劉 偉，李鳳鳴，李 偉，張英俊，劉立平，劉貴林，高曉宏，賈俊俊

(中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

一些發(fā)達(dá)國(guó)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(jìn)下，牧草種子的使用量不斷增加，促進(jìn)了牧草種子收獲機(jī)械技術(shù)水平的發(fā)展，從而也使得國(guó)外的牧草種子收獲機(jī)械水平處于領(lǐng)先地位。

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，畜牧業(yè)得到大力支持，如退耕還林還草等政策的實(shí)施，使得飼草種植面積不斷增加。統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)每年草籽需求量約20萬t，實(shí)際供應(yīng)量不足5萬t，每年進(jìn)口的牧草種子超過6萬t，其中苜蓿種子的進(jìn)口量約占總進(jìn)口量的1/3[1]。牧草種子需求量的增加帶動(dòng)我國(guó)牧草種子收獲機(jī)械的發(fā)展，但發(fā)展中還存在一些問題。本文基于牧草種子機(jī)械化收獲農(nóng)業(yè)技術(shù)要求與收獲工藝，介紹了國(guó)內(nèi)外牧草種子收獲機(jī)的發(fā)展概況，并提出了發(fā)展趨勢(shì)。

1 牧草種子機(jī)械化收獲技術(shù)

1.1 農(nóng)藝要求

適時(shí)收獲是牧草種子對(duì)于收獲機(jī)械的農(nóng)藝要求之一。根據(jù)種子的成熟程度、品質(zhì)和產(chǎn)量及收獲所用機(jī)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(gè)時(shí)期：乳熟期、蠟熟期和完熟期[2]。一般適宜在完熟期收獲，此時(shí)的牧草種子品質(zhì)好，發(fā)芽概率高、產(chǎn)量高，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。蠟熟期的牧草種子易斷，呈現(xiàn)蠟質(zhì)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(jīng)濟(jì)價(jià)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(nóng)藝要求也不同。如披堿草種子脫落性強(qiáng)，應(yīng)及時(shí)在1～2 d內(nèi)收完，在完熟期適宜用聯(lián)合收獲機(jī)或?qū)Ｓ貌葑巡杉瘷C(jī)收獲，在蠟熟期用簡(jiǎn)單機(jī)具收獲即可。老麥芒的脫落性較強(qiáng)烈，應(yīng)在1～2 d內(nèi)收完。許多牧草種子在收獲期的損失與收獲不及時(shí)有很大關(guān)系，因此要求牧草種子收獲機(jī)能滿足適時(shí)性的農(nóng)藝要求[3]。

減少損失率是牧草種子對(duì)于收獲機(jī)械的另一項(xiàng)農(nóng)藝要求，收獲方式會(huì)影響種子的損失率。如人工收獲與聯(lián)合收獲機(jī)收獲相比，人工收獲方式所用工序較多，在各個(gè)工序中種子都較易脫落。因此牧草種子收獲時(shí)需盡量減少收獲工序以減少損失率，同時(shí)收獲時(shí)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(jī)將牧草割倒，并成條鋪放在割茬地上，在田間晾曬以后，再進(jìn)行撿拾、脫粒、分離和清選等工序。一般牧草需經(jīng)過8～12 d的晾曬，以提高脫粒與清選作業(yè)效率，同時(shí)在晾曬時(shí)間段內(nèi)，未成熟的種子通過自身后熟的特性進(jìn)一步成熟。

分段收獲工藝的優(yōu)點(diǎn)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(shù)量，提高種子質(zhì)量等級(jí)，增加產(chǎn)量。二是經(jīng)過晾曬的種子含水率降低，種子變得堅(jiān)實(shí)。同時(shí)植株上的莖葉已經(jīng)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(jù)氣候條件，晾曬時(shí)間可以靈活掌握。其缺點(diǎn)是兩種機(jī)器配合作業(yè)，增加了對(duì)土壤的壓實(shí)，同時(shí)也增加了作業(yè)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(fā)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(jī)直接收獲法。直接收獲法是用經(jīng)過改裝的谷物聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)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(jīng)過改裝的谷物聯(lián)合收獲機(jī)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(jī)直接收獲法是基于割前脫粒的技術(shù)條件，直接對(duì)牧草種子進(jìn)行收集的方法[4]。

2 國(guó)外牧草種子收獲機(jī)發(fā)展概況

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)牧草種子收獲機(jī)的研究歷史較長(zhǎng)，在20世紀(jì)初就進(jìn)行了大量的研究與試驗(yàn)，并且獲得了很多研究成果。1912年，美國(guó)的Samuel E McCormick和Winchester研制了早熟禾本科種子收獲機(jī)，主要用于禾本科牧草種子的收獲。該收獲機(jī)由3個(gè)旋轉(zhuǎn)的梳脫分離裝置組成，分別對(duì)植株上的牧草種子進(jìn)行分離，最后進(jìn)行裝袋處理。該機(jī)型屬于站稈收獲且收獲損失率較低，能夠滿足當(dāng)時(shí)的作業(yè)要求。1914年，美國(guó)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(lián)合收獲機(jī)。該收獲機(jī)在割草機(jī)的基礎(chǔ)上搭載了種子收獲裝置，實(shí)現(xiàn)了切割牧草到撿拾脫粒的整個(gè)收獲環(huán)節(jié)。1917年，Woodson J Hatheway改進(jìn)了1912年的早熟禾本科牧草種子收獲機(jī)，將原來采集頭中的旋轉(zhuǎn)、梳脫、分離裝置改裝為梳刷滾筒。該收獲機(jī)通過梳刷滾筒內(nèi)徑向排列成指狀的刷子進(jìn)行梳刷，從而實(shí)現(xiàn)牧草種子的采集，同時(shí)通過增加高度調(diào)整裝置，實(shí)現(xiàn)不同高度作物種子的采集，滿足了對(duì)牧草種子收獲的需求。該機(jī)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)且成本低，在操作方面實(shí)現(xiàn)了單人操作。

20世紀(jì)30年代，研究人員根據(jù)苜蓿的生長(zhǎng)特性，成功研制了專用苜蓿種子收獲機(jī)。1933年，一種專用的苜蓿種子聯(lián)合收獲機(jī)被James E Wilson和Hickory Ky兩人共同研制出來，該種收獲機(jī)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(jīng)多孔的種子盤進(jìn)入輸送通道，輸送通道內(nèi)通過內(nèi)外壓差將種子裝入收集袋[5]。1959年，F(xiàn)rancis M Jordan和Lawrence M Jordan研制了牧草種子撿拾聯(lián)合收獲機(jī)，撿拾部件由旋轉(zhuǎn)的刷子組成，作業(yè)時(shí)撿拾部件可根據(jù)地面的高低變化進(jìn)行仿形作業(yè)。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(jī)，當(dāng)種子成熟后，自走式站稈種子收獲機(jī)通過采集頭的梳刷將種子梳刷下來，種子經(jīng)過氣流分離裝置進(jìn)行分離，分離后被送入收集箱內(nèi)。多年生牧草存在倒伏、纏繞、連片等現(xiàn)象，種子收獲難度較大，21世紀(jì)初，烏克蘭科研人員研制出一種多年生牧草谷物聯(lián)合收割機(jī)[6]。

3 國(guó)內(nèi)牧草種子收獲機(jī)發(fā)展概況

近年來，隨著我國(guó)畜牧產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，牧草種子收獲機(jī)收獲效果明顯提高，技術(shù)水平明顯提升，但與國(guó)外畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的牧草種子收獲機(jī)技術(shù)水平還有很大的差距。目前，我國(guó)市場(chǎng)上銷售的牧草種子聯(lián)合收獲機(jī)有兩種類型：一種是由谷物聯(lián)合收獲機(jī)改裝的機(jī)型；另一種是牧草種子專用聯(lián)合收獲機(jī)。

谷物聯(lián)合收獲機(jī)收獲牧草種子一般是在傳統(tǒng)谷物聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)部分零部件進(jìn)行改裝或更換，對(duì)一些工作參數(shù)進(jìn)行改變后，對(duì)牧草種子進(jìn)行收獲。改裝后的谷物聯(lián)合收獲機(jī)除具有原機(jī)功能外，還適應(yīng)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(guó)從20世紀(jì)80年代初，開始使用改裝的谷物聯(lián)合收獲機(jī)收獲草籽。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，這種方法具有生產(chǎn)效率高、改裝成本低、能適時(shí)收獲等優(yōu)點(diǎn)，基本能夠滿足草籽收獲的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，在國(guó)內(nèi)收獲牧草種子中應(yīng)用比較廣泛。

在機(jī)型方面，由吉林工業(yè)大學(xué)與新疆聯(lián)合收割機(jī)廠共同研制的4AZ-1.5型牽引式牧草種子聯(lián)合收獲機(jī)，是經(jīng)過改裝后的谷物聯(lián)合收獲機(jī)的典型機(jī)型，該機(jī)是在新疆-2.5型牽引式谷物聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)割臺(tái)與脫粒裝置等部分進(jìn)行改裝而成，改裝后的牧草種子收獲機(jī)除可實(shí)現(xiàn)原機(jī)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(jīng)過改裝的谷物聯(lián)合收獲機(jī)雖然能夠滿足牧草種子的收獲，但聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，動(dòng)力較大，加之牧草與谷物在產(chǎn)量上的差異很大，有些牧草的草谷比達(dá)60∶1；同時(shí)谷物聯(lián)合收獲機(jī)收獲牧草種子的損失較大、凈度偏低，作業(yè)環(huán)境不如農(nóng)田平整，適應(yīng)性不良。顯然，改裝的谷物聯(lián)合收獲機(jī)不是收獲牧草種子的理想設(shè)備，從20世紀(jì)80年代開始，國(guó)內(nèi)新型專用牧草種子收獲機(jī)相繼被研制出來。

20世紀(jì)80年代末90年代初，機(jī)械工業(yè)部呼和浩特畜牧機(jī)械研究所研制出92ZS-1.5型牧草種子收獲機(jī)。該機(jī)采用割前脫粒技術(shù)，機(jī)器在前進(jìn)過程中通過轉(zhuǎn)刷接觸牧草，牧草的種穗被自上而下進(jìn)行梳刷，在轉(zhuǎn)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(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)刷帶動(dòng)空氣流動(dòng)，在采集通道形成負(fù)壓區(qū)，對(duì)牧草種子進(jìn)行吸附，加強(qiáng)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(jī)外，典型機(jī)型還有9ZQ-3.0型牧草種子收獲機(jī)，這兩種機(jī)型收獲原理相同。

92ZS-1.5型牧草種子收獲機(jī)一般與11.0～13.2 kW拖拉機(jī)配套使用，作業(yè)寬幅1.5 m，作業(yè)速度8～12 km/h。9ZQ-3.0型牧草種子收獲機(jī)(圖1)與25.8 kW以上拖拉機(jī)配套使用，工作寬幅3 m，生產(chǎn)效率2.33～3 hm2/h(35～45畝/h)。兩種收獲機(jī)適宜收獲地勢(shì)一般較為平坦，高低起伏地勢(shì)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(jī)Fig.1 9ZQ-3.0 type gramineous forage seed harvester

我國(guó)其他省市也根據(jù)本地區(qū)的氣候和地理?xiàng)l件，研制了適宜本地區(qū)的牧草種子收獲機(jī)具。如適合川西北高山、亞高山草甸草原及草原坡地作業(yè)的9TZ-1.2型草籽收獲機(jī)，由四川阿壩藏族自治州畜牧機(jī)械研究所研制，在當(dāng)?shù)氐牟葑咽斋@中發(fā)揮了重要作用。

21世紀(jì)初，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院研制出9ZQ-2.7型苜蓿種子收獲機(jī)，如圖2所示[9]。該機(jī)由梳刷采集系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、沉降系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等部分組成，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

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

表1 9ZQ-2.7型牧草種子收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

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

2020年，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)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(jī)(圖3)，該機(jī)由自走式底盤、負(fù)壓采集頭、沉降箱、風(fēng)機(jī)和卸料筒等部分組成，配套發(fā)動(dòng)機(jī)功率103 kW。該機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑小、采集能力強(qiáng)、種子收獲率高和行距可調(diào)，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(shù)、牧草種子沉降技術(shù)、自走式底盤技術(shù)和傳動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)條件下，在試驗(yàn)過程中，9ZZ-3.0型牧草種子收獲機(jī)收獲效果良好。通過互換割臺(tái)，該機(jī)還可收獲禾本科牧草種子，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

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

4 國(guó)內(nèi)牧草種子收獲機(jī)存在的問題

隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，牧草種子的需求量逐年增加，對(duì)牧草種子收獲機(jī)械的需求也不斷增加，而且對(duì)設(shè)備的性能要求也越來越高。

4.1 技術(shù)水平低

我國(guó)牧草種子收獲機(jī)研發(fā)起步較晚，受投入力度不足等的影響，我國(guó)牧草種子收獲機(jī)制造能力與水平比較滯后，現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)量與技術(shù)有很大提升空間。

4.2 草籽損失大、凈度低，適應(yīng)性和可靠性差

草籽在收獲期脫落性較強(qiáng)，收獲過程中收獲機(jī)對(duì)植株的碰撞會(huì)導(dǎo)致種子脫落，這是損失的主要原因之一；收獲后種子中出現(xiàn)莖葉與雜草等雜物導(dǎo)致種子凈度低。同一臺(tái)牧草種子收獲機(jī)在收獲不同牧草時(shí)，由于牧草品種、生長(zhǎng)條件、環(huán)境因素的不同，所收獲牧草種子的效果也不同，收獲時(shí)常會(huì)出現(xiàn)纏繞、堵塞等問題。這些都是現(xiàn)階段牧草種子收獲機(jī)亟須解決的關(guān)鍵問題。

4.3 效率和智能化水平低

近年來，計(jì)算機(jī)與電子技術(shù)發(fā)展迅速，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，但現(xiàn)有的牧草種子收獲機(jī)信息化、自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)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(yù)警，地形變化不能及時(shí)調(diào)整等。

5 牧草種子收獲機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

隨著畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，草種需求量增加與我國(guó)牧草種子機(jī)械化收獲水平低之間的矛盾不斷加劇，適宜我國(guó)牧草種子收獲的精良機(jī)具研發(fā)勢(shì)在必行。

(1)向高質(zhì)量與高技術(shù)水平方向發(fā)展。通過選擇先進(jìn)設(shè)備、優(yōu)化工藝路線、引進(jìn)專業(yè)人才等措施，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量與技術(shù)水平。

(2)向高效率、高可靠性、高凈度、低損失率和強(qiáng)適應(yīng)性方向發(fā)展。在條件適宜的情況下，可以增加采集設(shè)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(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)牧草種子的采集。

(3)向大中型智能化設(shè)備升級(jí)。隨著草場(chǎng)的規(guī)?；⒓s化發(fā)展，以及人工成本的不斷提高，智能化技術(shù)會(huì)更多地應(yīng)用于牧草種子收獲機(jī)上，以提高設(shè)備的可靠性、可控性及生產(chǎn)效率，且大中型機(jī)械會(huì)受到更多用戶的青睞。

(4)聯(lián)合收獲?；谀敛莘N子條件與需求的不同，可以進(jìn)行聯(lián)合收獲。如在牧草種子收獲時(shí)，既需要牧草種子，又需要揉絲后的牧草，則需要一臺(tái)具有聯(lián)合收獲功能的牧草收獲機(jī)。聯(lián)合收獲經(jīng)濟(jì)效益較好，作業(yè)連續(xù)且專業(yè)化水平較高，是未來發(fā)展趨勢(shì)。