殘膜回收機(jī)在新疆地區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)狀研究

邢劍飛 王旭峰,2 王 龍,2*

（1塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾843300）

農(nóng)用地膜主要是指耕地表面覆蓋的農(nóng)膜，目前應(yīng)用最廣泛的是石油化工產(chǎn)物中的聚氯乙烯產(chǎn)品，為透明和黑色的PE薄膜。地膜覆蓋栽培不僅可以提高地溫、保水、調(diào)光，還能起到防蟲、防旱的作用［1］。70年代初為了糧食蔬菜的生產(chǎn)，就在蔬菜和棉花栽培中進(jìn)行小面積試驗(yàn)，地膜覆蓋栽培效果很好，但是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原因，沒有進(jìn)行大面積推廣［2］。1978年通過對(duì)外科技交流，中國農(nóng)牧漁業(yè)部從日本引進(jìn)地膜覆蓋栽培技術(shù)，與中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植過程相結(jié)合，經(jīng)過了多年的生產(chǎn)改進(jìn)與實(shí)踐應(yīng)用，形成了具有區(qū)域特色的地膜應(yīng)用技術(shù)體系，在全國范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用［3］。

棉花是中國主要的覆膜種植作物之一。2018年我國棉花種植面積為3 195千公頃（國家統(tǒng)計(jì)局），新疆棉花種植面積就達(dá)到2 217.47千公頃，占全國棉花播種面積的69.4%。隨著地膜覆蓋栽培技術(shù)的使用和發(fā)展，使用的地膜回收的不及時(shí)和不徹底，造成農(nóng)田地膜殘留增加，對(duì)環(huán)境及農(nóng)作物造成的土地污染問題也越來越嚴(yán)重。地膜作為高分子化合物，分解時(shí)間要300年以上才能完全分解。殘留地膜對(duì)植物根系生長有阻礙作用，且地膜含量較多的土壤中會(huì)形成滯水層，使土壤蓄水能力降低，土壤含水率下降，造成農(nóng)作物減產(chǎn)。Richard等人的相關(guān)研究表明，播種時(shí)若種子覆在膜上，種子腐爛率達(dá)到8.2%，爛芽率達(dá)5.6%［4,5］。歐美等發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)中期就意識(shí)到這個(gè)問題，并開始進(jìn)行殘膜回收機(jī)具的研究制造，使用殘膜回收機(jī)具進(jìn)行地膜回收工作，從而避免了農(nóng)田遭受殘膜污染。

為了減少棉田殘膜污染，保證農(nóng)業(yè)的綠色協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，針對(duì)農(nóng)田殘膜污染問題，國內(nèi)外學(xué)者及各科研單位也開展了殘膜回收機(jī)具相關(guān)方面的應(yīng)用研究，通過闡述相關(guān)方面研究，了解新疆殘膜回收機(jī)現(xiàn)階段存在問題并進(jìn)行分析。

1 國外發(fā)展研究現(xiàn)狀

在上世紀(jì)50年代，覆膜栽培技術(shù)就開始在歐、美、日等國開始使用，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。隨著國外政府對(duì)環(huán)境污染問題的重視，60年代就開始研發(fā)殘膜回收機(jī)具，效果也較為滿意。Sawyer、Roerson是美國殘膜回收機(jī)研發(fā)的代表人物，1993年他們利用卷膜輥的速度來匹配回收機(jī)作業(yè)速度將地膜回收。1995-1997年Brooks研發(fā)了機(jī)械振動(dòng)式殘膜回收機(jī)將地膜與土壤分開。1998年R.L.parish主要研究操控液壓電動(dòng)機(jī)來控制卷膜輥的轉(zhuǎn)速與回收機(jī)速度相匹配，達(dá)到回收地膜目的［6］。英國、俄羅斯利用的是懸掛式殘膜回收機(jī)，松土鏟安裝在機(jī)械前側(cè)用來將土和膜鏟松，隨后膜纏繞在羊皮網(wǎng)或者金屬網(wǎng)后人工卸下，卸下的膜含雜少，可以再次利用。日本土地資源較少，地塊面積不大，使用高強(qiáng)度地膜，回收機(jī)械較為簡單。法國使用卷筒式收殘膜回收機(jī)，通過人力把膜纏繞在滾筒上，然后滾筒旋轉(zhuǎn)進(jìn)行收膜。以色列等中東國家，土壤為沙土性質(zhì)，A.V.I公司根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件、研發(fā)制作了收卷式殘膜機(jī)，使用液壓電機(jī)作為動(dòng)力帶動(dòng)收卷膜工作構(gòu)件，收卷膜構(gòu)件和回收機(jī)速度相匹配進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，作業(yè)效果好，機(jī)器穩(wěn)定性和回收率高［7］。

近兩年國外政府加大環(huán)保力度，投資開發(fā)研究出了可降解地膜，分解后對(duì)農(nóng)田土壤沒有污染，從而減少了農(nóng)田殘膜污染的問題，但是可降解膜的制造成本高，因此售價(jià)比普通地膜貴。

由于上述這些國家使用的地膜的厚度大多為0.012-0.015 mm之間，具有較好的抗拉性能和力學(xué)性能，并且使用周期長，因此歐美、日等地區(qū)的收膜方式也比較簡單，回收機(jī)具是主要是由起膜鏟、卷膜輥構(gòu)成的卷膜輥式殘膜回收機(jī)，回收機(jī)作業(yè)時(shí)是由起膜鏟插入土中將膜和土翻起后再利用卷膜輥進(jìn)行卷膜收膜工作，他們的核心研究工作為拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)速和卷膜輥的線速度進(jìn)行匹配［8-10］。此外由于國外政府大力提倡降解膜，因此也大大減輕了殘膜回收的負(fù)擔(dān)。

2 國內(nèi)發(fā)展研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，在地膜覆膜技術(shù)推廣使用后，我國開始研究殘膜回收機(jī)械，運(yùn)用于棉花、玉米等作物。新疆、甘肅、內(nèi)蒙是應(yīng)用地膜覆蓋栽培技術(shù)的主要省區(qū)。新疆殘膜回收機(jī)特點(diǎn)為幅寬大，以大型機(jī)械為主，主要應(yīng)用在棉田地膜回收。而甘肅省及內(nèi)蒙古自治區(qū)回收機(jī)具作業(yè)幅寬小，以小型機(jī)械為主，主要用于玉米、花生、馬鈴薯等農(nóng)作物的地膜回收。由于有段時(shí)期使用地膜厚度在0.006-0.008 mm之間，其力學(xué)性能較差，經(jīng)過長時(shí)間腐蝕，破損較為嚴(yán)重，回收難度大，國外卷膜輥式回收機(jī)械不適用國內(nèi)地膜回收。根據(jù)農(nóng)藝工序和作業(yè)時(shí)期，我國殘膜回收作業(yè)機(jī)械可分為3大類：苗期殘膜回收機(jī)、秋后殘膜回收機(jī)、耕后播前殘膜回機(jī)［11］。

苗期殘膜回收機(jī)主要運(yùn)用機(jī)構(gòu)類型為卷膜輪式。如MS-2型玉米收膜中耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)為卷膜輪式，代表機(jī)型由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)制造，將切膜、起土、收膜結(jié)合，此機(jī)械配合18 KW以上的拖拉機(jī)進(jìn)行使用，由于在靠近苗行內(nèi)側(cè)安裝了護(hù)板，減少了對(duì)玉米的傷苗率，傷苗率僅為2.1%，拾膜可靠回收率達(dá)到85%。秋后殘膜回收機(jī)按殘膜撿拾機(jī)構(gòu)類型可分為彈齒式、伸縮桿式和鏈齒式殘膜回收機(jī)。其中，彈齒式殘膜回收機(jī)就是彈齒排布在輸送帶上，通過彈齒齒尖的挑膜作用將表層膜挑起，然后傳送到后方的集膜箱，回收效率在90%以上，回收效果佳。耕后播前殘膜回機(jī)主要運(yùn)用的機(jī)構(gòu)類型是氣吸式和鏈齒式殘膜回收，如新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的4MQ-1.5型氣吸式殘膜回收機(jī)，利用負(fù)壓使膜進(jìn)入集膜箱［12］。

國內(nèi)殘膜回收機(jī)的撿拾機(jī)構(gòu)主要有鏈齒式、彈齒式、伸縮桿式、卷膜輪式等幾種類型。鏈齒式收膜效率高，適合撿拾破碎成度低的膜；彈齒式收集簡單，但是彈齒部件易磨損，易變形，不牢靠；伸縮桿式工作效率高、但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易使膜破碎，而且制造成本高，且田間作業(yè)環(huán)境惡劣；釘齒式設(shè)計(jì)簡單緊湊，但是回收膜中雜質(zhì)較多、回收效率低。

新疆是國內(nèi)最大的覆膜技術(shù)應(yīng)用省份，不僅覆膜面積全國第一，年使用地膜量也是全國第一。2018年新疆覆膜面積達(dá)到3 542.03千公頃，棉花覆膜占62.6%。新疆為典型的溫帶大陸性氣候，冬冷夏熱、晝夜溫差大，日照豐富，南北疆土壤性質(zhì)不同，因此，對(duì)于新疆來說，研發(fā)出適合新疆使用的殘膜回收機(jī)的難度較大，現(xiàn)針對(duì)新疆苗期、秋后、耕后播前殘膜回收機(jī)具進(jìn)行分析。

2.1 新疆苗期殘膜回收機(jī)械

苗期是指作物出苗至現(xiàn)蕾期間，這個(gè)階段是土壤含水量較為豐富的時(shí)期，而且地膜使用時(shí)間不長，附著力和黏土力不高，且農(nóng)作物對(duì)地膜的破壞量少，所以揭膜容易，需要注意的就是揭膜后要注意作物補(bǔ)水除草工作。新疆地區(qū)苗期殘膜回收機(jī)的主要機(jī)型及特點(diǎn)如表1所示。

表1 新疆苗期殘膜回收機(jī)械

上述的兩種機(jī)具結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性可靠，使用調(diào)節(jié)便利，回收率高且幼苗傷害率低。但是由于新疆農(nóng)作物苗期干旱少雨，利用滴灌帶進(jìn)行滴管，為了保證農(nóng)田土壤含水率，保證作物生長，苗期揭膜不適宜，因此苗期殘膜回收機(jī)具應(yīng)用較少［13］。

2.2 新疆秋后殘膜回收機(jī)械

秋后殘膜回收機(jī)械是指作物成熟并進(jìn)行收獲以后進(jìn)行殘膜回收作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械。這個(gè)階段地膜使用時(shí)間長，其附著力和黏土力較高，所以秋后地膜回收比苗期地膜回收困難。隨著地膜的長年使用，且每年回收不積極，經(jīng)過農(nóng)用機(jī)械和人工撿拾后碎片化嚴(yán)重，導(dǎo)致農(nóng)田耕層膜污染嚴(yán)重。秋后地膜經(jīng)風(fēng)吹日曬其力學(xué)性能減化嚴(yán)重，因此殘膜回收難度較高，此階段回收地膜需要保證的就是地膜的完整性。新疆地區(qū)秋后殘膜回收機(jī)主要機(jī)型及特點(diǎn)如表2所示。

表2 新疆秋后殘膜回收機(jī)械

由表2可以看出，新疆秋后殘膜回收機(jī)械種類較多，其結(jié)構(gòu)類型有伸縮桿式、彈齒、鏈齒式、氣力式。新疆秋后殘膜回收機(jī)主要集秸稈粉碎和殘膜回收兩種功能為一體，在回收殘膜之前可以將秸稈打碎還田。相比較先進(jìn)行秸稈粉碎還田后進(jìn)行殘膜回收大大提高了效率，降低了成本。該類型殘膜回收機(jī)回收的主要是表層膜，效率和效果都符合標(biāo)準(zhǔn)，但作業(yè)時(shí)間不長，可靠性不是很高。典型的新疆秋后殘膜回收機(jī)械如圖1所示。

圖1 典型的新疆秋后殘膜回收機(jī)械

2.3 新疆耕后播前殘膜回收機(jī)械

耕后播前指作物收獲以后對(duì)土地進(jìn)行耕作修整至下次播種前的階段，這個(gè)時(shí)間段主要是將農(nóng)田耕層破碎地膜和表層殘留地膜進(jìn)行再次回收作業(yè)，并且進(jìn)行整地，機(jī)具相比聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，新疆耕后播前殘膜回收機(jī)型如表3所示。

表3 新疆耕后播前殘膜回收機(jī)械

由表3中列舉的新疆耕后播前殘膜回收機(jī)特點(diǎn)：耕后播前主要回收的是耕地后的表層殘膜和耕層殘膜，此時(shí)機(jī)械主要作用就是將農(nóng)田剩余殘膜再次清理，以減少殘膜對(duì)土壤的污染及影響，使殘膜量達(dá)到最低，但播前回收效率不是很理想。典型的耕后播前殘膜回收機(jī)械如圖2所示。

圖2 旋耕齒釘式耕層殘膜回收機(jī)

3 新疆殘膜回收機(jī)存在問題

（1）新疆苗期、秋后、耕后播前殘膜回收機(jī)的研究單位多，研究機(jī)具種類各式各樣，起膜結(jié)構(gòu)多種多樣。目前根據(jù)農(nóng)藝要求來看，能夠穩(wěn)定運(yùn)行、高效率使用及推廣的機(jī)型的研發(fā)技術(shù)尚未成熟。

（2）殘膜回收機(jī)幅寬沒有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，幅寬在1.5-2.2 m殘膜回收機(jī)械種類多，殘膜回收機(jī)不能很好的解決邊膜回收問題，導(dǎo)致邊膜殘留成為主要?dú)埩簦?2］。

（3）表層殘膜回收機(jī)具研制較為普遍、且種類較多，回收率不高。耕層殘膜回收機(jī)研制難度大、種類較少，目前對(duì)耕層殘膜回收機(jī)研究仍需要深入推進(jìn)。

（4）由于新疆各地區(qū)土壤性質(zhì)的差異，導(dǎo)致膜對(duì)土壤的粘附效果不同，不同類型殘膜回收機(jī)對(duì)不同土壤性質(zhì)所覆蓋地膜回收效果不同，因此對(duì)不同的土壤性質(zhì)應(yīng)該如何選擇殘膜回收機(jī)的種類，使收膜效果達(dá)到最佳，無相關(guān)的研究結(jié)論［23-26］。

4 新疆殘膜回收機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 技術(shù)方面

（1）研究出多種功能為一體的殘膜回收機(jī)，具備耙地、收表層膜、耕層膜和整地為一體的機(jī)具，添加液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)農(nóng)田實(shí)際情況調(diào)節(jié)殘膜回收機(jī)入土深度，可以滿足秋后和耕后播前的收膜需求，并且適用多種覆膜作物。

（2）簡化收膜結(jié)構(gòu)，降低制造成本，提高機(jī)具穩(wěn)定性，使殘膜回收機(jī)具有經(jīng)濟(jì)性和可靠性，讓使用者操作方便，使用便捷，更容易接受。

（3）運(yùn)用智能控制系統(tǒng)，根據(jù)農(nóng)田土壤性質(zhì)和農(nóng)田大環(huán)境，自動(dòng)確定轉(zhuǎn)速、行駛速度，使工作效率達(dá)到最佳。

（4）加大農(nóng)用地膜的研究力度，繼續(xù)開展降解膜的研究，驗(yàn)證降解后沒有二次污染。研發(fā)應(yīng)用韌性、強(qiáng)度及耐候性較高的膜，方便機(jī)械回收和資源化利用。

4.2 政策方面

（1）政府需要加大推廣殘膜回收機(jī)和殘膜污染治理的力度，讓農(nóng)民認(rèn)識(shí)到、接觸到、了解到殘膜回收機(jī)的使用對(duì)農(nóng)田環(huán)境的益處。

（2）通過農(nóng)田治理專項(xiàng)現(xiàn)場會(huì)或培訓(xùn)教育班，擴(kuò)大宣傳力度，讓老百姓意識(shí)到殘膜污染問題的嚴(yán)重性，普及殘膜污染知識(shí)和殘膜回收知識(shí)。

（3）推廣實(shí)行降解膜和大于0.01 mm的地膜，統(tǒng)一地膜買賣，規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量，成立殘膜回收和資源化利用工廠，給予殘膜回收處理和資源化利用補(bǔ)貼提高農(nóng)民回收殘膜的積極性。

（4）建立健全殘膜污染環(huán)保法律體系，對(duì)地膜“白色污染”進(jìn)行規(guī)定和控制，嚴(yán)格要求農(nóng)田地膜殘留量，并治定超標(biāo)整治措施，嚴(yán)格法制管理。

總之，在地膜普遍的應(yīng)用且為農(nóng)民增收的前提下，新疆殘膜污染農(nóng)田土壤、降低農(nóng)作物產(chǎn)量這方面問題也必須重視起來，解決殘膜回收問題刻不容緩，減少殘膜污染就是減少白色污染。一方面研發(fā)制造殘膜回收機(jī)是解決新疆殘膜污染問題的有效途徑之一，以此減少殘膜對(duì)農(nóng)作物和環(huán)境的污染；另一方面還要大力研發(fā)低成本可降解的地膜，符合降解后對(duì)土壤和植物沒有影響的條件。因此新疆要解決農(nóng)田殘膜污染問題，就要從殘膜本身屬性和殘膜回收機(jī)械入手，發(fā)展制造符合新疆實(shí)際環(huán)境狀況的殘膜回收機(jī)，必須科學(xué)合理的設(shè)計(jì)回收機(jī)構(gòu)，增加智能控制系統(tǒng)，從而提高適用性和穩(wěn)定性。還要積極主動(dòng)配合國家相關(guān)政策，促進(jìn)新疆地區(qū)殘膜機(jī)械化水平的不斷進(jìn)步，提升我國殘膜回收機(jī)發(fā)展質(zhì)量。