王 敏

(武漢工商學院,武漢 430065)

0 引言

目前,全球氣候變暖趨勢日益明顯,引發(fā)了各國廣泛關(guān)注。2021年,近200個國家達成《格拉斯哥氣候公約》協(xié)議,確定了建立全球碳市場框架的規(guī)則。在全球推進雙碳減排過程中,越來越多的研究學者達成共識,未來農(nóng)業(yè)會成為碳中和的主力軍。本文將ArcGIS和DEA模型結(jié)合起來,設(shè)計了一套針對農(nóng)業(yè)機械碳排放的分析系統(tǒng),旨在對農(nóng)業(yè)機械碳排放進行分析研究。

1 農(nóng)業(yè)機械化碳排放發(fā)展

農(nóng)業(yè)機械低碳化是指在全面實現(xiàn)節(jié)能化、低碳化設(shè)計、生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)上,研究出符合我國國情的新型農(nóng)機化發(fā)展體系,通過作業(yè)委托和農(nóng)機共享降低生產(chǎn)過程中的能源消耗和廢氣排放,實現(xiàn)農(nóng)機產(chǎn)出最大化;另外,也要求逐步對功能單一、效率低的農(nóng)機實施淘汰,實現(xiàn)農(nóng)機的低碳化目標。

播種施肥是規(guī)模化大田種植的重要環(huán)節(jié),實現(xiàn)播種施肥機的低碳化對綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。相比發(fā)達國家,我國播種施肥的農(nóng)業(yè)機械低碳化發(fā)展較晚;近年來,隨著綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展,我國播種施肥機機械化發(fā)展也有了顯著提高。

1.1 國外農(nóng)業(yè)機械低碳化發(fā)展

國外機械化發(fā)展從20世紀40年代開始,到目前為止,已經(jīng)形成了完整的播種施肥農(nóng)業(yè)機械體系。播種機械分為機械式和氣吸式兩種,國外主要使用后者。氣吸式播種機的核心部件是氣吸式排種器,其在作業(yè)過程中,高速負壓風機產(chǎn)生負壓,利用吸種盤旋轉(zhuǎn)將種子吸起來,再通過刮種盤將多余種子清理干凈,轉(zhuǎn)出到非真空室,通過重力排出種子。國外的播種機都向著大幅寬和可折疊方向發(fā)展,可以實現(xiàn)對不同種植模式進行智能播種,從而達到綠色低碳的目的。國外氣吸式播種機實物如圖1所示。

(a) 法國KUHN玉米播種機

(b) 德國MAZONE玉米播種機圖1 國外氣吸式播種機Fig.1 Air suction seeder abroad

1.2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械低碳化發(fā)展

中國是農(nóng)業(yè)大國,相比發(fā)達國家,機械播種技術(shù)起步較晚。20世紀50年代初,我國的農(nóng)業(yè)種植均采用人力和畜力,并沒有機械化工具,碳排放水平比較低。隨著改革開放基本國策的實施,我國開始逐漸引進國外先進技術(shù),機械化水平有了顯著提升。由于我國農(nóng)業(yè)機械基礎(chǔ)差,對所有農(nóng)作物的種植都采用稻麥通用的撒播與條播技術(shù),會出現(xiàn)種肥浪費嚴重和播種效果差等問題,導致碳排放居高不下。21世紀90年代初,農(nóng)民工紛紛進城務(wù)工,農(nóng)村農(nóng)業(yè)種植人口不足和人工成本等問題日益突出,極大地刺激了科研人員對各類作物播種、施肥和收割等專用農(nóng)機的研究。這類農(nóng)機由于結(jié)構(gòu)簡單、專用性強,成本大大降低,種植效率也有了明顯的提高,極大地減小了碳排放。我國多功能施肥播種機如圖2所示。

圖2 多功能施肥播種機Fig.2 Multi-functional fertilizer seeder

2 基于DEA的農(nóng)業(yè)機械化碳排放經(jīng)濟模型

為了實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械化碳排放的分析和研究,采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data envelopment analysis,DEA)建立經(jīng)濟模型對其碳排放進行分析。為了方便對整個研究地區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化碳排放分析,本文采用3階段SBM-DEA模型。

(1)

(2)

2)第二階段,構(gòu)建SFA(Stochastic frontier analysis)模型。該階段主要是對第一階段農(nóng)機研發(fā)投入、產(chǎn)出變量較大的設(shè)計方案變量,采用SFA模型對設(shè)計方案變量進行量化,進而在第三階段剔除這類誤差影響。SFA模型為

Sik=fi(zk;βi)+vik+μik

(3)

其中,i=1,2,3,…,m;k=1,2,3,…,n;Sik、ik和zk分別表示農(nóng)機研發(fā)投入松弛變量、第k個決策的第i個投入和第k個決策單元的設(shè)計方案變量;βi和fi(zk;βi)分別表示設(shè)計方案變量i的評估參數(shù)和設(shè)計方案變量i對農(nóng)機研發(fā)投入松弛變量Sik的影響;vik和μik分別表示隨機誤差和無效設(shè)計管理策略。

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3)第三階段,優(yōu)化SBM模型。經(jīng)過前面兩個計算的模型建立、對模型設(shè)計方案變量參數(shù)進行篩選,剔除設(shè)計方案因素與隨機誤差,將投入指標按設(shè)計方案變量回歸結(jié)果后重新進行調(diào)整;然后,對SBM-DEA模型進行效率測算,從而得到更加準確的效率評價,實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械低碳化的分析與研究。

3 基于ArcGIS的農(nóng)業(yè)機械碳排放分析系統(tǒng)

采用Visual C#.NET為環(huán)境平臺,基于ArcGIS軟件設(shè)計了一套針對農(nóng)業(yè)機械碳排放的分析系統(tǒng),主要對農(nóng)業(yè)機械低碳化目標進行分析與研究。

3.1 功能需求分析

系統(tǒng)的實現(xiàn)是在系統(tǒng)需求的分析之上,確定研究目的和需要解決的問題,從而實現(xiàn)對功能的整體分析和設(shè)計。基于ArcGIS的農(nóng)業(yè)機械碳排放分析系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于ArcGIS的農(nóng)業(yè)機械碳排放分析系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The functional structure diagram of agricultural machinery carbon emission analysis system based on ArcGIS

3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)該系統(tǒng)的需求和功能,設(shè)計了農(nóng)業(yè)機械碳排放分析系統(tǒng)的總體架構(gòu),如圖4所示。

圖4 農(nóng)業(yè)機械碳排放分析系統(tǒng)的總體架構(gòu)Fig.4 The general structure of carbon emission analysis system for agricultural machinery

由圖4可以看出:系統(tǒng)架構(gòu)主要包括基礎(chǔ)地理信息管理模塊、碳排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊、二維分析模塊和數(shù)據(jù)庫等。其中,數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ),為其他幾個模塊提供分析所需的數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

農(nóng)業(yè)機械碳排放分析系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計是在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上進行的,數(shù)據(jù)庫設(shè)計的完整性和合理性,直接對整個系統(tǒng)功能有著重要影響。由于碳排放數(shù)據(jù)都存放在數(shù)據(jù)庫中,給其它模塊使用,如對某個設(shè)計方案的數(shù)據(jù)以圖形或表格的方式進行直觀顯示,這些都需要連接到數(shù)據(jù)庫。因此,建立數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存放和管理,是整個系統(tǒng)重要的一部分。目前,流行的數(shù)據(jù)庫有很多,本文采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫建立農(nóng)業(yè)機械碳排放分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計框架圖Fig.5 The overall design framework of database

4 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

4.1 碳排放計算方法

農(nóng)業(yè)機械的燃料消耗量是基于碳平衡原理使用方程計算的,其計算方程為

(6)

其中,FC表示燃油消耗量;CWFF表示柴油中的碳含量,設(shè)定為0.866;ER表示瞬時質(zhì)量排放率;ρ(diesel)表示柴油燃料的密度,通常為0.848kg/L。

制動特定排放因子的計算方程為

(7)

其中,EFP表示農(nóng)業(yè)機械制動特定排放因子;i表示農(nóng)業(yè)機械排放的某種污染物;n表示給定運行條件的持續(xù)時間;b和e分別代表農(nóng)業(yè)機械的開始時間和結(jié)束時間;ER表示某種污染物在一定工況下的瞬時排放率。

總制動特定排放因子的計算方程為

(8)

其中,TEFP表示農(nóng)業(yè)機械的總制動特定排放因子;WF表示農(nóng)業(yè)機械不同作業(yè)模式下的權(quán)重因子;l、m和w分別代表農(nóng)業(yè)機械怠速、移動和工作模式。

基于作業(yè)場地面積的排放因子的計算方程為

(9)

其中,EFw表示農(nóng)業(yè)機械基于作業(yè)場地面積的排放因子;V表示農(nóng)機工作模式下的實際速度;W為拖拉機旋犁的寬度或聯(lián)合收割機的割臺寬度。

根據(jù)以上農(nóng)業(yè)機械作業(yè)過程中的碳排放計算方法和前文建立的DEA模型,便可以對農(nóng)業(yè)機械碳排放進行計算和分析。

4.2 結(jié)果分析

實驗過程中,采用以上計算方法和模型對全國約42 524khm2玉米農(nóng)作物分別采用小型普通收割機及大型聯(lián)合收割機收割的碳排量進行分析和研究,結(jié)果如表1所示。

表1 小型農(nóng)機和大型農(nóng)機碳排放對比結(jié)果Table 1 The carbon emission comparison results of small agricultural machinery and large agricultural machinery

由表1可以看出:若全面采用大型聯(lián)合收割機,其CO、HC和NOx相比小型普通收割機會減少44.27%、48.06%和61.25%。實驗對比結(jié)果表明:隨著農(nóng)業(yè)機械化程度不斷提高,農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力會不斷增強,會大大降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放量,從而促進了低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展,對環(huán)境具有一定的保護作用。

5 結(jié)論

采用Visual C#.NET環(huán)境平臺,基于ArcGIS軟件設(shè)計了一套針對農(nóng)業(yè)機械碳排放的分析系統(tǒng),并將其與DEA經(jīng)濟模型相結(jié)合,對農(nóng)業(yè)機械低碳化的目標進行分析與研究。實驗結(jié)果表明:隨著農(nóng)業(yè)機械化程度不斷提高,農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力會不斷增強,會大大降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放量,從而促進了低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展,對環(huán)境具有一定的保護作用。