秸秆机械化粉碎技术特征与专用机具研究进展

王雅明，袁国伦

(雅安职业技术学院，四川 雅安 625100)

0 引言

农作物秸秆的高效利用对于实现生态环境保护与农业资源的循环发展具有重要意义。在传统农作物秸秆处理中，大多数地区仍然以秸秆焚烧为主要的处理方式。秸秆焚烧，不仅会造成大气环境的污染，还会对土壤中的微生物及土壤动物带来一定的伤害[1]，造成土壤板结、土壤肥力下降等，不仅造成了环境压力，还会削减农作物秸秆的价值。

随着我国保护性耕作技术及相关农业保护措施的大力推进，目前秸秆主要利用方式为秸秆粉碎后还田，通过秸秆在土壤中的发酵腐解，秸秆释放养分，达到提高土壤有机质与养分含量的目的，还可以改善土壤理化结构、提高土壤通气性，为作物生长提供一个良好的土壤环境，实现作物的提质增产。秸秆机械化技术是提高秸秆综合利用效率的重要途径之一，秸秆机械化粉碎还田可以提高田间工作效率，为秸秆还田技术的高效应用提供技术支撑。

通过分析秸秆机械化粉碎技术的研究意义，对目前秸秆机械化粉碎技术及相关农机具的研究现状进行阐述，提出未来秸秆机械化粉碎及农机具的发展趋势与重点，旨在为提高秸秆机械化粉碎效率提供技术参考，对于推动农业资源绿色循环发展提供理论基础。

1 秸秆机械化粉碎技术及机具的意义

我国农作物种类丰富，秸秆来源较多(图1)，因此，加快秸秆综合利用技术应用对于提高我国农业综合实力、缓解巨量秸秆带来的环境压力具有积极意义。秸秆还田已经成为我国沃土工程及丰收计划的重要内容之一，成为一种农业增产增收的重要技术措施，能促进农业资源实现优化配置与高效利用，提高耕地肥力，增强农业持续稳产高产。

图1 我国主要秸秆类型及占比示意图

秸秆利用方式主要包括基料化、原料化、堆肥发酵处理、燃料化、饲料化及秸秆直接还田，从图2可以看出，秸秆直接还田是目前应用最为广泛、也是处理最为简单的一种秸秆还田方式。秸秆机械化还田是采用机械将收获后的农作物秸秆粉碎翻压入土或直接均匀的抛洒在土壤表面，使秸秆在土壤中发酵腐烂，可改善土壤团聚体结构，具有保水、保肥、保温、提高土壤通气性的目的，土壤有机质含量升高，土壤微生物菌群及土壤酶活性得到有效提升，机械化还田与人工处理秸秆相比，工作效率提高了35～120倍。在农业生产时，可以进行秸秆的有效处理，减少生态环境污染。增强土壤肥力，达到作物提质增产，提高农户收入的目的，具有良好的生态效益、经济效益与社会效益[2]。

图2 我国农作物秸秆综合利用情况统计图

由于秸秆数量巨大，用途较为广泛，秸秆是未来再生能源的一个重要组成部分，随着世界能源的逐渐消耗与匮乏，秸秆作为一种可再生资源在未来能源市场上占据重要的地位，除了上述的直接还田方式外，还可以将田间秸秆收获、储存、运输后进行深加工，主要加工流程如图3所示。将玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秆、花生壳、玉米芯、牧草、麦秸等秸秆制作为“生物质炭”，可以代替传统的木材、煤炭、液化气等广泛用于生火取暖、城市供热等。成型后的秸秆煤炭具有体积小、比重大、耐燃烧、便于运输和储存等特点。使用秸秆煤炭燃烧后可以实现CO零排放，NO微量排放(约214 mg·m-3)，SO排放约246 mg·m-3，远低于国家标准要求，减少环境压力。秸秆煤炭燃烧后的灰分还可以回收作为钾肥实现资源的高效循环。目前，还可以利用相关装置将秸秆进行烘干、碳化、气化和烟气过滤等作业工序，制备成为木蜡油与木焦油，用于制备各种生物质能源，代替传统机油与化学药剂，实现农业资源高效利用的同时减轻传统工业造成的资源消耗与环境污染，实现农业绿色可持续发展[3]。

图3 秸秆深加工技术模式示意图

2 秸秆机械化粉碎技术及专用机具结构特点

秸秆机械化处理相关农机具主要包括秸秆粉碎还田机、秸秆灭茬机、秸秆打捆机，秸秆粉碎还田机主要是进行田间秸秆直接粉碎还田，秸秆打捆机主要是在田间作物完成收获后，对田间作物秸秆进行捡拾、粉碎、揉搓、除尘、打包，为后续秸秆收储运及运输加工提供基础。

2.1 秸秆粉碎还田机

该机型是目前秸秆最直接的处理机具。可以与大型联合收获机配合使用，也可以将秸秆收获后单独进行秸秆粉碎。秸秆粉碎还田机主要包括秸秆的喂入机构、抛送机构、传动机构、行走机构及防护装置。可以将秸秆粉碎后直接抛洒在土壤地表或者配合深松机或旋耕机将地表秸秆翻至土壤下方，更好地保证秸秆在土壤中的发酵腐解[4]。

2.2 秸秆灭茬机

随着保护性耕作技术的逐步推进及大力发展，土壤长时间不进行旋耕整地，加之大量秸秆覆盖在土壤地表，秸秆根茬不利于作物的出苗，为了在保护性耕作基础上提高改善作物生长环境，秸秆灭茬机被广泛应用。按照工作类型主要分为单轴灭茬机及双轴灭茬机，由于单轴灭茬机在较大面积的耕地土壤环境中耕作质量较差，目前主要以双轴灭茬机为主。

2.3 秸秆打捆机

秸秆打捆机关键零部件主要包括飞轮、捡拾机构、粉碎室、压缩室、拔叉、喂料室等，在进行田间工作时，首先通过捡拾机构对田间秸秆捡拾并输送至喂料室，随着拔叉的运动逐渐将秸秆输送至粉碎室与压缩室之间，对作物秸秆进行压缩、打捆，成型后的块状秸秆最后被输送至田间，方便后续秸秆的深加工、运输及储存。

3 秸秆机械化粉碎技术及专用机具存在的问题

3.1 秸秆粉碎机械保养维修体系不健全

提高农业机械使用可靠性及使用寿命的重要措施之一是定期进行农业机械的保养与维护，可以减少农业机械在田间作业时的故障发生概率，但是由于农户对于农业机械保养意识较为薄弱，导致农业机械使用后不能及时进行保养与维护检查，对于老化、磨损的农机配件不能及时发现与更换，加剧了农业机械零部件的磨损程度。由于秸秆粉碎机械一年中使用周期短，使用后需要长时间的停放，因此，要定期对秸秆粉碎机械进行检查，如电池电源、插座及插头是否连接完好，零件之间连接是否牢固，保持机械表面干净，防止零件发生锈蚀。

另一方面，应该加强农业机械操作人员的定期技术培训与安全教育，防止农业机械事故的发生，例如，在田间进行秸秆粉碎时，如果遇到机械故障，一定要切断电源后再进行检查，未成年人、老年人、酒后等人员禁止进行秸秆粉碎机械的操作与使用，长头发女性在操作机械时，应该佩戴安全帽。

3.2 机械配套性及通用性较差

由于我国农作物种类丰富，作物种植面积广泛，东北、南方、中部平原地区、西南及西北地区都有种植，但是由于气候条件、作物种类、种植模式差异较大，造成秸秆机械化粉碎机具在不同地区使用时，田间工作性能与作业效率差异较大，同一种作物不同品种使用同一台秸秆粉碎机工作性能发挥程度不相同，不同种植参数与地理环境都会对秸秆粉碎机作业参数提出不同的作业要求。因此，在进行秸秆粉碎机及配套农机具研制时，综合考虑农艺技术会提高研制效率与工作可靠性，提高机械的配套性与通用性，可以降低生产成本，对于在不同地区推进秸秆粉碎技术及相关农机具具有重要意义。

3.3 秸秆粉碎程度低，田间腐熟困难

根据我国农业生产相关农艺要求规定，秸秆粉碎后长度≤10 cm[5]，但是由于秸秆粉碎机械工作效率及配套零部件功能较差等因素，导致在实际农业生产中很难达到该标准。秸秆较大，进入土壤后不能与土壤很好地融合进行发酵腐解，不仅不能起到培肥地力、提高土壤有机质及养分含量的作用，由于秸秆中的病菌及虫卵不能被有效杀死，在土壤中大量滋生，在进行后期作物种植时，会加重病虫害的发生概率与程度。针对以上问题，相关学者提出将秸秆进行碳化后还田，碳化后的秸秆不仅解决秸秆发酵腐解不完全的问题，还能使秸秆附着面积增大，更有利于养分进入土壤，提高土壤有机质含量。

4 秸秆机械化粉碎技术及专用机具的发展方向

目前，关于秸秆机械化粉碎技术及其加工技术理论体系与工艺研究较为完善，为了实现秸秆综合利用技术的效率提升与大面积推广使用，提高秸秆机械化粉碎机械的工作性能是提高田间作业效率的主要基础条件。但是目前我国关于农业机械设备的自主研发能力较为薄弱，引进的国外样机不适宜于我国种植模式的发展要求，大量借鉴国外技术导致我国自主研发水平缺乏创新性与市场竞争力，机械的关键零部件、电子元件及高精度技术研发能力不足。未来应该以我国实际生产模式为主要研究背景，以农机与农艺技术为发展前提，进行适宜我国生产模式的相关机械研制，提高整机品质与工作效率，提高秸秆机械化粉碎机具的田间工作效率，实现我国农作物秸秆的机械化利用与农业机械化整体装备水平的提升[6]。

5 结语

秸秆粉碎机械化技术及其配套农机对于提高秸秆综合利用水平具有重要意义，是提高农业生产效率、降低劳动强度、减少环境污染的重要基础条件。本研究基于秸秆粉碎机械化技术及其配套农机具的发展现状及应用情况进行论述，目前秸秆机械化粉碎技术存在工作效率低、秸秆粉碎程度达不到农艺要求、配套农机具的通用性及创新性较差问题。未来应该加强秸秆机械化粉碎技术及其配套农机具的研发力度，研究适应不同地区发展的秸秆粉碎机械，研究结果对于提高秸秆机械化粉碎效率、实现秸秆综合利用、推动我国农业绿色可持续发展具有重要意义。