěn)定區(qū)長5m,后停車區(qū)5m×8m,測(cè)區(qū)有效寬度不少于8m寬,以便可連續(xù)同一工況條件下的3個(gè)行程測(cè)試;共選擇5個(gè)測(cè)區(qū),以完成不同前進(jìn)速度的試驗(yàn)測(cè)試,共測(cè)定15組數(shù)據(jù)。
試驗(yàn)材料為人工育苗移栽種植的蘇油6號(hào),種植行距300mm,株距100~150mm,產(chǎn)量為5 500~6 000kg/hm2,底莢高度為68~100cm,株高130~190cm,寇狀直徑87~110cm,密度6~7萬株/hm2。
人工收獲過程中測(cè)量油菜的割倒損失量、田間鋪放-晾曬-打捆損失量、搬運(yùn)損失量、脫粒損失量(飛濺損失量與未脫凈損失量之和)及清選損失量數(shù)據(jù)。在測(cè)區(qū)兩側(cè)分別鋪放接樣布,并在測(cè)區(qū)內(nèi)放入接樣槽。人工收獲過程如圖1所示。
(a) 人工割倒、晾曬現(xiàn)場(chǎng)圖
(b) 人工脫?,F(xiàn)場(chǎng)圖 圖1 人工收獲現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Artificial harvest scene
將5個(gè)測(cè)區(qū)處于乳熟期的油菜,人工割倒后就近放置于一側(cè)接樣布上,共晾曬了122h。
機(jī)械聯(lián)合收獲方式依據(jù)DG/T 057-2011油菜聯(lián)合收獲機(jī)推廣鑒定大綱,選擇當(dāng)?shù)刂魍茩C(jī)型星光4LL-2.0Y油菜聯(lián)合收割機(jī)。聯(lián)合收獲測(cè)試割臺(tái)損失率[18]、脫粒清選損失率(脫粒清選損失率包括未脫凈損失率、分離清選損失率)、籽粒含水率等,收獲過程如圖2所示。
機(jī)械分段收獲方式采用4SY-2型油菜割曬機(jī)脫粒機(jī)[14-15]及4SJ-1.8型油菜撿拾機(jī)[16-17]。機(jī)具質(zhì)量可靠,作業(yè)狀況良好,性能穩(wěn)定。
機(jī)械分段收獲測(cè)量割曬機(jī)割臺(tái)損失、撿拾脫粒機(jī)割臺(tái)撿拾損失及脫粒清選損失兩部分。機(jī)械分段收獲過程如圖3所示。
圖2 機(jī)械聯(lián)合收獲現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Combined harvest scene
(a) 機(jī)械分段收獲割曬機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖
(b) 機(jī)械分段收獲撿拾機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖 圖3 機(jī)械分段收獲作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3 Segment harvest scene
參照國家標(biāo)準(zhǔn)并根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù),按照以下方法分別計(jì)算各種收獲方式的損失率。
人工收獲總損失率:經(jīng)過收割、后熟晾曬、脫粒、清選及秸稈處理等一系列步驟過程中,計(jì)算割倒損失量、搬運(yùn)損失量、脫粒損失量及清選損失量的總損失量占收獲總籽粒質(zhì)量的比率,即
(1)
式中wg―割倒損失量(g);
wp―田間鋪放、晾曬、打捆損失量(g);
wb―搬運(yùn)損失量(g);
wt―脫粒損失量(g);
wq―清選損失量(g);
∑w―收獲總籽粒質(zhì)量(g)。
其中,割倒損失量Wg的計(jì)算公式為
(2)
式中wg―每個(gè)測(cè)區(qū)割倒損失量(g);
wy―5個(gè)接樣槽中籽粒質(zhì)量的平均值(g);
B―測(cè)區(qū)寬度(m);
L―測(cè)區(qū)長度(m);
a―接樣槽槽內(nèi)口長度(m);
b―接樣槽槽內(nèi)口寬度(m)。
其中,脫粒損失量wt為飛濺損失和夾帶量與未脫凈損失量之和。清選損失量wq在籽粒含雜率不大于6%條件下,收集所有的清選脫出物,提取籽粒并稱量籽粒質(zhì)量,即為清選損失量。
依據(jù)GB/T 8097-2008[19],機(jī)械收獲總損失率包括割臺(tái)損失量wg與脫粒分離和清選總損失量wb占收獲總籽粒質(zhì)量的比率,即
(3)
式中wg―割臺(tái)損失量(g);
wb―脫粒分離和清選總損失量(g);
∑w―收獲總籽粒質(zhì)量(g)。
收獲時(shí)期油菜籽含水率不同,為方便比較,將測(cè)定油菜收獲過程中從收割、鋪放晾曬(人工收獲及分段收獲)、撿拾至脫粒清選各階段的籽粒含水率轉(zhuǎn)換成清選后相同的籽粒含水率。
油菜割倒并晾曬122h后,隨機(jī)取5個(gè)區(qū)域按人工收獲試驗(yàn)方法,測(cè)量并計(jì)算各測(cè)區(qū)的油菜人工收獲各相應(yīng)環(huán)節(jié)的損失率,如表1所示。
表1 人工收獲損失率統(tǒng)計(jì)表Table1 Loss ratio of artificial harvest %
從表1中可以看出:人工收獲割倒損失率0.326%、脫粒與清選損失率3.286%,均較低,僅占總損失比例的7.76%;而搬運(yùn)和鋪放-晾曬-打捆過程中損失率占總損失比例92.24%,這是人工收獲損失率較高的主要原因。角果晾曬后易爆裂[20-21],在進(jìn)行打捆及搬運(yùn)時(shí)輕微的擾動(dòng)都會(huì)造成角果開裂。收獲時(shí)如遇陰雨天,直接搬運(yùn)到場(chǎng)院晾曬,也會(huì)導(dǎo)致搬運(yùn)損失率隨之增大。
從5月26日-6月5日進(jìn)行不同收獲時(shí)間點(diǎn)的油菜聯(lián)合收獲測(cè)試,具體數(shù)據(jù)如圖4所示。
圖4 收獲含水率與損失率隨收獲時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Loss ratio and moisture content of harvesting
由圖4數(shù)據(jù)觀察到:6月1-3日,割臺(tái)損失與撿拾損失、脫粒清選損失相差不大,均處于較小值,總損失率為8%~9%。此時(shí)分段收獲籽粒含水率條件適宜,此范圍內(nèi)總損失率降到最低點(diǎn)。籽粒含水率進(jìn)一步降低后,割臺(tái)損失快速增加,雖然脫粒清選損失有進(jìn)一步降低趨勢(shì),但總損失相對(duì)來說會(huì)進(jìn)一步增大,這說明收獲在含水率為15%~20%左右的油菜是最佳收獲期。
在6月1日進(jìn)行了多測(cè)區(qū)機(jī)械聯(lián)合收獲測(cè)試,測(cè)試當(dāng)天籽粒平均含水率為18.1%,按油菜聯(lián)合收獲試驗(yàn)方法,通過對(duì)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出星光油菜聯(lián)合收割機(jī)4LL-2.0Y型的割臺(tái)損失率、脫粒清選損失率統(tǒng)計(jì)如表2所示。
表2 機(jī)械聯(lián)合收獲損失率統(tǒng)計(jì)表Table 2 Loss ratio of combined harvest %
由表2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出:在油菜籽粒平均含水率為18.1%時(shí),機(jī)械聯(lián)合收獲的損失率中,割臺(tái)損失基本穩(wěn)定在3%左右,脫粒清選損失穩(wěn)定在4%左右,總損失率平均為7.84%。這說明近些年國產(chǎn)聯(lián)合收割機(jī)通過改進(jìn)優(yōu)化性能得到提高,在油菜適宜收獲的期間內(nèi)收獲,損失率可以控制在較低的水平,達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)小于8%的要求[22-25]。
油菜機(jī)械分段收獲試驗(yàn),分別在5月26日至6月2日,測(cè)定不同收獲時(shí)期割曬損失率、撿拾損失率、脫粒清選損失率與籽粒含水率的數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 機(jī)械分段收獲損失率統(tǒng)計(jì)表Table3 Loss ratio of segment harvest %
收獲時(shí)間為2015 年;分段收獲時(shí)間前者為割曬日期,后者為脫粒日期。
由表3數(shù)據(jù)觀察到:分段收獲的損失率隨著割曬時(shí)間推遲,呈現(xiàn)逐步升高的趨勢(shì)。這是由于隨油菜成熟度提高,角果易開裂造成割曬的損失率增加;隨著晾曬時(shí)間增長,油菜角果含水率降低,脫粒清選損失率逐步達(dá)到較低水平。
在油菜機(jī)械分段收獲的損失率中,撿拾損失率大于割曬損失率大于脫粒清選損失率。其原因是,稻后油菜田塊小、田間布滿三溝(畦溝、腰溝、邊溝),影響割曬和撿拾作業(yè)速度穩(wěn)定性。分段收獲割曬時(shí)速度不穩(wěn)定影響鋪放質(zhì)量,鋪放不整齊、不均勻,直接影響到后續(xù)機(jī)器撿拾作業(yè)的效果,鋪放不均勻,鋪層下部油菜沒有晾好,脫粒損失增大;另一方面,鋪放不均勻?qū)е聯(lián)焓拔谷氩痪鶆?,增大脫粒和清選損失。因此,田塊條件和割曬鋪放質(zhì)量是造成撿拾的損失大的主要原因。
油菜收獲損失受多因素的影響,代表油菜成熟度的籽粒含水率,是影響油菜收割、脫粒清選損失的主要因素之一。通過對(duì)田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,討論人工收獲、機(jī)械聯(lián)合收獲及機(jī)械分段收獲損失的構(gòu)成。
對(duì)不同收獲方式根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)值割臺(tái)損失率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到方差分析,如表4所示。
表4 不同收獲方式對(duì)割臺(tái)損失率的方差分析Table 4 Variance analysis of header loss rate
*p<0.05 為顯著;**p<0.01 為極顯著;下同。
由表4可得出:收獲方式對(duì)割臺(tái)損失率影響極顯著。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知:人工割倒損失較小,均在0.2%~0.5%以內(nèi)。這是因?yàn)槿斯じ顣駮r(shí),油菜還只有70%~80%的成熟度,故割倒時(shí)損失較小;但人工收獲的鋪放-晾曬-打捆損失屬于脫粒清選前的損失,為方便比較應(yīng)將鋪放-晾曬-打捆損失核算在割倒損失中,該環(huán)節(jié)的損失率平均為3.99%。
機(jī)械收獲隨收獲時(shí)期的不同及籽粒的含水率不同有著較大的差異,只有把握適宜的含水率,才能降低收獲損失[26],籽粒的含水率在15%~20%時(shí)為好[27]是適宜收獲期。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:5月26日-6月5日測(cè)得機(jī)械分段收獲的割曬損失約為2%~5%,主要由于機(jī)械分段收獲數(shù)據(jù)采集時(shí)段內(nèi),籽粒含水率范圍較大,籽粒含水率大于15%時(shí)割曬損失率較小;籽粒含水率小于15%后,數(shù)值提升幅度大。割曬損失率包括割臺(tái)損失率和鋪放損失率,分段收獲與聯(lián)合收獲割臺(tái)損失率數(shù)值相近,而鋪放損失率隨著科研人員的研發(fā)、改進(jìn)可控制在0.8%,故分段收獲與聯(lián)合收獲割臺(tái)損失率總體相差不大。5月26日-6月3日,分段收獲割曬損失率均值為3.25%。
通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知:在籽粒含水率相同收獲條件下,3種收獲方式割臺(tái)損失率大小為:人工收獲(4.316%)>機(jī)械分段收獲(3.25%)>機(jī)械聯(lián)合收獲(3.12%),收獲方式對(duì)籽粒損失率影響極顯著。
對(duì)不同收獲方式的脫粒清選損失率實(shí)測(cè)數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到方差分析表如表5所示。
表5 不同收獲方式對(duì)脫粒清選損失率的方差分析Table 5 Variance analysis of threshing and cleaning loss rate
由表5可得出:收獲方式對(duì)脫粒清選損失率影響極顯著。田間測(cè)量數(shù)據(jù)顯示:人工脫粒、清選損失率均值為3.29%;機(jī)械聯(lián)合收獲脫粒、清選的損失率均值為4.72%;機(jī)械分段收獲脫粒清選損失率隨收獲時(shí)間點(diǎn)的不同有著較大的差異,籽粒含水率小于20%時(shí)脫粒清選損失率較小,5月26日-6月3日分段收獲,籽粒含水率16.3%~19.4%,脫粒清選損失率均值為1.99%。
試驗(yàn)測(cè)得油菜經(jīng)晾曬后脫粒清選時(shí),脫粒清選損失率與收獲時(shí)間關(guān)系較小,損失率數(shù)值范圍變化不大。這主要在于無論是人工收獲還是機(jī)械分段收獲時(shí),收獲后經(jīng)過了一段時(shí)間的晾曬,脫粒清選時(shí)油菜籽粒含水率降低,角果一致性好、成熟度變高,因此脫粒清選時(shí),形成脫粒清選損失率低的良好收獲效果[28]。
通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知:在籽粒含水率相同收獲條件下,3種收獲方式脫粒清選損失率大小為:機(jī)械聯(lián)合收獲(4.72%)>人工收獲(3.286%)>機(jī)械分段收獲(1.99%);收獲方式對(duì)脫粒清選損失率影響顯著。
對(duì)不同收獲方式根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)值割臺(tái)損失率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到方差分析表如表6所示。
表6 不同收獲方式對(duì)總損失率的方差分析Table 6 Variance analysis of total loss rate
由表6可以看出:收獲方式對(duì)總損失率影響極顯著。從收獲損失率構(gòu)成試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比分析可知:雖然在人工收獲的總損失構(gòu)成中割臺(tái)損失及脫粒清選損失所占比例相對(duì)不高,但由于人工收獲時(shí)需進(jìn)行打捆及搬運(yùn),油菜籽損失量增加,且人工收獲總損失率隨收脫時(shí)間間隔長短、晾曬時(shí)間段天氣情況在12%上下波動(dòng),總體效益很低。
機(jī)械聯(lián)合收獲隨著收獲時(shí)間的不斷延后,籽粒含水率不斷下降,脫粒損失率隨收獲時(shí)間先快速下降后保持穩(wěn)定,收獲總損失先隨收獲時(shí)間快速下降后緩慢增加。聯(lián)合收獲作業(yè)效率高、省工省時(shí),尤其在氣候條件不好的情況下,有利于進(jìn)行搶收,但這種方式對(duì)收獲時(shí)機(jī)要求較嚴(yán),既不能偏早,也不能偏晚。在適宜含水率條件下,收獲總損失率才能得到有效控制。機(jī)械分段收獲方式利用作物的后熟原理,可以在油菜成熟度≥75%時(shí)開始提前收獲,減少了收割過程的落粒損失,且收獲的籽粒飽滿,菜籽含水率≤12%,便于菜籽的后期存儲(chǔ),提高了油菜籽的產(chǎn)量和質(zhì)量。
田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明:油菜收獲方式對(duì)收獲損失構(gòu)成影響極顯著,機(jī)械收獲總損失低于人工收獲總損失。這與前人研究結(jié)果:“總損失率表現(xiàn)為人工收獲>機(jī)械分段收獲>機(jī)械聯(lián)合收獲”結(jié)論有很大的不同。而機(jī)械收獲損失率的減少也是科研工作者對(duì)收獲機(jī)不斷進(jìn)行研究、改進(jìn)的結(jié)果。油菜機(jī)械化聯(lián)合收獲和分段收獲均能實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎還田,可增加土壤的有機(jī)質(zhì),減少秸稈焚燒造成環(huán)境污染。
1)收獲方式對(duì)油菜收獲損失構(gòu)成影響顯著。在籽粒含水率相同收獲條件下,割臺(tái)損失率大小為人工收獲(4.316%)>機(jī)械分段收獲(3.25%)>機(jī)械聯(lián)合收獲(3.12%);脫粒清選損失率大小為機(jī)械聯(lián)合收獲(4.72%)>人工收獲(3.286%)>機(jī)械分段收獲(1.99%);總損失率表現(xiàn)為人工收獲>機(jī)械分段收獲>機(jī)械聯(lián)合收獲。
2)通過油菜人工收獲、機(jī)械聯(lián)合、機(jī)械分段收獲進(jìn)行田間收獲效果實(shí)測(cè)試驗(yàn),從收獲損失構(gòu)成對(duì)比分析可知:人工收獲損失率高,勞動(dòng)強(qiáng)度大,最不可?。粰C(jī)械聯(lián)合收獲在把握好收獲時(shí)機(jī)的前提下可以獲得高效率、少損失的良好效果;機(jī)械分段收獲在稻油輪作區(qū)由于受到田塊條件的限制,損失率較高,便捷性也不如聯(lián)合收獲,這個(gè)結(jié)論可為收獲方式的選擇提供參考。
3)國產(chǎn)聯(lián)合收割機(jī)損失較低,是近些年不斷研究改進(jìn)的結(jié)果,隨著分段收獲機(jī)械的進(jìn)一步研究開發(fā),機(jī)器性能會(huì)得到進(jìn)一步提升,并隨著土地流轉(zhuǎn)、經(jīng)營規(guī)模的擴(kuò)大,油菜集中連片種植的發(fā)展,分段收獲的優(yōu)勢(shì)也會(huì)得到進(jìn)一步顯現(xiàn)。
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