欧洲和中国的韧皮纤维作物收获策略

2016-05-10马兰

中国麻业科学 2016年1期

马兰　译

欧洲和中国的韧皮纤维作物收获策略

马兰译

摘要:世界上大约有两千种生产天然纤维的植物，但仅有少数植物具有重要商业价值，它们满足全球近90%的天然纤维需求。有史以来，为了获得食物和庇护所，人类需要用纤维生产绳索、工具、衣服和拦网等。其中最有生产力的主要纤维植物，无疑是韧皮纤维作物。韧皮纤维来源于具有厚壁组织纤维的韧皮纤维作物，如亚麻、大麻、红麻、苎麻、荨麻、黄麻等。

目前，在欧洲和中国，韧皮纤维常应用在纺织、建筑、汽车等领域。近年来，作为一种能生产强度大、重量轻复合材料的可再生原料，韧皮纤维也因此受到重视。但是，农业产业链中有一些因素限制了纤维作物及其产品的广泛商业化。但从农艺观点来看，收获技术差距是阻碍一些作物充分开发利用的部分原因。比如，生产优质纺织纤维首先取决于原料质量，而这又和接受收获系统的效率等其他因素有关。在大多数情况下，这些收获系统是根据可用的解决方案，结合当地具体的农业实践，在本地开发出来的。本文的目的是介绍欧洲和中国现有的韧皮纤维作物机械收获系统，特别是关于大麻、亚麻和红麻的机械收获系统情况。此外，还将描述在最近几年为改善收获过程所采用的创新，以提高纤维作物及其产品的价值。

关键词:韧皮纤维;机械化;收获;亚麻;大麻;红麻

1　引言

在古代，植物是满足人类有关食品、衣服和庇护所需求的基础。即使过去像动物的皮毛和皮革等材料，也常用来满足人类特别是衣服的需求，但还是不够。在那个时期，人类也需要某些形式的绳索来制造基本工具、陷阱和拦网等，用于获取食物和提供住所。因此，从各种植物的茎、叶、根等所得到的柔性纤维，能很好地满足上述目的。目前，已知约有2000种植物生产天然纤维，但仅少数纤维作物具有商业价值，它们提供了全球大约90%的天然纤维产量［1］。大部分天然纤维来源于韧皮纤维作物。韧皮纤维是植物韧皮部的厚壁组织纤维。这些纤维从顶端分生组织随初生分生组织分化而来，或随侧生分生组织产生的次生分生组织，形成层活动形成，与茎秆的维管组织相关［2］。重要的韧皮纤维作物有亚麻、大麻、红麻、苎麻、黄麻等。

目前，韧皮纤维在纺织、建筑、汽车等行业中应用较多。最近，韧皮纤维作为可再生原料受到重视，它可生产强度大、重量轻的复合材料、具有多个可替代玻璃纤维的优点［3－4］。如今，在汽车内饰、农业和汽车外板、吸音隔热、家具、休闲运动用品如网球拍、滑板、自行车框架、海洋产品和建筑材料中均有天然纤维复合材料的应用［5］。

从收获的茎秆中提取韧皮纤维，通常涉及到一个过程叫做脱胶。对于大多数纤维作物最常见的脱胶方法为“雨露沤麻”，即把收获的茎秆留在地面上数周，以便微生物降解果胶，果胶是连接纤维和周围组织的一类杂多糖结构，这样在最后的机械处理过程中，纤维容易分离［6］。

纤维作物农业管理的一个关键要素是机械收获。实际上，大多数情况下，这些作物的收获系统是基于可用的解决方案，结合当地具体的农业实践在当地开发的［7］。这意味着需要在国家和国际层面上传播有关现有技术和机械创新的信息。

本文概述了欧洲和中国的韧皮纤维作物特别是大麻、亚麻、红麻的机械收获系统。目的是总结在欧洲和中国收获相同韧皮纤维作物可能的解决方案。此外，该研究将重点分析和说明，为改进收获过程和提供优质纤维，近期已应用于机械收获技术上的创新。最后，还将提出机械联合收获(纤维和种子)的解决方案。

2　欧洲大麻机械收获系统

2.1整秆收获

通常，大麻纤维产品是在雄株盛花期时收获。这个时期对应的主要韧皮纤维(原麻)的产量最高［8，9］。与大多数纤维作物不同，因为大麻植株高( 2–3米以上)，茎粗硬［10］，相对较高的绿色质量产量(超过50吨/公顷)［8，11］和纤维含量( 5–6%的绿色质量)［12－17］。

整秆收获时，为便于收集和处理，大麻茎秆保持整秆或长段状。收割后的茎秆，按割幅被平行放在地面上，或经人工收集捆扎成茎秆堆进行空气干燥［18］。用这种收获方式得到的长纤维材料可用于纺织。然而，机械收获系统能够提供给打麻线的加工材料仍然是受限的。这是因为转化产业需要的茎秆部长度不到1米。事实上，由于目前欧洲缺乏大麻打麻线，大麻材料通常在亚麻打麻线上处理，一般来说，处理的茎秆长度不到1米［19］。ZK－1，9型( SEL’MASH，Bezheck，俄罗斯)是用于整秆收获的一种机型。该机的最初设计是切割并平行有序铺放大麻茎秆。该机安装一个特殊的输送机，可代替过去人工进行的砍麻、捆扎和堆放干燥的操作过程［20］。

2.2分段收获

分段收获方式中，大麻收割后，被切段或切碎，形成料堆，或统一修剪茎叶后无序地放在地上。相对于整秆收获，分段收获机器的使用效率得到了提高，但这种方式有损剥制后的纤维质量。事实上，这种方式得到的纤维很难用于纺织行业［2］。

第一台机器是HempCut 3000 / 4500( HempFlax，Oude Pekela，荷兰)，也是欧洲最常用的机器。该机最初叫“HempFlax / HempCut 3000 / 4500”，后来，Wittrock公司( Rhede，德国)根据工作幅宽进一步研发成HempCut 3000或4500，该机成为在全球范围销售的机器(图1)。Kemper公司( Stadtlohn，德国)为HempCut机器研发了一个改进的机头和一个单刀切割滚筒。机器运行时，植物茎秆纵向喂入切割滚筒，被切成约600–700毫米段，直接下落堆在滚筒下面［21］。另一台名为“Bluecher02 / 03”［22］机器是在20世纪90年代末开发的(图2)。以上两类收获系统的基本理念是大麻植株被切成600－700毫米段之前，保持初始的植物排列状态。首先，输送机构在垂直位置维持和收集麻茎，接着，在茎秆铺放前，通过位于滚筒固定位置的切割盘，切断在自然位置保持直立的茎秆［2］。

图1　Claas Jaguar 830(带Kemper机头)Fig.1　 Claas Jaguar 830 with Kemper header

图2　Blücherho02安装在自走式纽荷兰1905上Fig.2 Blücherho 02 mounted on self－propelled New Holland 1905

第三个大麻收割系统是在金属框架上安装简单的刀架，由拖拉机驱动和控制。为了获得满足处理设备要求的茎秆段，设计了这些刀架的排列方式，并把他们安装在距离地面不同高度的位置上。Clipper 4.3 MMH( Tebeco，Praha，捷克共和国)(图3)就是这类大麻收割系统的一个机型。这款机器的三个刀杆长4米，它们按加工设备所需把茎秆切分成1米长的茎段。该机配有基于刀具的切割系统，在工作期间，该刀具能进行高频切割和持续自锋利［23］。基于刀杆的收获系统切割的物料，铺满整个田地(大片)，这有利于物料沤制，而且现场干燥均匀，快速。该系统的缺点是，如果由于风或其他原因，茎秆没有呈直立状态，(切割后的)茎段长度会增加，导致后续的加工问题［2］。表1总结了三个收获系统所使用机器的性能。

图3　Tebeco Clipper 4.3 MMH－大麻茎部留在地上铺满田地Fig.3　 Tebeco Clipper 4.3 MMH－the stems sections are left onto the ground occupying the full field area

表1　三种不同大麻收获系统的特点和性能比较Tab.1　 Comparison of characteristics and performances of the three different hemp harvesting systems

3　欧洲大麻收获系统创新:联合收获机

天然纤维和药用植物研究所( Poznań，波兰)进行了联合收获技术研究，开发了名为“KR”拖拉机牵引式大麻收割机，能同时收获大麻的茎秆和麻穗。该机是在俄国机械ZK－1，9的基础上研发的。改进的大麻收割机集合了三种操作:收割茎秆，将茎切为三段，以及分离茎秆和麻穗。收割的麻穗被收集到挂在收割机上的拖车里。茎秆被切割成70厘米长，铺放在地上，进行部分干燥或浸沤。茎秆段被平行铺放成条带，以便打包机收集，打包成农业常用的圆柱形包或方形包。脱胶茎秆的浸沤层需要一些处理，如茎秆翻动或向上移动，来确保脱胶纤维的质量好，可用典型的纤用亚麻机来实现这些操作。

根据收割时间收获的麻穗，可用于提取精油(大麻在开花期收获)或种子(大麻在种子完全成熟期收获)。种子和干穗分离可用农业常用的谷物联合收割机或种子脱粒机进行。这种新技术允许不带专门的脱粒机，而这种带专门脱粒机的方式与过去在东欧国家使用的大麻收割技术相关。

开发出的大麻收割机工作宽度为1.9米，工作能力为2.4公顷/小时。该机器的技术特点包括:两个圆形锯代替分层滑轮，叠装台轴部件，液压推进工作部件。图4为该机器的视图，其性能如表2所示。

图4　收割机KR的现代化切茎部件Fig.4 Modernized stem cutting section of KR mower.Author: Ryszard KaniewskiInstitute of Natural Fibres and Medicinal Plants作者: Ryszard Kaniewski天然纤维和药用植物研究所

表2　KR大麻收割机的技术数据Tab.2 Technical data of the KR hemp mower

另一种称为“双切割系统”的创新收获系统由HempFlax公司研发。这一系统包括传统Hempcut 4500和改进的联合头部。输送带输送替代了螺旋升运，它输送茎秆到机器一侧，分成两部分:一部分是茎的下部，另一部分是茎秆上部( 60－70厘米长)(图5)。上部头部可通过升降装置向上和向下移动。该系统从2012年开始投入使用，可用来收获种子和叶子。经过短期干燥，带种子的茎秆段可以用带常规拾取器的常用联合收割机捡起。

图5　HempFlax双切割系统机械Fig.5 HempFlax duble cut system machine

4　欧洲亚麻机械收获系统

亚麻是一种直立的一年生植物，能长到1.2米高，有细长的茎［24］。它被认为是世界上最古老的纤维作物之一。事实上，亚麻织物产品至少可以追溯到古埃及时代。亚麻纤维强度是棉花纤维的两倍，羊毛的五倍，湿润状态时，其强度提高了20%［25］。收获期为8月到9月，此时植株达到理想的成熟度。制作亚麻布的亚麻有三级成熟度:绿色、黄色和棕色。黄色已被证明是最合适的，因为(此时的)纤维长而柔软，非常适合进一步加工处理。亚麻拔地太早—绿色—纤维很好但强度低;另一方面，过熟亚麻—棕色—茎秆很强，但较脆，会产生很多不良的短纤维［26］。

亚麻机械收获的早期步骤包括从地里拔出亚麻并有序铺放。拔麻机拔出(不是割断)整株亚麻，以保留茎，所以纤维具有长纤维亚麻的固有特征［27］。拔麻机主要由西欧国家的公司如Dehondt( Note－Dame－de－Gravenchon，法国)，Union( Beveren Leie，比利时)和Depoortere( Beveren－Leie，比利时)生产制造。

植物一旦被拔出并有序铺放，雨露沤麻便开始进行。这可能需要2周到2个月的时间，雨露沤麻的结束取决于天气条件［6］。在雨露沤制茎秆时，要翻动，以保证均匀脱胶。市场上可用的翻麻机械，有些是由西欧的公司如Dehondt和Union生产的(图6)。

图6　Dehondt自走式双行翻麻机Fig.6　 Dehondt self－propellled double tuiner machhine

沤制过程完成后，便可准备打包这些植物。这个过程可用自走式或牵引式亚麻打包机完成，在滚筒里形成规则的亚麻层，规则的亚麻卷层将确保后续处理更容易。亚麻打包机主要是由西欧的几家公司生产。例如Dehondt公司、Union公司和Vlamalin公司( Tielt，比利时)生产的打包机最受市场欢迎(图7)。打包结束后，亚麻捆被装上拖车，运到打麻车间进行处理。

图7　Union亚麻打包机Fig.7　 Union flax baler

5　欧洲亚麻创新性收获系统的发展:联合收割机

上述机器专门设计用于收获和处理亚麻茎秆，仅仅用于纤维生产。然而，栽培亚麻也生产种子。种子收获是用联合机械，在一条通道上，完成收割、脱粒及风选。一旦种子从植物上分离出来，剩下的干叶和茎秆则向后落下成条铺放，最后收集打包［28］。在此过程中得到的纤维材料质量低。因为这个原因，它不能用于纺织工业或其他需要高品质纤维的生产链中。

为了克服这一问题，Union公司研发了一种创新收获系统，该公司开发的一种翻麻脱粒机，既能收获种子又可以同时保留亚麻纤维。这些机器既有自走式的也有拖拉机牵引式的。基本上，在一条通道上机器翻转亚麻料堆，以保证均匀脱胶，并同时进行种子脱粒。机器在行进中，将种子通过鹅颈管横向卸载到拖拉机牵引的拖车上，拖车在翻麻脱粒机后面的通道上行走(图8)。

图8　Union翻麻脱粒机Fig.8　 Union turner－deseeder

6　欧洲和中国红麻机械收获系统

红麻是一种一年生或二年生草本植物，高约1.5－3.5米。茎秆通常分枝，直径为1－2cm［29］。茎秆含韧皮纤维26%－35%(干重)。纤维的平均长度为2.5毫米，可为制浆及造纸提供理想材料［3］。红麻韧皮纤维的其它用途有绳索、复合材料和粗布。根据作物的最终用途，红麻可收获鲜茎或干茎。新鲜材料在开花时收获，而冬季的干枯植株仍竖立在地里，剩余的叶与茎秆被空气和生物部分降解，此时收获得到干茎。考虑到其他因素，鲜茎或干茎在使用上各有优缺点，一般情况下，从鲜茎中提取的纤维更有价值，可用于更多的用途，这种观点已被广泛接受［30］。

目前广泛用于收获红麻纤维植物的收获系统有三种。一种是基于甘蔗型收割机的使用:这些机器，类似或与传统的甘蔗收割机相同，即使用圆形切割刀片或旋转刀具切割植物基部茎秆，高处叶子和稍部。然后，干净的茎秆垂直通过设备，成条铺放在田间干燥。一旦茎秆干了，便可用其他甘蔗设备拾取，放在拖车里。该收获系统既可用于收获鲜茎也可用于收获干茎［31］。2003年日本测试了改良甘蔗收获机样机。该机采用改进的旋转刀具系统，具有较高的生产率，能收获鲜茎和干茎。除了改进的切割系统，该机还装配了生产无叶的20－22cm长鲜茎的刀具系统。在机器行进中，滚筒去除叶子后，经风机吹出，随后把茎部收集到网袋内或装上拖车(图9)［32］。

图9　日本红麻用甘蔗式收割机( Kobayashi et al.，2003)Fig.9　 Japanese sugarcane type harvester for kenaf( Kobayashi et al.，2003)

用于收割红麻的另一个系统是基于机械模型4GL－180II(禹城亚泰机械制造有限公司，山东，中国)的。本机设计收获的植物是黄麻、芦苇和红麻［33］。它有一个切割杆系统，能砍掉高于地面50mm的茎秆。切割后，整个作物被传送至机器的后部，并直立靠在传送带的金属支撑装置上。随着机器的行进，茎秆逐渐累积在金属支撑装置上，最后成条铺放。制造商的数据表明，该机器是由一个38kw发动机提供动力，净重为2000kg，工作效率为0.68－1ha/h，工作宽度为1800mm。植物束需要人工集堆进行干燥。

红麻收割最终可以使用联合机械［34］或更简单常见的割草机和打包设备［35］。这些系统在红麻生产、收获和加工系统中已被广泛验证。实际上，已表明标准饲料切割、切碎和打包设备可用于红麻收获，无论红麻作饲料或作纤维作物［36］。切割和堆料后的原料可以打包成小型和大型方捆或大型圆捆。在美国棉区，棉花的打包模块已成功测试了田边存储的切碎红麻［37］。

7　讨论

直到20世纪60年代，欧洲大麻大部分才是机械收割的。过去往往是手工完成收割和剥制纤维。在工业化时期，除了机械不发达的地区，这种繁重的工作被放弃。在中国，除了某些情况，纤维作物的收割和纤维提取仍采用手工方式［38］。随着中国农村地区工业化及发展的加速，纤维作物正在被弃种。因此，有必要在中国建立一个合适的纤维作物收获及物流系统。

研究表明，当前用于普通纤维作物的机械收获系统、商业机器及原型机器的创新设计提高了收获链。例如在20世纪，亚麻纤维的高工业需求，促进了先进高效机器及加工设备的发展。这些机器经长期改进，现在能生产高质量的纤维。这决定了整个产业链的成功。如今，亚麻收获系统的技术水平是先进到足以充分利用该作物。实际上，联合收获系统的引入，可以实现种子收获，同时沤茎均匀。然而，强调仍需要基于联合收获系统机械测试的科学依据，来确认创新的效果是重要的。

例如在20世纪60年代，雌雄同株大麻产业化栽培的引进，为收获机械化创造了新的可能性。这是因为不同于雌雄异株植物，雌雄同株大麻品种的特点是所有植物都同时成熟，纤维含量和质量更均匀［39］。然而，与亚麻不同，大麻产业链成效不大可以归因于不同因素。问题主要与目前欧洲加工处理生产线效率低下［19］和缺乏可提供优质纤维纺织品的机器相关［2］。因此，最初的想法是将亚麻机器和加工设备应用于大麻。仅农业研究委员会( CRA－ING)的工程部通过在法国开展使用亚麻翻麻机、打包机、加工线试验［40］的工作成功显示了这种可能性。试验表明，1米长大麻茎段可能会被转动、打包，并用亚麻机械加工，但由于缺乏切割1米长茎段的机器，这阻碍了收获链的完成。大麻机械收割的另一个差距是缺乏联合收获机。然而，随着近年Hemp－flax公司和在波兹南天然纤维和药用植物研究所开发的创新型机器，这一问题也可以解决。

8　结论

由于纤维作物和可持续生物质生产链的强烈革新需求，强烈建议在欧盟和中国之间开展纤维作物相关研究交流活动。为促进合作，欧盟资助FIBRA项目，由广泛利益相关者参与，旨在为欧盟和中国之间未来的合作研究，提供长远眼光的规划。

鉴于此，本文概括了欧洲和中国常见的亚麻、大麻、红麻收获系统，重点介绍了最近已应用到机械收割系统提高产业链和确保生产优质纤维产品的创新，也介绍了成功收获种子和纤维的联合收获机械。然而，研究也强调，红麻联合收获技术研究还存在很大差距。

此外，其他韧皮纤维作物如荨麻、苎麻、黄麻如今也受到很多关注［41－44］，但这些作物的机械收获系统仍然有限。因此，未来也应重点研发这些作物的机械系统。

本文译自: http: / /www．sciencedirect．com/science/article/pii/S092666901400555X

Harvesting strategies of bast fiber crops in Europe and in China，Industrial Crops and Products，2015，68: 90－96．

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《中国麻业科学》征稿启事

《中国麻业科学》杂志于1979年创刊，系农业部主管，中国农业科学院麻类研究所主办，中国农业科学院南方经济作物研究中心、国家麻类产业技术体系协办，面向国内外公开发行的我国唯一的麻类作物、麻类纺织科技专业期刊。是全国农业核心期刊、《中国学术期刊综合评价数据库》来源期刊、《中国核心期刊(遴选)数据库》来源期刊、《中文科技期刊数据库(全文版)》来源期刊。国内统一刊号: CN43－1467/S，国际标准刊号: ISSN1671－3532，邮发代号: 42－283。

本刊栏目设有:遗传育种·种质资源、原料生产·生态环保、综述、调查研究、论坛、译文、简报、简讯、统计资料·供求信息。涵盖了麻类行业科研与生产的方方面面，集学术性、权威性、指导性于一体，深受国内外广大读者欢迎。现征集麻类作物科研与生产、麻纺科研与生产及其他经济作物科研与生产的文章。

来稿要求如下:

1、来稿确保非一稿多投、不涉及保密、无署名争议、不使用已经在其它刊物公开发表的文稿;

2、稿件应具有科学性、先进性和实用性，要求论点明确、论据可靠、数据准确、逻辑严谨、文字通顺;

4、计量单位以国家法定计量单位为准;统计学符号按国家标准《统计学名词及符号》的规定书写;

5、来稿需提供标题、作者、工作单位、摘要、关键词、表(图)头的英文翻译;

6、稿件须以电子文档形式投送，文责自负。来稿一律不退，本刊有权对来稿做文字修改、删节和摘编，请作者自留底稿;

7、凡向本刊所投稿件，一经采用即表示上述论文全体作者同意将该论文之著作权中的财产权(即含各种介质、媒体，以各种语言、各种形式出版的使用权)，在全世界范围内转让给《中国麻业科学》编辑部。《中国麻业科学》编辑部拥有将该论文的复制权、发行权、信息网络传播权、翻译权、汇编权等权利。本刊已加入万方数据数字化期刊群，被中国核心期刊(遴选)数据库收录。凡被本刊录用的稿件将同时通过因特网进行网络出版或提供信息服务，稿件一经刊用，将一次性支付作者著作权使用报酬(即包括印刷版、光盘版和网络版各种使用方式的报酬)。

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编辑出版:《中国麻业科学》编辑部

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