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陈志:油菜收获机械化技术进展

日期:2008-05-28  来源:机经网    点击:
一、油菜生产概况
 
    油菜是世界性的主要油料作物之一,是目前全球排名第二的植物油和油粕原料(仅次于大豆),在全球油料产品贸易中占有十分重要的地位。由于品种类型多,适应性广,油菜在世界各大洲均有分布,但主要集中在亚洲、欧洲和北美洲,这三个洲的面积占世界油菜面积的95%,总产占世界油菜总产量的98%,其中:亚洲面积和总产分别占60%和48%,中国油菜面积和总产均占世界油菜的1/3以上;单产以欧洲为最高。中国、加拿大、印度次大陆及欧洲是四大油菜主产区(表1)。
 
表1 油菜主产区分布及其特点
地区分布
主要特点
中国产区
世界第一油菜种植大国,其种植面积和总产量均已接近世界1/3。春油菜产区以一年一熟的白菜型油菜和芥菜型油菜为主,约占中国油菜总面积10%以上;冬油菜产区以一年两熟或三熟制为主,约占中国油菜面积90%左右。
印度次大陆产区
以种植生育期较短的芥菜型油菜和白菜型油菜为主,且主要作冬作物栽培,一般产量不高,每公顷单产在750千克左右,种植面积约533.3万公顷左右。
欧洲产区
已有700多年的历史,其中以法国、德国、波兰、英国及瑞典等国种植面积较大,以种植甘蓝型冬油菜为主,北欧也有部分春油菜。种植油菜单产水平很高,居世界领先水平,油菜品种已经优质化。
加拿大产区
主要种植春油菜,白菜型油菜种植面积约50%左右,甘蓝型油菜种植于偏南部地区。
   
    2001~2006年,世界油菜生产与消费均出现较大增长,种植面积从2331万公顷增长到2735万公顷;总产从3603万吨增长到4855万吨;菜籽油消费量由1320万吨增长到1705万吨;菜籽粕消费量由1998万吨增长到2612万吨。
 
    在国际市场上,亚洲是菜籽的净进口地,中国和日本是两大净进口国,其中又以中国进口量为世界之最;北美是菜籽的净出口地,基本上全部为加拿大所出口。近年中国植物油产需缺口年年扩大,2005年达到1000万吨左右,并呈进一步增长势头,导致油料和油品大量进口。作为生物柴油的理想原料,油菜独有的优势主要表现为以下方面:①适应范围广,发展潜力大;②化学组成与柴油很相近,是生物柴油的理想原料;③利用耕地的冬闲季节生长,可较好地协调中国粮食安全与能源安全的矛盾;④油菜是用地养地的作物,有利于培肥地力,增加后茬作物产量。由于受到欧洲生物柴油产业对菜籽油需求的拉动,中国菜籽油出口出现增长趋势,从2003/04年度的1.5万吨增长到2005/06年度的10万吨,而进口却由36.8万吨减少到10万吨,开始改变菜籽油净进口国的地位。
 
    中国是一个油料消费和进口大国,油菜是中国面积最大和发展最快的油料作物(图3)。油菜在中国油料生产及食油和蛋白质饲料供应中占有举足轻重的地位。它不仅关系到中国种植业结构的调整、优化和近1亿农民的增收,也关系到满足人民生活水平提高、膳食结构改善以及保障国家食物安全的需要,在能源问题和环境问题日益突出的情况下,还关系到中国的能源安全和环境安全,加强油菜生产意义重大。
 
    而与世界油菜生产不同的是,近两年中国的油菜种植面积有所下滑(见图3),直接影响了油菜产区广大农民的利益。中国油菜产业的发展现状是:面积大、总产高、市场需求和发展潜力巨大,但生产规模、成本、价格和质量上存在差距,加工工艺落后,综合效益差,在国际市场上缺乏竞争力。
 
    二、中国油菜机械化发展现状与问题
 
    当今世界主要油菜生产大国,普遍采用机械化播种与收获,很多国家油菜生产上世纪就实现了全程机械化。这些国家和地区油菜生产机械化和规模生产优势使油菜籽生产成本大幅下降,并直接影响了国际油菜籽价格,对中国油菜生产形成重大冲击。例如,中国和加拿大是世界上两个最大的菜油籽生产国,但加拿大是世界上最大的油菜出口国。由于生产经营规模小、机械化程度低,劳动生产率低,中国油菜籽成本为2.61元/千克,而加拿大为0.90元/千克,中国油菜籽单位面积生产成本比加拿大高2倍。由于中国油菜品种成熟不一致、种植以移栽为主等因素的制约,农机和农艺技术很难适应,制约了中国油菜机械化的发展。2006年底,中国油菜机收水平仅为5.2%,机械栽植水平更低,迫切需要大力发展油菜生产机械化。
 
    1.油菜的品种种植方式对机械化作业的影响
 
    中国油菜生产基本还是沿用一家一户,零散种植的老模式,品种不一,规模不一。依据油菜的形态特征、农艺性状将油菜分为白菜型、芥菜型、甘蓝型,不同品种的特性(见表2)。按种植季节分有秋种油菜和春种油菜。中国种植的油菜90%属冬油菜,主要种植于南方以及北方的部分冬暖地区,以长江流域最为集中;中国北部、西部和东北部,以及欧洲北部等高纬度或高海拔低温地带,均以种植春油菜为主。加拿大几乎全为春油菜。
 
    油菜有育苗移栽和直播两种主要种植方式,南方的冬油菜由于受双季稻以及其它晚秋作物收获迟的影响不能及时播种,大多采用育苗移栽的方式种植,以弥补大田生长期的不足。北方的春油菜则不受此种农时的限制,一般采用直播的种植方式。不管是以移栽方式种植的油菜,还是以直播方式种植的油菜,其某些生物特性与稻麦相比很不利于机械化收获:油菜植株下部(大约50厘米以下)茎秆粗壮且坚韧,不易切割;油菜植株体上部(大约60厘米以上)分枝密布纵横交错,分禾困难,而且含水率高对后续的分离、清选十分不利;成熟的果荚在受到拨禾轮、分禾板的拨动、牵拉后极容易开裂,造成落粒损失;油菜各个部位的果荚成熟很不一致,过熟的果荚在机械化收获时会开裂落粒,未成熟的青果荚又会产生脱不尽的现象,也会造成损失。
 
表2 油菜品种特性比较
品  种
外形
生育期
千粒重
产量
含油量
抗性
分布
白菜型
由大白菜演化来的植株矮小,分枝较小,茎秆纤细,而小白菜则相反
150-200天
约3g
35%-40%
抗病性差
中国大部分地区都能种植
芥菜型
植株高大,株型松散,分枝纤细,分枝部位高,分枝多,主根发达
中等160-210天
约1-2g
不高
30%-35%
抗旱、抗寒、耐贫
源于中国土生土长。在中国西南、西北和华北等地种植较多
甘蓝型
株高中等,根系发达,茎叶有明显的缺刻
170-230天
约3-4g
较高
35%-45%
抗病、抗寒、适应性强,增产潜力大
源于欧洲,是中国长江流域现今种植的主要类型
就中国目前油菜收获的现状而言,多数地方基本上还是以人工收获为主。其特点是对收获时机虽然要求不是十分严格,但是劳动强度大,生产成本高,效率极低。如果在收获过程中遇到阴雨天,油菜籽极易发芽、霉烂、变质,造成巨大损失。这就对油菜实现机械化收获有了迫切需要。油菜的机械化收获主要有分段收获和联合收获两种方式。分段收获即先割晒再捡拾、脱粒的分段收获方式。该种收获方式的特点与传统的人工收获工序类似,利用了作物的后熟作用,可以提前收获,延长了收割期,籽粒饱满,产量有所提高,缺点是生产率较低,劳动强度大;联合收获即收割、脱粒、清选作业一次完成的联合收获方式。其特点是效率高,省工省时,尤其在气候条件不好的情况下,有利于进行抢收。进行联合收获的关键问题是掌握好收获时期即适时收获。既不能偏早,也不能偏晚。偏早收获往往产生脱不净和清选损失增大、籽粒清洁度不高等现象,同时还会导致种子过嫩含油量减少;偏晚收获,容易裂果落粒,割台损失率增加。适时收获是保证油菜单产提高的关键。
2.机械化对我国油菜生产成本的影响
 
    中国油菜生产现阶段仍属劳动密集型产业,每公顷用工约150~180个,每亩用工成本占油菜生产总成本的45%以上,而加拿大、澳大利亚等国油菜种植则是全程机械化,公顷用工量不到15个,劳动力成本很低,生产效益大大高于中国。2001年至2004年,中国每公顷油菜生产成本平均都在4200元以上,用工费用占生产成本比重都在45%以上。
 
    机械化程度低,劳动效率低,用工量多是造成中国油菜生产成本高和效益低主要原因,也是制约油菜生产的瓶颈。要突破这一瓶颈,必须变革现有的油菜种植方式,实施简化栽培,推广油菜生产全程机械化,降低生产成本。实现机械化收获,全国每年油菜收获至少减少成本10亿元,机械收割比人工收割每亩还可增收15~25元。机械化收获可显著提高油菜生产的劳动生产率,同时,还提高了油菜籽的商品品质。实现油菜机械化收获,促进油菜生产发展,对于促进农业增产,农民增收具有现实意义。
 
    3.国内油菜收获机械技术发展情况
 
    中国油菜收割机的研制,可以追溯到20世纪60年代,江、浙、沪种植油菜的地区均做过用稻麦收割机进行油菜机收的尝试,如近几年北方少数油菜种植地区,把油菜联合收割机的开发建立在技术较为成熟的稻麦联合收割机平台之上,对大型谷物联合收割机稍加改装来收获油菜,这种思路使得开发难度和成本降低,周期缩短,也符合农民的购买能力。但普遍存在着改制过于粗浅,技术含量不高,收获损失严重等问题(总损失率达15%~20%)。
 
    近年来,各农机部门为实现油菜收获机械化做了不少尝试和探索,研制出了一些油菜联合收获机具,大多是以全喂入式的稻麦联合收割机改装或改制为主,具体来说,在农机方面主要做了以下几方面的工作:
(1)分禾器的改装:油菜茎秆高,分枝多且相互交叉,分禾难度比小麦、水稻大得多,油菜挂在割台分禾器上,影响连续分禾作业,并且增加割台损失。为此,有的机型把原来的左分禾器拆除,换为左分禾板,以改善分禾质量。有的机型还装有前挡板,目的是为了减少割台损失。
 
 (2)切割装置的改进:油菜的茎秆比小麦水稻的茎秆粗且坚韧,所需切割力较大,故有些机型的割刀传动采用摆环机构代替曲柄连杆机构,以增加动刀杆驱动强度,减小震动。或安装圆盘切刀:在外分禾器处增加圆盘切刀,将交织的枝序切断,对收割分枝较多、交错严重的油菜较理想,但在切割时要损失一部分果角。
 
(3)筛面的更换:油菜籽的尺寸要比稻麦籽粒的尺寸小得多,因此必须把筛面更换为适合于筛分油菜籽的筛子。有的机具换的是油菜专用筛;有的机具是把原来的鱼鳞筛换为加密圆孔筛。
 
(4)其它改进:有的机型为减少损失增加了二次回收搅龙,并设置了杂余回收装置及杂余收集箱;为增大分离面积,有的机具采用了加密栅格式凹板筛;为减少脱粒损失,有的机具还将脱粒滚筒与凹板的间隙作了适当调整。
 
    根据有关试验研究资料显示,改制出的油菜联合收获机械从平均水平上讲,总损失率约为15%~20%,破损率约为2%~3%,出口菜籽含杂率约为20%~30%。普遍存在着分禾困难、损失率及含杂率高等问题,广大农民难以接受,整机质量急待提高。正因为上述原因,直到现在油菜联合收获机械仍处于研制、试验阶段,成熟的机型及批量生产的几乎没有,远远落后于种植业的发展,远远不能满足实际生产的需要,油菜机械化收获的市场还没有真正启动。
 
    4.实现油菜收获机械化的制约因素
 
    油菜籽粒细小,果荚容易炸裂,在大面积机械化生产中,收获是一个重要的环节。收获不当,损失严重,高产不丰收。在水稻、小麦、玉米、大豆、花生、油菜和棉花这7种作物中,油菜是劳动力成本占总成本比例最高的作物。
 
    目前主要机型以传统的全喂入式联合收割机改型机为主,但存在的问题较多。如:总损失率高(15%),含杂率高(10%),且适应性差。
 
    (1)机械收获油菜技术上有一定难度。油菜上应用的收获机械大多是为收获小麦等作物设计的,由于油菜植株高大,分枝数多,植株间相互交织在一起,割晒机或联合收割机上的外分禾器难以将植株分开,所以操作时经常将分禾器两侧的植株连根拔起而发生堵塞,工作效率很低。油菜生物学特性,决定了油菜机收时造成分禾、脱粒分离困难和炸角损失,实现对油菜的机械收获必须重点解决这些关键问题。
 
    (2)适宜品种急需配套。油菜生产全程机械化对油菜的品种也有一定的要求,一要株高适宜,适合全程机械化生产的油菜品种株高不宜过高,以高1.5~1.6米最为合适;二要抗倒伏;三要耐菌核病,染病植株易早枯,成熟提前,成熟期不一致也会增加机收损失率;四要耐裂角。另外,油菜的农艺、生物特性对其机械化收获有着重要影响,其某些生物特性与稻麦相比很不利于机械化收获。
 
    (3)油菜栽培方式有待改进。加拿大、欧洲等油菜生产大国油菜生产几乎全部采用直播方式。直播油菜密度在每亩2万~2.5万株,以群体拿产量,单株生长量不高,主要以一次分枝和主轴为主,适合机械化收割,机收损失率可以控制在5%以下。而中国南方地区油菜生产以育苗移栽方式为主,密度在每亩6000~8000株,低的甚至在4000~5000株,以个体抓产量,单株生长量大,茎秆粗壮,一次分枝和二次分枝交叉缠绕,株高达1.8~2米,机械收割速度和效率低下,损失率都在10%以上。
 
    (4)现有机型技术不成熟,影响农民的购机积极性。现在机型大多是在原有稻麦收获机的基础上改装而成的,专用的油菜收割机研究还不成熟。国内稻麦联合收割机改装的油菜收获机售价一般在7万~8万元左右,价格虽然较低,但目前购机的农户还是寥寥无几。近几年,从国外进口的一些较适合国内使用的机型高昂的价格又让农民望而却步,如德国产的“黑格”油菜收获机国内售价高达100多万元。
 
    (5)小规模种植影响油菜机械化收获。目前国内无论是北方地区还是南方地区,油菜种植田块都较小。尤其是南方地区,很多在田边、地头、坡地上种植,大田种植又存在夹种套种现象,不易实现机械化收获。
 
    5.国外油菜收获机械化发展情况
 
    世界种植油菜的国家有24个,收获面积超过100万公顷的有中国、印度、加拿大、德国、法国和澳大利亚等六大油菜主产国。油菜的直接联合收获和分段捡拾收获方式在这六个主产国各有发展。其中:加拿大、美国直接联合收获和分段捡拾收获方式并存,英国以分段捡拾收获为主,德国以直接联合收获为主,印度采取割放晾晒后场上脱离方式。
 
    直接联合收获的特点在于快速收获,降低作业成本;分段捡拾收获的特点在于:早收防秋霜、加速干燥,尤其在生长期短的区域;早收利于下茬作物种植,但不适应小地块、茬口紧的区域;减少风害倒伏、落粒;利于大规模农场提高收获及时性;早收切草防止草籽成熟、减少草籽混杂及下茬杂草。
三、中国油菜收获机械化技术发展的主攻方向
    1.油菜生产机械化发展思路
 
    近年来中国油菜机械耕整、开沟、植保、施肥等环节机械化生产技术基本解决,油菜直播、收获机械化技术取得重要突破,播种、收获机具的开发生产已经起步,呈现出良好发展态势和广阔发展前景。由于油菜品种成熟不一致,种植以移栽为主等因素的制约,农机和农艺技术的结合还存在着困难,在一定程度上制约了油菜生产机械化的发展,全国油菜生产机械化还处于较低水平,影响了农民种植油菜的积极性。大力提高油菜生产机械化水平,已经成为巩固和发展油菜生产的迫切需要。
 
    《国务院办公厅关于加快促进油料生产发展的意见》中明确提出了提高油料生产机械化水平的战略部署:要求坚持农机与农艺相结合,积极支持油料播种、收获机械研究和开发,结合机械作业调整油料品种选育目标,推进油料生产机械化,切实解决油料生产劳动强度大、费工费时问题。进一步增加农机具购置补贴项目资金规模,支持发展油料生产机械化,抓紧启动重点油菜产区全程机械化工作试点。
 
    油菜收获机械化技术的研究开发必须充分考虑到国情,注意运用稻麦联合收割机中的成熟技术和有关经验,在引进、试验、消化、吸收国外先进技术的基础上,灵活地将国外技术与本国相关技术(如稻麦收获机械化技术)相结合,把开发油菜收获机械化技术作为主攻方向,寻求突破。
 
    油菜联合收获机械化技术的开发,针对不同的对象分别采取不同手段,针对油菜收割台部分,国内研究的不多、不深,可通过试验,直接吸收国外技术,如功能件的采用、结构、尺寸、参数等;针对主要工作部件,除脱粒、分离、清选装置外,还有输送、秸秆切碎、抛撒装置等,可将国外机与国内稻麦联合收割机进行对比、试验,以改进、改造已有的稻麦联合收割机相应的装置为主;底盘部分国内技术相对成熟,可直接采用或适当改进采用;针对可备功能部分,如监控系统、灯光系统等,视需要情况,直接借用现有成熟装置。
 
    2.冬油菜联合收获损失试验测定结果及分析

   (1)轴流式联合收获机(Axial Flow Combine)损失试验测定。16天的收获期内:单位面积总损失量为4.41~13.21千克/亩。前后期损失以割台损失为主,中期(10天左右)以脱粒清选损失为主。

    (2)轴流式与纹杆键筛式的基本性能比较。通过8台轴流式联合收获机和6台纹杆键筛式联合收获机的作业总损失的测定比较发现:轴流式总损失率明显较低,性能优于纹杆键筛式。从轴流式与纹杆键筛式联合收获机的基本性能比较来看,同等功率轴流收割机分离能力相当于两台配置脱粒滚筒、6键4阶分离系统收割机,总损失率相当;而同等功率的传统收割机加大喂入量后,损失率急剧上升。

    轴流式优于纹杆键筛式,主要原因在于:①油菜分离清选以键筛振动/轴流装置桨叶搅动为主;②纹杆键筛式各装置作业参数调整、配合优化的影响因素多,作业质量保证能力差,如:上筛开度6-9mm,下筛开度3-6mm;滚筒转速(Ø46 cm)450-600 rpm,线速10.8-14.4m/s);滚筒凹板间隙(前40-50 mm,后3-13 mm);风机转速要视品种和干燥程度比稻麦收获调低40%左右。

    (3)冬油菜分段收获损失试验测定结果(表3)表明:捡拾脱清损失为1.75~2.79千克/亩,占总损失15.4%~27%,比直接收获损失降低近一半;割晒损失为4.74~15.37千克/亩,占总损失73.0%~84.6%,比直接收获损失高一倍。从收获总损失率来看,直接联合收获(11%)与分段割晒捡拾收获(10.7%)可以同时并存。对于分段割晒捡拾收获方式,由于割台损失比较高(占产量的3.0%~9.6%),技术主攻方向应是降低割台损失。对于直接联合收获方式,在掌握好收获时期即适时收获的条件下,由于割台损失(2.1%~4.5%)和清选分离损失(2.4%~3.4%)均比较高,其技术主攻方向应是降低割台损失,同时采用轴流脱粒清选。
 
表3 冬油菜不同收获方式损失比较
 
直接联合收获
分段割晒捡拾
总损失(%)
11.0
10.7
自然裂荚损失(%)
4.7~6.4
0~1.8
割台损失 (%)
2.1~4.5
3.0~9.6
清选分离损失(%)
2.4~3.4
1.1~1.7
 
    3.油菜机械化收获技术主攻方向
 
   (1)机械化收获与农艺栽培/品种措施:
 
    强化对适合机械化生产的品种与各种机械及栽培技术的技术攻关,提高油菜生产效益。品种上需紧凑型植株,减少割台损失;少裂荚,减少落粒损失;抗倒伏,减少割台损失。栽培上采用畦带种植,与割幅对应,减少割台损失;采取品种和水肥管理综合措施,保证花期集中,提高成熟一致性,便于把握适收期,减少损失。
 
    (2)收获机械降低割台损失的调整措施
 
    ①收获油菜籽时,在割台前部插上喂入延伸板和侧割刀,割台割刀至搅龙的距离增加至50厘米,减少收获损失。
 
   ②增设分禾板:在割刀前部交错布置厚1厘米,长度33/43厘米的分禾板;并使其与割刀切割面向下倾斜一定角度。前端低于割刀,后端高于割刀,形成稳定扶持切割,减少对油菜冲击,降低损失。

    ③标准割台割刀后、搅龙前部增设辅助输送器。加装辅助输送器后,搅龙前裂荚减少,由标准割台损失6.90千克/亩降低到3.93千克/亩,割台总损失减低43%;加装了辅助输送器后,可使割刀部分向后输送流畅,由标准割台的割刀损失3.72千克/亩降低到1.80千克/亩,损失降低50%以上。

 
(3)收获机械降低脱粒/清选损失的结构措施
 
    新型脱粒分离装置的研究,以提高生产率,减少谷粒损失为目标,是现代联合收割机最主要的发展趋势。在传统的纹杆切流滚筒及键式逐镐器的脱粒分离装置之后,双滚筒横置的轴流式结构广为应用,继而又研制了单滚筒或双滚筒纵置的轴流式脱粒分离结构。轴流分离清选系统:能够适应油菜打击/揉搓/搅动为主的脱清要求。
 
    钉齿轴流脱粒滚筒脱油菜时,打击力度大,茎秆破碎严重,夹带损失大,脱出物中杂余(荚壳和短茎秆)较多。过去使用的纹杆轴流脱粒滚筒揉搓作用强,但易堵塞。如将钉齿轴流脱粒滚筒与纹杆轴流脱粒滚筒的优点结合起来,避免它们的缺点,可提高脱粒质量。依靠纹杆的揉搓作用实现油菜的脱粒,打击器一方面配合纹杆的脱粒,另一方面可避免滚筒堵塞,适当减小凹板筛的栅格间距,也可提高油菜的脱粒质量。此外,如在脱粒滚筒排草口处装碎草刀,可以解决油菜茎秆长,还田困难的问题。
 
    实施上述措施后,可能的新型油菜联合收获机构造:首先,调整割台割刀至搅龙距离,使之大于40cm;同时加装延伸板或交错式扶禾板以及辅助输送器等有效降低割台损失。其次,采用轴流式脱离分离系统,在打击、搅动和揉搓联合作用下,减轻籽粒清选筛负荷。然后取消现有机型上的键筛、杂余搅龙和杂余升运器。
 
    当前中国油菜生产既面临新的发展机遇,也面临着严峻挑战,生产成本高、质量标准低是国际市场竞争力弱的主要问题,其直接原因是种植手段落后、土地经营规模小、活劳动投入大。在小麦、水稻生产机械化快速发展、机械化水平已经有了很大提高的形势下,油菜生产机械化的发展已成为中国农机化发展又一重要任务目标。只有加快发展油菜生产机械化,应用现代化技术生产,才能降低生产成本,提高产品质量,增强面向国际市场的竞争力。同时,加快推进油菜生产机械化的进程,对于提高农村生产力水平,加快农村劳动力转移,促进农民致富,解决好“三农”问题,都具有非常重要的现实意义。油菜全程机械化作业的瓶颈不仅在于配套机械的研制,还在于油菜自身特点的局限性。实现油菜收获机械化是一项系统工程,不仅从收获机械方面着手,也要从育种和农艺栽培技术方面着眼,走农机与农艺相结合的道路,走技术创新的道路。
 
  (中国农机化科学研究院院长 陈 志
 

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