秸秆粉碎机的研究现状及发展方向

刘向东

(会宁县农业机械化服务中心，甘肃 会宁 730799)

0 引言

我国是农业生产大国，每年可以产生7.5亿t的作物秸秆，其中大量的秸秆被直接进行露天焚烧，对大气环境造成严重污染[1]。空气严重污染造成可见度降低，影响我国交通安全；在秸秆焚烧时，火势若不能及时控制会造成大面积火势蔓延，形成火灾，带来巨大的经济损失与人员伤亡；秸秆焚烧时还会破坏土壤中的微生物菌群，破坏土壤理化结构，影响地力提升，对后续作物种植及产量的提高带来了一定的影响。目前，我国正在逐步推进秸秆资源化利用进程，主要包括秸秆直接粉碎还田，以及秸秆收集储存并后续加工成各种生物肥料、畜禽饲料，还可以进行工业发电、制备乙醇等。

目前，秸秆利用主要分为秸秆直接还田和秸秆加工技术，其中，以秸秆直接还田技术应用最为广泛。秸秆直接还田主要是在作物收获后利用秸秆粉碎装置进行秸秆粉碎后直接抛洒于土壤地表。秸秆中富含各种营养成分，秸秆进入土壤后，经过一段时间的发酵腐解，分解释放出营养成分与有机质，达到提高土壤肥力，改善土壤理化结构的作用。秸秆粉碎效果是影响秸秆还田效果的主要因素，提高秸秆粉碎机田间工作效率对于秸秆还田技术的高效应用提供了技术支撑。

本研究通过分析秸秆粉碎技术的研究意义，对目前国内外秸秆粉技术的发展趋势及应用过程中存在的问题进行剖析，提出未来秸秆粉碎技术及秸秆机械化粉碎装置的发展方向及研究重点，研究结果对于提高秸秆机械化利用效率提供研究参考与技术支撑。

1 秸秆粉碎机的研究意义

秸秆粉碎机械主要由秸秆喂入机构、铡切机构、秸秆抛洒机构及相关行走传动机构等组成，用于粉碎玉米、小麦、花生等农作物秸秆，粉碎后均匀抛洒于地表，替代传统的秸秆露天焚烧，在保护生态环境的同时，提高可再生资源的利用率[2]。秸秆粉碎机械的主要评价指标有秸秆粉碎程度及秸秆粉碎稳定性。高效稳定的秸秆粉碎机械对于提高作物秸秆利用效率与农业生产效率具有重要意义。

1.1 提高作物秸秆的综合利用效率

农业机械化是提高农业生产效率的重要保障。要想提高秸秆综合利用率，前提就是提高机械化程度，减少人力投入，减轻农户劳动强度。秸秆粉碎机械化程度的提高可以减轻农户劳动强度，有利于秸秆综合利用相关技术政策的推广，将秸秆资源“变废为宝”，发挥新的经济价值，改善生态环境的同时还可以起到改良土壤理化结构的作用。

1.2 减轻田间劳动强度，提高农业生产效率

随着农业机械化的发展，将秸秆粉碎装置与其他农业机具联合使用，一次作业完成多项农事操作。目前，广泛将秸秆粉碎装置与大型联合收获机相结合，在实现作物果实收获的同时，直接将作物秸秆粉碎，并均匀抛洒于地表，实现秸秆粉碎后还田；或者将秸秆粉碎装置与土壤翻耕装置结合，在秸秆粉碎后深翻入土壤，可以更好地与土壤进行混合，在土壤地表下进行发酵腐解后可以直接作为生物有机肥料实现地力提升。

2 粉碎机的研究现状

玉米、小麦和水稻是世界范围内种植面积最为广泛的3种作物，秸秆中也被证实含有丰富的营养成分(表1)。目前，国内外秸秆粉碎机主要包括玉米、水稻、小麦和谷物等农作物的秸秆粉碎机械。

表1 我国几种主要作物秸秆氮磷钾含量

2.1 国外秸秆粉碎机研究现状

国外秸秆粉碎机研发起步较早，美国GBS公司研制出MSV120/25型立式综合作物秸秆粉碎装置，主要是以电机驱动，粉碎机的分离筛片为“鱼鳞”形状，增大筛网面积，可以高效地进行秸秆粉碎与分离，但是筛网磨损较快，需要频繁更换。后期，瑞士Bulher公司研制出一种锤片式玉米秸秆粉碎机，粉碎程度高，但是田间试验表明，在工作过程中，整机易于发生堵塞，粉碎效率较低。美国GPM公司针对秸秆粉碎过程中的堵塞问题，设计一种卧式秸秆粉碎机，将粉碎部件设计为水滴型，减少了秸秆粉碎过程中的堵塞问题，提高了工作效率。后期，研究学者逐渐将秸秆粉碎装置与收获机进行联合，实现作物收获过程中直接进行秸秆粉碎还田，一次性完成收获作业。最早是在2006年，美国约翰迪尔公司研发一种自走式玉米收获机(图1)，配合秸秆粉碎装置，一次性完成玉米收获与秸秆粉碎、抛洒等作业。但是在作业过程中发现，由于玉米秸秆较高，上半部分的秸秆难以粉碎完全，粉碎程度不均匀，不利于秸秆还田后的腐解。德国生产的BIG110型高粱收获机，结合秸秆粉碎装置，采用可伸缩刀片设计，可以根据目标秸秆的高度自动调整刀片位置，进行秸秆粉碎，提高了田间高作物秸秆的粉碎效率。

图1 约翰迪尔公司研发的自走式玉米收获机

2.2 我国秸秆粉碎机研究现状

国外秸秆粉碎机研究起步较早，机械化程度较高，但是大多为大型机械，适宜于在农场等大面积种植区使用，不适宜于我国地形地貌特征，在我国无法进行大面积普及。近年来关于玉米与小麦秸秆粉碎装置研究较多[3]。研究较为成熟的为雷沃4YZ系列玉米联合收获机(图2)，进行玉米收获的同时实现秸秆粉碎还田，粉碎装置还可以上下移动，实现对玉米秸秆的整株粉碎。

图2 雷沃4YZ系列玉米联合收获机

目前，应用较为广泛的为秸秆粉碎旋耕机，通过对作物秸秆与根茬粉碎后进行土壤翻耕，将粉碎后的秸秆根茬与土壤充分混合，提高秸秆腐解效率。2019年，山东农业机械有限公司研制出东华2BFX系列旋耕播种施肥机(图3)，可以进行小麦和玉米的根茬粉碎、旋耕、播种与施肥等多项作业，提高农业生产效率。

图3 东华2BFX旋耕播种施肥机

3 秸秆粉碎机存在的问题

3.1 秸秆粉碎程度低，田间腐熟困难

关于秸秆粉碎相关标准要求秸秆粉碎后长度小于10 cm，但是目前在实际应用中，很难达到这个标准，导致秸秆还田后对土壤造成不良影响。一方面主要是秸秆过大进入土壤中会使得土壤过于分散，不利于土壤保水保肥；另一方面秸秆粉碎程度低不能与土壤进行更好的腐解发酵，秸秆较大进入田间土壤后腐解速度缓慢，不仅不能作为生物有机肥达到培肥地力的效果，秸秆本身含有的病害虫卵不能被有效杀死，在进行后期作物种植时容易引发病虫害，尤其是丝孢子和虫卵，若不能有效解决，后期爆发会引发更严重的病虫害。

目前，国内外炭行业专家表明，在作物秸秆后续处理中增加一道工序，将秸秆进行碳化后的粉末还田，可以有效解决秸秆粉碎程度低、秸秆发酵腐解不完全导致的病虫害问题，秸秆碳化后的粉末还田，可以有效解决由于秸秆粉碎程度低、秸秆抛洒不均匀等问题。秸秆碳化后进入土壤，附着面积大，吸附能力强，可以保水保肥，提高土壤肥力，提高土壤孔隙度与理化结构，改良土壤环境，有利于作物的增产提质。

3.2 秸秆粉碎机保养维护体系不健全

农业机械在使用前后都要进行定期的保养与维护，可以大大提高农业机械的田间工作效率，减少故障发生，延长农业机械的使用寿命。农户在进行田间操作后经常忽视机械的定期保养与维护，因此容易造成机械寿命短、田间工作效率低，容易发生故障，延长了农业生产周期[4]。秸秆粉碎机械一年中使用次数较少，停放时间长，因此，更应该重视对其保养与维护。定期保养主要包括对秸秆粉碎机械进行检查，如各个零部件之间连接是否牢固，定期进行轴承润滑，传动皮带及时更换检查，并保持干净，防止零件发生锈蚀[5]。

近年来，农业机械使用事故频发，因此，对于操作人员应该进行定期技术培训，安全问题不容忽视。在进行田间秸秆粉碎时，如果发生故障，应该谨记先切断动力再进行检查。由于秸秆粉碎装置的刀片锋利，转速高，因此未满十八岁、老年人、酒后或神志不清醒者严禁操作。

4 秸秆粉碎机未来发展方向与目标

4.1 加强秸秆粉碎机整机和部件创新研究

通过国内外研究现状分析可知，目前秸秆粉碎装置发展存在研发创新能力不足、研究过程较为粗放及配套产品不完善等问题。现阶段，我国关于秸秆粉碎机械的研究虽然具有一定的技术基础与知识累积，但是自主研发能力较为薄弱，多为技术仿制，研发产品缺乏创新性，缺乏市场竞争力，较高的研发成本与研发周期也是限制我国秸秆粉碎机械发展的重要因素。在秸秆粉碎机械研发过程中，缺乏一定的“工匠精神”，研发过程较为粗放，关键零部件、铸造喷漆、电子元件及高精度技术等方面研发能力不足，整体结构配合性能较差，导致机械品质难以提升，阻碍秸秆粉碎机械的技术发展。

4.2 开发大马力拖拉机配套机具

传统小型或中型拖拉机不能一次性完成作业工序，需要多次进入田间进行农业操作，因此应该鼓励大马力拖拉机配套农机具的研发。大马力拖拉机具有如下优势。1)节能减排。大马力拖拉机具有更多机械结构设计的空间，可以减少油耗，可以一次完成多项田间作业，减少复杂的作业工序与生产投入。2)减少对土壤的压实与破坏。大马力拖拉机配合多种农业机具可以进入田间一次性完成多项农事操作，不需要多次进入田间对土壤进行碾压，降低土壤板结风险，保护土壤团粒结构，维持良好的土壤耕作状态。3)节省农时，降低劳动强度。大马力拖拉机可以提供更大更充足的动力，保证田间作业过程中的作业效率与时间，减少多项作业工序，有利于节省农时，减少农户劳动作业强度，可以做到抢农时，有利于作物提质稳产。

4.3 关注山区需要的小型秸秆粉碎机械的研制

目前，我国农业种植较为分散，大型农业机械难以进行推广使用，而且农业种植操作人员主要为农民，文化程度低，难以接受新型农业技术，一味按照传统的农业操作进行种植，不愿增加额外的作业工序。因此，要针对不同地区进行秸秆粉碎机械的研制，提高田间使用效率，增加农户进行秸秆粉碎的积极性，大大提高秸秆粉碎机械在全国的使用，促进秸秆综合利用技术的大力推广，为可持续发展农业提供有力保障。

5 结语

秸秆粉碎机对于提高秸秆综合利用效率具有重要意义。本研究基于发展秸秆粉碎机的重要性，分析目前国内外秸秆粉碎机械的发展现状，通过分析目前秸秆粉碎机在田间应用中存在的问题及缺陷，提出未来秸秆粉碎机械应该加强配套农机具的研究以及适应不同地区发展的秸秆粉碎机械的研制，研究结果对于提高秸秆粉碎机械的创新性提供研究参考与技术支撑。