機械方式收獲藏北野生牧草種子的節能減排效益研究

劉志林 謝文棟 衛魏 白軍 姜梅 旦久羅布

摘? 要：藏北野生牧草種子的機械化收獲，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械技術發展和推廣應用的一個重要因素。本研究通過藏北野生牧草種子收獲試驗，找出了三種齒形21種的收獲刀片對藏北典型野生牧草——針茅的最佳收獲效率，并以此為基礎進行能耗和污染物排放的計算，結果表明：與現有的人工收獲方式相比，機械方式將收獲效率提高到了30.4倍、能耗降低了94.82%、污染物質量排放降低了98.23%、污染物體積排放降低了99.64%，證明了機械方式收獲藏北野生牧草種子的節能減排效益十分明顯，為野生牧草種子收獲技術的推廣與示范提供技術依據。

關鍵詞：野生牧草;機械收獲;節能減排

中圖分類號：S817.11? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，藏北高寒區域的天然草地呈現持續退化趨勢，草地生態狀況不容樂觀。[1][2]為此，西藏政府開展了大規模的天然草地建設與改良，從而對野生牧草種子的需求日益增加。野生牧草種子的機械化收獲，是解決需求的一個良好途徑。[3]但是目前，西藏地區的草業機械仍處于未起步階段，雖然農業領域對機械的需求十分巨大，由于沒有相應的技術和自主知識產權，完全依靠引進設備，成本高昂的同時，不適應西藏自身實際情況[4]。

為此，在西藏科技主管部門的支持下，科研人員陸續開始進行藏北野生牧草種子收獲技術的研究與和野生牧草種子收獲機械的研制工作：方江平、苗彥軍、劉志林等人[5]研制出首個針對藏北野生牧草的種子收獲機械樣機，并將收獲機械樣機申請國家專利保護[6]，填補了西藏野生牧草種子收獲技術的空白;劉志林[3]對適宜西藏野生牧草種子收獲裝置進行了初步研究，針對不同物理性狀的野生牧草草穗，設計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]通過進行藏北高寒天然草地類型調研，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律以及野生牧草種穗的物理特性，并以此為基礎研制了三款適宜于藏北天然草地的野生牧草種子收獲機械。通過藏北野生牧草種子收獲的人機對比的收獲效率試驗、收獲率試驗、種子破損率試驗，得出了種子收獲機械的收獲效率，驗證了收獲機械的機械性能和工作能力，形成了一套藏北野生牧草種子的機械收獲技術。

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

2 藏北野生針茅種子收獲試驗與最佳收獲效率的確定

2.1 試驗設備

本次試驗設備，采用西藏農牧學院自主研發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，每種齒形設置3個參數，共計21種刀具方案，具體方案如表1、表2所示。

2.2 試驗方案

本次野生針茅種子收獲試驗，是為了尋找不同齒形參數下，收獲器對野生針茅種子的最佳收獲效率，采用人機對比收獲的方式，以機械收獲種子的凈重與人工收獲種子的凈重的比值來確定。考慮到藏北高原海拔普遍在4500米以上，對人的體能和精力提出了嚴峻的要求，在進行試驗時，單次機械收獲試驗時間原則上控制在5min以內，特殊情況可以延長，但最多不超過10min。

在高海拔寒冷地區選取1塊面積為20000m2的針茅草地（經緯度：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，并分別對稱安裝在21臺收獲器的刀具安裝軸上，安裝軸轉速設置為300r/min。收獲試驗共29人，其中操作種子收獲器進行機械收獲21人，人工收獲5人，數據記錄3人。為保證環境條件一致，機械收獲和人工收獲在樣地中同時進行，每種收獲刀具方案進行機械收獲10個單次試驗，單次試驗2min，收獲時間總計20min，操作結束后進行數據記錄、稱重和計算等工作，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針茅種子的收獲效率，并從中選出最佳收獲效率。

2.3 試驗數據與最佳收獲效率

本次野生牧草種子收獲試驗，共收集到野生針茅種子213份，其中，機械收獲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個人工收獲的種子做平均處理，具體試驗數據和收獲效率如表3所示。

從表3可以看出，21種刀具的收獲效率均達到了20個以上人工，最高效率達到30.4。同時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，收獲效率達到了30.4個人工，是本次收獲試驗的最佳收獲效率。

3 節能減排經濟效益分析

3.1 節能減排效益分析思路與對比關系的確定

3.1.1 節能減排效益分析思路

節能減排效益，是與現有的人工收獲方式對比，思路如下：在一個針茅種子收獲周期內，以機械收獲和人工收獲兩種方式可以收獲等量的針茅種子（以重量計算）為參照，分別計算一臺野生牧草種子收獲器和其對應的人工（數量）收獲方式的能量消耗和污染物排放量，最終得出一個野生針茅種子收獲周期內的節能減排量和節能減排效率。

3.1.2 收獲周期的確定

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

3.1.3 耗能設備的確定

（1）機械收獲的能耗設備

由于藏北高原地區地形復雜，山路崎嶇，因此，在進行野生牧草種子收獲時，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3.5LTX，排量3456ml，油耗12.21L/hkm，七座，整車質量2285kg，排放標準國五，汽油），該車可以載人7人，除去司機，可以載人6人，每人攜帶一臺收獲器，共計6臺機械（每臺配置12V10A蓄電池兩塊，電機50W一個）。

（2）人工收獲方式的耗能設備

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

3.1.4 每臺種子收獲器對應人工數量關系的確定

根據藏北野生針茅種子收獲試驗結果，在收獲針茅種子時，一臺收獲器的收獲效率相當于30.4個人工，確定一臺收獲器需普拉多0.17輛，其對應的30.4個人工需普拉多5.07輛。

3.1.5 一個收獲周期內汽車公里數的確定

根據野生牧草種子收獲試驗的經驗，每臺汽車每天的公里數一般在300～400公里之間，取為350公里/天，每個收獲周期內，每臺汽車公里數為350*30=10500公里。

3.2 節能效益分析

3.2.1 一個收獲周期內的車輛油耗及能耗

豐田普拉多車型的耗油為12.21L/hkm，一個收獲周期內的耗油為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，一個收獲周期內每臺車的耗油所產生的熱值為1282.05L*0.725kg/L*4.66*107J/kg=4.33*1010J=1.2*104千瓦小時。

3.2.2 一個收獲周期內的收獲器電能消耗

每臺收獲器配置12V10A蓄電池2塊，電機50W一個，通過牧草種子收獲試驗，該機械可以持續工作12小時，其儲能量約為600瓦小時。

收獲試驗時，每天每人的純體力勞動應不超過3小時，即收獲器可以連續工作四天不充電。一個收獲周期30天內，其充電次數為30/4=7.5次，其電能消耗約為600瓦小時*7.5=4500瓦小時=4.5千瓦小時。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，即一個收獲周期內，收獲器的耗能為4500瓦小時*1.5=6750瓦小時=6.75千瓦小時。

3.2.3 節能效益分析

根據每臺種子收獲器對應人工數量關系可知，每臺收獲器需要普拉多3.5LTX車型0.17臺，在一個收獲周期內，其耗能設備1臺為收獲器的耗能量和0.17臺普拉多3.5LTX車的耗能量之和，即6.75千瓦小時+1.2*104千瓦小時*0.17=2046.75千瓦小時。

人工收獲方式下，需要30.4人，應配備5.07臺普拉多3.5LTX車，其能耗為1.2*104千瓦小時*5.07=60840千瓦小時。

在一個收獲周期內，一臺收獲器的節能量為60840-2046.75=58793.25千瓦小時，節能率為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

根據環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫局聯合頒布的《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》，直噴式發動機的主要污染物主要有CO（一氧化碳）、THC（總烴）、NMHC（碳氫化合物）、NOX（氮氧化合物）、PM（顆粒物）等，其排放限值如表4所示。

3.3.2 一個收獲周期內的車輛的污染物排放計算

計算車輛污染物排放時，以其得到國家排放標準的限值為依據。豐田普拉多車型，其發動機為汽油發動機，屬于點燃式，座位數為7座，超過6座，綜合判斷其為第二類車。

（1）一個收獲周期內的污染物排放質量

一個收獲周期內，污染物排放限值與污染物排放情況如表5所示。

（2）一個收獲周期內的污染物排放體積

發動機（含汽油機和柴油機）是通過燃料的化學能轉化為機械能，吸入空氣并排除廢氣，一般認為，發動機排放出的廢氣均為污染氣體。

豐田普拉多3.5LTX車型的發動機排量為3456ml，轉速介于1000-4500轉/分之間，在日常運行中，平均轉速約為2500轉/分左右。根據野生牧草種子收獲試驗的經驗，車輛每天行駛350公里，平均時速為50公里/小時，即每天行駛7小時。其一個收獲期內的廢氣排放總量為30天*7小時*60分鐘*2500轉/分鐘*3456毫升/106=108864立方米。

3.3.3 減排效益分析

（1）污染物質量減排效益

減排效益：根據每臺種子收獲機械對應人工數量關系可知，每臺收獲器需要普拉多3.5LTX車型0.17臺，在一個收獲周期內，其污染物排放設備是0.17臺普拉多3.5LTX車所排放的所有污染物質量之和（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，應配備5.07臺普拉多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。

在一個收獲周期內，一臺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

根據上述分析與計算，每臺收獲器需要0.17臺普拉多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個人工，應配備5.07臺普拉多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%。

一個野生針茅種子收獲周期內，每臺種子收獲器的節能減排情況如表6所示。

4 結論與討論

（1）通過改變收獲刀具齒形參數，對野生針茅進行種子收獲試驗，結果表明：收獲效率均達到了20個以上人工，最高效率達到30.4，從而確定了本次收獲試驗的最佳收獲效率。

（2）相對于人工收獲方式，機械收獲方式的節能減排效果極為明顯：在一個野生針茅種子收獲期內，每臺手持式收獲器可節能58793.25kW·h，節能率達96.64%;污染物質量排放減少127.62kg，減排率達96.65%;污染物體積排放減少533434m3，減排率達96.65%。

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