0 引言
我国是世界甘蔗生产大国,2012 年的播种面积为1 795khm²,仅次于巴西和印度,排名世界第 3 位.甘蔗是制糖的主要原料之一,其播种面积常年占我国糖料播种面积的 87% 以上,产糖量占食糖总量超过90%[1].甘蔗产业已经成为我国甘蔗主产地区人民致富、经济发展和财政税收的重要产业,其健康发展与否直接影响到广大蔗农的生计和社会稳定.全国甘蔗播种面积如表 1 所示.
甘蔗生产分新植蔗和宿根蔗.新植蔗包括耕整地、开沟起垄、种植、田间管理、收获及装载运输等环节;宿根蔗需对收获完的蔗地进行破垄平茬、蔗叶粉碎还田及后期的管理和收获运输[2].目前,甘蔗产业常规的生产方式是以机械化耕整地、人工种植、人畜中耕培土及人工收获为主.随着农业人工成本激增,为解决日益突出的劳动力矛盾,提高制糖业竞争力,甘蔗生产机械化是必由之路.为此,本文对我国甘蔗产业现状、机械化收获的现存问题和影响因素进行分析,为加快推进我国甘蔗机械化进程提供参考.
1 我国甘蔗产业现状
1. 1 甘蔗植株主要特征
甘蔗是一种一年生或多年生宿根植物,植株由茎、叶、根、花和果实组成.甘蔗茎粗壮多汁,叶子边缘呈小锯齿状,花穗为复总状花序.甘蔗茎秆实心,呈节状,每节有一个牙,留种的蔗茎芽可发育成植株.成熟的茎秆可高达 2 ~6m,直径 0.02 ~0. 075m.甘蔗为喜温、喜光的 C4 植物,要求年积温为 5 500 ~8 500℃,日照时数在1 195h 以上,年需积温要求 330 天以上,年降水量 800 ~1 200mm,年均空气湿度在 60% 左右,粘壤土、壤土、砂壤土较适宜甘蔗生长[3].
甘蔗按用途分果蔗和糖蔗两种:果蔗具有较为易撕、糖分适中、茎脆、口感好、茎粗和节长等特点,可用于鲜榨蔗汁,一般多用于鲜食;糖蔗含糖量约为 14% ~16% 之间,含糖量远高于果蔗,是食用糖的主要原料.
生产上,栽培甘蔗通常采用甘蔗茎节做种苗进行无性繁殖,种苗的萌发包括种牙和种根的萌发.由种苗萌发长成的当季甘蔗称为新植蔗,前植蔗砍收后由留在土壤中的蔗兜萌发成长的甘蔗称为宿根蔗.甘蔗为多年生植物,在我国一般是种植一次收获 2 ~3 茬.
气温和品种是甘蔗生长期的主要影响条件.甘蔗从播种到收获需 14 ~18 个月,宿根蔗较新植蔗生长期短,为 12 个月左右,如甘蔗生长期不足,会影响甘蔗的含糖量.秋植蔗和春植蔗分别以 8 月、9 月和 2 月、3 月为适宜种植期,一般榨季从 11 月份到第 2 年的 4 月份,所以秋植蔗成长期足够,而春植蔗稍有欠缺.春植蔗是我国栽培面积最大和最主要采用的栽培制度.
1. 2 甘蔗种植地域分布
全球甘蔗种植主要在南纬 30° ~ 北纬 33°,且种植面积集中在南北纬 25°之间.我国的甘蔗主产区分布在北纬 24°以南的热带、亚热带地区.我国种植甘蔗的省份有广西、云南、广东、海南等 17 个省(自治区)(见表 2).近 5 年,全国甘蔗播种面积在 1 700khm²左右.
从各省(区)甘蔗播种面积看,贵州省 2012 年增幅比较大,增加 83.19%,四川省和浙江省有逐年减少趋势,其他省(区)每年种植面积变化不大.
甘蔗种植集中在广西、云南、广东和海南 4 个省(自治区),种植面积占全国比例超过 90%.其中,广西甘蔗的种植面积和产量常年高居全国第 1 位,所占比例超过 60%,其次为云南,所占比例为 18%.我国甘蔗播种面积地区种植差异情况如图 1 所示.
根据自然气候条件及区域发展要求,我国蔗区一般分为西南蔗区、华南蔗区、华中蔗区.其中,西南蔗区包括四川西部高原南部、云南的大部分地区和贵州西部及西南隅,在 23° ~ 29°纬度之间,海拔大部分在 400 ~1 600m 之间,大部分为亚热带季风气候;华南蔗区包括广西、广东、海南的北纬 24°以南地区,福建东南沿海地区;华中蔗区在 24° ~33. 5°纬度之间,包括浙江、湖南及湖北等部分地区[4].
我国甘蔗多种植在干旱、瘠薄的土地,且坡度比较大,生产基础设施相对落后.广西蔗区有效灌溉面积 4 万 hm²,不足甘蔗种植面积的 8% ;云南水源及灌溉条件较好的蔗区 3. 3 万 hm²左右,仅占总面积的14. 4%[5].
相比于国外几个甘蔗主要种植国家(美国、巴西、古巴、澳大利亚及泰国等),我国甘蔗户均种植面积远小于它们,且土地规模小[6],如表 3 所示.加上我国蔗区受地形和自然条件等影响,甘蔗单产水平偏低,也极大地制约了甘蔗机械化的发展.
1. 3 我国甘蔗主栽品种
长期以来,我国各地的甘蔗研究院所开展甘蔗新品种的选育和研究,迄今已育成了 100 多个甘蔗品种,推动了我国甘蔗种植业的发展.我国甘蔗的选育主要把出苗率、萌芽率以及抗倒伏和抗病能力、宿根性等指标作为参考.目前,我国主要栽植的品种有粤糖79 -177、粤糖93 -159、粤糖86 -368、云蔗81 -173、云蔗 89 - 151、桂糖 16 号、桂糖 17 号、桂糖 19号、桂糖 21 号、福农 91 - 4621、新台糖 11 号、新台糖16 号、新台糖 20 号、新台糖 22 号、新台糖 25 号和新台糖 26 号等[7 - 8].萌芽率高、萌芽快、分蘖力特强、生势旺盛、有效茎数多、抗风、抗病力强,易种好管及宿根生长好的甘蔗品种更受到种植者的欢迎.我国主栽的甘蔗品种特征如表 3 所示.通常,甘蔗健康种苗培育有两种方式:一种是组培脱毒法,通过幼嫩叶鞘愈伤组织培养或茎尖组织培养获得脱毒健康种苗,该方法技术环节较多、时间较长、成本较高;另一种方法是在 52℃ 的温水中对甘蔗种茎浸泡 30min,该技术对去除宿根矮化病和花叶病有明显效果,使得甘蔗获得 20% ~ 40% 的增产,糖分提高 0. 5% 左右[9].云南省农科院甘蔗研究所开展了甘蔗温水脱毒车间的建设使用先例,为当地蔗区提供了健康种苗.
1. 4 甘蔗种植模式分析
甘蔗生产过程中种植环节劳动强大,作业的质量对产量造成直接影响,也是后期甘蔗机械收获的关键所在[10].目前,我国甘蔗种植模式主要还处于机械(或蓄力)开沟、人工摆种作业阶段,劳动强度大、生产效率低,与国外机械化种植效率较高的国家比差距甚远,如澳大利亚和巴西.一些自主研发和进口的种植机械也在推广,但由于种植机些的可靠性有待提高,一直没有很好的得到推广使用.
国外主要使用的甘蔗种植机有整杆式、实时切种式和预切种式 3 种形式[11].整秆式种植机械能够一次性自动完成开沟、蔗种喂入与铺放、覆土和镇压等工序,机械化程度高;实时切种式甘蔗种植机由人工喂种,可以完成开沟起垄、施肥、切种、浇水、覆土和铺膜等工序;预切式甘蔗种植机可以自动完成开沟、施肥、落种和覆土等工序.目前,国内研究的种植机主要为实时切种式种植机,需要人工喂入,对操作人员的要求相对较高,漏播和播种不均匀现象时有发生,通过完善机械化种植系统的配套性,可以尚有很大的发展空间.
我国甘蔗生产中采用左右双行条植的种植模式,沟深 30 ~35cm(垄顶至垄底),沟底宽 20 ~ 25 cm,种茎以品字形或双行窄幅排放,两种茎之间距离 8 ~10cm;种茎与土壤紧贴,牙向两侧,人工种植行距一般70 ~ 80cm,机械种植行距则在 110 ~150cm 左右,采用机械收获一般要求行距在 110cm 以上[12 - 15].
2 甘蔗收获机械化现状
甘蔗收获是整个甘蔗生产中投入劳力最多、用功量最大、劳动强度最高的环节,约占整个甘蔗生产过程(整地、种、管、收)总用工量的 60% 以上[16].国内从 20 世纪 60 年代开始至今,研发和生产了部分甘蔗收获机型,但迄今为止却仍处在试验、示范阶段,没有大量推广使用[17].现阶段,我国甘蔗收获仍然主要采用人工收获、机械装载和运输方式,机械收获水平比较低.2010 /2011 榨季,其全国机械化收获率约为0. 07%[18],远远落后于其他农作物.目前,我国主要的甘蔗收获方式如表 4 所示.
2. 1 甘蔗机械收获主要方式
按照收获后茎秆的特性,甘蔗收获方式可分为两种:整秆式甘蔗收获和切段式甘蔗收获.用整秆式甘蔗收获机收获的甘蔗,茎秆保持完整,或者只切除了蔗梢;用切断式甘蔗收获机收获的甘蔗,茎秆一般被切成 25 ~40 cm 的蔗段.
2. 1. 1 切段式收获方式切段式收获方式用切段式联合收获机完成,包括切削、扶倒、切割、输送、清洗、切段(蔗段一般 25 ~40cm)、除杂及蔗段装车等工序.其生产效率及机械化程度高,对甘蔗倒伏交叉的适应性好;但含杂率高,收获要在 24h 内压榨,收获的甘蔗对后期糖厂的配套设施要求较高[19].
2. 1. 2 整秆式收获方式
整秆式收获方式又分为整秆式联合收获和分段收获两种方式.
1)整秆式联合收获就是用联合收割机对甘蔗进行整秆收割.整秆式联合式收获机械主要包括整秆式联合收割机、装集机及运输设备等.其优点是较适应目前的甘蔗生产和制糖需要,甘蔗可储存较长时间;其主要缺点是对倒伏严重、错综交叉和弯曲的甘蔗收获效果差,装运效率低,地头转弯困难,适应连片较大面积的蔗地使用.
2)分段收获是指收割和剥叶分别使用不同的机械单独进行作业,包括机械收割、机械剥叶和机械装载等工序.目前,该收获方式作业机械辅助工多,效率非常低,主要使用的机械有割铺机、剥叶机、装载机和运输设备.
2. 2 甘蔗主要收获机械分析
我国研制并使用的甘蔗收获机型主要为两种型式:切段式甘蔗联合收获机和整秆式甘蔗收获机.其中,整秆式甘蔗收获机又分为整秆式甘蔗联合收获机机和分段式收获机.
2. 2. 1 切段式甘蔗联合收获机
切段式甘蔗联合收获机主要由切梢器、螺旋扶蔗器、喂入轮、根部切割器、输送轮、切段刀、升运器、第 1抽风机和第 2 抽风机等部件组成,如图 2 所示.
其工作过程为:切梢装置先把甘蔗梢部切段,通过扶蔗器将收获行的甘蔗统一归整到收割机的割台幅宽之内,如配有拨蔗器,将临行甘蔗分离开来;喂入轮将甘蔗压倒并辅助割刀将甘蔗根部切断,输送轮和提升滚筒将切断的整根甘蔗送到切断刀处,将甘蔗切成一定长度;切段的甘蔗被输送到升运器过程中,第 1风机同时完成一次蔗叶分离工作,升运器将分离后的甘蔗运往与之配套收获的卡车车厢中,抛送口有第 2风机进行二次分离,完成甘蔗收获过程.
特点:切段式甘蔗联合收割机收获效率高,省工省力,是产糖发达的巴西、澳大利亚、美国等甘蔗收获机械技术发展国家的主推机械.甘蔗切段后,必须在24h 内开榨,而目前我国糖厂的生产模式不能保证及时开榨,加上割台可调性差,造成割茬不齐、破头率高和含杂率高,配套的运输设备欠缺,从而制约了甘蔗联合收割机的发展.
2. 2. 2 整秆式甘蔗联合收获机
整秆式甘蔗联合收获机主要由切梢机构、扶蔗装置、切割器、剥叶装置及集蔗装置等部分组成.其工作过程为:集梢杆将蔗梢导入切割圆盘刀切割,螺旋扶蔗器将收获行的甘蔗规整,推蔗杆把进入喂入口的甘蔗推斜后,即被底团盘切割器切断;托在刀盘上向前倾斜的甘蔗,在喂入轮和提升轮的作用下输送到剥叶装置进行蔗叶分离,分离后的茎秆由输送轮送入集蔗箱,装满后把箱内的甘蔗卸到地上.
特点:相较于切段式联合收割机,其收获效率有所下降,收获的甘蔗需要配套的装载机和运输设备.
但其收获的甘蔗保持完整,可保存时间较长,并能很好地拟合人工收获方式.目前,国内机架刚性设计得不够,收获故障率高,无法连续高强度作业;对于倒伏的甘蔗,收获效果差.典型机型 4GZ - 1 结构示意图如图 3 所示.
2. 2. 3 分段式收获机特点
分段式收获机模拟人工收获方式,先是采用割铺机实现人工砍蔗环节,将甘蔗割倒和铺放;然后通过剥叶机将蔗叶分离实现剥叶环节;再由人工将甘蔗堆集,装载车进行装车,通过道路运输车运往糖厂.该收获方式所使用机器体积较小、灵活方便,适合于小地块甘蔗收获.其使用机械代替了部分人力,但是收获的每个环节均需配套机器和人工,生产效率低,劳动力投入较高.目前,该收获方式在我国并没有得到很好的推广和使用.我国甘蔗收获机械典型机型如表 5 所示.
表 5 中的甘蔗收割机都是对行收获,对收获行距有相应要求.其中,CASE - 7000 切段式联合收割机是凯斯公司生产、投入使用时间较长的机型,也是甘蔗机收发展较好的国家主要选用的机型[22].CASE -4000 切段式联合收割机是为了适应我国蔗区的地形及条件需要设计研发的,迪尔公司和国内相关企业研究单位也相继开展甘蔗收割机的研制工作,国内研究甘蔗收割机也已经有几十年的历程[23].由于国内甘蔗种植模式及管理等与国外差距较大,机器的使用和收获模式的选用推广仍需要不断试验示范.
3 甘蔗收获机械化影响因素分析
通过对甘蔗生产过程中各环节进行综合分析,找出制约甘蔗机械化收获的关键性因素,并对各因素进行归类总结,得出以农艺、机械、蔗糖加工、环境和社会 5 个方面的影响因素,如图 4 所示.
3. 1 影响甘蔗收获机械化农艺因素
甘蔗种植行距的大小直接影响甘蔗收获机的收获质量和适应性.目前,我国主要采用人工种植方式,种植的行距很难满足机械收获要求行距 110cm 以上的要求,传统的种植行距极大程度上制约了机械收获;栽培时间的不统一和栽培技术的参之不齐,长势和熟期不一,难以实现连片收获.目前,种植的甘蔗品种杂乱,甘蔗的品种特性有待提高,应针对不同地形地貌(缓坡地、丘陵地和坡耕地)培育出适应性品种;田间管理、中耕培土环节极大影响甘蔗的产量及长势;灌溉技术的选用不仅影响到是否节约能源,还与后期的机械收获有密切关系,对于甘蔗不同阶段采取合理水分控制,不仅促进甘蔗产量且有利于机械化收获.例如在甘蔗成熟期,如果水分多大,导致甘蔗生长旺盛青叶多,必将造成含杂率增加,土壤湿度过大,机械收获过程中更易被压实,从而破坏土壤的理化特性,影响来年宿根蔗的生长.
3. 2 甘蔗收获机械的性能
目前,分段式收获机械适应性强,但需要辅助人工多,剥叶效率低,农民接受程度不高;切段式甘蔗收获机械含杂率高,且切段的甘蔗需在 24h 内完成开榨,割台和切梢装置可调性差,对长势不齐的甘蔗难以实现有效切梢,收获的甘蔗含杂率高,配套的田间装载和运输机械较少;整秆式甘蔗收获机械各部件可靠性不足,对倒伏和长势弯曲甘蔗收获适应性不强.
3. 3 蔗料加工
目前国内大部分制糖企业前处理设备只适应整条甘蔗的输送和喂入,对于切段式收获机械收获的蔗段适应性差.蔗糖生产工艺线单一,对于高效率完成榨糖功能不能满足,难以对同一时段大量供应的切段式蔗段进行榨糖处理.糖厂对原料甘蔗的含杂率要求低(一般不超过 1% )[24],根据对上面对我国目前主要使用的甘蔗收获机械相关参数分析,目前甘蔗收获机械难以达到要求.
3. 4 环境及社会因素
我国甘蔗主产区多属丘陵坡地,经营规模小而分散,地块窄小,无机耕路,且蔗田石块多,极大的阻碍了机械化收获[25];降雨量和温度影响甘蔗的长势,风量影响倒伏程度;甘蔗机械收获过程中的噪音和粉尘污染也影响其使用和发展.
甘蔗联合收获机械还处于少量生产状态,机械成本高,应加大农机购置补贴政策的支持,促进农民的购买意愿.目前,能熟练掌握甘蔗收获机械的机手较少,大型的社会服务组织较少,推广示范程度不够,在一定程度上制约了收获机械化发展.
4 展望
甘蔗产业在我国糖料生产中占有重要地位,甘蔗生产过程复杂,耗人力多,必将降低甘蔗生产的效益,大大削减农民种植的积极性.因此,提升甘蔗收获过程机械化成为稳固蔗糖产业的重要手段之一.甘蔗收获机械化的实现需要进一步加强农机、农艺、糖厂和政府之间的协调配合.在农艺方面,培育适合机械化收获的优良品种,规范种植方式,加强田间管理;在农机方面,重点引进成熟的机械,加大技术研发的投入,提升收获机械各项性能指标;糖厂要适应甘蔗收获季节性的特点,在设备和生产工艺上需与机械收获甘蔗原料相适应;政府部门需扩大扶持政策,建立先进示范区,推行规模化种植.各方发挥自身优势并积极协作,必将攻坚克难,开创甘蔗机械化收获新局面.
参考文献:
[1] 区颖刚,彭钊,杨丹彤,等. 我国甘蔗生产机械化的现状和发展趋势[C]/ /纪念中国农业工程学会成立 30 周年暨中国农业工程学会 2009 年学术年会(CSAE 2009)论文集.太谷:中国农业工程学会,2009.
[2] 张华,罗俊,廖平伟,等. 我国甘蔗机械化成本分析及机收效益评价模型的建立[J]. 热带作物学报,2010,31(10):1669 - 1673.
