甘肅地區(qū)玉米典型種植模式下機(jī)械化殘膜回收技術(shù)研究

劉小龍，趙武云，張 華，孫 偉，李 輝，李紅嶺

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

農(nóng)膜因其具有良好的增溫、保墑、蓄水、滅草之功效而廣泛應(yīng)用于甘肅地區(qū)乃至全國(guó)的玉米種植過(guò)程中，使用農(nóng)膜種植可提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，特別是干旱少雨的甘肅地區(qū)，農(nóng)膜為國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品供給做出了重要貢獻(xiàn)，被譽(yù)為“白色革命”[1]。有關(guān)研究表明，殘留農(nóng)膜在土壤中積累會(huì)對(duì)地表和上層土壤的理化性質(zhì)造成負(fù)面影響[2]。塑料薄膜的大量使用不僅降低了土壤的透氣性、影響土壤結(jié)構(gòu)，而且會(huì)損害農(nóng)作物的生長(zhǎng)[3]，進(jìn)一步引發(fā)環(huán)境問(wèn)題。形成“白色污染”的根本問(wèn)題在于“膜”，治理“白色污染”的關(guān)鍵在于殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用。突破膜面清潔、起膜壓茬碎土、邊膜撿拾、膜茬分離、膜土分離、近恒線速度卷膜、小錐度水平聯(lián)動(dòng)快速卸膜、旋轉(zhuǎn)輥集膜卷捆等關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，研發(fā)出系列適宜河西灌區(qū)、隴東隴中地區(qū)玉米殘膜回收機(jī)迫在眉睫。

1 甘肅地區(qū)玉米農(nóng)膜使用與回收現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 農(nóng)膜使用與回收現(xiàn)狀

近年來(lái)，甘肅省因其獨(dú)特的地域限制，推動(dòng)實(shí)施了玉米全膜雙壟溝播種、玉米平作全覆膜播種、馬鈴薯大壟雙行栽培等種植方式[4]，2018年全省地膜覆蓋面積為192.3萬(wàn)hm2，地膜使用量17.1萬(wàn)t，僅次于農(nóng)膜使用全國(guó)第一的新疆地區(qū)。由于甘肅省各地地勢(shì)差異顯著，隴東、隴中等地區(qū)土質(zhì)松軟，引進(jìn)省外殘膜回收機(jī)回收效果不好。河西灌區(qū)土質(zhì)較硬且土壤層中砂石較多，玉米等根系較大，農(nóng)膜回收無(wú)機(jī)可用。

1.2 農(nóng)膜使用與回收中存在的問(wèn)題

由于部分商家趨于經(jīng)濟(jì)利益的追求，將農(nóng)膜厚度逐漸減小，個(gè)別地區(qū)使用地膜厚度甚至小于0.005mm，致使殘膜彈性減小，老化速度加快，秋后膜面破損嚴(yán)重，為人工回收和機(jī)械回收造成了極大挑戰(zhàn)。另外，甘肅地區(qū)農(nóng)膜種植戶對(duì)殘膜回收和環(huán)境保護(hù)意識(shí)不強(qiáng)，為殘膜回收利用制造了障礙。

2 甘肅地區(qū)玉米典型種植模式下機(jī)械化殘膜回收技術(shù)

2.1 優(yōu)化設(shè)備完善科研保障

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)擁有國(guó)家種子加工裝備工程技術(shù)研究中心、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方馬鈴薯全程機(jī)械化科研基地(西北地區(qū))、甘肅省旱作農(nóng)業(yè)裝備工程實(shí)驗(yàn)室、甘肅省旱作農(nóng)業(yè)裝備省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心等省級(jí)以上科研平臺(tái)。北方馬鈴薯全程機(jī)械化科研基地(西北地區(qū))新購(gòu)置1 200萬(wàn)元儀器設(shè)備，單位擁有3D打印機(jī)、三坐標(biāo)掃描儀、三維激光掃描儀、焊接機(jī)器人、激光線切割、臥式加工中心、土槽試驗(yàn)平臺(tái)、播種測(cè)試平臺(tái)、SolidWorks和EDEM軟件等一批先進(jìn)加工設(shè)備、測(cè)試儀器和設(shè)計(jì)分析軟件，為殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用提供了良好的科研條件支撐。

2.2 校企合作共促雙贏目標(biāo)

2.2.1 定西市三牛農(nóng)機(jī)制造有限公司。 定西市三牛農(nóng)機(jī)制造有限公司屬國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，企業(yè)技術(shù)中心為省級(jí)企業(yè)中心?，F(xiàn)有研發(fā)中心、內(nèi)測(cè)實(shí)驗(yàn)室、工藝室、實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)基地等農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)應(yīng)用場(chǎng)所，并配備完善的研發(fā)、實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)設(shè)備，已形成“研發(fā)一批、生產(chǎn)一批、儲(chǔ)備一批”的創(chuàng)新運(yùn)行模式。公司與殘膜回收相關(guān)研究成果獲甘肅省專利二等獎(jiǎng)和甘肅省發(fā)明三等獎(jiǎng)，裝備生產(chǎn)能力和研發(fā)實(shí)力均相對(duì)較強(qiáng)。

2.2.2 甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司。甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司是甘肅省高新技術(shù)企業(yè)，2007年技術(shù)中心被評(píng)定為省級(jí)“企業(yè)技術(shù)中心”，公司現(xiàn)有機(jī)加工、總裝、后橋裝配、噴涂、車廂制造分廠等車間。擁有各類加工設(shè)備、檢測(cè)儀器、試驗(yàn)設(shè)備200余臺(tái)(套)，具有3.3hm2機(jī)具試驗(yàn)基地。設(shè)有甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)臨洮旱作農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)專家院，具有良好的產(chǎn)學(xué)研合作基礎(chǔ)，公司研發(fā)了3款殘膜回收機(jī)，具有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力和裝備生產(chǎn)能力。

上述公司工藝室、實(shí)驗(yàn)室、加工車間和實(shí)驗(yàn)基地將開(kāi)放共享，公司技術(shù)人員主要承擔(dān)關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，耕層殘膜回收機(jī)和新型殘膜回收、秸稈粉碎還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)樣機(jī)的研制，以及11FMS-120型旋齒式殘膜回收機(jī)、11MFJ-125型雙升運(yùn)鏈卷軸自卸式廢膜撿拾機(jī)秋后回收和播前回收適應(yīng)性、耐久性試驗(yàn)和定型后量產(chǎn)。

2.3 突破技術(shù)瓶頸實(shí)現(xiàn)機(jī)械化殘膜回收不斷創(chuàng)新

2.3.1 起膜壓茬碎土技術(shù)。 通過(guò)根茬壓輥、起膜鏟排列、起膜鏟安裝角度及起膜鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)起膜碎土基本不起根茬，降低膜雜分離負(fù)荷的同時(shí)降低撿拾地膜含雜率。

2.3.2 膜面雜質(zhì)清潔技術(shù)。 通過(guò)膜面壓輥、滅茬刀排列、滅茬刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)起膜前滅茬和膜面雜質(zhì)清理輸送，降低膜雜分離負(fù)荷，降低撿拾地膜含雜率。

2.3.3 旋轉(zhuǎn)輥集膜卷捆技術(shù)。 升運(yùn)鏈與旋轉(zhuǎn)輥集膜卷捆高度和縱向位置重疊再配合主動(dòng)脫膜裝置實(shí)現(xiàn)可靠脫膜，研發(fā)的旋轉(zhuǎn)輥集膜卷捆裝置，實(shí)現(xiàn)了膜土進(jìn)一步分離、自動(dòng)卷捆和液壓自動(dòng)卸膜，降低了含雜率，實(shí)現(xiàn)了液壓高效卸膜。

2.3.4 小錐度水平聯(lián)動(dòng)快速卸膜裝置技術(shù)。 創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平聯(lián)動(dòng)卸膜裝置，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)卷膜筒直線移出，實(shí)現(xiàn)快速卸膜，卸膜后移動(dòng)卷膜筒可快速自動(dòng)回位；彈珠式插銷鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卷膜釘齒的快速拆卸，移動(dòng)卷膜筒直線移出功能使卷膜筒實(shí)現(xiàn)小錐度結(jié)構(gòu)，增加了一次工作卷膜量，減少了卸膜次數(shù)。

3 甘肅地區(qū)玉米典型種植模式下機(jī)械化殘膜回收效益

殘膜回收機(jī)研制過(guò)程中圍繞關(guān)鍵共性技術(shù)與核心部件開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研推聯(lián)合攻關(guān)，采用的研究路線、方法對(duì)開(kāi)展農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備相關(guān)領(lǐng)域的研究具有借鑒價(jià)值，取得的研究成果對(duì)提高我國(guó)殘膜回收水平具有重要的科學(xué)價(jià)值。

3.1 社會(huì)效益

地膜覆蓋可有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，但受“重使用、輕回收”觀念影響，部分地區(qū)農(nóng)膜殘留污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，已成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出環(huán)境問(wèn)題。2019年國(guó)家六部委出臺(tái)《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)用地膜污染防治的意見(jiàn)》，要求到2020年農(nóng)膜回收率達(dá)到80%以上，到2025年，農(nóng)膜基本實(shí)現(xiàn)全回收，農(nóng)田白色污染得到有效防控。玉米殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用為甘肅與全國(guó)同步實(shí)現(xiàn)2025年農(nóng)膜基本實(shí)現(xiàn)全回收奠定裝備基礎(chǔ)，將為農(nóng)田白色污染得到有效防控做出重要貢獻(xiàn)。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

一方面，玉米殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用通過(guò)提升機(jī)具適應(yīng)性、可靠性、拾凈率，降低含雜率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效殘膜回收目標(biāo)，使每畝機(jī)械化撿拾成本降低15%；另一方面，定型產(chǎn)品的生產(chǎn)給企業(yè)提供了良好的經(jīng)濟(jì)效益，降低殘膜含雜率可有效減少后續(xù)殘膜回收再利用加工成本，我國(guó)農(nóng)膜使用面積位居全球第一，因此，殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用能夠?yàn)槲覈?guó)帶來(lái)持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 生態(tài)效益

當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)膜覆蓋面積達(dá)1 866.7萬(wàn)hm2，但農(nóng)田地膜回收率不足60%，殘留地膜破壞農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的同時(shí)造成“視覺(jué)污染”，影響村容村貌。殘膜與秸稈、飼料混在一起，可導(dǎo)致家畜胃腸功能失調(diào)甚至死亡[5]，目前機(jī)械化回收是我國(guó)治理殘膜污染的一個(gè)重要途徑，殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用可有效提升我國(guó)殘膜回收水平，為優(yōu)化土壤土質(zhì)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

解決農(nóng)膜污染問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的首要前提。甘肅地區(qū)玉米典型種植模式，即在隴東、隴中地區(qū)實(shí)施玉米全膜雙壟溝播種種植方式，在河西灌區(qū)實(shí)施玉米平作全覆膜播種種植方式，根據(jù)隴東、隴中地區(qū)與河西地區(qū)的土壤差異，因地制宜地開(kāi)展機(jī)械化殘膜回收工作是解決農(nóng)膜污染的關(guān)鍵之處。希望依靠政府、企業(yè)、社會(huì)團(tuán)體等群體共同推動(dòng)甘肅地區(qū)玉米殘膜回收先進(jìn)技術(shù)輻射周邊的同時(shí)提升全國(guó)殘膜回收水平，為國(guó)家?guī)?lái)持續(xù)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。