马铃薯茎叶青贮现状及青贮收获机的开发

张军强，梁荣庆，董忠爱，钟 波，秦喜田，孙绍华，高 强，张琦峰

(1. 山东农业机械科学研究院，济南 250100；2. 国家肉牛牦牛产业技术体系生产与环境控制研究室，济南 250100；3. 山东双佳农装科技有限公司，济南 250100)

0 引言

马铃薯是一种世界性经济作物，已成为继小麦、水稻和玉米之后的第4位重要的粮食作物[1]。我国马铃薯种植历史较为悠久[2]，距今已有400年多，马铃薯的种植分布范围较广，在我国大部分地区均有种植，主要分布在西南、东北、西北等地区，具有分布范围广及季节时间跨度大等特点。近几年，我国马铃薯的种植面积均保持在533.3万hm2以上，约占全球总种植面积的1/4[3]，已成为全球马铃薯种植面积最大的国家。2016年2月，农业部下发《关于推进马铃薯产业开发的指导意见》，对我国马铃薯的种植做了明确部署，力争到2020年将我国马铃薯种植面积扩大到1亿亩(0.07亿 hm2)以上[4]，受政策支持力度较大，其种植面积的增长趋势较为明显。

马铃薯茎叶是马铃薯植株的地上部分，是块茎收获后的主要副产物，由于我国马铃薯种植面积较大，其茎叶资源较为丰富，年产量可达1.2～1.8亿t[5]。在传统的马铃薯收获过程中，为使马铃薯表皮硬化，降低马铃薯在收获中的磕碰伤率及其收获机械的功耗，提高收获效率[6-8]，需提前采用杀秧机或人工对马铃薯茎叶进行杀秧作业处理[9-11]。马铃薯茎叶多被就地还田、遗弃或焚烧，不仅造成了大量的生物资源浪费，也对环境造成了一定的污染，不符合我国现代农业可持续发展的主旨。随着人们环保意识的增强以及绿色农业的发展，且由于马铃薯茎叶营养丰富，并含有多种生物活性物质，不仅可用于饲喂，也可作为医药、化工原料，其综合开发利用价值较高(马铃薯茎叶的综合开发利用已得到了国内外学者的广泛关注)，马铃薯茎叶的饲用化利用、生物活性物质的提取及其他深率利用等成为了新的研究热点，并取得了一定的成果。

近年来，随着我国畜牧业的快速发展，现有的牧草资源已难以支撑快速增长的畜牧业，发展以秸秆饲料为主要饲料的节粮型畜牧业已成为牧区、农区及半农区发展畜牧业的重要途径之一[12]。目前，国内对马铃薯茎叶的饲用化利用处于起步阶段，对马铃薯茎叶的青贮加工工艺及方法研究较多，而针对其青贮机械化采收机具的研究还是空白，马铃薯茎叶的机械化收获作为推动其综合利用开发的关键环节之一，相关收获机具的研制亟待解决。

因此，本文在前期的研究基础上，结合目前我国较为成熟的其他物料的青贮收获机具(青贮玉米、高粱、苜蓿及燕麦收获机等)的结构特点及工作特性，对马铃薯茎叶青贮收获机具及其它配套机具进行研究，开发一种适合对马铃薯茎叶进行机械化收获的青贮机具，实现马铃薯茎叶的机械化采收，为其后续的其他青贮加工工序做相应的准备工作。这不仅对马铃薯茎叶的综合开发利用具有重要现实意义，也可为马铃薯茎叶的深度利用及其它相关设备的后期深入研究提供一定的理论基础与技术支撑，还可在一定程度上有效缓解畜牧业迅速发展与饲料短缺的矛盾[13]，对我国畜牧业的健康发展、现代农业的可持续发展及农村产业结构调整起到一定的推动作用。

1 马铃薯茎叶的营养价值及青贮现状

1.1 马铃薯茎叶的营养价值

马铃薯为茄科茄属结块茎种一年生草本植物[14]，主要由地上茎叶及地下块茎两部分组成，如图1所示。其原产于南美洲的秘鲁、智利、哥伦比亚及玻利维亚的安弟斯山脉一带，自明朝嘉靖年间引进以来[15]，在我国得到了广泛的种植推广，种植范围分布较广，且种植面积逐年增加。马铃薯地下块茎营养丰富，产品附加值较高，可粮菜兼用[16]。

图1 马铃薯植株结构图

马铃薯茎叶营养价值较高，可与饲用的甜菜、南瓜及胡萝卜相媲美[17]。相关文献研究表明：单位质量的马铃薯茎叶中含有0.12个饲料单位，在干物质的基础上，每千克马铃薯茎叶中含粗蛋白质为16.2%，粗纤维为20.8%，粗脂肪为1.8%，钙为1.39%，磷为0.14%[18-21]，饲用化价值较高。马铃薯新鲜茎叶、风干茎叶及青贮茎叶的营养成分含量对比如表1所示。

此外，相关研究表明：马铃薯茎叶中还含有70余种生物活性物质[22-24]，如糖苷生物碱、茄尼醇及挥发油等，可作为医药及化工原料，具有较高的潜在开发价值。

表1 不同状态下马铃薯茎叶营养成分含量对比表

1.2 马铃薯茎叶的青贮现状

实际上，在我国的甘肃地区长期以来一直采用干马铃薯茎叶饲喂牛、羊，并未发现中毒现象[25]，且山东、河北等地区也常将晾晒风干后的马铃薯茎叶进行粉碎与玉米秸秆、高粱秸秆、小麦秸秆、干红薯藤秧及碎干草等调制后对牲畜进行饲喂。相关研究表明：马铃薯茎叶青贮后可使其龙葵素含量降低30%～50%[26]，且对羊[27]和牛[28]等动物均无害。

由于新鲜的马铃薯茎叶含有较高的龙葵素及水分，适口性较差，贮存发酵过程难以控制，保存方法及方式不当极易滋生细菌，发生腐烂变质，影响饲料品质。因此，大部分马铃薯茎叶均被丢弃或焚烧，只有极一小部分被风干贮存备用。虽然风干的马铃薯茎叶水分含量较少，可长时间进行贮存，但其营养成分流失也较为严重，贮存方式不当也会发生霉变，且长时间贮存的马铃薯茎叶龙葵素含量有增无减，影响饲料品质，适口性更差[29]，饲用化效果不佳。为此，国内学者对马铃薯茎叶青贮加工工艺及方法进行了大量研究，以解决马铃薯茎叶的青贮饲用化问题，提升该物料的青贮品质，以满足饲用化要求。

1982年，汪鸿儒等对马铃薯茎叶混合青贮的发酵机理进行了研究，结果表明：单独新鲜的马铃薯茎叶青贮品质较差且不易青贮成功，提出了采用马铃薯茎叶与玉米秸秆混合青贮的方法提高青贮品质，并给出了该两种青贮物料混合的比例[30]。

2001年，韩俊清对青贮马铃薯茎叶的相关技术进行了研究，对青贮后的马铃薯茎叶的营养成分进行了检测，并与其他植物茎叶青贮后的营养成分进行了对比。结果显示：经过青贮后的马铃薯茎叶的营养成分高于多数同等条件下青贮其他植物茎叶的营养成分含量，适当合理的青贮方法是解决马铃薯茎叶青贮饲用化及保持营养成分含量的关键[31]。

2005年，白云峰等对青贮前后的马铃薯茎叶营养成分进行了对比，结果表明：青贮前后的马铃薯茎叶营养成分差异较大，适当合理地对马铃薯茎叶青贮储藏可有效保存相关营养成分，进一步提高该物料的青贮品质[32]。

2006年，谢振兵等研究了马铃薯茎叶采集时间对青贮效果的影响，并提出了马铃薯茎叶最佳采收时间[33]；而张增欣等则通过添加发酵抑制剂—甲醛对青贮腐败的控制作用进行了相关研究，并确定了发酵抑制剂的添加比例[34]。

2009年，徐亚姣等通过对不同条件下青贮的马铃薯茎叶进行品质测量试验，得出了青贮马铃薯茎叶的最佳方案。该研究通过马铃薯茎叶与其他含糖量较高的原料进行混合青贮，确定了混合物的种类和配比量，明确了添加乳酸菌和酶制剂的混合制剂后的青贮品质最好，青贮品质提高较为明显[35]。

2013年，周娟娟等以辣椒和马铃薯收获后的青绿秧为研究材料，研究了不同水分条件下添加不同水平的甲酸、丙酸、玉米粉、绿汁发酵液和马铃薯渣对其青贮品质的影响，给出了两种物料最佳的调制比例，并阐明了水分与pH值是影响马铃薯秧青贮品质的两个最主要因素[36]。

2014年，张敏等研究了不同水分和甲酸添加量对马铃薯茎叶青贮品质的影响[37]；2015年，杨闻文等及杨永在等分别研究了不同吸收剂和玉米对马铃薯茎叶青贮特性、发酵品质的影响[25]及不同添加物对马铃薯茎叶青贮品质的影响[5]，阐明了不同添加剂、添加比例是影响青贮品质的主要因素。

2015年，何玉鹏等分别研究了添加米糠和玉米以及添加米糠和小麦麸对两个品种马铃薯茎叶青贮品质的影响，研究表明：米糠、玉米联用和米糠、小麦麸联用均能显著提高马铃薯茎叶的青贮品质，两种物料联用均以15%米糠、4%玉米或小麦麸的比例都可获得良好的青贮品质[38]。

2016年，葛一宏等对马铃薯茎叶与玉米秸秆混合厌氧消化工艺参数进行了优化，研究了物料质量分数、碳氮比和接种物质量分数3个因素对马铃薯茎叶与玉米秸秆混合厌氧消化产气特性及其规律，确定了接种物质量分数与物料质量分数的交互作用为影响马铃薯茎叶与玉米秸秆混合青贮品质的最明显因素[39]。

2017年，谢婉等研究了添加物料和菌剂对日喀则地区马铃薯茎叶青贮品质的影响，其主要以甲酸、尿素、食盐和6种不同生物菌剂(活性乳酸菌冻干粉、益加益秸秆发酵剂、千牧EM菌原种、百益宝EM菌种、微特美益生菌种及粗饲料降解剂)为添加剂，分别对马铃薯茎叶与玉米面、小麦麸、聚合草、紫花苜蓿、青饲玉米秸秆、燕麦草、干青稞秸秆及干油菜壳等材料进行了混贮，并对不同青贮时间的混贮物料品质进行了研究。研究结果表明：制作30天后的马铃薯茎叶青贮饲料已基本完成发酵，并进入了青贮稳定阶段，能够长期有效保持饲料的水分及营养物质[40]。

综上所述，目前国内专家学者只针对马铃薯茎叶青贮加工工艺及方法进行了大量研究，而对马铃薯茎叶的青贮机械化收获的研究仍是空白。随着马铃薯茎叶青贮加工工艺及方法的成熟，针对马铃薯茎叶的机械收获技术的研究将成为新的热点，相关青贮收获机具及与青贮工艺配套设备的研究开发势在必行。

2 马铃薯茎叶青贮收获机的开发

马铃薯茎叶青贮收获机具是该物料青贮加工的起始环节及最主要的环节之一，针对马铃薯茎叶机械化青贮机具的开发不仅能够填补我国相关产品空白，也可为后续相关产品的开发及熟化奠定一定的理论基础并做一定的技术参考。

2.1 马铃薯茎叶青贮收获机

针对马铃薯茎叶物料特性及青贮处理方法的特殊性，结合我国较为成熟的青贮技术及其他物料(青贮玉米、青贮高粱、青贮燕麦及苜蓿)的青贮收获设备，在马铃薯杀秧机、青贮玉米收获机及青贮燕麦收获机的研究基础上，借鉴玉米青贮收获机及燕麦青贮收获机的结构形式及收获方式，对马铃薯茎叶青贮收获机进行研究开发，实现一次性完成切割、捡拾、喂入、切碎揉搓及抛送装运等工作流程，满足马铃薯茎叶的青贮后续加工需求。该机具主要由切割捡拾装置、强制喂入装置、切碎揉搓装置、抛送装置、磨刀装置、机架总成及限位轮等组成，如图2所示。

该设备结构较为简单，可与大马力双向拖拉机配套使用，安装拆卸较为方便，操作简单，工作环境适应性较强，其技术参数如表2所示。

马铃薯茎叶青贮收获机采用三点悬挂与双向驾驶的大马力拖拉机配套使用，以配套动力的PTO后动力输出及其自带的液压系统作为驱动动力源。工作时，拖拉机自带的液压系统驱动切割捡拾装置进行工作，采用往复式割刀对马铃薯茎叶进行切割，并利用梳齿式旋转机构对切割后的物料进行捡拾，将物料输送至螺旋喂入装置；与此同时，利用配套动力的PTO驱动强制喂入装置及切碎揉搓装置进行工作，将马铃薯茎叶强制喂入切碎揉搓装置中，此时高速旋转的切削刀盘带动切碎动刀旋转对强制喂入的物料进行切碎；交错安装在切碎刀盘上的左右螺旋凸起的抛送叶片与安装在切碎揉搓装置底部的揉搓板配合使用对切碎的马铃薯茎叶进行揉搓，左右带有螺旋凸起的抛送叶片还将切碎揉搓后的物料进行抛送，通过抛送筒输送至运输装置，完成整个作业流程。

7.切割捡拾装置 6.强制喂入装置 5.切碎揉搓装置 4.磨刀装置 3.抛送装置 2.机架总成 1.限位轮

名称参数名称参数外形尺寸(L×W×H)6.2m×2.4m×4.75m(工作状态)整机质量1300kg切段长度5～50mm(可调)刀片数量2、3、4、6、12片(均布可调)作业幅宽2200mm作业效率0.7hm2/h

另外，切碎揉搓装置中的动刀数量可根据实际需要进行调节，安装刀具数量为2、3、4、6、12把，可与强制喂入速度相配合对物料的切削长度进行控制。该装置中的揉搓机构可充分地将马铃薯茎叶进行打散揉丝处理，使物料青贮发酵过程与添加剂或其他混合物充分混合发酵，从而提高青贮品质及适口性，还可将其部分水分挤出，降低物料的含水率，提高物料的青贮发酵成功率。

该机具自带的磨刀装置，可在不拆卸切碎动刀的情况下对其进行磨刃，节省了拆卸动刀时间，提高了工作效率。另外，限位轮不仅起支撑作用，还可通过三点悬挂和限位轮对马铃薯茎叶的留茬高度进行调节。

2.2 马铃薯茎叶捡拾切碎机

新鲜马铃薯茎叶含水率较高，若直接青贮不但无法降低龙葵素的含量，也易使青贮物料变质，影响青贮品质及适口性，造成不必要的资源浪费，而适当的晾晒不仅可降低马铃薯茎叶的含水率，也可有效降低其龙葵素的含量。因此，在前期研究基础上，开发了一种马铃薯茎叶捡拾切碎机，在对马铃薯茎叶进行杀秧并适当晾晒脱水后，一次性完成物料的捡拾、喂入、切碎揉搓及抛送等作业流程，其结构如图3所示。该机具主要由捡拾装置、强制喂入装置、切碎揉搓装置、抛送装置、磨刀装置、机架总成及限位轮等组成，除不能对马铃薯茎叶进行切割外，其他结构参数、工作过程均与马铃薯茎叶青贮收获机相同。

1.捡拾装置 2.机架总成 3.抛送装置 4.磨刀装置 5.切碎揉搓装置 6.强制喂入装置 7.限位轮

3 马铃薯茎叶青贮机械化收获存在的问题

1)马铃薯茎叶机械化收获切碎长度及揉搓效果难以控制。马铃薯茎叶含水量较高，约为90%[41]，且采收时间不同其含水率也不相同，总体来说受其物理结构特性影响。其任何采收时间段内(风干马铃薯茎叶除外)的含水率均要高于其他青饲料(青贮玉米、高粱、青贮燕麦及苜蓿等)，这也给机械化采收带来了极大的困难。由于其自身含水率较高，在收获过程中马铃薯茎叶切碎长度较小或过度揉搓，极易使物料成糊状且难以收集，造成物料的浪费，过度揉搓也会造成物料水分及营养成分流失严重，影响青贮品质；反之，若马铃薯茎叶切碎长度较大或揉搓效果不明显，虽在一定程度上保证了物料含水率及营养成分，但含水率过高物料也会难以青贮成功，与其他品种青饲料或添加混贮时难以混合均匀，也会影响青贮品质。因此，合理地切碎长度及揉搓效果是保障马铃薯茎叶青贮的关键影响因素，也是马铃薯茎叶青贮收获机的主要考核指标之一，在机械的设计制造、田间试验应需注意及控制。

2)种植模式差异性较大，阻碍了马铃薯茎叶的机械化采收。受地形、气候条件及耕作习惯等因素的影响，我国不同地区马铃薯的种植模式差异性较大，且在同一地区马铃薯的种植模式差异性也较大。目前，我国马铃薯的种植模式主要以单行单垄、双行单垄、宽窄行垄作及宽窄行平作为主，该4种种植模式下的行距、垄顶宽、垄底宽和垄高(宽窄行平作无垄)均不相同，在一定程度上限制了马铃薯茎叶青贮收获机械的开发利用，阻碍了马铃薯茎叶的机械化采收进程。另外，在马铃薯茎叶收获过程中，种植模式不一也会造成机械装置对马铃薯块茎的碾压，影响马铃薯块茎的产量及质量。因此，在不影响马铃薯块茎产量及质量的情况下，调整统一马铃薯的种植模式势在必行且任重而道远，马铃薯的农艺与农机融合亟待解决。

3)马铃薯品种多样化，马铃薯茎叶青贮机械化采收困难。马铃薯品种不同则马铃薯茎叶的生长方式、植株高度、抗倒伏能力、干物质含量及植株物理特性等也不尽相同。马铃薯茎叶的干物质含量及植株物理特性对其机械化收获影响不大，但马铃薯植株高度及抗倒伏能力对其机械化收获影响则较大。若马铃薯的植株高度较低、抗倒伏能力较差，则会造成马铃薯茎叶机械化收获困难及收集量少，影响马铃薯茎叶的产出比，造成物力及人力的严重浪费，得不偿失。因此，在保证马铃薯的产量及质量的情况下，培育一种块茎产量高、茎叶抗倒伏能力强及植株高度适宜的马铃薯新品种很有必要。

4)马铃薯茎叶机械化收获时间掌握较为困难，影响青贮品质。在传统的马铃薯块茎收获过程中，需提前一定时间采用杀秧机对马铃薯茎叶进行清理或人工清理收获，因此马铃薯茎叶的机械化收获也需提前或与块茎收获同时进行。由于各成熟期马铃薯茎叶的含水率不尽相同，采收时间对马铃薯茎叶的含水率及后期青贮加工影响较大：若马铃薯茎叶收获时间过早，虽可保证物料的产出比，但其含水率过高，则干物质含量较少，且不易青贮发酵成功，会影响马铃薯块茎的产量及品质；若马铃薯茎叶收获时间较晚，含水率虽有所下降，但茎叶倒伏较多，增加了机械化采收困难，物料产出比较低。另外，马铃薯茎叶收获时间不同，其青贮品质也不同。

5)种植范围广，工况作业环境复杂多变，收获机具适应性差。我国马铃薯主要分布在西南、东北、西北等地区，种植范围分布较广，种植地区地形复杂多变，尤其是丘陵地带或山区，种植空间较为狭小，农业机械作业较为困难。平原地区虽可大面积种植，但土地平整度较差，在作业过程中也会影响机械运行平稳及作业效率，该问题为农业机械所面临的共性问题。另外，马铃薯茎叶青贮收获机的作业状况好坏对物料产出比、适口性及青饲品质影响较大，在作业过程中，留茬高度过低虽在一定程度上提高了物料的产出比，但也极易造成泥土、砂石等杂质的混入，影响青饲料的品质及适口性；留茬高度过高，虽可避免泥土及砂石等杂质的混入，但物料产出比也会下降，造成物料产量降低。

4 结论

我国马铃薯种植面积大、分布广泛，茎叶资源较为丰富，其营养价值较高，可作为优良的生物质能源、畜牧饲料、医药及化工原料。目前，在马铃薯茎叶饲用化研究方面，我国专家学者对马铃薯茎叶青贮工艺的研究较多，而该物料的机械化收获装置研究较少，因此马铃薯茎叶青贮机械收获装置的研制势在必行。本文通过对马铃薯茎叶的营养价值及青贮现状阐述，提出了研究马铃薯茎叶收获机具的必然性，在现有研究的基础上对两种马铃薯茎叶收获机具进行了开发，并对其结构特点及工作过程进行了简单介绍。目前，该样机的开发研制已获2017年中央引导地方科技发展专项资金项目—《马铃薯秧饲料化关键技术研究》的支持，后期将对该样机进行合理设计、结构优化及田间试验等，以满足实际生产需求，进而提高马铃薯茎叶的综合利用率。另外，马铃薯茎叶机械化收获利用是一个系统的问题，所面临的问题也较多，只靠某一专业的技术也不能完成任务，还需要育种技术、种植技术、田间管理和后续的粉碎、加工调制及青贮方式等各方面技术人员的配合才能完成。