残留地膜回收技术与装备的研究现状

杨 程，张佳喜，郭俊先，蒋永新，刘旋峰，张 丽

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆 乌鲁木齐830052；2.新疆农业科学院农业机械化研究所）

残留地膜回收技术与装备的研究现状

杨 程1，张佳喜2，郭俊先1，蒋永新2，刘旋峰2，张 丽2

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆 乌鲁木齐830052；2.新疆农业科学院农业机械化研究所）

多年的农田残留地膜对农业生产造成了环境污染和产量减产等巨大危害，地膜回收技术与装备的研究在农业领域逐渐被大家所重视。文中针对目前地膜回收技术做了归纳及分析，分析了卷膜辊式、伸缩杆式、弹齿搂集式及齿链式四类典型地膜回收机的工作原理及结构特点。总结了目前地膜回收发展中存在的问题，并提出了地膜回收发展的建议。

地膜；回收；技术装备；研究现状

0 引言

我国是铺膜种植大国，地膜使用量位居世界第一。2014年，我国全国农业总播种面积为16463万hm2，其中地膜覆盖面积超过2 333万hm2。覆膜种植技术能够大幅度提高作物的产量，但在巨大的经济效益背后隐藏着严重的地膜污染问题[1～2]。地膜覆盖栽培技术具有保墒保肥、节水抗旱和抑制杂草生长等作用，对作物的产量提高及生长周期缩短有显著的效果，但是随着该项技术的大规模推广，大量地膜在作物收获后未能有效回收，年复一年地滞留在土壤中，导致耕地受到了严重的“白色污染”，不仅对当地的生态环境、土壤结构以及作物生长造成极大的破坏，同时也影响了农田机械化作业和可持续生产。目前，土壤污染已继大气污染、水污染之后成为了社会和国家高度关注、急需解决的重大问题[3～4]。为了解决该项难题，国内外已经研究开发了多种类型的地膜回收机，适度缓解了地膜对土壤的污染和耕层结构的破坏，但由于作物的不同，土壤类型的不同，尤其是玉米等作物的根茬与地膜、土壤耦合在一起，收膜工作难度更大，针对性的地膜收获技术水平仍有待提高。

因此，为有效、及时地解决地膜回收以及治理土地污染问题，实现绿色农业发展理念，我们要突破传统的农机固化思维，结合国际新型研究理念，探索高效、节能的地膜回收技术[5～6]。

1 国内外机械收膜技术现状及典型回收机

1.1 国外机械收膜技术的研究现状及典型回收机

自上世纪五十年代起，欧美日等国家就已开始研究覆膜栽培技术，目前国外农田地膜厚度大约为0.02～0.05 mm，抗拉强度大，地膜容易回收，国外机械收膜主要采用缠绕式卷膜机构直接回收地膜，并可多次利用，其主要研究的是地膜表面清杂和卷膜速度相匹配的问题，如美国的PS610半机械化地膜回收机，此机具结构简单、成本较低且起膜后需要人手工捡拾、清杂，工作效率较低。在这种半自动化收膜机的研究基础上，英国、美国、日本和以色列等国都先后开发了更先进的全机械化地膜回收机具，并采用了液压控制的方法，及时调整卷膜辊的转速，保证了机具收膜的稳定性，典型代表如美国Kennco公司的Bed Mower系列地膜收获机[7]。

图1 Kennco Bed Mower系列地膜收获机

1.2 国内机械收膜技术的研究现状及典型回收机

1.2.1 卷膜辊式地膜回收技术及其典型回收机

卷膜辊式地膜回收机相对简单，一般由卷膜辊和起膜铲组成，在工作过程中，先由起膜铲刮除压在地膜两边的泥土，随后将地膜起出并缠绕在卷膜辊上，随着机具前进，拾膜机构中的地轮带动卷膜辊旋转，地表地膜连续不断缠绕在卷膜辊上，从而完成地膜的回收工作。该收膜机相对简单，对地膜质量、厚度、韧性有较高的要求，并且仅可收获地表整张地膜，只能进行部分地区的苗期地膜收获工作，机具的适用性较低。

该种收膜方式的代表机型有：新疆农科院农机化所研制的MSM-3型苗期地膜回收机，黑龙江省畜牧机械化研究所研制的4HMC-1.0型洋葱地膜回收机，甘肃农业大学研制的1FM-110型地膜回收机等[8-9]。

图2 卷膜辊式地膜收获机构示意

1.2.2 伸缩杆齿式地膜回收技术及其典型回收机

伸缩杆式地膜回收技术是采用伸缩杆装置将地膜拾起并送入膜箱，该技术地膜捡拾率较高，并且能将膜、杆、土壤分离，方便地膜的回收利用。其拾膜机构主要由伸缩齿、滚筒与偏心滚筒组成，工作时，滚筒逆前进方向旋转，杆齿在滚筒和偏心滚筒间运动：当伸缩杆齿位于滚筒下方时，杆齿伸出，将地膜从地头挑起；当伸缩杆齿位于滚筒上方时，杆齿缩回，将挑起的地膜落在滚筒上方。同时，杆齿具有的扎膜集膜功能可以解决薄地膜在回收过程中的易碎问题。但该方式拾膜机构比较复杂，伸缩杆机构易磨损，收膜工作性能不稳定。代表机型有：新疆农业科学院农机化所和新疆农业大学等单位研制的QSM-2型和IJSM-1800型地膜回收机，中国农业机械化科学研究院研制的1QMZ-3.0清膜整地联合作业机等[10～13]。

图3 伸缩杆式地膜收获机构示意

1.2.3 弹齿搂集式地膜回收技术及其典型回收机

图4 弹齿搂集式地膜收获机构示意

弹齿搂集式地膜回收技术通常采用类似于梳子的密排弹齿进行集膜作业，该种方式工作机构简单，操作方便，集膜速度快，但很难将土壤中的杂草、作物根茬与地膜分离，无法解决地膜回收后的处理问题；由于弹齿搂集式回收作业每走30m左右就需要在田间卸下地膜，因此回收后的地膜需要人工将其运出农田，增加了工序及劳动强度。该收膜方式的典型机型有：东北大学研制的QS-2型地膜回收机，西北农林科技大学研制的IM-1000型地膜收获机，新疆兵团芳草湖总场研制的CM-2.6型播前地表地膜回收机，中国农业机械化科学院研制的IQMZ-3.0清膜整地联合机以及4JLM-1800搂集型棉秸秆还田地膜回收联合作业机等[14～16]。

1.2.4 齿链式地膜回收技术及其典型回收机

图5 齿链式地膜收获机构示意

齿链式地膜回收技术在机构布局上具有一定的优势，其拾膜机构主要由拾膜齿、链轮及托膜板组成，工作时，拾膜齿随着输送链转动拾起由起膜铲托起的地膜，并带动地膜沿输送链方向移动，完成收膜工作。该机构结构紧凑、制造简单、加工方便，可满足苗期与秋后的收膜工作；同时机具从地头挑起地膜的角度可调，输送行程较长，可根据作业要求将拾膜机构前置、后置或纵向设置，有利于后续整地复式作业。但其拾膜齿无法抓取碎膜，同时在地膜输送过程中易掉落，并且容易将杂草、残茬带进拾膜机构，难以实现膜、壤、茬的分离，地膜回收效果不理想。该收膜方式代表机型有新疆兵团农机推广站和兵团134团研制的CSM-130B齿链式悬挂收膜机，内蒙古自治区农牧业机械化研究所研制的1MC-70型地膜回收起茬机等[17～18]。

2 国内机械收膜技术研究的主要问题

2.1 地膜物理学特性对回收的影响

目前，国内田间铺设的地膜多为塑料薄膜，在不同的日照、温度、湿度以及时间等因素的影响下，薄膜物理学特性会发生变化。在长期日照以及干燥的环境影响下，地膜韧性大幅降低[19]，机械作业回收地膜易粉碎，直接影响了机具收膜效果。因此，需要对回收地膜的物理特性进行深入研究，考察不同回收期的地膜受力极限，从而合理确定机械收膜过程中机具的各项参数。或者可以从地膜自身结构入手来提高地膜的回收率，例如将地膜加筋以增加地膜的强度，便于回收。

2.2 土壤、作物根茬对地膜回收的干扰

地膜在田间与土壤、作物根茬耦合在一起，由于地膜材质具有吸附特性，部分地膜十分容易粘附在中耕作物大根茬上，地膜、土壤和根茬组成了一个复杂耦合系统，给机械收膜造成了极大的干扰。传统的搂集型地膜回收机、筛土型地膜回收机均仅能实现地膜回收及膜土分离作业，但对于玉米等根茬较大的中耕作物，机具不仅要解决地膜与土壤的分离，同时要考虑地膜与根茬的分离问题[20～21]。而捡拾型地膜回收机需先将秸秆进行切割回收，留茬在8 cm以内，工作量大，机具工作条件限制高。如何能有效的解决地膜回收工作中土壤和根茬的干扰，是今后本领域的一个研究重点。

2.3 地膜回收机械作业性能不稳定，回收成本高，回收后地膜再利用难

由于我国目前的机具设计研究技术条件的限制，地膜机械回收的输膜可靠性差、效率低及地膜收净率不高，在收膜过程中，膜片碎裂，不成整膜，在输送过程中不容易集膜；同时，破损碎裂的小块碎膜掺杂在土壤中未能回收，地膜收净率不能满足农民的期望，并且地膜采用机械回收的方式会产生较高的费用，因此不能满足大多数基层农户的实际要求，给地膜回收技术的推广带来了一定的阻碍。

我国农户使用地膜多为0.005（±0.003）mm，是国外地膜厚度的1/4，其抗拉伸强度较低，地膜的最大拉伸力较小，采用机械收膜的方式地膜在回收完成过后多已破损严重，难以直接再利用，同时，政府设立的废旧地膜收购点和加工企业少，回收利润低，降阻碍了农民回收地膜的积极性，地膜的回收处理问题十分严峻。

2.4 机械对不同地质环境下土壤及农艺的适应性问题

我国地域辽阔，地质环境复杂，土壤按质地分类可分为：砂质土，黏质土和壤土三类，此三类土壤的物理特性差异性较大，机具在不同类别土壤中受到的行进阻力，起茬收膜阻力等都不相同，需要根据土壤类别设计优化相应的机具参数。

同时，农作物种植结构的时空分布受到自然资源条件和市场经济行为的影响，我国的种植结构从2002年起发生重大变化，区域内作物类型丰富度显著增加，多元种植结构逐渐替代单一型种植结构。但多元化种植结构复杂的农艺使得地膜收获机械遇到更大的挑战，传统机型大都仅能收获单一、种植模式类似的作物，若需农机适应多元化种植农艺，需要研发通用性较好的地膜回收机[22～24]。

3 国内地膜回收技术研究方向和发展趋势

3.1 借鉴西方技术经验生产加厚地膜

随着我国地膜覆盖栽培技术的不断发展，生产地膜的厚度与强度需求也随之提高，我们可以学习欧美日等国家生产加厚地膜，收膜简单且可多次再利用，解决地膜机械回收工作的根本难题。目前，在我国新疆中部的库尔勒尉犁县地区，已有农户采用0.01 mm厚度的地膜覆盖种植，地膜回收工作难度降低，但地膜厚度还远达不到欧洲地膜标准厚度，收获地膜仍有大量破损，且收集的地膜中含有大量杂草和秸秆，不具备再次使用条件，需要进一步改进。

3.2 利用国际先进技术生产可降解地膜

在国际领域中，可降解地膜技术并不是创新技术，国际地膜领域已研究出以淀粉类、添加糖类等为原料的生物降解地膜；可光降解地膜；以植物纸浆中的植物纤维为原料的纸地膜；将天然高分子以液态的形式均匀喷洒在地表所形成的液态喷洒式可降解地膜；以较粗的化学纤维为原料的无纺布地膜[25～26]。

但上述的五种可降解地膜目前均因为其高昂的成本，以及其降解性能的差异性，很难在农业生产种植中普及。新型成本低廉，降解性能稳定的地膜研究仍是国内地膜回收工作的重要研究方向之一。

3.3 研制新型高效率地膜回收机械

结合国内农用地膜较薄，铺膜种植地区地质复杂，以及中耕作物大根茬、膜、土壤分离困难等情况，传统地膜回收机械不能有效完成中耕作物的地膜回收工作。因此，打破地膜回收技术思维固化的壁垒，鼓励提出新构思、可行度高的地膜回收处理方法，大力推进新型高效率中耕作物地膜回收机械的自主研发成为了农业机械研究的重要任务之一。

3.4 农机与农艺相结合

目前，国内已研究出上百种地膜回收机具，但无论其关键工作部件采用何种拾膜机构，都无法满足现阶段的农艺要求。农艺与农机相结合，想要解决地膜的收获问题，我们不仅要从农机上找方法，也需要在农艺方面作出改进，政府政策上可以规范覆膜种植模式，以便地膜回收技术的针对性研究及地膜回收机的配套作业。

4 结论

绿色循环可持续是农业发展过程中的首要前提，地膜的污染若得不到有效地控制，将会对国内耕地的生态圈埋下巨大的隐患。国家应在相关领域给予政策上的支持，大力推进地膜回收及购机补贴政策；规范区域耕作模式、品种；加大科研资金投入力度，研发高质量的更适用的地膜回收机械。

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Review of Recycling Technology and Equipment of Plastic Film Mulch

YANGCheng1,ZHANG Jia-xi2,GUO Jun-xian1,JIANGYong-xin2,LIU Xuan-feng2,ZHANG Li2

（1.Collage ofmechanical transportation,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,830052,China;2.Agriculturalmechanization research institute,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences）

Many yearsof residualplastic film hascaused greatharm to agriculturalproduction,such asenvironmentalpollution and yield reduction,membrane recycling technology and equipment research hasbeen valued by everyone in the agricultural field.For the current film recycling technology,according to differentwaysof film film recyclingmachine to do a large classification,research and analysison roll film type,telescopic pole type,spring-tooth-hugging type and tooth chain type plastic film recyclingmachine'sworking principle and the structure characteristic,.Summarizes the problems in the development of the remnant film,and puts forward some suggestions for the developmentof the remnant film,providesan effective technical support for the developmentof the plastic film recycling industry.

Plastic film mulch;Recycling;Technicalequipment;Review

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.05.004

S223.5

A

1007-7782（2016）05-0015-05

2016-09-25

国家自然科学基金资助项目（51565060）；新疆维吾尔自治区高技术研究发展项目（201511104）；新疆维吾尔自治区自然科学基金（2014211B029）；新疆农业大学产学研联合培养研究生示范基地项目（xjaucxy-yjs-20152033）

郭俊先，男，博士，研究方向：农业机械设计与实验