低碳化农业机械论文低碳化农业机械论文预读:摘要:1实现“三生”共赢是判别农业机械化系统是否圆满实现其功能的唯一准则农业机械化是工业化和城镇化的产物,伴随着人类文明的演进更替而逐步实现.在原始社会,自然生态状况良好,但是生产非常落后,人们以采集野果和简单的狩猎为生,生活水平十分低下.农业文明时期,自然生态已经开始遭受破坏,玛雅文化就是一个典型的案例.此时生产力依然落后,生活水平很低,阶级差异(农民和地主)也很大.工业文明时期,伴随着环境污染和生态破坏,生产增长比较快,马克思在《共产党宣言》里指出“物质财富的增长超过了历史任何一个时代”.此时总体生活水平快速提高,但是贫富分化非常严重.从人类历史演进规律看,能否实现“三生”共赢不仅是区分原始社会、农业文明、工业文明和生态文明的试金石,也是区分农业机械化系统是否圆满实现其功能的判别准则.只有到生态文明时期,才有可能做到“生态、生产、生活”“三生”共赢,一切涉及到农业机械化的行动以及相关的政策、技术等都要以是否符合“三生”共赢要求、是否有利于实现“三生”共赢作为判别准则.如何围绕发展高产、优质、高效、生态、安全农业,大力发展低碳农业机械化,即既要大力发展节种、节肥、节药、节水、节能和环保低碳的农业机械,又要大力提升农业机械的全程使用效率及综合效能,这是农业机械化发展方式转变的重要内容.将低碳农业机械化与保护性耕作等先进技术相结合,能有效地节本降耗增效,从而实现农业增效、粮食增产、农民增收.据测算,采用保护性耕作后一季作物可减少作业工序3～4道,省工15～45个/hm2,节省柴油约48kg/hm2,节水10%(300m3/hm2),节电4kW•h;秸秆还田减少化肥投入量20%左右(300kg/hm2),增产5%～15%,综合经济效益可达每公顷2400元左右,减少二氧化碳排放788．775kg.将低碳农业机械化与保护性耕作等技术有机结合,节本、降耗、增效成果将更为显著,不仅有利于促进“生产、生活、生态”“三生”共赢,更能为实现我国到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%的总目标做出重大贡献.
2低碳农业机械化与农业机械低碳化的内涵低碳农业机械化与农业机械低碳化的内涵主要包括两个方面:一是农业机械的“低碳化”.传统理念将农机装备水平(农机总动力)作为农机化水平的主要评价指标,认为一个国家或地区农机装备水平越高,其农业机械化发展得越好.事实上,农机装备水平高表明农机化发展过程中能源消耗大、污染排放大、资金投入多、使用成本高,不利于低碳农业机械化和低碳农业的实现.此外,单纯追求农机装备水平还可能导致农机具配置不当甚至闲置,使得资源不能合理的利用,造成财力、物力的浪费.事实上,早在2004年,我国农机装备水平已达到3．15kW/hm2,而此时的农机化程度仅为32．7%.照此推算,如果实现全面机械化,平均动力需要9．6kW/hm2;而户均耕地规模与耕作习惯均与我国相近,且已实现全面农业机械化的韩国,其农机装备水平仅为4．95kW/hm2.这不仅意味着我国农机装备水平过高,且说明农机具有效利用率低下.由于我国实行分田到户,一些农户家里各种小型农机具一应俱全.这种配备方式带来如下问题:一是购置成本高,有效使用率低;二是缺乏专业的维修和保养,机具不配套,损坏、浪费、油耗高的现象较为普遍;三是小型农机具功能单一,易产生重复耕作现象,不利于保护性耕作技术的推广.因此,应逐步改善农机具配套的合理性,以大中型、多功能、技术先进的农机具逐步替代微小型、功能单一、技术落后的农机具,逐步实现农业机械的“低碳化”.此外,在不断调整和优化农业机械配备结构的同时,还应大力探索农业机械化发展的新模式和新路径.针对我国国情,可通过大力建设农机社会化服务体系(如发展农机合作社和专业性的作业组织等),把农户的分散经营和农业机械化大生产有机结合起来,走农机资源共享、共同利用的中国特色农机化道路,这也恰好符合“低碳农业机械化”的深刻内涵.即低碳农业机械化是指农业机械在全面实现节约化、低碳化设计及制造、使用与更新废弃的基础上,探索符合国情的新型农机化发展模式与推广体系,通过农机作业委托、农机互助共享等方式来降低农业生产中的农机能源消耗和环境排放,力争用最低的农机总投入和装备水平获得最大的农机化产出效益.农业机械低碳化与低碳农业机械化的提出,旨在提倡农业机械化的发展不仅仅在于低能耗、低排放农业机械的研发与制造,更重要的还在于通过探索新时期农业机械化的发展模式与推广体系,以实现农业机械化资源在整体和局部、宏观和微观等层面的最优配置,提高农业机械的使用效率和综合效益,从而推进农业机械化又好又快的发展,尽快实现“生产、生活、生态”“三生”共赢目标.
3低碳农业机械化与农业机械低碳化的实现途径根据低碳农业机械化与农业机械低碳化的内涵,作者拟从农机全生命周期优化管理的视角提出低碳农业机械化与农业机械低碳化的实现途径.
1)实施全生命周期的农业机械生态设计与绿色制造.
农业机械全生命周期的生态设计与绿色制造,实际上是遵循农机全生命周期低碳化的理念进行农机产品的科技化创新,这完全符合农业机械低碳化与低碳农业机械化的内在要求,也符合科学发展观和建设低碳农业、低碳社会的宗旨.众所周知,农机制造业涉及机械、电子、化工等多个行业,在缺乏制度约束和问责机制的前提下,以利润最大化为第一诉求的农机厂家自然地以追求农机具本身的功能性和市场竞争力为主,无意甚至有意地忽略掉农机产品的节约化和低碳化,致使各厂商在将各类制造资源转变成为农机产品的过程中产生了大量的废弃物,严重污染了产地环境.生态设计与绿色制造是一种有效平衡环境影响和资源效率的现代制造模式,主要有两方面的内涵:一是减少资源消耗和环境污染,实现可持续发展战略;二是降低成本、减少潜在的责任风险,提高企业竞争力.世界一些知名农机企业(如JohnDeere公司)的实践已经证明:实施“3Ｒ”或“5Ｒ”原则是实施生态设计与绿色制造的有效途径.
2)实施农业机械的仿生设计与仿生制造.
吉林大学任露泉院士课题组多年的探索与研究认为:工程仿生是实现农业机械低碳化的有效技术和路径之一.研究发现土壤动物非光滑形态特征规律,建立生物非光滑脱附减阻理论,发明仿生非光滑脱附减阻设计方法、成型技术和测试技术,研制出系列仿生非光滑犁壁,形成针对水田与旱田(黄土和黑土)等不同土质和不同牵引机型的3种系列多个品种犁壁,脱附率约90%,与相同曲面形状的普通光滑犁壁相比,可降低阻力6．6%～12．7%,节油7．2%.量化分析典型土壤动物爪趾构型特征规律,揭示其切削土壤的高效节能机理,发明深松铲参数化设计方法,研制出仿生减阻深松铲.关于农业机械耕作部件仿生降阻问题,目前尚需解决的难题主要体现在两个方面:一是土壤洞穴动物降阻机理的深入认识;二是农业机械耕作部件仿生降阻机理的深入揭示.应集中在土壤洞穴动物的降阻机理和农业机械耕作部件的仿生降阻机理两个方面的系统深入研究,原始创新与多学科交叉融合为手段,宏观仿生降阻表面与土壤洞穴动物微观降阻机理相结合,实现农业机械耕作部件仿生降阻由“形似”向“神似”发展.
3)实施全面的农业机械化清洁生产.
农业机械化清洁生产,是通过农业机械的低碳化设计、制造与使用,将农机、农艺有机结合,通过耕作方式的变革和新型能源的开发利用,促进农业生产的安全、环保、高效、可持续,推动农村人居环境和农产品产地环境的整洁、舒适、可持续,进而实现整个农业、农村的清洁化生产和可持续发展.一般来说,实施农业机械化清洁生产需要控制好3个关键节点:一是能源、资源和有毒物质的减量化,实现源头控制.该环节要求农机设计中遵循低碳化理念,农机制造原材料采购中对所用原料的环保性进行整体控制,确保农机产品的绿色属性.二是推行清洁生产工艺,实现过程控制.在农机产品的生产过程中,要遵循严格的产地环境管理,通过不断优化、创新工艺来尽量减少各种有毒、有害废弃物的产生.三是对资源循环利用、废弃物的回收以及环境的有效治理,实现末端控制.对生产过程中不可避免产生的各类废弃物,要尽快、尽可能回收处理和循环利用,保证产地环境安全.
4)构建和完善农业机械化标准体系.
鉴于我国农机化标准体系始终不健全且实施效果不尽理想的现状,按照低碳农业机械化和农业机械低碳化的要求,需做如下调整:过去只注重农机设计的技术标准,而忽视农机社会化服务标准和管理标准,需要进一步完善全面标准化体系;过去只注重农机产品的功能、质量和作业标准,而忽视农机作业过程中的环境排放标准,应认识到低碳农业机械化是必然趋势,加强农机作业过程中的环境排放标准的研究和制定;过去只注重专业技术体系构建,而忽视交叉综合体系构建,必须从农业生产的资源(土地资源、水资源)和环境(水、土、气)要素综合考虑,构建基于“良田、良种、良肥、良水、良法、良管”六位一体的交叉技术标准化体系;过去只注重硬技术推广的“最后一公里”问题,而忽视“农机标准化体系”的最后一公里问题,如何将强制性标准和作业标准、安全标准推广到田间地头需要研究.
5)实施全程农业机械化的脱物质服务与绿色经营.
当前,我国农业适度规模经营尚处于起步阶段,且不宜快速推进.解决耕地细碎化与农业机械化矛盾的可行办法主要是大力建设农机服务体系,以农机合作和专业化服务来替代当前广泛存在的农民“自购自用”.政府要积极推进农业机械的脱物质服务与绿色经营,以新型农机服务体系建设来促进农业机械低碳化发展,树立“不求拥有,但求使用”的新型农机化服务理念.通过“PayPerUse”的农机作业社会化服务市场机制和农业机械化管理体制,不断完善主要农作物全程机械化的绿色经营与生态服务体系,走“政府扶持、市场引导、社会化服务、共同利用、提高效率”的具有中国特色的新型农机化道路.国内实践表明,通过农户购机自用向专业服务经营转变,农机动力配备有望降低30%～50%,这不仅有利于降低能耗,减少成本,且有助于提高农机资源的配置水平,提高农机化作业的标准化程度,进而促进农业机械化装备水平从数量增长向结构优化转变.
6)构建和完善基于信息技术的农机“4S”体系.
农机“4S”体系是集整机销售(Sale)、零配件(Spare－part)、售后服务(Service)、信息反馈(Survey)为一体的农机特许经营模式.对于这种新型的“一条龙”农机经营服务模式,物联网等信息技术的应用可以在农机产品的运输、销售、使用、回收等全生命周期环节实现定位追踪,进而提升农机销售商的库存管理水平,实现快速供货、适时补货,并可最大限度地减少储存成本,提高效率.农机4S体系的建立不仅可以大大提高农机供应商送货的可靠性和效率,还可大幅度提升其对农机用户的服务水平和效能,提高消费者的品牌忠诚度.事实上,当前我国大量分散在农户家里的农机不仅使用效率低,且维修保养也难以跟进.由于操作技术、油品质量等原因,造成农机具3大件的过早磨损,实际功率平均值只有额定功率值的85%左右,使用5年以上的拖拉机功率一般要降低10%以上.大量农机具运行状态不佳,缩短了农机具更新换代的周期,大大增加了农户的使用和维修成本.农机4S体系的建立,将有助于分布于广袤农村的大量农机具充分发挥其效能,进而实现低碳农业机械化与农业机械低碳化.
7)基于生命周期分析方法(LCA)建立全程农业机械化的碳排放测度体系.
大量农机具由于不合理使用且缺乏保养,能耗和碳排放增加在所难免.亟需制定农业机械碳排放标准及测度体系,加强农业机械技术状态监督检测尤其是碳排放的动态监测,及时淘汰或更新老旧的高能耗的机型,保证农业机械技术状态完好.从操作层面看,可针对作物生产全程农业机械化建立农业机械化生产的投入产出物质与能量数据库,运用基于生命周期的分析方法(LCA)并整合多种模型方法,测度主要作物生产全程农业机械化碳排放与碳足迹,探寻有机碳增加、损失途径,评估其增加、损失量,研究作物生产全程农业机械化碳足迹动态变化规律.同时,模拟主要作物生产全程农业机械化生产的温室气体排放水平,估算其对全球变暖的贡献,评估主要粮食作物生产全程农业机械化生产的碳足迹水平,研究提出低碳农业机械化和农业机械低碳化的技术选择和政策建议.
