基于Box-Behnken模型大蒜機播成本影響因素分析*

吳小偉，張璐，唐莉莉，韋家武，陸海莉，周忠誠

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站，南京市，210017； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳，南京市，210036)

0 引言

我國大蒜主產(chǎn)區(qū)包括山東、江蘇、河南等幾個省份[1-2]，2019年全國具備一定規(guī)模的大蒜產(chǎn)區(qū)將近70個，全國大蒜種植面積約800 khm2，其中江蘇省大蒜種植面積約146.7 khm2，是我國大蒜的主產(chǎn)區(qū)之一。專家學(xué)者主要圍繞大蒜栽培農(nóng)藝技術(shù)、播種機地輪、自動投種等方面開展大蒜機械化播種技術(shù)研究[3-6]。

張春嶺等[7]設(shè)計一種由電控播種裝置、播深調(diào)節(jié)裝置、參數(shù)檢測裝置和人機交互界面等組成的電液混合調(diào)控式大蒜播種機，可實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)功能，在同等條件下，較以汽油機為動力的大蒜播種機漏播率降低3.1%；金誠謙等通過探索芽尖方向?qū)Υ笏馍L的影響[8-11]，分析正芽機播與非正芽機播優(yōu)缺點；對大蒜播種機的性能分析主要圍繞取種機構(gòu)和排種器展開[12-18]，分析取種機構(gòu)及排種機構(gòu)的影響因素等，明確最佳工作參數(shù)。當(dāng)前，大蒜播種機取種裝置多為勺鏈?zhǔn)絒19]，播種時其漏播率較高，需人工進行補種，增加了蒜農(nóng)的勞動強度，針對該問題，通過在勺鏈?zhǔn)酱笏獠シN機添加漏播檢測和自動補種裝置，改進后的自動補種式大蒜播種機在機器前進速度為0.2 m/s條件下，實現(xiàn)平均漏播率3.08%，較未開啟補種系統(tǒng)可降低漏播率5.03%。通過對大蒜播種機機架輕量化設(shè)計[20]，可實現(xiàn)減重27.36%情況下滿足靜強度要求且隨機振動最大位移響應(yīng)降幅不大。另外，大蒜物料力學(xué)特性、蒜瓣分級效果對播種效果也存在影響[21-22]。通過采用大蒜自動定量稱重篩選，可解決現(xiàn)有蒜頭分選機存在分選質(zhì)量不高的問題[23]，提高蒜頭均勻性，為提高蒜種分瓣分選和機播質(zhì)量打下基礎(chǔ)。正芽播種機與非正芽播種機在播種成本上存在差異[24]。

當(dāng)前，大蒜播種主要依靠人工作業(yè)，勞動投入大，生產(chǎn)成本高，對于適時播種非常不利[25]。相對稻麥生產(chǎn)機械，大蒜播種機生產(chǎn)廠家少，機型也相對較少。由于購機價格、維修保養(yǎng)、配套動力等不同，導(dǎo)致不同類型播種機使用成本不同。另外，現(xiàn)有研究主要集中在農(nóng)藝技術(shù)和機具方面，對大蒜機械化播種成本影響還未見報道。本文通過選取常見的大蒜播種機，篩選對播種成本影響較大的單機價格、機械運行成本、播種效率、種植年限、種植面積為研究因素，建立播種成本回歸模型，分析在不同種植年限、面積條件下，對機械播種成本影響的主次因素，以期為大蒜機械化生產(chǎn)成本預(yù)測和選用機械化播種技術(shù)與裝備提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

大蒜播種機購置及運行成本對播種成本有影響，相同項目對不同類型播種機影響程度也不一致。正芽播種機購置價格較非正芽播種機高很多，且正芽播種機產(chǎn)出效果較非正芽也有積極作用。因此，選取市場上常見的中拖配套懸掛式正芽播種機和非正芽播種機兩種。根據(jù)調(diào)查和試驗，對影響播種成本的主要因素進行分析，確定的播種機價格、播種機效率、配套動力價格等主要參數(shù)如表1所示。

表1 大蒜播種機主要參數(shù)范圍Tab. 1 Parameter range of garlic planter

1.2 分析方法

為分析在不同種植年限、面積條件下，對機械播種成本影響的主次因素，選取對播種成本影響較大的單機價格、機械運行成本、播種效率、種植年限、種植面積為分析因素，播種成本為響應(yīng)指標(biāo)。機械運行成本包括配套拖拉機折舊費、機組人員工資、機具燃油費、機組日常維修費及其他輔助費用組成，機械運行成本為扣除播種機購置成本的運行費用。根據(jù)調(diào)查和試驗，確定的各因素取值范圍如下：機械運行成本335.3～668.3元/hm2，播種效率0.13～0.33 hm2/h，種植年限1～5年，種植面積1～100 hm2。依據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計理論模型進行設(shè)計，因素編碼如表2所示。

表2 播種成本影響因素編碼Tab. 2 Coding factors of seeding cost

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗計算結(jié)果

試驗設(shè)計方案與結(jié)果如表3所示，其中x1、x2、x3、x4、x5為各因素編碼值，y為播種成本響應(yīng)值。

表3 試驗設(shè)計方案及結(jié)果Tab. 3 Design and results

2.2 回歸模型及顯著性檢驗

對表3中的試驗結(jié)果，運用Design-Expert 12數(shù)據(jù)分析軟件進行多元回歸擬合分析，得到播種成本y的回歸方程

y=21.15+11.4x1+2.52x2-6.28x3+5.07x4+14.57x5+1.71×10-15x1x2-5.7x1x3-4.44×10-16x1x4+5.7x1x5+1.68x2x4+2.47x2x5+1.7×10-15x3x4-5.03x3x5+ 4.97x4x5

(1)

由表4分析可知，回歸方程F值為383.92，模型P<0.000 1，表明回歸模型極顯著。失擬項P值為0.86，表明回歸方程擬合度高。模型決定系數(shù)R2值為0.994 8，表明這個模型可以解釋99.48%以上的評價指標(biāo)，表明模型較優(yōu)可以用于結(jié)果預(yù)測。

目標(biāo)模型中有4個回歸項對結(jié)果影響不顯著(P>0.05)，其余各項影響顯著。剔除模型不顯著回歸項，對模型進行優(yōu)化，分析優(yōu)化后的模型，F(xiàn)值為593.33，P<0.000 1，模型決定系數(shù)R2值為0.994 8，失擬項P值為0.91，可知優(yōu)化模型可靠。優(yōu)化后模型預(yù)測值與試驗值關(guān)系如圖1所示，從圖中看出，播種成本預(yù)測值與實際值跟蹤效果較好。

y=21.15+11.4x1+2.52x2-6.28x3+5.07x4+14.57x5-5.7x1x3+5.7x1x5+1.68x2x4+2.47x2x5+4.97x4x5

(2)

在種植面積及種植年限最低，單機價格、機械運行成本和播種效率中等條件下，單位年限面積播種成本最高，為6.75萬元/hm2，在單機價格及機械運行成本最低，種植年限、播種效率和種植面積中等條件下，單位年限面積播種成本最低，為0.05萬元/hm2，得出種植面積較種植年限對機械播種成本影響更顯著。在所有播種組合中，單位年限面積成本小于1萬元/hm2的占84.78%，小于0.5萬元/hm2的占82.61%，小于0.2萬元/hm2的占67.39%。與調(diào)查人工播種成本0.68萬元/hm2相比，84.78%的機播方式優(yōu)于人工播種方式成本。

表4 回歸模型方差分析Tab. 4 Variance analysis of regression models

圖1 播種成本預(yù)測值與實際值關(guān)系Fig. 1 Relationship between predicted value and actual value

根據(jù)王后新[26]研究結(jié)果，回歸項F值與貢獻率存在如下關(guān)系，見式(3)、式(4)，貢獻率K值越大，各單因素對模型y的影響越大，種植面積是影響播種成本最大因素，機械運行成本是影響播種成本的最小因素，但單機價格、機械運行成本、種植年限三項對播種成本的影響差異不顯著，各因素對播種成本的影響呈現(xiàn)如下關(guān)系：種植面積>播種效率>單機價格>種植年限>機械運行成本，分析結(jié)果如表5所示。因此，在大蒜播種機購置時，應(yīng)選擇價位合適、播種效率高、故障率低、作業(yè)質(zhì)量好的品牌。

(3)

i,j=1,2,3,4,5i≠j

(4)

式中：F——回歸方程中各回歸項的F值；

δ——回歸項對F值的考核值；

Kxj——各因素貢獻率。

表5 各因素貢獻率分析Tab. 5 Analysis on contribution rate on each factor

2.3 各因素對播種成本的影響

固定其余因素水平為零，分析另外2個因素的相互作用對播種成本的影響，其響應(yīng)面如圖2所示。圖2(a)為機械運行成本、單機價格、播種效率處于中心水平時，種植面積及種植年限交互作用對播種成本的影響，隨種植面積、種植年限的增加，播種成本均逐漸增加，但種植面積對成本的影響更顯著。圖2(b)為種植年限、播種效率、單機價格處于中心水平時，機械運行成本及種植面積交互作用對播種成本的影響。隨種植面積、機械運行成本的增加，播種成本均逐漸增加，同樣，種植面積從1 hm2增加到100 hm2，播種成本從6.8萬元增加到30.2萬元，種植面積較對機械運行成本對播種成本的影響更顯著。圖2(c)為種植面積、播種效率、單機價格處于中心水平時，機械運行成本及種植年限交互作用對播種成本的影響，隨機械運行成本及種植年限的增加，播種成本均逐漸增加，但影響差異不顯著。圖2(d)為機械運行成本、播種效率、種植年限處于中心水平時，種植面積及單機價格交互作用對播種成本的影響，單機價格從1萬元/臺增加到12.4萬元/臺，播種成本從1.2萬元增加到12.6萬元，種植面積從1 hm2增加到100 hm2，播種成本從1.2萬元增加到18.1萬元，隨種植面積及單機價格的增加，播種成本逐漸增加，兩者對播種成本影響均顯著。圖2(e)為種植面積、機械運行成本、種植年限處于中心水平時，播種效率及單機價格交互作用對播種成本的影響，單機價格固定時，隨播種效率從0.13 hm2/h增加到0.33 hm2/h，播種成本從10.6萬元降低到8.6萬元，單機價格從1萬元/臺增加到12.4萬元/臺，播種成本從10.6萬元增加到44.8萬元，單機價格較效率影響播種成本顯著。圖2(f)為單機價格、機械運行成本、種植年限處于中心水平時，播種效率及種植面積交互作用對播種成本的影響，種植面積從1 hm2增加到100 hm2，播種成本從6.9萬元增加到48.6萬元，種植面積較播種效率影響播種成本顯著。從響應(yīng)面分析看，各因素對播種成本影響結(jié)果與貢獻率分析一致。

圖2 各因素對播種成本的影響

Fig. 2 Effects of all factors on sowing cost

3 結(jié)論

1) 通過篩選對播種成本影響較大的單機價格、機械運行成本、播種效率、種植年限、種植面積為研究因素，開展多元回歸擬合分析，建立播種成本回歸方程并進行優(yōu)化，優(yōu)化后的模型F值為593.33，P<0.000 1，模型決定系數(shù)R2值為0.994 8，失擬項P值為0.91，可知優(yōu)化模型可靠。

2) 從單位年限面積播種成本看，種植面積較種植年限對機播成本影響更顯著，與調(diào)查人工播種成本相比，84.78%的機播方式優(yōu)于人工播種方式成本。種植面積是影響播種成本最大因素，機械運行成本是影響播種成本的最小因素，各因素對播種成本的影響呈現(xiàn)如下關(guān)系：種植面積>播種效率>單機價格>種植年限>機械運行成本，在大蒜播種機購置時，建議選擇價位適中、播種效率高、故障率低、作業(yè)質(zhì)量好的品牌。

3) 本研究是基于單機價格、機械運行成本、播種效率、種植年限、種植面積為分析因素，還需進一步對不同類型播種機產(chǎn)出蒜頭規(guī)格、不同規(guī)格蒜頭價格、機具故障率等因素分析，以構(gòu)建更加細致的機械播種成本影響因素排序。