甜菜生產(chǎn)機(jī)械作業(yè)效率與配置分析

劉 娜，張文彬，盧秉福，劉曉雪

（1黑龍江大學(xué)/國(guó)家糖料改良中心，哈爾濱 150080；2北京工商大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100048）

0 引言

甜菜是制糖工業(yè)的重要原料，自1905年黑龍江省阿城糖廠建立以來[1-2]，甜菜在中國(guó)種植已有117年的歷史[3]，現(xiàn)已成為黑龍江、內(nèi)蒙古和新疆及三省區(qū)鄰近地區(qū)種植的重要糖料作物[4-5]，甜菜制糖亦成為當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)[6-7]。甜菜種植比較費(fèi)工時(shí)[8]，用工量分別比玉米、小麥和大豆高47%～58%、72%～82%和91%～156%[9-10]。中國(guó)自20世紀(jì)50年代即開始研究甜菜生產(chǎn)機(jī)械化[11]，至20世紀(jì)80年代初，基本實(shí)現(xiàn)了主要甜菜生產(chǎn)機(jī)械能夠自主生產(chǎn)[12]，但機(jī)械的質(zhì)量、可靠性、作業(yè)效率等方面較國(guó)外同類產(chǎn)品有很大的差距[13]。此外，20世紀(jì)80年代開始的農(nóng)村家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制造成土地零散、分散，加之農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力充足，也客觀上抑制了甜菜機(jī)械的應(yīng)用[14]。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移加快[15]，農(nóng)村勞動(dòng)力價(jià)格急劇上升[16-17]，甜菜生產(chǎn)機(jī)械化得到了快速發(fā)展，當(dāng)前甜菜生產(chǎn)機(jī)械化水平已達(dá)到90%[18]，個(gè)別地區(qū)達(dá)到95%以上。甜菜機(jī)械的使用要合理匹配工作機(jī)具和編制機(jī)組，控制好作業(yè)速度，提高作業(yè)效率，才能獲得好的工作效果[19]。為了科學(xué)管理、合理運(yùn)用農(nóng)業(yè)機(jī)械[20]，有許多學(xué)者開展了農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率方面的研究工作，孔德剛等[21]對(duì)小麥播種和收獲作業(yè)機(jī)組分別進(jìn)行了時(shí)間利用率和作業(yè)效率分析，提出了機(jī)組的合理運(yùn)用模式；黃小毛等[22-23]利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)不同機(jī)組作業(yè)模式尋求最優(yōu)的作業(yè)任務(wù)調(diào)度排序策略，提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率和質(zhì)量；王濤等[24]設(shè)計(jì)出基于遺傳算法與WiFi聚類算法結(jié)合的北斗農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)調(diào)度方案，幫助農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)組織對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)度，提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率；楊博等[25]基于衛(wèi)星定位、GIS技術(shù)、無線通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)了具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、導(dǎo)航指揮、統(tǒng)計(jì)分析、地圖查詢等功能的管理系統(tǒng)，為提升農(nóng)機(jī)作業(yè)效率提供信息化技術(shù)支撐。但在甜菜生產(chǎn)機(jī)械化領(lǐng)域，機(jī)械作業(yè)效率與配置問題未能受到關(guān)注，使用效果和經(jīng)濟(jì)效益受到影響，為此，在甜菜機(jī)械化領(lǐng)域開展研究工作對(duì)提高甜菜生產(chǎn)機(jī)械作業(yè)效率具有重要意義。

1 甜菜機(jī)械性能和作業(yè)效率

1.1 甜菜生產(chǎn)機(jī)械化的特點(diǎn)

甜菜機(jī)械化作業(yè)包括耕翻、深松、旋耕、耙地、鎮(zhèn)壓、播種、移栽、中耕、施肥、施藥、灌溉、收獲等環(huán)節(jié)[26-27]，甜菜生產(chǎn)有很強(qiáng)的季節(jié)性，各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)農(nóng)時(shí)的要求都很嚴(yán)格[28]，必須根據(jù)氣候條件、土壤條件、病蟲草害發(fā)生情況和甜菜特性[29]在一定的時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)作業(yè)內(nèi)容，因此，要求甜菜生產(chǎn)機(jī)械可在短時(shí)間完成的工作量大，保證作業(yè)的效率高、速度快[30]，“不違農(nóng)時(shí)”。但由于甜菜種植區(qū)域自然環(huán)境、土壤條件、地塊大小、栽培制度差別較大[31]，且甜菜機(jī)械種類繁多、性能千差萬別，考察甜菜機(jī)械的作業(yè)效率也較困難。

1.2 甜菜機(jī)械性能

甜菜生產(chǎn)機(jī)械化還處于初級(jí)階段，許多國(guó)產(chǎn)甜菜機(jī)械屬中低檔產(chǎn)品，制造粗糙，精密度不夠，許多鑄、鍛件或沖壓件，成形后不作任何切削加工就裝配使用，甚至連傳動(dòng)齒輪都是鑄好就用，影響了甜菜機(jī)械的作業(yè)效率[32]，這也符合當(dāng)前農(nóng)村的生產(chǎn)形勢(shì)。農(nóng)民對(duì)甜菜機(jī)械性能的要求主要包含技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)適用性、生產(chǎn)高效性、機(jī)器耐用性[33]，主要表現(xiàn)為：一是實(shí)用性，農(nóng)民比較重視甜菜機(jī)械的產(chǎn)品性能，而對(duì)甜菜機(jī)械的美觀性不太關(guān)注；二是經(jīng)濟(jì)性，在保障甜菜機(jī)械實(shí)用的前提下，農(nóng)民要求機(jī)器價(jià)格低廉，適應(yīng)農(nóng)村的消費(fèi)水平；三是簡(jiǎn)便和耐用性，在甜菜機(jī)械使用上強(qiáng)調(diào)機(jī)器設(shè)備基本功能，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)耐用。

1.3 甜菜生產(chǎn)主要作業(yè)機(jī)械

耕地機(jī)械的種類和型式很多，以鏵式犁應(yīng)用最廣[34]。整地作業(yè)機(jī)械主要有旋耕機(jī)、缺口耙、圓盤耙、釘齒耙、彈齒耙、V型鎮(zhèn)壓器、網(wǎng)環(huán)形鎮(zhèn)壓器、圓筒形鎮(zhèn)壓器等，整地分單項(xiàng)和復(fù)式作業(yè)[35]。深松機(jī)有大型、中型和小型之分，大型深松機(jī)一般單獨(dú)使用，中小型深松機(jī)既可以單獨(dú)使用，也可以與整地機(jī)械、中耕機(jī)械聯(lián)合作業(yè)。播種機(jī)械有機(jī)械式、氣力式[36]，移栽機(jī)械有鴨嘴式、撓性圓盤式、鏈條式等[37]，中耕機(jī)多與施肥聯(lián)合作業(yè)，施藥機(jī)械有液體農(nóng)藥噴霧機(jī)、顆粒農(nóng)藥撒布機(jī)[38]，灌溉機(jī)械包括圓盤式噴灌機(jī)等，甜菜收獲機(jī)械是甜菜專用機(jī)械[39-40]，包括甜菜切纓機(jī)、挖掘集條機(jī)、撿拾機(jī)、挖掘裝載機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)。

1.4 甜菜機(jī)械作業(yè)效率

甜菜生產(chǎn)中，甜菜機(jī)械作業(yè)效率隨不同作業(yè)時(shí)間、不同作業(yè)項(xiàng)目會(huì)有很大不同[39]。機(jī)械作業(yè)效率與農(nóng)田道路狀況、分散程度，拖拉機(jī)到田地的往復(fù)距離，機(jī)械利用組織和運(yùn)用方法等有很大關(guān)系，綜合考慮這些因素才能計(jì)算出甜菜機(jī)械的作業(yè)效率[41]。此外，甜菜作業(yè)機(jī)械操作人數(shù)也影響作業(yè)效率，兩名操作者倒班操作和一個(gè)人操作比較，做業(yè)時(shí)的掛卸、清掃、調(diào)整維修時(shí)間相對(duì)減少，操作者的休息時(shí)間也相應(yīng)減少，拖拉機(jī)停止時(shí)間減少，因此提高了實(shí)際作業(yè)效率。同時(shí)在使用甜菜機(jī)械作業(yè)過程中發(fā)揮機(jī)器優(yōu)勢(shì)，盡可能實(shí)現(xiàn)大型化、高速化，以提高作業(yè)效率。田間作業(yè)效率受機(jī)組作業(yè)速度、作業(yè)幅寬、故障時(shí)間、裝卸物料時(shí)間、轉(zhuǎn)彎時(shí)間、打滑率、以及地塊轉(zhuǎn)移時(shí)間等因素影響，見圖1。

圖1 田間作業(yè)效率影響因素

機(jī)械作業(yè)效率可依據(jù)田地形狀、大小、作業(yè)方法以及試驗(yàn)結(jié)果利用公式(1)求得。根據(jù)田地大的地塊(100 hm2)、中等的地塊為(50 hm2)，小的地塊(30 hm2)以及零碎地塊（30 hm2以下）的分散程度，求出田地到車庫(kù)的往返距離及田地之間的移動(dòng)距離，拖拉機(jī)機(jī)組在路面行進(jìn)速度為10～20 km/h，作業(yè)速度為3～8 km/h，計(jì)算出移動(dòng)時(shí)間和實(shí)際作業(yè)效率。田間作業(yè)效率[42]的經(jīng)驗(yàn)值見表1。

表1 甜菜機(jī)械作業(yè)效率

式中，η為作業(yè)效率，%；T為總作業(yè)時(shí)間，h；TC為純作業(yè)時(shí)間，h。

2 甜菜生產(chǎn)機(jī)械的配置

2.1 拖拉機(jī)的選擇

通常一臺(tái)拖拉機(jī)要配備若干種農(nóng)具，各項(xiàng)作業(yè)時(shí)間即有互不干涉也有交叉重疊。因此拖拉機(jī)的選擇主要根據(jù)年作業(yè)量以及作業(yè)地塊的大小、道路情況、土壤比阻等因素綜合考慮。大型拖拉機(jī)功率高、附著性好，適在地塊較大、道路條件好、作業(yè)比阻大的情況下作業(yè)，另外，深松、深翻等作業(yè)需要強(qiáng)大牽引力，只能大型拖拉機(jī)完成，但大型拖拉機(jī)有作業(yè)轉(zhuǎn)彎困難，作業(yè)效率低，成本高等缺點(diǎn)；小型拖拉機(jī)功率小、機(jī)動(dòng)靈活，適于在地塊小、作業(yè)阻力小的情況下作業(yè)，見圖2；中型拖拉機(jī)剛好在大型和小型二者之間。此外，還要考慮拖拉機(jī)的性能、價(jià)格、維修、安全性等因素。

圖2 不同類型機(jī)械作業(yè)經(jīng)濟(jì)性比較

2.2 農(nóng)具的選擇

甜菜作業(yè)農(nóng)具的選擇要根據(jù)所配備的拖拉機(jī)型號(hào)做到配套，最好是能將需要連續(xù)進(jìn)行的項(xiàng)目集中在一個(gè)機(jī)器上實(shí)行聯(lián)合作業(yè)，工作部件應(yīng)有足夠大的調(diào)節(jié)范圍，以便協(xié)同配合，滿足甜菜生產(chǎn)需求。農(nóng)具要求工作可靠、堅(jiān)固耐用、重量輕、形體小、功效高、便于操作調(diào)整、易于維護(hù)修理，此外，應(yīng)具有安全防護(hù)裝置，保障作業(yè)人員人身安全。農(nóng)具數(shù)量根據(jù)作業(yè)量確定，型號(hào)根據(jù)甜菜作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)要求、土壤類型等綜合考慮，既要保證作業(yè)質(zhì)量，又要做到節(jié)能高效。

2.3 作業(yè)期內(nèi)甜菜機(jī)械作業(yè)量

甜菜機(jī)械作業(yè)量與每天的作業(yè)面積與作業(yè)期內(nèi)的實(shí)際作業(yè)天數(shù)有關(guān)。實(shí)際作業(yè)天數(shù)受到作業(yè)期內(nèi)氣象條件、雨雪天氣、拖拉機(jī)機(jī)組的運(yùn)用方法、機(jī)組的完好率、維修天數(shù)等條件影響[43]；每天的作業(yè)面積受到日長(zhǎng)時(shí)間、從機(jī)庫(kù)到田間的往返時(shí)間、地塊間轉(zhuǎn)移時(shí)間、作業(yè)人員休息時(shí)間、田間調(diào)整、故障排除、裝卸物料以及種植方式、栽培方法等因素的影響[44]。甜菜機(jī)械作業(yè)期內(nèi)可完成的作業(yè)面積及影響因素，見圖3。

圖3 甜菜機(jī)械作業(yè)期內(nèi)可完成的作業(yè)面積及影響因素

2.4 甜菜機(jī)械化生產(chǎn)機(jī)械裝備

甜菜實(shí)行4年輪作制度，一個(gè)農(nóng)場(chǎng)或農(nóng)戶每年有1/4的耕地面積種植甜菜[45]，甜菜生產(chǎn)機(jī)械的配置既要考慮整個(gè)農(nóng)場(chǎng)或農(nóng)戶的需要，又要滿足甜菜生產(chǎn)的需求。一般情況下，耕整地機(jī)械、中耕機(jī)械、植保機(jī)械可以做到甜菜與其他作物通用[46]，播種機(jī)既有通用型，也有甜菜專用型，而甜菜紙筒育苗移栽機(jī)械、收獲機(jī)械屬于甜菜專用設(shè)備，必須單獨(dú)配備。甜菜種植每年秋季收獲作業(yè)完成后既可以進(jìn)行秋翻地、秋整地、秋起壟，也有部分耕地春季整地起壟；播種、移栽在4月底或5月初進(jìn)行[47]，中耕、除草、病蟲害防治在6—9月進(jìn)行[48]，9月底—0月中旬收獲[49]。機(jī)械作業(yè)時(shí)間每天8～10 h，作業(yè)期內(nèi)因降雨、機(jī)械故障等因素影響，實(shí)際作業(yè)天數(shù)會(huì)減少。在動(dòng)力選擇時(shí)要考慮翻地、深松環(huán)節(jié)需大馬力拖拉機(jī)，因此，在農(nóng)具配置時(shí)要考慮大馬力拖拉機(jī)的配套需求，而農(nóng)藥噴灑等作業(yè)中小型拖拉機(jī)即可完成，因此，從經(jīng)濟(jì)性考慮，中小型拖拉機(jī)要優(yōu)選，同時(shí)配置相應(yīng)的作業(yè)機(jī)具，配備臺(tái)數(shù)可根據(jù)公式(2)計(jì)算。

式中，n為機(jī)器配置臺(tái)數(shù)，臺(tái)；A為作業(yè)面積，hm2；D為實(shí)際作業(yè)天數(shù)，d；η為作業(yè)效率，%。

3 甜菜機(jī)械經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)及投資限度

以縱坐標(biāo)表示總經(jīng)費(fèi)及總收入，橫坐標(biāo)表示作業(yè)面積，P代表總收入，V+F代表總成本，其中V代表變動(dòng)成本，F(xiàn)代表固定成本，E點(diǎn)即為盈虧平衡點(diǎn)(breakeven point)，見圖4。根據(jù)上述盈虧平衡點(diǎn)定義可知，當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到E點(diǎn)時(shí)，既不盈利也不虧損，當(dāng)作業(yè)面積低于E點(diǎn)時(shí)，甜菜機(jī)械投資出現(xiàn)虧損，當(dāng)作業(yè)面積高于E點(diǎn)時(shí)，甜菜機(jī)械投資開始盈利。因此，甜菜機(jī)械化作業(yè)必須達(dá)到一定規(guī)模后，才能盈利，甜菜機(jī)械投資必須與作業(yè)規(guī)模相適應(yīng)，否則會(huì)帶來機(jī)械投資的虧損。在實(shí)際操作過程中可以根據(jù)實(shí)際情況選擇購(gòu)買甜菜機(jī)械，也可以租賃甜菜機(jī)械作業(yè)或委托作業(yè)[50]。

圖4 甜菜機(jī)械投資損益分析

4 結(jié)論與建議

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)只有經(jīng)營(yíng)的土地達(dá)到一定規(guī)模，才能獲較好的效益，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的作用也才會(huì)凸顯。擁有各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，尤其是甜菜專用機(jī)械更是必不可少的。當(dāng)然也可以采取購(gòu)買服務(wù)的方式進(jìn)行，由農(nóng)機(jī)專業(yè)戶、農(nóng)機(jī)合作社或者糖廠農(nóng)機(jī)服務(wù)隊(duì)進(jìn)行代耕。完全自己耕作與自己耕作加購(gòu)買代耕服務(wù)各有優(yōu)點(diǎn)，自己耕作須配齊所有的農(nóng)機(jī)具，投資大，利用率低，但作業(yè)時(shí)間便于掌握，成本易于控制；自己耕作加購(gòu)買代耕服務(wù)自己不必配齊所有的農(nóng)機(jī)具，尤其是利用率較低的農(nóng)機(jī)具，投資降低，缺點(diǎn)是農(nóng)機(jī)服務(wù)公司專業(yè)化服務(wù)對(duì)作業(yè)面積等有一定要求，作業(yè)時(shí)間需要合理安排，不一定達(dá)到自己的理想要求。

甜菜生產(chǎn)機(jī)械作業(yè)受自然環(huán)境、土壤條件、地塊大小及分散程度、機(jī)械操作人數(shù)等因素的影響較大，同時(shí)要做到“不違農(nóng)時(shí)”，加之甜菜機(jī)械種類較多、性能千差萬別，在計(jì)算甜菜機(jī)械的作業(yè)效率時(shí)要綜合各種因素通過對(duì)機(jī)械的純工作時(shí)間、地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)間、故障時(shí)間、物料裝載時(shí)間、地塊轉(zhuǎn)移時(shí)間等進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，然后進(jìn)行計(jì)算。甜菜機(jī)械作業(yè)效率對(duì)機(jī)組的配置十分重要，在使用甜菜機(jī)械作業(yè)過程中發(fā)揮機(jī)器優(yōu)勢(shì)，盡可能實(shí)現(xiàn)大型化、高速化，以提高作業(yè)效率。

甜菜生產(chǎn)作業(yè)必須要根據(jù)作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)條件等因素對(duì)大、中、小型拖拉機(jī)及配套農(nóng)具進(jìn)行合理配置，發(fā)揮甜菜機(jī)械化作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，保證其技術(shù)上的可行性、經(jīng)濟(jì)上的可盈利性。充分考慮季節(jié)因素，根據(jù)適宜的作業(yè)時(shí)間，確定甜菜機(jī)械作業(yè)期內(nèi)可完成的作業(yè)面積。在實(shí)際操作中地塊小、作業(yè)比阻小時(shí)可用中小型拖拉機(jī)機(jī)組，作業(yè)比阻大、地塊大時(shí)應(yīng)使用大型拖拉機(jī)機(jī)組；盡可能采取聯(lián)合作業(yè)的模式，提高機(jī)械的利用率。