0 引言
我國是世界甘蔗生產大國,2012 年的播種面積為1 795khm²,僅次於巴西和印度,排名世界第 3 位.甘蔗是製糖的主要原料之一,其播種面積常年占我國糖料播種面積的 87% 以上,產糖量占食糖總量超過90%[1].甘蔗產業已經成為我國甘蔗主產地區人民致富、經濟發展和財政稅收的重要產業,其健康發展與否直接影響到廣大蔗農的生計和社會穩定.全國甘蔗播種面積如表 1 所示.
甘蔗生產分新植蔗和宿根蔗.新植蔗包括耕整地、開溝起壟、種植、田間管理、收穫及裝載運輸等環節;宿根蔗需對收穫完的蔗地進行破壟平茬、蔗葉粉碎還田及後期的管理和收穫運輸[2].目前,甘蔗產業常規的生產方式是以機械化耕整地、人工種植、人畜中耕培土及人工收穫為主.隨著農業人工成本激增,為解決日益突出的勞動力矛盾,提高製糖業競爭力,甘蔗生產機械化是必由之路.為此,本文對我國甘蔗產業現狀、機械化收穫的現存問題和影響因素進行分析,為加快推進我國甘蔗機械化進程提供參考.
1 我國甘蔗產業現狀
1. 1 甘蔗植株主要特徵
甘蔗是一種一年生或多年生宿根植物,植株由莖、葉、根、花和果實組成.甘蔗莖粗壯多汁,葉子邊緣呈小鋸齒狀,花穗為復總狀花序.甘蔗莖稈實心,呈節狀,每節有一個牙,留種的蔗莖芽可發育成植株.成熟的莖稈可高達 2 ~6m,直徑 0.02 ~0. 075m.甘蔗為喜溫、喜光的 C4 植物,要求年積溫為 5 500 ~8 500℃,日照時數在1 195h 以上,年需積溫要求 330 天以上,年降水量 800 ~1 200mm,年均空氣濕度在 60% 左右,粘壤土、壤土、砂壤土較適宜甘蔗生長[3].
甘蔗按用途分果蔗和糖蔗兩種:果蔗具有較為易撕、糖分適中、莖脆、口感好、莖粗和節長等特點,可用於鮮榨蔗汁,一般多用於鮮食;糖蔗含糖量約為 14% ~16% 之間,含糖量遠高於果蔗,是食用糖的主要原料.
生產上,栽培甘蔗通常採用甘蔗莖節做種苗進行無性繁殖,種苗的萌發包括種牙和種根的萌發.由種苗萌髮長成的當季甘蔗稱為新植蔗,前植蔗砍收後由留在土壤中的蔗兜萌發成長的甘蔗稱為宿根蔗.甘蔗為多年生植物,在我國一般是種植一次收穫 2 ~3 茬.
氣溫和品種是甘蔗生長期的主要影響條件.甘蔗從播種到收穫需 14 ~18 個月,宿根蔗較新植蔗生長期短,為 12 個月左右,如甘蔗生長期不足,會影響甘蔗的含糖量.秋植蔗和春植蔗分別以 8 月、9 月和 2 月、3 月為適宜種植期,一般榨季從 11 月份到第 2 年的 4 月份,所以秋植蔗成長期足夠,而春植蔗稍有欠缺.春植蔗是我國栽培面積最大和最主要採用的栽培制度.
1. 2 甘蔗種植地域分布
全球甘蔗種植主要在南緯 30° ~ 北緯 33°,且種植面積集中在南北緯 25°之間.我國的甘蔗主產區分布在北緯 24°以南的熱帶、亞熱帶地區.我國種植甘蔗的省份有廣西、雲南、廣東、海南等 17 個省(自治區)(見表 2).近 5 年,全國甘蔗播種面積在 1 700khm²左右.
從各省(區)甘蔗播種面積看,貴州省 2012 年增幅比較大,增加 83.19%,四川省和浙江省有逐年減少趨勢,其他省(區)每年種植面積變化不大.
甘蔗種植集中在廣西、雲南、廣東和海南 4 個省(自治區),種植面積占全國比例超過 90%.其中,廣西甘蔗的種植面積和產量常年高居全國第 1 位,所占比例超過 60%,其次為雲南,所占比例為 18%.我國甘蔗播種面積地區種植差異情況如圖 1 所示.
根據自然氣候條件及區域發展要求,我國蔗區一般分為西南蔗區、華南蔗區、華中蔗區.其中,西南蔗區包括四川西部高原南部、雲南的大部分地區和貴州西部及西南隅,在 23° ~ 29°緯度之間,海拔大部分在 400 ~1 600m 之間,大部分為亞熱帶季風氣候;華南蔗區包括廣西、廣東、海南的北緯 24°以南地區,福建東南沿海地區;華中蔗區在 24° ~33. 5°緯度之間,包括浙江、湖南及湖北等部分地區[4].
我國甘蔗多種植在乾旱、瘠薄的土地,且坡度比較大,生產基礎設施相對落後.廣西蔗區有效灌溉面積 4 萬 hm²,不足甘蔗種植面積的 8% ;雲南水源及灌溉條件較好的蔗區 3. 3 萬 hm²左右,僅占總面積的14. 4%[5].
相比於國外幾個甘蔗主要種植國家(美國、巴西、古巴、澳大利亞及泰國等),我國甘蔗戶均種植面積遠小於它們,且土地規模小[6],如表 3 所示.加上我國蔗區受地形和自然條件等影響,甘蔗單產水平偏低,也極大地制約了甘蔗機械化的發展.
1. 3 我國甘蔗主栽品種
長期以來,我國各地的甘蔗研究院所開展甘蔗新品種的選育和研究,迄今已育成了 100 多個甘蔗品種,推動了我國甘蔗種植業的發展.我國甘蔗的選育主要把出苗率、萌芽率以及抗倒伏和抗病能力、宿根性等指標作為參考.目前,我國主要栽植的品種有粵糖79 -177、粵糖93 -159、粵糖86 -368、雲蔗81 -173、雲蔗 89 - 151、桂糖 16 號、桂糖 17 號、桂糖 19號、桂糖 21 號、福農 91 - 4621、新台糖 11 號、新台糖16 號、新台糖 20 號、新台糖 22 號、新台糖 25 號和新台糖 26 號等[7 - 8].萌芽率高、萌芽快、分櫱力特強、生勢旺盛、有效莖數多、抗風、抗病力強,易種好管及宿根生長好的甘蔗品種更受到種植者的歡迎.我國主栽的甘蔗品種特徵如表 3 所示.通常,甘蔗健康種苗培育有兩種方式:一種是組培脫毒法,通過幼嫩葉鞘愈傷組織培養或莖尖組織培養獲得脫毒健康種苗,該方法技術環節較多、時間較長、成本較高;另一種方法是在 52℃ 的溫水中對甘蔗種莖浸泡 30min,該技術對去除宿根矮化病和花葉病有明顯效果,使得甘蔗獲得 20% ~ 40% 的增產,糖分提高 0. 5% 左右[9].雲南省農科院甘蔗研究所開展了甘蔗溫水脫毒車間的建設使用先例,為當地蔗區提供了健康種苗.
1. 4 甘蔗種植模式分析
甘蔗生產過程中種植環節勞動強大,作業的質量對產量造成直接影響,也是後期甘蔗機械收穫的關鍵所在[10].目前,我國甘蔗種植模式主要還處於機械(或蓄力)開溝、人工擺種作業階段,勞動強度大、生產效率低,與國外機械化種植效率較高的國家比差距甚遠,如澳大利亞和巴西.一些自主研發和進口的種植機械也在推廣,但由於種植機些的可靠性有待提高,一直沒有很好的得到推廣使用.
國外主要使用的甘蔗種植機有整杆式、實時切種式和預切種式 3 種形式[11].整稈式種植機械能夠一次性自動完成開溝、蔗種喂入與鋪放、覆土和鎮壓等工序,機械化程度高;實時切種式甘蔗種植機由人工喂種,可以完成開溝起壟、施肥、切種、澆水、覆土和鋪膜等工序;預切式甘蔗種植機可以自動完成開溝、施肥、落種和覆土等工序.目前,國內研究的種植機主要為實時切種式種植機,需要人工喂入,對操作人員的要求相對較高,漏播和播種不均勻現象時有發生,通過完善機械化種植系統的配套性,可以尚有很大的發展空間.
我國甘蔗生產中採用左右雙行條植的種植模式,溝深 30 ~35cm(壟頂至壟底),溝底寬 20 ~ 25 cm,種莖以品字形或雙行窄幅排放,兩種莖之間距離 8 ~10cm;種莖與土壤緊貼,牙向兩側,人工種植行距一般70 ~ 80cm,機械種植行距則在 110 ~150cm 左右,採用機械收穫一般要求行距在 110cm 以上[12 - 15].
2 甘蔗收穫機械化現狀
甘蔗收穫是整個甘蔗生產中投入勞力最多、用功量最大、勞動強度最高的環節,約占整個甘蔗生產過程(整地、種、管、收)總用工量的 60% 以上[16].國內從 20 世紀 60 年代開始至今,研發和生產了部分甘蔗收穫機型,但迄今為止卻仍處在試驗、示範階段,沒有大量推廣使用[17].現階段,我國甘蔗收穫仍然主要採用人工收穫、機械裝載和運輸方式,機械收穫水平比較低.2010 /2011 榨季,其全國機械化收穫率約為0. 07%[18],遠遠落後於其他農作物.目前,我國主要的甘蔗收穫方式如表 4 所示.
2. 1 甘蔗機械收穫主要方式
按照收穫後莖稈的特性,甘蔗收穫方式可分為兩種:整稈式甘蔗收穫和切段式甘蔗收穫.用整稈式甘蔗收穫機收穫的甘蔗,莖稈保持完整,或者只切除了蔗梢;用切斷式甘蔗收穫機收穫的甘蔗,莖稈一般被切成 25 ~40 cm 的蔗段.
2. 1. 1 切段式收穫方式切段式收穫方式用切段式聯合收穫機完成,包括切削、扶倒、切割、輸送、清洗、切段(蔗段一般 25 ~40cm)、除雜及蔗段裝車等工序.其生產效率及機械化程度高,對甘蔗倒伏交叉的適應性好;但含雜率高,收穫要在 24h 內壓榨,收穫的甘蔗對後期糖廠的配套設施要求較高[19].
2. 1. 2 整稈式收穫方式
整稈式收穫方式又分為整稈式聯合收穫和分段收穫兩種方式.
1)整稈式聯合收穫就是用聯合收割機對甘蔗進行整稈收割.整稈式聯合式收穫機械主要包括整稈式聯合收割機、裝集機及運輸設備等.其優點是較適應目前的甘蔗生產和製糖需要,甘蔗可儲存較長時間;其主要缺點是對倒伏嚴重、錯綜交叉和彎曲的甘蔗收穫效果差,裝運效率低,地頭轉彎困難,適應連片較大面積的蔗地使用.
2)分段收穫是指收割和剝葉分別使用不同的機械單獨進行作業,包括機械收割、機械剝葉和機械裝載等工序.目前,該收穫方式作業機械輔助工多,效率非常低,主要使用的機械有割鋪機、剝葉機、裝載機和運輸設備.
2. 2 甘蔗主要收穫機械分析
我國研製並使用的甘蔗收穫機型主要為兩種型式:切段式甘蔗聯合收穫機和整稈式甘蔗收穫機.其中,整稈式甘蔗收穫機又分為整稈式甘蔗聯合收穫機機和分段式收穫機.
2. 2. 1 切段式甘蔗聯合收穫機
切段式甘蔗聯合收穫機主要由切梢器、螺旋扶蔗器、喂入輪、根部切割器、輸送輪、切段刀、升運器、第 1抽風機和第 2 抽風機等部件組成,如圖 2 所示.
其工作過程為:切梢裝置先把甘蔗梢部切段,通過扶蔗器將收穫行的甘蔗統一歸整到收割機的割台幅寬之內,如配有撥蔗器,將臨行甘蔗分離開來;喂入輪將甘蔗壓倒並輔助割刀將甘蔗根部切斷,輸送輪和提升滾筒將切斷的整根甘蔗送到切斷刀處,將甘蔗切成一定長度;切段的甘蔗被輸送到升運器過程中,第 1風機同時完成一次蔗葉分離工作,升運器將分離後的甘蔗運往與之配套收穫的卡車車廂中,拋送口有第 2風機進行二次分離,完成甘蔗收穫過程.
特點:切段式甘蔗聯合收割機收穫效率高,省工省力,是產糖發達的巴西、澳大利亞、美國等甘蔗收穫機械技術發展國家的主推機械.甘蔗切段後,必須在24h 內開榨,而目前我國糖廠的生產模式不能保證及時開榨,加上割台可調性差,造成割茬不齊、破頭率高和含雜率高,配套的運輸設備欠缺,從而制約了甘蔗聯合收割機的發展.
2. 2. 2 整稈式甘蔗聯合收穫機
整稈式甘蔗聯合收穫機主要由切梢機構、扶蔗裝置、切割器、剝葉裝置及集蔗裝置等部分組成.其工作過程為:集梢杆將蔗梢導入切割圓盤刀切割,螺旋扶蔗器將收穫行的甘蔗規整,推蔗杆把進入喂入口的甘蔗推斜後,即被底團盤切割器切斷;托在刀盤上向前傾斜的甘蔗,在喂入輪和提升輪的作用下輸送到剝葉裝置進行蔗葉分離,分離後的莖稈由輸送輪送入集蔗箱,裝滿後把箱內的甘蔗卸到地上.
特點:相較於切段式聯合收割機,其收穫效率有所下降,收穫的甘蔗需要配套的裝載機和運輸設備.
但其收穫的甘蔗保持完整,可保存時間較長,並能很好地擬合人工收穫方式.目前,國內機架剛性設計得不夠,收穫故障率高,無法連續高強度作業;對於倒伏的甘蔗,收穫效果差.典型機型 4GZ - 1 結構示意圖如圖 3 所示.
2. 2. 3 分段式收穫機特點
分段式收穫機模擬人工收穫方式,先是採用割鋪機實現人工砍蔗環節,將甘蔗割倒和鋪放;然後通過剝葉機將蔗葉分離實現剝葉環節;再由人工將甘蔗堆集,裝載車進行裝車,通過道路運輸車運往糖廠.該收穫方式所使用機器體積較小、靈活方便,適合於小地塊甘蔗收穫.其使用機械代替了部分人力,但是收穫的每個環節均需配套機器和人工,生產效率低,勞動力投入較高.目前,該收穫方式在我國並沒有得到很好的推廣和使用.我國甘蔗收穫機械典型機型如表 5 所示.
表 5 中的甘蔗收割機都是對行收穫,對收穫行距有相應要求.其中,CASE - 7000 切段式聯合收割機是凱斯公司生產、投入使用時間較長的機型,也是甘蔗機收發展較好的國家主要選用的機型[22].CASE -4000 切段式聯合收割機是為了適應我國蔗區的地形及條件需要設計研發的,迪爾公司和國內相關企業研究單位也相繼開展甘蔗收割機的研製工作,國內研究甘蔗收割機也已經有幾十年的歷程[23].由於國內甘蔗種植模式及管理等與國外差距較大,機器的使用和收穫模式的選用推廣仍需要不斷試驗示範.
3 甘蔗收穫機械化影響因素分析
通過對甘蔗生產過程中各環節進行綜合分析,找出制約甘蔗機械化收穫的關鍵性因素,並對各因素進行歸類總結,得出以農藝、機械、蔗糖加工、環境和社會 5 個方面的影響因素,如圖 4 所示.
3. 1 影響甘蔗收穫機械化農藝因素
甘蔗種植行距的大小直接影響甘蔗收穫機的收穫質量和適應性.目前,我國主要採用人工種植方式,種植的行距很難滿足機械收穫要求行距 110cm 以上的要求,傳統的種植行距極大程度上制約了機械收穫;栽培時間的不統一和栽培技術的參之不齊,長勢和熟期不一,難以實現連片收穫.目前,種植的甘蔗品種雜亂,甘蔗的品種特性有待提高,應針對不同地形地貌(緩坡地、丘陵地和坡耕地)培育出適應性品種;田間管理、中耕培土環節極大影響甘蔗的產量及長勢;灌溉技術的選用不僅影響到是否節約能源,還與後期的機械收穫有密切關係,對於甘蔗不同階段採取合理水分控制,不僅促進甘蔗產量且有利於機械化收穫.例如在甘蔗成熟期,如果水分多大,導致甘蔗生長旺盛青葉多,必將造成含雜率增加,土壤濕度過大,機械收穫過程中更易被壓實,從而破壞土壤的理化特性,影響來年宿根蔗的生長.
3. 2 甘蔗收穫機械的性能
目前,分段式收穫機械適應性強,但需要輔助人工多,剝葉效率低,農民接受程度不高;切段式甘蔗收穫機械含雜率高,且切段的甘蔗需在 24h 內完成開榨,割台和切梢裝置可調性差,對長勢不齊的甘蔗難以實現有效切梢,收穫的甘蔗含雜率高,配套的田間裝載和運輸機械較少;整稈式甘蔗收穫機械各部件可靠性不足,對倒伏和長勢彎曲甘蔗收穫適應性不強.
3. 3 蔗料加工
目前國內大部分製糖企業前處理設備只適應整條甘蔗的輸送和喂入,對於切段式收穫機械收穫的蔗段適應性差.蔗糖生產工藝線單一,對於高效率完成榨糖功能不能滿足,難以對同一時段大量供應的切段式蔗段進行榨糖處理.糖廠對原料甘蔗的含雜率要求低(一般不超過 1% )[24],根據對上面對我國目前主要使用的甘蔗收穫機械相關參數分析,目前甘蔗收穫機械難以達到要求.
3. 4 環境及社會因素
我國甘蔗主產區多屬丘陵坡地,經營規模小而分散,地塊窄小,無機耕路,且蔗田石塊多,極大的阻礙了機械化收穫[25];降雨量和溫度影響甘蔗的長勢,風量影響倒伏程度;甘蔗機械收穫過程中的噪音和粉塵污染也影響其使用和發展.
甘蔗聯合收穫機械還處於少量生產狀態,機械成本高,應加大農機購置補貼政策的支持,促進農民的購買意願.目前,能熟練掌握甘蔗收穫機械的機手較少,大型的社會服務組織較少,推廣示範程度不夠,在一定程度上制約了收穫機械化發展.
4 展望
甘蔗產業在我國糖料生產中占有重要地位,甘蔗生產過程複雜,耗人力多,必將降低甘蔗生產的效益,大大削減農民種植的積極性.因此,提升甘蔗收穫過程機械化成為穩固蔗糖產業的重要手段之一.甘蔗收穫機械化的實現需要進一步加強農機、農藝、糖廠和政府之間的協調配合.在農藝方面,培育適合機械化收穫的優良品種,規範種植方式,加強田間管理;在農機方面,重點引進成熟的機械,加大技術研發的投入,提升收穫機械各項性能指標;糖廠要適應甘蔗收穫季節性的特點,在設備和生產工藝上需與機械收穫甘蔗原料相適應;政府部門需擴大扶持政策,建立先進示範區,推行規模化種植.各方發揮自身優勢並積極協作,必將攻堅克難,開創甘蔗機械化收穫新局面.
參考文獻:
[1] 區穎剛,彭釗,楊丹彤,等. 我國甘蔗生產機械化的現狀和發展趨勢[C]/ /紀念中國農業工程學會成立 30 周年暨中國農業工程學會 2009 年學術年會(CSAE 2009)論文集.太谷:中國農業工程學會,2009.
[2] 張華,羅俊,廖平偉,等. 我國甘蔗機械化成本分析及機收效益評價模型的建立[J]. 熱帶作物學報,2010,31(10):1669 - 1673.
我國是世界甘蔗生產大國,2012 年的播種面積為1 795khm²,僅次於巴西和印度,排名世界第 3 位.甘蔗是製糖的主要原料之一,其播種面積常年占我國糖料播種面積的 87% 以上,產糖量占食糖總量超過90%[1].甘蔗產業已經成為我國甘蔗主產地區人民致富、經濟發展和財政稅收的重要產業,其健康發展與否直接影響到廣大蔗農的生計和社會穩定.全國甘蔗播種面積如表 1 所示.
甘蔗生產分新植蔗和宿根蔗.新植蔗包括耕整地、開溝起壟、種植、田間管理、收穫及裝載運輸等環節;宿根蔗需對收穫完的蔗地進行破壟平茬、蔗葉粉碎還田及後期的管理和收穫運輸[2].目前,甘蔗產業常規的生產方式是以機械化耕整地、人工種植、人畜中耕培土及人工收穫為主.隨著農業人工成本激增,為解決日益突出的勞動力矛盾,提高製糖業競爭力,甘蔗生產機械化是必由之路.為此,本文對我國甘蔗產業現狀、機械化收穫的現存問題和影響因素進行分析,為加快推進我國甘蔗機械化進程提供參考.
1 我國甘蔗產業現狀
1. 1 甘蔗植株主要特徵
甘蔗是一種一年生或多年生宿根植物,植株由莖、葉、根、花和果實組成.甘蔗莖粗壯多汁,葉子邊緣呈小鋸齒狀,花穗為復總狀花序.甘蔗莖稈實心,呈節狀,每節有一個牙,留種的蔗莖芽可發育成植株.成熟的莖稈可高達 2 ~6m,直徑 0.02 ~0. 075m.甘蔗為喜溫、喜光的 C4 植物,要求年積溫為 5 500 ~8 500℃,日照時數在1 195h 以上,年需積溫要求 330 天以上,年降水量 800 ~1 200mm,年均空氣濕度在 60% 左右,粘壤土、壤土、砂壤土較適宜甘蔗生長[3].
甘蔗按用途分果蔗和糖蔗兩種:果蔗具有較為易撕、糖分適中、莖脆、口感好、莖粗和節長等特點,可用於鮮榨蔗汁,一般多用於鮮食;糖蔗含糖量約為 14% ~16% 之間,含糖量遠高於果蔗,是食用糖的主要原料.
生產上,栽培甘蔗通常採用甘蔗莖節做種苗進行無性繁殖,種苗的萌發包括種牙和種根的萌發.由種苗萌髮長成的當季甘蔗稱為新植蔗,前植蔗砍收後由留在土壤中的蔗兜萌發成長的甘蔗稱為宿根蔗.甘蔗為多年生植物,在我國一般是種植一次收穫 2 ~3 茬.
氣溫和品種是甘蔗生長期的主要影響條件.甘蔗從播種到收穫需 14 ~18 個月,宿根蔗較新植蔗生長期短,為 12 個月左右,如甘蔗生長期不足,會影響甘蔗的含糖量.秋植蔗和春植蔗分別以 8 月、9 月和 2 月、3 月為適宜種植期,一般榨季從 11 月份到第 2 年的 4 月份,所以秋植蔗成長期足夠,而春植蔗稍有欠缺.春植蔗是我國栽培面積最大和最主要採用的栽培制度.
1. 2 甘蔗種植地域分布
全球甘蔗種植主要在南緯 30° ~ 北緯 33°,且種植面積集中在南北緯 25°之間.我國的甘蔗主產區分布在北緯 24°以南的熱帶、亞熱帶地區.我國種植甘蔗的省份有廣西、雲南、廣東、海南等 17 個省(自治區)(見表 2).近 5 年,全國甘蔗播種面積在 1 700khm²左右.
從各省(區)甘蔗播種面積看,貴州省 2012 年增幅比較大,增加 83.19%,四川省和浙江省有逐年減少趨勢,其他省(區)每年種植面積變化不大.
甘蔗種植集中在廣西、雲南、廣東和海南 4 個省(自治區),種植面積占全國比例超過 90%.其中,廣西甘蔗的種植面積和產量常年高居全國第 1 位,所占比例超過 60%,其次為雲南,所占比例為 18%.我國甘蔗播種面積地區種植差異情況如圖 1 所示.
根據自然氣候條件及區域發展要求,我國蔗區一般分為西南蔗區、華南蔗區、華中蔗區.其中,西南蔗區包括四川西部高原南部、雲南的大部分地區和貴州西部及西南隅,在 23° ~ 29°緯度之間,海拔大部分在 400 ~1 600m 之間,大部分為亞熱帶季風氣候;華南蔗區包括廣西、廣東、海南的北緯 24°以南地區,福建東南沿海地區;華中蔗區在 24° ~33. 5°緯度之間,包括浙江、湖南及湖北等部分地區[4].
我國甘蔗多種植在乾旱、瘠薄的土地,且坡度比較大,生產基礎設施相對落後.廣西蔗區有效灌溉面積 4 萬 hm²,不足甘蔗種植面積的 8% ;雲南水源及灌溉條件較好的蔗區 3. 3 萬 hm²左右,僅占總面積的14. 4%[5].
相比於國外幾個甘蔗主要種植國家(美國、巴西、古巴、澳大利亞及泰國等),我國甘蔗戶均種植面積遠小於它們,且土地規模小[6],如表 3 所示.加上我國蔗區受地形和自然條件等影響,甘蔗單產水平偏低,也極大地制約了甘蔗機械化的發展.
1. 3 我國甘蔗主栽品種
長期以來,我國各地的甘蔗研究院所開展甘蔗新品種的選育和研究,迄今已育成了 100 多個甘蔗品種,推動了我國甘蔗種植業的發展.我國甘蔗的選育主要把出苗率、萌芽率以及抗倒伏和抗病能力、宿根性等指標作為參考.目前,我國主要栽植的品種有粵糖79 -177、粵糖93 -159、粵糖86 -368、雲蔗81 -173、雲蔗 89 - 151、桂糖 16 號、桂糖 17 號、桂糖 19號、桂糖 21 號、福農 91 - 4621、新台糖 11 號、新台糖16 號、新台糖 20 號、新台糖 22 號、新台糖 25 號和新台糖 26 號等[7 - 8].萌芽率高、萌芽快、分櫱力特強、生勢旺盛、有效莖數多、抗風、抗病力強,易種好管及宿根生長好的甘蔗品種更受到種植者的歡迎.我國主栽的甘蔗品種特徵如表 3 所示.通常,甘蔗健康種苗培育有兩種方式:一種是組培脫毒法,通過幼嫩葉鞘愈傷組織培養或莖尖組織培養獲得脫毒健康種苗,該方法技術環節較多、時間較長、成本較高;另一種方法是在 52℃ 的溫水中對甘蔗種莖浸泡 30min,該技術對去除宿根矮化病和花葉病有明顯效果,使得甘蔗獲得 20% ~ 40% 的增產,糖分提高 0. 5% 左右[9].雲南省農科院甘蔗研究所開展了甘蔗溫水脫毒車間的建設使用先例,為當地蔗區提供了健康種苗.
1. 4 甘蔗種植模式分析
甘蔗生產過程中種植環節勞動強大,作業的質量對產量造成直接影響,也是後期甘蔗機械收穫的關鍵所在[10].目前,我國甘蔗種植模式主要還處於機械(或蓄力)開溝、人工擺種作業階段,勞動強度大、生產效率低,與國外機械化種植效率較高的國家比差距甚遠,如澳大利亞和巴西.一些自主研發和進口的種植機械也在推廣,但由於種植機些的可靠性有待提高,一直沒有很好的得到推廣使用.
國外主要使用的甘蔗種植機有整杆式、實時切種式和預切種式 3 種形式[11].整稈式種植機械能夠一次性自動完成開溝、蔗種喂入與鋪放、覆土和鎮壓等工序,機械化程度高;實時切種式甘蔗種植機由人工喂種,可以完成開溝起壟、施肥、切種、澆水、覆土和鋪膜等工序;預切式甘蔗種植機可以自動完成開溝、施肥、落種和覆土等工序.目前,國內研究的種植機主要為實時切種式種植機,需要人工喂入,對操作人員的要求相對較高,漏播和播種不均勻現象時有發生,通過完善機械化種植系統的配套性,可以尚有很大的發展空間.
我國甘蔗生產中採用左右雙行條植的種植模式,溝深 30 ~35cm(壟頂至壟底),溝底寬 20 ~ 25 cm,種莖以品字形或雙行窄幅排放,兩種莖之間距離 8 ~10cm;種莖與土壤緊貼,牙向兩側,人工種植行距一般70 ~ 80cm,機械種植行距則在 110 ~150cm 左右,採用機械收穫一般要求行距在 110cm 以上[12 - 15].
2 甘蔗收穫機械化現狀
甘蔗收穫是整個甘蔗生產中投入勞力最多、用功量最大、勞動強度最高的環節,約占整個甘蔗生產過程(整地、種、管、收)總用工量的 60% 以上[16].國內從 20 世紀 60 年代開始至今,研發和生產了部分甘蔗收穫機型,但迄今為止卻仍處在試驗、示範階段,沒有大量推廣使用[17].現階段,我國甘蔗收穫仍然主要採用人工收穫、機械裝載和運輸方式,機械收穫水平比較低.2010 /2011 榨季,其全國機械化收穫率約為0. 07%[18],遠遠落後於其他農作物.目前,我國主要的甘蔗收穫方式如表 4 所示.
2. 1 甘蔗機械收穫主要方式
按照收穫後莖稈的特性,甘蔗收穫方式可分為兩種:整稈式甘蔗收穫和切段式甘蔗收穫.用整稈式甘蔗收穫機收穫的甘蔗,莖稈保持完整,或者只切除了蔗梢;用切斷式甘蔗收穫機收穫的甘蔗,莖稈一般被切成 25 ~40 cm 的蔗段.
2. 1. 1 切段式收穫方式切段式收穫方式用切段式聯合收穫機完成,包括切削、扶倒、切割、輸送、清洗、切段(蔗段一般 25 ~40cm)、除雜及蔗段裝車等工序.其生產效率及機械化程度高,對甘蔗倒伏交叉的適應性好;但含雜率高,收穫要在 24h 內壓榨,收穫的甘蔗對後期糖廠的配套設施要求較高[19].
2. 1. 2 整稈式收穫方式
整稈式收穫方式又分為整稈式聯合收穫和分段收穫兩種方式.
1)整稈式聯合收穫就是用聯合收割機對甘蔗進行整稈收割.整稈式聯合式收穫機械主要包括整稈式聯合收割機、裝集機及運輸設備等.其優點是較適應目前的甘蔗生產和製糖需要,甘蔗可儲存較長時間;其主要缺點是對倒伏嚴重、錯綜交叉和彎曲的甘蔗收穫效果差,裝運效率低,地頭轉彎困難,適應連片較大面積的蔗地使用.
2)分段收穫是指收割和剝葉分別使用不同的機械單獨進行作業,包括機械收割、機械剝葉和機械裝載等工序.目前,該收穫方式作業機械輔助工多,效率非常低,主要使用的機械有割鋪機、剝葉機、裝載機和運輸設備.
2. 2 甘蔗主要收穫機械分析
我國研製並使用的甘蔗收穫機型主要為兩種型式:切段式甘蔗聯合收穫機和整稈式甘蔗收穫機.其中,整稈式甘蔗收穫機又分為整稈式甘蔗聯合收穫機機和分段式收穫機.
2. 2. 1 切段式甘蔗聯合收穫機
切段式甘蔗聯合收穫機主要由切梢器、螺旋扶蔗器、喂入輪、根部切割器、輸送輪、切段刀、升運器、第 1抽風機和第 2 抽風機等部件組成,如圖 2 所示.
其工作過程為:切梢裝置先把甘蔗梢部切段,通過扶蔗器將收穫行的甘蔗統一歸整到收割機的割台幅寬之內,如配有撥蔗器,將臨行甘蔗分離開來;喂入輪將甘蔗壓倒並輔助割刀將甘蔗根部切斷,輸送輪和提升滾筒將切斷的整根甘蔗送到切斷刀處,將甘蔗切成一定長度;切段的甘蔗被輸送到升運器過程中,第 1風機同時完成一次蔗葉分離工作,升運器將分離後的甘蔗運往與之配套收穫的卡車車廂中,拋送口有第 2風機進行二次分離,完成甘蔗收穫過程.
特點:切段式甘蔗聯合收割機收穫效率高,省工省力,是產糖發達的巴西、澳大利亞、美國等甘蔗收穫機械技術發展國家的主推機械.甘蔗切段後,必須在24h 內開榨,而目前我國糖廠的生產模式不能保證及時開榨,加上割台可調性差,造成割茬不齊、破頭率高和含雜率高,配套的運輸設備欠缺,從而制約了甘蔗聯合收割機的發展.
2. 2. 2 整稈式甘蔗聯合收穫機
整稈式甘蔗聯合收穫機主要由切梢機構、扶蔗裝置、切割器、剝葉裝置及集蔗裝置等部分組成.其工作過程為:集梢杆將蔗梢導入切割圓盤刀切割,螺旋扶蔗器將收穫行的甘蔗規整,推蔗杆把進入喂入口的甘蔗推斜後,即被底團盤切割器切斷;托在刀盤上向前傾斜的甘蔗,在喂入輪和提升輪的作用下輸送到剝葉裝置進行蔗葉分離,分離後的莖稈由輸送輪送入集蔗箱,裝滿後把箱內的甘蔗卸到地上.
特點:相較於切段式聯合收割機,其收穫效率有所下降,收穫的甘蔗需要配套的裝載機和運輸設備.
但其收穫的甘蔗保持完整,可保存時間較長,並能很好地擬合人工收穫方式.目前,國內機架剛性設計得不夠,收穫故障率高,無法連續高強度作業;對於倒伏的甘蔗,收穫效果差.典型機型 4GZ - 1 結構示意圖如圖 3 所示.
2. 2. 3 分段式收穫機特點
分段式收穫機模擬人工收穫方式,先是採用割鋪機實現人工砍蔗環節,將甘蔗割倒和鋪放;然後通過剝葉機將蔗葉分離實現剝葉環節;再由人工將甘蔗堆集,裝載車進行裝車,通過道路運輸車運往糖廠.該收穫方式所使用機器體積較小、靈活方便,適合於小地塊甘蔗收穫.其使用機械代替了部分人力,但是收穫的每個環節均需配套機器和人工,生產效率低,勞動力投入較高.目前,該收穫方式在我國並沒有得到很好的推廣和使用.我國甘蔗收穫機械典型機型如表 5 所示.
表 5 中的甘蔗收割機都是對行收穫,對收穫行距有相應要求.其中,CASE - 7000 切段式聯合收割機是凱斯公司生產、投入使用時間較長的機型,也是甘蔗機收發展較好的國家主要選用的機型[22].CASE -4000 切段式聯合收割機是為了適應我國蔗區的地形及條件需要設計研發的,迪爾公司和國內相關企業研究單位也相繼開展甘蔗收割機的研製工作,國內研究甘蔗收割機也已經有幾十年的歷程[23].由於國內甘蔗種植模式及管理等與國外差距較大,機器的使用和收穫模式的選用推廣仍需要不斷試驗示範.
3 甘蔗收穫機械化影響因素分析
通過對甘蔗生產過程中各環節進行綜合分析,找出制約甘蔗機械化收穫的關鍵性因素,並對各因素進行歸類總結,得出以農藝、機械、蔗糖加工、環境和社會 5 個方面的影響因素,如圖 4 所示.
3. 1 影響甘蔗收穫機械化農藝因素
甘蔗種植行距的大小直接影響甘蔗收穫機的收穫質量和適應性.目前,我國主要採用人工種植方式,種植的行距很難滿足機械收穫要求行距 110cm 以上的要求,傳統的種植行距極大程度上制約了機械收穫;栽培時間的不統一和栽培技術的參之不齊,長勢和熟期不一,難以實現連片收穫.目前,種植的甘蔗品種雜亂,甘蔗的品種特性有待提高,應針對不同地形地貌(緩坡地、丘陵地和坡耕地)培育出適應性品種;田間管理、中耕培土環節極大影響甘蔗的產量及長勢;灌溉技術的選用不僅影響到是否節約能源,還與後期的機械收穫有密切關係,對於甘蔗不同階段採取合理水分控制,不僅促進甘蔗產量且有利於機械化收穫.例如在甘蔗成熟期,如果水分多大,導致甘蔗生長旺盛青葉多,必將造成含雜率增加,土壤濕度過大,機械收穫過程中更易被壓實,從而破壞土壤的理化特性,影響來年宿根蔗的生長.
3. 2 甘蔗收穫機械的性能
目前,分段式收穫機械適應性強,但需要輔助人工多,剝葉效率低,農民接受程度不高;切段式甘蔗收穫機械含雜率高,且切段的甘蔗需在 24h 內完成開榨,割台和切梢裝置可調性差,對長勢不齊的甘蔗難以實現有效切梢,收穫的甘蔗含雜率高,配套的田間裝載和運輸機械較少;整稈式甘蔗收穫機械各部件可靠性不足,對倒伏和長勢彎曲甘蔗收穫適應性不強.
3. 3 蔗料加工
目前國內大部分製糖企業前處理設備只適應整條甘蔗的輸送和喂入,對於切段式收穫機械收穫的蔗段適應性差.蔗糖生產工藝線單一,對於高效率完成榨糖功能不能滿足,難以對同一時段大量供應的切段式蔗段進行榨糖處理.糖廠對原料甘蔗的含雜率要求低(一般不超過 1% )[24],根據對上面對我國目前主要使用的甘蔗收穫機械相關參數分析,目前甘蔗收穫機械難以達到要求.
3. 4 環境及社會因素
我國甘蔗主產區多屬丘陵坡地,經營規模小而分散,地塊窄小,無機耕路,且蔗田石塊多,極大的阻礙了機械化收穫[25];降雨量和溫度影響甘蔗的長勢,風量影響倒伏程度;甘蔗機械收穫過程中的噪音和粉塵污染也影響其使用和發展.
甘蔗聯合收穫機械還處於少量生產狀態,機械成本高,應加大農機購置補貼政策的支持,促進農民的購買意願.目前,能熟練掌握甘蔗收穫機械的機手較少,大型的社會服務組織較少,推廣示範程度不夠,在一定程度上制約了收穫機械化發展.
4 展望
甘蔗產業在我國糖料生產中占有重要地位,甘蔗生產過程複雜,耗人力多,必將降低甘蔗生產的效益,大大削減農民種植的積極性.因此,提升甘蔗收穫過程機械化成為穩固蔗糖產業的重要手段之一.甘蔗收穫機械化的實現需要進一步加強農機、農藝、糖廠和政府之間的協調配合.在農藝方面,培育適合機械化收穫的優良品種,規範種植方式,加強田間管理;在農機方面,重點引進成熟的機械,加大技術研發的投入,提升收穫機械各項性能指標;糖廠要適應甘蔗收穫季節性的特點,在設備和生產工藝上需與機械收穫甘蔗原料相適應;政府部門需擴大扶持政策,建立先進示範區,推行規模化種植.各方發揮自身優勢並積極協作,必將攻堅克難,開創甘蔗機械化收穫新局面.
參考文獻:
[1] 區穎剛,彭釗,楊丹彤,等. 我國甘蔗生產機械化的現狀和發展趨勢[C]/ /紀念中國農業工程學會成立 30 周年暨中國農業工程學會 2009 年學術年會(CSAE 2009)論文集.太谷:中國農業工程學會,2009.
[2] 張華,羅俊,廖平偉,等. 我國甘蔗機械化成本分析及機收效益評價模型的建立[J]. 熱帶作物學報,2010,31(10):1669 - 1673.
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