一年一熟地区玉米茬地耕整地机组综合效益评价

乔金友，孙 健，张雪珍，李文华，陈海涛

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2．黑龙江省农业科学院，哈尔滨 150086）

由于北方一年一熟地区玉米种植面积大，收获期较晚，玉米收获后整地时间较短，且玉米茬地秸秆处理困难[1]，无法及时完成耕整地环节则影响春季正常播种作业。综合评价合适玉米采收后茬地耕整地方式，为设备选型提供理论依据是亟待解决问题。国内关于耕整地机组评价文献较少，董晓威从技术和经济两个方面评价水田耕整地作业效果[2]；许益存等分析联合耕整地机技术经济指标，但未综合排序不同作业机组[3]；乔金友等分析水田耕整地机组技术经济指标，但部分指标为定性指标[4]；于海明等运用模糊综合评价法分别评价水田和旱田耕整地机组技术经济性[5-6]；李金刚等综合评价小麦播后耕作方式[7]；应文胜等采用综合测评法分析耕整机适应性[8]。但未见玉米茬地耕整地机组综合效益分析文献，其他作物耕整地机组评价文献中有部分指标为定性指标，个别文献采用定性方法确定指标权重，评价指标值获取及权重计算存在主观性。

本文结合一年一熟地区规模化玉米种植区机械化生产实际，设计包含定量指标评价体系，采用熵权法计算客观权重，运用Topsis法对玉米茬地耕整地涉及各作业环节采用典型作业机组综合效益评价，可为玉米规模化种植地区合理选择耕整地技术及作业机组提供科学依据。

1 玉米茬地耕整地机组技术经济评价流程设计

玉米茬地耕整地方式多，涉及作业项目数量及完成各项作业项目机组种类多，设计玉米茬地耕整地机组综合效益评价流程，可为评价和选择耕整地机组提供可靠依据，流程如图1所示。

首先，调研区域内玉米茬地耕整地现状，确定现有耕整地工艺过程，完成各项作业采用机组类型及基本参数；结合实际作业过程要求及评价目标，选用合适技术经济性指标，确定各指标计算方法及模型，计算各机组技术经济指标值；采用科学合理方法确定各指标权重，并综合评价耕整地作业各种机组技术经济指标，确定不同耕整地方式综合效益评价结果。

2 典型玉米茬地耕整地工艺及机组选择

2.1 玉米茬地耕整地工艺过程

为保证播种质量，农民经常采用焚烧方式处理秸秆。但焚烧秸秆会带来表层土壤含水量降低、硬度增高，土壤含碳率降低等弊端，为保护环境和耕地资源，国家明令严禁焚烧秸秆。同时，秸秆还田可改善土壤团粒结构、提高土壤肥力，提高作物产量。若采取有效耕整地措施既可将玉米秸秆粉碎还田，保证后茬作物播种质量，也是解决秸秆焚烧问题、提高秸秆资源利用有效方式[9]。

图1 耕整地机组技术经济性评价流程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：常规免耕播种、免耕覆秸播种、平翻整地和联合整地四种方式。

免耕处理方式具有良好保墒作用，可有效减少水土流失[10]、增加土壤水分[11]、改善土壤质量和提高作物产量[12]，利于农业可持续发展。但连续两年或更长时间免耕导致土壤板结，土壤容重增大，有机质减少，影响作物根系对养分和水分吸收[13]。由于常规免耕播种和免耕覆秸播种不需耕整地环节，本文不作深入讨论。

采用平翻耕整地方式可将地表玉米秸秆和残茬翻埋到耕层以下，实施耙地起垄等作业，保证耕整地作业质量且不影响后茬作物播种作业。

联合整地一次进地可完成土壤深松和耙地碎土两项作业。深松和耙地碎土结合有利于构建良好耕层状态，利用作物生长发育[14]。但联合整地作业不翻转土层，地表秸秆量较大时整地效果不理想，影响后茬播种作业，不宜采用。

采用宽幅铧式犁平翻整地可增加平翻深度，不但地表清洁，秸秆翻埋效果更好；在地表秸秆量较少情况下，采用联合整地机作业不破坏土壤结构，可为后茬作物播种提供较好种床条件。因此，中国北部一年一熟规模化玉米种植区广泛采用机械化平翻整地和联合整地方式作为玉米茬地耕整地技术。机械化作业工艺过程如图2所示。

图2 玉米茬地耕整地工艺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业时，运用灭茬机械将田间残留大量秸秆及地表根茬粉碎，采用铧式犁机组翻地作业，将秸秆翻埋于地下25～30 cm，有条件地区和生产单位可采用宽幅铧式犁，加大秸秆翻埋深度，防止后续作业地下秸秆翻出与浅层土壤混合；采用联合整地方式，第一项作业仍需将田间秸秆及残茬粉碎，采用联合整地机一次完成土壤深松、碎土、平整合墒等作业。平翻和联合

整地作业后需采用重耙机组将土壤耙平耙碎，起垄、镇压作业，完成全部耕整地作业工艺过程。

2.2 典型玉米茬地耕整地机组选择

结合图2耕整地工艺过程、玉米茬地耕整地作业质量要求，参考相关农机装备技术特点，选择JD1304、CASE2104和CASE3154三种动力机，配置相应型号作业机械完成两种典型耕整地方式相应作业项目。选择确定玉米茬地整地机组及相关参数如表1所示。

表1 耕整地机组相关参数Table 1 Related parameters of tillage machinery units

续表

3 建立耕整地机组综合效益评价指标计算模型

依据农业生产实际需求及农业机械作业特点，选择技术生产率、年最大作业量、土壤压实程度、土壤扰动量4个技术指标，选择年最大盈利值、盈亏平衡点作业量、净现值、动态投资回收期4个经济指标评价玉米茬地耕整地机组作综合效益。

3.1 建立技术性指标计算模型

技术性指标中技术生产率根据调研和实际测量确定，具体数值如表1所示。

3.1.1 机组年最大作业量计算模型

年最大作业量指在农业生产过程中，作业机组在年最大允许作业日数范围内，可完成总作业面积。计算模型如式（1）所示。

式中，Amax-最大作业面积（hm2）；E-技术生产率（hm2·h-1）；T-作业小时数（h·d-1）；Dmax-最大作业天数（d）。

3.1.2 机组土壤压实程度计算模型

农业机械行走装置碾压土壤，发生挤压和变形过程压实土壤。土壤压实，致土壤内部孔隙减少，土壤储存空气和水空间降低。采用动力机接地比压和动力机对土壤压实率[3]之积表示机组作业对土壤压实程度。其计算模型如下。

式中，Z1-动力机行走时对土壤压实率，Z2-动力机接地比压。两者相乘表示动力机行走时对土壤破坏程度。

其中，Z1和Z2计算模型分别如式（3）和式（4）所示。

式中，Mt-动力机重量（kg）；L-地块长度（m）；e-机组出线长度（m）；bf-动力机前轮轮胎接地宽度（m）；lf-动力机前轮轮胎接地长度（m）；bf-动力机前轮轮胎数量（个）；br-动力机后轮轮胎接地宽度（m）；lr-动力机后轮轮胎接地长度（m）；nr-动力机后轮轮胎数量（个）。

土壤压实程度z简化后计算模型如式（5）所示。

3.1.3 机组土壤扰动量计算模型

土壤扰动量是耕整地机组在作业过程中，作业机械工作部件扰动土壤体积。过分扰动加剧土壤水分散失，该指标反映作业机组对土壤蓄水保墒能力影响程度。

由于不同耕整地机组工作部件形状及作业原理差异，玉米茬地耕整地机组土壤扰动量计算模型可分为以下三种情况。

①平翻和耙地作业土壤扰动量

平翻和耙地机组在作业过程中对整个幅宽内土壤均有扰动，扰动量与其作业深度、作业幅宽、作业地块长度和宽度有关。耙地和平翻作业土壤扰动量计算模型如式（6）所示。

式中，Vr-土壤扰动量（m3）；hb-机器作业深度（m）。

②联合整地作业土壤扰动量

联合整地包括耙地和深松两道工序，均对土壤造成扰动。耙地作业造成土壤扰动量计算模型如式（6）所示，深松作业与耙地作业间未重叠土壤扰动量与深松产扰动土壤宽度、深松铲个数、深松工序深度与耙地工序深度之差，作业幅宽、作业地块长度和宽度有关。联合整地作业土壤扰动量计算模型如式（7）所示。

式中，ns-深松铲个数（个）；hs-深松机作业深度（m）；ds-深松铲宽度（m）。

③灭茬、起垄和镇压作业土壤扰动量

此三项作业造成土壤扰动截面均为梯形，耕整地机组土壤扰动量计算模型如式（8）所示。

式中，wu-扰动截面上底宽度（m）；wd-扰动截面下底宽度（m）；ht-扰动截面高度（m）；n-单行程作业行数。

3.2 经济性指标计算模型建立

3.2.1 机组年最大盈利值计算模型

机组年最大盈利值指完成年最大作业量时取得净收入值。最大盈利值所涉参数包括机组作业收费、变动成本和固定成本。调研可知变动成本包括油料费、维修费、机组人员工资等，固定成本主要组成部分是年折旧费。

机组年最大盈利值计算模型如式（9）所示。

式中，Rmax-年最大盈利值（万元）；P-作业收费（元·hm-2）；Cv-变动成本（元·hm-2）；Cd-折旧费用（万元）。

在一个生产单位中，每台动力机配置不同作业机械完成多项作业，因此该动力机完成某项作业折旧费为该动力机全年折旧费与作业标准作业量占动力机全年标准作业量比例之积；耕整地机组中作业机械一般只在该项工作中使用，其折旧费可直接按线性方法计算[15]。某耕整地机组折旧费等于按比例计算动力机折旧费与作业机折旧费之和。计算模型如式（10）所示。

式中，Pm-作业机械原值；RRVm-作业机残值率（%）；i=基准利率（%）；nm-作业机折旧年限（年）；Pt-作业机械原值；RRVt-动力机残值率（%）；nt-作业机折旧年限（年）；Qjb-第j个机组作业量（hm2）；Qkb-第j个机组完成第k项作业年作业量（hm2）；K-第j组动力机全年完成作业项目（项）。

3.2.2 机组动态投资回收期计算模型

投资回收期是指从作业机组投入使用开始，以作业机组年净收益收回机组原始投资所需年限。在考虑时间价值情况下，投资回收期计算模型如式（11）所示。

3.2.3 机组净现值计算模型

净现值指按基准折现率将机组寿命期内各年净现金流量折现到计算初期现值[16]。由于动力机和作业机使用寿命不同，以寿命期较短者（作业机）使用寿命为研究期，同时考虑寿命期较长（动力机）余值时间价值计算机组净现值，计算模型如式（12）所示。

式中，i0-基准折现率（%）；Rt-动力机残值（万元）；Rm-作业机残值（万元）。

3.2.4 机组盈亏平衡点作业量计算模型

盈亏平衡点作业量是指作业机组年收入和年成本相等时作业量。反映作业机组盈利能力，计算模型如式（13）所示。

式中，Abep-盈亏平衡点作业量（hm2）。

3.3 各作业项目评价指标计算结果

将表1中各机组基本参数和实际测量机组的作业参数代入评价指标计算模型，得到各耕整地作业机组评价指标计算结果如表2所示。

由表2可知，各作业机组年最大作业量、土壤扰动量、盈亏平衡点作业量等指标数值相差较大，数量级不一致，无法直接比较；同时，若以单一指标或单类指标作为评价机组技术经济性能依据，则排序结果不同。如在灭茬作业项目中，采用技术生产率、年最大作业量、土壤压实程度三项技术指标评价结果均为MC2机组好于MC1机组，但若采用年最大盈利值、净现值、投资回收期和盈亏平衡点作业量四项经济指标评价结果则为MC1机组好于MC2。因此，需采用有效方法将各指标数据作无量纲化处理，确定各指标权重，综合评价各耕整地作业机组性能。

表2 各耕整地机组评价指标计算结果Table 2 Calculated results of evaluation indeices for tillage machinery units

4 玉米茬地耕整地机组综合效益评价

4.1 基于熵权法评价指标权重计算

熵权法是客观赋权方法，即系统有序，信息熵越低；反之，信息熵越高[17]。评价所获信息是评价精度和可靠性决定因素之一，指标信息熵越小，提供信息量越大，在综合评价中作用越大，权重越高。对于m个方案、n个评价指标数据集，熵权法评价步骤如下：

首先，构造原始数据矩阵V=（vij）m×n，并用线性比例法对原始数据作无量纲化处理，建立无量纲化矩阵Y=（yij）m×n。其次，可计算第j个指标熵值hj，计算模型如式（14）所示。

最后，可计算各评价指标权重lj，计算模型如式（15）所示。

通过熵权法得到玉米茬地耕整地机组各评价指标熵值hj和权重lj如表3所示。

4.2 基于Topsis方法的玉米茬地耕整地机组综合效益评价

Topsis法是一种多目标决策方法，由Wang和Yoon于1981年首次提出[18]。Topsis原理是通过测度优先方案中最优方案和最劣方案，分别计算优先方案与最优方案和最劣方案距离，获得优先方案与最优方案接近程度“理想解”和最劣方案远离程度“负理想解”，若评价对象最靠近“理想解”同时又最远离“负理想解”，则为最佳；否则为最差。本文首先对上述无量纲化后矩阵Y=（yij）m×n构建加权决策矩阵 B=（bij）m×n。其次，确定评价对象正理想解Hj+与负理想解Hj-，计算模型分别如式（16）和（17）所示。

再次，计算各评价对象到正理想值欧氏距离d+和负理想值欧氏距离d-，计算模型分别如式（18）和（19）所示。

最后，计算各评价对象与最优方案贴进度S，计算模型如式（20）所示。

根据贴进度S排序评价对象优劣，各项作业评价参数及排序结果如表4所示。

由表4可知，①全部13种作业项目中，以CASE2104拖拉机作为动力机镇压机组完成镇压作业（ZY2）贴近度值最大，表明该机组综合效益评价效果最好，CASE3154拖拉机完成耙地作业（BD3）综合效益次之，JD1304拖拉机完成平翻作业（PF1）综合效益最差；②各机器系统作业项目中，以CASE2104和JD1304拖拉机为动力机两种机器系统，镇压作业机组综合效益评价效果最佳，以CASE3154拖拉机为动力机机器系统，耙地作业机组综合效益较好；③针对耕整地工艺各作业环节所涉及作业项目，灭茬作业以JD1304为动力机构成作业机组综合效果较佳，平翻、起垄、镇压三项作业以CASE2104拖拉机为动力机构成作业机组作业效果较佳，耙地和联合整地两项作业以CASE3154拖拉机为动力机构成作业机组作业效果较佳。

表3 评价指标熵值及权重Table 3 Entropy valueand weight of evaluation index

表4 耕整地机组综合效益排序结果Table 4 Evaluation comprehensive benefit ranking results of tillage machinery units

5 结 论

a.提出一年一熟地区玉米茬地耕整地机械化作业工艺过程，以JD1304、CASE2104和CASE3154三种功率拖拉机为动力机的13种玉米茬地耕整地机组为评价对象。

b.结合当前玉米茬地耕整地作业具体要求，确定玉米茬地耕整地机组技术经济指标及计算模型，采用熵权法确定各指标权重。

c.运用Topsis评价方法评价13种玉米茬地耕整地机组综合效益。从全部13种作业项目、各机器系统作业项目，耕整地工艺各作业环节所涉及作业项目三个角度分别分析玉米茬地耕整地机组综合效益评价效果，研究从不同视角为玉米茬地耕整地机组选型提供依据。