王 坤,谢建华,曹晓冉,杨业龙,孙超伟(新疆农业大学机械交通学院,新疆 乌鲁木齐 830052)
浅谈国内外地膜应用及残膜回收机的研究现状
王 坤,谢建华※,曹晓冉,杨业龙,孙超伟
(新疆农业大学机械交通学院,新疆乌鲁木齐 830052)
地膜广泛的应用于农业种植的各个领域,随着种植年限的不断增加,残膜污染问题严峻。本文介绍了国内、外地膜的应用情况、可降解地膜的研究现状及国内、外残膜回收机具的研究现状,分析了典型残膜回收机具的工作原理及存在的问题,为解决残膜污染问题提出了相关的建议。
残膜;可降解地膜;残膜回收机具;对策;建议
地膜覆盖技术是现代农业科学技术发展的里程碑,促使农业生产方式得到改善以及农业生产力得到提高[1]。地膜覆盖能够保持土壤温度,防止天气变化引起种子出芽率低、烂芽的情况;促进种子细胞中酶的活性;抑制微生物对种子含水量和贮存寿命的影响[2]。地膜覆盖技术广泛应用于粮食作物、经济作物的栽培中。
“白色革命”的兴起,致使“白色污染”问题也随之出现。农用地膜回收通常采用人工捡拾和机械回收两种方式[3]。人工捡拾残膜费时费力,且近些年劳作工人的数量得不到保障,人工捡拾成本过高。采用机械回收残膜的方式,残膜拾净率较低。我国残膜回收机具的研制起步较晚且机械化残膜回收技术还未成熟,一些关键性技术还未突破。目前,解决残膜污染问题的措施:一方面研发新型、高效的残膜回收装备;另一方面从源头解决问题,研制可降解、无污染的新型地膜。
地膜大多数由有机化合物聚合而成。早在50年代初,日本、美国、欧洲等发达国家就已经应用地膜来提高农作物产量。我国在70年代引进地膜覆盖技术[4],经过几年的研究、试验,因化学性稳定,在自然条件下对作物无害,能大幅度提高农作物产量,在全国范围内推广使用。地膜按照材料特性分为不可降解地膜和可降解地膜。
1.1不可降解地膜
不可降解地膜是在主要原料为聚乙烯、聚氯乙烯中加入各种添加剂混合制成。以聚乙烯为主要材料的普通地膜,在土壤中可存在200~400年[5]。目前,我国农田覆盖的地膜大多采用不可降解地膜。随着覆膜年限的增加,存留在田间的地膜已经成为影响农业可持续发展的重大难题。
1.2可降解地膜
可降解地膜是在短时间内,利用微生物的生理活动、物质间的化学反应以及紫外光的照射,相互协同、增效,实现无污染降解的一类地膜。如我国用淀粉与聚乙烯醇(PVA)混和制成的可降解地膜,具有与不可降解地膜相同的优点[6]。美国爱荷华州立大学研制的生物可降解地膜聚乳酸(PLA),具有生物相容性和无毒性的特点,可完全分解成CO2和H2O[7]。目前,各国对可降解地膜引起了足够的重视,但由于生产成本较高,并未得到大面积应用。可降解地膜可分成光可降解地膜、生物可降解地膜和液态可降解地膜。
1.2.1光可降解地膜
光可降解地膜是把光敏性物质或光敏性基因,穿插在稳定的高分子聚合物链条中,通过太阳紫外光的照射,使光敏性物质脱离有序的高分子链,进而迫使链条断裂,达到降解的目的。最终光降解地膜被降解为粉末状物质,由土壤中微生物吸收利用[8]。河南研究院化学研究所研究的光可降解地膜,将超细煤粉作为添加剂加入聚乙烯聚合物中,通过阳光照射使分子链断裂,最终被土壤细菌吞噬[9]。然而,被土壤覆盖住的地膜未经阳光的直接照射无法降解。因此,使用光降解地膜需考虑应用地区的气候条件以及光照强度等特殊情况。
1.2.2生物可降解地膜
生物可降解地膜是在一定自然环境下,通过细菌、真菌等微生物侵入地膜中,经过生理活动使其降解的塑料地膜。按照生物可降解地膜的材料来源分为天然型和合成型[10]。天然型生物可降解地膜是以纤维素、甲壳质或淀粉等为材料,通过微生物活动时分泌的酶使有机物化学键断裂,进而达到降解。多伦多大学利用大麻纤维研制的天然高分子型降解地膜[11]。合成型生物可降解地膜又可分为化学合成型和微生物合成型两种。化学合成型是在分子结构中引入能被微生物分解的含酯基结构的高分子有机物。新疆兵团全面推广、使用的材料为PBSA的可降解地膜。微生物合成型通过对微生物的培养,使其体内发酵,获得微生物多糖和聚酯的可降解物质[6]。美国加利福尼亚大学利用活性污泥与聚-β-羟基烷酸(PHAs)混合制成的生物可降解地膜[12]。由于生物降解地膜的力学性能以及耐热性还需改进,且其成本高,在农用地膜上应用较少。
1.2.3液态可降解地膜
液态可降解地膜是把液态的有机高分子物质均匀的喷洒在地表,使有机高分子物质浸入土层的凹陷,经过水分的蒸发,形成具有拉伸强度的薄膜,经过2~3个月后降解[13]。近年,我国高校以腐殖酸为主要材料研制的可降解液态地膜备受关注。这种液态物质是以秸秆或淀粉、海藻、造纸、酿酒等废液为原料,通过泥炭、风化煤或褐煤进行改性,再与各种微量元素、添加剂、农药、除草剂和硅肥混合制成[13]。液态地膜归为土壤调理剂类,由有机高分子链构成,具有较强的脱水性、黏附性。国内液态可降解地膜种类较少,加工设备成本高,并没有大面积推广使用。
2.1国外残膜回收机
国外一般使用抗拉强度较高的厚地膜,厚度在0.015 mm以上,因此,国外的残膜回收机结构比较简单,通常使用收卷式残膜回收机进行回收[14],由起膜铲和卷磨辊组成。由于地膜覆盖周期相对较短,地膜的完整性不被破坏,可连续使用几年。
2.2国内残膜回收机
我国在1982年着手研制残膜回收机[15],至今已研发残膜回收机超过百种[16]。由于我国使用的农田覆盖地膜厚度在0.006~0.008 mm之间[14],因此,国外的残膜回收机不适用于我国残膜的回收。按照整地作业时间,我国的残膜回收机可分为三类:(1)播前残膜回收机;(2)苗期残膜回收机;(3)秋后残膜回收机。
图1 气吹式播前残膜回收机
2.2.1播前残膜回收机
播前残膜回收机是在开春耕完地之后、未播种子之前,对农田地膜进行机械回收。由于地膜在地表铺设已接近一年,破损严重,此时收膜困难,残膜回收率低。典型的残膜回收机有新疆农业大学研发的气吹式播前残膜回收机,181兵团研发的4CM-5.0型轮齿式残膜回收机,新疆农垦总局研制的ISM-5型密排弹齿式残膜回收机,芳草湖总场研制的CM-2.6型半悬挂式残膜回收机等。图1为新疆农业大学研发的气吹式播前残膜回收机。机具工作时,由传动装置带动卷膜齿高速运转,把地表残膜、土砾一起卷离地面,通过风机产生的气流,流经风道,在膜土分离装置中,把残膜吹入收膜箱,土砾则经风道后壁返回地表[17]。由于土砾是靠自身重力返回地表,会带出一部分残膜,致使残膜回收率降低。且机具作业时尘土飞扬、条件恶劣,未得到推广。
图2 CSM-130B型苗期残膜回收机
2.2.2苗期残膜回收机
苗期残膜回收机是在浇头水前揭膜,此时揭膜方便。由于我国推广采用膜下滴灌农作物的方式,此时不易揭膜,该种机型的工作原理大多采用齿链式或悬挂式,相关研究较少。典型的残膜回收机有新疆兵团研制的CSM-130B型苗期残膜回收机,兵团农机推广站研发的4CM-150型齿链式悬挂收膜机,石河子农八师134团研发的4CJ型悬挂式残膜回收机等。图2为新疆兵团研制的CSM-130B型苗期残膜回收机[18]。残膜机工作时,由抓膜齿链将地表残膜抓起,通过起膜导轨运送于脱膜皮辊处,经过皮辊上的胶片强行拍落残膜,残膜由于帆布传送带的运动,会自发的卷绕成一个无心的圆捆,但须要人工辅助卸膜。
2.2.3秋后残膜回收机
秋后残膜回收机是在收获农作物后、未耕地前使用。通常与整地作业一起进行,提高了时间利用率,节约了农时。由于秋后残膜回收机具结构简单,机具工作幅宽较大,工作效率较高[19],因此该类机具研发品种多,应用广泛。典型的残膜回收机有新疆农科院农机化所研制的4JSM-1800A2型秋后残膜回收机,新疆农垦科学院农机所研发的4SM-2型伸缩扒杆式残膜回收机,新疆农业大学研发的1MS-1型偏心滚筒杆齿式残膜回收机,喀什农机研究所研发的SM-1型链扒式残膜回收机等。图3为新疆农科院农机化所研制的4JSM-1800A2型秋后残膜回收机。残膜回收过程:松土齿将膜下土疏松,挑膜齿将残膜挑起,运输到脱膜位置,脱模轮从卷筒上将残膜脱下,输送入膜箱[20]。此种机具在脱膜过程中,由于膜秆分离率低[19],会出现残膜卷绕的情形,影响机具正常工作。
图3 4JSM-1800A2型秋后残膜回收机
近年,我国残膜污染现象十分严峻,尤其在新疆地区,已影响到人们的生产、生活。农田废旧地膜若得不到及时回收,致使地表层土壤通透性变差,有机物质缺失,造成下一年农作物产量降低。同时,残膜到处随风飘荡,挂落在树枝上,影响城镇、乡村的面貌。对此可以采取以下措施解决残膜污染问题:
(1)采用高洁、无污染的材料生产地膜。目前,农田覆盖的地膜材料多为PE,这种材料在自然条件下很难降解,回收难度大。新疆生产建设兵团欲于2016年开始,在全区内推广、使用生物可降解地膜,地膜为聚丁二酸丁二醇酯-聚已二酸丁二醇酯共聚物(PBSA)复合材料[21]。但可降解地膜存在物理性能差,加工困难,以及生产成本偏高的问题,造成农户购买可降解地膜的热情降低,难以规模化推广。
(2)培养适用于可降解地膜的微生物。可降解地膜属于朝阳产业,地膜覆盖技术的发展离不开可降解地膜,而可降解地膜一般需要微生物的活动影响。应着力培养对农作物、生态环境以及人类无危害的绿色微生物,防止微生物的二次污染。
(3)加大新型残膜回收机具的研发力度。我国对于残膜回收机的研究,还处于发展阶段,学科间的交叉性较弱,有很多先进性技术未应用到残膜回收机上,造成残膜回收率不高,研发的机具适应性差。
(4)加大对地膜的补贴力度。目前,我国应用的普通地膜厚度一般在0.006 mm~0.008 mm之间,覆膜费用较少,而新疆规定所有生产地膜的企业只能生产厚度不低于0.01 mm的新标准地膜[16]。这一条例的颁布,对于残膜回收起到至关重要的作用。地膜厚度加大,提高了机具对残膜的回收效率,增加了废旧地膜回收利用的利润,提升了企业对残膜回收利用的积极性。但地膜厚度的增加会导致地膜价格上升,政府应该进行相应的补贴政策,促进购买新地膜的积极性。
(5)提高对废旧地膜的回收再利用。针对脏膜、碎膜制定可行性加工工艺流程图,保证脏膜的有效利用。目前,由于农户收集的废旧地膜数量少,收购价格低,农户一般采用就地焚烧。我国在各省建成的废旧地膜回收网点已有多处,但由于残膜过薄,且多为不连续的片状或絮状残膜,残膜再加工难度增大,致使残膜加工企业拒绝接收[22]。因此政府应鼓励、支持废膜加工企业的建立,给予相应的优惠、补贴政策等。
近年,残膜污染问题已经引起国内外的重视。虽然我国已经加大了对残膜回收的研究力度和资金支持,各省份也提出相应的解决措施,但残膜污染问题并没有得到彻底解决。尽管各国都致力于研究可降解地膜,但与普通地膜相比,可降解地膜成本过高,未能得到大面积使用[23]。由于我国特殊的国情,在农业生产中,相当长的一段时间内,不可降解地膜仍然占有重要地位。因此,残膜污染问题的解决办法,一方面是使用低成本的可降解地膜;另一方面是研究新型的残膜回收机。
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Research status of Applying Plastic and Polythene Film Collector at domestic and overseas
WANG Kun,XIE Jian-hua※,CAO Xiao-ran,YANG Ye-long,SUN Chao-wei
(Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,Xinjiang China)
Mulch film is widely used in various fields of farming,with the increasing of planting years,mulch film pollution caused more and more serious.The paper introduced the application of plastic film and the research status of degradable plastic film at home and abroad,discussed the research status of polythene film collectors at domestic and overseas,analyzed the principle of the typical film collectors and pointed out their problems,put forward the relative suggestions of solving mulch film pollution.
Mulch film;Degradable plastic film;Polythene film collector;Suggestions
1007-7782(2016)03-0022-04
10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.03.008
S223.5
A
2016-04-01
谢建华