1．前言
    據2004年《全國防沙治沙規劃》，我國“現有沙化土地面積174.3萬km2，占國土面積的18.2%，其中流動沙丘42.7萬km2，固定、半固定沙丘46.3萬km2，戈壁66.4萬km2，其它18.9萬km2。”而且仍以每年3460km2的速度擴展。另據國家林業局2005《中國森林資源報告》，我國灌木林地總面積4529.68萬hm2，主要分布在西藏、四川、內蒙古、云南、新疆、甘肅等7省（自治區）的山地和沙地，大多數灌木具有耐旱、耐貧瘠、生命力強的特點，是防治荒漠化、恢復沙荒地植被最有效的樹種。
    大多數沙生灌木在造林后每3~5年需要進行平茬復壯，以促進根系生長，叢落擴大。長期得不到平茬復壯的灌木叢會發生枯死的現象，進而造成重新發生荒漠化。而長期以來，大面積灌木林的平茬復壯作業主要依賴于灌木林區群眾結合燒柴需求的人工砍伐方式。但隨人們生活水平的提高，砍伐灌木枝條作為燒柴的需求逐漸減少，造成大面積灌木林長期得不到平茬復壯，致使一些沙地灌木林成片枯死而重新發生土地退化。
    在畜牧養殖業方面，我國的畜禽養殖數量已經居世界首位，飼料的需求量將達到2.8億噸，在畜牧養殖業中用于提高肉質和奶質的粗飼料缺口巨大，許多木本飼料恰好是與苜蓿、羊草等營養價值相同的優質粗飼料。發展木本飼料是解決我國畜牧養殖業飼料不足的有效途徑。在過去幾十年的研究與探索已經證明，許多木本飼料的營養價值與專門在農田種植的草本飼料基本相同。利用不能生長農作物的荒地、沙地種植木本飼料型灌木林，并實現木本粗飼料、生物質成型燃料生產產業化，不僅解決飼料不足和緩解能源危機、減少C02排放的問題，而且可以增加林農收入和促進荒地、沙地的植被恢復，改善生態環境。
    實現以灌木型木本飼料和成型燃料生產產業化的關鍵是解決好飼料、木質化灌木林的機械化收割和飼料、成型燃料的加工。北京林業大學在完成國家林業局“948”項目“四倍體刺槐培育技術的引進”、“生物質成型燃料高壓致密成型技術引進”和國家“十一五”科技支撐“沙生灌木林平茬收割技術研究與開發”課題的基礎上，對實現飼料型灌木資源產業化，促進沙荒地植被恢復的可行性進行了實質性的探討和實踐。
    2．四倍體刺槐
    北京林業大學通過承擔國家“948”重點技術引進項目“多倍體刺槐新品種及繁殖技術引進”，采用喬木灌木化培育技術，創新性地通過染色體加倍技術選育出適合我國生長的，特別是適合邊際性土地生長的四倍體刺槐優良新品種。2002年通過國家林業局“948”項目管理辦公室的驗收，2004年獲得了國家林木良種審定委員會頒發的良種證。經多年來的試驗和推廣應用，已證明該樹種耐貧瘠、耐干旱、抗寒。在沙地、輕微鹽堿地、礦區油田復墾、河灘沙石地、沙漠邊緣地、荒山上都可栽植，栽植后可多年（約50年）循環利用。
    矮化密植、灌化培育是最大限度獲得木本飼料的主要方法。根據種植地土壤、環境條件的不同其生物量不同，在較好土地上每年每畝地可獲得7000~8000kg的飼料；在一般土地上可獲得飼料4000~5000kg/畝．年；在較差的山地可獲得飼料700~1000kg/畝．年。四倍體刺槐的羽狀復葉粗蛋白含量24.68%、并富含多種維生素、微量元素及多種氨基酸，尤其是胡蘿卜素、核黃素和維生素B2的含量特別高，分別為黃玉米的50倍、7倍和1 5倍，維生素為一般草苜蓿的上百倍是一種富含高蛋白等多種營養物質的優質木本粗飼料。
    灌化培育的四倍體刺槐需要每年開春前把前一年木質化的干從距根部3~ 5cm處伐除，以促進萌生。木質化的干材質堅硬、密度大、熱值高。經清華大學熱能工程實驗室檢測，其高位發熱量為20.85Qg·d/MJ.kg-1（4983.2千卡/kg），經常溫致密成型后（密度1.0~1.2g/cm3）在普通鍋爐和灶具燃燒試驗表明，是一種完全可以替代煤炭的清潔燃料。
    3．木本飼料收割及灌木平茬機的研發
    高效的機械化作業是在沙荒地上灌木化培育四倍體刺槐，實現木本飼料、成型燃料產業化的保障，用作飼料的嫩枝、樹葉及其木質化干的高效收割機是關鍵設備之一。北京林業大學在完成國家“十一五”科技支撐項目“沙生灌木林平茬收割技術研究與開發”的基礎上，設計、研制的“5G2-800型手扶步進式割灌木機”具有操作方便、靈活、適應性強、平茬質量好、效率高的特點。
    為了適應沙丘地貌的運行，“5G2-800型手扶步進式割灌木機”在設計行走機構時充分考慮了沙地的土壤條件，采用超寬的特制低壓輪胎，增強了機器在沙地的通過和驅動性能，還最大限度的減少了機器行走裝置對地表植被的破壞；兩個行走輪分別用錐面摩擦離合器實現驅動力結合和脫開，使操縱、轉向更加靈活。同時，采用雙超越離合器最終鏈傳動，使兩個行走輪不僅具有差速功能，又可調節割灌木的高度，實現既能收割飼料又可收割木質化干；為了啟動方便和作業的安全，設計了滑塊離心式摩擦離合器作為整機的主離合器連接發動機與行走裝置和工作裝置，實現怠速時切割裝置不工作；根據沙地灌木叢外側貼地生長、中心砂土高于周邊的特點，割灌木裝置設計為總體前伸，3片切割圓鋸片布置成中間高、兩側低的凹形包圍式排列。
    經三輪樣機試制、試驗后定型的5G2-800型手扶步進式割灌木機（圖6）以7.5kw的立軸汽油發動機為動力，具有操作靈活、適應性強、收割效率高的特點。經國家林業局營林機械質量監督檢驗站檢測，在典型科爾沁沙地飛播灌木林地的灌木平茬作業效率達到3.56畝／h。檢測、試驗地點是內蒙古通遼市奈曼旗興隆沼林場的上世紀70年代飛播造林的小葉錦雞兒（又名檸條，老虎刺）灌木林地。
1、為所獲得的測試數據。
    從生產試驗和多年來的監測，在用該機器對沙地灌木林進行平茬作業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%以內，茬口沒有燒焦的現象，保證了灌木平茬的作業質量，第二年春天每灌木叢萌生數量是平茬前的2倍以上，當年的高生長量接近1.7m。
    4．木本飼料、成型燃料加工設備的研制與開發
實現以木本飼料型灌木資源產業化的另一個關鍵是飼料和成型燃料的加工。北京林業大學以“生物質成型燃料高壓致密成型技術引進”為基礎，通過對多種生物質材料常溫成型的實驗研究和成型機理的探討，設計、研制了一種雙向擠壓的“生物質常溫成型機”。該機的成型壓力從0~ 273kN/cm2可調，既可用于加工飼料，又可用于生產生物質成型燃料。
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    4.1多種生物質材料常溫成型實驗研究
    對玉米、大豆、芝麻等農作物秸稈和灌木的小葉錦雞兒、四倍體刺槐，木材加工剩余物的鋸屑、刨花等林木生物質用德國RUF公司生產的RB110型壓塊機進行了常溫成型試驗。試驗用原料的粉碎程度為0.5~20mm；原料的含水率從3%~45%的不同；成型壓力從42.7MPa至最高320MPa，每次增加61.4Pa，通過反復試驗，獲得如下生物質常溫成型的必要數據：
    1)生物質原料粉碎的程度應平均小于10mm；
    2)原料的含水率小于20%，成型燃料可以較長久存放，否則出成型倉后會膨脹。含水率越小，成型效果越好；
    3)用于實驗的生物質原料最小成型壓力為53.4MPa，并且與原料的粉碎程度和含水率幾乎不相關；
    4)成型燃料的密度隨成型壓力的增加而增加，保持成型不松散的最小密度為0.8g/cm2，最大密度達到1 .4g/cm2;
    經清華大學熱能工程實驗室檢測，農作物秸稈類的熱值為4000 kcal/kg左右，林木生物質的熱值在4400 kcal/kg以上，灌木檸條和四倍體刺槐桿的熱值接近5000kcal/kg；
    4.2生物質材料常溫成型機理的探討
    使設計、研發的生物質常溫成型機的成型能耗達到最小，對生物質常溫成型的機理進行了探討。為了便于觀察，對粉碎的部分生物質碎料進行了染色，再與未染色的原料混合后在不同的壓力下成型。將成型塊剖切、處理表面以后用高倍立體顯微鏡(0~ 200倍）觀察發現，生物質常溫成型是“顆粒填充、邊界交錯咬合”的方式（圖8）。而產生這種效果的條件是①粉碎的生物質顆粒要有足夠的比表面積；②對粉碎的生物質要有足夠的壓力才能產生“顆粒填充、邊界交錯咬合”的效果而成型；
    生產的成型燃料需要相對較長時間存放，因此對生物質常溫成型塊試件進行了抗壓力學性能試驗。試驗表明，隨成型壓力、生物質原料的不同，在擠壓方向（軸向）的承載能力為1～12.5MPa；非擠壓方向（徑向）的承載能力為0.7～2.2 MPa，承載能力滿足大體積存（堆）放的要求。
    4.3雙向擠壓常溫成型機的研制
    通過上述試驗和研究，在掌握了生物質材料常溫成型的必要條件和成型機理的基礎上，借鑒德國BR110型壓塊機的優點，設計、研制了一種壓力、進料量可調的雙向擠壓生物質常溫成型機。該機由成型系統、液壓系統和自動控制系統3大部分組
成。根據我國目前機械加工的技術水平和未來潛在用戶的操作、使用能力，在設計時，充分考慮如下因素：
   1)成型系統由進料裝置、預壓裝置、成型裝置和換位機構組成。作業時，進料螺旋在液壓馬達的驅動下將粉碎的生物質運料送入預壓裝置的預壓艙內，預壓活塞在液壓油缸的驅動下將生物質碎料初步壓實，成型主壓活塞在主油缸的推動下將初步壓實的物料推入成型倉成型，待主油缸回到初始位置時，換位機構將成型倉換位，然后進行下一個循環。第二個循環主油缸推物料進成型倉成型時，安裝在成型活塞兩側的推桿將成型倉內前一個循環成型的成型塊推出成型機的出料口。將常溫成型機設計為雙向擠壓，一個循環完成兩個成型塊的加工，提高了生產效率。
   2)液壓系統由液壓泵站和一系列液壓油缸和液壓馬達組成。液壓泵站分別用兩臺電動機各驅動一臺齒輪泵而提供液壓執行元件所需要的動力，液壓系統的最高壓力為13.5MPa，工作壓力一般在10~12.5MPa，對于成型過程中偶爾需要的高壓采用油缸增壓的方式達到，成型主壓油缸內的最大壓力可以達到54MPa。在成型主油缸和預壓油缸的油路中各安裝了壓力流變器，結合控制系統的程序設計實現預壓和成型主壓壓力實時調整，以實現適應不同生物質原料要求的成型作業。
    3)自動控制系統通過控制液壓泵站上每個電磁閥的通電與斷電而控制成型機的各個執行部件按成型作業順序動作。為了降低成本，采用單片機作為主要控制單元，通過設計特殊的程序不僅具有較好的抗干擾性能，而且通過按鍵輸入方式（圖1 0）實現了預壓、成型主壓壓力和供料時間（量）的實時調整以及實現機器的自動和手動操作切換。
    通過重點考慮上述因素，設計、研制的雙向擠
壓生物質常溫成型機經試驗和內蒙古通遼市六家子林場生產運行證實，完全達到了設計要求，并具有較好的經濟性和實用性。
    1)生產的生物質成型塊的尺寸為cp80x90 mm，密度為0.8～1.2 g/cm3，產品質量達到長途運輸與長期存放的要求（圖11）；
    2)與德國生產相同規格成型塊的RB440型壓塊機相比，設備的成本僅為德國的1/4；生產效率是德國的1.5倍以上；
    3)由于液壓泵站采用了兩組CBD32齒輪泵，在大缸徑的成型主油缸不工作時，其中一組為回空狀態。與德國大流量單泵的RB440型壓塊機相比，節省用電能耗30%以上，實際成型能耗不大于60kw.h/t;
    4)采用單片機控制系統，實現了設備自動／手動控制運行，最大限度的降低了控制系統的成本。
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