甜高粱秸稈綜合利用及收儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械化現(xiàn)狀分析

杜曉雪，王春光，郭文斌，王洪波

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

甜高粱[1-2]也叫蘆栗、甜稈、珍珠黍或糖高粱。甜高粱(見(jiàn)圖1)，高2～4m，基部徑2～2.5cm，葉7～12片或較多，多汁液、味甜，屬于粒用高粱的一個(gè)變種。國(guó)際半干旱地區(qū)熱帶研究所總干事達(dá)爾稱(chēng)“甜高粱是一種‘智慧谷物’，因?yàn)樗仁羌Z食，也能用來(lái)生產(chǎn)燃料?！贝送猓鳛橐环N具有較高生物產(chǎn)量和糖產(chǎn)量的作物品種，甜高粱除了制糖以外，甜高粱秸稈(見(jiàn)圖2)還可以用于制作飼料、乙醇燃料、制酒、造紙，以及制作板材等，被稱(chēng)作“高能作物”。甜高粱每公頃可產(chǎn)籽實(shí)2 250～7 500kg，與普通高粱不同之處在于其每公頃能生產(chǎn)60 000～75 000kg富含糖分的秸稈[3]，而這些糖分，使甜高粱秸稈成為近年來(lái)新興糖料作物、飼料作物及能源作物的主要原因。

近年來(lái)，農(nóng)作物秸稈不斷被開(kāi)發(fā)和利用，甜高粱秸稈較高的開(kāi)發(fā)價(jià)值呈現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，因此如何合理、充分地開(kāi)發(fā)利用甜高粱秸稈，提高其綜合利用率，也已經(jīng)成為各國(guó)研究學(xué)者的研究熱點(diǎn)[4]。多樣式多功能的加工機(jī)具、生產(chǎn)設(shè)備、配套工藝等秸稈類(lèi)物料產(chǎn)品也相繼產(chǎn)生。同時(shí)，對(duì)秸稈物料的加工特性方面的研究有了較快的發(fā)展速度，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)研發(fā)新工藝、新設(shè)備提供了理論依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。但是，目前對(duì)于甜高粱的研究甚少，尤其是甜高粱在播種栽培技術(shù)方面、收獲儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械方面，以及秸稈的加工方式上的研究都明顯滯后于玉米、小麥等作物。

圖1 整株甜高粱

圖2 甜高粱秸稈直徑

1 甜高粱秸稈利用現(xiàn)狀

我國(guó)秸稈資源富足，畢于運(yùn)(2010年)指出我國(guó)秸稈實(shí)際總產(chǎn)量達(dá)到8億t[5]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局顯示[6]我國(guó)秸稈綜合利用率在2010年達(dá)到了70.6%，利用量約為5億t，綜合利用成效顯著；到2015年國(guó)內(nèi)主要農(nóng)作物秸稈理論資源量為10.4億t，可收集資源量為9.0億t，利用量為7.2億t，秸稈綜合利用率為80.1%。其中，甜高粱秸稈的利用率占10.34%，與2010年相比，秸稈總體利用率增加了10%。從總體發(fā)展趨勢(shì)分析得到秸稈的利用范圍在不斷地?cái)U(kuò)大。其中，甜高粱秸稈綜合利用工藝路線(xiàn)如圖3所示。

圖3 甜高粱秸稈綜合利用工藝路線(xiàn)

1.1 甜高粱秸稈飼料化利用技術(shù)

甜高粱秸稈除含有纖維素、木質(zhì)素、半纖維素、果膠和粗蛋白等物質(zhì)外，還含有微量的單寧、粗脂肪和礦物質(zhì)等[7],因此甜高粱秸稈被廣泛用于制作飼料[8]。柴慶偉(2010年)通過(guò)對(duì)處于乳熟后期的甜高粱—“凱勒”品種與玉米秸稈的對(duì)比(各營(yíng)養(yǎng)參數(shù)見(jiàn)表1)，總結(jié)出甜高粱秸稈較其他秸稈具有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及更廣泛的開(kāi)拓領(lǐng)域[9]。楊森等指出：利用甜高粱莖稈、復(fù)合菌株及1%的尿素混合經(jīng)發(fā)酵后來(lái)制取蛋白飼料，既提高了甜高粱秸稈的利用率又提高其飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[10-11]。甜高粱秸稈飼料化利用技術(shù)包含：壓塊、絲化、制粒技術(shù)，以及生物發(fā)酵技術(shù)等，不僅可以實(shí)現(xiàn)廢棄資源的再利用，還可以提高其作為飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，減少對(duì)環(huán)境的污染。此外，甜高粱經(jīng)過(guò)秸稈發(fā)酵生產(chǎn)乙醇后的酒糟還可以實(shí)現(xiàn)二次利用，生產(chǎn)粗飼料，且其配置方法簡(jiǎn)單易于推廣，既提高了其秸稈的綜合利用率，又滿(mǎn)足了動(dòng)物養(yǎng)殖的飼料需求。甜高粱秸稈乙醇發(fā)酵后的酒糟用于制作飼料具有如下的優(yōu)點(diǎn)[12]：①配置方法簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，可實(shí)現(xiàn)秸稈的二次利用；②用酒糟生產(chǎn)粗飼料保留了酒糟的特殊香味，且柔軟、適口性好；③減少發(fā)酵企業(yè)對(duì)環(huán)境的污染。

表1 高粱秸稈與玉米秸稈營(yíng)養(yǎng)成分含量

1.2 甜高粱秸稈有機(jī)肥化利用技術(shù)

甜高粱秸稈中含有一定量的氮、磷、鉀等微量元素，研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)干的高粱秸稈含氮量一般在0.6%左右，磷含量為0.41%，是玉米秸稈鈣、磷含量的2倍[13]。大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)多采用秸稈覆蓋還田及焚燒還田，但焚燒因?qū)諝獾奈廴据^大且浪費(fèi)秸稈等被逐漸取締。目前，多數(shù)采用將甜高粱秸稈作為輔料與畜禽糞便混合，經(jīng)過(guò)堆積、發(fā)酵的方式達(dá)到肥化的效果，這樣肥化處理后還田，可以有效地改善土壤環(huán)境，增加其肥力。相關(guān)研究表明，在不同程度上對(duì)秸稈進(jìn)行覆蓋和翻壓可有效改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。祝明雪(2009年)等研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田是一項(xiàng)有效的增產(chǎn)措施，平均增產(chǎn)幅度在10%以上[14]。總之，甜高粱秸稈經(jīng)過(guò)肥化處理后，在一定程度上不僅可以減少糞便對(duì)環(huán)境的污染，還將污染源變成了再生資源，達(dá)到了高效、無(wú)污染的雙贏(yíng)目標(biāo)。

1.3 甜高粱秸稈能源化利用技術(shù)

甜高粱秸稈富含可溶性糖和纖維素，被認(rèn)為是最具開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力的第一代和第二代能源作物之一[15]。近年來(lái)，為解決全球能源供需矛盾及氣候變化等挑戰(zhàn)，大多數(shù)國(guó)家都積極推進(jìn)生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)利用，將發(fā)展生物質(zhì)能源作為代替化石能源及保障能源安全的重要戰(zhàn)略措施。崔明等學(xué)者[16-18]也指出：甜高粱秸稈在C4作物中有較高的生物產(chǎn)量，其單位面積的生物產(chǎn)量生產(chǎn)無(wú)水乙醇的產(chǎn)量較高，是生物質(zhì)能源的主要來(lái)源，被稱(chēng)為“高能作物”，是近年來(lái)生產(chǎn)乙醇燃料的優(yōu)選原料。田宜水等(2011年)也在甜高粱莖稈乙醇生命周期的分析中通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究的方法，指出甜高粱莖稈作為能源材料具有顯著的優(yōu)勢(shì)[19]。程意峰(2008年)指出：甜高粱秸稈中的汁液可以進(jìn)行丙酮、丁醇發(fā)酵，進(jìn)而優(yōu)化降低原料糖度和提高丁醇的產(chǎn)量，且可以降低生產(chǎn)丁醇的成本[20]。此外，還可以利用甜高粱秸稈進(jìn)行沼氣化利用、熱解氣化及液化燃料等技術(shù)方面的研究，進(jìn)而發(fā)揮甜高粱秸稈作為能源在促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境和節(jié)能減排等方面的重大研究意義。

1.4 甜高粱秸稈糖料化利用技術(shù)

甜高粱秸稈中富含葡萄糖、蔗糖、果糖、纖維素，以及半纖維素等五大營(yíng)養(yǎng)素，還常被用于生產(chǎn)糖漿和結(jié)晶糖。李翼新(2012年)通過(guò)對(duì)甜高粱組織進(jìn)行人工分離得到甜高粱的營(yíng)養(yǎng)分布是不均勻的，并得出甜高粱秸稈中的糖分主要集中于髓，其次為皮中，約占總量的91%[21]。甜高粱秸稈富含糖分，其汁液錘度一般在10%～20%范圍內(nèi)[22]。王同朝(2004年)等研究發(fā)現(xiàn)：甜高粱秸稈中汁液的錘度可達(dá)到10%～20%，平均每公頃甜高粱秸稈可產(chǎn)糖900～1 500kg，同比甜菜榨糖效益高達(dá)35%[23]。此外，甜高粱秸稈制糖的工藝流程和設(shè)備可以參照甜菜或甘蔗的制糖工藝，其工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作，所以實(shí)現(xiàn)甜高粱秸稈糖化利用技術(shù)不僅可以解決我國(guó)糖源缺乏、供應(yīng)緊張的局面，又可以降低成本，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展。

1.5 甜高粱秸稈工業(yè)原料化技術(shù)

甜高粱秸稈富含纖維，組織結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，可通過(guò)加工生產(chǎn)工業(yè)上所需的原料。其中，沈陽(yáng)新洋高粱合板有限公司利用甜高粱莖皮制板材,其產(chǎn)品可代替中低密度花板、膠合板等,該廠(chǎng)可年產(chǎn)3萬(wàn)m3甜高粱稈板材[24]。甜高粱秸稈不僅可以制作建筑板材，還可以作為紙漿原料和包裝材料等的原材料。另外，在制作板材方面，王艷秋(2004年)等研究得到甜高粱莖稈表皮組織致密堅(jiān)韌，可用來(lái)生產(chǎn)高質(zhì)量的板材[25]；甜高粱秸稈產(chǎn)量高并且含有14%～18%的纖維素，是造紙的好原料，用30%甜高粱渣和70%的稻草能造出最佳的紙漿來(lái)。甜高粱秸稈的高纖維含量成為推動(dòng)制作板材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

甜高粱秸稈中含有微量的單寧(又稱(chēng)栲膠)[7]，而單寧的需求遍布醫(yī)藥、冶金、印染等行業(yè)，傳統(tǒng)提取單寧的方法是從青柿子和五倍子中提取，但是每生產(chǎn)1萬(wàn)t的單寧大約需要10萬(wàn)t的柿子其產(chǎn)量仍無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。所以，利用甜高粱秸稈提取單寧，既增加了甜高粱秸稈的附加值，又可以緩解單寧市場(chǎng)供不應(yīng)求的局面。

綜上所述，甜高粱及其秸稈的利用技術(shù)遍布飼料工藝、有機(jī)肥化、制糖產(chǎn)業(yè)及能源利用等領(lǐng)域。但對(duì)于甜高粱的研究甚少，尤其是甜高粱在播種栽培技術(shù)方面、收獲、儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械方面以及秸稈的加工方式等方面上的研究都明顯滯后于玉米、小麥等作物。

2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策

機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的中樞，不僅可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,還可以提高土地生產(chǎn)利用率[26-27]。馮啟高(2010年)針對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)械化的發(fā)展水平指出：我國(guó)現(xiàn)在還處于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的起步階段，尤其是在甜高粱的種植、栽培及收獲等機(jī)械方面[28]。甜高粱[29]作為世界第五大類(lèi)谷類(lèi)作物，其綜合利用價(jià)值高、應(yīng)用前景廣，具有可觀(guān)的市場(chǎng)價(jià)值；但是，在播種、收獲、加工設(shè)備、秸稈處理等機(jī)械化方面明顯滯后于玉米、小麥等作物。2015年，農(nóng)業(yè)部在《關(guān)于農(nóng)作物生產(chǎn)全程機(jī)械化推進(jìn)行動(dòng)的意見(jiàn)》中陳列了包含水稻、小麥、玉米、馬鈴薯、棉花等九大作物要實(shí)現(xiàn)分作物分區(qū)域全面推動(dòng)其實(shí)現(xiàn)機(jī)械化[30]，卻未提及甜高粱甚至是高粱如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的任何意見(jiàn)。這與其利用價(jià)值呈反比，因此實(shí)現(xiàn)甜高粱產(chǎn)業(yè)機(jī)械化刻不容緩，現(xiàn)階段其研究方向主要包括以下幾方面：甜高粱栽培收獲機(jī)械化、加工方式與設(shè)備，以及物料的力學(xué)特性研究。

2.1 甜高粱栽培、收獲機(jī)械化研究現(xiàn)狀

目前，伴隨著種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和輪作倒茬的需求不斷增加，結(jié)合甜高粱種植環(huán)境要求低、生物量高、營(yíng)養(yǎng)豐富，非常適合作為飼料等優(yōu)勢(shì)[31-33]，以及近年來(lái)國(guó)家大力扶持農(nóng)業(yè)機(jī)械化力度的不斷增加，機(jī)械化栽培甜高粱及機(jī)械化收割技術(shù)成為研究學(xué)者日益關(guān)注的問(wèn)題。如宋旭東等[34]通過(guò)在玉米播種機(jī)械的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，研制出了高粱專(zhuān)用播種機(jī)；喬慧琴、白文斌(2013年)、李海(2011年)等學(xué)者對(duì)高粱聯(lián)合收獲技術(shù)進(jìn)行了研究[35-36]；張曉軍(2014年)將小麥聯(lián)合收獲機(jī)改制成高粱聯(lián)合收獲機(jī)[37]。同時(shí)，袁志華、吳曉強(qiáng)等[38-39]指出：收獲機(jī)械的作業(yè)效果與作物的倒伏有關(guān)，嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量，可見(jiàn)甜高粱品種的優(yōu)良、秸稈力學(xué)特性、物理特性等影響了機(jī)械化水平的高低。但是，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于甜高粱機(jī)械化方面的研究較少，從總體水平上看，甜高粱的機(jī)械化水平較低。

2.2 甜高粱秸稈加工方式及設(shè)備

甜高粱秸稈同其它秸稈類(lèi)物料的加工方式一樣，包括拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、粉碎等，考慮到秸稈類(lèi)物料的各向異性，一般多采用的加工方式為剪切、揉碎、粉碎和壓縮。目前，秸稈常用加工機(jī)具主要以鍘草機(jī)、揉碎機(jī)和粉碎機(jī)為主。其中，鍘草機(jī)是最早的秸稈類(lèi)切碎式加工機(jī)具，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)；但加工過(guò)程無(wú)法破碎秸稈的莖節(jié)和細(xì)碎度不均等特點(diǎn)影響了牲畜的消化率，導(dǎo)致秸稈物料的營(yíng)養(yǎng)損失。揉碎機(jī)包括揉搓機(jī)和揉切機(jī)，是近年來(lái)研制的一種新式加工機(jī)具，其加工原理主要以物料之間的相互拉伸、揉搓和粉碎為主；但具有功耗大、生產(chǎn)率低等缺點(diǎn)。粉碎機(jī)雖可以達(dá)到粉碎的效果，但其動(dòng)力功耗大。同時(shí)，為解決秸稈物料易松散、密度小、難儲(chǔ)存和運(yùn)輸不便等問(wèn)題，秸稈打捆機(jī)成為近幾年來(lái)必不可少的新機(jī)器，到目前為止，已開(kāi)發(fā)研制了包括圓捆機(jī)、方捆機(jī)、飼草打捆機(jī)及田間撿拾打捆聯(lián)合作業(yè)機(jī)具，但在打捆密度、捆繩張緊力等方面仍需進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。

2.3 甜高粱秸稈力學(xué)特性研究

農(nóng)作物莖稈的力學(xué)特性研究在農(nóng)業(yè)工程技術(shù)領(lǐng)域、裝備開(kāi)發(fā)階段等方面都具有重要的意義。陳超科(2016年)在高粱秸稈力學(xué)試驗(yàn)中指出：研究高粱秸稈的力學(xué)特性的目的是為研究高粱作物相關(guān)機(jī)械提供理論依據(jù)[40]。因此，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，研究農(nóng)作物秸稈的力學(xué)特性不僅可以減少農(nóng)機(jī)具的成本與縮短研發(fā)周期，也有利于機(jī)器的設(shè)計(jì)及其工作情況的確定[41]。孟海波(2005年)指出：研究秸稈物料力學(xué)特性，可以解決秸稈加工機(jī)具參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題[42]。在作物高產(chǎn)育種中，通過(guò)對(duì)農(nóng)作物莖稈的生物力學(xué)性能進(jìn)行研究，如秸稈的剪切、拉伸、彎扭等力學(xué)特性研究，可對(duì)作物莖稈的倒伏進(jìn)行評(píng)估，且能夠更好地反映作物的物性本質(zhì)[43-45]，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)甜高粱實(shí)現(xiàn)機(jī)械化奠定理論基礎(chǔ)；同時(shí)，通過(guò)研究甜高粱秸稈的壓縮、松弛、蠕變特性等，不僅可以減少物料儲(chǔ)運(yùn)空間，還為收獲機(jī)成捆裝置的設(shè)計(jì)及工藝提供設(shè)計(jì)依據(jù)。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于甜高粱力學(xué)特性方面的研究未見(jiàn)報(bào)道，因研究方法類(lèi)似，可通過(guò)農(nóng)業(yè)纖維物料具有的共性方面進(jìn)行初步研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)甜高粱秸稈力學(xué)特性的全面研究。

3 存在的問(wèn)題

對(duì)甜高粱秸稈力學(xué)特性、物理特性的相關(guān)研究較少。在設(shè)計(jì)制造收儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械設(shè)備時(shí)，缺少物料力學(xué)特性等參數(shù)的參考，所用設(shè)備沒(méi)有針對(duì)性。例如，含糖量及含水率對(duì)秸稈力學(xué)特性的影響，如何根據(jù)含糖及含水率變化設(shè)計(jì)收儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械，并選擇最佳的收獲、儲(chǔ)藏及運(yùn)輸時(shí)間與方式。飼用甜高粱與現(xiàn)代飼料工業(yè)的結(jié)合不緊密，目前的生產(chǎn)中尚未有甜高粱秸稈進(jìn)行飼料加工的完善工藝流程。

1)甜高粱秸稈易發(fā)酵、難儲(chǔ)存、季節(jié)性較強(qiáng)。相關(guān)研究表明：甜高粱秸稈汁液在常溫下貯存2天時(shí)可溶性糖損失20%，7天時(shí)則可達(dá)到50%[46]。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于集中采收，大量甜高粱秸稈并不能立即進(jìn)入生產(chǎn)，需要揉碎、榨汁貯存或運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)地點(diǎn)，因而大大降低了甜高粱的利用率。

2)甜高粱秸稈作為農(nóng)業(yè)纖維物料的一種，其物料本身容積密度小、易松散，而且產(chǎn)地不集中，過(guò)于分散，不利于收儲(chǔ)，成為制約甜高粱秸稈實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的重要瓶頸。

4 結(jié)論與建議

1)研究甜高粱秸稈力學(xué)特性，對(duì)于未來(lái)收獲、加工處理設(shè)備的研制和使用提供指導(dǎo)。從物料的機(jī)械、物理特性出發(fā)進(jìn)行研究，研究含糖、含水率及不同收獲期對(duì)甜高粱秸稈的力學(xué)、物理特性的影響，為收儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和加工設(shè)備的研制等提供理論依據(jù)。

2)研制適合甜高粱生產(chǎn)、加工處理機(jī)械，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、加工處理機(jī)械化，提高生產(chǎn)、加工處理質(zhì)量，提高甜高粱利用價(jià)值，通過(guò)甜高粱秸稈的壓縮、打捆技術(shù)，進(jìn)一步解決甜高粱質(zhì)地松散、分布廣、難儲(chǔ)運(yùn)、占用空間面積大，以及費(fèi)用昂貴等缺點(diǎn)。

3)研究甜高粱秸稈的保鮮技術(shù)，解決其收獲季節(jié)性強(qiáng)的缺點(diǎn)，進(jìn)而減少在貯運(yùn)過(guò)程中糖分的損失及易發(fā)酵的不足，提高甜高粱秸稈的利用率。

4)研制并開(kāi)發(fā)關(guān)于甜高粱成分快速檢測(cè)方法和儀器，為研究甜高粱營(yíng)養(yǎng)成分及甜高粱及時(shí)收獲等奠定良好的基礎(chǔ)，進(jìn)而加快甜高粱產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的步伐。

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