机械方式收获藏北野生牧草种子的节能减排效益研究

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　　摘  要：藏北野生牧草种子的机械化收获，可以极大地降低人工收获方式伴随的高耗能和重污染，这也是制约藏北野生牧草种子收获机械技术发展和推广应用的一个重要因素。本研究通过藏北野生牧草种子收获试验，找出了三种齿形21种的收获刀片对藏北典型野生牧草——针茅的最佳收获效率，并以此为基础进行能耗和污染物排放的计算，结果表明：与现有的人工收获方式相比，机械方式将收获效率提高到了30.4倍、能耗降低了94.82%、污染物质量排放降低了98.23%、污染物体积排放降低了99.64%，证明了机械方式收获藏北野生牧草种子的节能减排效益十分明显，为野生牧草种子收获技术的推广与示范提供技术依据。
　　关键词：野生牧草;机械收获;节能减排
　　中图分类号：S817.11         文献标志码：A         文章编号：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，藏北高寒区域的天然草地呈现持续退化趋势，草地生态状况不容乐观。[1][2]为此，西藏政府开展了大规模的天然草地建设与改良，从而对野生牧草种子的需求日益增加。野生牧草种子的机械化收获，是解决需求的一个良好途径。[3]但是目前，西藏地区的草业机械仍处于未起步阶段，虽然农业领域对机械的需求十分巨大，由于没有相应的技术和自主知识产权，完全依靠引进设备，成本高昂的同时，不适应西藏自身实际情况[4]。
　　为此，在西藏科技主管部门的支持下，科研人员陆续开始进行藏北野生牧草种子收获技术的研究与和野生牧草种子收获机械的研制工作：方江平、苗彦军、刘志林等人[5]研制出首个针对藏北野生牧草的种子收获机械样机，并将收获机械样机申请国家专利保护[6]，填补了西藏野生牧草种子收获技术的空白;刘志林[3]对适宜西藏野生牧草种子收获装置进行了初步研究，针对不同物理性状的野生牧草草穗，设计出了叶轮型和毛刷型两种草穗收获刀片方案;方江平、苗彦军、刘志林等人[7-11]通过进行藏北高寒天然草地类型调研，得出了8种典型藏北野生牧草在6种草地类型下的分布规律以及野生牧草种穗的物理特性，并以此为基础研制了三款适宜于藏北天然草地的野生牧草种子收获机械。通过藏北野生牧草种子收获的人机对比的收获效率试验、收获率试验、种子破损率试验，得出了种子收获机械的收获效率，验证了收获机械的机械性能和工作能力，形成了一套藏北野生牧草种子的机械收获技术。
　　然而，在上述已有的藏北野生牧草种子收获技术中，收获机械的收获参数单一，意味着藏北野生牧草种子机械收获的最佳效率仍未确定。鉴于此，本项目选取典型藏北野生牧草——针茅为收获对象，通过丰富刀具齿形及齿形参数，进行野生针茅种子收获试验，选取针对野生针茅种子机械收获的最佳参数，确定最佳收获效率。并以此为基础进行能耗和污染物排放的计算，初步挖掘机械方式收获藏北野生牧草种子的节能减排效益，为野生牧草种子收获技术的推广与示范提供技术依据。 　　2 藏北野生针茅种子收获试验与最佳收获效率的确定
　　2.1 试验设备
　　本次试验设备，采用西藏农牧学院自主研发的手持式野生牧草种穗收获器，收获刀具包括三角齿、梯形齿和双半圆弧齿等三种齿形，每种齿形设置3个参数，共计21种刀具方案，具体方案如表1、表2所示。
　　2.2 试验方案
　　本次野生针茅种子收获试验，是为了寻找不同齿形参数下，收获器对野生针茅种子的最佳收获效率，采用人机对比收获的方式，以机械收获种子的净重与人工收获种子的净重的比值来确定。考虑到藏北高原海拔普遍在4500米以上，对人的体能和精力提出了严峻的要求，在进行试验时，单次机械收获试验时间原则上控制在5min以内，特殊情况可以延长，但最多不超过10min。
　　在高海拔寒冷地区选取1块面积为20000m2的针茅草地（经纬度：N：31° 29.804' E：91° 3.989'，海拔：4604m），将上述刀具方案中的21种收获刀各制作2片，并分别对称安装在21台收获器的刀具安装轴上，安装轴转速设置为300r/min。收获试验共29人，其中操作种子收获器进行机械收获21人，人工收获5人，数据记录3人。为保证环境条件一致，机械收获和人工收获在样地中同时进行，每种收获刀具方案进行机械收获10个单次试验，单次试验2min，收获时间总计20min，操作结束后进行数据记录、称重和计算等工作，将收获的针茅种子净重取平均处理，最终得出不同收獲刀具对针茅种子的收获效率，并从中选出最佳收获效率。
　　2.3 试验数据与最佳收获效率
　　本次野生牧草种子收获试验，共收集到野生针茅种子213份，其中，机械收获210份（21种刀具分别收获10份），人工收获3份。将每种刀具收获的10份种子净重做平均处理，将3个人工收获的种子做平均处理，具体试验数据和收获效率如表3所示。
　　从表3可以看出，21种刀具的收获效率均达到了20个以上人工，最高效率达到30.4。同时三角齿和梯形齿的收获效率普遍高于双半圆弧齿。值得注意的是梯5型刀具，收获效率达到了30.4个人工，是本次收获试验的最佳收获效率。
　　3 节能减排经济效益分析
　　3.1 节能减排效益分析思路与对比关系的确定
　　3.1.1 节能减排效益分析思路
　　节能减排效益，是与现有的人工收获方式对比，思路如下：在一个针茅种子收获周期内，以机械收获和人工收获两种方式可以收获等量的针茅种子（以重量计算）为参照，分别计算一台野生牧草种子收获器和其对应的人工（数量）收获方式的能量消耗和污染物排放量，最终得出一个野生针茅种子收获周期内的节能减排量和节能减排效率。
　　3.1.2 收获周期的确定
　　藏北高原地区的针茅，7月上旬至7月下旬开花，8～9月结实， 10月中下旬枯黄。其种子成熟周期一月余。因此，其收获周期应在30天之上。因此，收获周期定于30天。
　　3.1.3 耗能设备的确定
　　（1）机械收获的能耗设备
　　由于藏北高原地区地形复杂，山路崎岖，因此，在进行野生牧草种子收获时，大功率汽车较为普遍，因此，车辆确定为七座丰田普拉多（型号3.5LTX，排量3456ml，油耗12.21L/hkm，七座，整车质量2285kg，排放标准国五，汽油），该车可以载人7人，除去司机，可以载人6人，每人携带一台收获器，共计6台机械（每台配置12V10A蓄电池两块，电机50W一个）。
　　（2）人工收获方式的耗能设备
　　野生针茅种子收获中，收获人员需用越野车进行运输，车辆确定为七座丰田普拉多，除去司机，每台车可以载人6人。
　　3.1.4 每台种子收获器对应人工数量关系的确定
　　根据藏北野生针茅种子收获试验结果，在收获针茅种子时，一台收获器的收获效率相当于30.4个人工，确定一台收获器需普拉多0.17辆，其对应的30.4个人工需普拉多5.07辆。
　　3.1.5 一个收获周期内汽车公里数的确定
　　根据野生牧草种子收获试验的经验，每台汽车每天的公里数一般在300～400公里之间，取为350公里/天，每个收获周期内，每台汽车公里数为350*30=10500公里。
　　3.2 节能效益分析
　　3.2.1 一个收获周期内的车辆油耗及能耗
　　丰田普拉多车型的耗油为12.21L/hkm，一个收获周期内的耗油为12.21*10500/100=1282.05升汽油。汽油的热值为4.66*107J/kg，密度是0.725kg/L，一个收获周期内每台车的耗油所产生的热值为1282.05L*0.725kg/L*4.66*107J/kg=4.33*1010J=1.2*104千瓦小时。
　　3.2.2 一个收获周期内的收获器电能消耗
　　每台收获器配置12V10A蓄电池2块，电机50W一个，通过牧草种子收获试验，该机械可以持续工作12小时，其储能量约为600瓦小时。
　　收获试验时，每天每人的纯体力劳动应不超过3小时，即收获器可以连续工作四天不充电。一个收获周期30天内，其充电次数为30/4=7.5次，其电能消耗约为600瓦小时*7.5=4500瓦小时=4.5千瓦小时。一般来讲，直流蓄电池的充电量是放电量的1.4～1.6倍，在此，取值为1.5，即一个收获周期内，收获器的耗能为4500瓦小时*1.5=6750瓦小时=6.75千瓦小时。
　　3.2.3 节能效益分析
　　根据每台种子收获器对应人工数量关系可知，每台收获器需要普拉多3.5LTX车型0.17台，在一个收获周期内，其耗能设备1台为收获器的耗能量和0.17台普拉多3.5LTX车的耗能量之和，即6.75千瓦小时+1.2*104千瓦小时*0.17=2046.75千瓦小时。 　　人工收获方式下，需要30.4人，应配备5.07台普拉多3.5LTX车，其能耗为1.2*104千瓦小时*5.07=60840千瓦小时。
　　在一个收获周期内，一台收获器的节能量为60840-2046.75=58793.25千瓦小时，节能率为58793.25/60840=96.64%。
　　3.3 减排效益分析
　　3.3.1 汽车污染物排放分析
　　根据环境保护部和国家质量监督检验检疫局联合颁布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）GB18352.5-2013》，直喷式发动机的主要污染物主要有CO（一氧化碳）、THC（总烃）、NMHC（碳氢化合物）、NOX（氮氧化合物）、PM（颗粒物）等，其排放限值如表4所示。
　　3.3.2 一个收获周期内的车辆的污染物排放计算
　　计算车辆污染物排放时，以其得到国家排放标准的限值为依据。丰田普拉多车型，其发动机为汽油发动机，属于点燃式，座位数为7座，超过6座，综合判断其为第二类车。
　　（1）一个收获周期内的污染物排放质量
　　一个收获周期内，污染物排放限值与污染物排放情况如表5所示。
　　（2）一个收获周期内的污染物排放体积
　　发动机（含汽油机和柴油机）是通过燃料的化学能转化为机械能，吸入空气并排除废气，一般认为，发动机排放出的废气均为污染气体。
　　丰田普拉多3.5LTX车型的发动机排量为3456ml，转速介于1000-4500转/分之间，在日常运行中，平均转速约为2500转/分左右。根據野生牧草种子收获试验的经验，车辆每天行驶350公里，平均时速为50公里/小时，即每天行驶7小时。其一个收获期内的废气排放总量为30天*7小时*60分钟*2500转/分钟*3456毫升/106=108864立方米。
　　3.3.3 减排效益分析
　　（1）污染物质量减排效益
　　减排效益：根据每台种子收获机械对应人工数量关系可知，每台收获器需要普拉多3.5LTX车型0.17台，在一个收获周期内，其污染物排放设备是0.17台普拉多3.5LTX车所排放的所有污染物质量之和（收获器采用的是电能，其污染物排放为零），即（23.835+0.168+1.134+0.861+0.047）*0.17=4.43千克。
　　人工收获方式下，需要30.4人，应配备5.07台普拉多3.5LTX车，其污染物排放为（23.835+0.168+1.134+0.861+0.047）*5.07=132.05千克。
　　在一个收获周期内，一台收获器的可以减少污染物排放132.05-4.43=127.62千克，减排率为127.62/132.05=96.65%。
　　（2）污染物体积减排效益
　　根据上述分析与计算，每台收获器需要0.17台普拉多3.5LTX车型，其污染物排放体积为108864立方米*0.17=18506立方米;人工收获方式下需要30.4个人工，应配备5.07台普拉多3.5LTX车，其污染物排放体积为108864立方米*5.07=551940立方米。每台收获器的污染物体积减排量为551940-18506=533434立方米，减排率为533434/551940=96.65%。
　　一个野生针茅种子收获周期内，每台种子收获器的节能减排情况如表6所示。
　　4 结论与讨论
　　（1）通过改变收获刀具齿形参数，对野生针茅进行种子收获试验，结果表明：收获效率均达到了20个以上人工，最高效率达到30.4，从而确定了本次收获试验的最佳收获效率。
　　（2）相对于人工收获方式，机械收获方式的节能减排效果极为明显：在一个野生针茅种子收获期内，每台手持式收获器可节能58793.25kW·h，节能率达96.64%;污染物质量排放减少127.62kg，减排率达96.65%;污染物体积排放减少533434m3，减排率达96.65%。
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