牧草种子收获机研究现状与展望

刘 伟，李凤鸣，李 伟，张英俊，刘立平，刘贵林，高晓宏，贾俊俊

(中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

一些发达国家，在土地使用的集中与需要不断地改良天然草地两者的促进下，牧草种子的使用量不断增加，促进了牧草种子收获机械技术水平的发展，从而也使得国外的牧草种子收获机械水平处于领先地位。

随着我国农业产业结构的调整，畜牧业得到大力支持，如退耕还林还草等政策的实施，使得饲草种植面积不断增加。统计资料显示，我国每年草籽需求量约20万t，实际供应量不足5万t，每年进口的牧草种子超过6万t，其中苜蓿种子的进口量约占总进口量的1/3[1]。牧草种子需求量的增加带动我国牧草种子收获机械的发展，但发展中还存在一些问题。本文基于牧草种子机械化收获农业技术要求与收获工艺，介绍了国内外牧草种子收获机的发展概况，并提出了发展趋势。

1 牧草种子机械化收获技术

1.1 农艺要求

适时收获是牧草种子对于收获机械的农艺要求之一。根据种子的成熟程度、品质和产量及收获所用机具来判断牧草种子的收获期。牧草种子成熟大致可分为3个时期：乳熟期、蜡熟期和完熟期[2]。一般适宜在完熟期收获，此时的牧草种子品质好，发芽概率高、产量高，具有较高的经济价值。蜡熟期的牧草种子易断，呈现蜡质状，一般不建议此期间收获。乳熟期的牧草种子种胚刚刚形成，具有的经济价值最低。

不同品种的牧草，其收获适宜期及脱落性不同，所以收获农艺要求也不同。如披碱草种子脱落性强，应及时在1～2 d内收完，在完熟期适宜用联合收获机或专用草籽采集机收获，在蜡熟期用简单机具收获即可。老麦芒的脱落性较强烈，应在1～2 d内收完。许多牧草种子在收获期的损失与收获不及时有很大关系，因此要求牧草种子收获机能满足适时性的农艺要求[3]。

减少损失率是牧草种子对于收获机械的另一项农艺要求，收获方式会影响种子的损失率。如人工收获与联合收获机收获相比，人工收获方式所用工序较多，在各个工序中种子都较易脱落。因此牧草种子收获时需尽量减少收获工序以减少损失率，同时收获时避免混种。

1.2 收获工艺

1.2.1 分段收获

分段收获是用割晒机将牧草割倒，并成条铺放在割茬地上，在田间晾晒以后，再进行捡拾、脱粒、分离和清选等工序。一般牧草需经过8～12 d的晾晒，以提高脱粒与清选作业效率，同时在晾晒时间段内，未成熟的种子通过自身后熟的特性进一步成熟。

分段收获工艺的优点如下。一是种子的后熟作用使种子的成熟程度趋于一致，籽粒饱满，减少瘪种子的数量，提高种子质量等级，增加产量。二是经过晾晒的种子含水率降低，种子变得坚实。同时植株上的茎叶已经干燥，脱粒、分离更容易，有利于提高收获后种子的净度。三是根据气候条件，晾晒时间可以灵活掌握。其缺点是两种机器配合作业，增加了对土壤的压实，同时也增加了作业成本，种子损失率增加；易受天气因素影响，如遇雨天种子易发霉。

1.2.2 直接收获

直接收获工艺可分为3种形式，分别为直接收获法、落叶收获法和专用牧草种子收获机直接收获法。直接收获法是用经过改装的谷物联合收获机进行收获。落叶收获法是收获前在牧草植株上喷洒药物，使牧草的叶子脱落，然后再用经过改装的谷物联合收获机收获，落叶收获法比直接收获法收获后的种子净度更高，并可提高收获效率，但收获成本增加。专用牧草种子收获机直接收获法是基于割前脱粒的技术条件，直接对牧草种子进行收集的方法[4]。

2 国外牧草种子收获机发展概况

欧美等发达国家对牧草种子收获机的研究历史较长，在20世纪初就进行了大量的研究与试验，并且获得了很多研究成果。1912年，美国的Samuel E McCormick和Winchester研制了早熟禾本科种子收获机，主要用于禾本科牧草种子的收获。该收获机由3个旋转的梳脱分离装置组成，分别对植株上的牧草种子进行分离，最后进行装袋处理。该机型属于站秆收获且收获损失率较低，能够满足当时的作业要求。1914年，美国的Albert Frederickson和Niels Nielsen为了降低牧草种子收获损失率研制了牵引式亚麻和牧草种子联合收获机。该收获机在割草机的基础上搭载了种子收获装置，实现了切割牧草到捡拾脱粒的整个收获环节。1917年，Woodson J Hatheway改进了1912年的早熟禾本科牧草种子收获机，将原来采集头中的旋转、梳脱、分离装置改装为梳刷滚筒。该收获机通过梳刷滚筒内径向排列成指状的刷子进行梳刷，从而实现牧草种子的采集，同时通过增加高度调整装置，实现不同高度作物种子的采集，满足了对牧草种子收获的需求。该机型结构简且成本低，在操作方面实现了单人操作。

20世纪30年代，研究人员根据苜蓿的生长特性，成功研制了专用苜蓿种子收获机。1933年，一种专用的苜蓿种子联合收获机被James E Wilson和Hickory Ky两人共同研制出来，该种收获机通过捶打作物的方式脱离茎秆上的牧草种子，被脱离下来的牧草种子经多孔的种子盘进入输送通道，输送通道内通过内外压差将种子装入收集袋[5]。1959年，Francis M Jordan和Lawrence M Jordan研制了牧草种子捡拾联合收获机，捡拾部件由旋转的刷子组成，作业时捡拾部件可根据地面的高低变化进行仿形作业。1982年，加拿大的John C Kienholz和Edmonton研制了自走式站秆牧草种子收获机，当种子成熟后，自走式站秆种子收获机通过采集头的梳刷将种子梳刷下来，种子经过气流分离装置进行分离，分离后被送入收集箱内。多年生牧草存在倒伏、缠绕、连片等现象，种子收获难度较大，21世纪初，乌克兰科研人员研制出一种多年生牧草谷物联合收割机[6]。

3 国内牧草种子收获机发展概况

近年来，随着我国畜牧产业的迅速发展，牧草种子收获机收获效果明显提高，技术水平明显提升，但与国外畜牧业发达国家相比，我国的牧草种子收获机技术水平还有很大的差距。目前，我国市场上销售的牧草种子联合收获机有两种类型：一种是由谷物联合收获机改装的机型；另一种是牧草种子专用联合收获机。

谷物联合收获机收获牧草种子一般是在传统谷物联合收获机的基础上，通过对部分零部件进行改装或更换，对一些工作参数进行改变后，对牧草种子进行收获。改装后的谷物联合收获机除具有原机功能外，还适应草籽收获条件，收获工序包括切割、输送、脱粒、分离和清选等。我国从20世纪80年代初，开始使用改装的谷物联合收获机收获草籽。从实践经验来看，这种方法具有生产效率高、改装成本低、能适时收获等优点，基本能够满足草籽收获的农业技术要求，在国内收获牧草种子中应用比较广泛。

在机型方面，由吉林工业大学与新疆联合收割机厂共同研制的4AZ-1.5型牵引式牧草种子联合收获机，是经过改装后的谷物联合收获机的典型机型，该机是在新疆-2.5型牵引式谷物联合收获机的基础上，对割台与脱粒装置等部分进行改装而成，改装后的牧草种子收获机除可实现原机所有收获功能外，还可收获紫花苜蓿、老麦芒、披碱草等牧草种子[7]。

经过改装的谷物联合收获机虽然能够满足牧草种子的收获，但联合收获机结构一般较复杂，动力较大，加之牧草与谷物在产量上的差异很大，有些牧草的草谷比达60∶1；同时谷物联合收获机收获牧草种子的损失较大、净度偏低，作业环境不如农田平整，适应性不良。显然，改装的谷物联合收获机不是收获牧草种子的理想设备，从20世纪80年代开始，国内新型专用牧草种子收获机相继被研制出来。

20世纪80年代末90年代初，机械工业部呼和浩特畜牧机械研究所研制出92ZS-1.5型牧草种子收获机。该机采用割前脱粒技术，机器在前进过程中通过转刷接触牧草，牧草的种穗被自上而下进行梳刷，在转刷丝冲击力作用下，牧草种子与茎秆分离完成脱粒过程。同时，高速旋转的转刷带动空气流动，在采集通道形成负压区，对牧草种子进行吸附，加强了牧草种子收获的采集效果。除了92ZS-1.5型牧草种子收获机外，典型机型还有9ZQ-3.0型牧草种子收获机，这两种机型收获原理相同。

92ZS-1.5型牧草种子收获机一般与11.0～13.2 kW拖拉机配套使用，作业宽幅1.5 m，作业速度8～12 km/h。9ZQ-3.0型牧草种子收获机(图1)与25.8 kW以上拖拉机配套使用，工作宽幅3 m，生产效率2.33～3 hm2/h(35～45亩/h)。两种收获机适宜收获地势一般较为平坦，高低起伏地势收获效果较差，可以用来收获老麦芒、羊草等[8]。

图1 9ZQ-3.0型禾本科牧草种子收获机Fig.1 9ZQ-3.0 type gramineous forage seed harvester

我国其他省市也根据本地区的气候和地理条件，研制了适宜本地区的牧草种子收获机具。如适合川西北高山、亚高山草甸草原及草原坡地作业的9TZ-1.2型草籽收获机，由四川阿坝藏族自治州畜牧机械研究所研制，在当地的草籽收获中发挥了重要作用。

21世纪初，中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院研制出9ZQ-2.7型苜蓿种子收获机，如图2所示[9]。该机由梳刷采集系统、输送系统、沉降系统、传动系统和风机系统等部分组成，其主要技术参数如表1所示。

图2 9ZQ-2.7型牧草种子收获机Fig.2 9ZQ-2.7 type forage seed harvester

表1 9ZQ-2.7型牧草种子收获机主要技术参数

9ZQ-2.7型苜蓿种子收获机采用割前脱荚、脱粒收获原理，采集系统由5组采集装置组成，采用纵向倾斜滚筒采集技术，可同时采集5行豆科牧草种子[10]。采集头高度、间距可调，间距调节范围350～1 000 mm，作业速度2.0～4.5 km/h，适用于大中型豆科牧草种子基地作业[11]。9ZQ-2.7型苜蓿种子收获机一般与5TQ-110型苜蓿种荚脱粒清选机配套使用，加工后的牧草种子破碎率小、净度高。

2020年，中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司研制出9ZZ-3.0型牧草种子收获机(图3)，该机由自走式底盘、负压采集头、沉降箱、风机和卸料筒等部分组成，配套发动机功率103 kW。该机转弯半径小、采集能力强、种子收获率高和行距可调，能够收获苜蓿等豆科牧草种子，且不需要切割牧草。基于气吸式割前梳脱技术、牧草种子沉降技术、自走式底盘技术和传动系统等技术条件下，在试验过程中，9ZZ-3.0型牧草种子收获机收获效果良好。通过互换割台，该机还可收获禾本科牧草种子，实现一机多用。

图3 9ZZ-3.0型牧草种子收获机Fig.3 9ZZ-3.0 type forage seed harvester

4 国内牧草种子收获机存在的问题

随着畜牧业的发展，牧草种子的需求量逐年增加，对牧草种子收获机械的需求也不断增加，而且对设备的性能要求也越来越高。

4.1 技术水平低

我国牧草种子收获机研发起步较晚，受投入力度不足等的影响，我国牧草种子收获机制造能力与水平比较滞后，现有产品质量与技术有很大提升空间。

4.2 草籽损失大、净度低，适应性和可靠性差

草籽在收获期脱落性较强，收获过程中收获机对植株的碰撞会导致种子脱落，这是损失的主要原因之一；收获后种子中出现茎叶与杂草等杂物导致种子净度低。同一台牧草种子收获机在收获不同牧草时，由于牧草品种、生长条件、环境因素的不同，所收获牧草种子的效果也不同，收获时常会出现缠绕、堵塞等问题。这些都是现阶段牧草种子收获机亟须解决的关键问题。

4.3 效率和智能化水平低

近年来，计算机与电子技术发展迅速，互联网、物联网应用是行业关注的热点，但现有的牧草种子收获机信息化、自动化技术应用较少，效率和智能化水平较低。如工作中遇到缠绕问题需人工检查，采集头碰到异物没有预警，地形变化不能及时调整等。

5 牧草种子收获机发展趋势

随着畜牧业的迅速发展，草种需求量增加与我国牧草种子机械化收获水平低之间的矛盾不断加剧，适宜我国牧草种子收获的精良机具研发势在必行。

(1)向高质量与高技术水平方向发展。通过选择先进设备、优化工艺路线、引进专业人才等措施，不断提高产品质量与技术水平。

(2)向高效率、高可靠性、高净度、低损失率和强适应性方向发展。在条件适宜的情况下，可以增加采集设备的工作速度与幅宽，以提高工作效率；增加更多的柔性装置来满足不同条件的牧草种子收获，如在不平的地上，研究可仿形的梳脱机构来实现牧草种子的采集。

(3)向大中型智能化设备升级。随着草场的规模化、集约化发展，以及人工成本的不断提高，智能化技术会更多地应用于牧草种子收获机上，以提高设备的可靠性、可控性及生产效率，且大中型机械会受到更多用户的青睐。

(4)联合收获。基于牧草种子条件与需求的不同，可以进行联合收获。如在牧草种子收获时，既需要牧草种子，又需要揉丝后的牧草，则需要一台具有联合收获功能的牧草收获机。联合收获经济效益较好，作业连续且专业化水平较高，是未来发展趋势。