張軍強，梁榮慶，董忠愛，鐘 波，秦喜田，孫紹華，高 強，張琦峰

(1. 山東農業(yè)機械科學研究院，濟南 250100；2. 國家肉牛牦牛產業(yè)技術體系生產與環(huán)境控制研究室，濟南 250100；3. 山東雙佳農裝科技有限公司，濟南 250100)

0 引言

馬鈴薯是一種世界性經濟作物，已成為繼小麥、水稻和玉米之后的第4位重要的糧食作物[1]。我國馬鈴薯種植歷史較為悠久[2]，距今已有400年多，馬鈴薯的種植分布范圍較廣，在我國大部分地區(qū)均有種植，主要分布在西南、東北、西北等地區(qū)，具有分布范圍廣及季節(jié)時間跨度大等特點。近幾年，我國馬鈴薯的種植面積均保持在533.3萬hm2以上，約占全球總種植面積的1/4[3]，已成為全球馬鈴薯種植面積最大的國家。2016年2月，農業(yè)部下發(fā)《關于推進馬鈴薯產業(yè)開發(fā)的指導意見》，對我國馬鈴薯的種植做了明確部署，力爭到2020年將我國馬鈴薯種植面積擴大到1億畝(0.07億 hm2)以上[4]，受政策支持力度較大，其種植面積的增長趨勢較為明顯。

馬鈴薯莖葉是馬鈴薯植株的地上部分，是塊莖收獲后的主要副產物，由于我國馬鈴薯種植面積較大，其莖葉資源較為豐富，年產量可達1.2～1.8億t[5]。在傳統(tǒng)的馬鈴薯收獲過程中，為使馬鈴薯表皮硬化，降低馬鈴薯在收獲中的磕碰傷率及其收獲機械的功耗，提高收獲效率[6-8]，需提前采用殺秧機或人工對馬鈴薯莖葉進行殺秧作業(yè)處理[9-11]。馬鈴薯莖葉多被就地還田、遺棄或焚燒，不僅造成了大量的生物資源浪費，也對環(huán)境造成了一定的污染，不符合我國現(xiàn)代農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主旨。隨著人們環(huán)保意識的增強以及綠色農業(yè)的發(fā)展，且由于馬鈴薯莖葉營養(yǎng)豐富，并含有多種生物活性物質，不僅可用于飼喂，也可作為醫(yī)藥、化工原料，其綜合開發(fā)利用價值較高(馬鈴薯莖葉的綜合開發(fā)利用已得到了國內外學者的廣泛關注)，馬鈴薯莖葉的飼用化利用、生物活性物質的提取及其他深率利用等成為了新的研究熱點，并取得了一定的成果。

近年來，隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的牧草資源已難以支撐快速增長的畜牧業(yè)，發(fā)展以秸稈飼料為主要飼料的節(jié)糧型畜牧業(yè)已成為牧區(qū)、農區(qū)及半農區(qū)發(fā)展畜牧業(yè)的重要途徑之一[12]。目前，國內對馬鈴薯莖葉的飼用化利用處于起步階段，對馬鈴薯莖葉的青貯加工工藝及方法研究較多，而針對其青貯機械化采收機具的研究還是空白，馬鈴薯莖葉的機械化收獲作為推動其綜合利用開發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)之一，相關收獲機具的研制亟待解決。

因此，本文在前期的研究基礎上，結合目前我國較為成熟的其他物料的青貯收獲機具(青貯玉米、高粱、苜蓿及燕麥收獲機等)的結構特點及工作特性，對馬鈴薯莖葉青貯收獲機具及其它配套機具進行研究，開發(fā)一種適合對馬鈴薯莖葉進行機械化收獲的青貯機具，實現(xiàn)馬鈴薯莖葉的機械化采收，為其后續(xù)的其他青貯加工工序做相應的準備工作。這不僅對馬鈴薯莖葉的綜合開發(fā)利用具有重要現(xiàn)實意義，也可為馬鈴薯莖葉的深度利用及其它相關設備的后期深入研究提供一定的理論基礎與技術支撐，還可在一定程度上有效緩解畜牧業(yè)迅速發(fā)展與飼料短缺的矛盾[13]，對我國畜牧業(yè)的健康發(fā)展、現(xiàn)代農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及農村產業(yè)結構調整起到一定的推動作用。

1 馬鈴薯莖葉的營養(yǎng)價值及青貯現(xiàn)狀

1.1 馬鈴薯莖葉的營養(yǎng)價值

馬鈴薯為茄科茄屬結塊莖種一年生草本植物[14]，主要由地上莖葉及地下塊莖兩部分組成，如圖1所示。其原產于南美洲的秘魯、智利、哥倫比亞及玻利維亞的安弟斯山脈一帶，自明朝嘉靖年間引進以來[15]，在我國得到了廣泛的種植推廣，種植范圍分布較廣，且種植面積逐年增加。馬鈴薯地下塊莖營養(yǎng)豐富，產品附加值較高，可糧菜兼用[16]。

圖1 馬鈴薯植株結構圖

馬鈴薯莖葉營養(yǎng)價值較高，可與飼用的甜菜、南瓜及胡蘿卜相媲美[17]。相關文獻研究表明：單位質量的馬鈴薯莖葉中含有0.12個飼料單位，在干物質的基礎上，每千克馬鈴薯莖葉中含粗蛋白質為16.2%，粗纖維為20.8%，粗脂肪為1.8%，鈣為1.39%，磷為0.14%[18-21]，飼用化價值較高。馬鈴薯新鮮莖葉、風干莖葉及青貯莖葉的營養(yǎng)成分含量對比如表1所示。

此外，相關研究表明：馬鈴薯莖葉中還含有70余種生物活性物質[22-24]，如糖苷生物堿、茄尼醇及揮發(fā)油等，可作為醫(yī)藥及化工原料，具有較高的潛在開發(fā)價值。

表1 不同狀態(tài)下馬鈴薯莖葉營養(yǎng)成分含量對比表

1.2 馬鈴薯莖葉的青貯現(xiàn)狀

實際上，在我國的甘肅地區(qū)長期以來一直采用干馬鈴薯莖葉飼喂牛、羊，并未發(fā)現(xiàn)中毒現(xiàn)象[25]，且山東、河北等地區(qū)也常將晾曬風干后的馬鈴薯莖葉進行粉碎與玉米秸稈、高粱秸稈、小麥秸稈、干紅薯藤秧及碎干草等調制后對牲畜進行飼喂。相關研究表明：馬鈴薯莖葉青貯后可使其龍葵素含量降低30%～50%[26]，且對羊[27]和牛[28]等動物均無害。

由于新鮮的馬鈴薯莖葉含有較高的龍葵素及水分，適口性較差，貯存發(fā)酵過程難以控制，保存方法及方式不當極易滋生細菌，發(fā)生腐爛變質，影響飼料品質。因此，大部分馬鈴薯莖葉均被丟棄或焚燒，只有極一小部分被風干貯存?zhèn)溆?。雖然風干的馬鈴薯莖葉水分含量較少，可長時間進行貯存，但其營養(yǎng)成分流失也較為嚴重，貯存方式不當也會發(fā)生霉變，且長時間貯存的馬鈴薯莖葉龍葵素含量有增無減，影響飼料品質，適口性更差[29]，飼用化效果不佳。為此，國內學者對馬鈴薯莖葉青貯加工工藝及方法進行了大量研究，以解決馬鈴薯莖葉的青貯飼用化問題，提升該物料的青貯品質，以滿足飼用化要求。

1982年，汪鴻儒等對馬鈴薯莖葉混合青貯的發(fā)酵機理進行了研究，結果表明：單獨新鮮的馬鈴薯莖葉青貯品質較差且不易青貯成功，提出了采用馬鈴薯莖葉與玉米秸稈混合青貯的方法提高青貯品質，并給出了該兩種青貯物料混合的比例[30]。

2001年，韓俊清對青貯馬鈴薯莖葉的相關技術進行了研究，對青貯后的馬鈴薯莖葉的營養(yǎng)成分進行了檢測，并與其他植物莖葉青貯后的營養(yǎng)成分進行了對比。結果顯示：經過青貯后的馬鈴薯莖葉的營養(yǎng)成分高于多數(shù)同等條件下青貯其他植物莖葉的營養(yǎng)成分含量，適當合理的青貯方法是解決馬鈴薯莖葉青貯飼用化及保持營養(yǎng)成分含量的關鍵[31]。

2005年，白云峰等對青貯前后的馬鈴薯莖葉營養(yǎng)成分進行了對比，結果表明：青貯前后的馬鈴薯莖葉營養(yǎng)成分差異較大，適當合理地對馬鈴薯莖葉青貯儲藏可有效保存相關營養(yǎng)成分，進一步提高該物料的青貯品質[32]。

2006年，謝振兵等研究了馬鈴薯莖葉采集時間對青貯效果的影響，并提出了馬鈴薯莖葉最佳采收時間[33]；而張增欣等則通過添加發(fā)酵抑制劑—甲醛對青貯腐敗的控制作用進行了相關研究，并確定了發(fā)酵抑制劑的添加比例[34]。

2009年，徐亞姣等通過對不同條件下青貯的馬鈴薯莖葉進行品質測量試驗，得出了青貯馬鈴薯莖葉的最佳方案。該研究通過馬鈴薯莖葉與其他含糖量較高的原料進行混合青貯，確定了混合物的種類和配比量，明確了添加乳酸菌和酶制劑的混合制劑后的青貯品質最好，青貯品質提高較為明顯[35]。

2013年，周娟娟等以辣椒和馬鈴薯收獲后的青綠秧為研究材料，研究了不同水分條件下添加不同水平的甲酸、丙酸、玉米粉、綠汁發(fā)酵液和馬鈴薯渣對其青貯品質的影響，給出了兩種物料最佳的調制比例，并闡明了水分與pH值是影響馬鈴薯秧青貯品質的兩個最主要因素[36]。

2014年，張敏等研究了不同水分和甲酸添加量對馬鈴薯莖葉青貯品質的影響[37]；2015年，楊聞文等及楊永在等分別研究了不同吸收劑和玉米對馬鈴薯莖葉青貯特性、發(fā)酵品質的影響[25]及不同添加物對馬鈴薯莖葉青貯品質的影響[5]，闡明了不同添加劑、添加比例是影響青貯品質的主要因素。

2015年，何玉鵬等分別研究了添加米糠和玉米以及添加米糠和小麥麩對兩個品種馬鈴薯莖葉青貯品質的影響，研究表明：米糠、玉米聯(lián)用和米糠、小麥麩聯(lián)用均能顯著提高馬鈴薯莖葉的青貯品質，兩種物料聯(lián)用均以15%米糠、4%玉米或小麥麩的比例都可獲得良好的青貯品質[38]。

2016年，葛一宏等對馬鈴薯莖葉與玉米秸稈混合厭氧消化工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，研究了物料質量分數(shù)、碳氮比和接種物質量分數(shù)3個因素對馬鈴薯莖葉與玉米秸稈混合厭氧消化產氣特性及其規(guī)律，確定了接種物質量分數(shù)與物料質量分數(shù)的交互作用為影響馬鈴薯莖葉與玉米秸稈混合青貯品質的最明顯因素[39]。

2017年，謝婉等研究了添加物料和菌劑對日喀則地區(qū)馬鈴薯莖葉青貯品質的影響，其主要以甲酸、尿素、食鹽和6種不同生物菌劑(活性乳酸菌凍干粉、益加益秸稈發(fā)酵劑、千牧EM菌原種、百益寶EM菌種、微特美益生菌種及粗飼料降解劑)為添加劑，分別對馬鈴薯莖葉與玉米面、小麥麩、聚合草、紫花苜蓿、青飼玉米秸稈、燕麥草、干青稞秸稈及干油菜殼等材料進行了混貯，并對不同青貯時間的混貯物料品質進行了研究。研究結果表明：制作30天后的馬鈴薯莖葉青貯飼料已基本完成發(fā)酵，并進入了青貯穩(wěn)定階段，能夠長期有效保持飼料的水分及營養(yǎng)物質[40]。

綜上所述，目前國內專家學者只針對馬鈴薯莖葉青貯加工工藝及方法進行了大量研究，而對馬鈴薯莖葉的青貯機械化收獲的研究仍是空白。隨著馬鈴薯莖葉青貯加工工藝及方法的成熟，針對馬鈴薯莖葉的機械收獲技術的研究將成為新的熱點，相關青貯收獲機具及與青貯工藝配套設備的研究開發(fā)勢在必行。

2 馬鈴薯莖葉青貯收獲機的開發(fā)

馬鈴薯莖葉青貯收獲機具是該物料青貯加工的起始環(huán)節(jié)及最主要的環(huán)節(jié)之一，針對馬鈴薯莖葉機械化青貯機具的開發(fā)不僅能夠填補我國相關產品空白，也可為后續(xù)相關產品的開發(fā)及熟化奠定一定的理論基礎并做一定的技術參考。

2.1 馬鈴薯莖葉青貯收獲機

針對馬鈴薯莖葉物料特性及青貯處理方法的特殊性，結合我國較為成熟的青貯技術及其他物料(青貯玉米、青貯高粱、青貯燕麥及苜蓿)的青貯收獲設備，在馬鈴薯殺秧機、青貯玉米收獲機及青貯燕麥收獲機的研究基礎上，借鑒玉米青貯收獲機及燕麥青貯收獲機的結構形式及收獲方式，對馬鈴薯莖葉青貯收獲機進行研究開發(fā)，實現(xiàn)一次性完成切割、撿拾、喂入、切碎揉搓及拋送裝運等工作流程，滿足馬鈴薯莖葉的青貯后續(xù)加工需求。該機具主要由切割撿拾裝置、強制喂入裝置、切碎揉搓裝置、拋送裝置、磨刀裝置、機架總成及限位輪等組成，如圖2所示。

該設備結構較為簡單，可與大馬力雙向拖拉機配套使用，安裝拆卸較為方便，操作簡單，工作環(huán)境適應性較強，其技術參數(shù)如表2所示。

馬鈴薯莖葉青貯收獲機采用三點懸掛與雙向駕駛的大馬力拖拉機配套使用，以配套動力的PTO后動力輸出及其自帶的液壓系統(tǒng)作為驅動動力源。工作時，拖拉機自帶的液壓系統(tǒng)驅動切割撿拾裝置進行工作，采用往復式割刀對馬鈴薯莖葉進行切割，并利用梳齒式旋轉機構對切割后的物料進行撿拾，將物料輸送至螺旋喂入裝置；與此同時，利用配套動力的PTO驅動強制喂入裝置及切碎揉搓裝置進行工作，將馬鈴薯莖葉強制喂入切碎揉搓裝置中，此時高速旋轉的切削刀盤帶動切碎動刀旋轉對強制喂入的物料進行切碎；交錯安裝在切碎刀盤上的左右螺旋凸起的拋送葉片與安裝在切碎揉搓裝置底部的揉搓板配合使用對切碎的馬鈴薯莖葉進行揉搓，左右?guī)в新菪蛊鸬膾佀腿~片還將切碎揉搓后的物料進行拋送，通過拋送筒輸送至運輸裝置，完成整個作業(yè)流程。

7.切割撿拾裝置 6.強制喂入裝置 5.切碎揉搓裝置 4.磨刀裝置 3.拋送裝置 2.機架總成 1.限位輪

名稱參數(shù)名稱參數(shù)外形尺寸(L×W×H)6.2m×2.4m×4.75m(工作狀態(tài))整機質量1300kg切段長度5～50mm(可調)刀片數(shù)量2、3、4、6、12片(均布可調)作業(yè)幅寬2200mm作業(yè)效率0.7hm2/h

另外，切碎揉搓裝置中的動刀數(shù)量可根據(jù)實際需要進行調節(jié)，安裝刀具數(shù)量為2、3、4、6、12把，可與強制喂入速度相配合對物料的切削長度進行控制。該裝置中的揉搓機構可充分地將馬鈴薯莖葉進行打散揉絲處理，使物料青貯發(fā)酵過程與添加劑或其他混合物充分混合發(fā)酵，從而提高青貯品質及適口性，還可將其部分水分擠出，降低物料的含水率，提高物料的青貯發(fā)酵成功率。

該機具自帶的磨刀裝置，可在不拆卸切碎動刀的情況下對其進行磨刃，節(jié)省了拆卸動刀時間，提高了工作效率。另外，限位輪不僅起支撐作用，還可通過三點懸掛和限位輪對馬鈴薯莖葉的留茬高度進行調節(jié)。

2.2 馬鈴薯莖葉撿拾切碎機

新鮮馬鈴薯莖葉含水率較高，若直接青貯不但無法降低龍葵素的含量，也易使青貯物料變質，影響青貯品質及適口性，造成不必要的資源浪費，而適當?shù)牧罆癫粌H可降低馬鈴薯莖葉的含水率，也可有效降低其龍葵素的含量。因此，在前期研究基礎上，開發(fā)了一種馬鈴薯莖葉撿拾切碎機，在對馬鈴薯莖葉進行殺秧并適當晾曬脫水后，一次性完成物料的撿拾、喂入、切碎揉搓及拋送等作業(yè)流程，其結構如圖3所示。該機具主要由撿拾裝置、強制喂入裝置、切碎揉搓裝置、拋送裝置、磨刀裝置、機架總成及限位輪等組成，除不能對馬鈴薯莖葉進行切割外，其他結構參數(shù)、工作過程均與馬鈴薯莖葉青貯收獲機相同。

1.撿拾裝置 2.機架總成 3.拋送裝置 4.磨刀裝置 5.切碎揉搓裝置 6.強制喂入裝置 7.限位輪

3 馬鈴薯莖葉青貯機械化收獲存在的問題

1)馬鈴薯莖葉機械化收獲切碎長度及揉搓效果難以控制。馬鈴薯莖葉含水量較高，約為90%[41]，且采收時間不同其含水率也不相同，總體來說受其物理結構特性影響。其任何采收時間段內(風干馬鈴薯莖葉除外)的含水率均要高于其他青飼料(青貯玉米、高粱、青貯燕麥及苜蓿等)，這也給機械化采收帶來了極大的困難。由于其自身含水率較高，在收獲過程中馬鈴薯莖葉切碎長度較小或過度揉搓，極易使物料成糊狀且難以收集，造成物料的浪費，過度揉搓也會造成物料水分及營養(yǎng)成分流失嚴重，影響青貯品質；反之，若馬鈴薯莖葉切碎長度較大或揉搓效果不明顯，雖在一定程度上保證了物料含水率及營養(yǎng)成分，但含水率過高物料也會難以青貯成功，與其他品種青飼料或添加混貯時難以混合均勻，也會影響青貯品質。因此，合理地切碎長度及揉搓效果是保障馬鈴薯莖葉青貯的關鍵影響因素，也是馬鈴薯莖葉青貯收獲機的主要考核指標之一，在機械的設計制造、田間試驗應需注意及控制。

2)種植模式差異性較大，阻礙了馬鈴薯莖葉的機械化采收。受地形、氣候條件及耕作習慣等因素的影響，我國不同地區(qū)馬鈴薯的種植模式差異性較大，且在同一地區(qū)馬鈴薯的種植模式差異性也較大。目前，我國馬鈴薯的種植模式主要以單行單壟、雙行單壟、寬窄行壟作及寬窄行平作為主，該4種種植模式下的行距、壟頂寬、壟底寬和壟高(寬窄行平作無壟)均不相同，在一定程度上限制了馬鈴薯莖葉青貯收獲機械的開發(fā)利用，阻礙了馬鈴薯莖葉的機械化采收進程。另外，在馬鈴薯莖葉收獲過程中，種植模式不一也會造成機械裝置對馬鈴薯塊莖的碾壓，影響馬鈴薯塊莖的產量及質量。因此，在不影響馬鈴薯塊莖產量及質量的情況下，調整統(tǒng)一馬鈴薯的種植模式勢在必行且任重而道遠，馬鈴薯的農藝與農機融合亟待解決。

3)馬鈴薯品種多樣化，馬鈴薯莖葉青貯機械化采收困難。馬鈴薯品種不同則馬鈴薯莖葉的生長方式、植株高度、抗倒伏能力、干物質含量及植株物理特性等也不盡相同。馬鈴薯莖葉的干物質含量及植株物理特性對其機械化收獲影響不大，但馬鈴薯植株高度及抗倒伏能力對其機械化收獲影響則較大。若馬鈴薯的植株高度較低、抗倒伏能力較差，則會造成馬鈴薯莖葉機械化收獲困難及收集量少，影響馬鈴薯莖葉的產出比，造成物力及人力的嚴重浪費，得不償失。因此，在保證馬鈴薯的產量及質量的情況下，培育一種塊莖產量高、莖葉抗倒伏能力強及植株高度適宜的馬鈴薯新品種很有必要。

4)馬鈴薯莖葉機械化收獲時間掌握較為困難，影響青貯品質。在傳統(tǒng)的馬鈴薯塊莖收獲過程中，需提前一定時間采用殺秧機對馬鈴薯莖葉進行清理或人工清理收獲，因此馬鈴薯莖葉的機械化收獲也需提前或與塊莖收獲同時進行。由于各成熟期馬鈴薯莖葉的含水率不盡相同，采收時間對馬鈴薯莖葉的含水率及后期青貯加工影響較大：若馬鈴薯莖葉收獲時間過早，雖可保證物料的產出比，但其含水率過高，則干物質含量較少，且不易青貯發(fā)酵成功，會影響馬鈴薯塊莖的產量及品質；若馬鈴薯莖葉收獲時間較晚，含水率雖有所下降，但莖葉倒伏較多，增加了機械化采收困難，物料產出比較低。另外，馬鈴薯莖葉收獲時間不同，其青貯品質也不同。

5)種植范圍廣，工況作業(yè)環(huán)境復雜多變，收獲機具適應性差。我國馬鈴薯主要分布在西南、東北、西北等地區(qū)，種植范圍分布較廣，種植地區(qū)地形復雜多變，尤其是丘陵地帶或山區(qū)，種植空間較為狹小，農業(yè)機械作業(yè)較為困難。平原地區(qū)雖可大面積種植，但土地平整度較差，在作業(yè)過程中也會影響機械運行平穩(wěn)及作業(yè)效率，該問題為農業(yè)機械所面臨的共性問題。另外，馬鈴薯莖葉青貯收獲機的作業(yè)狀況好壞對物料產出比、適口性及青飼品質影響較大，在作業(yè)過程中，留茬高度過低雖在一定程度上提高了物料的產出比，但也極易造成泥土、砂石等雜質的混入，影響青飼料的品質及適口性；留茬高度過高，雖可避免泥土及砂石等雜質的混入，但物料產出比也會下降，造成物料產量降低。

4 結論

我國馬鈴薯種植面積大、分布廣泛，莖葉資源較為豐富，其營養(yǎng)價值較高，可作為優(yōu)良的生物質能源、畜牧飼料、醫(yī)藥及化工原料。目前，在馬鈴薯莖葉飼用化研究方面，我國專家學者對馬鈴薯莖葉青貯工藝的研究較多，而該物料的機械化收獲裝置研究較少，因此馬鈴薯莖葉青貯機械收獲裝置的研制勢在必行。本文通過對馬鈴薯莖葉的營養(yǎng)價值及青貯現(xiàn)狀闡述，提出了研究馬鈴薯莖葉收獲機具的必然性，在現(xiàn)有研究的基礎上對兩種馬鈴薯莖葉收獲機具進行了開發(fā)，并對其結構特點及工作過程進行了簡單介紹。目前，該樣機的開發(fā)研制已獲2017年中央引導地方科技發(fā)展專項資金項目—《馬鈴薯秧飼料化關鍵技術研究》的支持，后期將對該樣機進行合理設計、結構優(yōu)化及田間試驗等，以滿足實際生產需求，進而提高馬鈴薯莖葉的綜合利用率。另外，馬鈴薯莖葉機械化收獲利用是一個系統(tǒng)的問題，所面臨的問題也較多，只靠某一專業(yè)的技術也不能完成任務，還需要育種技術、種植技術、田間管理和后續(xù)的粉碎、加工調制及青貯方式等各方面技術人員的配合才能完成。