浅议地膜机械化回收

李 伟，廖培旺，于家川，禚冬玲，张爱民

（滨州市农业机械化科学研究所，山东 滨州 256600）

地膜覆盖栽培技术具有增温保墒、抑制杂草、抑制盐碱等改善农作物生长环境的功能，20 世纪70 年代末被引入中国，经过40 多年发展，已被广泛应用于玉米、棉花、花生、蔬菜、烟草等作物种植，大幅度提高了作物产量和品质，经济效益显著，为农业增产和农民增收作出了突出贡献［1-3］，但地膜长期应用却得不到及时有效的回收，其危害已逐渐显现，如今人们提及更多的是“白色污染”，地膜污染应尽快治理。

近年来，地膜污染问题引起高度重视，2016 年国务院发布的《土壤污染防治行动计划》明确了地膜回收利用目标，2017 年农业农村部印发的《农膜回收行动方案》提出了农膜污染治理区域重点和技术措施，2018 年实施的强制性国家标准《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》（GB13735—2017）提高了地膜的厚度、机械强度和耐候性要求。2020 年中央一号文件再次关注了农膜回收利用问题，作为目前残膜污染治理最主要手段的机械化回收也引起了国内学者更多的关注。本研究介绍了农田地膜覆盖及污染现状、农田残膜回收作业机具、地膜质量的重要性、机收残膜的储运、资源化利用问题等，以期阐明地膜机械化回收工作的重要性，为地膜机械化回收的广泛应用提供参考。

1 农田地膜覆盖及污染现状

中国农村统计年鉴数据显示，中国地膜年使用量整体呈增长态势（图1），长期以来都是地膜使用量最多的国家，2014 年至2018 年地膜使用量已连续5 年在140 万t 以上，主要以聚乙烯地膜为主。聚乙烯地膜分子结构稳定，自然条件下很难降解，长期使用却得不到有效回收和再利用，大量残留于土壤耕层，对土壤毛管系统形成物理阻隔，导致水肥运移不畅，同时土壤团粒结构形成受抑制，土壤孔隙度下降，透气性降低，微生物活性受抑制，养分转化、分解、释放受到影响，造成土壤肥力降低，作物减产［4，5］。有研究表明，当耕层地膜残留量达58.5 kg/hm2时，玉米减产11%～23%，小麦减产9%～16%，蔬菜减产14.6%～59.2%［6］。资料显示，残留地膜主要分布在0～30 cm 的耕层中，大致规律是覆膜年限越长，地膜残留越多，深层残膜所占比例越大，残留于土壤耕层的残膜会堵塞、缠绕作业机械的工作部件，影响机械化作业［7-9］。

国内相关研究人员调查数据显示，中国地膜回收率不足60%，平均残留量为60 kg/hm2，越来越多的地膜残留于土壤耕层中，西北内陆地膜污染最为严重，新疆、内蒙古西部长期覆膜农田平均残膜量200 kg/hm2以上，其中新疆地膜污染最为严重，新疆棉田地膜平均残留量达260 kg/hm2，最高达585 kg/hm2，土壤残膜污染已成为困扰中国农业发展的重要问题［10，11］。

图1 1992—2018 年中国农用地膜使用量

2 机械化回收是中国当前地膜污染防治的最主要手段

地膜污染防治，目前主要是通过地膜人工回收、地膜减量化应用、可降解膜替代PE 地膜、残膜机械化回收等方式开展［12，13］。

人工回收地膜作业环境差、劳动强度高、作业效率低、用工成本高，且仅适于回收地表残膜，有效回收率低，缺点显而易见［13-15］。

地膜减量化应用主要是通过一膜多用技术和无膜栽培技术达到地膜减量应用的目的［16，17］。一膜多用技术是选用机械强度好、抗老化的耐厚地膜经一年使用后次年直接在上面打孔免耕播种，以减少地膜使用，但依然会有残膜污染产生，后期需要进行地膜回收；采用无膜栽培技术和覆膜种植相比，目前在经济效益、杂草防控、肥水控制等方面还有差距，暂时不具备大规模推广应用的条件。

可降解地膜可从根本上解决残膜污染问题，使用可降解地膜替代聚乙烯地膜是农业绿色发展的必然选择，近年来，中国在可降解农用地膜研发方面也有了长足进步，降解材料合成技术、设备和工艺都取得突破，主要生物降解材料（PBAT、PLA、PPC 等）与国际水平基本一致［17-20］，但由于以下原因，可降解膜暂时无法取代聚乙烯地膜在中国农业生产中的地位。一是可降解地膜与聚乙烯地膜相比价格上处于劣势；二是由于基础材料特性差异，可降解地膜的机械强度弱于聚乙烯地膜，机械化覆膜性能不及聚乙烯地膜；三是可降解地膜增温效果和保墒效果弱于聚乙烯地膜，限制了其在干旱地区和寒冷地区的应用；四是可降解地膜降解的可控性差，棉花等覆膜期较长作物随着地膜的提前降解会出现杂草得不到控制等问题。可降解地膜应用前景广阔，已在烟草等典型作物上试验［21］，但要实现广泛应用尚需要在材料、工艺和应用技术方面进一步突破，降低生产成本，作为残膜污染治理的主要手段时机尚不成熟，PE 地膜一段时期内仍将大量使用，PE 地膜污染的防治压力依然很大。

自20 世纪80 年代至今，中国研制残膜回收机具已百余种［22］，田间作业机具的作业性能、可靠性、适用性都有所提高，机械化回收残膜作业效率高，可有效降低劳动强度，与以上3 种治理措施相比，具有突出的优势，已经成为现阶段残膜污染治理的最主要手段。

3 地膜机械化回收机具

中国的残膜回收机种类繁多，下面仅对已在农业生产中应用较多的一些代表性机型进行简要介绍，对气力式、火焰式等机型不作介绍。

按照作业时间不同，中国残膜回收机械可分为播前残膜回收机械、苗期揭膜回收机械、秋后残膜回收机械［23］。

1）播前残膜回收机械。播前残膜回收机械主要是在土地耕整后、播种作业前进行地膜回收作业的机具，可通过对耕层残膜进行回收提供良好的播种环境，减少耕层残膜对种子发育和作物生长的影响，使用较多的机型有密排弹齿搂膜机、弹齿链扒式地膜回收机、整地与清膜联合作业机等。

密排弹齿搂膜机代表机型，如4CM-4.0 密排弹齿搂膜机，具有结构简单、重量轻、作业效率高、易维护、造价低等优点（图2），得到了比较广泛的应用，缺点是该机型弹齿缠绕的地膜较多时，弹齿的工作性能会急剧下降，影响残膜回收率，需要频繁停机进行人工卸膜作业［24］。

图2 4CM-4.0 密排弹齿搂膜机

弹齿链扒式残膜回收机代表机型，如1SM-2.0型自卸式弹齿搂膜机（图3），该机有自动脱膜装置和集膜箱，可将弹齿收起的残膜自动卸模到集膜箱，减少了人工卸模工序，实现机具更长距离的连续作业，提高了残膜回收效率，缓解了春播期间的用工及农时压力［25］。

整地与清膜联合作业机代表机型，如1QZ-5.4清膜整地联合作业机（图4），一次进地即可完成碎土整地、残膜回收2 道作业工序，可减少机具进地次数，降低作业费用，提高作业效率，节约农时，缺点是需人工卸膜且卸膜比较困难［26］。

图3 1SM-2.0 型自卸式弹齿搂膜机

图4 1QZ-5.4 清膜整地联合作业机

此外，为实现更深层残膜的回收，还出现了振动筛分式播前残膜回收机，为多年连续覆膜地区深耕层残膜污染清理提供了作业机具。

2）苗期地膜回收机械。由于回收时铺膜时间短，地膜仍有较强的抗拉强度，膜上积土少，苗期地膜回收机大多是采用边膜铲将边膜覆土疏松后，采用卷收装置进行地膜回收，地膜回收率较高，但苗期地膜回收后，水分蒸发加快，杂草需要进行人工控制或喷施除草剂，与滴灌技术的普及也存在矛盾，中国苗期地膜回收机具的使用和研究越来越少，苗期残膜回收典型作业机具，如MSM-3 型苗期地膜回收机（图 5）［27］。

图5 MSM-3 型苗期地膜回收机

3）秋后残膜回收机械。秋后残膜回收机械是在作物收获后、耕整地前进行收膜作业的机具。由于地膜经历了风吹、日晒、雨淋、机械田间作业等，破损比较严重，机械强度也有所下降，同时地膜与土壤紧密黏连，再加上农作物秸秆或根茬的影响，秋后残膜回收难度较大，但此时回收不会影响农作物生长，既可以采用单项作业方式，也可以采用秸秆还田与残膜回收联合作业方式、根茬起拔与残膜回收联合作业方式、作物收获与残膜回收联合作业方式等，因而秋后残膜回收模式得到了广泛应用。秋后残膜回收机具应用较多的机型有搂集式、伸缩杆齿式、链扒式、铲筛式、卷收式等［1，23］。

搂集地膜回收机代表机型，如1LM-5.0 立杆式搂膜机（图6），机具结构简单，作业速度高，但因不具备残膜收集装置，作业行程较短，需要对弹齿脱下的残膜进行二次收集后转运。

图6 1LM-5.0 立杆式搂膜机

伸缩杆齿式收膜机残膜回收率较高且便于脱膜，工作效率高，膜土分离效果较好，便于残膜后期处理，缺点是制作工艺复杂，机具造价高，为便于推广使用，大多为秸秆粉碎还田与残膜回收联合作业机，代表机型如4JSM-2100 型棉秸秆粉碎还田残膜回收联合作业机（图7）。

图7 4JSM-2100 型棉秸秆粉碎还田残膜回收联合作业机

链扒式残膜回收机代表机具，如4JMS-2.0 残膜回收与秸杆还田联合作业机（图8），该机采用弹齿链扒式捡拾机构，配置了专门针对残膜回收的秸秆粉碎还田机，处理秸秆同时能清除掉落在膜面上的杂物，其捡拾链扒上加装了去杂绞龙，回收地膜含杂量低，采用大容积集膜箱，保证了可长时间连续作业。

铲筛式地膜回收机典型作业机具，如1MC-70型起茬残膜回收机，利用铲掘筛分原理，根茬和地膜在前部起土铲的作用下进入筛分机构，与土壤分离，最后进入后部集膜机构，这种机型结构简单紧凑、膜土分离效果较好，缺点是幅宽较小，作业效率不高（图9）。

图8 4JMS-2.0 残膜回收与秸秆还田联合作业机

图9 1MC-70 型起茬残膜回收机

秋后地膜卷拾机械对地膜强度有一定要求，卷膜机构卷膜速度与机具前进速度的匹配是关键，卷收残膜杂质含量少，利于回收后的资源化利用，代表机具如4UF-110 马铃薯挖掘电动废膜卷拾一体机，可实现马铃薯收获与地膜回收联合作业（图10）。

图10 4UF-110 马铃薯挖掘电动废膜卷拾一体机

4 地膜质量是机械化回收的基础

地膜质量是地膜机械化回收的基础，地膜的物理机械性能明显影响残膜机械化回收作业的效果，机械性能越好，残膜回收率越高，机械作业效果越好，对残膜回收机结构的要求也越低，因而地膜质量对于残膜回收机械设计和残膜回收作业有至关重要的影响。相关研究表明，相同材质情况下，地膜厚度是地膜机械性能的重要影响因素，地膜的屈服拉力、抗拉强度随地膜厚度增加而增加［28，29］。

有关资料显示，中国残膜回收机械研发处于世界领先水平，但地膜机械化回收的效果却不理想，很大程度上与使用地膜机械强度弱有关。长期以来，受限于地膜机械性能和耐候性，残留地膜很难在作物收获后通过卷膜方式进行整膜卷收，尽管国内科技工作者研制了多种结构复杂的机具，但残膜回收率不高，含杂量高，导致大量破碎残膜残留于土地耕层，回收残膜因含杂量高资源化利用也成为难题，造成了严重的残留地膜污染。

中国现行国家标准《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》（GB13735—2017），地膜厚度下限为0.01 mm，仅为日本现行地膜标准（JIS K 6784，1994）厚度下限的50%，而一些生产企业为迎合使用者降低覆盖成本的要求，生产地膜厚度不达标，一些地区甚至还大量使用厚度为0.004～0.008 mm 的地膜，使用地膜的机械性能和耐候性更是达不到中国现行国家标准的要求，地膜回收过程中易被撕裂导致残膜回收率下降，所以地膜质量需要有法律法规强制保障，需要监管部门加强对地膜生产使用环节的监管，这样才能为地膜机械化回收和资源化利用创造条件。

5 做好机收残膜运输、储存，避免二次污染

目前，国内使用的大部分残膜回收作业机具，无论是否具有集膜装置直接卸模的机具，或是有集膜箱的机具，卸模后的残膜大都呈松散状态，密度低，占用空间大，堆积在田间地头易被大风吹散，形成二次污染，造成安全隐患，向残膜回收点运输会增加人力、物力投入。为更好地进行残膜储运，国内研究人员进行了机收残膜体积压缩的相关研究，主要是通过残膜打包、打捆等方式实现回收残膜压缩［30，31］，避免二次污染，其中新疆农垦科学院机械装备研究所和新疆科神农业装备科技开发股份有限公司联合研制的CMJY-1500 型残膜捡拾打包联合作业机（图11）设计了液压驱动式电控打包机构，残膜经打包压缩成形后平均密度达167.4 kg/m3，大幅度压缩了回收残膜体积，更便于回收后残膜的装载、运输和储存［31］。

6 机收残膜资源化利用

残膜资源化利用主要是指将回收后的农用残膜进行清洗、破碎、塑化及添加一定量的新原料或添加剂，进行重新造粒生成新的可利用的母料或产品的过程。

图11 CMJY-1500 农田残膜捡拾打包联合作业机

目前，中国地膜机械化回收以秋后残膜回收和播前残膜回收为主，机收残膜含杂量高，通过初清理实现膜杂分离是残膜资源化利用的基础。但从可查阅到的资料来看，国内专门针对残地膜资源化利用的研究还较少，主要有离心式分离法、振动筛选法、浮力飘选法等。离心式分离法主要根据物料密度差异通过离心风力进行膜杂分离；振动筛选法主要是利用残膜和杂质在振动筛表面的不同运动进行膜杂分离；浮力飘选法主要是利用地膜和杂质在液体中的浮力差异进行膜杂分离［32-34］。

机收残膜由于膜秆相互缠绕，常用的离心式分离法、振动筛选法、浮力飘选法等物料分离方法都难以将膜杂较好分离，目前初清理环节基本采用的是人工分拣，分拣成本高、效率低，后续还要经过破碎、水洗、挤干脱水、物料熔融、挤出冷却、切削制粒等加工流程后才能用于包装膜、滴灌带等低端塑料产品的生产制造，工艺过程复杂、利润空间有限，现有地膜回收加工企业普遍面临回收利用成本高、收益差等问题，这就造成残地膜资源化利用的市场推动困难［35，36］，残膜回收点缺乏，大量机收残膜因找不到回收点而被废弃，而地膜机械化回收又会产生回收作业成本，这严重影响农民进行残膜机械化回收的积极性，同时收而不用，大量机收的残膜被弃在田间地头焚烧或填埋，造成二次污染问题。机收残膜的资源化利用是不可回避的重要问题，有必要加快对地膜资源化利用支持性政策的建立完善和实施，采取安排专项资金对残膜资源化利用进行补助或通过贴息等优惠政策支持残膜资源化利用。

耐候地膜成本仅高出普通地膜15%～20%，与回收残膜余值相当。为降低机收地膜含杂率，陈学庚院士团队对耐候地膜秋后整膜卷收技术进行了研究，研制的3 种机具很好地实现了棉田地膜秋后整膜卷收，一次作业可以完成棉花秸秆的粉碎还田、残膜的捡拾、清杂及卷收作业，回收残膜含杂率明显降低，这将为机收残膜资源化利用创造条件。

此外，聚乙烯等材料与秸秆等废植物纤维混合，木塑制粒后再成形生产出的板材或型材，将含秸秆的回收地膜发展木塑制粒经济效益高于普通切削造粒，得到了广泛认可，该资源化利用技术降低了清杂要求，为更好实现残膜资源化利用开辟了一条具有更广阔前景的途径。

7 小结

中国地膜污染形势严峻，机械化回收是当前中国农田残膜治理的最主要途径，地膜的机械化回收工作是涉及到地膜生产、使用、回收、储运和资源化利用全产业链的综合性工作，需要加强顶层设计，从地膜质量抓起，做好标准、政策、法规的制定和执行，搞好回收机具研发与机械化作业技术推广应用的同时，重视机收地膜的出路问题，搞好机收地膜资源化利用工作，因地制宜地形成地膜使用、回收、储运、资源化利用在内的机械化回收技术体系，以回收后残地膜资源化、无害化处理为基本原则，推进地膜产品标准化、残膜捡拾机械化、残膜收储运专业化，降低农用残地膜对土壤环境的污染。