殘膜回收機械化技術(shù)綜述

戚江濤 張濤 蔣德莉 潘亮亮

摘 要：地膜覆蓋雖然給農(nóng)民帶來了巨大的經(jīng)濟效益，但是也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的影響。針對殘膜對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害和國內(nèi)外殘膜回收機的發(fā)展狀況進行了綜述。以期為殘膜回收提供參考。

關(guān)鍵詞：殘膜；地膜覆蓋；殘膜回收機；回收率

中圖分類號 S232.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）09-153-03

地膜覆蓋種植技術(shù)不僅具有節(jié)水抗旱、增溫保墑作用，可使作物總產(chǎn)量大幅度提高，而且還可以插制雜草，具有節(jié)本增效的良好效果。但農(nóng)用塑料薄膜都是聚乙烯烴類化合物，自然條件下極難降解，如不及時進行清理回收，將會影響作物的生長發(fā)育與作物產(chǎn)量的提高，同時還會影響機具在田間的作業(yè)質(zhì)量。從推廣鋪膜種植到現(xiàn)在，我國耕地中的殘膜累計量已超過上百萬t。據(jù)測定某些地區(qū)每公頃田地里有殘膜少則45～75kg，多則105～120kg，殘地膜碎裂體多達3.3～6.75萬片?，F(xiàn)已構(gòu)成了白色污染[1]。據(jù)調(diào)查，殘膜主要殘留在0～20cm的農(nóng)田淺耕層內(nèi)，約占總殘留量的80%，嚴重影響機械作業(yè)。殘留廢膜易纏繞犁鏵，影響整地質(zhì)量[2]。大量的殘膜破壞了農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境，形成阻隔層，造成播種不均勻，影響播種質(zhì)量，種子播在殘地膜上會因吸收不到養(yǎng)分和水分而不能發(fā)芽，造成爛種，或因發(fā)芽后因吸收不到水分而枯死，從而降低作物產(chǎn)量[3]。殘地膜問題現(xiàn)已危害到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)民的增收?？傊?，防治地膜污染，保護耕地，清理殘膜，減少地膜殘留，已經(jīng)是一項十分緊迫而又有長遠意義的工作[4]。

1 國外殘膜回收機具與裝置研究現(xiàn)狀

隨著地膜覆蓋技術(shù)的長期應(yīng)用，殘膜回收現(xiàn)已成為許多國家不得不面對的一大棘手問題[5-7]。英國和前蘇聯(lián)主要是采用懸掛式收膜機，工作時松土鏟將壓膜土耕松，然后將殘膜收卷到羊皮網(wǎng)或金屬網(wǎng)上，收下的膜清洗干凈卷好備用。日本土壤主要是火山灰土，土質(zhì)疏松，而且地膜強度大，覆蓋期相對短（45～90d），清除時可保持較大片塊，利于收膜。歐美國家為防止殘膜污染危害，一方面推廣使用高強度、耐老化地膜，可以連續(xù)使用2～3a。采用收卷式回收地膜。另一方面，積極開發(fā)研制新型地膜，如可降解地膜，使殘膜經(jīng)一定時期自動分解成無害物質(zhì)混入土壤。法國研制的卷筒式收膜機，工作時起膜鏟翻松土壤，并起出地膜，由人工將地膜纏在卷膜筒上。機組前進時，地輪帶動卷膜筒旋轉(zhuǎn)，將回收的地膜卷在卷膜筒上。以色列是研究殘膜回收機起步較早的國家之一，利用收卷機來回收殘膜，效果較好。以色列A.V.I公司研制的收卷式回收機利用液壓馬達驅(qū)動收卷工作部件。同時控制收卷部件的轉(zhuǎn)速與拖拉機行進速度相適應(yīng)。

2 國內(nèi)殘膜回收機具發(fā)展狀況

目前回收殘地膜的手段主要有人工撿拾和機械回收2種方法。當前主要是以人工撿拾為主，但人工撿拾殘地膜勞動強度大、效率低，機械回收可以克服人工撿拾的弊端，是殘地膜回收的有效方法。國內(nèi)殘膜回收機具按照農(nóng)藝要求和殘膜回收時間分為：春播前回收、苗期揭膜機械、秋后回收機械等類型。

2.1 春播前回收 春播前由于大片殘膜已被收回、土壤疏松等特點，殘膜回收作業(yè)主要針對掩埋在地下的20cm以內(nèi)的小塊殘膜，其在撿拾過程中具有一定的難度。目前開發(fā)的機型主要包括2種：

一是采用傳統(tǒng)的摟耙式，即將田間的殘膜摟成堆后清理出地。新疆阿克蘇市研制的ISMS一5型密排彈齒式殘膜回收機[8]。該機在整地后播種前回收地表殘膜。它的工作原理主要是采用雙排摟齒將地表上的殘膜摟出。該機成本低，適合推廣應(yīng)用；CMJ一5型春秋兩用密排彈齒式殘膜回收機[9]是與小四輪拖拉機配套的農(nóng)業(yè)機械，主要用途是在播種前對地表5cm以內(nèi)的殘膜進行回收，單次作業(yè)收凈率達80%，具有結(jié)構(gòu)新穎、重量輕、價格低、工作效率高等特點。王春耀[10]等人介紹了一種懸掛式殘膜回收機的結(jié)構(gòu)及其工作原理，對懸掛式殘膜回收機的耬膜齒架及耬膜齒進行了有限元分析，加載時采用逐次迭代加載的方法進行，這種加載方式與實際工作情況更為吻合。對機架進行了動應(yīng)力測試，為改進設(shè)計提供了必要的理論依據(jù)。通過實驗結(jié)果表明：（1）為了減小耬膜齒入土斷的線位移，橫梁的形狀可用空心方鋼代替角鋼，提高橫梁的抗扭剛度。（2）改變齒的結(jié)構(gòu)可以減小對橫梁的扭矩。

二是采用氣吸/氣吹式，即采用挑膜輪等將田間殘膜挑起，然后在風(fēng)機作用下將其吹入集膜網(wǎng)箱，氣吸/氣吹式殘膜回收機只能回收地表殘膜且工作環(huán)境惡劣，易將塵土一同吸人膜箱。如新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機械交通學(xué)院研制的氣吹式春播前殘膜回收機[11]，研究設(shè)計了主要針對往年陳膜和碎膜的新型氣吹式春播前殘膜回收機，運用運動及動力學(xué)分析方法，建立了直齒殘膜撿拾機構(gòu)在氣流作用下運動模型及殘膜相對于撿膜齒的相對運動微分方程，計算撿膜齒在耕層50mm深度內(nèi)可得到較好的效果，撿膜輥轉(zhuǎn)速最適宜轉(zhuǎn)速為30r/min。兵團農(nóng)六師芳草湖農(nóng)場機關(guān)研制的CM-2.6型播前地表殘膜回收機[12]。由170型以上動力的小四輪半懸掛，機車在行走時利用聚風(fēng)罩兜風(fēng)所形成的風(fēng)力，及地輪行走時所產(chǎn)生的動力帶動毛刷轉(zhuǎn)掃器快速旋轉(zhuǎn)，使地表上的殘膜靠風(fēng)流的作用和毛刷旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的磨擦作用，使殘膜通過慣性甩入后面的出風(fēng)口收膜網(wǎng)箱。該機經(jīng)大面積田間示范和專家鑒定，地表1～3cm深土壤殘留地膜回收率在80%以上。

2.2 苗期殘膜回收 苗期揭膜是在作物澆頭水前地膜老化較輕、便于揭收的有利時機，代表的機型有以下幾種：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的棉花苗期地膜回收機[13]能夠?qū)崿F(xiàn)一膜兩行陸地種植模式的棉田地膜回收.在棉苗高度低于30mm，機組工作速度2～3km/h，地膜回收率可達95.7%。新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機化研制的MSM-3型苗期殘膜回收機[14]，它與小型或中型輪式拖拉機配套使用，采用卷膜輥主動收集廢膜，裝卸靈活，使用可靠。4TSM-4型懸掛式收膜機[15]，該機是頭水前揭膜機的代表機型。其結(jié)構(gòu)簡單，使用調(diào)整方便，工作可靠，殘膜回收率較高；張秋芳[16]等人針對現(xiàn)有苗期地膜回收機都是采用彈齒扎入地膜再回收，容易造成地膜的破損而不便于整體回收的問題，設(shè)計了一種柔性彈齒起膜輪，能夠在不挑破地膜的前提下，將地膜由下向上整體托起并卷到收膜輪上，從而達到較完整地收集地膜的目的。

2.3 秋后殘膜回收 殘膜回收作業(yè)主要以秋后殘膜回收為主，其回收對象主要是當年膜，由于薄膜老化、作物秸稈的影響，殘地膜回收難度大，一般要與秸稈還田機配合作業(yè)。代表的機型有以下幾種：

（1）中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的1MS-Ⅱ型地膜回收機[17]，針對我國多數(shù)地區(qū)實際使用的是超薄地膜（厚0.005mm以下的地膜）、且在作物收獲后再收膜的現(xiàn)狀，研制了適用于我國實際條件的殘膜回收機。該機采用滾筒加伸縮齒桿式撿膜機構(gòu)，膠帶式缷膜機構(gòu)。該機不需要輸出軸動力驅(qū)動，能耗少，結(jié)構(gòu)簡單，適用方便，殘膜回收率高，具有廣泛的實用性。羅東升[18]等人針對地膜回收機回收超薄地膜時回收率較低的現(xiàn)狀，提出為地膜回收機增加攏膜機構(gòu)的設(shè)想，并對攏膜機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。試驗結(jié)果表明，地膜回收機增加攏膜機構(gòu)可明顯提高撿膜器的工作性能。

（2）石河子大學(xué)機電學(xué)院研制的秸稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機SMS-1500[19]。這種機型有莖稈粉碎機和殘膜回收機兩部分組成，能一次完成莖稈粉碎和殘膜回收兩項作業(yè)。在回收棉田中殘膜的同時還可將粉碎的莖稈均勻的灑落在田間以作肥料?；厥盏臍埬ざ逊旁谔镩g一起運走。郭振華[20]等人設(shè)計了一種將拔棉稈與殘膜回收兩種功能相結(jié)合的新機型。在分析拔棉稈原理及多種殘膜回收機原理的基礎(chǔ)上，對棉稈集堆及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機進行了設(shè)計研究。分別以提輥式拔棉桿機械和鏟刀式拔棉稈機械的工作部件為研究對象，通過建立數(shù)學(xué)模型，分析各項功耗，得出各項阻力在總阻力中所占的比例關(guān)系。在膜桿分離的同時，達到了殘膜回收的目的。這一類的殘膜回收機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格偏高。

（3）新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)二師36團研究的氣吹式秋后殘膜回收機[21]，介紹了新型氣吹式秋后殘膜回收機的工作原理，對其主要工作零部件起膜鏟、切膜輥、撿膜輥的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了分析研究，給出了這幾個主要零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取范圍，并建立了撿膜輥齒的運動方程。通過分析提出了撿膜輥裝置應(yīng)采用間歇運動回轉(zhuǎn)機構(gòu)，這樣該裝置既可保證無漏撿的情況發(fā)生，又可獲得較好的風(fēng)機氣流通過性。陳發(fā)[22]等人針對棉花殘膜回收機弧形挑膜齒清理滾筒的結(jié)構(gòu)、工作原理，對弧形挑膜齒的運動軌跡和運動方程進行了分析研究，建立了殘膜相對弧形挑膜齒的運動方程，研究了弧形挑膜齒的速度、加速度等運動特性，并對弧形挑膜齒殘膜清理滾筒運動干涉情況作了檢驗，證明該機構(gòu)設(shè)計合理，殘膜回收率可達85%以上。

（4）甘肅省農(nóng)機推廣站研制的1FMJ-850型殘膜回收機[23]，殘膜收凈率90%，生產(chǎn)率在0.3hm2/h，配套動力為13.2kW小四輪拖拉機。由理論計算，滾筒的最低轉(zhuǎn)速不得小于71.5r/min，并經(jīng)試驗驗證，以120r/min為宜。徐新惠[24]等人針對殘膜對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害和殘膜回收機研究的重要性設(shè)計了一種滾筒式殘膜回收機，收膜滾筒靠拖拉機的牽引向前滾動，并驅(qū)動伸縮齒工作，啟動需動力輸出軸的驅(qū)動，動力消耗較少：配套動力功率為8.8～13.0kW；收膜幅寬為≤80cm；作業(yè)速度為2～3km/h；生產(chǎn)率為0.4～0.6hm2/h。

3 建議

（1）充分考慮農(nóng)民農(nóng)耕的實際情況，提高機具的利用率，降低使用成本。（2）殘膜回收機要以秸稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)為主要發(fā)展方向，實現(xiàn)不同作物播前、苗期、秋后的殘膜回收。（3）提高殘膜回收效率：尤其應(yīng)該提高小片地膜的回收率。（4）鼓勵使用標準化地膜，嚴禁生產(chǎn)和使用超薄農(nóng)用地膜，嚴格執(zhí)行GBl3735-92標準組織農(nóng)用地膜生產(chǎn)，最小厚度為0.008mm，且達到強度要求。

4 結(jié)語

綜上所述，國內(nèi)外針對殘膜回收機械的研究還不是很多，現(xiàn)有的殘膜回收機械雖然在一定程度上提高了殘膜回收率，但是面對土壤中大量的的殘膜，卻是遠遠不夠的。新疆農(nóng)業(yè)廳最近一份調(diào)查資料統(tǒng)計，目前新疆地膜覆蓋面積年均在233.33hm2左右，棉花、設(shè)施蔬菜、工業(yè)番茄、色素辣椒等作物基本均為地膜覆蓋種植，80%以上的玉米為覆膜種植，覆膜率每667m2達70%～87%，用量3～5kg/667m2，全區(qū)每年地膜總用量達15萬t。大量農(nóng)田地膜的使用雖然給農(nóng)民帶來了巨大經(jīng)濟效益，但是也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的影響。為此，人們都迫切盼望著能有一種“能穩(wěn)定、生產(chǎn)率較高、使用維護簡單、自動化程度較好、價格便宜易推廣”殘膜回收機械問世。合理使用地膜，提高殘膜回收率不僅是保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展重要舉措，也是地膜覆蓋這一重要的農(nóng)藝技術(shù)能否健康可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

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（責編：徐煥斗）