山區(qū)耕地細(xì)碎化對(duì)手扶插秧機(jī)作業(yè)效率的影響

陳聰，陳巧敏，梁建，曹光喬

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014)

截至2013年，中國(guó)水稻的耕種收綜合機(jī)械化作業(yè)面積占水稻種植面積的比例已經(jīng)達(dá)到73.14%，其中機(jī)耕占機(jī)械化作業(yè)面積的為95.09%，機(jī)收為80.91%，但機(jī)插僅為36.10%，成為水稻全程機(jī)械化發(fā)展的瓶頸[1]。通過橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，機(jī)插水平呈現(xiàn)兩極分化，東北三省、長(zhǎng)三角等平原地區(qū)機(jī)插水平普遍高于50%，其中黑龍江已經(jīng)超過90%，江蘇達(dá)到了73%。而地處丘陵山區(qū)的中部與西南省份機(jī)插水平都低于20%，說明地形條件是制約機(jī)插發(fā)展的重要因素[2–4]。

丘陵山區(qū)耕地細(xì)碎化程度高[5–7]，水稻機(jī)插以手扶式插秧機(jī)為主。細(xì)碎化耕地條件下機(jī)械化田間作業(yè)需頻繁轉(zhuǎn)向、循邊收獲，移動(dòng)較為困難[8]。以往對(duì)農(nóng)機(jī)具作業(yè)效率的研究多忽略了耕地條件對(duì)機(jī)具作業(yè)效率的影響[9–12]。筆者以山區(qū)細(xì)碎化耕地(133～667 m2)為研究對(duì)象，將插秧機(jī)作業(yè)細(xì)分成純作業(yè)、轉(zhuǎn)彎、加秧、休息故障等環(huán)節(jié)，進(jìn)行手扶插秧機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)，測(cè)定插秧作業(yè)各環(huán)節(jié)時(shí)間與田塊面積之間的關(guān)系，以期了解小地塊對(duì)手扶插秧機(jī)影響最大的作業(yè)環(huán)節(jié)，以及手扶插秧機(jī)可適用的面積范圍，為山區(qū)插秧機(jī)的選型與改進(jìn)提供支撐。

1 細(xì)碎化耕地插秧機(jī)的作業(yè)路徑和時(shí)間

1.1 作業(yè)路徑

按照?qǐng)D1所示路線，插秧機(jī)順著田塊的長(zhǎng)邊插秧，短邊掉頭，但田塊四周需預(yù)留可供插秧機(jī)掉頭的空地，待中間部位全部插完再繞插1周[13–15]，有漏插的地方需進(jìn)行人工補(bǔ)秧，即完成作業(yè)?！癝”型路線插秧機(jī)轉(zhuǎn)彎的空走時(shí)間最少[16](如圖2所示)，但轉(zhuǎn)彎方向不斷左右互換，對(duì)機(jī)手的操作熟練程度要求高。按照回型路線，插秧機(jī)始終都按一個(gè)方向轉(zhuǎn)彎，可更好地適應(yīng)機(jī)手的選擇性用手習(xí)慣，有利于機(jī)器操作，但機(jī)器轉(zhuǎn)彎過程中行走的距離明顯加長(zhǎng)，必然使轉(zhuǎn)彎時(shí)間增多而影響總作業(yè)效率。由于山區(qū)田塊面積小，可供轉(zhuǎn)彎的空間有限，多選用“S”型路線。本研究選擇“S”型路線為插秧機(jī)的行走路線。

圖1 插秧機(jī)行走路線 Fig.1 Walking route diagram of transplanter

圖2 插秧機(jī)掉頭的運(yùn)動(dòng)軌跡 Fig.2 Turning trajectory of the transplanter

1.2 作業(yè)時(shí)間

插秧機(jī)作業(yè)時(shí)間是指從插秧機(jī)進(jìn)入田塊開始至結(jié)束插秧全過程的所有時(shí)間，由純作業(yè)、轉(zhuǎn)彎、加秧、機(jī)手休息、機(jī)器故障等時(shí)間組成。其中純作業(yè)時(shí)間為各段插秧作業(yè)中插秧離合器的啟動(dòng)與關(guān)閉之間的時(shí)間；轉(zhuǎn)彎時(shí)間為各相鄰兩段插秧作業(yè)之間調(diào)整機(jī)器位置與方向的時(shí)間；加秧時(shí)間為停機(jī)加秧起始點(diǎn)到加秧結(jié)束止的時(shí)間；故障時(shí)間為故障發(fā)生到排除故障并重新開機(jī)止的時(shí)間。

插秧機(jī)作業(yè)速度記為V1，行走速度為V2，田塊面積為S，田塊長(zhǎng)度記為X，寬度記為Y，理論總作業(yè)時(shí)間為T0，純作業(yè)時(shí)間為T1，轉(zhuǎn)彎掉頭時(shí)間為T2，加秧時(shí)間為T3，其他時(shí)間為T4，插秧機(jī)作業(yè)行距為A，行數(shù)為N。

理論上，插秧機(jī)純作業(yè)時(shí)間與田塊面積成正比，當(dāng)插秧機(jī)型號(hào)及其作業(yè)速度一定時(shí)，田塊面積越大，純作業(yè)時(shí)間越長(zhǎng)。

插秧機(jī)每掉一次頭即轉(zhuǎn)了2次90o的彎。將插秧機(jī)的寬度固定為所有秧爪之間的距離，插秧機(jī)完成掉頭后，最右邊的一個(gè)秧爪距掉頭前的距離應(yīng)等于插秧行距。設(shè)定插秧機(jī)以勻速圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行掉頭，最左邊的秧爪的速度為插秧機(jī)行走速度為V2，轉(zhuǎn)彎時(shí)間應(yīng)為：

插秧機(jī)的轉(zhuǎn)彎時(shí)間與田塊的寬度正相關(guān)，即耕地寬度越大，插秧機(jī)所需轉(zhuǎn)彎時(shí)間也越長(zhǎng)。當(dāng)田塊面積與轉(zhuǎn)彎速度一定時(shí)，田塊形狀越細(xì)長(zhǎng)，插秧機(jī)作業(yè)效率應(yīng)越高。

記秧苗穴距為L(zhǎng)，單穴苗株數(shù)為M，而行距為A，每盤秧的苗株數(shù)為Z，每公頃基本苗為J，所需秧盤數(shù)為P。假定秧苗供應(yīng)及時(shí)，且秧苗均勻分布在田塊短邊的田埂上，則加每盤秧的時(shí)間大體相等，記每盤秧的時(shí)間為t3，則總加秧時(shí)間應(yīng)與田塊面積成正比，即面積越大，加秧時(shí)間越長(zhǎng)。

除作業(yè)、轉(zhuǎn)彎、加秧3大必要的環(huán)節(jié)外，作業(yè)過程中可能受各種不可控因素的影響而導(dǎo)致插秧機(jī)停機(jī)，將增加總的作業(yè)時(shí)間，如機(jī)具故障、機(jī)手休息、秧苗供應(yīng)不及時(shí)等，由于影響因素不可控，時(shí)間也無法預(yù)知。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

選擇湖南省新邵縣迎光鄉(xiāng)車塘村為試驗(yàn)地點(diǎn)。2013年4月18—23日(早稻插秧期間)，試驗(yàn)機(jī)具為4行手扶步進(jìn)式插秧機(jī)(章正2Z–455S)，秧苗為30 cm的毯壯苗。測(cè)試工具包括精度為0.001 s的秒表與精度為0.01 m的皮尺。機(jī)手有5年機(jī)插秧作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，能熟練操作機(jī)器。共18塊試驗(yàn)田，由于水田水平度高，僅考慮試驗(yàn)田的面積，面積133～667 m2，均已旋耕1遍，耕整機(jī)耙平1遍，并泡田沉漿2 d，田中水深約2 cm。秧田與待插試驗(yàn)田距離約1km，其中前500 m有1條不平坦的窄小泥路，可通過手推板車運(yùn)秧，后500 m需要人力挑秧。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)人員通過連續(xù)跟蹤機(jī)手在不同面積的耕地中作業(yè)，測(cè)試作業(yè)時(shí)間、油耗、田塊面積與寬度及人員配置等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.1 作業(yè)時(shí)間測(cè)試

插秧機(jī)作業(yè)路徑選擇“S”型路線，按照機(jī)手最適應(yīng)速度使插秧機(jī)行進(jìn)速度保持為0.4 m/s左右。

當(dāng)插秧機(jī)插秧離合器閉合開始插秧作業(yè)時(shí)，記錄該時(shí)間節(jié)點(diǎn)；當(dāng)插秧離合器分離停止插秧作業(yè)時(shí)，同樣記錄該時(shí)間節(jié)點(diǎn)；當(dāng)插秧機(jī)停止插秧后，將有轉(zhuǎn)彎、補(bǔ)秧、故障、休息、加油等多種可能工序，根據(jù)觀察結(jié)果標(biāo)注實(shí)際工序，并記錄該工序的完結(jié)點(diǎn)，重復(fù)記錄直至完成全田作業(yè)，分別計(jì)算純作業(yè)、轉(zhuǎn)彎、加秧、其他環(huán)節(jié)的總時(shí)間。

2.2.2 其他相關(guān)數(shù)據(jù)采集

通過詢問機(jī)手的方式，記錄所有作業(yè)田塊的面積、人員配備情況及人員工資。分別記錄插秧機(jī)每日出門與結(jié)束時(shí)的油箱刻度及整日所加油容量，從而計(jì)算出整日油耗。用皮尺量取田塊中部寬度，用該數(shù)據(jù)代表田塊寬度。

3 結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

通過連續(xù)觀測(cè)同一機(jī)手操作、同一機(jī)器在同一區(qū)域內(nèi)的作業(yè)，插秧機(jī)作業(yè)速度基本保持恒定，記錄插秧機(jī)在不同面積水田中的不同工作環(huán)節(jié)的時(shí)間，得到單位面積內(nèi)的純插秧時(shí)間、轉(zhuǎn)彎時(shí)間、加秧時(shí)間、總工作時(shí)間，如表1所示，表中的作業(yè)時(shí)間為頃均作業(yè)時(shí)間。

將所有田塊分成3個(gè)等級(jí)，分別是小于266.8 m2，≥266.8～533.6 m2，≥533.6～666.7 m2?？梢钥闯?，田塊越小，單位面積內(nèi)的純插秧、掉頭、總工作時(shí)間越長(zhǎng)，加秧時(shí)間越短。利用Excel繪制各工作環(huán)節(jié)消耗的時(shí)間與田塊面積之間的回歸曲線，如圖3～6所示，其中純插秧、總工作時(shí)間的回歸R2大于0.9，但轉(zhuǎn)彎時(shí)間的回歸R2小于0.8。

表1 4 行手扶插秧機(jī)在不同大小田塊的作業(yè)時(shí)間 Table 1 The operation time of line 4 walking transplanter in the field with different area

圖3 插秧機(jī)在不同面積水田中的純插秧時(shí)間 Fig.3 Pure planting time in the field with different area

圖4 插秧機(jī)在不同寬度水田中的轉(zhuǎn)彎時(shí)間 Fig.4 Turning time in the field with different width

圖5 插秧機(jī)在不同面積水田中的補(bǔ)秧時(shí)間 Fig.5 Time of adding seedlings in the field with different width

圖6 插秧機(jī)在不同面積水田中的總作業(yè)時(shí)間 Fig.6 Total working time in the field with different width

3.2 分析與討論

3.2.1 田塊面積對(duì)純插秧效率的影響

純插秧時(shí)間與田塊面積回歸方程的R2為0.72，說明該回歸方程在顯著性水平為0.3能通過檢驗(yàn)，即在作業(yè)速度恒定、機(jī)具型號(hào)不變、作業(yè)要求相同的情況下，純插秧作業(yè)時(shí)間與水田面積呈線性關(guān)系。但該回歸方程的縱向截距為1.03min，表明田塊面積越小時(shí)，單位面積純作業(yè)時(shí)間越長(zhǎng)。

由表1可知，當(dāng)田塊面積小于266.8 m2時(shí)，單位面積的純插秧時(shí)間為8.5 h/hm2，面積為266.8～533.6 m2時(shí)，為7.28 h/hm2，面積大于533.6 m2時(shí)，為6.54 h/hm2。田塊面積越小，邊角處也越窄，插秧作業(yè)難度越大，漏插率過高，必然會(huì)增大重插率[17]。但3個(gè)田塊等級(jí)之間的差異并不大，可見田塊面積對(duì)純插秧環(huán)節(jié)有一定的影響。

3.2.2 田塊面積對(duì)轉(zhuǎn)彎效率的影響

轉(zhuǎn)彎時(shí)間與田塊寬度之間的回歸方程R2為0.33，在顯著性水平為0.4無法通過檢驗(yàn)，說明4行手扶插秧機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)彎時(shí)間與田塊寬度不存在顯著的線性關(guān)系。由于山區(qū)田塊形狀各異，同樣寬度的田塊，形狀各異，難以獲取準(zhǔn)確而具有代表性的寬度數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致回歸結(jié)果與理論分析出現(xiàn)一定偏差。在實(shí)際操作中，機(jī)手轉(zhuǎn)彎根本無法套用在平原地區(qū)廣泛適用的“S”型路線，只能因地形條件選擇易于操作的路線。同時(shí)，山區(qū)相鄰水田間普遍存在高差，插秧機(jī)田埂旁掉頭時(shí)，必須顯著降低速度，根據(jù)需要會(huì)在經(jīng)過田埂時(shí)利用倒擋多次后退轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)掉頭。由于田塊之間高差不一，對(duì)插秧機(jī)轉(zhuǎn)彎的阻礙大小不一，因此，插秧機(jī)轉(zhuǎn)彎的時(shí)間存在較大的差異。此外，山區(qū)水田普遍存在尖角，轉(zhuǎn)彎效率低，尖角數(shù)量與形狀的差異也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎時(shí)間差異的重要因素。

盡管插秧機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)間與田塊寬度沒有直接的線性關(guān)系，但與田塊大小保有一定的規(guī)律。由表1可以看出，田塊面積越大，單位面積轉(zhuǎn)彎時(shí)間越短，即插秧機(jī)轉(zhuǎn)彎越順暢。因?yàn)樘飰K面積越大，邊角占總面積的比例越小，對(duì)插秧機(jī)轉(zhuǎn)彎的阻礙相對(duì)較少。此外，可以看出當(dāng)田塊面積小于266.8 m2時(shí)，單位面積轉(zhuǎn)彎時(shí)間顯著增長(zhǎng)，達(dá)到4.48 h/hm2；大于266.8 m2時(shí)，單位面積轉(zhuǎn)彎時(shí)間則基本穩(wěn)定。說明4行手扶式插秧機(jī)在面積大于266.8 m2的水田中作業(yè)基本能運(yùn)轉(zhuǎn)自如，但面積小于266.8m2時(shí)對(duì)插秧機(jī)的阻礙則變得較大。

3.2.3 田塊面積對(duì)加秧效率的影響

加秧時(shí)間與田塊面積之間回歸方程的R2為0.62，說明回歸方程在顯著性水平為0.4時(shí)能通過檢驗(yàn)，即在插秧作業(yè)規(guī)范統(tǒng)一、插秧機(jī)型號(hào)不變、供秧及時(shí)、人工加秧速度恒定的情況下，加秧時(shí)間與田塊面積呈線性關(guān)系。

但實(shí)際值與估計(jì)值仍有一定的偏差。由于手扶插秧機(jī)無存放備用秧的裝置，無法按需加秧，必須在田埂邊加秧。由于田塊形狀不一，從而導(dǎo)致每次加秧量與加秧次數(shù)不一，造成加秧時(shí)間不一致。此外，挑秧人員為了節(jié)約時(shí)間，都是隨機(jī)堆放秧盤，導(dǎo)致秧堆與機(jī)器停車位置的距離大小不一，所需加秧時(shí)間也存在一定的差異。

由表1可以看出，單位面積加秧時(shí)間隨田塊面積的增大而加長(zhǎng)。由于田塊面積越大，停機(jī)位置距田埂距離較遠(yuǎn)的幾率也較大，單次加秧時(shí)間也越長(zhǎng)。插秧機(jī)每次加秧量基本恒定，單位面積加秧次數(shù)也基本不變，所以單次時(shí)間越長(zhǎng)則總時(shí)間也越長(zhǎng)。

3.2.4 作業(yè)總時(shí)間構(gòu)成比例與田塊面積的關(guān)系

機(jī)器故障是由機(jī)器本身的性能狀態(tài)決定的，與田塊關(guān)系不大，因此在分析耕地對(duì)作業(yè)時(shí)間的影響時(shí)不能包括故障排除時(shí)間。正常情況下，機(jī)手都要連續(xù)作業(yè)幾塊田才休息，無法反映出耕地對(duì)休息時(shí)間帶來的影響。缺秧情況的出現(xiàn)與送秧人員有關(guān)，與田塊本身沒有關(guān)系。按照理想狀況，假定機(jī)手作業(yè)過程無休息，秧苗供應(yīng)及時(shí)，機(jī)具性能狀態(tài)優(yōu)良無故障，總作業(yè)時(shí)間只包括純作業(yè)時(shí)間、轉(zhuǎn)彎時(shí)間、加秧時(shí)間。插秧作業(yè)總時(shí)間與田塊面積呈線性關(guān)系，4行手扶插秧機(jī)在不同面積田塊中作業(yè)效率沒有顯著差異。但在不同面積田塊中，總作業(yè)時(shí)間的構(gòu)成比例存在較大差異。田塊面積小于266.8 m2與大于266.8 ～533.6 m2時(shí)，純插秧時(shí)間占總時(shí)間的比例均為48%，而面積大于533.6 m2時(shí)，該比例卻降至42%，主要是由于加秧時(shí)間占比增長(zhǎng)所致，加秧時(shí)間占比從30%左右增至41%。掉頭時(shí)間占總作業(yè)時(shí)間的比例不大，尤其是當(dāng)田塊面積大于266.8 m2時(shí)，其比例值僅17%～18%。

3.2.5 效率與經(jīng)濟(jì)性分析

手扶插秧機(jī)純作業(yè)、轉(zhuǎn)彎與加秧環(huán)節(jié)的效率均受田塊面積的影響。雖然轉(zhuǎn)彎環(huán)節(jié)同時(shí)受田塊形狀影響，但由于山區(qū)田塊形狀過于復(fù)雜，難以獲取準(zhǔn)確的田塊長(zhǎng)寬度數(shù)據(jù)，無法定量描述田塊性狀因素對(duì)插秧機(jī)效率的影響，而當(dāng)某區(qū)域地形變化不大時(shí)，田塊長(zhǎng)寬比也維持在一個(gè)合理的小區(qū)間內(nèi)，田塊寬度亦可以用面積來表示，因此，本研究以田塊面積為參照來描述耕地細(xì)碎化對(duì)插秧機(jī)作業(yè)效率的影響程度。3個(gè)不同面積區(qū)間內(nèi)的平均作業(yè)效率分別為568、660、650 m2/h。機(jī)插秧的經(jīng)濟(jì)效益與其作業(yè)效率息息相關(guān)，效率越高，收益也越大，推廣機(jī)插秧的經(jīng)濟(jì)性制約越小。機(jī)插秧作業(yè)成本應(yīng)包含人員工資、購機(jī)成本、油耗等。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于新邵縣機(jī)插秧處于起步階段，農(nóng)機(jī)主管部門為了推動(dòng)機(jī)插秧發(fā)展，以購機(jī)補(bǔ)貼與機(jī)插秧推廣項(xiàng)目資金等經(jīng)費(fèi)予以雙重扶持，農(nóng)民基本可免費(fèi)用機(jī)，因此不考慮購機(jī)成本。人員配置方面需1名機(jī)手(工資200元/d)、2名挑秧人員與2名補(bǔ)秧人員(工資150元/d)，工資成本800元/d。插秧機(jī)每天工作10 h，油耗為4 L汽油(7.6元/L)，油耗成本為30元/d。因?yàn)椴逖頇C(jī)在不同面積中作業(yè)效率差異不大，所以人員配置與油耗基本保持不變。計(jì)算得到4行手扶插秧機(jī)在不同面積田塊中的作業(yè)成本，詳見表2。

表2 不同面積機(jī)插秧作業(yè)成本對(duì)照 Table 2 Mechanical planting costs in the field with different area compared with the artificial planting

據(jù)調(diào)研，經(jīng)驗(yàn)較豐富的農(nóng)民進(jìn)行手工插秧，田塊面積小于266.8 m2時(shí)，其作業(yè)成本比其他面積范圍高200元/hm2左右，但總體而言，山區(qū)機(jī)插秧相對(duì)人工作業(yè)能節(jié)約成本700～900元/hm2，節(jié)約成本30%～45%。此外，機(jī)插秧效率遠(yuǎn)高于人工作業(yè)，對(duì)于經(jīng)營(yíng)規(guī)模較大的種糧大戶搶種早晚稻，從而規(guī)避因極端天氣而減產(chǎn)具有重要的作用。

4 討論

山區(qū)細(xì)碎耕地對(duì)4行手扶式插秧機(jī)的轉(zhuǎn)彎靈便性影響最大。插秧機(jī)在面積小于266.8 m2田塊中的頃均轉(zhuǎn)彎時(shí)間達(dá)到面積大于266.8 m2的2倍，而轉(zhuǎn)彎是整個(gè)工作工程中對(duì)機(jī)手操作技能要求最高且勞動(dòng)強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié)，當(dāng)田塊小于266.8 m2無疑會(huì)加大機(jī)插秧的推廣難度。需對(duì)插秧機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提升其轉(zhuǎn)向靈便性及操作方便性，同時(shí)可通過農(nóng)田整治工程將面積小于266.8 m2的田塊合并擴(kuò)大，從而降低機(jī)插秧的推廣難度。

細(xì)碎化田塊的純插秧時(shí)間占整個(gè)作業(yè)時(shí)間不足50%，加秧等輔助作業(yè)環(huán)節(jié)耗時(shí)長(zhǎng)，尤其當(dāng)田塊面積大于533.6 m2時(shí)，加秧時(shí)間占比高達(dá)41%，無法發(fā)揮大面積地塊利于機(jī)器轉(zhuǎn)彎掉頭的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)提高育秧質(zhì)量，使秧苗始終保持良好的形態(tài)，提高加秧速度。此外，可適當(dāng)增加機(jī)器載秧量以減少加秧次數(shù)。

當(dāng)田塊面積大于266.8 m2時(shí)，手扶插秧機(jī)的適用性較高。田塊面積大于266.8 m2時(shí)，4行手扶插秧機(jī)在田間轉(zhuǎn)彎掉頭已經(jīng)不受限制，其作業(yè)效率將不再隨田塊面積增大而提高，基本保持為650 m2/h左右，遠(yuǎn)高于人工作業(yè)，相對(duì)人工作業(yè)能節(jié)約作業(yè)成本約900元/hm2。可見，田塊處于該面積范圍內(nèi)，機(jī)插秧具有良好的適用性。面積小于266.8 m2時(shí)，轉(zhuǎn)彎時(shí)間占比達(dá)到26%，既增大了機(jī)手的勞動(dòng)強(qiáng)度，又降低了整機(jī)作業(yè)效率，提高了作業(yè)成本，因此，田塊處于該面積范圍內(nèi)可通過土地整治工程實(shí)現(xiàn)小田改大田，提高機(jī)插秧效率與效益。

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