基于經濟效益的農業新型經營主體小麥玉米全程機械化農機配備研究*

胥備，劉元義，于圣潔，張悅，宋心宇，唐小涵

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255000)

0 引言

小麥玉米是山東省的主要糧食作物[1]，2019年，我國小麥玉米作物耕種管收綜合機械化率分別為95%和88%。2019年，山東省小麥玉米的種植面積分別為4 060 khm2和3 930 khm2，年末農機總動力達到104 320 MW[2]。經調研發現，目前山東省內農機具配套低等一系列問題，導致機械效能并未充分發揮，造成農機動力和資金的浪費。在小麥玉米規模化生產背景下，研究其全程機械化下的高效合理農機配備、農機農藝的有效融合，構建基于山東省區域特色小麥玉米全程機械化的農機配備體系，是亟待解決的問題。

農機配備問題是農業生產機械化的衍生物，國外對農機優化配備的起步較早，Hughes等[3]用時間來約束作業成本建立了配備模型；Al-Soboh等[4]對菜豆的機械化作業進行建模；Haffar等[5]開發了存在較大局限性的軟件MSMC。在國內，從20世紀80年代起，朱永達[6]、戴有忠[7]、曹銳[8]、高煥文[9]、張清華[10]等開始使用各種方法,對農機配備問題進行研究。李鑫堯[11]對馬蘭熱農業開發區主要農業機械進行建模和求解，得到優化配備方案。張威[12]運用關聯矩陣法結合綜合系統評價法，對新疆兵團大中型功率拖拉機機型進行選型。潘志國等[13]對目前農機配備方法進行綜述。

基于上述分析，農機優化配備方面已取得一定研究成果，但在針對小麥玉米周年生產的農機配備研究較少。因此，優化山東旱作灌溉區小麥玉米全程機械化技術模式，有針對性開展農機配備研究，構建基于區域特色的農機配備體系，是加快推動小麥玉米全程機械化進程和其種植技術模式創新的重要思路和方法。

1 山東省小麥玉米全程機械化生產流程

根據山東省小麥玉米全程機械化特征，設計農機配備調研問卷表，并走訪了山東省淄博、青島、濰坊、泰安、德州、濱州等8市17縣(區)，獲得旱作灌溉區(泰安岱岳、淄博桓臺、淄博富群、淄博朱臺、濰坊綠野、東平禾豐、博山西河崖、青島平度西寨等)32個合作社小麥玉米全程機械化技術模式、農機配備等信息數據，進而分析山東省旱作灌溉區小麥玉米全程機械化技術模式優選、農業合作社的農機配備方案。表1為所調研的部分合作社試驗田位置坐標。通過模糊測評法與德爾菲法對調研所得到技術模式流程與農機具組合進行篩選，確定山東省小麥玉米生產全年機械化作業流程如表2所示。

表1 調研合作社或試驗田及其位置坐標Tab.1 Survey cooperatives or experimental plots and their location coordinates

表2 山東省部分小麥玉米生產全年機械化作業流程Tab.2 Annual mechanized operation process of some wheat and corn production in Shandong

2 構建農機配備模型

線性規劃法主要用于解決資源的配置和組合問題，可用來解決農業機械的最優配備以及機組間的最優組合問題。對于含有未知量和約束條件較多的問題，采用該方法將所有的約束條件和目標函數以線性不等式的方式表達出來，便可以從眾多的可行方案中選出一種最優的方案。

2.1 定義變量

根據表2對其中的拖拉機、農機數量與作業環節的臺班數進行定義。

其中X1～X4為各個拖拉機數量，X5～X23為各個農具數量，X24～X46為各環節機組臺班數。具體見表3。

表3 變量與變量含義表Tab.3 Variables and variable meaning table

2.2 目標函數

以農業機械的全年作業成本最小為目標建立函數即

Cmin=Y固+Y變

(1)

式中：Cmin——農機全年作業最小成本；

Y固——農機全年固定費用；

Y變——農機全年可變費用。

2.2.1 農機固定費用

農機的固定費用包括拖拉機的固定費用與農具固定費用。

(2)

ai=Ci×(β+η+θ)×60%

(3)

bj=(Cj-γ)/n

(4)

式中：Xi——i號拖拉機的配備數量，臺；

Xj——j號農具的配備數量，臺；

ai——i號拖拉機的固定費用，元/臺；

bj——j號農具的固定費用，元/臺；

Ci——i號拖拉機購買價格，元/臺；

β——拖拉機年折舊率；

η——平均資金占用利息；

θ——管理費；

Cj——j號農具購買價格，元/臺；

γ——農具殘值；

n——農具使用年限。

查閱資料得：β=11.0%，η=3.9%，θ=3.0%，通過式(3)計算可得各拖拉機的固定費用，如表4所示。

表4 拖拉機固定費用表Tab.4 Fixed cost of tractor

查閱資料得：γ=3.0%×Cj，通過式(4)計算可得各農具的固定費用，如表5所示。

表5 農具固定費用表Tab.5 Farm tools fixed cost table

2.2.2 農機可變費用

(5)

Cf=C燃+C修+C工資

(6)

式中：Cf——f號機組作業費用，元/hm2；

Wf——f號機組作業的生產率，hm2/臺；

Xf——f號機組進行作業的臺班數。

根據式(6)計算可得各種機組作業的可變費用，如表6所示。

表6 機組可變費用表Tab.6 Variable cost table for unit

2.3 約束方程

1)作業量約束

WfXf≥Af

(7)

式中：Af——f號機組作業面積，hm2。

2)拖拉機配備量約束

∑Xf≤TfMfXi

(8)

式中：Tf——f號機組中拖拉機的下地概率；

Mf——f號機組中拖拉機在此作業的最大作業班次。

3)農具配備量約束公式類同拖拉機配備公式。

4)變量非負約束

Xi≥0；Xj≥0；Xf≥0

(9)

3 農機配備模型的應用

對所調研的農業新型經營主體采取隨機抽樣，抽取為山東青島平度某專業合作社，其小麥玉米種植面積226.67 hm2，將種植面積代入得到

Cmin=Y固+Y變

=15.98×(0.11+0.039+0.03)×0.6X1+49×(0.11+0.039+0.03)×0.6X2+15.95×(0.11+0.039+0.03)×0.6X3+8.98×(0.11+0.039+0.03)×0.6X4+12/8×0.97X5+1.56/5×0.97X6+0.8/5×0.97X7+5.8/5×0.97X8+30/8×0.97X9+0.5/8×0.97X10+10/6×0.97X11+12/8×0.97X12+1.15/8×0.97X13+40/12×0.97X14+35/8×0.97X15+32/8×0.97X16+32/8×0.97X17+32/8×0.97X18+0.45/5×0.97X19+5.6/8×0.97X20+40/12×0.97X21+10.5/8×0.97X22+13/8×0.98X23+13.81×270X24+13.81×270X25+13.21×X26+13.21×X27+21.01×90X28+21.01×90X29+10.54×100X30+10.55×90X31+12.08×50X32+10.56×80X33+4.59×240X34+3.825×500X35+3.825×500X36+27.71×50X37+32.81×48X38+23.14×160X39+16.63×40X40+12.5×132X41+12.98×150X42+25.52×65X43+26.2×15X44+27.8×15X45+29.7×15X46

270X24+130X26≥A，270X25+130X27≥A，90X28≥A，90X29≥A，100X30+240X32+50X34≥A，90X31+80X33≥A，500X35≥A，500X36≥A，40X40≥A，50X37+48X38+160X39≥A，150X41+150X42+65X43≥A，15X44+15X45+15X46≥A，X24≤0.8×10×1.2X1，X25≤0.8×10×1.2X1，X34≤0.8×10×1.2X1，X26≤0.8×10×1.2X2，X27≤0.8×10×1.2X2，X28≤0.8×10×1.2X3，X29≤0.8×10×1.2X3，X30≤0.8×10×1.2X3，X31≤0.8×10×1.2X3，X32≤0.8×10×1.2X4，X33≤0.8×10×1.2X4，X24≤0.8×10×1.2X5，X25≤0.8×10×1.2X5，X34≤0.8×10×1.2X9，X26≤0.8×10×1.2X6，X27≤0.8×10×1.2X6，X28≤0.8×10×1.2X7，X29≤0.8×10×1.2X7，X30≤0.8×10×1.2X8，X31≤0.8×10×1.2X18，X32≤0.8×10×1.2X10，X33≤0.8×8×1.2X19，X34≤0.8×10×1.2X9，X35≤0.8×10×1×X11，X36≤0.8×10×1×X11X37≤0.8×10×1.2X12，X38≤0.8×10×1.2X13，X39≤0.8×10×1.2X14，X40≤0.8×10×2×X20，X41≤0.8×10×1.2X21，X42≤0.8×10×1.2X22，X43≤0.8×10×1.2X23，X44≤1×30×X15，X45≤1×30×X16，X46≤1×30×X17。

本模型是一個純線性規劃數學模型，求解可以使用LINGO編程來完成。運行后得出表7。

表7 模型計算結果Tab.7 Calculation results of various variables in the optimization model

將該合作社實際調研情況與模型計算結果進行比較分析得出表8與表9。

表8 實際配備與計算結果比較Tab.8 Comparison and analysis of actual equipment and calculation results

表9 實際配備與優化結果各項指標比較Tab.9 Comparison and analysis of actual equipment and optimization results

由計算結果得知除小麥播種機與噴灌機以外，其余農機均出現配置過度現象。優化后農機作業成本為1 386元，較實際配備下降10.9%；總動力優化配備結果2.3712 kW，下降51.36%；農機配套比提高50%。

4 結論

1)通過實地調研與理論驗證，利用模糊測評法和德爾菲法構建了山東省小麥玉米周年全程機械化生產流程并對生產環節的機具進行選型，建立了農機配備數學模型。

2)以平度市某小麥玉米種植合作社為例，利用模型進行計算，得到作業成本較實際情況下降10.9%；總動力為23.712 kW，下降51.36%；農機配套比提高50%。結果表明模型的合理性與科學性，研究結果可為山東省小麥玉米全程機械化技術模式，農機配備，農機農藝深度融合等方面提供技術參考。