機(jī)械方式收獲藏北野生牧草種子的節(jié)能減排效益研究

劉志林 謝文棟 衛(wèi)魏 白軍 姜梅 旦久羅布

摘? 要：藏北野生牧草種子的機(jī)械化收獲，可以極大地降低人工收獲方式伴隨的高耗能和重污染，這也是制約藏北野生牧草種子收獲機(jī)械技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用的一個(gè)重要因素。本研究通過藏北野生牧草種子收獲試驗(yàn)，找出了三種齒形21種的收獲刀片對(duì)藏北典型野生牧草——針茅的最佳收獲效率，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行能耗和污染物排放的計(jì)算，結(jié)果表明：與現(xiàn)有的人工收獲方式相比，機(jī)械方式將收獲效率提高到了30.4倍、能耗降低了94.82%、污染物質(zhì)量排放降低了98.23%、污染物體積排放降低了99.64%，證明了機(jī)械方式收獲藏北野生牧草種子的節(jié)能減排效益十分明顯，為野生牧草種子收獲技術(shù)的推廣與示范提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：野生牧草;機(jī)械收獲;節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：S817.11? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）04-0045-04

Abstract： The mechanized harvesting of wild forage seeds in northern Tibet can greatly reduce the high energy consumption and heavy pollution accompanied by artificial harvesting， which is also an important factor restricting the development and application of wild forage seed harvesting machinery in northern Tibet. In this study， through the harvest experiment of wild forage seeds in northern Tibet， the best harvesting efficiency of three kinds of tooth shape and 21 kinds of harvesting blades on Stipa， a typical wild forage grass in northern Tibet， was found， and the energy consumption and pollutant emission were calculated on this basis. The results show that： compared with the existing artificial harvesting methods， Mechanical harvesting efficiency has been increased to 30.4 times， energy consumption has been reduced by 94.82%， pollutant mass emissions have been reduced by 98.23%， and pollutant volume emissions have been reduced by 99.64%. It is proved that the energy saving and emission reduction benefits of mechanical harvesting of wild forage seeds in northern Tibet are very obvious. To provide technical basis for the popularization and demonstration of wild forage seed harvesting technology.

Keywords： wild forage; mechanical harvesting; energy saving and emission reduction

1 概述

近年來，藏北高寒區(qū)域的天然草地呈現(xiàn)持續(xù)退化趨勢，草地生態(tài)狀況不容樂觀。[1][2]為此，西藏政府開展了大規(guī)模的天然草地建設(shè)與改良，從而對(duì)野生牧草種子的需求日益增加。野生牧草種子的機(jī)械化收獲，是解決需求的一個(gè)良好途徑。[3]但是目前，西藏地區(qū)的草業(yè)機(jī)械仍處于未起步階段，雖然農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)C(jī)械的需求十分巨大，由于沒有相應(yīng)的技術(shù)和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，完全依靠引進(jìn)設(shè)備，成本高昂的同時(shí)，不適應(yīng)西藏自身實(shí)際情況[4]。

為此，在西藏科技主管部門的支持下，科研人員陸續(xù)開始進(jìn)行藏北野生牧草種子收獲技術(shù)的研究與和野生牧草種子收獲機(jī)械的研制工作：方江平、苗彥軍、劉志林等人[5]研制出首個(gè)針對(duì)藏北野生牧草的種子收獲機(jī)械樣機(jī)，并將收獲機(jī)械樣機(jī)申請(qǐng)國家專利保護(hù)[6]，填補(bǔ)了西藏野生牧草種子收獲技術(shù)的空白;劉志林[3]對(duì)適宜西藏野生牧草種子收獲裝置進(jìn)行了初步研究，針對(duì)不同物理性狀的野生牧草草穗，設(shè)計(jì)出了葉輪型和毛刷型兩種草穗收獲刀片方案;方江平、苗彥軍、劉志林等人[7-11]通過進(jìn)行藏北高寒天然草地類型調(diào)研，得出了8種典型藏北野生牧草在6種草地類型下的分布規(guī)律以及野生牧草種穗的物理特性，并以此為基礎(chǔ)研制了三款適宜于藏北天然草地的野生牧草種子收獲機(jī)械。通過藏北野生牧草種子收獲的人機(jī)對(duì)比的收獲效率試驗(yàn)、收獲率試驗(yàn)、種子破損率試驗(yàn)，得出了種子收獲機(jī)械的收獲效率，驗(yàn)證了收獲機(jī)械的機(jī)械性能和工作能力，形成了一套藏北野生牧草種子的機(jī)械收獲技術(shù)。

然而，在上述已有的藏北野生牧草種子收獲技術(shù)中，收獲機(jī)械的收獲參數(shù)單一，意味著藏北野生牧草種子機(jī)械收獲的最佳效率仍未確定。鑒于此，本項(xiàng)目選取典型藏北野生牧草——針茅為收獲對(duì)象，通過豐富刀具齒形及齒形參數(shù)，進(jìn)行野生針茅種子收獲試驗(yàn)，選取針對(duì)野生針茅種子機(jī)械收獲的最佳參數(shù)，確定最佳收獲效率。并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行能耗和污染物排放的計(jì)算，初步挖掘機(jī)械方式收獲藏北野生牧草種子的節(jié)能減排效益，為野生牧草種子收獲技術(shù)的推廣與示范提供技術(shù)依據(jù)。

2 藏北野生針茅種子收獲試驗(yàn)與最佳收獲效率的確定

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)設(shè)備，采用西藏農(nóng)牧學(xué)院自主研發(fā)的手持式野生牧草種穗收獲器，收獲刀具包括三角齒、梯形齒和雙半圓弧齒等三種齒形，每種齒形設(shè)置3個(gè)參數(shù)，共計(jì)21種刀具方案，具體方案如表1、表2所示。

2.2 試驗(yàn)方案

本次野生針茅種子收獲試驗(yàn)，是為了尋找不同齒形參數(shù)下，收獲器對(duì)野生針茅種子的最佳收獲效率，采用人機(jī)對(duì)比收獲的方式，以機(jī)械收獲種子的凈重與人工收獲種子的凈重的比值來確定?？紤]到藏北高原海拔普遍在4500米以上，對(duì)人的體能和精力提出了嚴(yán)峻的要求，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，單次機(jī)械收獲試驗(yàn)時(shí)間原則上控制在5min以內(nèi)，特殊情況可以延長，但最多不超過10min。

在高海拔寒冷地區(qū)選取1塊面積為20000m2的針茅草地（經(jīng)緯度：N：31° 29.804' E：91° 3.989'，海拔：4604m），將上述刀具方案中的21種收獲刀各制作2片，并分別對(duì)稱安裝在21臺(tái)收獲器的刀具安裝軸上，安裝軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為300r/min。收獲試驗(yàn)共29人，其中操作種子收獲器進(jìn)行機(jī)械收獲21人，人工收獲5人，數(shù)據(jù)記錄3人。為保證環(huán)境條件一致，機(jī)械收獲和人工收獲在樣地中同時(shí)進(jìn)行，每種收獲刀具方案進(jìn)行機(jī)械收獲10個(gè)單次試驗(yàn)，單次試驗(yàn)2min，收獲時(shí)間總計(jì)20min，操作結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、稱重和計(jì)算等工作，將收獲的針茅種子凈重取平均處理，最終得出不同收獲刀具對(duì)針茅種子的收獲效率，并從中選出最佳收獲效率。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與最佳收獲效率

本次野生牧草種子收獲試驗(yàn)，共收集到野生針茅種子213份，其中，機(jī)械收獲210份（21種刀具分別收獲10份），人工收獲3份。將每種刀具收獲的10份種子凈重做平均處理，將3個(gè)人工收獲的種子做平均處理，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)和收獲效率如表3所示。

從表3可以看出，21種刀具的收獲效率均達(dá)到了20個(gè)以上人工，最高效率達(dá)到30.4。同時(shí)三角齒和梯形齒的收獲效率普遍高于雙半圓弧齒。值得注意的是梯5型刀具，收獲效率達(dá)到了30.4個(gè)人工，是本次收獲試驗(yàn)的最佳收獲效率。

3 節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 節(jié)能減排效益分析思路與對(duì)比關(guān)系的確定

3.1.1 節(jié)能減排效益分析思路

節(jié)能減排效益，是與現(xiàn)有的人工收獲方式對(duì)比，思路如下：在一個(gè)針茅種子收獲周期內(nèi)，以機(jī)械收獲和人工收獲兩種方式可以收獲等量的針茅種子（以重量計(jì)算）為參照，分別計(jì)算一臺(tái)野生牧草種子收獲器和其對(duì)應(yīng)的人工（數(shù)量）收獲方式的能量消耗和污染物排放量，最終得出一個(gè)野生針茅種子收獲周期內(nèi)的節(jié)能減排量和節(jié)能減排效率。

3.1.2 收獲周期的確定

藏北高原地區(qū)的針茅，7月上旬至7月下旬開花，8～9月結(jié)實(shí)， 10月中下旬枯黃。其種子成熟周期一月余。因此，其收獲周期應(yīng)在30天之上。因此，收獲周期定于30天。

3.1.3 耗能設(shè)備的確定

（1）機(jī)械收獲的能耗設(shè)備

由于藏北高原地區(qū)地形復(fù)雜，山路崎嶇，因此，在進(jìn)行野生牧草種子收獲時(shí)，大功率汽車較為普遍，因此，車輛確定為七座豐田普拉多（型號(hào)3.5LTX，排量3456ml，油耗12.21L/hkm，七座，整車質(zhì)量2285kg，排放標(biāo)準(zhǔn)國五，汽油），該車可以載人7人，除去司機(jī)，可以載人6人，每人攜帶一臺(tái)收獲器，共計(jì)6臺(tái)機(jī)械（每臺(tái)配置12V10A蓄電池兩塊，電機(jī)50W一個(gè)）。

（2）人工收獲方式的耗能設(shè)備

野生針茅種子收獲中，收獲人員需用越野車進(jìn)行運(yùn)輸，車輛確定為七座豐田普拉多，除去司機(jī)，每臺(tái)車可以載人6人。

3.1.4 每臺(tái)種子收獲器對(duì)應(yīng)人工數(shù)量關(guān)系的確定

根據(jù)藏北野生針茅種子收獲試驗(yàn)結(jié)果，在收獲針茅種子時(shí)，一臺(tái)收獲器的收獲效率相當(dāng)于30.4個(gè)人工，確定一臺(tái)收獲器需普拉多0.17輛，其對(duì)應(yīng)的30.4個(gè)人工需普拉多5.07輛。

3.1.5 一個(gè)收獲周期內(nèi)汽車公里數(shù)的確定

根據(jù)野生牧草種子收獲試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，每臺(tái)汽車每天的公里數(shù)一般在300～400公里之間，取為350公里/天，每個(gè)收獲周期內(nèi)，每臺(tái)汽車公里數(shù)為350*30=10500公里。

3.2 節(jié)能效益分析

3.2.1 一個(gè)收獲周期內(nèi)的車輛油耗及能耗

豐田普拉多車型的耗油為12.21L/hkm，一個(gè)收獲周期內(nèi)的耗油為12.21*10500/100=1282.05升汽油。汽油的熱值為4.66*107J/kg，密度是0.725kg/L，一個(gè)收獲周期內(nèi)每臺(tái)車的耗油所產(chǎn)生的熱值為1282.05L*0.725kg/L*4.66*107J/kg=4.33*1010J=1.2*104千瓦小時(shí)。

3.2.2 一個(gè)收獲周期內(nèi)的收獲器電能消耗

每臺(tái)收獲器配置12V10A蓄電池2塊，電機(jī)50W一個(gè)，通過牧草種子收獲試驗(yàn)，該機(jī)械可以持續(xù)工作12小時(shí)，其儲(chǔ)能量約為600瓦小時(shí)。

收獲試驗(yàn)時(shí)，每天每人的純體力勞動(dòng)應(yīng)不超過3小時(shí)，即收獲器可以連續(xù)工作四天不充電。一個(gè)收獲周期30天內(nèi)，其充電次數(shù)為30/4=7.5次，其電能消耗約為600瓦小時(shí)*7.5=4500瓦小時(shí)=4.5千瓦小時(shí)。一般來講，直流蓄電池的充電量是放電量的1.4～1.6倍，在此，取值為1.5，即一個(gè)收獲周期內(nèi)，收獲器的耗能為4500瓦小時(shí)*1.5=6750瓦小時(shí)=6.75千瓦小時(shí)。

3.2.3 節(jié)能效益分析

根據(jù)每臺(tái)種子收獲器對(duì)應(yīng)人工數(shù)量關(guān)系可知，每臺(tái)收獲器需要普拉多3.5LTX車型0.17臺(tái)，在一個(gè)收獲周期內(nèi)，其耗能設(shè)備1臺(tái)為收獲器的耗能量和0.17臺(tái)普拉多3.5LTX車的耗能量之和，即6.75千瓦小時(shí)+1.2*104千瓦小時(shí)*0.17=2046.75千瓦小時(shí)。

人工收獲方式下，需要30.4人，應(yīng)配備5.07臺(tái)普拉多3.5LTX車，其能耗為1.2*104千瓦小時(shí)*5.07=60840千瓦小時(shí)。

在一個(gè)收獲周期內(nèi)，一臺(tái)收獲器的節(jié)能量為60840-2046.75=58793.25千瓦小時(shí)，節(jié)能率為58793.25/60840=96.64%。

3.3 減排效益分析

3.3.1 汽車污染物排放分析

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局聯(lián)合頒布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）GB18352.5-2013》，直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要污染物主要有CO（一氧化碳）、THC（總烴）、NMHC（碳?xì)浠衔铮?、NOX（氮氧化合物）、PM（顆粒物）等，其排放限值如表4所示。

3.3.2 一個(gè)收獲周期內(nèi)的車輛的污染物排放計(jì)算

計(jì)算車輛污染物排放時(shí)，以其得到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的限值為依據(jù)。豐田普拉多車型，其發(fā)動(dòng)機(jī)為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于點(diǎn)燃式，座位數(shù)為7座，超過6座，綜合判斷其為第二類車。

（1）一個(gè)收獲周期內(nèi)的污染物排放質(zhì)量

一個(gè)收獲周期內(nèi)，污染物排放限值與污染物排放情況如表5所示。

（2）一個(gè)收獲周期內(nèi)的污染物排放體積

發(fā)動(dòng)機(jī)（含汽油機(jī)和柴油機(jī)）是通過燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，吸入空氣并排除廢氣，一般認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)排放出的廢氣均為污染氣體。

豐田普拉多3.5LTX車型的發(fā)動(dòng)機(jī)排量為3456ml，轉(zhuǎn)速介于1000-4500轉(zhuǎn)/分之間，在日常運(yùn)行中，平均轉(zhuǎn)速約為2500轉(zhuǎn)/分左右。根據(jù)野生牧草種子收獲試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，車輛每天行駛350公里，平均時(shí)速為50公里/小時(shí)，即每天行駛7小時(shí)。其一個(gè)收獲期內(nèi)的廢氣排放總量為30天*7小時(shí)*60分鐘*2500轉(zhuǎn)/分鐘*3456毫升/106=108864立方米。

3.3.3 減排效益分析

（1）污染物質(zhì)量減排效益

減排效益：根據(jù)每臺(tái)種子收獲機(jī)械對(duì)應(yīng)人工數(shù)量關(guān)系可知，每臺(tái)收獲器需要普拉多3.5LTX車型0.17臺(tái)，在一個(gè)收獲周期內(nèi)，其污染物排放設(shè)備是0.17臺(tái)普拉多3.5LTX車所排放的所有污染物質(zhì)量之和（收獲器采用的是電能，其污染物排放為零），即（23.835+0.168+1.134+0.861+0.047）*0.17=4.43千克。

人工收獲方式下，需要30.4人，應(yīng)配備5.07臺(tái)普拉多3.5LTX車，其污染物排放為（23.835+0.168+1.134+0.861+0.047）*5.07=132.05千克。

在一個(gè)收獲周期內(nèi)，一臺(tái)收獲器的可以減少污染物排放132.05-4.43=127.62千克，減排率為127.62/132.05=96.65%。

（2）污染物體積減排效益

根據(jù)上述分析與計(jì)算，每臺(tái)收獲器需要0.17臺(tái)普拉多3.5LTX車型，其污染物排放體積為108864立方米*0.17=18506立方米;人工收獲方式下需要30.4個(gè)人工，應(yīng)配備5.07臺(tái)普拉多3.5LTX車，其污染物排放體積為108864立方米*5.07=551940立方米。每臺(tái)收獲器的污染物體積減排量為551940-18506=533434立方米，減排率為533434/551940=96.65%。

一個(gè)野生針茅種子收獲周期內(nèi)，每臺(tái)種子收獲器的節(jié)能減排情況如表6所示。

4 結(jié)論與討論

（1）通過改變收獲刀具齒形參數(shù)，對(duì)野生針茅進(jìn)行種子收獲試驗(yàn)，結(jié)果表明：收獲效率均達(dá)到了20個(gè)以上人工，最高效率達(dá)到30.4，從而確定了本次收獲試驗(yàn)的最佳收獲效率。

（2）相對(duì)于人工收獲方式，機(jī)械收獲方式的節(jié)能減排效果極為明顯：在一個(gè)野生針茅種子收獲期內(nèi)，每臺(tái)手持式收獲器可節(jié)能58793.25kW·h，節(jié)能率達(dá)96.64%;污染物質(zhì)量排放減少127.62kg，減排率達(dá)96.65%;污染物體積排放減少533434m3，減排率達(dá)96.65%。

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