山區(qū)煙地殘膜機(jī)械撿拾影響因素分析＊

王浦舟，吳雪梅* ，樊國奇，況文煉，張富貴，楊 帆

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽550025;2.貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州 畢節(jié)551700)

煙葉種植在明朝后期開始出現(xiàn)在云南，目前產(chǎn)地主要集中在云南、河北、貴州和山東等地，如今貴州烤煙產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的1/6，年收購煙葉28.3 萬噸，成為全國第二大產(chǎn)煙省［1-2］。煙葉的高產(chǎn)依賴農(nóng)業(yè)技術(shù)的支持，地膜覆蓋栽培技術(shù)是其中一項(xiàng)省時高效的技術(shù)，它具有增溫、保墑、抑制雜草生長、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等作用，這些顯著優(yōu)點(diǎn)讓地膜覆蓋技術(shù)在世界各地被廣泛的使用［3］。美國、歐洲和日本等國家在上世紀(jì)50 年代就開始使用地膜覆蓋栽培技術(shù)，得到了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，于是這項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù)很快在全世界得到了推廣［4-6］。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，與露地種植相比較，覆膜種植可以使多種作物早熟5 ～10 天，增產(chǎn)30% ～50%，而且可以改善產(chǎn)品質(zhì)量［7］。煙地覆膜技術(shù)在大力推進(jìn)煙草種植業(yè)發(fā)展的同時，也帶來了一系列的環(huán)境污染問題。地膜的成分是聚乙烯烴類化合物，自然條件下極難降解。地膜清理不及時，陳年的殘膜長期滯留在田間，不但影響農(nóng)業(yè)機(jī)具的運(yùn)行，還會影響煙草的生長發(fā)育［8-10］。在畢節(jié)地區(qū)某煙地收集的資料表明，平均一畝煙地0 ～25 cm 土層深度內(nèi)殘膜平均總重為12.96 kg，殘膜總數(shù)量為32724張，畢節(jié)地區(qū)殘膜污染嚴(yán)重，殘膜污染主要集中于0 ～10 cm 土層內(nèi)，平均重量占比達(dá)到92.2%，平均數(shù)量占比達(dá)到75.6%，土層越深，殘膜越碎小。如今，環(huán)境保護(hù)成為時代的新主題，如何有效的治理由地膜帶來的“白色污染”，保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，成為了一個急切的問題。

1 國內(nèi)外殘膜撿拾機(jī)的研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)60 年代，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度高度發(fā)展，人們的研究方向逐漸轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)［11］。國外地膜的的厚度一般在0.012 mm 和0.015 mm 之間，抗拉強(qiáng)度比0.008 mm 的地膜增加50% ～94%［12］。國外地膜撿拾機(jī)一般由起膜鏟和卷膜輥組成，通過可變流量的液壓馬達(dá)解決卷膜輥的線速度與拖拉機(jī)速度匹配［13-21］。此外，國外發(fā)達(dá)國家從環(huán)保角度出發(fā)，大力提倡可降解地膜的使用。在日本生物降解地膜、可見光降解地膜和紙地膜的研究已經(jīng)比較成熟，減輕了地膜清理撿拾的負(fù)擔(dān)［22］。

我國的地膜厚度非常薄，一般都使用厚度小于0.008 mm 的地膜，有些地區(qū)甚至還在使用厚度為0.005 mm 的地膜［23］。由于地膜厚度的差異，我國的殘膜撿拾機(jī)與國外也有很大的差別。目前中國的殘膜撿拾(回收)機(jī)有20 多種機(jī)型，部分機(jī)型已經(jīng)比較成熟。但是這些機(jī)型大多數(shù)是依據(jù)北方的土壤和地形特點(diǎn)來設(shè)計(jì)，對于南方濕潤粘稠的土壤并不適用，回收效率也有待提高。所以我國的殘膜回收機(jī)機(jī)械性能還需要很多的改善，需要研發(fā)出一種作業(yè)可靠，應(yīng)用范圍廣的殘膜撿拾機(jī)。根據(jù)田間試驗(yàn)和目前國內(nèi)現(xiàn)有機(jī)具的情況，殘膜撿拾的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可定為:殘膜撿拾率≥90%;用拖拉機(jī)驅(qū)動的情況下，收膜撿拾機(jī)的作業(yè)效率≥2 畝/小時。

2 影響機(jī)械殘膜撿拾效果的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地膜標(biāo)準(zhǔn)

我國使用的地膜大多數(shù)為薄膜，薄膜的抗拉強(qiáng)度不高，容易被機(jī)具刮破，不利于撿拾［24-25］。另一方面，薄膜的質(zhì)量輕，一般需要在上方覆蓋泥土來保證其正常使用，這給殘膜的撿拾增加了很多難度。地膜的厚度直接關(guān)系到抗拉強(qiáng)度，0.010 mm的地膜與0.008 mm 的地膜相比，其抗拉強(qiáng)度可提高25%［26］。

因此應(yīng)盡量規(guī)范農(nóng)膜的質(zhì)量與厚度，避免過多使用超薄膜，以免給殘膜撿拾帶來困難［17］。

2.2 膜土分離

在殘膜撿拾機(jī)的工作過程中，最不容忽視的環(huán)節(jié)是膜與雜草、土壤的分離問題。實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn):大塊殘膜主要集中在地表，其質(zhì)量在回收的殘膜總質(zhì)量中占63.05%，存在不同程度的破損，且附著有少量泥土、根茬或雜草。

目前機(jī)械收膜后，殘膜與土壤等雜物主要靠人工進(jìn)行分離，這種作業(yè)方式效率低，強(qiáng)度大。因此，急需研究出一種能有效分離雜物和殘膜的殘膜撿拾機(jī)部件。

2.3 地膜纏繞

秋后的殘膜具有一定的延伸率，在摩擦及靜電吸附作用下，極易纏繞在回收機(jī)具的工作部件和轉(zhuǎn)動部件上，容易導(dǎo)致機(jī)具無法正常連續(xù)工作。

機(jī)械收膜中，卸(脫)膜環(huán)節(jié)對保證機(jī)械連續(xù)正常運(yùn)行至關(guān)重要［27］。設(shè)計(jì)殘膜回收機(jī)時，應(yīng)盡量使其部件表面光滑，并在易發(fā)生纏繞處放置刮刀和卸膜裝置。

2.4 殘膜撿拾率

據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，滯留在地表以下25 cm 的殘膜數(shù)量可占總殘膜質(zhì)量的39.95%，這些殘膜大多已呈碎片狀，一般的殘膜撿拾機(jī)難以撿拾，后期與土壤的分離也特別困難。

為了進(jìn)一步提高撿拾效率，可將這些碎膜用靜電吸附的方式進(jìn)行撿拾［28］。靜電吸附的原理是當(dāng)一個帶靜電的物體靠近一個不帶電的、電荷量小的物體或絕緣體時，由于靜電感應(yīng)，沒有靜電的物體的一邊會產(chǎn)生與帶電物體所攜帶電荷相反極性的電荷，另一側(cè)產(chǎn)生相同數(shù)量的同極性電荷。因異性電荷互相吸引，就會出現(xiàn)“靜電吸附現(xiàn)象”［29］。在高壓靜電場作用下，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時，殘膜就會被吸附上來。碎膜的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，選擇適當(dāng)電壓產(chǎn)生的靜電可有效的吸附這些碎膜，從而進(jìn)一步提高撿拾效率。

3 殘膜撿拾機(jī)山地適應(yīng)性對比測試

按照農(nóng)藝要求和作業(yè)時間的不同，國內(nèi)殘膜撿拾機(jī)可分為三類:一是苗期殘膜撿拾機(jī)，二是秋后殘膜撿拾機(jī)，三是耕后播前殘膜撿拾機(jī)。苗期地膜撿拾機(jī)具一般用于苗期揭膜。秋后殘膜撿拾機(jī)具多采用復(fù)式作業(yè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低。耕后播前殘膜撿拾機(jī)具通常對地表或地表淺層的殘膜撿拾效果顯著，對于耕作層大于5 cm 的殘膜撿拾率較低［2］。

基于貴州地區(qū)的煙葉種植習(xí)慣，地膜的撿拾工作一般都是安排在秋后進(jìn)行，項(xiàng)目組對采購的兩臺常用的秋后殘膜撿拾機(jī)在畢節(jié)地區(qū)進(jìn)行殘膜撿拾效果測試對比實(shí)驗(yàn)，并記錄使用情況對各種性能進(jìn)行評估比較。這兩種機(jī)型分別是1FMJS-160A 型耙齒式殘留地膜清理機(jī)和1FMJ-120 型廢膜撿拾機(jī)，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天是陰雨天氣。雖然雨水讓土壤變得更加粘稠，但屬貴州常見天氣，具有一定的代表性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1FMJ-120 型廢膜撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊合理，配備翻土裝置，可以最大限度的提高殘膜回收的范圍。但是不適合畢節(jié)地區(qū)的黏性土壤，大部分機(jī)構(gòu)的功能無法有效實(shí)現(xiàn)。1FMJS-160A 型耙齒式殘留地膜清理機(jī)適合畢節(jié)地區(qū)的黏性的土壤，簡單方便，安全性能較高，適應(yīng)性較強(qiáng)，撿膜能力較好，對土壤的平整度和細(xì)碎度基本沒有影響。但是缺乏翻地機(jī)構(gòu)，深層的殘膜無法被耙齒收集，另外耙齒的密度不夠，容易漏撿小尺寸殘膜，卸膜裝置不合理，不能有效的實(shí)現(xiàn)卸膜工作。具體實(shí)驗(yàn)記錄如表1 ～表3 所示。

4 山區(qū)煙地殘膜機(jī)械撿拾因素分析

4.1 山區(qū)地形復(fù)雜

貴州地處云貴高原東部且煙區(qū)分散，海拔高度相差比較大，多丘陵和高原地形，煙田分布情況復(fù)雜，地貌差異較大。在煙葉種植地區(qū)，還存在大量的坡地和半坡地。撿拾機(jī)具在這些地面上行走，要求有很高的穩(wěn)定性。

4.2 土壤類型多變

由于貴州的地形變化多，導(dǎo)致土壤類型的多樣化。貴州煙區(qū)主要植煙土壤類型為黃壤、石灰土、紫色土、黃棕壤和水稻土［2］。這些土壤的特點(diǎn)是吸水率較高，一般情況下土壤的黏性較高。地膜在這些土壤上覆蓋，會和土壤相互粘結(jié)，增加殘膜撿拾的難度。黏性土壤也容易粘附在工作部件上，造成堵塞，影響機(jī)具工作。

表1 整體使用性能對比

表2 殘膜撿拾性能對比

表3 土地作業(yè)性能對比

4.3 農(nóng)藝結(jié)合困難

目前，貴州煙草種植作業(yè)方式主要有傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)手工作業(yè)方式和機(jī)械作業(yè)方式。機(jī)械作業(yè)方式能實(shí)現(xiàn)煙地的翻犁、旋耕、起壟、施肥、覆膜、打孔(移栽)、中耕、培土、植保、拔桿等10 個作業(yè)環(huán)節(jié)［30］，但機(jī)械化收膜還未起步。

貴州煙葉等作物采用的是壟作溝灌覆膜種植，而國內(nèi)現(xiàn)行的機(jī)具多數(shù)是針對平地研制的，對平作地膜的撿膜效果好，撿拾率高，對壟作溝灌覆膜地的撿膜效果則不理想，甚至不起作用。再者煙農(nóng)對現(xiàn)代生產(chǎn)模式的認(rèn)識不足，現(xiàn)有的農(nóng)藝技術(shù)無法滿足撿拾機(jī)及其技術(shù)的應(yīng)用。

5 結(jié)論與建議

國內(nèi)殘膜撿拾工作在北方干旱地區(qū)較為成熟，現(xiàn)行的殘膜撿拾機(jī)主要用于北方小麥、玉米等作物的殘膜撿拾，但是撿拾技術(shù)仍不完善。在貴州山區(qū)的煙地，殘膜的撿拾主要還是靠人工，機(jī)械化收膜沒有完全普及，所以田間還存在大量陳年舊膜和細(xì)碎殘膜。而且貴州地區(qū)的地形多變、土壤復(fù)雜、氣候濕潤，導(dǎo)致土壤普遍粘稠，增加了撿拾難度。再者貴州煙草種植需要起壟，起壟后的耕地高低不平，增加了對機(jī)具穩(wěn)定性的要求。

綜合以上現(xiàn)象，為了減少殘膜給環(huán)境帶來的污染，使煙草種植朝著高效、有序、持續(xù)化的方向發(fā)展，對畢節(jié)地區(qū)的機(jī)械化殘膜撿拾提出4 點(diǎn)建議:一是研制一種適合濕潤粘稠土壤的起膜機(jī)構(gòu)，二是進(jìn)一步改進(jìn)膜土分離裝置，三是增加碎膜靜電吸附裝置，四是加強(qiáng)殘膜回收必要性的宣傳推廣，避免使用超薄地膜。

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