棉田残膜回收机械研究现状及发展趋势*

程方平，庹洪章，易文裕, 2，王攀，杨昌敏，赵帮泰

(1. 四川省农业机械研究设计院，成都市，610066；2. 农业农村部丘陵山地农业装备技术重点实验室，成都市，610066)

0 引言

地膜覆盖栽培技术具有增温保墒、抑制杂草生长、提高水分利用率和作物产量等作用，为我国农业增产增效作出了重大贡献[1-3]。连年使用的地膜老化、破碎及回收不彻底导致残留在土壤中的残膜逐年累积，残膜所造成的农作物减产率将大于由地膜覆盖技术引起的农作物增产率[4-5]。农田残膜回收和治理工作难度较大，为农业的可持续发展留下安全隐患。棉花生产机械化和残膜污染治理研究专家陈学庚院士指出，目前我国棉田残膜治理存在的核心问题有收净率低、含杂率偏高、回收机械可靠性差、残膜的资源化利用困难、缺少成熟的降解膜产品等[6]。

为降低地膜残留土壤的影响，除了从限制地膜厚度、可降解性方面着力，我国学者投入了大量精力进行了多种结构形式的理论研究和试验，研制出了多种类型的残膜回收机，推动了残膜污染的治理，也成为当前解决残膜回收的主要技术装备。本文从残膜回收的起膜、捡拾、脱膜、卸膜、清杂等作业环节，介绍了残膜回收机械的研究现状和特点。分析了棉田残膜回收机械的应用情况，存在耕层残膜回收率低、膜杂分离效率低、作业部件适应性不强、作业质量不稳定等问题。从残膜、秸秆、土壤的特性和生产实际，提出了研发全耕层地膜回收机具、改进膜杂分离装置、创新作业部件仿形技术、提高智能监控水平的研发方向。

1 发展残膜回收机械的必要性

我国农用塑料薄膜使用量稳中有降，但仍然保持2 000 kt以上，仅2019年就使用了2 407 kt。在棉花的种植过程中，对农膜的使用量较大。棉花作为我国主要的农作物，最近几年播种面积稳中有降，始终保持在3 000 khm2以上，2020年产量达到5 910 kt，为我国经济发展和物资保障作出了重要贡献。

从政策层面看，国家出台了多种措施缓解乃至解决地膜污染问题。除了补贴残膜回收，2017年农业农村部启动农膜回收行动，出台了强制性国家标准GB 13735—2017《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》，提高了地膜厚度、力学性能、耐候性能方面的要求，其中规定地膜厚度不得小于0.010 mm。2020年农业农村部再次发布《农用薄膜管理办法》，要求“农用薄膜使用者应当在使用期限到期前捡拾田间的非全生物降解农用薄膜废弃物，交至回收网点或回收工作者，不得随意弃置、掩埋或者焚烧”。残膜仍然需要进行机械回收。

从技术层面看，我国科技工作者研发了各种可降解地膜，生物降解地膜主要有光-生物可降解地膜和全生物可降解地膜[7]。目前仍然存在使用成本较高和效果不好等问题。机械回收的成本是当前能够承受的，也是现实的解决手段。随着PE地膜的持续使用和土壤残膜含量的增加，在快速降解地膜普及使用前，要解决历史存量和新增地膜残留问题，使用机械回收是非常必要的。

2 棉田残膜回收机械的研究现状

1978年农牧渔业部通过对外科技交流自日本引进了地膜覆盖栽培技术[8]，作为一项新的农业栽培技术，在多个作物品种和区域进行了大量试验。地膜节水、保温、增产的作用受到广大群众的欢迎[9]，开启了我国地膜发展史。由于地膜覆盖栽培技术的独特优势，地膜需求猛增，成为第四大农业生产资料。由于生产地膜的原料资源非常匮乏，为了解决不断增长的需求与地膜原料短缺的问题，生产的地膜的厚度一直在减薄，既满足了需求，也降低了使用成本。曾经地膜的国家标准降到了0.008 mm(GB 13735—1992)，20世纪80年代一度出现厚度仅为0.003 mm的地膜产品。

国外使用地膜种植的时间较早，为减少地膜残留污染，根据各自实际情况制定了相关的法律法规促进地膜回收。制定了较高的地膜厚度标准，限制了地膜最薄厚度，其中日本(JIS K6781—1994)为0.017 mm，美国(ASTM D4397—02)为0.02 mm，欧洲(EN 13206—2017)为0.024 mm。较厚的地膜为在回收时仍然具有较高的抗拉强度，因此大多采用卷收机械回收地膜，结构较为简单，主要研究集中在解决地膜清杂和卷膜速度匹配等问题。

美国的Kimball设计了一种联合作业地膜回收机，主要由起膜装置、清扫装置、卷膜装置、集膜箱构成。作业时首先将膜上作物收割，起膜装置疏松膜边土壤，地膜由捡拾机构将地膜从地表拉起，经清扫装置上密布的毛刷和空气喷嘴清理和吹扫膜面杂质，然后输送到集膜箱中，回收后的地膜比较完整和干净。

澳大利亚的 Rocca设计了一种地膜回收机，主要包括起膜机构、清杂机构、卷膜机构。起膜机构将地膜和土壤分离，通过振动式栅条传送地膜并抖掉部分膜面上的杂草等杂质，由卷膜辊缠绕卷收残膜，卷膜辊由两个锥形管构成，便于卸膜。其滚筒的旋转速度可根据塑料覆盖物回收器的前进速度和地膜卷的直径进行调节。

我国由于种植过程中地膜覆盖时间长、地膜薄、强度低，较少使用国外常用的缠绕式回收[10]，从残膜采用机械回收的工作环节来看，不同工作原理的残膜回收机略有不同，大多机型包括了起膜、拾膜、脱膜、集膜、清杂等主要工序。

地膜覆盖技术，改变了农业的种植模式，还改变了我国一些农作物的种植区划分布，使原本不宜在旱寒区种植的农作物可以正常种植，较为典型的是新疆棉花的大面积种植并占主要地位。在增产增效，保障作物生产的同时，地膜污染的副作用开始显现。残膜回收机械研发和应用得到了高度重视，涌现出了大批各种类型的残膜回收机械。

2.1 起膜装置

起膜是残膜回收的首要环节，直接影响了后续作业环节及回收率、回收质量。起膜装置将土层中的残膜和土壤挑起或者铲起，为拾膜作业提供前置条件。起膜装置在残膜回收机中有对表层中间残膜、土壤覆盖的边膜和较深的耕层残膜的起膜。起膜装置有独立作用的，也有起膜和拾膜一体的。起膜装置特点见表1。

表1 残膜回收机起膜装置Tab. 1 Loosen film device of residual film recycling machine

由于土壤覆盖、秸秆和杂物混合残膜，弹齿式起膜装置极易漏膜和缠绕，且易受秸秆影响，主要在表层残膜的回收装置上应用。研究人员针对起膜装置研制了多种结构和形式，康建明等[11]设计了一种梳齿式起膜装置，采用Design-Expert响应面分析软件，对影响起膜率的起膜铲结构参数和作业参数进行了非线性的优化，并根据农田种植实际特点，在起膜装置上增设了可以改变杆齿入土角度和长度的调节装置[12]，提高了起膜装置的适应性和灵活性，试验起膜率达到91.2%。经优化改进，起膜铲自适应自动调节装置[13]，能够根据田间土地的地形情况，通过控制系统自适应调节起膜铲的入土深度。这种梳齿式起膜装置受入土角的影响较大，在地面不平时地膜容易拥堵。由于梳齿存在固有间距，当地膜破损或者强度较低时容易漏膜。

谢建华等[14]研制了一种圆盘碎土起膜装置，包括了碎土圆盘和起膜圆盘。根据圆盘碎土装置的工作原理及特点建立了圆盘碎土的力学模型，采用ANSYS分析软件进行了仿真分析和试验，边膜带出率达85%以上。这种起膜装置采用先碎土后通过钉齿起膜，圆盘碎土的同时也破损了脆弱的地膜，降低了边膜的起膜率。张佳喜等[15]针对秋后边膜强度下降、土壤覆盖难以回收的问题，研究了不同结构边膜铲的工作性能，设计了性能较好的单翼铲，这种结构减少了挤压和钉齿穿刺，边膜起膜的完整率较好，起膜率最高达95.4%，为边膜起膜装置提供了新的选择。残膜回收机[16]增加了边膜铲，还在边膜捡拾带的外侧面上设有用于扎起边膜的边膜扎齿，在回收中间地表膜的同时还能高效回收边膜。

张攀峰[17]设计了一种旋耕钉齿式起膜装置，研究了钉齿的固定频率和钉齿在土壤中工作的变形和应力参数，为犁地后耕层碎片化残膜进行回收提供了新的选择，但由于钉齿在穿刺和起膜时，残膜紧贴钉齿上难以卸膜，大量残膜堆积在钉齿上，最优作业参数时残膜回收率仅为74%。孙岳等[18]研制了刀片旋转式起膜装置，并进行了起膜机理分析与试验，研究了刀片位置参数和工作参数对起膜率、后续弹齿输膜效果的影响。这种起膜刀片在整个作业幅宽内布置，将幅宽内的土壤和地膜刨起抛向拾膜装置，起膜率可达89%，但是含土、含杂量高，影响后续拾膜和清杂。

2.2 拾膜装置

拾膜装置需要配合起膜装置使用，拾膜装置需要防止漏膜，是残膜回收的核心部件。拾膜装置的结构有夹持式、气吸式和杆齿式(包括弹齿式、伸缩杆齿式、链齿式)，拾膜装置特点见表2。

侯书林等[19]根据弹齿式拾膜装置的工作过程和特性，结合工作轨迹要求，建立了弹齿拾膜装置和脱膜装置的运动数学模型并进行了运动轨迹模拟，为机构性能分析和结构参数的优化改进提供了参考。这种拾膜装置对入土角度、深度要求较高，容易漏膜。陈发等[20-21]对弧型齿残膜捡拾滚筒拾膜的机理的研究，探索了弧型拾膜齿的排布、滚筒转速和入土深度和机具的运动参数，为拾膜装置的设计提供了理论依据。对固定凸轮残膜捡拾机构进行了力学分析，建立了凸轮机构优化设计的数学模型, 为减少凸轮磨损、提高可靠性提供了新的方法。谢建华等[22]对弧形齿滚扎式拾膜机构进行了研究，将拾膜分解为扎膜和挑膜两个过程，通过捡拾地膜过程进行非线性有限元动力学仿真分析，在拾膜滚筒外后侧增加弹齿，形成弧形齿滚扎式拾膜机构，解决了地膜被板结土壤覆盖导致钉齿上膜困难和拾膜钉齿作业时漏捡的问题，残膜捡拾率达90%。

表2 残膜回收机拾膜装置Tab. 2 Collect film device of residual film recycling machine

对于残膜表层回收的研究和应用相对较多，而残膜回收作业中耕层回收的难度和成本较高，研究较少。史增录等[23]针对耕层内的残膜的强度低、覆盖深的问题，研究了钉齿相对于地面的运动轨迹、钉齿齿尖位移和速度变化曲线等，试验结果满足耕层作业要求，通过增大钉齿捡拾区长度，减少钉齿相邻余摆线间的距离利于挑膜，耕层残膜收膜率达71.7%。但在动力学分析中未将土壤、根茬对残膜的粘结力、压力和阻力等考虑到受力分析中，通过进一步深入研究，史增录等[24]研制的一种具有旋耕机构和拾膜装置的残膜回收机，能够增加残膜回收作业深度，改善作业效果。

2.3 脱膜装置

由于残膜易碎、缠绕和吸附等物理特性，脱膜工序成为残膜回收作业的关键，脱膜装置及时将杆、齿、链上拾起的残膜脱卸，防止在工作部件上缠绕、堆集，便于连续循环作业。脱膜装置特点见表3。

表3 残膜回收机脱膜装置Tab. 3 Stripping film device of residual film recycling machine

李斌等[25]针对一种链齿式残膜回收机脱不净的问题，进行了顺向脱膜机理分析与试验，通过响应曲面分析寻优，得到顺向脱膜装置的优化结构及作业参数。由于顺向脱膜的作用方式，降低了残膜与链齿耙的粘吸贴附，有效避免了在脱膜过程中产生缠绕，脱膜率可达98%。

张学军等[26]针对耕层残膜易碎、膜土粘结、残膜碎片回收难的问题，在一种链齿式残膜回收机[27]上设计了与捡拾装装置转向相反的膜土摩擦分离带，进行了逆向脱膜机理分析与试验，残膜在摩擦带反向运动作用下回收到集膜箱中，实现膜土分离。逆向摩擦带脱膜装置简单可靠，但是脱膜含土率达34%。

明光等[28]针对夹持输送式残膜回收机将捡拾机构与气吹式脱膜机构结合，分析了脱膜气流力场的大小和方向，为脱膜机构气力分析借鉴。郭文松等[29]针对梳齿式残膜回收机，针对气吸式脱膜机构，建立了残膜气吸脱膜的运动学方程。

除了脱膜结构和原理的局限性，残膜特性(力学性能、悬浮速度、吸附特性等)对脱膜的影响较大。蔡贺[30]针对夹持式残膜回收机物理脱膜与气力脱膜的各自特点，结合残膜特性，研究了机械与气力复合脱膜装置，脱膜率达94.8%。但同时还需要克服气流扰动对脱膜的影响，有待进一步的研究。

2.4 集膜装置

将残膜机条或者堆放在田间，容易被风吹散后造成二次污染，集膜装置将膜土分离后的残膜收集或者卷集紧缩，便于运输和下一步的再利用。集膜装置主要有散膜装箱、打包和卷膜。集膜装置特点见表4。

表4 残膜回收机集膜装置Tab. 4 Gather film device of residual film recycling machine

赵岩等[31]研制了一种捡拾和打包联合作业残膜回收机，结合离心与振动分离，降低残膜杂质含量，提高物料压缩比的同时减小打包压缩阻力，最后通过液压系统和PLC控制系统将残膜打包压缩成方块形状进行储运，为回收残膜的集中处理与重复利用提供了有效的装备支撑。

杨松梅等[32]在随动式残膜回收机的基础上设计了一种带式卷膜装置，建立了卷膜直径、速比、倾角等影响因素与膜卷密度之间的数学模型，分析优化了工作参数组合，提高了回收机膜卷的紧实度。卷膜装置关键是解决速度匹配问题，卷膜装置随着膜卷直径的增大，如果卷膜角速度不变将导致残膜缠绕线速度增大，易造成残膜拉断。由佳翰等[33]在后翻式卷膜装置及残膜回收机上，采用翻转机构、卷膜半轴机构、压紧部件配合的卷膜装置，通过驱动半轴从缠好的残膜卷中抽离，实现打卷、翻落工作。

2.5 清杂装置

回收后的残膜含有大量杂物，回收利用加工成本高，收益低，导致企业不愿收，难以实现对残膜的回收利用。残膜的膜杂分离装置主要有为两大类(表5)：一类是在田间进行残膜回收作业时直接进行膜杂分离；另一类是将残膜回收集中后再使用膜杂分离装置进行膜杂分离，有风选法[31, 34-36]、振动法[37-38]、浮力漂选法[39-40]、静电吸附法[41]等，但是都很难实现膜杂分离且效率不高。

表5 残膜回收机清杂装置Tab. 5 Cleaning device of residual film recycling machine

由于残膜破碎、吸附和缠绕等特性，后续进行膜杂分离比较困难、成本高。因此，在田间进行膜杂分离非常必要。 张慧明等[42]针对残膜回收时在田间同步进行膜杂分离问题，设计了一种随动式残膜回收与秸秆粉碎联合作业机，可将膜面翻转180°而清除杂质。为进一步明确随动式残膜回收机清杂系统作业参数对残膜回收作业性能的影响，蒋德莉等[43]对工作原理、条件及膜杂分离影响因素的分析，得到了各因素与试验指标之间的数学模型和影响膜杂分离率的主次因素，为清杂作业参数的优化提供了借鉴。陈学庚等[44]研发了一种随动式残膜回收机，残膜捡拾机构为随动式，配合差速清杂机构，不需外加动力驱动即可对膜面上杂质进行自动清理。

3 存在问题

残膜回收机械类型的研制和应用技术需要从土壤条件、残膜位置(表层、耕层)、残膜强度、秸秆情况等综合考虑，还需要从作业成本、回收率、含杂率以及后期储运和再利用情况考虑性价比。各科研院所和企业针对具体种植条件、农艺特点和地膜特性研发和改进了多种残膜回收机械棉田残膜回收机械存在以下问题。

1) 耕层残膜回收率低。由于残膜和土壤黏在一起，很难分离，特别是黏质土壤中残膜较砂质土壤中的更加难于分离回收，大大增加了机械化回收残膜的难度。耕层中的残膜随着地膜连年覆盖种植，耕层残膜不断累积和年限增加而老化，且由于作业机械的反复碾压和撕裂，残膜碎片化程度严重，和土壤混为一体，回收更难。

2) 膜杂分离效率低。目前，农田残膜通过机械化回收时极易与土壤、秸秆等杂质缠绕、吸附，机械化分离较难，人工分离效率低、成本高，给后续资源化利用带来较大的困难和成本。堆放在田间地头或者填埋、焚烧也是新的污染。

3) 作业部件适应性不强。棉田机采作业后，由于地表被碾压，车辙较深。现有残膜回收机作业部件缺少仿形或自动控制作业高度等功能，在低洼处回收过程中入土过深，易将土层夹裹在残膜当中，影响残膜回收质量甚至损坏机具。

4) 作业质量不稳定。在残膜回收作业过程中环境恶劣，特别是具有秸秆粉碎功能的联合作业机，尘土、秸秆漫天飞扬，机手很难实时掌握作业状况，机具的作业质量很大程度上依赖于机手操作经验和水平，难以充分发挥残膜回收机的性能，影响机械回收的质量和效率。

4 棉田残膜回收机械发展趋势

残膜的回收治理，应该采取“遏制增量，减少存量”的办法，尽力做好当季残膜的回收，提高残膜回收率，遏制残膜增量。加大对耕层残膜回收，减少耕层残膜的存量。

1) 研发全耕层地膜回收机具，从根本上解决全耕层残膜回收的技术难题，实现“遏制增量，减少存量”。根据不同耕层的残膜空间分布特点、残膜面积大小分布特点和残膜形态分布特点研制针对性作业部件，根据残膜污染的实际情况，采用分层作业或者一体作业机械，实现全耕层回收。

2) 改进新型膜杂分离装置。膜杂分离直接影响残膜回收后的可利用性和污染治理的可持续性。残膜的强度、碎片大小、缠绕程度各不相同，难以使用一种方法实现膜杂分离，需要综合各自特点进行优化设计，针对性地研制膜杂分离装置。根据实际情况选取合适的田间膜杂分离和收后集中膜杂分离作业措施。

3) 创新作业部件仿形技术。针对棉田机采后地表车辙深，机具作业时易下陷，易将土层夹裹在残膜中，影响残膜回收质量甚至损坏机具等问题，综合传感器监测、液压传动技术、自动控制等技术开展残膜回收智能仿形装置以及仿形智能控制系统的研究，使其能够根据地表实际情况自适应调整作业高度，提高起膜作业质量。

4) 提高智能监控水平。由于残膜回收机作业时环境恶劣，视线不佳。特别是带秸秆粉碎功能的联合作业机，导致尘土、秸秆碎片漫天飞扬，机手难以掌握作业状况。研制合适的状态参数监测传感器和信息处理技术，实时反馈作业状态，便于机手对残膜回收机作业参数(作业速度、油门大小、卸膜时间等)进行调整，提升残膜回收作业的信息化水平，有效提高残膜回收作业质量和效率。

5 结语

随着20世纪70年代地膜在中国的普及，地膜污染问题逐渐显露，随之回收机械也开始了研制和应用。由于地膜较薄且老化破碎，土壤和秸秆等杂物混合，地膜回收成为一个难以解决的老问题。现有回收机械类型也较多，从起膜、拾膜、脱膜、集膜、清杂等各环节均有多种结构，也各有特点。残膜的回收不能只关注某一环节的效率提高，需要从回收、利用、作业成本和环境治理等综合考虑。

目前，使用PE地膜覆盖仍是棉花种植的主要生产方式，在PE地膜被替代之前，解决棉田残膜污染问题还是需要采用机械化回收来解决。同时需要从环境治理和资源回收的角度配套法律法规，加强地膜使用的回收管理。制定地膜生产标准，增强地膜的可回收性和可降解性。