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      農(nóng)業(yè)機(jī)械對環(huán)境的影響

      2014-09-23 03:48:20龐書軍
      時(shí)代農(nóng)機(jī) 2014年11期
      關(guān)鍵詞:拖拉機(jī)農(nóng)業(yè)機(jī)械壓實(shí)

      龐書軍

      (北海精彩貿(mào)易有限責(zé)任公司,廣西 北海536000)

      我國是農(nóng)業(yè)大國,對農(nóng)業(yè)機(jī)械的依賴程度較高,常見農(nóng)機(jī)設(shè)備基本上呈現(xiàn)出“高消耗、低效率”的工作狀態(tài)。農(nóng)業(yè)機(jī)械市場上的產(chǎn)品存在著機(jī)械功率低、技術(shù)含量低、機(jī)械耗油量大等弊端,這與先進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的環(huán)保、節(jié)能、高效的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。農(nóng)機(jī)設(shè)備零、部件切削加工中冷卻液和熱處理中有害氣體、液體的排放;內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中煙塵和各種有害廢氣的排放;液壓油、潤滑油等由于各種原因?qū)е碌男孤瑵B入地表和土壤,以及各種固體廢棄物的隨意丟棄、掩埋和焚燒,都將對空氣、土壤和水—人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染。伴隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的不斷加快,農(nóng)業(yè)機(jī)械的保有量和總功率已經(jīng)越來越大,隨之引起的能源和環(huán)境問題,已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

      1 農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

      農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。20世紀(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化對世界各國的農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起了重大作用,2000年美國工程技術(shù)界評出了20世紀(jì)對人類社會生活影響最大的20項(xiàng)工程技術(shù)成就,其中第7項(xiàng)就是農(nóng)業(yè)機(jī)械化。我國“十一五”和“十二五”規(guī)劃中均提出了環(huán)境保護(hù)目標(biāo),農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式也正發(fā)生著重大變化?!笆濉币?guī)劃要求“健全節(jié)能減排法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)化節(jié)能減排目標(biāo)責(zé)任考核,把資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)貫穿于生產(chǎn)、流通、消費(fèi)、建設(shè)各領(lǐng)域各環(huán)節(jié),提升可持續(xù)發(fā)展能力”。如袁馳等闡述了農(nóng)業(yè)機(jī)械綠色設(shè)計(jì)的概念分析了綠色設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械可持續(xù)發(fā)展、提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品競爭力、保護(hù)環(huán)境和振興農(nóng)機(jī)行業(yè)等方面的重大意義采用綠色設(shè)計(jì)后可使構(gòu)成農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的零部件能夠方便地分類回收并再生循環(huán)或重新使用,使農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中能耗最小,減輕甚至消除農(nóng)機(jī)產(chǎn)品生命周期末端的壓力,使廢棄物、垃圾污染程度降到最低。

      2 農(nóng)業(yè)機(jī)械與生態(tài)環(huán)境

      我國僅“3大類”農(nóng)機(jī)的保有量已達(dá)4000萬臺,幾乎是汽車保有量的2倍。國家對汽車的排放已有非常嚴(yán)格的法規(guī),而對農(nóng)機(jī)設(shè)備的排放且尚未做出嚴(yán)格的規(guī)定。實(shí)際上現(xiàn)今的農(nóng)機(jī)除了農(nóng)田耕作外,許多是行駛在城鄉(xiāng)間,擔(dān)負(fù)著農(nóng)副產(chǎn)品、農(nóng)用物資的運(yùn)輸和調(diào)度。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快,城鄉(xiāng)間已無明顯界域,這么多農(nóng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行所導(dǎo)致的廢氣排放及各種污染,將隨著空氣流動而傳遞,受此影響的不僅是農(nóng)村也有城市。以拖拉機(jī)在整個(gè)生命周期中直接和間接對環(huán)境影響為例,如圖1所示。

      圖1 拖拉機(jī)全生命周期中對環(huán)境產(chǎn)生的各種影響

      (1)農(nóng)業(yè)機(jī)械與噪聲。拖拉機(jī)、低速貨車、三輪汽車作為農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中重要的組成部分,在農(nóng)田作業(yè)、農(nóng)村道路運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。2013年全國僅中型拖拉機(jī)累計(jì)總產(chǎn)量521309臺,同比增長13.92%,大型拖拉機(jī)產(chǎn)量6.33萬臺,同比增長12.95%。

      農(nóng)業(yè)機(jī)械中的產(chǎn)品、設(shè)備,從材料獲取到制造、加工過程以及運(yùn)轉(zhuǎn)中,始終都會產(chǎn)生振動和噪聲。農(nóng)業(yè)機(jī)械在運(yùn)作過程中同樣會產(chǎn)生噪聲,影響周邊居民的生產(chǎn)生活。如果噪聲過大,不但會削弱駕駛員的駕駛技術(shù),而且噪聲還會降低車輛電子元件的工作能力,減少其使用壽命。噪聲指數(shù)已成為評價(jià)車輛人機(jī)狀態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要指標(biāo)。目前拖拉機(jī)噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)為GB6376-1995《拖拉機(jī)噪聲限值》,該標(biāo)準(zhǔn)對拖拉機(jī)的噪聲要求比國外一些國家(如歐共體77/311/EEC)要求低得多。

      拖拉機(jī)噪聲主要有發(fā)動機(jī)噪聲、傳動系噪聲和覆蓋件噪聲。其中發(fā)動機(jī)噪聲占拖拉機(jī)整機(jī)噪聲的50%以上。排氣噪聲是拖拉機(jī)最大的噪聲源,距排氣口0.5m處噪聲可達(dá)115-128dB(A)。其頻譜從幾十至1萬Hz以上。非增壓柴油機(jī)安裝有空濾器時(shí),進(jìn)氣噪聲往往不是拖拉機(jī)的主要噪聲源。當(dāng)柴油機(jī)采用增壓后進(jìn)氣噪聲明顯增加,成為拖拉機(jī)的主要噪聲源。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速對噪聲影響很大,轉(zhuǎn)速提高一倍時(shí)聲壓級增加11-17dB(A)。通常在低轉(zhuǎn)速時(shí),風(fēng)扇噪聲比發(fā)動機(jī)噪聲低得多。但在高轉(zhuǎn)速時(shí)往往成為主要甚至是最大噪聲源。

      農(nóng)業(yè)機(jī)械的振動即機(jī)械系統(tǒng)中的位移、速度和加速度的震蕩現(xiàn)象,對機(jī)械的損害程度非常嚴(yán)重,造成整臺機(jī)器在高頻率和高幅值的震蕩狀況下工作,也會產(chǎn)生噪音,影響工作環(huán)境。

      (2)農(nóng)業(yè)機(jī)械與土壤。機(jī)械工具在田間行走作業(yè)時(shí)輪胎及器械對土壤發(fā)生的碾壓作用,會造成土壤的機(jī)械壓實(shí)。土壤機(jī)械壓實(shí)導(dǎo)致土壤孔隙度降低、物理結(jié)構(gòu)改變、土壤中的養(yǎng)分有效性降低、土壤退化。土壤機(jī)械壓實(shí)造成的全世界土地退化面積達(dá)6800萬hm2,其中非洲1800萬hm2,歐洲3300萬hm2,亞洲980萬hm2。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,農(nóng)機(jī)具質(zhì)量不斷增加,土壤壓實(shí)逐漸成為一個(gè)世界性的問題。

      研究發(fā)現(xiàn)一次輪式拖拉機(jī)作業(yè)后使土壤干容重增加了11.1%,5~10cm處含水量最大減小了16.8%,0~6cm處堅(jiān)實(shí)度增加為原來的1.4倍,5次作業(yè)后土壤含水量最多減少了23.1%。土壤緊實(shí)度變化會影響植物生長必需的大量元素N、P、K在土壤中移動性。土壤緊實(shí)度直接影響植物的根系形態(tài),根系伸長速率降低,主根伸長受到抑制,側(cè)根形成數(shù)量增加,根系變短變粗。土壤的緊實(shí)度還會影響根系的導(dǎo)水率,阻礙地上部水分和養(yǎng)分的攝取,限制地上部生長。

      緊實(shí)土壤不僅影響作物生長,還對土壤中動物、微生物的生存產(chǎn)生影響。如蚯蚓—耕耘土壤的“大力士”,蚯蚓的活動能夠使土壤疏松,團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增強(qiáng),從而促進(jìn)作物生長,而機(jī)械耕作導(dǎo)致土壤緊實(shí)度增加,不但破壞蚯蚓通道的結(jié)構(gòu),還會造成許多蚯蚓死亡。緊實(shí)土壤對于土壤微生物的影響主要是降低了土壤磷酸酶的活性。緊實(shí)土壤中微生物碳的數(shù)值為139μgC·g-1低于正常土壤160μgC·g-1。

      土壤機(jī)械壓實(shí)也影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的水環(huán)境。機(jī)械壓實(shí)后,土壤的入滲率降低,同時(shí)土壤的徑流量增加,在低洼處會形成積水,土壤中的有效養(yǎng)分會隨著徑流進(jìn)入河流或湖泊,可能會造成富營養(yǎng)化,破壞水環(huán)境。Eradat等指出,機(jī)械壓實(shí)后,土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞,對土壤中農(nóng)藥殘留物以及有機(jī)物的分解產(chǎn)物的過濾作用產(chǎn)生影響,危及地下水質(zhì)量。

      (3)農(nóng)業(yè)機(jī)械與大氣。農(nóng)業(yè)機(jī)械95%以上都是柴油發(fā)動機(jī)。柴油機(jī)工作時(shí)排放的主要污染物包括一氧化碳(CO),碳?xì)浠衔铮℉C),氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)。與機(jī)動車相比,農(nóng)業(yè)機(jī)械的尾氣排放相當(dāng)嚴(yán)重。

      為了分析實(shí)際工況下農(nóng)業(yè)機(jī)械的排放特征,付明亮等利用車載排放測試系統(tǒng)對12輛農(nóng)用拖拉機(jī)進(jìn)行怠速、行走和耕作3種操作模式下的田間排放測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在旋耕模式下,CO、HC、NOx和PM單位時(shí)間的排放因子要高于怠速和行走模式,同時(shí)較高的油耗使得CO、HC、NOx基于油耗的排放因子小于怠速和行走模式。葛蘊(yùn)珊等則是選取10臺典型的聯(lián)合收割機(jī),在其實(shí)際工作狀態(tài)下進(jìn)行了排放及燃油消耗特性的試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:谷物、玉米聯(lián)合收割機(jī)綜合燃油消耗分別為6.80和10.29L/h。基于燃油消耗率的CO、HC排放因子怠速工況下較高,而NOx排放因子在行走工況下較高,PM排放因子在作業(yè)工況下較高;谷物聯(lián)合收割機(jī)比玉米聯(lián)合收割機(jī)排放嚴(yán)重。2010年中國聯(lián)合收割機(jī)NOx和PM排放量分別為4.84和0.47萬t,分別占同時(shí)期機(jī)動車排放量的1.91%和1.94%。

      機(jī)械壓實(shí)改變土壤緊實(shí)度間接對溫室氣體排放也有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)如果施用NO3--N態(tài)肥,與正常土壤相比,緊實(shí)土壤中N2O的釋放量增加12倍。緊實(shí)土壤中反硝化作用更強(qiáng),更容易產(chǎn)生大量N2O溫室氣體。緊實(shí)土壤對于N2O釋放的影響還與土壤充水孔隙(WFPS)有關(guān),在WFPS≥70%時(shí),反硝化作用在正常土壤和緊實(shí)土壤上都發(fā)生,并且以緊實(shí)土壤上N2O的釋放量最高。Eradat等算出在美國15000萬公頃的禾谷類作物面積上,如果表層土的容重增加0.3g·cm-3,CO2的釋放量每年會增加12.5Tg。CH4的溫室效應(yīng)是CO2的20倍,土壤緊實(shí)會影響CH4的排放及其在大氣中的平衡,主要影響CH4在土壤中的氧化過程。

      PM對人體健康和環(huán)境都會造成不良影響,而PM2.5污染加重,使得大范圍出現(xiàn)灰霾現(xiàn)象。二氧化碳使大氣環(huán)境產(chǎn)生溫室效應(yīng),一氧化碳會降低人和動物的血液輸氧能力。碳?xì)浠衔锸怯稍S多化合物混合而成的毒性很強(qiáng)的化合物,會對人的健康造成危害。NOx導(dǎo)致區(qū)域臭氧,在地表上的臭氧以煙霧的形式出現(xiàn),會導(dǎo)致人呼吸系統(tǒng)的疾病,抑制植物的生長和繁殖。碳煙顆粒物中含有許多致癌性的物質(zhì),會對人體健康產(chǎn)生長期的危害。

      3 展望

      目前中國正在大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化,在此過程中過度和不合理使用農(nóng)業(yè)機(jī)械會對生態(tài)環(huán)境造成一定影響。因此研究和防治農(nóng)業(yè)機(jī)械對生態(tài)環(huán)境造成的影響對于中國這個(gè)農(nóng)業(yè)大國具有重要意義。加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新,提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)含量,生產(chǎn)環(huán)保型農(nóng)機(jī)產(chǎn)品,如以保護(hù)生態(tài)環(huán)境的觀點(diǎn)評價(jià)和選擇行走裝置的結(jié)構(gòu)類型和參數(shù),完善現(xiàn)有機(jī)器的行走裝置和設(shè)計(jì)新的行走系統(tǒng);推廣使用清潔柴油,即含硫量低的柴油。據(jù)介紹,瑞典使用的清潔柴油與普通柴油相比,一氧化碳排放可減少54%,碳?xì)浠衔锖偷趸锟蓽p少10%,顆粒物可減少47%。政府方面加強(qiáng)對農(nóng)機(jī)排氣污染的監(jiān)管,籌建農(nóng)業(yè)機(jī)械排氣污染物監(jiān)測防治中心,制定、實(shí)施農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn),定期檢查農(nóng)業(yè)機(jī)械的技術(shù)狀況,對使用時(shí)間過長、技術(shù)落后、技術(shù)狀況差、油耗大、經(jīng)濟(jì)效益差、排放污染嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)機(jī)械,要嚴(yán)格按報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)報(bào)廢,防止和減少農(nóng)業(yè)機(jī)械污染。

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