農(nóng)田地膜回收機(jī)械應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；地膜；回收機(jī)械；殘膜污染

地膜覆蓋可以通過提高地溫來提前播種時(shí)間，延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)期、保持土壤水分、減少雜草、保持土壤結(jié)構(gòu)等特性、提高作物產(chǎn)量、增加農(nóng)民收入。1948年日本率先開始研究地膜覆蓋技術(shù)并將其應(yīng)用于馬鈴薯、玉米等高產(chǎn)、高效益農(nóng)作物生產(chǎn)中，且日益普及，隨后歐美各國(guó)和前蘇聯(lián)等國(guó)也相繼對(duì)覆膜栽培下的作物生長(zhǎng)周期、水肥運(yùn)移、作物產(chǎn)量進(jìn)行試驗(yàn)和研究。我國(guó)20世紀(jì)70年代引入地膜覆蓋技術(shù)，在過去30多年里，地膜覆蓋技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和區(qū)域種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了革命性的變化。隨著地膜覆蓋面積的不斷增大和單位面積地膜投入量的增加，地膜覆蓋栽培技術(shù)在助力農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的同時(shí)，也給自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展帶來了一系列問題。地膜主要成分為聚乙烯高分子化合物，具有極強(qiáng)穩(wěn)定性，在自然環(huán)境狀態(tài)下需上百年才能降解。地膜在土壤中長(zhǎng)期殘留導(dǎo)致“白色污染”（圖1），對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大影響，農(nóng)田地膜殘留對(duì)土壤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物學(xué)性質(zhì)等有不利影響。農(nóng)田殘膜碎片會(huì)改變土壤孔隙的連續(xù)性，使水分滲透量減少、土壤含水量下降，同時(shí)地膜本身所含的物質(zhì)也會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢釋放到土壤中，從而造成土壤污染，導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。此外，隨著農(nóng)田殘膜量增加，種子發(fā)芽率、幼苗成活率和秸稈綜合利用率均降低。農(nóng)田殘膜污染引起國(guó)家的高度重視，殘膜污染治理工作刻不容緩。

目前廢舊地膜回收方式主要有3種，分別是人工回收、機(jī)具加人工回收、機(jī)械回收。人工回收是指人使用鎬頭、耙子等原始農(nóng)具，經(jīng)過摟膜、集壟、清除等多道工序完成回收作業(yè)。這種回收方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)成本高，耗時(shí)耗力，回收率較低，而且很難做到全面撿拾，部分殘膜仍然留在農(nóng)田中。半機(jī)械化回收主要依賴于耙齒式摟膜機(jī)、拔桿式收膜機(jī)等簡(jiǎn)單機(jī)械裝置和人工配合進(jìn)行農(nóng)田殘膜回收。雖然這種方式相較于人工回收能夠提升作業(yè)效率，但由于其起膜、拾膜設(shè)備的功能尚存不足，常導(dǎo)致地膜碎裂并散落在土壤中，對(duì)農(nóng)田構(gòu)成二次污染威脅。而機(jī)械化回收則更為先進(jìn)，它與現(xiàn)有的農(nóng)田作業(yè)機(jī)械，如秸稈粉碎機(jī)等相結(jié)合，在粉碎秸稈并還田的同時(shí)，一并完成殘膜的撿拾與回收工作。這種一體化的作業(yè)方式不僅大幅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，更顯著提升了回收效率與殘膜拾凈率，有效減少了殘膜散落的可能性，極大降低了二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。因此我國(guó)主要覆膜作物區(qū)現(xiàn)階段以機(jī)械回收為主，機(jī)械化回收成為解決殘膜污染問題的有效手段。以新疆為例，兵團(tuán)地區(qū)已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化回收，自治區(qū)也達(dá)到了95%的地區(qū)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化回收。此外，殘膜的回收時(shí)間大都集中于秋后，此時(shí)收膜79%，春季整地收膜還存在17%，作物生長(zhǎng)期間揭膜僅為4%。綜上所述，地膜回收主要集中在秋后收膜，回收方式以機(jī)械化回收為主。本文梳理國(guó)內(nèi)典型殘膜回收技術(shù)的發(fā)展情況，分析典型機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用條件，對(duì)我國(guó)殘膜污染治理關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行展望，提JLH我國(guó)農(nóng)田殘膜污染綜合治理建議，以期為解決我國(guó)農(nóng)田“白色污染”問題提供參考。

1殘膜回收機(jī)械裝備分類

地膜回收機(jī)具主要是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用于當(dāng)季地表殘膜或往季耕層殘膜回收作業(yè)的農(nóng)用機(jī)具。國(guó)外地膜回收機(jī)械研究始于20世紀(jì)初，國(guó)外地膜厚度大，回收時(shí)仍具有良好的抗拉強(qiáng)度，因此地膜回收多采用卷收方式。同時(shí)通過清掃裝置可實(shí)現(xiàn)地膜與雜質(zhì)的分離，因此研究重點(diǎn)為卷收機(jī)構(gòu)和清理機(jī)構(gòu)。我國(guó)地膜機(jī)械化回收技術(shù)與裝備的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)使用的農(nóng)用地膜厚度小、耐候性差，回收時(shí)地膜拉伸強(qiáng)度低，地膜破損嚴(yán)重，因此，國(guó)內(nèi)殘膜回收技術(shù)及裝備以撿拾回收方式為主。地膜回收機(jī)械根據(jù)農(nóng)藝要求和作業(yè)時(shí)間可分為苗期地膜回收機(jī)具、秋后殘膜回收機(jī)具和播前殘膜回收機(jī)具；按工作深度可以分為表層殘膜回收機(jī)和耕層殘膜回收機(jī)；按撿拾部件的不同，可分為柔性釘齒鏈板式、伸縮滾筒式、彈齒滾筒式、摟膜彈齒式、齒鏈?zhǔn)降葰埬せ厥諜C(jī)；按作業(yè)形式不同，分為單項(xiàng)作業(yè)機(jī)和聯(lián)合作業(yè)機(jī)。

1.1不同類型地膜回收機(jī)具的特點(diǎn)

1.1.1苗期地膜回收機(jī)具

苗期地膜回收是指在作物出苗后、澆頭水前進(jìn)行地膜回收。此時(shí)地膜使用時(shí)間較短，力學(xué)性能衰變程度小，回收相對(duì)容易。此類機(jī)具基本采用卷膜的技術(shù)方案。但苗期收膜會(huì)導(dǎo)致作物生長(zhǎng)保墑性能差、灌水量增加，與我國(guó)新疆農(nóng)業(yè)大面積推廣的膜下滴灌技術(shù)不相適應(yīng)，因此目前關(guān)于苗期地膜回收機(jī)的研究很少。

1.1.2秋后地膜回收機(jī)具

秋后地膜回收是在作物收獲后、耕地前進(jìn)行，主要回收當(dāng)年鋪設(shè)的地膜。新疆棉花收獲后地膜仍有一定的強(qiáng)度，相對(duì)完整，可以滿足機(jī)械回收要求，所以地膜回收以當(dāng)季地膜機(jī)械化回收為主；同時(shí)新疆殘膜回收過程中考慮與秸稈還田等協(xié)調(diào)作業(yè)，因此回收機(jī)具主要采用秸稈粉碎與地膜回收聯(lián)合作業(yè)方式。以地膜為作業(yè)對(duì)象，殘膜回收率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)研發(fā)了多種形式的地膜撿拾回收裝置，如彈齒滾筒式、桿齒滾筒式、齒鏈?zhǔn)?、摟集彈齒式，重點(diǎn)研究了撿拾回收部件結(jié)構(gòu)與撿拾機(jī)理。當(dāng)前，新疆市場(chǎng)上秋后殘膜回收機(jī)的生產(chǎn)，以彈齒伸縮滾筒和柔性釘齒鏈板式殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)為主。秋后地膜回收機(jī)具普遍存在回收地膜含雜率高的問題。

1.1.3播前地膜回收機(jī)具

播前殘膜回收作業(yè)是指土地翻耕后，平整作業(yè)至播種作業(yè)前進(jìn)行耕層地膜回收作業(yè)。此時(shí)的殘膜主要以碎片狀形式分布在耕層20cm以內(nèi)，回收難度大．主要采用摟、扎、篩分的方式回收，殘膜回收率不超過50%。播前殘膜回收根據(jù)作業(yè)模式可分為整地收膜聯(lián)合作業(yè)，以及整地后播種前的單項(xiàng)殘膜回收作業(yè)兩種模式。整地收膜聯(lián)合作業(yè)模式通常采用在聯(lián)合整地機(jī)上集成齒釘輥式扎膜裝置或彈齒式摟集裝置，進(jìn)行整地與耕層殘膜回收聯(lián)合作業(yè)；播前單項(xiàng)回收采用摟膜、扎膜以及膜土篩分的回收方式，其中摟集、扎膜結(jié)構(gòu)存在卸膜困難等問題，篩分式膜雜分離效果好，但需要對(duì)耕層土壤過篩，存在篩分效率低、作業(yè)能耗大的問題。對(duì)篩分式的研究主要集中在如何提升篩分裝置膜土分離效率和降低功耗上。

2殘膜回收機(jī)械裝備應(yīng)用情況

2.1秋后殘膜回收機(jī)具

近5年，以撿拾方式的不同，新疆秋后殘膜回收機(jī)主要使用的機(jī)型有摟膜彈齒式、齒鏈?zhǔn)?、彈齒滾筒式、桿齒伸縮滾筒式等。單項(xiàng)作業(yè)機(jī)具只具備回收殘膜的功能，應(yīng)用最多的是摟膜彈齒式立桿摟膜機(jī)，其與51.5-66.2kW拖拉機(jī)配套使用，一次作業(yè)可完成摟膜、脫膜、卸膜等工序。此種機(jī)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、作業(yè)效率高，但殘膜回收率低于60%、含雜率高達(dá)90%，回收后還需其他輔助機(jī)具或人力轉(zhuǎn)運(yùn)，近年來已逐步淘汰。秸稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)在秸稈粉碎還田后進(jìn)行殘膜回收作業(yè)，減少了作業(yè)工序，降低了秸稈對(duì)殘膜回收的干擾，但機(jī)具結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)偏高，并且殘膜與秸稈混合在一起，為后期分離帶來困難。此外，秸稈粉碎還田要求作業(yè)速度高，但高速作業(yè)會(huì)影響殘膜回收效果。新疆常用的秋季殘膜回收作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)以及作業(yè)特點(diǎn)如表1所示。

2.2播前地膜回收機(jī)具

播前收膜作為秋季收膜作業(yè)的重要補(bǔ)充，主要回收耕層內(nèi)的小塊地膜。常用的機(jī)具有密排彈齒式摟膜機(jī)、平地?fù)ぢ?lián)合作業(yè)機(jī)和加裝摟膜耙、扎膜輥的整地機(jī)，該類機(jī)型組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)幅寬大、效率高，但都只能撿拾大塊的殘膜，而對(duì)于小塊的殘膜卻無能為力，在新疆早期的殘膜回收作業(yè)中常有應(yīng)用，常見的機(jī)型有單項(xiàng)作業(yè)機(jī)具和與整地相結(jié)合的聯(lián)合作業(yè)機(jī)具，如圖2中的自卸式彈齒摟膜機(jī)和整地與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，近年研究與使用較少。

近年來當(dāng)季地膜回收的秸稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)型在新疆占據(jù)主流地位，其集成撿拾、脫膜、膜稈分離、膜土分離多種功能，且多采用卷收成捆的模式，便于裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)，工作效率達(dá)到13.3hm2．d-1，殘膜回收率80%以上。另外，摟集后輔助人工撿拾的分段作業(yè)模式仍有使用，如新疆的阿瓦提、阿拉爾等地，此種模式含雜率更低，但需要二次作業(yè)，作業(yè)成本及工作效率相比聯(lián)合作業(yè)沒有優(yōu)勢(shì)。

3殘膜回收機(jī)械化制約因素

3.1地膜厚度薄、強(qiáng)度差

我國(guó)在20世紀(jì)80年代初期的地膜厚度為0.014mm，但為了降低成本、獲得更大的經(jīng)濟(jì)利益和迎合市場(chǎng)需求，目前地膜市場(chǎng)的實(shí)際情況是以量定價(jià)，而不是以質(zhì)定價(jià)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13735-2017的規(guī)定，農(nóng)用地膜的厚度不得小于0.01mm，但現(xiàn)階段農(nóng)民為減少生產(chǎn)成本投入，更傾向于超薄地膜，如果使用厚度為0.008mm的地膜，每公頃需要地膜47.5-60.0kg，減少近一半的成本投入，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)也降低了地膜的抗拉強(qiáng)度。這種超薄型地膜由于強(qiáng)度小、延展性差、覆蓋期長(zhǎng)、老化快，有的甚至不到收獲季節(jié)就會(huì)破損，極易殘留于土壤中，且清除時(shí)易碎，在受到自然風(fēng)化作用及田間作業(yè)時(shí)的機(jī)械、人為作用時(shí)更容易破損，使用一季之后，甚至不到一季就破裂成碎片，這為后期的機(jī)械化回收帶來困難。

3.2覆膜種植品種繁多、模式復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)化程度低

地膜覆蓋最初主要用于經(jīng)濟(jì)價(jià)值比較高的蔬菜、花卉生產(chǎn)上，現(xiàn)已擴(kuò)大到棉花、玉米、小麥、水稻等大宗糧食作物的栽培種植以及甘蔗、煙草、花生、西瓜等多種經(jīng)濟(jì)作物的栽培種植，在新疆、東北、內(nèi)蒙古、甘肅等高寒冷涼、干旱及半干旱地區(qū)，地膜覆蓋技術(shù)已推廣應(yīng)用到大部分農(nóng)作物種植上。地膜覆蓋技術(shù)已逐漸推廣應(yīng)用到80多種農(nóng)作物的種植。

作物種植模式復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)化程度低。新疆棉花主要存在一膜六行（64+12）cm和一膜三行等行距種植模式：覆蓋205cm寬膜，采用76cm等行距的種植模式。甘肅省主要采用一膜四行的種植模式，膜寬145cm，行距設(shè)置為（30+50+30）cm，膜間距為40cm。內(nèi)蒙古地區(qū)也使用145cm寬的地膜，但采用一膜五行的種植模式，寬行間距50cm，窄行間距25cm。東北地區(qū)和黃河流域還采用一膜兩行和一膜三行的種植模式，膜寬為90cm或120cm。我國(guó)作物種植沒有統(tǒng)一的種植模式及標(biāo)準(zhǔn)，各地農(nóng)藝和種植模式差異較大，單一的殘膜回收設(shè)備無法在種植模式如此復(fù)雜的條件下作業(yè)，從而制約了殘膜回收機(jī)械的適應(yīng)性，不利于產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

3.3殘膜回收機(jī)具適應(yīng)性及作業(yè)質(zhì)量等還存在較多問題

殘膜機(jī)械化回收近年來有大的發(fā)展，但當(dāng)前應(yīng)用農(nóng)田殘膜回收利用技術(shù)裝備不能完全解決殘膜污染問題，存在的核心問題有：

一是不同地塊土壤硬度及濕度差異大，撿拾部件的工作狀況有較大差異，并且機(jī)具本身無法根據(jù)不同的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，智能化程度低，導(dǎo)致殘膜回收機(jī)具無法滿足不同土壤條件、不同種植模式的要求，適應(yīng)性差。

二是回收率偏低，大規(guī)模作業(yè)時(shí)回收率遠(yuǎn)達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

三是市面上的殘膜回收機(jī)品牌繁多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，且應(yīng)用廣泛的棉花秸稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)功耗大，需要103kW以上的拖拉機(jī)為動(dòng)力。

四是含雜率高，目前市場(chǎng)已有機(jī)型回收后得到的殘膜混合物雜質(zhì)在80%-90%，并且殘膜、土、秸稈混在一起，難以分離，沒有達(dá)到回收企業(yè)的回收標(biāo)準(zhǔn)，不能直接進(jìn)行再利用加工。由于回收的殘膜雜質(zhì)高，回收殘膜大量堆積，造成二次污染。

4殘膜回收機(jī)械化發(fā)展對(duì)策

4.1加大高標(biāo)準(zhǔn)地膜推廣力度、提高地膜適收性能

加大高標(biāo)準(zhǔn)地膜的推廣力度，不僅可以提高機(jī)械收膜時(shí)的回收率，而且由于地膜厚度標(biāo)準(zhǔn)化，殘膜破損程度會(huì)有所減輕，回收的殘膜便于日后的再生利用。大力推廣高標(biāo)準(zhǔn)的地膜，從源頭上治理地膜生產(chǎn)不規(guī)范的問題。嚴(yán)格執(zhí)法，禁止生產(chǎn)和銷售不達(dá)標(biāo)的地膜，控制不符合規(guī)范的地膜進(jìn)入市場(chǎng)，從源頭上徹底解決廢舊地膜污染治理的難題。

4.2規(guī)范覆膜種植農(nóng)藝，改善機(jī)械化回收條件

規(guī)范農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)及地膜回收條件，統(tǒng)一地膜覆蓋種植模式，使農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)有效融合。盡量統(tǒng)一農(nóng)作物耕作規(guī)范、種植模式，保持作物種植方式、后期的田間管理、收獲方式及行間距的一致性，以便于機(jī)械化作業(yè)，提高機(jī)具的作業(yè)可靠性、適應(yīng)性和作業(yè)效率等。

4.3制定地膜使用回收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

從地膜選用、鋪膜播種作業(yè)及回收時(shí)地膜所需要達(dá)到的強(qiáng)度等多方面提出地膜使用技術(shù)要求；從收凈率、含雜率（包括含土率及含稈率）、作業(yè)效率等幾方面提出殘膜回收機(jī)械需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，規(guī)范生產(chǎn)企業(yè)，提升殘膜回收機(jī)的作業(yè)性能，實(shí)現(xiàn)地膜高效回收技術(shù)裝備的規(guī)模化應(yīng)用。

4.4關(guān)鍵技術(shù)和裝備的攻關(guān)

重點(diǎn)突破高效膜雜分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程中殘膜與秸稈、土壤等雜質(zhì)的多級(jí)有效分離，為回收殘膜資源化利用創(chuàng)造基本條件；突破膜面雜質(zhì)清理、高收凈率起膜等關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到大規(guī)模連續(xù)作業(yè)條件下機(jī)具收凈率85%以上的目標(biāo)；突破入土部件減阻降阻技術(shù)以及整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)，降低機(jī)具質(zhì)量和作業(yè)能耗；集成創(chuàng)制機(jī)電液一體化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)殘膜回收智能化精準(zhǔn)作業(yè)，提高殘膜回收機(jī)的作業(yè)效率及作業(yè)品質(zhì)。

4.5加強(qiáng)政策扶持力度，促進(jìn)殘膜機(jī)械化回收技術(shù)快速發(fā)展

機(jī)械化技術(shù)對(duì)殘膜的回收利用起著重要的作用，應(yīng)加強(qiáng)政策扶持力度，加快示范推廣膜雜分離效果好、使用可靠性和地區(qū)適應(yīng)性高的殘膜回收機(jī)械。加強(qiáng)國(guó)家農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼力度，開展作業(yè)質(zhì)量好的產(chǎn)品作業(yè)費(fèi)用補(bǔ)貼，從政策方面引導(dǎo)提高殘膜的回收利用，推動(dòng)殘膜機(jī)械化回收更加廣泛且持續(xù)地發(fā)展。