甜菜生产机械作业效率与配置分析

刘 娜，张文彬，卢秉福，刘晓雪

（1黑龙江大学/国家糖料改良中心，哈尔滨 150080；2北京工商大学经济学院，北京 100048）

0 引言

甜菜是制糖工业的重要原料，自1905年黑龙江省阿城糖厂建立以来[1-2]，甜菜在中国种植已有117年的历史[3]，现已成为黑龙江、内蒙古和新疆及三省区邻近地区种植的重要糖料作物[4-5]，甜菜制糖亦成为当地的支柱产业[6-7]。甜菜种植比较费工时[8]，用工量分别比玉米、小麦和大豆高47%～58%、72%～82%和91%～156%[9-10]。中国自20世纪50年代即开始研究甜菜生产机械化[11]，至20世纪80年代初，基本实现了主要甜菜生产机械能够自主生产[12]，但机械的质量、可靠性、作业效率等方面较国外同类产品有很大的差距[13]。此外，20世纪80年代开始的农村家庭联产承包责任制造成土地零散、分散，加之农业劳动力充足，也客观上抑制了甜菜机械的应用[14]。进入21世纪后，随着农村劳动力向城市转移加快[15]，农村劳动力价格急剧上升[16-17]，甜菜生产机械化得到了快速发展，当前甜菜生产机械化水平已达到90%[18]，个别地区达到95%以上。甜菜机械的使用要合理匹配工作机具和编制机组，控制好作业速度，提高作业效率，才能获得好的工作效果[19]。为了科学管理、合理运用农业机械[20]，有许多学者开展了农业机械作业效率方面的研究工作，孔德刚等[21]对小麦播种和收获作业机组分别进行了时间利用率和作业效率分析，提出了机组的合理运用模式；黄小毛等[22-23]利用计算机技术对不同机组作业模式寻求最优的作业任务调度排序策略，提高农机作业效率和质量；王涛等[24]设计出基于遗传算法与WiFi聚类算法结合的北斗农机精准调度方案，帮助农业机械作业组织对农机进行精准调度，提高农机作业效率；杨博等[25]基于卫星定位、GIS技术、无线通讯技术和网络技术，开发了具有实时监控、导航指挥、统计分析、地图查询等功能的管理系统，为提升农机作业效率提供信息化技术支撑。但在甜菜生产机械化领域，机械作业效率与配置问题未能受到关注，使用效果和经济效益受到影响，为此，在甜菜机械化领域开展研究工作对提高甜菜生产机械作业效率具有重要意义。

1 甜菜机械性能和作业效率

1.1 甜菜生产机械化的特点

甜菜机械化作业包括耕翻、深松、旋耕、耙地、镇压、播种、移栽、中耕、施肥、施药、灌溉、收获等环节[26-27]，甜菜生产有很强的季节性，各个环节对农时的要求都很严格[28]，必须根据气候条件、土壤条件、病虫草害发生情况和甜菜特性[29]在一定的时间内完成相关作业内容，因此，要求甜菜生产机械可在短时间完成的工作量大，保证作业的效率高、速度快[30]，“不违农时”。但由于甜菜种植区域自然环境、土壤条件、地块大小、栽培制度差别较大[31]，且甜菜机械种类繁多、性能千差万别，考察甜菜机械的作业效率也较困难。

1.2 甜菜机械性能

甜菜生产机械化还处于初级阶段，许多国产甜菜机械属中低档产品，制造粗糙，精密度不够，许多铸、锻件或冲压件，成形后不作任何切削加工就装配使用，甚至连传动齿轮都是铸好就用，影响了甜菜机械的作业效率[32]，这也符合当前农村的生产形势。农民对甜菜机械性能的要求主要包含技术可行性、经济适用性、生产高效性、机器耐用性[33]，主要表现为：一是实用性，农民比较重视甜菜机械的产品性能，而对甜菜机械的美观性不太关注；二是经济性，在保障甜菜机械实用的前提下，农民要求机器价格低廉，适应农村的消费水平；三是简便和耐用性，在甜菜机械使用上强调机器设备基本功能，操作简单，经济耐用。

1.3 甜菜生产主要作业机械

耕地机械的种类和型式很多，以铧式犁应用最广[34]。整地作业机械主要有旋耕机、缺口耙、圆盘耙、钉齿耙、弹齿耙、V型镇压器、网环形镇压器、圆筒形镇压器等，整地分单项和复式作业[35]。深松机有大型、中型和小型之分，大型深松机一般单独使用，中小型深松机既可以单独使用，也可以与整地机械、中耕机械联合作业。播种机械有机械式、气力式[36]，移栽机械有鸭嘴式、挠性圆盘式、链条式等[37]，中耕机多与施肥联合作业，施药机械有液体农药喷雾机、颗粒农药撒布机[38]，灌溉机械包括圆盘式喷灌机等，甜菜收获机械是甜菜专用机械[39-40]，包括甜菜切缨机、挖掘集条机、捡拾机、挖掘装载机、联合收获机。

1.4 甜菜机械作业效率

甜菜生产中，甜菜机械作业效率随不同作业时间、不同作业项目会有很大不同[39]。机械作业效率与农田道路状况、分散程度，拖拉机到田地的往复距离，机械利用组织和运用方法等有很大关系，综合考虑这些因素才能计算出甜菜机械的作业效率[41]。此外，甜菜作业机械操作人数也影响作业效率，两名操作者倒班操作和一个人操作比较，做业时的挂卸、清扫、调整维修时间相对减少，操作者的休息时间也相应减少，拖拉机停止时间减少，因此提高了实际作业效率。同时在使用甜菜机械作业过程中发挥机器优势，尽可能实现大型化、高速化，以提高作业效率。田间作业效率受机组作业速度、作业幅宽、故障时间、装卸物料时间、转弯时间、打滑率、以及地块转移时间等因素影响，见图1。

图1 田间作业效率影响因素

机械作业效率可依据田地形状、大小、作业方法以及试验结果利用公式(1)求得。根据田地大的地块(100 hm2)、中等的地块为(50 hm2)，小的地块(30 hm2)以及零碎地块（30 hm2以下）的分散程度，求出田地到车库的往返距离及田地之间的移动距离，拖拉机机组在路面行进速度为10～20 km/h，作业速度为3～8 km/h，计算出移动时间和实际作业效率。田间作业效率[42]的经验值见表1。

表1 甜菜机械作业效率

式中，η为作业效率，%；T为总作业时间，h；TC为纯作业时间，h。

2 甜菜生产机械的配置

2.1 拖拉机的选择

通常一台拖拉机要配备若干种农具，各项作业时间即有互不干涉也有交叉重叠。因此拖拉机的选择主要根据年作业量以及作业地块的大小、道路情况、土壤比阻等因素综合考虑。大型拖拉机功率高、附着性好，适在地块较大、道路条件好、作业比阻大的情况下作业，另外，深松、深翻等作业需要强大牵引力，只能大型拖拉机完成，但大型拖拉机有作业转弯困难，作业效率低，成本高等缺点；小型拖拉机功率小、机动灵活，适于在地块小、作业阻力小的情况下作业，见图2；中型拖拉机刚好在大型和小型二者之间。此外，还要考虑拖拉机的性能、价格、维修、安全性等因素。

图2 不同类型机械作业经济性比较

2.2 农具的选择

甜菜作业农具的选择要根据所配备的拖拉机型号做到配套，最好是能将需要连续进行的项目集中在一个机器上实行联合作业，工作部件应有足够大的调节范围，以便协同配合，满足甜菜生产需求。农具要求工作可靠、坚固耐用、重量轻、形体小、功效高、便于操作调整、易于维护修理，此外，应具有安全防护装置，保障作业人员人身安全。农具数量根据作业量确定，型号根据甜菜作业内容、作业要求、土壤类型等综合考虑，既要保证作业质量，又要做到节能高效。

2.3 作业期内甜菜机械作业量

甜菜机械作业量与每天的作业面积与作业期内的实际作业天数有关。实际作业天数受到作业期内气象条件、雨雪天气、拖拉机机组的运用方法、机组的完好率、维修天数等条件影响[43]；每天的作业面积受到日长时间、从机库到田间的往返时间、地块间转移时间、作业人员休息时间、田间调整、故障排除、装卸物料以及种植方式、栽培方法等因素的影响[44]。甜菜机械作业期内可完成的作业面积及影响因素，见图3。

图3 甜菜机械作业期内可完成的作业面积及影响因素

2.4 甜菜机械化生产机械装备

甜菜实行4年轮作制度，一个农场或农户每年有1/4的耕地面积种植甜菜[45]，甜菜生产机械的配置既要考虑整个农场或农户的需要，又要满足甜菜生产的需求。一般情况下，耕整地机械、中耕机械、植保机械可以做到甜菜与其他作物通用[46]，播种机既有通用型，也有甜菜专用型，而甜菜纸筒育苗移栽机械、收获机械属于甜菜专用设备，必须单独配备。甜菜种植每年秋季收获作业完成后既可以进行秋翻地、秋整地、秋起垄，也有部分耕地春季整地起垄；播种、移栽在4月底或5月初进行[47]，中耕、除草、病虫害防治在6—9月进行[48]，9月底—0月中旬收获[49]。机械作业时间每天8～10 h，作业期内因降雨、机械故障等因素影响，实际作业天数会减少。在动力选择时要考虑翻地、深松环节需大马力拖拉机，因此，在农具配置时要考虑大马力拖拉机的配套需求，而农药喷洒等作业中小型拖拉机即可完成，因此，从经济性考虑，中小型拖拉机要优选，同时配置相应的作业机具，配备台数可根据公式(2)计算。

式中，n为机器配置台数，台；A为作业面积，hm2；D为实际作业天数，d；η为作业效率，%。

3 甜菜机械经济性评价及投资限度

以纵坐标表示总经费及总收入，横坐标表示作业面积，P代表总收入，V+F代表总成本，其中V代表变动成本，F代表固定成本，E点即为盈亏平衡点(breakeven point)，见图4。根据上述盈亏平衡点定义可知，当作业面积达到E点时，既不盈利也不亏损，当作业面积低于E点时，甜菜机械投资出现亏损，当作业面积高于E点时，甜菜机械投资开始盈利。因此，甜菜机械化作业必须达到一定规模后，才能盈利，甜菜机械投资必须与作业规模相适应，否则会带来机械投资的亏损。在实际操作过程中可以根据实际情况选择购买甜菜机械，也可以租赁甜菜机械作业或委托作业[50]。

图4 甜菜机械投资损益分析

4 结论与建议

农业生产只有经营的土地达到一定规模，才能获较好的效益，农业机械化的作用也才会凸显。拥有各类农业生产必须的农业机械设备，尤其是甜菜专用机械更是必不可少的。当然也可以采取购买服务的方式进行，由农机专业户、农机合作社或者糖厂农机服务队进行代耕。完全自己耕作与自己耕作加购买代耕服务各有优点，自己耕作须配齐所有的农机具，投资大，利用率低，但作业时间便于掌握，成本易于控制；自己耕作加购买代耕服务自己不必配齐所有的农机具，尤其是利用率较低的农机具，投资降低，缺点是农机服务公司专业化服务对作业面积等有一定要求，作业时间需要合理安排，不一定达到自己的理想要求。

甜菜生产机械作业受自然环境、土壤条件、地块大小及分散程度、机械操作人数等因素的影响较大，同时要做到“不违农时”，加之甜菜机械种类较多、性能千差万别，在计算甜菜机械的作业效率时要综合各种因素通过对机械的纯工作时间、地头转弯时间、故障时间、物料装载时间、地块转移时间等进行准确记录，然后进行计算。甜菜机械作业效率对机组的配置十分重要，在使用甜菜机械作业过程中发挥机器优势，尽可能实现大型化、高速化，以提高作业效率。

甜菜生产作业必须要根据作业内容、作业条件等因素对大、中、小型拖拉机及配套农具进行合理配置，发挥甜菜机械化作业的优势，保证其技术上的可行性、经济上的可盈利性。充分考虑季节因素，根据适宜的作业时间，确定甜菜机械作业期内可完成的作业面积。在实际操作中地块小、作业比阻小时可用中小型拖拉机机组，作业比阻大、地块大时应使用大型拖拉机机组；尽可能采取联合作业的模式，提高机械的利用率。