一年一熟地區(qū)玉米茬地耕整地機組綜合效益評價

喬金友，孫 健，張雪珍，李文華，陳海濤

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2．黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150086）

由于北方一年一熟地區(qū)玉米種植面積大，收獲期較晚，玉米收獲后整地時間較短，且玉米茬地秸稈處理困難[1]，無法及時完成耕整地環(huán)節(jié)則影響春季正常播種作業(yè)。綜合評價合適玉米采收后茬地耕整地方式，為設(shè)備選型提供理論依據(jù)是亟待解決問題。國內(nèi)關(guān)于耕整地機組評價文獻較少，董曉威從技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面評價水田耕整地作業(yè)效果[2]；許益存等分析聯(lián)合耕整地機技術(shù)經(jīng)濟指標，但未綜合排序不同作業(yè)機組[3]；喬金友等分析水田耕整地機組技術(shù)經(jīng)濟指標，但部分指標為定性指標[4]；于海明等運用模糊綜合評價法分別評價水田和旱田耕整地機組技術(shù)經(jīng)濟性[5-6]；李金剛等綜合評價小麥播后耕作方式[7]；應(yīng)文勝等采用綜合測評法分析耕整機適應(yīng)性[8]。但未見玉米茬地耕整地機組綜合效益分析文獻，其他作物耕整地機組評價文獻中有部分指標為定性指標，個別文獻采用定性方法確定指標權(quán)重，評價指標值獲取及權(quán)重計算存在主觀性。

本文結(jié)合一年一熟地區(qū)規(guī)模化玉米種植區(qū)機械化生產(chǎn)實際，設(shè)計包含定量指標評價體系，采用熵權(quán)法計算客觀權(quán)重，運用Topsis法對玉米茬地耕整地涉及各作業(yè)環(huán)節(jié)采用典型作業(yè)機組綜合效益評價，可為玉米規(guī)模化種植地區(qū)合理選擇耕整地技術(shù)及作業(yè)機組提供科學(xué)依據(jù)。

1 玉米茬地耕整地機組技術(shù)經(jīng)濟評價流程設(shè)計

玉米茬地耕整地方式多，涉及作業(yè)項目數(shù)量及完成各項作業(yè)項目機組種類多，設(shè)計玉米茬地耕整地機組綜合效益評價流程，可為評價和選擇耕整地機組提供可靠依據(jù)，流程如圖1所示。

首先，調(diào)研區(qū)域內(nèi)玉米茬地耕整地現(xiàn)狀，確定現(xiàn)有耕整地工藝過程，完成各項作業(yè)采用機組類型及基本參數(shù)；結(jié)合實際作業(yè)過程要求及評價目標，選用合適技術(shù)經(jīng)濟性指標，確定各指標計算方法及模型，計算各機組技術(shù)經(jīng)濟指標值；采用科學(xué)合理方法確定各指標權(quán)重，并綜合評價耕整地作業(yè)各種機組技術(shù)經(jīng)濟指標，確定不同耕整地方式綜合效益評價結(jié)果。

2 典型玉米茬地耕整地工藝及機組選擇

2.1 玉米茬地耕整地工藝過程

為保證播種質(zhì)量，農(nóng)民經(jīng)常采用焚燒方式處理秸稈。但焚燒秸稈會帶來表層土壤含水量降低、硬度增高，土壤含碳率降低等弊端，為保護環(huán)境和耕地資源，國家明令嚴禁焚燒秸稈。同時，秸稈還田可改善土壤團粒結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，提高作物產(chǎn)量。若采取有效耕整地措施既可將玉米秸稈粉碎還田，保證后茬作物播種質(zhì)量，也是解決秸稈焚燒問題、提高秸稈資源利用有效方式[9]。

圖1 耕整地機組技術(shù)經(jīng)濟性評價流程Fig.1 Flow of tillage machinery units tech-economic performance evaluation

目前采用玉米茬地耕整地方式主要有：常規(guī)免耕播種、免耕覆秸播種、平翻整地和聯(lián)合整地四種方式。

免耕處理方式具有良好保墑作用，可有效減少水土流失[10]、增加土壤水分[11]、改善土壤質(zhì)量和提高作物產(chǎn)量[12]，利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。但連續(xù)兩年或更長時間免耕導(dǎo)致土壤板結(jié)，土壤容重增大，有機質(zhì)減少，影響作物根系對養(yǎng)分和水分吸收[13]。由于常規(guī)免耕播種和免耕覆秸播種不需耕整地環(huán)節(jié)，本文不作深入討論。

采用平翻耕整地方式可將地表玉米秸稈和殘茬翻埋到耕層以下，實施耙地起壟等作業(yè)，保證耕整地作業(yè)質(zhì)量且不影響后茬作物播種作業(yè)。

聯(lián)合整地一次進地可完成土壤深松和耙地碎土兩項作業(yè)。深松和耙地碎土結(jié)合有利于構(gòu)建良好耕層狀態(tài)，利用作物生長發(fā)育[14]。但聯(lián)合整地作業(yè)不翻轉(zhuǎn)土層，地表秸稈量較大時整地效果不理想，影響后茬播種作業(yè)，不宜采用。

采用寬幅鏵式犁平翻整地可增加平翻深度，不但地表清潔，秸稈翻埋效果更好；在地表秸稈量較少情況下，采用聯(lián)合整地機作業(yè)不破壞土壤結(jié)構(gòu)，可為后茬作物播種提供較好種床條件。因此，中國北部一年一熟規(guī)?；衩追N植區(qū)廣泛采用機械化平翻整地和聯(lián)合整地方式作為玉米茬地耕整地技術(shù)。機械化作業(yè)工藝過程如圖2所示。

圖2 玉米茬地耕整地工藝Fig.2 Technological process of tillage machinery units on field covered with maizestraw and stubblefield

采用平翻整地方式完成玉米茬地耕整地作業(yè)時，運用滅茬機械將田間殘留大量秸稈及地表根茬粉碎，采用鏵式犁機組翻地作業(yè)，將秸稈翻埋于地下25～30 cm，有條件地區(qū)和生產(chǎn)單位可采用寬幅鏵式犁，加大秸稈翻埋深度，防止后續(xù)作業(yè)地下秸稈翻出與淺層土壤混合；采用聯(lián)合整地方式，第一項作業(yè)仍需將田間秸稈及殘茬粉碎，采用聯(lián)合整地機一次完成土壤深松、碎土、平整合墑等作業(yè)。平翻和聯(lián)合

整地作業(yè)后需采用重耙機組將土壤耙平耙碎，起壟、鎮(zhèn)壓作業(yè)，完成全部耕整地作業(yè)工藝過程。

2.2 典型玉米茬地耕整地機組選擇

結(jié)合圖2耕整地工藝過程、玉米茬地耕整地作業(yè)質(zhì)量要求，參考相關(guān)農(nóng)機裝備技術(shù)特點，選擇JD1304、CASE2104和CASE3154三種動力機，配置相應(yīng)型號作業(yè)機械完成兩種典型耕整地方式相應(yīng)作業(yè)項目。選擇確定玉米茬地整地機組及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 耕整地機組相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of tillage machinery units

續(xù)表

3 建立耕整地機組綜合效益評價指標計算模型

依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際需求及農(nóng)業(yè)機械作業(yè)特點，選擇技術(shù)生產(chǎn)率、年最大作業(yè)量、土壤壓實程度、土壤擾動量4個技術(shù)指標，選擇年最大盈利值、盈虧平衡點作業(yè)量、凈現(xiàn)值、動態(tài)投資回收期4個經(jīng)濟指標評價玉米茬地耕整地機組作綜合效益。

3.1 建立技術(shù)性指標計算模型

技術(shù)性指標中技術(shù)生產(chǎn)率根據(jù)調(diào)研和實際測量確定，具體數(shù)值如表1所示。

3.1.1 機組年最大作業(yè)量計算模型

年最大作業(yè)量指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，作業(yè)機組在年最大允許作業(yè)日數(shù)范圍內(nèi)，可完成總作業(yè)面積。計算模型如式（1）所示。

式中，Amax-最大作業(yè)面積（hm2）；E-技術(shù)生產(chǎn)率（hm2·h-1）；T-作業(yè)小時數(shù)（h·d-1）；Dmax-最大作業(yè)天數(shù)（d）。

3.1.2 機組土壤壓實程度計算模型

農(nóng)業(yè)機械行走裝置碾壓土壤，發(fā)生擠壓和變形過程壓實土壤。土壤壓實，致土壤內(nèi)部孔隙減少，土壤儲存空氣和水空間降低。采用動力機接地比壓和動力機對土壤壓實率[3]之積表示機組作業(yè)對土壤壓實程度。其計算模型如下。

式中，Z1-動力機行走時對土壤壓實率，Z2-動力機接地比壓。兩者相乘表示動力機行走時對土壤破壞程度。

其中，Z1和Z2計算模型分別如式（3）和式（4）所示。

式中，Mt-動力機重量（kg）；L-地塊長度（m）；e-機組出線長度（m）；bf-動力機前輪輪胎接地寬度（m）；lf-動力機前輪輪胎接地長度（m）；bf-動力機前輪輪胎數(shù)量（個）；br-動力機后輪輪胎接地寬度（m）；lr-動力機后輪輪胎接地長度（m）；nr-動力機后輪輪胎數(shù)量（個）。

土壤壓實程度z簡化后計算模型如式（5）所示。

3.1.3 機組土壤擾動量計算模型

土壤擾動量是耕整地機組在作業(yè)過程中，作業(yè)機械工作部件擾動土壤體積。過分擾動加劇土壤水分散失，該指標反映作業(yè)機組對土壤蓄水保墑能力影響程度。

由于不同耕整地機組工作部件形狀及作業(yè)原理差異，玉米茬地耕整地機組土壤擾動量計算模型可分為以下三種情況。

①平翻和耙地作業(yè)土壤擾動量

平翻和耙地機組在作業(yè)過程中對整個幅寬內(nèi)土壤均有擾動，擾動量與其作業(yè)深度、作業(yè)幅寬、作業(yè)地塊長度和寬度有關(guān)。耙地和平翻作業(yè)土壤擾動量計算模型如式（6）所示。

式中，Vr-土壤擾動量（m3）；hb-機器作業(yè)深度（m）。

②聯(lián)合整地作業(yè)土壤擾動量

聯(lián)合整地包括耙地和深松兩道工序，均對土壤造成擾動。耙地作業(yè)造成土壤擾動量計算模型如式（6）所示，深松作業(yè)與耙地作業(yè)間未重疊土壤擾動量與深松產(chǎn)擾動土壤寬度、深松鏟個數(shù)、深松工序深度與耙地工序深度之差，作業(yè)幅寬、作業(yè)地塊長度和寬度有關(guān)。聯(lián)合整地作業(yè)土壤擾動量計算模型如式（7）所示。

式中，ns-深松鏟個數(shù)（個）；hs-深松機作業(yè)深度（m）；ds-深松鏟寬度（m）。

③滅茬、起壟和鎮(zhèn)壓作業(yè)土壤擾動量

此三項作業(yè)造成土壤擾動截面均為梯形，耕整地機組土壤擾動量計算模型如式（8）所示。

式中，wu-擾動截面上底寬度（m）；wd-擾動截面下底寬度（m）；ht-擾動截面高度（m）；n-單行程作業(yè)行數(shù)。

3.2 經(jīng)濟性指標計算模型建立

3.2.1 機組年最大盈利值計算模型

機組年最大盈利值指完成年最大作業(yè)量時取得凈收入值。最大盈利值所涉參數(shù)包括機組作業(yè)收費、變動成本和固定成本。調(diào)研可知變動成本包括油料費、維修費、機組人員工資等，固定成本主要組成部分是年折舊費。

機組年最大盈利值計算模型如式（9）所示。

式中，Rmax-年最大盈利值（萬元）；P-作業(yè)收費（元·hm-2）；Cv-變動成本（元·hm-2）；Cd-折舊費用（萬元）。

在一個生產(chǎn)單位中，每臺動力機配置不同作業(yè)機械完成多項作業(yè)，因此該動力機完成某項作業(yè)折舊費為該動力機全年折舊費與作業(yè)標準作業(yè)量占動力機全年標準作業(yè)量比例之積；耕整地機組中作業(yè)機械一般只在該項工作中使用，其折舊費可直接按線性方法計算[15]。某耕整地機組折舊費等于按比例計算動力機折舊費與作業(yè)機折舊費之和。計算模型如式（10）所示。

式中，Pm-作業(yè)機械原值；RRVm-作業(yè)機殘值率（%）；i=基準利率（%）；nm-作業(yè)機折舊年限（年）；Pt-作業(yè)機械原值；RRVt-動力機殘值率（%）；nt-作業(yè)機折舊年限（年）；Qjb-第j個機組作業(yè)量（hm2）；Qkb-第j個機組完成第k項作業(yè)年作業(yè)量（hm2）；K-第j組動力機全年完成作業(yè)項目（項）。

3.2.2 機組動態(tài)投資回收期計算模型

投資回收期是指從作業(yè)機組投入使用開始，以作業(yè)機組年凈收益收回機組原始投資所需年限。在考慮時間價值情況下，投資回收期計算模型如式（11）所示。

3.2.3 機組凈現(xiàn)值計算模型

凈現(xiàn)值指按基準折現(xiàn)率將機組壽命期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到計算初期現(xiàn)值[16]。由于動力機和作業(yè)機使用壽命不同，以壽命期較短者（作業(yè)機）使用壽命為研究期，同時考慮壽命期較長（動力機）余值時間價值計算機組凈現(xiàn)值，計算模型如式（12）所示。

式中，i0-基準折現(xiàn)率（%）；Rt-動力機殘值（萬元）；Rm-作業(yè)機殘值（萬元）。

3.2.4 機組盈虧平衡點作業(yè)量計算模型

盈虧平衡點作業(yè)量是指作業(yè)機組年收入和年成本相等時作業(yè)量。反映作業(yè)機組盈利能力，計算模型如式（13）所示。

式中，Abep-盈虧平衡點作業(yè)量（hm2）。

3.3 各作業(yè)項目評價指標計算結(jié)果

將表1中各機組基本參數(shù)和實際測量機組的作業(yè)參數(shù)代入評價指標計算模型，得到各耕整地作業(yè)機組評價指標計算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，各作業(yè)機組年最大作業(yè)量、土壤擾動量、盈虧平衡點作業(yè)量等指標數(shù)值相差較大，數(shù)量級不一致，無法直接比較；同時，若以單一指標或單類指標作為評價機組技術(shù)經(jīng)濟性能依據(jù)，則排序結(jié)果不同。如在滅茬作業(yè)項目中，采用技術(shù)生產(chǎn)率、年最大作業(yè)量、土壤壓實程度三項技術(shù)指標評價結(jié)果均為MC2機組好于MC1機組，但若采用年最大盈利值、凈現(xiàn)值、投資回收期和盈虧平衡點作業(yè)量四項經(jīng)濟指標評價結(jié)果則為MC1機組好于MC2。因此，需采用有效方法將各指標數(shù)據(jù)作無量綱化處理，確定各指標權(quán)重，綜合評價各耕整地作業(yè)機組性能。

表2 各耕整地機組評價指標計算結(jié)果Table 2 Calculated results of evaluation indeices for tillage machinery units

4 玉米茬地耕整地機組綜合效益評價

4.1 基于熵權(quán)法評價指標權(quán)重計算

熵權(quán)法是客觀賦權(quán)方法，即系統(tǒng)有序，信息熵越低；反之，信息熵越高[17]。評價所獲信息是評價精度和可靠性決定因素之一，指標信息熵越小，提供信息量越大，在綜合評價中作用越大，權(quán)重越高。對于m個方案、n個評價指標數(shù)據(jù)集，熵權(quán)法評價步驟如下：

首先，構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣V=（vij）m×n，并用線性比例法對原始數(shù)據(jù)作無量綱化處理，建立無量綱化矩陣Y=（yij）m×n。其次，可計算第j個指標熵值hj，計算模型如式（14）所示。

最后，可計算各評價指標權(quán)重lj，計算模型如式（15）所示。

通過熵權(quán)法得到玉米茬地耕整地機組各評價指標熵值hj和權(quán)重lj如表3所示。

4.2 基于Topsis方法的玉米茬地耕整地機組綜合效益評價

Topsis法是一種多目標決策方法，由Wang和Yoon于1981年首次提出[18]。Topsis原理是通過測度優(yōu)先方案中最優(yōu)方案和最劣方案，分別計算優(yōu)先方案與最優(yōu)方案和最劣方案距離，獲得優(yōu)先方案與最優(yōu)方案接近程度“理想解”和最劣方案遠離程度“負理想解”，若評價對象最靠近“理想解”同時又最遠離“負理想解”，則為最佳；否則為最差。本文首先對上述無量綱化后矩陣Y=（yij）m×n構(gòu)建加權(quán)決策矩陣 B=（bij）m×n。其次，確定評價對象正理想解Hj+與負理想解Hj-，計算模型分別如式（16）和（17）所示。

再次，計算各評價對象到正理想值歐氏距離d+和負理想值歐氏距離d-，計算模型分別如式（18）和（19）所示。

最后，計算各評價對象與最優(yōu)方案貼進度S，計算模型如式（20）所示。

根據(jù)貼進度S排序評價對象優(yōu)劣，各項作業(yè)評價參數(shù)及排序結(jié)果如表4所示。

由表4可知，①全部13種作業(yè)項目中，以CASE2104拖拉機作為動力機鎮(zhèn)壓機組完成鎮(zhèn)壓作業(yè)（ZY2）貼近度值最大，表明該機組綜合效益評價效果最好，CASE3154拖拉機完成耙地作業(yè)（BD3）綜合效益次之，JD1304拖拉機完成平翻作業(yè)（PF1）綜合效益最差；②各機器系統(tǒng)作業(yè)項目中，以CASE2104和JD1304拖拉機為動力機兩種機器系統(tǒng)，鎮(zhèn)壓作業(yè)機組綜合效益評價效果最佳，以CASE3154拖拉機為動力機機器系統(tǒng)，耙地作業(yè)機組綜合效益較好；③針對耕整地工藝各作業(yè)環(huán)節(jié)所涉及作業(yè)項目，滅茬作業(yè)以JD1304為動力機構(gòu)成作業(yè)機組綜合效果較佳，平翻、起壟、鎮(zhèn)壓三項作業(yè)以CASE2104拖拉機為動力機構(gòu)成作業(yè)機組作業(yè)效果較佳，耙地和聯(lián)合整地兩項作業(yè)以CASE3154拖拉機為動力機構(gòu)成作業(yè)機組作業(yè)效果較佳。

表3 評價指標熵值及權(quán)重Table 3 Entropy valueand weight of evaluation index

表4 耕整地機組綜合效益排序結(jié)果Table 4 Evaluation comprehensive benefit ranking results of tillage machinery units

5 結(jié) 論

a.提出一年一熟地區(qū)玉米茬地耕整地機械化作業(yè)工藝過程，以JD1304、CASE2104和CASE3154三種功率拖拉機為動力機的13種玉米茬地耕整地機組為評價對象。

b.結(jié)合當前玉米茬地耕整地作業(yè)具體要求，確定玉米茬地耕整地機組技術(shù)經(jīng)濟指標及計算模型，采用熵權(quán)法確定各指標權(quán)重。

c.運用Topsis評價方法評價13種玉米茬地耕整地機組綜合效益。從全部13種作業(yè)項目、各機器系統(tǒng)作業(yè)項目，耕整地工藝各作業(yè)環(huán)節(jié)所涉及作業(yè)項目三個角度分別分析玉米茬地耕整地機組綜合效益評價效果，研究從不同視角為玉米茬地耕整地機組選型提供依據(jù)。