烤烟配方营养土定制化生产机械研制

李建勇，王建文，彭孟详，李 立，赵冏炅，刘良教，曾德武

(长沙市烟草公司浏阳分公司，湖南 长沙 410302)

0 引言

营养土是为了满足幼苗生长发育而专门配制的含有多种矿质营养的床土，具有疏松通气、保水保肥能力强和无病虫害等特点。烤烟营养土一般由烧制的火土灰或肥料与细碎客土充分拌匀、混合配制而成。营养土围蔸能显著增加烟苗根系与土壤接触面积，增强烟苗根系对水肥的保持和吸收能力。同时，一定数量和质量的营养土能隔离土壤中未被拌匀的肥料和被病菌、农药污染的土壤，降低烟苗肥伤、药伤和病害风险，是促进烟苗早生快发、提高产量和质量的保障[1-3]。烤烟营养土围蔸技术成本小、作用大，是浏阳传统优良栽培技术措施之一，在全国烟区被广泛应用。

传统烤烟营养土制作一般全部或大部分使用火土灰。烧制火土灰时，会破坏土壤表层结构，引起水土流失，烧制产生的浓烟会污染空气，且易引发山林火灾，不符合烟叶生产绿色发展的需要，受林业、水土保持和环境保护等方面法律法规严格限制或禁止[4]。2018年11月30日通过的《湖南省森林防火若干规定》第十二条第六款规定：森林防火期内，在森林防火区野外禁止烧山、烧杂、烧火积肥或烧田基草、农作物秸秆和果园杂草等。2017年4月5日通过的《湖南省大气污染防治条例》第二十五条规定：禁止在人口集中地区、机场周围和交通干线附近等区域露天焚烧秸秆、落叶和垃圾等产生烟尘污染的物质。同时，随着我国现代烟草农业建设持续推进，烟叶种植规模化程度越来越高，单户需要制备的营养土数量显著增加。烟农自己配制营养土需要经过烧制火土灰、归堆、过筛、取土、搬运、加肥、拌匀和装袋环节。烟叶种植规模户制作营养土环节多、用工多且成本高，烧制火土灰场所范围受限的矛盾日益突出。以部分烟叶生产规模户最为突出的营养土围蔸这一重要技术方案执行标准差、不到位的问题越来越突出。因而，需要以不含火土灰的新型配方营养土替代火土灰为主体的传统配方营养土，适应烟叶生产绿色、环保要求。研发营养土制作机械，推动烤烟营养土专业化生产和商品化供应，可简化烟农营养土制作工序，降低营养土制作成本，提高烤烟营养土围蔸技术执行率，使传统营养土围蔸技术措施得到保持和发扬。

1 浏阳市烤烟营养土围蔸技术执行情况调查

目前，浏阳市烤烟营养土使用种类主要包括3种。一是以火土灰为主料的传统营养土，大部分为100%过筛火土灰，少数烟农加入20%～40%的山土和0.5%的苗肥。使用者以年龄较大的中、小型规模种植户为主。二是以山土为主要配方的营养土，大部分为92%～94%的黄土加入6%～8%的饼肥。使用者多数为没有烧制火土灰烟农。三是100%纯山土。该类型营养土虽然比前两种营养土围蔸效果差，但明显优于没有营养土而使用竹签将大田本土围蔸的效果。该类型营养土围蔸用户数较少，但各地都有分布。

由于劳动力价格上涨和火土灰烧制受限，近年来，烤烟营养土围蔸技术执行难度越来越大。为探讨提高烤烟营养土围蔸技术执行率的新途径，长沙市烟草公司浏阳市分公司技术人员设想以机械制作不含火土灰的配方营养土，商品化供应没有准备烤烟营养土的烟农的方式，提高烤烟营养土围蔸这一技术方案的执行率。项目先行以浏阳市基地单元秧田村为重点，针对浏阳市烟农关于推出的烤烟商品营养土的购买意向方面进行调查，结果如表1所示。

表1 烤烟营养土准备情况调查结果

在该村17户未准备烤烟营养土的烟农中，有7户表示价格适宜，愿意放弃使用大田本土护蔸的计划，转而购买营养土围蔸，按1.8 t/hm2用量推算，仅该村商品营养土需求量49.7 t，其他烟区抽样调查的结果相似。因而，推测以该村为试点，在全市推行机械化生产、商品化供应烤烟营养土的方案具备一定的可行性。

2 配方确定

由于烤烟营养土的功能是保护烟苗和促进烟苗前期生长，只有烤烟营养土的物理性能和化学性能都显著高于大田本土才能最大程度发挥营养土的作用。传统火土灰营养土对烟苗缓苗和前期生长作用显著，主要原因为火土灰有较低的容重和较高的通透性状，丰富的矿质营养能显著促进烟苗根系生长和对养分的吸收。但也存在保水、保肥性能不足的问题，在高温天气和土壤缺水的情况下容易烧苗。因而，推测以没有被污染的山土为主要材料，通过加入大量有机肥提高营养土养分含量、降低容重可以达到同样效果[5-6]。

虽然各地都对烤烟营养土围蔸的效果及替代火土灰的配方营养土材料进行研究，但目前还没有关于替代火土灰的配方营养土大规模应用的报道。许威等[7]证明，煤灰可以替代火土灰，但煤灰含有重金属且难以去除，不具备进一步检验条件。周千雅等[8]证明腐熟稻草秸秆营养土烤烟育苗效果优于火土灰营养土，但试验结果显示，使用发酵剂堆沤2个月后，腐烂程度仍未达到可加工的状态。而且收集稻草成本略高，需要堆放场地大，有火灾风险，目前还不具备规模应用条件。科研人员通过反复试验对比，确定规模化制作烤烟营养土配方[9]。配方配料成本如表2所示。

表2 测算商品化生产1 t营养土配料成本

该配方以山体表层以下没有污染的黄土为主，添加没有病虫害污染的商品饼肥、菌渣、牛粪和钙镁磷肥，以省略消毒环节成本。配方添加的肥料中有机质、氮、磷、钾含量及C∶N均高于6%腐熟饼肥，制作的营养土容重低于6%腐熟饼肥制作的营养土，使用效果更优，配料成本更低。

3 营养土制作机械研制

3.1 设计思路

由于市场上没有烤烟营养土制作装置，烤烟营养土的制作一直采取人工拌制加工，效率低、成本高。因此，设计使用挖掘机取土，装载机装土，农用运输车拖运，并按配方定量在地面预混合后利用装载机投入进料箱加工。根据饲料加工机的工作原理，设计制作粉碎和搅拌于一体的烤烟营养土加工装置，将进料箱安装在粉碎和搅拌装置上方，定制一个加长出料槽安装在粉碎和搅拌装置的下方，底部安装固定支撑架。经粉碎和搅拌后的营养土，由安装在长出料槽中间的带叶片的中轴旋转进一步混合后落入地面，装袋称量后，用电动手提封包机封口。烤烟营养土制作机械设计如图1所示。

3.2 主要结构

烤烟营养土机械制作由浏阳风顺种养合作社承担，浏阳烟草分公司负责技术指导，营养土制作机械主要由控制系统、进料系统、混制系统和包装系统组成(图2)。

3.2.1控制系统

控制系统动力为7.5 kW电动机，外设PLC控制器和漏电保护器。

3.2.2进料系统

进料系统功率42 kW，通过卸载高度3.2 m的轮胎式装载机将原料送入进料箱。进料箱外形为由2 mm厚不锈钢板材焊接而成的倒四棱台体，进料箱入口长62 cm、宽42 cm，与装载机铲斗尺寸相吻合。

3.2.3混制系统

粉碎装置中粉碎箱击头最初设计为多柱磨削型，由粉碎腔内固定于圆盘的多个柱头在中轴的驱动下旋转，对原料进行混合和冲击，完成粉碎和搅拌。在测试过程中发现这种粉碎方式易发生故障，故障频次达6次/h，营养土制作效率仅0.5 t/h。将加工机械打碎装置中的多个磨削型固定柱头换成一字切削型长削片后进行粉碎和搅拌，测试效果为故障频次4次/h，营养土制作效率0.7 t/h。虽然机械工作效率有所提高，但故障仍然没有从根本上消除。分析原因为制作烤烟营养土的山土、有机肥等原料均仅经过简单晾晒，在一定含水量下易与粉碎机箱头粘结，固定柱头或长削片击碎的营养土不断累积，粘结成块后，压实并扩大，造成粉碎机箱堵塞，冲击柱或长削片被堵塞而无法运行，需要反复清除粉碎机箱、冲击柱和长削片才能继续进行。而将山体客土菌渣、有机肥和饼肥完全烘干干燥不仅需要增加烘干设备，而且需要消耗大量能源，将显著提高成本，并延长生产周期。通过技术人员重新设计，在粉碎箱主轴两侧安装2个副轴，将击头改为多个矩形刀板，矩形刀板套于副轴中间，在副轴围绕主轴旋转的同时，矩形刀板也能够绕副轴旋转击打，遇到阻碍时，仍然能够保持对营养土的冲击和旋挖等作用，以消除粉碎腔内因堵塞而导致主轴停转的现象(图3)。测试结果显示，机械连续工作2 h未发生故障，营养土加工效率从原来的0.5 t/h和0.7 t/h，提高到3.0 t/h。

3.2.4包装系统

混制后的烤烟营养土直接流入敞口储料箱，或由装载机从地面投入敞口储料箱，再由敞口储料箱下方的漏斗(阀门控制)装入包装袋，经称量后使用手提封包机封包。

4 结果验证

4.1 成本比较

以机械制作的烤烟营养土与当地传统火土灰营养土和山土与饼肥混合制作的营养土进行成本测试比较。由于装袋后的营养土搬运方便，能被轻松送到田间地头，与散装营养土集中拖到田头路边相比，节约了装卸时间和往返田头路边的搬运距离，提高施放效率，并且不增加烤烟营养土使用总成本，故以上3种烤烟营养土成本均按装袋方法计算。不同方法制作的烤烟营养土成本如表3～5所示。

表3 传统1 t火土灰营养土制作成本

表4 人工制作1 t山土饼肥营养土成本

表5 商品化生产营养土总成本

Tab.5 Total cost of commercial production of nutrient soil 单位：元t

表5 商品化生产营养土总成本

取土肥料混制包装装卸运输合计1013248.5402525278.5

从表3～5可以看出，尽管人工制作的火土灰营养土成本全部都是人工成本，但由于人工操作效率低，总成本仍然比机械制作的配方营养土高51.5元/t。与单户小规模人工制作烤烟营养土相比，机械化、规模化制作无论肥料成本还是取土、混制和包装成本均显著降低。原因是在机械化、规模化和商品化制作烤烟营养土的条件下，能够选择商品化采购菌渣、牛粪等性价比更高的肥料部分替代饼肥，降低成本。同时，机械取土、机械混制和使用手提封包机封包，可显著提高工作效率。尽管机械制作烤烟营养土成本增加90元/t(包装材料成本、装卸和运输费用)，但总成本仍然比人工制作的饼肥营养土降低143元/t。

4.2 应用效果

2019年，浏阳风顺种养合作社按订单利用机械制作烤烟营养土80 t，由烟草公司补贴后，按200元/t价格供应烟农，其中49.7 t按18 t/hm2用量投放秧田村7户烟农试点。观测结果与烟农反馈均显示，使用机械制作的配方营养土与传统火土灰营养土和人工制作山土饼肥营养土效果一致。调查的试点村7户使用商品营养土围蔸的烟农中，有5户单产和收购价格均高于试点村平均产量和价格。2020年，试点制作312 t，供应烟农109户，应用面积206.4 hm2。对应用效果调查反馈显示，2020年，使用商品烤烟营养土的109户烟农中，66户表示非常满意，41户表示比较满意，107户表达了2021年继续购买使用商品营养土的意愿，占调查户数的98.2%。

5 结束语

借鉴饲料粉碎搅拌一体加工机械原理，制作烤烟营养土加工机械，并改进混制系统的粉碎和搅拌方式，机械化、规模化制作烤烟配方营养土，商品化供应烟农，显著提高了营养土制作效率，降低营养土成本，省去烟农营养土制作工序，提高烤烟营养土围蔸技术执行率。烤烟营养土加工机械的成功研制促进了烤烟生产中以新型配方营养土替代传统火土灰为主料的营养土的转变，避免了对烟区生态环境的破坏。同时，制作新型配方营养土需要大量菌渣等有机肥，又提高了菌渣等废弃有机物的归集和利用，大量有机质含量较高的营养土归入大田有利于增加烟田土壤肥力[10-12]。采用机械制作方式后，营养土取土集中，便于监管和治理，在靠近开发区取土，削除山头后，还有利于土地价值的提升。综上所述，机械制作的营养土对原料块状物利用率更高，成品均匀性更好，更有利于烟苗的早生快发。通过统一营养土配方，统一用量，可避免营养土配制失当引起的烧苗现象，提高烤烟标准化生产水平，有利于提升烟叶质量。