龐書(shū)軍

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我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的依賴程度較高，常見(jiàn)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(chǎng)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(dòng)的農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中煙塵和各種有害廢氣的排放；液壓油、潤(rùn)滑油等由于各種原因?qū)е碌男孤?，滲入地表和土壤，以及各種固體廢棄物的隨意丟棄、掩埋和焚燒，都將對(duì)空氣、土壤和水—人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)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(lái)越大，隨之引起的能源和環(huán)境問(wèn)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(duì)世界各國(guó)的農(nóng)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起了重大作用，2000年美國(guó)工程技術(shù)界評(píng)出了20世紀(jì)對(duì)人類社會(huì)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(guó)“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(jìng)爭(zhēng)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(guó)僅“3大類”農(nóng)機(jī)的保有量已達(dá)4000萬(wàn)臺(tái)，幾乎是汽車(chē)保有量的2倍。國(guó)家對(duì)汽車(chē)的排放已有非常嚴(yán)格的法規(guī)，而對(duì)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(wú)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(dòng)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(duì)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(duì)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(chē)、三輪汽車(chē)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(guó)僅中型拖拉機(jī)累計(jì)總產(chǎn)量521309臺(tái)，同比增長(zhǎng)13.92%，大型拖拉機(jī)產(chǎn)量6.33萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)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(guò)程以及運(yùn)轉(zhuǎn)中，始終都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。農(nóng)業(yè)機(jī)械在運(yùn)作過(guò)程中同樣會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響周邊居民的生產(chǎn)生活。如果噪聲過(guò)大，不但會(huì)削弱駕駛員的駕駛技術(shù)，而且噪聲還會(huì)降低車(chē)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(píng)價(jià)車(chē)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(duì)拖拉機(jī)的噪聲要求比國(guó)外一些國(guó)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(dòng)機(jī)噪聲、傳動(dòng)系噪聲和覆蓋件噪聲。其中發(fā)動(dòng)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(wàn)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(duì)噪聲影響很大，轉(zhuǎn)速提高一倍時(shí)聲壓級(jí)增加11-17dB(A)。通常在低轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)扇噪聲比發(fā)動(dòng)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(dòng)即機(jī)械系統(tǒng)中的位移、速度和加速度的震蕩現(xiàn)象，對(duì)機(jī)械的損害程度非常嚴(yán)重，造成整臺(tái)機(jī)器在高頻率和高幅值的震蕩狀況下工作，也會(huì)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(duì)土壤發(fā)生的碾壓作用，會(huì)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(wàn)hm2，其中非洲1800萬(wàn)hm2，歐洲3300萬(wàn)hm2，亞洲980萬(wàn)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(wèn)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(lái)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(huì)影響植物生長(zhǎng)必需的大量元素N、P、K在土壤中移動(dòng)性。土壤緊實(shí)度直接影響植物的根系形態(tài)，根系伸長(zhǎng)速率降低，主根伸長(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)。

緊實(shí)土壤不僅影響作物生長(zhǎng)，還對(duì)土壤中動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)，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(huì)造成許多蚯蚓死亡。緊實(shí)土壤對(duì)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(huì)形成積水，土壤中的有效養(yǎng)分會(huì)隨著徑流進(jìn)入河流或湖泊，可能會(huì)造成富營(yíng)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(duì)土壤中農(nóng)藥殘留物以及有機(jī)物的分解產(chǎn)物的過(guò)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(dòng)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(dòng)車(chē)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(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)對(duì)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(cè)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(tái)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?；谌加拖穆实腃O、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(guó)聯(lián)合收割機(jī)NOx和PM排放量分別為4.84和0.47萬(wàn)t，分別占同時(shí)期機(jī)動(dòng)車(chē)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(duì)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(duì)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(guó)15000萬(wàn)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(huì)增加12.5Tg。CH4的溫室效應(yīng)是CO2的20倍，土壤緊實(shí)會(huì)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(guò)程。

PM對(duì)人體健康和環(huán)境都會(huì)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(huì)降低人和動(dòng)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(huì)對(duì)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(huì)導(dǎo)致人呼吸系統(tǒng)的疾病，抑制植物的生長(zhǎng)和繁殖。碳煙顆粒物中含有許多致癌性的物質(zhì)，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生長(zhǎng)期的危害。

3 展望

目前中國(guó)正在大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，在此過(guò)程中過(guò)度和不合理使用農(nóng)業(yè)機(jī)械會(huì)對(duì)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(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響對(duì)于中國(guó)這個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)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(píng)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(duì)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(cè)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(duì)使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、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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