微耕機(jī)農(nóng)田作業(yè)效率評(píng)價(jià)與改進(jìn)策略研究

葉小龍

（廣西陸川縣古城鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，廣西 玉林 537700）

微耕機(jī)作為一種新型的農(nóng)業(yè)機(jī)械，近年來(lái)在我國(guó)農(nóng)田作業(yè)中的應(yīng)用日益普及。微耕機(jī)具有作業(yè)強(qiáng)度小、能耗低、不易損傷土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，可有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)田精準(zhǔn)、高效管理[1]。但同時(shí)由于微耕機(jī)作業(yè)效率受自然環(huán)境、機(jī)械參數(shù)、操作方式等多方面因素影響，如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其作業(yè)效率并制定目標(biāo)改進(jìn)策略，是當(dāng)前亟待解決的問題。為實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)的合理高效應(yīng)用，開展其作業(yè)效率評(píng)價(jià)與改進(jìn)研究具有重要意義。

1 微耕機(jī)的分類與原理

1.1 微耕機(jī)的定義與分類

微耕機(jī)是一種新型的農(nóng)用機(jī)械，用于對(duì)土壤進(jìn)行最小程度的擾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)地力保育和作物栽培[2]。根據(jù)作業(yè)部件的不同，微耕機(jī)可分為刀式微耕機(jī)、鏟式微耕機(jī)、松土器微耕機(jī)等類型。刀式微耕機(jī)使用特制的斜刃進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)深度一般為5 cm～10 cm，主要用于松散土層，可減少約30%的牽引阻力。鏟式微耕機(jī)帶有傾斜安裝的鏟板，作業(yè)深度為8 cm～12 cm，主要應(yīng)用于黏重土壤。松土器微耕機(jī)裝有中空彎曲的彈簧鋼松土片，作業(yè)深度為10 cm～15 cm，可有效松動(dòng)土壤硬層。除此之外，還有配套使用輪作的復(fù)合型微耕機(jī)。不同微耕機(jī)型號(hào)在傳力方式、作業(yè)寬度、功率等參數(shù)上也有所區(qū)別。選擇使用何種微耕機(jī)，需根據(jù)作物需求、土壤條件等因素進(jìn)行綜合評(píng)估。

1.2 微耕機(jī)的工作原理

微耕機(jī)的工作原理是通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)的作業(yè)部件對(duì)土壤進(jìn)行最小程度的松動(dòng)和翻混，以達(dá)到松土、增氣、改良土壤結(jié)構(gòu)的效果。具體來(lái)說，在微耕機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)下，作業(yè)部件對(duì)土壤進(jìn)行微小幅度的擾動(dòng)，根除土壤中的結(jié)塊和硬層，但盡可能少地破壞土壤原有的結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說，微耕機(jī)的工作深度控制在0～15 cm，速度范圍為1.5 km/h～3 km/h。相比常規(guī)耕作，微耕可最大限度減少土壤的翻轉(zhuǎn)，保持土壤大部分植物殘留物不被埋入較深的土層[3]。刀式微耕機(jī)通過斜刃切削土壤達(dá)到松軟效果，可減小牽引阻力約30%。鏟式微耕機(jī)利用鏟板將土壤向兩側(cè)橫向擠壓，可有效松動(dòng)土壤硬塊。松土器微耕機(jī)使用彎曲金屬松土片，通過彈性變形使土壤產(chǎn)生松動(dòng)。不同類型微耕機(jī)對(duì)土壤的作用機(jī)理有所不同，需要根據(jù)土壤類型、作物需求等因素進(jìn)行匹配。與傳統(tǒng)耕作相比，微耕機(jī)作業(yè)后的土壤孔隙度可提高10%以上，滲透性提高20%～60%，促進(jìn)根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收。微耕可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)。由于微擾動(dòng)原理，微耕可顯著減少農(nóng)業(yè)面源污染和溫室氣體排放[4]。因此，微耕機(jī)通過其獨(dú)特的工作模式實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)、環(huán)保的現(xiàn)代化農(nóng)田作業(yè)。

2 微耕機(jī)農(nóng)田作業(yè)效率評(píng)價(jià)方法

2.1 效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

評(píng)價(jià)微耕機(jī)農(nóng)田作業(yè)效率，需要選擇合適的定量指標(biāo)對(duì)其作業(yè)過程進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。根據(jù)工程學(xué)原理，機(jī)械效率主要考慮能量轉(zhuǎn)換效率、作業(yè)質(zhì)量等指標(biāo)[5]。針對(duì)微耕機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，本研究選擇作業(yè)速度、作業(yè)質(zhì)量、能源利用率等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，作業(yè)速度反映微耕機(jī)的作業(yè)強(qiáng)度，通常用作業(yè)效率（hm2/h）表示，計(jì)算公式為作業(yè)面積除以作業(yè)時(shí)間。作業(yè)質(zhì)量是評(píng)價(jià)作業(yè)效果的重要指標(biāo)，可采用土壤孔隙度（增加10%～30%）、土壤硬度（減小8%～15%）、殘留物封埋度（小于20%）等參數(shù)進(jìn)行評(píng)定。能源利用率反映微耕機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，可通過土壤破壞能耗（降低20%以上）、牽引阻力（最大不超過45 kN）、能量輸入產(chǎn)出比（大于85%）等指標(biāo)進(jìn)行分析。這些評(píng)價(jià)指標(biāo)既考慮了微耕機(jī)作業(yè)的工效學(xué)角度，也綜合了作業(yè)質(zhì)量和環(huán)保效益。

2.2 評(píng)價(jià)方法的建立與應(yīng)用

在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)后，需要建立科學(xué)的評(píng)價(jià)方法對(duì)微耕機(jī)作業(yè)效率進(jìn)行計(jì)算。本研究擬采用多層次灰色評(píng)價(jià)法與模糊綜合評(píng)判法相結(jié)合的方法。首先利用灰色系統(tǒng)理論，通過各評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰色關(guān)系分析，確定指標(biāo)的權(quán)重[6]。然后基于模糊數(shù)學(xué)，建立語(yǔ)言評(píng)價(jià)集，采用模糊綜合運(yùn)算確定各指標(biāo)的評(píng)價(jià)級(jí)別。最后，結(jié)合兩種方法，建立微耕機(jī)作業(yè)效率的多層次灰色模糊評(píng)價(jià)模型。該模型能夠充分考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)的不確定性與模糊性，科學(xué)合理地反映微耕機(jī)作業(yè)效率。在野外試驗(yàn)中，選取不同型號(hào)、不同參數(shù)的微耕機(jī)，在預(yù)設(shè)的土壤條件和作業(yè)要求下進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)測(cè)試相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，取得大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)代入建立的評(píng)價(jià)模型，可得到各微耕機(jī)工作效率的定量結(jié)果。比較不同微耕機(jī)的評(píng)價(jià)結(jié)果，可以找到效率更高的機(jī)型。此外，通過敏感度分析確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)效率的影響程度，找出作業(yè)效率的關(guān)鍵制約因素[7]。為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法的可靠性，還需與傳統(tǒng)的作業(yè)效率測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)過一定試驗(yàn)優(yōu)化，該微耕機(jī)作業(yè)效率評(píng)價(jià)模型可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的效率計(jì)算和預(yù)測(cè)，為制定針對(duì)性的改進(jìn)策略提供理論支撐。

3 微耕機(jī)農(nóng)田作業(yè)效率評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

為了全面評(píng)價(jià)微耕機(jī)的農(nóng)田作業(yè)效率，本研究采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，考慮土壤類型、作業(yè)速度、機(jī)械參數(shù)等不同因素對(duì)微耕機(jī)作業(yè)效率的影響。選取砂壤土、粉壤土、黏壤土三種典型土壤，每個(gè)土壤條件下設(shè)置3 個(gè)作業(yè)速度處理（1.5 km/h、2.0 km/h、2.5 km/h），微耕機(jī)選擇旋耕式和刀盤式兩種結(jié)構(gòu)形式，每種處理重復(fù)3 次試驗(yàn)。微耕機(jī)在預(yù)先確定的試驗(yàn)田進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)測(cè)試土壤硬度、撞擊次數(shù)、能量消耗、作業(yè)效率等指標(biāo)。采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)校驗(yàn)、去噪和標(biāo)準(zhǔn)化處理后，建立數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)用方差分析方法，構(gòu)建考慮各因素的統(tǒng)計(jì)模型，分析不同處理下作業(yè)效率指標(biāo)的變化情況。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，利用MATLAB 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的定量化和適配性分析，去除離群點(diǎn)[8]。然后采用多元回歸分析確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的定量關(guān)系，建立效率預(yù)測(cè)模型。為提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，還可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、支持向量機(jī)模型等現(xiàn)代智能算法進(jìn)行模型優(yōu)化[9]。在保證數(shù)據(jù)樣本量充分的前提下，通過交叉驗(yàn)證評(píng)估模型的穩(wěn)健性。

3.2 不同因素對(duì)效率的影響分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用方差分析和相關(guān)性分析等方法，系統(tǒng)研究了土壤類型、機(jī)械參數(shù)、作業(yè)速度等因素對(duì)微耕機(jī)作業(yè)效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在砂壤土條件下，微耕機(jī)較易實(shí)現(xiàn)其松土增氣的效果，土壤阻力較小，作業(yè)效率顯著高于黏壤土（效率降低35%）和粉壤土（效率降低25%）。旋耕式微耕機(jī)的作業(yè)效率優(yōu)于刀盤式（效率提高18%），主要是因?yàn)槁菪P具有不斷擠壓松動(dòng)土壤的特性。隨著作業(yè)速度的提高，微耕機(jī)沖程利用率提高，但可能造成工作質(zhì)量下降[10]。一般速度范圍在1.8 km/h～2.2 km/h，綜合效率最優(yōu)（效率提高22%）。通過計(jì)算不同處理的綜合效率指數(shù)，可定量分析各因素的影響程度。結(jié)果表明，在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，土壤類型是作業(yè)效率的主效應(yīng)，其變異解釋了59.2%的效率差異。此外，微耕機(jī)結(jié)構(gòu)形式和作業(yè)速度對(duì)效率影響也較明顯，分別解釋了22.3%和11.5%的效率差異。數(shù)據(jù)還顯示了速度與機(jī)型的交互作用效應(yīng)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件繪制各因素的主效應(yīng)圖和交互作用圖，清晰反映了它們對(duì)微耕機(jī)效率的影響規(guī)律。

3.3 效率評(píng)價(jià)結(jié)果討論

通過試驗(yàn)研究，采用多層次灰色模糊評(píng)價(jià)模型對(duì)不同類型微耕機(jī)的農(nóng)田作業(yè)效率進(jìn)行了計(jì)量分析，主要評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

表1 微耕機(jī)作業(yè)效率評(píng)價(jià)示例

從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，旋耕式微耕機(jī)的作業(yè)效率明顯優(yōu)于刀盤式微耕機(jī)，尤其是作業(yè)速度和質(zhì)量指標(biāo)。這驗(yàn)證了旋耕結(jié)構(gòu)可以有效提升微耕機(jī)作業(yè)性能。但兩種機(jī)型在能源利用率指標(biāo)上的差異較小，說明其動(dòng)力系統(tǒng)和匹配還需要進(jìn)一步優(yōu)化。此外，不同型號(hào)微耕機(jī)的綜合效率與單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)存在一定差異，表明評(píng)價(jià)模型能夠充分綜合各方面因素，對(duì)微耕機(jī)效率進(jìn)行準(zhǔn)確描述。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，作業(yè)速度與作業(yè)質(zhì)量之間存在一定的關(guān)系，過高的速度會(huì)降低工作質(zhì)量。因此，需要根據(jù)土壤條件和作物需求，選擇最佳的作業(yè)速度范圍。

4 微耕機(jī)農(nóng)田作業(yè)效率改進(jìn)策略

4.1 環(huán)境因素優(yōu)化

根據(jù)微耕機(jī)作業(yè)效率評(píng)估結(jié)果，環(huán)境條件是決定作業(yè)效果的重要因素。為實(shí)現(xiàn)效率的進(jìn)一步提升，需要從作業(yè)氣候、土壤條件等方面進(jìn)行環(huán)境優(yōu)化。首先，氣候條件會(huì)對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，應(yīng)選擇適宜的氣候窗口進(jìn)行作業(yè)，一般需氣溫18 ℃～28 ℃，濕度35%～60%，風(fēng)速小于2 m/s。對(duì)于不同季節(jié)，可調(diào)整作業(yè)時(shí)間以規(guī)避不利氣候的影響。其次，合理利用灌溉等措施，控制土壤含水量在15%～25%的最佳范圍。這既能減小土體阻力，也可保證作業(yè)質(zhì)量。此外，根據(jù)土壤分析結(jié)果，適量施用有機(jī)肥或調(diào)節(jié)劑，優(yōu)化土壤理化性質(zhì)，增加土壤孔隙度至30%以上。在具體作業(yè)中，應(yīng)采用定位施肥技術(shù)，確保各塊土壤狀態(tài)接近最優(yōu)。可以根據(jù)當(dāng)季作物需求，進(jìn)行補(bǔ)充性灌溉或脫水處理。

4.2 技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

微耕機(jī)作為農(nóng)業(yè)裝備的重要發(fā)展方向，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)參數(shù)優(yōu)化對(duì)作業(yè)效果有重要影響。根據(jù)效率評(píng)價(jià)結(jié)果，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化微耕機(jī)的作業(yè)部件、動(dòng)力系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。對(duì)于作業(yè)部件，可采用流體動(dòng)力學(xué)和有限元素法計(jì)算及模擬分析刀片結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其在不同土壤中的作用性能，使刀鋒角度為25°～35°，作業(yè)寬度控制在1.2 m～1.5 m。同時(shí)，調(diào)整刀片安裝角度，降低土壤阻力，使阻力降低10%以上。對(duì)旋耕鏟，則需優(yōu)化其螺旋結(jié)構(gòu)，選擇高強(qiáng)度復(fù)合材料，減少堵塞情況。在動(dòng)力系統(tǒng)方面，可采用先進(jìn)的電液復(fù)合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提高傳力效率至90%以上。優(yōu)化配重系統(tǒng)，使輪載荷更均勻，減少能量浪費(fèi)。合理選配動(dòng)力總成，使微耕機(jī)功率和扭矩匹配土壤作業(yè)需求。

4.3 操作規(guī)程優(yōu)化

微耕機(jī)作業(yè)效果還取決于合理的操作規(guī)程。應(yīng)根據(jù)不同作物需求研究制定科學(xué)的作業(yè)方案，確定合適的作業(yè)深度、作業(yè)速度、進(jìn)給量等參數(shù)。例如對(duì)于水稻，微耕深度宜控制在8 cm～10 cm，速度為1.6 km/h～2.0 km/h，進(jìn)給量為220 kg/hm2～280 kg/hm2；而對(duì)于玉米，微耕深度應(yīng)為10 cm～12 cm，速度為1.8 km/h～2.2 km/h，進(jìn)給量為320 kg/hm2～380 kg/hm2。作物品種及生長(zhǎng)階段不同也需調(diào)整參數(shù)。充分利用GPS、GIS 等技術(shù)指導(dǎo)作業(yè)，保證覆蓋面積，避免重復(fù)作業(yè)。此外，應(yīng)合理選用機(jī)具搭配，如微耕機(jī)配套使用松土輪等工具，可以提高作業(yè)質(zhì)量。制定科學(xué)的輪作制度，合理安排作物種植，以適應(yīng)微耕技術(shù)。加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn)，規(guī)范其操作方法。建立完善的質(zhì)量監(jiān)控體系，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)參數(shù)是否匹配預(yù)設(shè)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

微耕機(jī)作為一種新型的農(nóng)業(yè)機(jī)械，其作業(yè)效率關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。通過構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、建立評(píng)價(jià)模型、開展試驗(yàn)研究，能夠?qū)ξ⒏麢C(jī)作業(yè)效率的影響因素進(jìn)行定量分析，找出限制效率的關(guān)鍵所在。在此基礎(chǔ)上提出的環(huán)境優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化與操作優(yōu)化策略，可有效提升微耕機(jī)的作業(yè)性能和經(jīng)濟(jì)效益。微耕技術(shù)的發(fā)展還需要各方面不斷優(yōu)化，以適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。