1．前言
    据2004年《全国防沙治沙规划》，我国“现有沙化土地面积174.3万km2，占国土面积的18.2%，其中流动沙丘42.7万km2，固定、半固定沙丘46.3万km2，戈壁66.4万km2，其它18.9万km2。”而且仍以每年3460km2的速度扩展。另据国家林业局2005《中国森林资源报告》，我国灌木林地总面积4529.68万hm2，主要分布在西藏、四川、内蒙古、云南、新疆、甘肃等7省（自治区）的山地和沙地，大多数灌木具有耐旱、耐贫瘠、生命力强的特点，是防治荒漠化、恢复沙荒地植被最有效的树种。
    大多数沙生灌木在造林后每3~5年需要进行平茬复壮，以促进根系生长，丛落扩大。长期得不到平茬复壮的灌木丛会发生枯死的现象，进而造成重新发生荒漠化。而长期以来，大面积灌木林的平茬复壮作业主要依赖于灌木林区群众结合烧柴需求的人工砍伐方式。但随人们生活水平的提高，砍伐灌木枝条作为烧柴的需求逐渐减少，造成大面积灌木林长期得不到平茬复壮，致使一些沙地灌木林成片枯死而重新发生土地退化。
    在畜牧养殖业方面，我国的畜禽养殖数量已经居世界首位，饲料的需求量将达到2.8亿吨，在畜牧养殖业中用于提高肉质和奶质的粗饲料缺口巨大，许多木本饲料恰好是与苜蓿、羊草等营养价值相同的优质粗饲料。发展木本饲料是解决我国畜牧养殖业饲料不足的有效途径。在过去几十年的研究与探索已经证明，许多木本饲料的营养价值与专门在农田种植的草本饲料基本相同。利用不能生长农作物的荒地、沙地种植木本饲料型灌木林，并实现木本粗饲料、生物质成型燃料生产产业化，不仅解决饲料不足和缓解能源危机、减少C02排放的问题，而且可以增加林农收入和促进荒地、沙地的植被恢复，改善生态环境。
    实现以灌木型木本饲料和成型燃料生产产业化的关键是解决好饲料、木质化灌木林的机械化收割和饲料、成型燃料的加工。北京林业大学在完成国家林业局“948”项目“四倍体刺槐培育技术的引进”、“生物质成型燃料高压致密成型技术引进”和国家“十一五”科技支撑“沙生灌木林平茬收割技术研究与开发”课题的基础上，对实现饲料型灌木资源产业化，促进沙荒地植被恢复的可行性进行了实质性的探讨和实践。
    2．四倍体刺槐
    北京林业大学通过承担国家“948”重点技术引进项目“多倍体刺槐新品种及繁殖技术引进”，采用乔木灌木化培育技术，创新性地通过染色体加倍技术选育出适合我国生长的，特别是适合边际性土地生长的四倍体刺槐优良新品种。2002年通过国家林业局“948”项目管理办公室的验收，2004年获得了国家林木良种审定委员会颁发的良种证。经多年来的试验和推广应用，已证明该树种耐贫瘠、耐干旱、抗寒。在沙地、轻微盐碱地、矿区油田复垦、河滩沙石地、沙漠边缘地、荒山上都可栽植，栽植后可多年（约50年）循环利用。
    矮化密植、灌化培育是最大限度获得木本饲料的主要方法。根据种植地土壤、环境条件的不同其生物量不同，在较好土地上每年每亩地可获得7000~8000kg的饲料；在一般土地上可获得饲料4000~5000kg/亩．年；在较差的山地可获得饲料700~1000kg/亩．年。四倍体刺槐的羽状复叶粗蛋白含量24.68%、并富含多种维生素、微量元素及多种氨基酸，尤其是胡萝卜素、核黄素和维生素B2的含量特别高，分别为黄玉米的50倍、7倍和1 5倍，维生素为一般草苜蓿的上百倍是一种富含高蛋白等多种营养物质的优质木本粗饲料。
    灌化培育的四倍体刺槐需要每年开春前把前一年木质化的干从距根部3~ 5cm处伐除，以促进萌生。木质化的干材质坚硬、密度大、热值高。经清华大学热能工程实验室检测，其高位发热量为20.85Qg·d/MJ.kg-1（4983.2千卡/kg），经常温致密成型后（密度1.0~1.2g/cm3）在普通锅炉和灶具燃烧试验表明，是一种完全可以替代煤炭的清洁燃料。
    3．木本饲料收割及灌木平茬机的研发
    高效的机械化作业是在沙荒地上灌木化培育四倍体刺槐，实现木本饲料、成型燃料产业化的保障，用作饲料的嫩枝、树叶及其木质化干的高效收割机是关键设备之一。北京林业大学在完成国家“十一五”科技支撑项目“沙生灌木林平茬收割技术研究与开发”的基础上，设计、研制的“5G2-800型手扶步进式割灌木机”具有操作方便、灵活、适应性强、平茬质量好、效率高的特点。
    为了适应沙丘地貌的运行，“5G2-800型手扶步进式割灌木机”在设计行走机构时充分考虑了沙地的土壤条件，采用超宽的特制低压轮胎，增强了机器在沙地的通过和驱动性能，还最大限度的减少了机器行走装置对地表植被的破坏；两个行走轮分别用锥面摩擦离合器实现驱动力结合和脱开，使操纵、转向更加灵活。同时，采用双超越离合器最终链传动，使两个行走轮不仅具有差速功能，又可调节割灌木的高度，实现既能收割饲料又可收割木质化干；为了启动方便和作业的安全，设计了滑块离心式摩擦离合器作为整机的主离合器连接发动机与行走装置和工作装置，实现怠速时切割装置不工作；根据沙地灌木丛外侧贴地生长、中心砂土高于周边的特点，割灌木装置设计为总体前伸，3片切割圆锯片布置成中间高、两侧低的凹形包围式排列。
    经三轮样机试制、试验后定型的5G2-800型手扶步进式割灌木机（图6）以7.5kw的立轴汽油发动机为动力，具有操作灵活、适应性强、收割效率高的特点。经国家林业局营林机械质量监督检验站检测，在典型科尔沁沙地飞播灌木林地的灌木平茬作业效率达到3.56亩／h。检测、试验地点是内蒙古通辽市奈曼旗兴隆沼林场的上世纪70年代飞播造林的小叶锦鸡儿（又名柠条，老虎刺）灌木林地。
1、为所获得的测试数据。
    从生产试验和多年来的监测，在用该机器对沙地灌木林进行平茬作业的效率是人工平茬的6倍以上，平茬后留茬的劈裂率在1.5%以内，茬口没有烧焦的现象，保证了灌木平茬的作业质量，第二年春天每灌木丛萌生数量是平茬前的2倍以上，当年的高生长量接近1.7m。
    4．木本饲料、成型燃料加工设备的研制与开发
实现以木本饲料型灌木资源产业化的另一个关键是饲料和成型燃料的加工。北京林业大学以“生物质成型燃料高压致密成型技术引进”为基础，通过对多种生物质材料常温成型的实验研究和成型机理的探讨，设计、研制了一种双向挤压的“生物质常温成型机”。该机的成型压力从0~ 273kN/cm2可调，既可用于加工饲料，又可用于生产生物质成型燃料。
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    4.1多种生物质材料常温成型实验研究
    对玉米、大豆、芝麻等农作物秸秆和灌木的小叶锦鸡儿、四倍体刺槐，木材加工剩余物的锯屑、刨花等林木生物质用德国RUF公司生产的RB110型压块机进行了常温成型试验。试验用原料的粉碎程度为0.5~20mm；原料的含水率从3%~45%的不同；成型压力从42.7MPa至最高320MPa，每次增加61.4Pa，通过反复试验，获得如下生物质常温成型的必要数据：
    1)生物质原料粉碎的程度应平均小于10mm；
    2)原料的含水率小于20%，成型燃料可以较长久存放，否则出成型仓后会膨胀。含水率越小，成型效果越好；
    3)用于实验的生物质原料最小成型压力为53.4MPa，并且与原料的粉碎程度和含水率几乎不相关；
    4)成型燃料的密度随成型压力的增加而增加，保持成型不松散的最小密度为0.8g/cm2，最大密度达到1 .4g/cm2;
    经清华大学热能工程实验室检测，农作物秸秆类的热值为4000 kcal/kg左右，林木生物质的热值在4400 kcal/kg以上，灌木柠条和四倍体刺槐杆的热值接近5000kcal/kg；
    4.2生物质材料常温成型机理的探讨
    使设计、研发的生物质常温成型机的成型能耗达到最小，对生物质常温成型的机理进行了探讨。为了便于观察，对粉碎的部分生物质碎料进行了染色，再与未染色的原料混合后在不同的压力下成型。将成型块剖切、处理表面以后用高倍立体显微镜(0~ 200倍）观察发现，生物质常温成型是“颗粒填充、边界交错咬合”的方式（图8）。而产生这种效果的条件是①粉碎的生物质颗粒要有足够的比表面积；②对粉碎的生物质要有足够的压力才能产生“颗粒填充、边界交错咬合”的效果而成型；
    生产的成型燃料需要相对较长时间存放，因此对生物质常温成型块试件进行了抗压力学性能试验。试验表明，随成型压力、生物质原料的不同，在挤压方向（轴向）的承载能力为1～12.5MPa；非挤压方向（径向）的承载能力为0.7～2.2 MPa，承载能力满足大体积存（堆）放的要求。
    4.3双向挤压常温成型机的研制
    通过上述试验和研究，在掌握了生物质材料常温成型的必要条件和成型机理的基础上，借鉴德国BR110型压块机的优点，设计、研制了一种压力、进料量可调的双向挤压生物质常温成型机。该机由成型系统、液压系统和自动控制系统3大部分组
成。根据我国目前机械加工的技术水平和未来潜在用户的操作、使用能力，在设计时，充分考虑如下因素：
   1)成型系统由进料装置、预压装置、成型装置和换位机构组成。作业时，进料螺旋在液压马达的驱动下将粉碎的生物质运料送入预压装置的预压舱内，预压活塞在液压油缸的驱动下将生物质碎料初步压实，成型主压活塞在主油缸的推动下将初步压实的物料推入成型仓成型，待主油缸回到初始位置时，换位机构将成型仓换位，然后进行下一个循环。第二个循环主油缸推物料进成型仓成型时，安装在成型活塞两侧的推杆将成型仓内前一个循环成型的成型块推出成型机的出料口。将常温成型机设计为双向挤压，一个循环完成两个成型块的加工，提高了生产效率。
   2)液压系统由液压泵站和一系列液压油缸和液压马达组成。液压泵站分别用两台电动机各驱动一台齿轮泵而提供液压执行元件所需要的动力，液压系统的最高压力为13.5MPa，工作压力一般在10~12.5MPa，对于成型过程中偶尔需要的高压采用油缸增压的方式达到，成型主压油缸内的最大压力可以达到54MPa。在成型主油缸和预压油缸的油路中各安装了压力流变器，结合控制系统的程序设计实现预压和成型主压压力实时调整，以实现适应不同生物质原料要求的成型作业。
    3)自动控制系统通过控制液压泵站上每个电磁阀的通电与断电而控制成型机的各个执行部件按成型作业顺序动作。为了降低成本，采用单片机作为主要控制单元，通过设计特殊的程序不仅具有较好的抗干扰性能，而且通过按键输入方式（图1 0）实现了预压、成型主压压力和供料时间（量）的实时调整以及实现机器的自动和手动操作切换。
    通过重点考虑上述因素，设计、研制的双向挤
压生物质常温成型机经试验和内蒙古通辽市六家子林场生产运行证实，完全达到了设计要求，并具有较好的经济性和实用性。
    1)生产的生物质成型块的尺寸为cp80x90 mm，密度为0.8～1.2 g/cm3，产品质量达到长途运输与长期存放的要求（图11）；
    2)与德国生产相同规格成型块的RB440型压块机相比，设备的成本仅为德国的1/4；生产效率是德国的1.5倍以上；
    3)由于液压泵站采用了两组CBD32齿轮泵，在大缸径的成型主油缸不工作时，其中一组为回空状态。与德国大流量单泵的RB440型压块机相比，节省用电能耗30%以上，实际成型能耗不大于60kw.h/t;
    4)采用单片机控制系统，实现了设备自动／手动控制运行，最大限度的降低了控制系统的成本。
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