机械化的出路在于轨道行车系统

含 风 谷

农业机械化必须适应农艺要求,必须有利于培育土地肥力而不能破坏土壤结构,提高效率必须体现出降低粮食生产成本。种植业的实质是在提供必要的土地、水利、种子、肥料、动力和人力的条件下利用太阳能生产粮食的最佳手段。如果水、种、肥、动力和人力投入过高,推高了种植业的成本,则失去市场竞争优势,导致种植业萎缩将危及国家粮食安全。种植业降低成本是迫在眉睫的硬道理,必须从改变机械化的技术模式寻找出路。机械化技术模式的改变必须带来效率显著提高,成本大幅度降低,效益有突出增加,才能成为推动种植业集约化规模化的根本动力。

我国平均每亩田间动力是美国的6倍(罗锡文院士.2019.01.10)[1.7]小麦种植成本是美国的3.028倍。说明我们的农业机械化技术模式有问题,也说明机械化原本是可以大幅度降低成本的,本课题所提出轨道行车模式方案恰恰是符合机械逻辑的是可行的。

土地退化种植成本居高不下与机械化的困境有关

当前种植业的成本:据百度资料[9],平均每亩玉米、小麦两茬生产成本:机械成本,玉米200元小麦210元合计410元,化肥300元农药90元合计390元,玉米产出值900元加小麦1200元,合计2100元,不计人工和土地租金,上述机械、化肥农药二项成本合计为800元,就占产出的38%。另有资料显示(布瑞克农业数据)[6]2014年我国小麦种植成本每亩965.13元,其中人工占38%,化肥占15%,机械占13%。同比美国小麦每亩种植成本是318.71元。我国小麦种植成本是美国的3.028倍。

关注土壤:中国工程院专题研究报告显示[8]:我国耕地土壤质量在不断下降,土壤对我国农业的贡献率大约50%至60%,比40年前下降10%,比西方国家至少低10%至20%(据经济日报)。

关注化肥:2011年我国平均公顷化肥施用量434.3千克是国际公认安全施肥量的1.93倍。我国粮食产量占世界的16%,而化肥使用量占世界的31%(据百度文库,张金阳.2012.08.21)[8]。我国每年使用农药160万吨,有效率不到30%(林伟伦院士)[8]。过量施化肥和农药提高了种植成本也造成诸多负面问题。

再来关注农机,我国2016年耕地为20.24亿亩,农业机械保有量:大中型拖拉机645万台、联合收割机190万台、小型拖拉机1703.04万台、大型配套农具962万部(相当百公顷耕地分别达到大中型拖拉机4.78台、联合收割机1.40台、小型拖拉机12.62台、大型配套农具7.13部)。全国农机总动力9.7亿千瓦,我国田间平均亩动力0.41千瓦(每百公顷615千瓦).美国亩平均动力为0.06~0.07千瓦.我国田间平均亩动力是美国的5.8~6.8倍(罗锡文院士.2019.01.10)[1.7].2016年综合机械化水平65.2%的情况下每亩动力配备水平已经相当不低了,机械使用成本会很高。2016年农机化经营额达到5388亿元(罗锡文院士.2019.01.10)[1],当年机械化水平是65.2% 即13.15亿亩,相当每亩付出机械化成本409.7元,与前面百度资料的估算相当。

导致生产环节衔接和作业成本失控与机械化有关。土壤退化与耕作不当有关,化肥施肥量大也与机械施肥不给力有关。

二、现行机械化的根本性矛盾

1.现行的机械化能解决的基本是播种及播种前和收获及收获后,作物生长季的田间管理几乎束手无策。原来的田间管理基本依靠人工,劳动强度大极其辛苦及(喷药)作业有害健康。随着人工费用的提高,拖拉机因不适应行距和干涉碾压作物很难进地作业。如机械中耕、锄草、培土,不能及时疏松改良土壤和保墒,杂草丛生,只好大量使用除草剂;不能及时施肥、追肥,不得不采取前期“一炮轰”造成施肥量过高和流失严重,加大成本;发生病虫害,不能根据病虫害发生程度,发生高度,叶片下面等特点实施抵近少量喷药。只能通过高架喷雾机或无人机从空中喷雾制造一个2~3米厚有高浓度的农药雾霾层,必然加大了植保成本,也造成环境问题。灌溉对增产作用极大,由于受限于机械化的模式,目前不得不普遍采用沟灌或畦灌,浪费水资源。

2. 农机的特点是季节性强,作业量不均衡。大中型拖拉机动力过剩,前些年跑运输,这些年很少见了。联合收割机能力外溢,曾经时兴跨区作业,随着收割机的增加跨区作业怎么办(长途跋涉消耗的燃油费是要加在用户身上的)。作业量少,购置费折旧还要摊销,必然提高作业成本。发展到全程配套阶段,机械作业转弯掉头衔接行还要依靠农机手的操作技巧和耐心;水田喷药、补插秧苗;大型机械进地还会遇到沟渠、田埂需要人工开道等还不得不依靠人工。如果没有具体作业单元完整的机械化技术模式,要补齐全程机械化整体推进这个大“木桶”,须旷日持久,无尽无休。

3.农业机械运行的物理学矛盾:机械所需要的牵引力必须由拖拉机有足够的质量压在地面上从而产生附着力而获得。机械在农耕地的滚动阻力成倍增加,牵引效率下降,作业动力至少浪费50%以上[3.4.6.7.12]。机械对土壤压实造成土壤结构破坏和水土流失相当严重,有压实就要疏松,耕翻,疏松同时又在压实。这是一个目的与结果相互矛盾的恶性循环的物理过程,是无法回避无法克服的根本性矛盾[2.3]。耕作层变薄,耕作层下面的“犁底层”成为影响作物生长的障碍。国内外对“固定道”经过长期试验研究(中国农业大学李洪文教授等)[10.11.13],确定了机械压实对土壤的破坏作用。

4.从工业加工角度看,种植业是全球最大的以对土壤、作物“切削”为主的加工过程。既然是加工,必须有“基准”。机床、小到打印机都必须有导轨基准,农业有“基准”吗?“平面基准”——田地表面的不平度,平原地区耕地地表面高低差大体有几十厘米;“横向基准”——是依靠农机手的操作是不是熟练和精力集中来实现的,偏差和偏差的积累很大,也有几十厘米甚至更大。没有基准,产品的质量就难以提高,不能为作物个体提供均等一致的生长空间(即播种深度、行距株距的一致性),就不能获得理想的收获量。没有基准,使后续的重复性作业变得困难重重。没有基准,就不可能实现无人操作。

5.从农机与农艺的关系看[2.3],如行距,农机方面强调种植规格统一,否则机器无法适应不同的行距,特别玉米类作物“对行问题”几十年解决不了。农艺方面强调因地制宜,行距是因地力、土质、水肥条件而不同。垄作与平作之争也是这样。一旦哪一派出局,为他们服务的机械设备都停止生产,他们的种植经验增产措施都没用了。所以都不肯轻易让步。所谓的农机与农艺“融合发展”只能是一种说法。事实上现有机械化模式已经成为农艺改革和创新的障碍。

目前的以大中型拖拉机和联合收割机为主的机械化技术模式存在上述根本性矛盾是无法克服的,即便采用最先进的GPS定位自动驾驶技术或无人机也无法解决导致土地资源被破坏,配套缺项问题,种植成本也无法降下来。

三、轨道行车——上述诸矛盾迎刃而解

纵观世界主要行业的技术作业思路,轨道运输,一列火车机组可达600节几万吨,工厂车间最繁忙不可替代的是行车,海洋运输离开集装箱和集装箱装卸平台几乎是不可想像的。方案要点:轨道行车、进入作物行间、建立基准、免压、作业匹配衔接。即引入工业龙门铣(刨)床及平移式喷灌桁架、车间行车及城市吊挂轨道交通的概念,建设田间大跨度(30~50米)永久性轨道行车系统。

利用当代近百年成熟的机械加工思路,和使用现有成熟的农机具部件,即可以实现高水平的机械化。机组作业速度、地头停车、农具升降、转向、移行、横向移动到下一个作业跨度,都可以按程序自动完成。改变思路就有出路,根据简单的机械逻辑更不是天方夜谭,比起数控加工中心和集装箱装卸平台,仅仅是“小儿科”而已!

四、可以解决以下问题

彻底克服机械对土壤的碾压和破坏作用,培育土地资源,提高作物产量。耕整地采用耕翻犁或旋耕机与深松土部件结合。加深耕作层,打通“犁底层”,分层混合有机质腐殖质,形成各土层容重合理的土壤结构,改善耕作层水、气、热量调节能力和微生物环境,实现真正意义的“少耕免耕”从而提高作物产量。国内外的“固定道”的多年试验研究,均证明固定道免压实效果显著。轨道行车就是把拖拉机轮胎的行走的固定作业道加宽至到30~40米,免压的效果是相同的或只有更好。固定道在占地20%情况下,还能增产10.8%[11.12]。“粉垄耕作”也证明加深耕作层可增产10%~30%[14]。 行车系统和工作部件的重力、受力通过行车横梁作用在轨道上,通过轨道作用到承重墩及下面的硬土层。轨道驱动取代通过拖拉机大质量对土壤的附着力产生牵引力的物理机制,可以大幅度提高动力利用率,降低机器运行滚动阻力。拖拉机的牵引效率超不过47%[17],轨道机械牵引效率在90%以上[4、17]。土壤不压实,减小耕作阻力,节省能源40%[12]。节约拖拉机地头转弯时间,避免拖拉机水田陷车(福建.沈双庆)[5]。克服因轮压造成水稻田土质虚实不均,地表不平造成的漂秧现象。减少田边地头、田埂、田间小路,大幅提高土地利用率。

机械全面满足农艺要求,为农艺改进创新扫除障碍。避免了作物行距与拖拉机农具轮距、行距之间矛盾和与农艺之间的互相纠缠与制约。无论实行平作还是垄作,或实行传统的精耕细作、轮作、间作和密植,如东北的玉米大小行种植,华北地区的小麦提前套播玉米,或玉米间作(轮作)大豆,只需调整模块化部件及其行距就可以实现。想试就试,想改就改,无需与其他方面协调统一。轨道行车可以无障碍地完成田间所有配套作业环节。安装在横梁上的部件可以从“上面”深入到作物行间,因为有确定的行距,可以留出最小的护苗带,既可以实施中耕锄草或培土,代替药剂锄草,每一次中耕培土相当一次灌溉。植保喷头可以从作物根部至顶稍部全方位(许多病虫在叶片下面、作物根部)抵近病虫害部位精准少量微量施药。也能将排肥器进入行间实施追肥(或水肥)作业。甚至可以通过巡回行车的监视探头获得作物长势、病虫害疫情数据,及时发现,实时早治施药。可以实施超低速,抵近根部的微灌、雾灌、水肥灌,大幅度节约用水。喷药、喷灌均可大幅宽或几个跨度作业。

依据轨道建立平整的耕作地表基准,播种、插秧实现最好的直线性和深度、行距的一致性,成为后续各个环节机械作业基础。对不同作业的工作幅、牵引力、作业速度做公约数优化整合,现有作业部件模块化,无地轮、底盘、仿形轮,简化机架系统,简化复杂的传动系统,降低系统作业成本。轨道行车取代牵引作业的大、中、小型拖拉机、运输车。将现有成熟的旋耕机、平地铲、玉米摘穗台、收割割台等可直接安装在行车挂接架上,利用当代成熟的机械技术和程序控制即可以实现较高水平的机械化,作业质量只取决于程序设计和机具质量,与监控者无关,实现无职守全天候作业。

4.一步跨入电动化 不同于当前热门研发的电动汽车和电动拖拉机的概念。电动汽车和电动拖拉机速度范围大,要应对如爬坡、泥沼、低温、冰雪路等复杂的作业环境,对电动机要求高,开放式运行区域也存在充电之忧。轨道行车系统作业速度较低,负荷较均匀,轨道驱动作业环境好,作业服务集中便于充电。矿山电瓶轨道牵引车已经广泛应用。电力取代柴油将大幅度降低农机作业能源消耗成本,柴油消耗一般占机械作业支出50%[15],一个kWh相当消耗柴油0.25升,价2.0元,而一个kWh农用电价0.4元,是柴油的五分之一。降低作业成本的效果可想而知了。

5.地块内轨道组成纵横全覆盖运输系统,运输种子、水液固体肥料、收获谷物、秸秆等均可以由轨道行车挂载集装箱系统完成。利用能力强大的行车运到田头,定点落装在横轨小车架上,由横轨小车完成集中。避免了装卸衔接的别扭和麻烦。若干个作业单元连接起来形成四通八达的农田轨道运输网。农田运输特别是田地内运输的重要性不可忽视,运输量大,除谷物,秸秆的量是谷物的几倍,有机肥的运输量也很大。行车系统强大的轨道运输能力为解决农田运输提供了新途径。

6.通过轨道行车把农田设施、农艺、动力、机械、农机具、运输、操作等生产要素结合成为轨道行车作业系统。行车作业单元构成独立的运行实体,经营上变被动为自主裁量控制,自己的设备不用白不用,而避免与诸多服务商的讨价还价。设想,100~200公顷农田,在作业季节聘用3~4名技师半工作状态监控行车运行即可。达到和超过发达国家机械化水平是可能的。只需要充分依靠农艺技术公共信息平台指导,做好农艺计划和程序设计,争取最好的收获量和培育土地资源。在充分发挥行车系统功能的基础上大幅度降低化肥、农药使用量,创造种植业最低化肥、农药、动力和人力成本是有理由期待的。

五、农田基本建设的历史机遇

二十几年我国以“基建狂魔”让世界惊叹,为经济发展创造良好的环境条件。随着房地产过热和钢铁水泥产能过剩,恰是为下一个农田基本建设高潮提供了充分条件。农田基本建设对发展农业生产与修路造桥对发展经济的意义是同样的重要。

如果把农田轨道建设列入国家基本建设计划,种植业将彻底改观!

2019年9月