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发布时间：2021-04-23 16:50所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要油菜全产业链包括产前、产中、产后阶段,发展各阶段机械化与智能化技术是实现油菜生产节本增效的重要途径之一.本文分析了国内外油菜全产业链生产概况和主要环节关键技术与装备发展现状,概述了产前油菜小区育种、种子精细处理与产后油脂加工关键技术,重点
摘要油菜全产业链包括产前、产中、产后阶段,发展各阶段机械化与智能化技术是实现油菜生产节本增效的重要途径之一.本文分析了国内外油菜全产业链生产概况和主要环节关键技术与装备发展现状,概述了产前油菜小区育种、种子精细处理与产后油脂加工关键技术,重点阐述了产中阶段耕整地、播种、收获、田间管理环节的重点技术发展动态,涵盖了种床整理技术、开畦沟技术、深施肥与秸秆还田技术、单体式与集中式精量排种技术、无人机播种与病虫草害防控技术、分段与联合收获技术、饲用油菜收获技术及其配套装备.在系统总结和分析我国油菜产业特点和发展趋势的基础上,指出了现阶段油菜全产业链机械化智能化发展存在区域不平衡、上下游阶段不平衡和各环节技术体系不平衡,提出加快产前、产后成套装备研发,促进油菜多功能开发利用,实现产中各环节机械化水平均衡发展,探索油菜机械化生产智能技术与无人系统,形成政府推动G市场拉动G规模驱动G科技引领的发展路径,是实现油菜全产业链高质高效发展的关键.
关键词油菜;油菜机械;全产业链;机械化;智能化;发展趋势;成套装备;多功能开发;无人系统;均衡发展
油菜是我国最重要的油料作物之一,具有饲料、绿肥、蔬菜、能源、旅游以及蜜源等多种功能和开发利用上的优势.我国主要油菜种植区域一般可分为冬播油菜和春播油菜两大产区,其中冬油菜产区集中分布于长江流域,占总产量的90%以上,种植形式上以稻G油或稻G稻G油水旱轮作方式为主[1].
按照油菜生产经营流程,油菜全产业链包括产前、产中、产后三大阶段.产前阶段以育种和种子精细处理为主,涵盖优良种子种苗繁育与推广、农资储备与供应等;耕整地、播种、田间管理、收获是产中阶段的主要环节,但各环节机械化整体水平不高且发展不均衡,2019年油菜机播率、机收率分别仅为32.5%和44%;产后阶段主要为油脂加工,包括收获后油菜种子预处理、制油、精炼等环节.
农业论文投稿刊物：《山东农业工程学院学报》(双月刊)创刊于1985年，曾用刊名：农业管理科学。本刊是由山东省农业管理干部学院主管、主办的学术性刊物。主要研讨农民、农村、农业的新情况、新问题，探讨农业决策、农村管理、农民领导的规律和方法，为推动农业发展、农村改革和武装农民，转移农民，解放农民，富裕农民，推进全面小康社会建设尽心竭力。读者对象为党政领导干部，涉及企业、事业单位负责人，农业管理、科研、技术人员，农业院校教师、学生等。
长期以来,油菜全产业链三大阶段发展相对孤立,综合机械化水平低下,智能化进展缓慢,进而导致生产成本高、效益低,制约了油菜产业的发展.随着农业现代化进程快速推进,农业生产经营向以机械化为支撑的适度规模方式转型[2],打通我国油菜生产产前、产中、产后阶段技术与经营壁垒,提高全产业链综合机械化、智能化水平是实现油菜产业高质量发展的重要途径.本文在介绍国内外油菜生产与我国全产业链概况基础上,比较了国内外油菜生产产前、产中、产后三大阶段主要环节机械化智能化关键技术与装备发展现状,分析了现阶段油菜全产业链综合发展的技术难点和存在问题,展望了我国油菜全产业链机械化智能化技术发展趋势.
1油菜全产业链概述
油菜是十字花科芸薹属一年生草本植物,主要分为白菜型、芥菜型和甘蓝型3种类型.由于其抗逆性强、适应范围广,目前是全球许多国家和地区的主要油料作物之一[1].我国的油菜主产区一般可划分为冬播油菜区和春播油菜区.我国冬播油菜种植区域主要集中在长江流域各省份,春播油菜种植区主要分布在青海、内蒙、甘肃等3省(区)[1].油菜全产业链指油菜生产的产前、产中、产后3个阶段。
2产前小区播种和种子精细处理技术与装备
2.1小区播种技术与装备
小区播种机是培育新品种时专门用于田间试验的播种机,具有定量播种、自动清种等特点,高性能小区播种机的应用是提高小区育种试验,加快油菜新品种研发,促进育种产业发展的重要方式.国外小区育种机械起步较早,小区播种机技术趋于成熟.国外生产小区播种装备的公司包括奥地利的温特斯泰格(Wintersteiger)、丹麦的霍尔(Haldrup)、美国的阿麦科(Almaco)、巴西的MaGquinarium等,代表机型，温特斯泰格(Wintersteiger)公司研制了气吸组合式小区精量播种机[6],实现了单粒排种,并通过安装电子调控器、播种定位控制器以及GPS模块,提高了自动化程度,实现了种子播量、播深等参数的可调可控[7].
3产中环节关键技术与装备
3.1耕整地技术与装备
1)种床整理技术与装备.我国南方冬油菜主产区生产季节的降水量较大,因此,一般要求油菜种植耕整地机具作业后的种床厢面平整,具体而言细碎土层深度需在8cm以上,地表平整度在5cm之内,碎土率大于50%,且开好厢沟、腰沟、畦沟(沟宽需200~400mm,沟深150~300mm)以便雨水及时排出,才能满足油菜种植的基本要求[3].进行机械化耕整作业时,耕整机械的耕作深度主要由联合耕整、翻耕、旋耕、深松等机具作业深度及仿形机构共同决定[3],研究耕深稳定性调控技术对后续油菜播种作业至关重要.国外如凯斯纽荷兰、约翰迪尔等大型农机公司研发的联合耕整机(图3A)利用机具自身质量,通过调节行走支撑轮离地高度进而控制机具作业深度,可通过相关传感技术实时调节耕作深度.国内相关学者对耕整机具作业深度也进行了研究,万国伟等[17]研制了一种液压驱动式圆盘耙,作业耕深为85~120mm,耕深稳定性变异系数为9.6%.
刘晓鹏等[18]开发设计了一种联合耕整机,该耕整机主要采用主动式对置犁耕与被动式开畦沟、碎土、平整相结合的工艺方案,试验结果显示,该该耕整机耕深稳定性系数达90%以上.一般耕作机具实现耕深稳定后,还需进行碎土平整作业,以避免播深不一致,导致油菜出苗不齐及长势不一致等问题[1].
国外油菜用联合耕整机具一般通过后置安装钉齿耙、弹齿耙或者碎土辊以实现土地的细碎平整[3].张青松等[19]研制了一种深浅旋组合式种床整备装置,该装置采用多区段双螺旋线对称排列旋耕弯刀实现旋耕碎土,再配合后拖板实现厢面平整,试验结果显示,该种床整备装置的碎土率与厢面平整度分别为50.94%~64.64%和22.12%~29.37%.在保证厢面平整度与碎土率的基础上,还需满足油菜种植作畦开沟的农艺要求.现阶段油菜播种开畦沟装置的作业方式主要包括主动和被动开沟2种,其中主动开畦沟装置作业效果好,但功耗较高;被动开畦沟装置虽然结构简单,但难以保持作业稳定[3].
张青松等[20]设计了一种类铧式犁开畦沟装置,实现了前犁开沟起土、后犁收沟整形的开沟工艺.为满足土壤高含水率条件下的开畦沟作业要求,刘晓鹏等[21]进一步设计了一种船型开沟器,该船型开沟器作业是可形成沟深150~250mm、上沟宽250~350mm、沟底宽80mm的梯形畦沟.开畦沟技术是我国南方冬油菜产区油菜种植田间雨水顺利排出的重要保障.种床整理是油菜播种重要环节,稳定的土层深度、适宜的细碎土壤和厢面平整度是保障油菜正常生长发育的必备条件.国外种床整理多采用大型化装备,作业效率高,但不适宜于我国南方油菜主产区土壤黏重板结、地表前茬作物秸秆残留量大等复杂田间工况,发展适应该地区种床整理的耕整地装备是研究难点.
4产后油脂加工技术与装备
油脂是人体所需能量和脂肪酸的重要来源之一.油脂加工设备包括了从油菜籽粒收获后的干燥、清理、分选、储藏及输送,籽粒的预处理、预榨、浸出、精炼、包装与副产品的精深加工等全过程各个单元操作所需的各种专用设备和通用设备.通过制油工艺改良提高油料产品转化率和利用率,对协调产业发展,推进农业增效,促进农民增收,保障农村稳定,提高城乡居民生活水平和质量具有重要的现实意义.
脱皮冷榨制油工艺是近几年国内外涌现出的新型工艺技术,可减少加工物料的高温处理,所得油脂品质高且降低了加工能耗和成本[101].脱皮与皮仁分离是制油前预处理中重要环节,也是双低菜籽高效加工研究的难点和热点.德国凯姆瑞亚
中国农业科学院油料作物研究所应用离心撞击式脱皮和综合分离原理,研制出油菜籽干法脱皮机与皮仁分离系统[103].传统热榨G浸出菜籽油加工工艺生产的油脂色泽深、酸值高等缺点[104].与传统的油菜籽制油普遍采用蒸炒、预榨、浸出工艺不同,低温压榨不需蒸炒,能耗较低,且冷榨制油工艺一般为全机械过程,经螺旋压榨机压榨后过滤.双螺旋压榨机由于具有油脂高效提取、饼粕质量好和工艺成本低等优点而得到广泛推广,现已出现了多种新型低温压榨工艺技术和设备[105].国内在相应低温压榨设备加工能力和规模方面不断扩大,如低温螺旋榨油机[106]、单螺杆油料冷榨机[107]、油料冷榨机[108]等.然而,我国油菜生产经营规模相对较小,油菜产后油脂加工环节缺少成套产地加工设备,导致收获后油菜籽粒无法及时处理,延长了产后加工周期,提高了高含水率油菜籽粒霉变风险,造成籽粒损失.
5油菜无人农场关键技术与装备
农场由于其特殊规模效应,在农业生产领域具有重要的作用,伴随农业的发展,农场经历了传统农场到机械化农场到自动化农场再到目前的无人农场.无人农场是在人不进入农场的情况下,采用物联网、大数据、人工智能、5G、机器人等新一代信息技术,通过对农场设施、装备、机械等远程控制或智能装备与机器人的自主决策、自主作业,完成所有农场生产、管理任务的一种全天候、全过程、全空间的无人化生产作业模式,无人农场的本质是实现机器换人[109].全天候、全过程、全空间的无人化作业是无人农场的基本特征.
2017年英国哈勃亚当斯农业大学研究团队率先建立了世界首个无人农场,同年日本建立了世界首个蔬菜无人农场,随后美国、韩国等也开始布局无人农场,我国在山东、江苏、福建、黑龙江等地陆续开展了无人农场的应用探索.国内规模最大、由碧桂园控股有限公司与北大荒集团联合打造的建三江无人化农场试验示范项目,已经分别在大豆、玉米、水稻田块和实验场地进行了耕整地、播种、插秧、喷药、喷肥、收获、运粮等农业生产全过程的无人化作业现场演示,为油菜无人农场的布局奠定了坚实的基础.
油菜无人农场的建立要依托作物生产全程无人自主作业、作业环节自主完成和油菜生长全程自动监控等环节.作物生产全程无人自主作业包括耕整地、种植、田间管理和收获各环节.生产环节无人化包括从机库到田间及完成作业后回到机库的全过程,需要无人驾驶耕整作业机械、无人驾驶种植机械、无人驾驶田间管理机械和无人驾驶收获机械的支撑.作物生长全程自动监控包括从耕整到收获各阶段植株的生长状况及需水、施肥和喷药的监测及决策.
6技术难点分析与发展趋势
中国油菜种植区域主要分布在长江流域,具有一年多熟种植制度、土地分散、地块狭小和土壤黏重板结等典型特征,但是产前、产中、产后阶段发展不均衡、不充分,导致生产手段落后、成本高、综合效益低,严重影响民众油菜种植的积极性.
三大阶段发展不均衡主要体现在区域不平衡、上下游阶段不平衡和各环节技术体系不平衡三大方面.发展不充分包括整个油菜生产产业发展总量不够丰富、发展程度不够高、发展态势不够稳固,体现在油菜产中耕种收全程机械化技术与装备不能很好地满足当前和未来现代农业生产的需要,存在机械化、智能化水平低、部分装备缺乏的现实问题;技术层面急需解决油菜生产的产前技术装备加快研发,产中作业装备的进一步优化改进和提高适应性,产后高品质菜籽油产地加工机械和成套装备不足;同时全产业链机械装备智能化参数调控技术和基于物联网、大数据等前沿技术的智能化管理与精准作业系统是迫切需要攻克的关键技术.
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作者：万星宇1,廖庆喜1,2,廖宜涛1,2,丁幼春1,2,张青松1,2,黄凰1,2,陈慧1,朱龙图1
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《油菜全产业链机械化智能化关键技术装备研究现状及发展趋势》