基于趋势外推法的北京市渔业机械化水平研究*

禹振军，盛顺，胡浩，安红艳，刘旺，刘千豪

(北京市农业机械试验鉴定推广站,北京市,100079)

0 引言

习近平总书记在中央农村工作会议上指明农业农村现代化发展方向[1],是做好新发展阶段“三农”工作的行动指南。北京市要求做好新发展阶段北京“三农”工作,必须围绕“促进农业高质高效、乡村宜居宜业、农民富裕富足”的目标[2],立足北京“大城市小农业”“大京郊小城区”的市情农情,走“大城市带动大京郊、大京郊服务大城市”的城乡融合发展之路。研究梳理渔业机械化发展短板弱项,提出发展重点措施。

十四五时期是加快渔业发展方式转型升级,建设现代渔业的关键时期[3]。《全国渔业“十四五”发展规划》《农业农村部关于加快渔业转方式调结构指导意见》等文件精神指出[1],以加快推进渔业发展方式转变为主线。要大力发展工厂化循环水养殖、池塘工程化循环水养殖、种养结合循环养殖等健康绿色生态养殖模式[4],支持循环用水等节水技术应用及机械装备升级改造,提高渔业养殖科技含量和生态环境保护水平。北京市按照“调粮保菜,做精畜牧水产”的总思路,紧密结合全市渔业实际,以“调结构、转方式、发展节水生态渔业”为主线,大力发展“生态、籽种、休闲、精品”渔业,实现都市现代渔业创新、高效、节水、生态、绿色可持续发展。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

在增氧方面,美国、德国、日本、丹麦等水产机械生产厂主推的是纯氧增氧技术[5]。丹麦和德国等国都成功地设计和建造了使用液氧向养鱼池和生物过滤器增氧的养殖设备,大大提高了单位水面的鱼产量。美国和瑞典等国研制的压力振荡吸收系统制氧装置,可用于鱼类养殖场直接生产氧含量高达85%～95%的富氧[6]。增氧系统是锦鲤等鱼产品养殖机械化、标准化、规模化、现代化必备的增氧设备,可根据锦鲤养殖池的水量、养殖规格、养殖密度、池水深度需求,因地制宜的配套不同的增氧设备,用最低的成本实现最佳增氧效果。

在投饵方面,美国广泛使用的是气力输送的饵料分送器,瑞典、丹麦使用的是轨道运输投饵车[7]。气力投饵机利用高速空气流将饵料输送到养殖池进行抛撒,可根据投饵量、养殖池面积、养殖密度、饲料种类、饲料形状确定不同生长期饵料投喂量参数,实现定时、定量、定参数的自动投喂,可通过选择现场或远程操作,完成投喂设定、参数读取、历史数据获取以及存储等工作,实现无人值守的全自动投喂。投饵效率大大提高,减少养殖池饵料残留。

在水体过滤方面,国外常用的水体净化设备是水底打扫设备、机械过滤设备、加压过滤设备、微滤机、生物滤池、反硝化滤池等。目前较先进的是智能化履带式微滤机[8]。微滤机是分离水体中颗粒物的设备,可以有效去除水体中直径30 μm以上的悬浮颗粒,是一种高效分离循环水中颗粒物设备,采用一体式同步带滤网,同步性高、拉伸强度大、密封性好。具有自动水位监控、防跑偏导向、变频控制电机、节能节水型反冲洗装置、故障报警等功能,全程自动控制实现无人值守。

在水体杀菌方面,美国、日本、德国等国家广泛使用的是紫外线杀菌机。紫外线杀菌机是目前工厂化水产养殖应用较多的杀菌设备。采用过流方式对养殖池水体进行杀菌。通过石英套管的方式将灯管与水隔离,采用电压镇流,可靠性高,设备耐酸碱,耐腐蚀,寿命长。可根据水量、养殖密度确定杀菌机参数[9]。

1.2 国内研究现状

经过调研发现国内淡水产养殖设备主要以增氧、投饵机械为主。增氧设备有罗茨鼓风机增氧设备、叶轮式增氧机、涌浪式增氧机等。投饵机主要采用离心式、风送式、振动式饵料投送机械设备。其中风送式投饵技术是近几年开始应用的,已在天津海发、四川通威、正大水产、中科院海洋研究所、黄海水产研究所、福建省水产研究所等单位应用。调查发现北京市池塘养殖工艺模式基本没有应用水体过滤、水体杀菌机械装备。

2 北京市渔业现状

2.1 渔业养殖情况

水产养殖是北京市农业的重要产业之一,近年来渔业水域面积基本稳定在2 khm2。生产区域相对集中,重点分布在平谷区、怀柔区、通州区、密云区、顺义区和房山区6个区(表1)。

表1 2020年北京市重点渔业水产区基本情况Tab.1 Basic situation of key fishery and aquaculture areas in Beijing in 2020

从表1可以看出,养殖面积占全市的79.79%,其水产品产量合计占全市的比重达到74.90%。

2.2 渔业机械装备情况

在农机购置补贴等强农惠农政策扶持下,北京市水产养殖机械保有量大幅增长。全市水产养殖主要机械保有量达到12 967台(表2),其中增氧机9 899台,投饵机2 884台,鱼塘清淤机11台,其他机械173台。为水产养殖机械化发展提供了必要的农机装备支撑。

表2 2020年北京市水产养殖主要机械保有量情况Tab.2 Status of the main machinery of aquaculture in Beijing in 2020

3 北京市渔业机械化指标研究

北京市渔业机械化指标采用趋势外推法又称为趋势延伸法进行机械化水平测算。趋势外推法是根据预测变量的历史时间序列提示出的变动趋势外推将来,以确定预测值的一种预测方法。趋势外推法通常用于预测对象的发展规律是呈渐进式的变化,而不是跳跃式的变化,并且能够找到一个合适函数曲线反映预测对象变化趋势的情况。渔业机械化水平预测采用的是线性函数模型[10]。

3.1 渔业机械化总体水平研究

2013—2020年北京市水产养殖机械化水平在40%～45%之间,总体保持相对稳定(表3)。全市水产养殖机械化水平8年来最高的是在2020年,为45.21%,最低的是在2013年,为40.55%。

表3 2013—2020年渔业养殖机械化水平Tab.3 Mechanization level of fishery and aquaculture from 2013 to 2020

3.1.1 趋势分析

从图1可知,全市渔业养殖总体机械化水平呈上升趋势,2017年受小、散水产养殖场清退产业政策影响,养殖量减少,装备数量减少,机械化水平有小幅度波动。小、散水产养殖场投饲机械、水质调控机械、起捕机械、清淤机械配套不全面,使用机械化技术装备意识不强,机械装备更新意识谈薄,是造成总体机械化水平不高的因素之一[11]。

图1 渔业养殖机械化水平趋势图Fig.1 Run chart of aquaculture mechanization level

3.1.2 理论模型

为进一步研究渔业机械化水平与时间的关系,首先通过历史数据分析出总体机械化水平趋势理论模型,再通过理论模型(1)分别计算出机械化水平,实现对2025年和2035年机械化水平目标的预测。

渔业机械化总体水平计算方法如式(1)所示。

y=(0.484 9x-935.46)×100%

(1)

式中：x——时间要素。

3.1.3 渔业机械化水平指标预测

从表4可以看出,2022—2035年渔业养殖总体机械化水平为上升趋势,逐年稳步提高。其中：2025年为46.462 5%,2035年为51.311 5%,年均提高0.45个百分点。为渔业机械化水平提升,实现渔业机械化、自动化、标准化生产提供了稳定的基础。

表4 2022—2035年渔业机械化水平指标预测Tab.4 Prediction of fishery mechanization level indicators from 2022 to 2035

3.2 池塘养殖机械化水平影响分析

从池塘养殖工艺来看,池塘养殖机械主要以投饲机、叶轮式增氧机为主,池塘起捕采用多人协作拉网捕捞方式,在拉网过程中搅动了底泥和池水,起到了肥水和曝气的作用。清淤环节采用清淤泵、挖掘机、推土机等,但清淤频率不高。从表3可以看出,2013—2020年机械化水平最高的是2020年为44.28%,机械化水平最低的是2013年为39.54%。

3.2.1 趋势分析

从图2可知,池塘养殖机械化水平总体呈上升趋势,2017年受环保政策影响,开展小、散水产养殖场清退,养殖量、装备数量“双减”,导致投饲机械、水质调控机械、起捕机械、清淤机械装备数量减少,机械化水平有小幅度波动。

图2 池塘养殖机械化水平趋势图Fig.2 Run chart of mechanization level of pond aquaculture

3.2.2 理论模型

为进一步研究池塘养殖机械化水平与时间的关系,首先通过历史数据分析出池塘养殖机械化水平趋势理论模型,再通过理论模型(2)分别计算出机械化水平,实现对2025年和2035年机械化水平目标的预测。池塘养殖机械化水平y1计算方法如式(2)所示。

y1=(0.492 9x-952.61)×100%

(2)

3.2.3 渔业池塘养殖机械化水平指标预测

从表4可以看出,2022—2035年池塘养殖机械化水平为上升趋势,逐年稳步提高。其中：2025年为45.512 5%,2035年为50.441 5%,年均提高0.458个百分点。为池塘养殖机械化水平提升,实现池塘渔业机械化、自动化、标准化生产提供了稳定的基础保障。

3.3 工厂化养殖机械化水平影响分析

从工厂化养殖工艺来看,机械装备主要以投饲机、水质调控机械为主,水质调控机械有水体过滤机械、增氧泵、生物过滤池等,起捕机械有起捕网、吸鱼泵等,起捕网是目前最实用的捕捞方式,成本低、适应性强、操作简便。由于起捕频率不高,如采用吸鱼泵起捕,设备投入成本高,设备利用率低,维护不便,对操作人员技术水平要求高,养殖户购买意识不强,导致起捕机械化水平较低。从表3可以看出,2013—2020年工厂化养殖机械化水平最高的是2017年为67.77%,机械化水平最低的是2013年为61.92%[12]。

3.3.1 趋势分析

从图3可知,工厂化养殖机械化水平呈大幅度波动,但总体呈上升趋势,工厂化养殖投资大,门槛高,风险大,养殖工艺、机械、设施设备的实用性是支撑工厂化养殖长期发展的关键因素之一。起捕环节是机械化水平提升的短板,加强吸鱼泵机械化装备推广力度,同时研发新的实用型工厂化渔业养殖起捕专用机械装备,增加工厂化渔业养殖起捕机械装备需求。

图3 工厂化养殖机械化水平趋势图Fig.3 Run chart of mechanization level of industrialized breeding

3.3.2 理论模型

为进一步研究工厂化养殖机械化水平与时间的关系,首先通过历史数据分析出工厂化养殖机械化水平趋势理论模型,再通过理论模型(3)分别计算出机械化水平,实现对2025年和2035年机械化水平目标的预测。工厂化养殖机械化水平y2计算方法如式(3)所示。

y2=(0.343 3x-627.49)×100%

(3)

3.3.3 渔业工厂化养殖机械化水平指标预测

从表4可以看出,2022—2035年工厂化养殖机械化水平为上升趋势,逐年稳步提高。其中：2025年为67.692 5%,2035年为71.125 5%,年均提高0.319个百分点。为工厂化养殖机械化水平提升,实现工厂化养殖渔业机械化、自动化、标准化生产提供了稳定的基础保障。

3.4 不同养殖环节对机械化水平影响分析

从养殖环节来看,池塘和工厂化养殖工艺都涉及投饲、水质调控、起捕、清淤四个环节机械装备。投饲、水质调控环节机械装备使用普及率较高,专用性强,不能用其他相关机械代替,但起捕、清淤环节机械装备使用频率低,养殖户不愿意增加装备投入成本。池塘养殖采用拉网式集中起捕,每年1次,如采用吸鱼泵起捕能耗高,起捕效率低。清淤环节机械装备可用推土机、挖掘机等工程机械代替实现池塘清淤,效率高,清淤成本相当。

从表5可以看出,2013—2020年各环节机械化水平最高的是投饲环节机械化水平,为92.3%,最低的是起捕环节机械化水平,为1.2%。

表5 2013—2020年渔业养殖各环节机械化水平Tab.5 Mechanization level of various links in fishery breeding from 2013 to 2020

起捕、清淤环节机械化水平是渔业养殖机械化的短板,是影响渔业养殖机械化整体水平的两个重要环节。应结合内陆养殖实际、农民意愿示范推广经济适用的起捕、清淤机械。

3.4.1 趋势分析

从图4可知,投饲环节机械化水平呈大幅度波动,但总体呈上升趋势,2017年受环保政策影响清退大部分小散养殖场,而清退的养殖场中配备率、使用率最高的是投饲机,投饲机使用、维护简单,价格适中,投饲工作劳动强度大,频率高,养殖户用机械替代人工投饲的意愿较起捕、清淤环节更迫切。

图4 投饲环节机械化水平趋势图Fig.4 Run chart of mechanization level of feeding link

3.4.2 理论模型

为研究投饲环节机械化水平与时间的关系,通过历史数据分析出投饲环节机械化水平趋势理论模型,再通过理论模型(4)分别计算出机械化水平,实现对2025年和2035年机械化水平目标的预测。投饲环节机械化水平y3计算方法如式(4)所示。

y3=(0.648 3x-11 214.9)×100%

(4)

3.4.3 投饲环节机械化水平指标预测

从表6可以看出,2022—2035年投饲机械化水平为上升趋势,逐年稳步提高。其中：2025年为97.907 5%,2028年达到100%,年均提高0.29个百分点。为投饲机械化水平提升,实现投饲环节机械化、自动化、标准化提供了稳定的技术装备支撑。

表6 2022—2035年渔业养殖各环节机械化水平指标预测Tab.6 Forecast of fishery mechanization rate of each link from 2022 to 2035

3.5 水质调控环节机械化水平影响分析

3.5.1 趋势分析

从图5可知,水质调控环节机械化水平2013—2016年呈大幅度波动,2016—2017年呈稳定上升趋势,水质调控环节在池塘养殖工艺中普遍以叶轮式增氧机为主,还有水车式等其他形式的增氧机械。

图5 水质调控环节机械化水平趋势图Fig.5 Run chart of mechanization level of water quality control link

但在工厂化养殖工艺中以液化纯氧增氧为主,罗茨鼓风机增氧等其它增氧方式为补充。还配套有微滤机、紫外线杀菌机、生物滤池等进行配套使用,实现对水体的过滤、杀菌、增氧。

3.5.2 理论模型

为研究水质调控环节机械化水平与时间的关系,通过历史数据分析出水质调控环节机械化水平趋势理论模型,再通过理论模型(5)分别计算出机械化水平,实现对2025年和2035年机械化水平目标的预测。水质调控环节机械化水平y4计算方法如式(5)所示。

y4=(0.382 3x-694.79)×100%

(5)

3.5.3 水质调控环节机械化水平指标预测

从表6中可以看出,2022—2035年水质调控环节机械化水平为上升趋势,逐年稳步提高。其中：2025年为79.367 5%,2025年为81.279%,年均增幅为0.35个百分点。为水质调控机械化水率提升,实现水质调控环节机械化、自动化、资源化循环利用提供科技装备支撑。

3.6 起捕环节机械化水平影响分析

3.6.1 趋势分析

从图6可知,起捕环节机械化水平呈大幅度波动,2017年受环保政策影响,小散养殖场数量、产量双下降,小散养殖采用起捕机械少,意愿低,造成总体养殖产量计算基数下降。起捕环节是渔业养殖机械化水平提升短板,加强吸鱼泵等新型起捕机械装备推广力度,同时研发新的经济实用工厂化渔业养殖起捕专用机械装备,增加起捕环节机械装备配套率,从而提高起捕机械化水平。

图6 起捕环节机械化水平趋势图Fig.6 Run chart of mechanization level of catching link

3.6.2 理论模型

为研究起捕环节机械化水平与时间的关系,通过历史数据分析出起捕机械化水平趋势理论模型,再通过理论模型(6)分别计算出机械化水平,实现对2025年和2035年机械化水平目标的预测。起捕环节机械化水平y5计算方法如式(6)所示。

y5=(0.191 7x-385.3)×100%

(6)

3.6.3 起捕环节机械化水平指标预测

从表6可以看出,起捕环节机械化水平为上升趋势,逐年稳步提高。其中：2025年为2.892 5%,2035年为4.809 5%,年均提高0.18个百分点。为起捕环节机械化水率提升,实现起捕环节机械化、自动化提供技术装备支撑。

3.7 清淤环节机械化水平影响分析

3.7.1 趋势分析

从图7可知,清淤环节机械化水平2014年后呈稳定提高趋势,2014年后呈上升趋势,清淤环节工作基本采用干塘清淤,每年甚至几年清淤1次,且可用工程机械替代专用清淤机械,从而减少设备投入成本,解决清淤设备利用率的问题。清淤环节是机械化水平提升的短板,加强专用清淤机械化装备推广力度,同时研发新的实用型清淤专用机械装备,促进清淤机械装备转型升级。

图7 清淤环节机械化水平趋势图Fig.7 Run chart of mechanization level of dredging link

3.7.2 理论模型

为研究清淤环节机械化水平与时间的关系,通过历史数据分析出清淤环节机械化水平趋势理论模型,再通过理论模型(7)分别计算出机械化水平,实现对2025年和2035年机械化水平目标的预测。清淤环节机械化水平y6计算方法如式(7)所示。

y6=(0.317 6x-636.87)×100%

(7)

3.7.3 清淤环节机械化水平指标预测

从表6可以看出,2022—2035年清淤环节机械化水平为上升趋势,逐年稳步提高。其中：2025年为6.27%,2035年为9.446%,年均提高0.29个百分点。为清淤环节机械化水率提升,实现清说环节机械化、自动化提供稳定的技术装备保障。

3.8 不同养殖区域机械化水平影响分析

北京市渔业养殖面积2.2 khm2左右,其中商品渔业面积1 khm2,休闲渔业面积0.93 khm2各占北京市渔业总面积的50%。休闲渔业主要分布在通州区、顺义区、延庆区3个区达到0.57 khm2,占休闲渔业总面积的60%。商品渔业主要分布在平谷区、顺义区、房山区、通州区、延庆区5个区达到1.01 khm2占商品渔业总面积的95.1%。从表7分析应加强商品渔业机械化水平,休闲渔业以垂钓为主基本无机械化装备应用。

表7 2020年北京市各区渔业养殖面积分布情况Tab.7 Distribution of fishery culture area in Beijing in 2020

北京市2020年总体机械化水平为45.21%,达到50%以上的区有顺义、朝阳2个区,40%～50%之间的有平谷、通州、延庆、大兴4个区,30%～40%之间的有房山、怀柔、昌平3个区,30%以下的有密云1个区,总体水平为0的有海淀、丰台、门头沟3个区。工厂化水平为65%的有平谷、顺义、昌平3个区。

从表8可以看出,北京市渔业总体机械化水平不高,下一步应重点分区域进行补短板,(1)提升平谷、顺义、昌平3个区渔业工厂化养殖智能化水平;(2)提升平谷、通州、延庆、大兴、房山、怀柔、昌平、密云8个区渔业池塘养殖机械化水平,促进北京市数字渔业发展。

表8 2020年北京市各区渔业养殖机械化水平情况Tab.8 Mechanization level of aquaculture in each district of Beijing in 2020

4 北京市渔业机械化存在问题

4.1 渔业机械装备结构不合理

渔业机械中,增氧机占渔业机械总数的76%,投饵机占渔业机械总数的22%,清淤机占渔业机械总数的0.08%,起捕机占渔业机械总数的0%。投饲、增氧两个环节机械占到了总数的98%,机械化程度较高,而起捕、清淤环节机械化程度相对较低。

4.2 渔业机械自动化程度低

设备自动化程度低,占渔业机械比重较大的增氧机和投饵机虽然每年也有新增的增氧机和投饵机,但是自动化程度低。增氧机和投饵机的使用仍处于简单机械代替人力劳动的阶段,相对于传统的人工方式大大减轻了劳动强度,但是普遍需要人工定时开关,若有人工方面的延误,很容易出现浮头翻塘现象,造成大量损失。增氧机和投饵机械距离自动化、智能化还较远。智能监测设备目前只做到了测量温度及溶氧量,而且此设备由于价格昂贵又是辅助管理设备,因此只有少数用户应用,未得到广泛推广。

4.3 渔业养殖工艺落后

水产养殖方式有池塘养殖、工厂化养殖、网箱养殖、流水养殖等,目前主要采用以牺牲自然资源和物质消耗为主的传统池塘分散养殖方式,该方式养殖密度低,污染物不易清除,标准化、规模化程度低,机械化水平低,捕捞困难,增氧效果差,鱼品质差。

5 加快北京市渔业机械化发展建议

5.1 调结构、补短板,提升渔业机械化水平

通过农业机械购置补贴政策调动养殖户使用新设备的积极性,引导养殖户使用起捕机械和清淤机械,提高起捕机械、清淤机械在渔业机械中所占比重,补齐渔业机械化发展短板,使渔业机械实现同步发展,不断提升渔业机械化水平。

5.2 强研究、促自动,提升渔业现代化水平

鼓励农机生产企业和科研院所联合,开展新产品的创新研究,加强新型增氧机和投饵机调查研究,通过试验自动增氧机、自动投饵机,减轻工人劳动强度,提高设备增氧及时性,实现自动化。加强示范宣传,促进自动化运行技术的推广。加强起捕机械、清淤机械装备调查研究,促进渔业全程机械化,提升渔业现代化水平。

5.3 强融合、促发展,提升渔业安全水平

加强农业机械与水产养殖、渔政监督、技术推广、行业管理部门的深度融合,共同探讨养殖工艺,不断提高融合度,引导养殖户由传统池塘分散养殖向池塘集约化养殖转型。提高养殖密度,提高增氧效率,提高投饵准确性,共同推进养殖新工艺。减少饲料污染,实现排污机械化,减少鱼体病害发生,减少鱼药用量,促进渔业健康发展,提高渔业安全水平。