殘留地膜回收技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀

楊 程，張佳喜，郭俊先，蔣永新，劉旋峰，張 麗

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所）

殘留地膜回收技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀

楊 程1，張佳喜2，郭俊先1，蔣永新2，劉旋峰2，張 麗2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所）

多年的農(nóng)田殘留地膜對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了環(huán)境污染和產(chǎn)量減產(chǎn)等巨大危害，地膜回收技術(shù)與裝備的研究在農(nóng)業(yè)領域逐漸被大家所重視。文中針對目前地膜回收技術(shù)做了歸納及分析，分析了卷膜輥式、伸縮桿式、彈齒摟集式及齒鏈式四類典型地膜回收機的工作原理及結(jié)構(gòu)特點。總結(jié)了目前地膜回收發(fā)展中存在的問題，并提出了地膜回收發(fā)展的建議。

地膜；回收；技術(shù)裝備；研究現(xiàn)狀

0 引言

我國是鋪膜種植大國，地膜使用量位居世界第一。2014年，我國全國農(nóng)業(yè)總播種面積為16463萬hm2，其中地膜覆蓋面積超過2 333萬hm2。覆膜種植技術(shù)能夠大幅度提高作物的產(chǎn)量，但在巨大的經(jīng)濟效益背后隱藏著嚴重的地膜污染問題[1～2]。地膜覆蓋栽培技術(shù)具有保墑保肥、節(jié)水抗旱和抑制雜草生長等作用，對作物的產(chǎn)量提高及生長周期縮短有顯著的效果，但是隨著該項技術(shù)的大規(guī)模推廣，大量地膜在作物收獲后未能有效回收，年復一年地滯留在土壤中，導致耕地受到了嚴重的“白色污染”，不僅對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、土壤結(jié)構(gòu)以及作物生長造成極大的破壞，同時也影響了農(nóng)田機械化作業(yè)和可持續(xù)生產(chǎn)。目前，土壤污染已繼大氣污染、水污染之后成為了社會和國家高度關(guān)注、急需解決的重大問題[3～4]。為了解決該項難題，國內(nèi)外已經(jīng)研究開發(fā)了多種類型的地膜回收機，適度緩解了地膜對土壤的污染和耕層結(jié)構(gòu)的破壞，但由于作物的不同，土壤類型的不同，尤其是玉米等作物的根茬與地膜、土壤耦合在一起，收膜工作難度更大，針對性的地膜收獲技術(shù)水平仍有待提高。

因此，為有效、及時地解決地膜回收以及治理土地污染問題，實現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，我們要突破傳統(tǒng)的農(nóng)機固化思維，結(jié)合國際新型研究理念，探索高效、節(jié)能的地膜回收技術(shù)[5～6]。

1 國內(nèi)外機械收膜技術(shù)現(xiàn)狀及典型回收機

1.1 國外機械收膜技術(shù)的研究現(xiàn)狀及典型回收機

自上世紀五十年代起，歐美日等國家就已開始研究覆膜栽培技術(shù)，目前國外農(nóng)田地膜厚度大約為0.02～0.05 mm，抗拉強度大，地膜容易回收，國外機械收膜主要采用纏繞式卷膜機構(gòu)直接回收地膜，并可多次利用，其主要研究的是地膜表面清雜和卷膜速度相匹配的問題，如美國的PS610半機械化地膜回收機，此機具結(jié)構(gòu)簡單、成本較低且起膜后需要人手工撿拾、清雜，工作效率較低。在這種半自動化收膜機的研究基礎上，英國、美國、日本和以色列等國都先后開發(fā)了更先進的全機械化地膜回收機具，并采用了液壓控制的方法，及時調(diào)整卷膜輥的轉(zhuǎn)速，保證了機具收膜的穩(wěn)定性，典型代表如美國Kennco公司的Bed Mower系列地膜收獲機[7]。

圖1 Kennco Bed Mower系列地膜收獲機

1.2 國內(nèi)機械收膜技術(shù)的研究現(xiàn)狀及典型回收機

1.2.1 卷膜輥式地膜回收技術(shù)及其典型回收機

卷膜輥式地膜回收機相對簡單，一般由卷膜輥和起膜鏟組成，在工作過程中，先由起膜鏟刮除壓在地膜兩邊的泥土，隨后將地膜起出并纏繞在卷膜輥上，隨著機具前進，拾膜機構(gòu)中的地輪帶動卷膜輥旋轉(zhuǎn)，地表地膜連續(xù)不斷纏繞在卷膜輥上，從而完成地膜的回收工作。該收膜機相對簡單，對地膜質(zhì)量、厚度、韌性有較高的要求，并且僅可收獲地表整張地膜，只能進行部分地區(qū)的苗期地膜收獲工作，機具的適用性較低。

該種收膜方式的代表機型有：新疆農(nóng)科院農(nóng)機化所研制的MSM-3型苗期地膜回收機，黑龍江省畜牧機械化研究所研制的4HMC-1.0型洋蔥地膜回收機，甘肅農(nóng)業(yè)大學研制的1FM-110型地膜回收機等[8-9]。

圖2 卷膜輥式地膜收獲機構(gòu)示意

1.2.2 伸縮桿齒式地膜回收技術(shù)及其典型回收機

伸縮桿式地膜回收技術(shù)是采用伸縮桿裝置將地膜拾起并送入膜箱，該技術(shù)地膜撿拾率較高，并且能將膜、桿、土壤分離，方便地膜的回收利用。其拾膜機構(gòu)主要由伸縮齒、滾筒與偏心滾筒組成，工作時，滾筒逆前進方向旋轉(zhuǎn)，桿齒在滾筒和偏心滾筒間運動：當伸縮桿齒位于滾筒下方時，桿齒伸出，將地膜從地頭挑起；當伸縮桿齒位于滾筒上方時，桿齒縮回，將挑起的地膜落在滾筒上方。同時，桿齒具有的扎膜集膜功能可以解決薄地膜在回收過程中的易碎問題。但該方式拾膜機構(gòu)比較復雜，伸縮桿機構(gòu)易磨損，收膜工作性能不穩(wěn)定。代表機型有：新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)機化所和新疆農(nóng)業(yè)大學等單位研制的QSM-2型和IJSM-1800型地膜回收機，中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院研制的1QMZ-3.0清膜整地聯(lián)合作業(yè)機等[10～13]。

圖3 伸縮桿式地膜收獲機構(gòu)示意

1.2.3 彈齒摟集式地膜回收技術(shù)及其典型回收機

圖4 彈齒摟集式地膜收獲機構(gòu)示意

彈齒摟集式地膜回收技術(shù)通常采用類似于梳子的密排彈齒進行集膜作業(yè)，該種方式工作機構(gòu)簡單，操作方便，集膜速度快，但很難將土壤中的雜草、作物根茬與地膜分離，無法解決地膜回收后的處理問題；由于彈齒摟集式回收作業(yè)每走30m左右就需要在田間卸下地膜，因此回收后的地膜需要人工將其運出農(nóng)田，增加了工序及勞動強度。該收膜方式的典型機型有：東北大學研制的QS-2型地膜回收機，西北農(nóng)林科技大學研制的IM-1000型地膜收獲機，新疆兵團芳草湖總場研制的CM-2.6型播前地表地膜回收機，中國農(nóng)業(yè)機械化科學院研制的IQMZ-3.0清膜整地聯(lián)合機以及4JLM-1800摟集型棉秸稈還田地膜回收聯(lián)合作業(yè)機等[14～16]。

1.2.4 齒鏈式地膜回收技術(shù)及其典型回收機

圖5 齒鏈式地膜收獲機構(gòu)示意

齒鏈式地膜回收技術(shù)在機構(gòu)布局上具有一定的優(yōu)勢，其拾膜機構(gòu)主要由拾膜齒、鏈輪及托膜板組成，工作時，拾膜齒隨著輸送鏈轉(zhuǎn)動拾起由起膜鏟托起的地膜，并帶動地膜沿輸送鏈方向移動，完成收膜工作。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、制造簡單、加工方便，可滿足苗期與秋后的收膜工作；同時機具從地頭挑起地膜的角度可調(diào)，輸送行程較長，可根據(jù)作業(yè)要求將拾膜機構(gòu)前置、后置或縱向設置，有利于后續(xù)整地復式作業(yè)。但其拾膜齒無法抓取碎膜，同時在地膜輸送過程中易掉落，并且容易將雜草、殘茬帶進拾膜機構(gòu)，難以實現(xiàn)膜、壤、茬的分離，地膜回收效果不理想。該收膜方式代表機型有新疆兵團農(nóng)機推廣站和兵團134團研制的CSM-130B齒鏈式懸掛收膜機，內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)機械化研究所研制的1MC-70型地膜回收起茬機等[17～18]。

2 國內(nèi)機械收膜技術(shù)研究的主要問題

2.1 地膜物理學特性對回收的影響

目前，國內(nèi)田間鋪設的地膜多為塑料薄膜，在不同的日照、溫度、濕度以及時間等因素的影響下，薄膜物理學特性會發(fā)生變化。在長期日照以及干燥的環(huán)境影響下，地膜韌性大幅降低[19]，機械作業(yè)回收地膜易粉碎，直接影響了機具收膜效果。因此，需要對回收地膜的物理特性進行深入研究，考察不同回收期的地膜受力極限，從而合理確定機械收膜過程中機具的各項參數(shù)?；蛘呖梢詮牡啬ぷ陨斫Y(jié)構(gòu)入手來提高地膜的回收率，例如將地膜加筋以增加地膜的強度，便于回收。

2.2 土壤、作物根茬對地膜回收的干擾

地膜在田間與土壤、作物根茬耦合在一起，由于地膜材質(zhì)具有吸附特性，部分地膜十分容易粘附在中耕作物大根茬上，地膜、土壤和根茬組成了一個復雜耦合系統(tǒng)，給機械收膜造成了極大的干擾。傳統(tǒng)的摟集型地膜回收機、篩土型地膜回收機均僅能實現(xiàn)地膜回收及膜土分離作業(yè)，但對于玉米等根茬較大的中耕作物，機具不僅要解決地膜與土壤的分離，同時要考慮地膜與根茬的分離問題[20～21]。而撿拾型地膜回收機需先將秸稈進行切割回收，留茬在8 cm以內(nèi)，工作量大，機具工作條件限制高。如何能有效的解決地膜回收工作中土壤和根茬的干擾，是今后本領域的一個研究重點。

2.3 地膜回收機械作業(yè)性能不穩(wěn)定，回收成本高，回收后地膜再利用難

由于我國目前的機具設計研究技術(shù)條件的限制，地膜機械回收的輸膜可靠性差、效率低及地膜收凈率不高，在收膜過程中，膜片碎裂，不成整膜，在輸送過程中不容易集膜；同時，破損碎裂的小塊碎膜摻雜在土壤中未能回收，地膜收凈率不能滿足農(nóng)民的期望，并且地膜采用機械回收的方式會產(chǎn)生較高的費用，因此不能滿足大多數(shù)基層農(nóng)戶的實際要求，給地膜回收技術(shù)的推廣帶來了一定的阻礙。

我國農(nóng)戶使用地膜多為0.005（±0.003）mm，是國外地膜厚度的1/4，其抗拉伸強度較低，地膜的最大拉伸力較小，采用機械收膜的方式地膜在回收完成過后多已破損嚴重，難以直接再利用，同時，政府設立的廢舊地膜收購點和加工企業(yè)少，回收利潤低，降阻礙了農(nóng)民回收地膜的積極性，地膜的回收處理問題十分嚴峻。

2.4 機械對不同地質(zhì)環(huán)境下土壤及農(nóng)藝的適應性問題

我國地域遼闊，地質(zhì)環(huán)境復雜，土壤按質(zhì)地分類可分為：砂質(zhì)土，黏質(zhì)土和壤土三類，此三類土壤的物理特性差異性較大，機具在不同類別土壤中受到的行進阻力，起茬收膜阻力等都不相同，需要根據(jù)土壤類別設計優(yōu)化相應的機具參數(shù)。

同時，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的時空分布受到自然資源條件和市場經(jīng)濟行為的影響，我國的種植結(jié)構(gòu)從2002年起發(fā)生重大變化，區(qū)域內(nèi)作物類型豐富度顯著增加，多元種植結(jié)構(gòu)逐漸替代單一型種植結(jié)構(gòu)。但多元化種植結(jié)構(gòu)復雜的農(nóng)藝使得地膜收獲機械遇到更大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)機型大都僅能收獲單一、種植模式類似的作物，若需農(nóng)機適應多元化種植農(nóng)藝，需要研發(fā)通用性較好的地膜回收機[22～24]。

3 國內(nèi)地膜回收技術(shù)研究方向和發(fā)展趨勢

3.1 借鑒西方技術(shù)經(jīng)驗生產(chǎn)加厚地膜

隨著我國地膜覆蓋栽培技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)地膜的厚度與強度需求也隨之提高，我們可以學習歐美日等國家生產(chǎn)加厚地膜，收膜簡單且可多次再利用，解決地膜機械回收工作的根本難題。目前，在我國新疆中部的庫爾勒尉犁縣地區(qū)，已有農(nóng)戶采用0.01 mm厚度的地膜覆蓋種植，地膜回收工作難度降低，但地膜厚度還遠達不到歐洲地膜標準厚度，收獲地膜仍有大量破損，且收集的地膜中含有大量雜草和秸稈，不具備再次使用條件，需要進一步改進。

3.2 利用國際先進技術(shù)生產(chǎn)可降解地膜

在國際領域中，可降解地膜技術(shù)并不是創(chuàng)新技術(shù)，國際地膜領域已研究出以淀粉類、添加糖類等為原料的生物降解地膜；可光降解地膜；以植物紙漿中的植物纖維為原料的紙地膜；將天然高分子以液態(tài)的形式均勻噴灑在地表所形成的液態(tài)噴灑式可降解地膜；以較粗的化學纖維為原料的無紡布地膜[25～26]。

但上述的五種可降解地膜目前均因為其高昂的成本，以及其降解性能的差異性，很難在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植中普及。新型成本低廉，降解性能穩(wěn)定的地膜研究仍是國內(nèi)地膜回收工作的重要研究方向之一。

3.3 研制新型高效率地膜回收機械

結(jié)合國內(nèi)農(nóng)用地膜較薄，鋪膜種植地區(qū)地質(zhì)復雜，以及中耕作物大根茬、膜、土壤分離困難等情況，傳統(tǒng)地膜回收機械不能有效完成中耕作物的地膜回收工作。因此，打破地膜回收技術(shù)思維固化的壁壘，鼓勵提出新構(gòu)思、可行度高的地膜回收處理方法，大力推進新型高效率中耕作物地膜回收機械的自主研發(fā)成為了農(nóng)業(yè)機械研究的重要任務之一。

3.4 農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合

目前，國內(nèi)已研究出上百種地膜回收機具，但無論其關(guān)鍵工作部件采用何種拾膜機構(gòu)，都無法滿足現(xiàn)階段的農(nóng)藝要求。農(nóng)藝與農(nóng)機相結(jié)合，想要解決地膜的收獲問題，我們不僅要從農(nóng)機上找方法，也需要在農(nóng)藝方面作出改進，政府政策上可以規(guī)范覆膜種植模式，以便地膜回收技術(shù)的針對性研究及地膜回收機的配套作業(yè)。

4 結(jié)論

綠色循環(huán)可持續(xù)是農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的首要前提，地膜的污染若得不到有效地控制，將會對國內(nèi)耕地的生態(tài)圈埋下巨大的隱患。國家應在相關(guān)領域給予政策上的支持，大力推進地膜回收及購機補貼政策；規(guī)范區(qū)域耕作模式、品種；加大科研資金投入力度，研發(fā)高質(zhì)量的更適用的地膜回收機械。

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Review of Recycling Technology and Equipment of Plastic Film Mulch

YANGCheng1,ZHANG Jia-xi2,GUO Jun-xian1,JIANGYong-xin2,LIU Xuan-feng2,ZHANG Li2

（1.Collage ofmechanical transportation,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,830052,China;2.Agriculturalmechanization research institute,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences）

Many yearsof residualplastic film hascaused greatharm to agriculturalproduction,such asenvironmentalpollution and yield reduction,membrane recycling technology and equipment research hasbeen valued by everyone in the agricultural field.For the current film recycling technology,according to differentwaysof film film recyclingmachine to do a large classification,research and analysison roll film type,telescopic pole type,spring-tooth-hugging type and tooth chain type plastic film recyclingmachine'sworking principle and the structure characteristic,.Summarizes the problems in the development of the remnant film,and puts forward some suggestions for the developmentof the remnant film,providesan effective technical support for the developmentof the plastic film recycling industry.

Plastic film mulch;Recycling;Technicalequipment;Review

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.05.004

S223.5

A

1007-7782（2016）05-0015-05

2016-09-25

國家自然科學基金資助項目（51565060）；新疆維吾爾自治區(qū)高技術(shù)研究發(fā)展項目（201511104）；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金（2014211B029）；新疆農(nóng)業(yè)大學產(chǎn)學研聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地項目（xjaucxy-yjs-20152033）

郭俊先，男，博士，研究方向：農(nóng)業(yè)機械設計與實驗