甘肃地区玉米典型种植模式下机械化残膜回收技术研究

刘小龙，赵武云，张 华，孙 伟，李 辉，李红岭

(甘肃农业大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

农膜因其具有良好的增温、保墒、蓄水、灭草之功效而广泛应用于甘肃地区乃至全国的玉米种植过程中，使用农膜种植可提升农作物产量和品质，特别是干旱少雨的甘肃地区，农膜为国家农产品供给做出了重要贡献，被誉为“白色革命”[1]。有关研究表明，残留农膜在土壤中积累会对地表和上层土壤的理化性质造成负面影响[2]。塑料薄膜的大量使用不仅降低了土壤的透气性、影响土壤结构，而且会损害农作物的生长[3]，进一步引发环境问题。形成“白色污染”的根本问题在于“膜”，治理“白色污染”的关键在于残膜回收机的研发与应用。突破膜面清洁、起膜压茬碎土、边膜捡拾、膜茬分离、膜土分离、近恒线速度卷膜、小锥度水平联动快速卸膜、旋转辊集膜卷捆等关键技术，通过原始创新和集成创新，研发出系列适宜河西灌区、陇东陇中地区玉米残膜回收机迫在眉睫。

1 甘肃地区玉米农膜使用与回收现状及存在的问题

1.1 农膜使用与回收现状

近年来，甘肃省因其独特的地域限制，推动实施了玉米全膜双垄沟播种、玉米平作全覆膜播种、马铃薯大垄双行栽培等种植方式[4]，2018年全省地膜覆盖面积为192.3万hm2，地膜使用量17.1万t，仅次于农膜使用全国第一的新疆地区。由于甘肃省各地地势差异显著，陇东、陇中等地区土质松软，引进省外残膜回收机回收效果不好。河西灌区土质较硬且土壤层中砂石较多，玉米等根系较大，农膜回收无机可用。

1.2 农膜使用与回收中存在的问题

由于部分商家趋于经济利益的追求，将农膜厚度逐渐减小，个别地区使用地膜厚度甚至小于0.005mm，致使残膜弹性减小，老化速度加快，秋后膜面破损严重，为人工回收和机械回收造成了极大挑战。另外，甘肃地区农膜种植户对残膜回收和环境保护意识不强，为残膜回收利用制造了障碍。

2 甘肃地区玉米典型种植模式下机械化残膜回收技术

2.1 优化设备完善科研保障

甘肃农业大学拥有国家种子加工装备工程技术研究中心、农业农村部北方马铃薯全程机械化科研基地(西北地区)、甘肃省旱作农业装备工程实验室、甘肃省旱作农业装备省级协同创新中心等省级以上科研平台。北方马铃薯全程机械化科研基地(西北地区)新购置1 200万元仪器设备，单位拥有3D打印机、三坐标扫描仪、三维激光扫描仪、焊接机器人、激光线切割、卧式加工中心、土槽试验平台、播种测试平台、SolidWorks和EDEM软件等一批先进加工设备、测试仪器和设计分析软件，为残膜回收机的研发与应用提供了良好的科研条件支撑。

2.2 校企合作共促双赢目标

2.2.1 定西市三牛农机制造有限公司。 定西市三牛农机制造有限公司属国家级高新技术企业，企业技术中心为省级企业中心。现有研发中心、内测实验室、工艺室、实验室、实验基地等农业机械研发应用场所，并配备完善的研发、实验、检测设备，已形成“研发一批、生产一批、储备一批”的创新运行模式。公司与残膜回收相关研究成果获甘肃省专利二等奖和甘肃省发明三等奖，装备生产能力和研发实力均相对较强。

2.2.2 甘肃洮河拖拉机制造有限公司。甘肃洮河拖拉机制造有限公司是甘肃省高新技术企业，2007年技术中心被评定为省级“企业技术中心”，公司现有机加工、总装、后桥装配、喷涂、车厢制造分厂等车间。拥有各类加工设备、检测仪器、试验设备200余台(套)，具有3.3hm2机具试验基地。设有甘肃农业大学临洮旱作农业装备产业专家院，具有良好的产学研合作基础，公司研发了3款残膜回收机，具有较强的研发实力和装备生产能力。

上述公司工艺室、实验室、加工车间和实验基地将开放共享，公司技术人员主要承担关键技术联合攻关，耕层残膜回收机和新型残膜回收、秸秆粉碎还田联合作业机样机的研制，以及11FMS-120型旋齿式残膜回收机、11MFJ-125型双升运链卷轴自卸式废膜捡拾机秋后回收和播前回收适应性、耐久性试验和定型后量产。

2.3 突破技术瓶颈实现机械化残膜回收不断创新

2.3.1 起膜压茬碎土技术。 通过根茬压辊、起膜铲排列、起膜铲安装角度及起膜铲结构参数匹配，实现起膜碎土基本不起根茬，降低膜杂分离负荷的同时降低捡拾地膜含杂率。

2.3.2 膜面杂质清洁技术。 通过膜面压辊、灭茬刀排列、灭茬刀结构参数和工作参数匹配，实现起膜前灭茬和膜面杂质清理输送，降低膜杂分离负荷，降低捡拾地膜含杂率。

2.3.3 旋转辊集膜卷捆技术。 升运链与旋转辊集膜卷捆高度和纵向位置重叠再配合主动脱膜装置实现可靠脱膜，研发的旋转辊集膜卷捆装置，实现了膜土进一步分离、自动卷捆和液压自动卸膜，降低了含杂率，实现了液压高效卸膜。

2.3.4 小锥度水平联动快速卸膜装置技术。 创新设计水平联动卸膜装置，可实现移动卷膜筒直线移出，实现快速卸膜，卸膜后移动卷膜筒可快速自动回位；弹珠式插销锁紧机构实现卷膜钉齿的快速拆卸，移动卷膜筒直线移出功能使卷膜筒实现小锥度结构，增加了一次工作卷膜量，减少了卸膜次数。

3 甘肃地区玉米典型种植模式下机械化残膜回收效益

残膜回收机研制过程中围绕关键共性技术与核心部件开展产学研推联合攻关，采用的研究路线、方法对开展农业机械装备相关领域的研究具有借鉴价值，取得的研究成果对提高我国残膜回收水平具有重要的科学价值。

3.1 社会效益

地膜覆盖可有效提高农作物产量和品质，但受“重使用、轻回收”观念影响，部分地区农膜残留污染问题日益严重，已成为制约我国农业可持续发展的突出环境问题。2019年国家六部委出台《关于加快推进农用地膜污染防治的意见》，要求到2020年农膜回收率达到80%以上，到2025年，农膜基本实现全回收，农田白色污染得到有效防控。玉米残膜回收机的研发与应用为甘肃与全国同步实现2025年农膜基本实现全回收奠定装备基础，将为农田白色污染得到有效防控做出重要贡献。

3.2 经济效益

一方面，玉米残膜回收机的研发与应用通过提升机具适应性、可靠性、拾净率，降低含杂率，实现优质高效残膜回收目标，使每亩机械化捡拾成本降低15%；另一方面，定型产品的生产给企业提供了良好的经济效益，降低残膜含杂率可有效减少后续残膜回收再利用加工成本，我国农膜使用面积位居全球第一，因此，残膜回收机的研发与应用能够为我国带来持续的经济效益。

3.3 生态效益

当前，我国农膜覆盖面积达1 866.7万hm2，但农田地膜回收率不足60%，残留地膜破坏农村生态环境的同时造成“视觉污染”，影响村容村貌。残膜与秸秆、饲料混在一起，可导致家畜胃肠功能失调甚至死亡[5]，目前机械化回收是我国治理残膜污染的一个重要途径，残膜回收机的研发与应用可有效提升我国残膜回收水平，为优化土壤土质和保护生态环境做出应有的贡献。

4 结束语

解决农膜污染问题是实现我国农业可持续发展和保护生态环境的首要前提。甘肃地区玉米典型种植模式，即在陇东、陇中地区实施玉米全膜双垄沟播种种植方式，在河西灌区实施玉米平作全覆膜播种种植方式，根据陇东、陇中地区与河西地区的土壤差异，因地制宜地开展机械化残膜回收工作是解决农膜污染的关键之处。希望依靠政府、企业、社会团体等群体共同推动甘肃地区玉米残膜回收先进技术辐射周边的同时提升全国残膜回收水平，为国家带来持续的社会、经济和生态效益。