戴 飛 趙武云 張鋒偉 馬海軍 辛尚龍 馬明義

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司， 定西 730500；3.甘肅省農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械工程技術(shù)研究中心， 定西 730500)

0 引言

水資源短缺、作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)是世界旱地農(nóng)業(yè)面臨的共同難題。在黃土高原為典型代表的中國雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年降雨量在300～550 mm之間，降雨時(shí)空分布相對不均，與作物需水期之間出現(xiàn)嚴(yán)重供需錯(cuò)位，是制約該地區(qū)糧食生產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素[1-2]。如何充分、高效利用天然降雨，確保糧食生產(chǎn)安全和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性是長期以來難以破解的理論難題和實(shí)踐難題，解決問題的關(guān)鍵途徑是研發(fā)和推廣高效、低廉的旱作栽培技術(shù)[3]。根據(jù)農(nóng)業(yè)部《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃(2016—2020年)》的有關(guān)要求，西北地區(qū)應(yīng)穩(wěn)夏優(yōu)秋，以推廣覆膜技術(shù)為載體，順應(yīng)天時(shí)、趨利避害，穩(wěn)定小麥等夏熟作物，積極發(fā)展馬鈴薯、春小麥、雜糧雜豆，因地制宜發(fā)展青貯玉米、苜蓿、飼用油菜、飼用燕麥等飼草作物。過去的30年里，田間微集雨技術(shù)逐漸發(fā)展成為黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的主要耕作技術(shù)。自20世紀(jì)80年代以來，不同田間微集雨及覆蓋(地膜、砂石和秸稈)栽培技術(shù)在西北旱區(qū)不斷更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了壟溝無覆蓋技術(shù)、平地覆蓋技術(shù)、壟溝半覆蓋技術(shù)和壟溝全覆蓋技術(shù)等研究與發(fā)展過程，特別是全膜覆蓋雙壟溝播技術(shù)的大面積推廣和應(yīng)用，為西北旱區(qū)糧食單產(chǎn)大幅度提高、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐[3-6]。

在黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，多年高強(qiáng)度的耕作、降水時(shí)空分布不均衡導(dǎo)致土壤肥力衰退，土地承載力下降，全膜雙壟溝播技術(shù)在一定程度上改善了旱作農(nóng)田土壤水分環(huán)境與增產(chǎn)節(jié)水的需求，在旱地農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[7-8]。近年來，隨著全膜雙壟溝播技術(shù)在西北旱區(qū)推廣應(yīng)用面積的不斷增大，實(shí)現(xiàn)全膜雙壟溝播全程機(jī)械化作業(yè)已成為必然趨勢，推廣生產(chǎn)全程機(jī)械化作業(yè)技術(shù)將是推進(jìn)現(xiàn)代旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程的重要舉措。因此，本文在分析全膜雙壟溝播技術(shù)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)概況的基礎(chǔ)上，闡述歸納起壟覆膜、膜上播種、殘膜回收、機(jī)械化收獲等主要技術(shù)與機(jī)具的研究進(jìn)展及存在問題，分析各項(xiàng)技術(shù)相關(guān)原理、作業(yè)特點(diǎn)及配套典型機(jī)具，并展望全膜雙壟溝播技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 全膜雙壟溝播技術(shù)概況

1.1 全膜雙壟溝播技術(shù)應(yīng)用面積

“蓄住天上水、保住地里熵”，全膜覆蓋雙壟溝播技術(shù)是近年來我國西北旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)突破性技術(shù)(如圖1所示)，是針對玉米、馬鈴薯種植提出的，能很好適應(yīng)大豆、高粱、胡麻及特色雜糧作物高密度種植[9-15]。生產(chǎn)實(shí)踐證明，全膜覆蓋雙壟溝播技術(shù)比普通地膜覆蓋栽培單產(chǎn)增幅超過近30%[16-17]，使得該項(xiàng)農(nóng)藝技術(shù)近年來的推廣應(yīng)用面積一直在穩(wěn)步上升。

圖1 玉米全膜雙壟溝播栽培技術(shù)示意圖Fig.1 Technical diagram of corn furrow sowing with whole plastic-film mulching on double ridges1.中心覆膜土帶(兩幅地膜接縫處) 2.壟溝覆土帶(播種株距控制在300～400 mm) 3.小壟壟體 4.溝播作物 5.覆土橫腰帶(防止大風(fēng)揭膜，攔截降雨徑流) 6.大壟壟體 7.覆蓋地膜(厚度大于等于0.01 mm)

自2003年至今，西北旱區(qū)全膜覆蓋雙壟溝播技術(shù)的推廣應(yīng)用面積逐年增加，2017年僅甘肅省示范推廣面積就達(dá)到1.07×106hm2以上，寧夏回族自治區(qū)示范推廣面積超過1.3×105hm2，陜北地區(qū)(榆林、延安)示范推廣面積超過5.6×104hm2，同時(shí)在青海省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等地皆進(jìn)行了較大面積應(yīng)用[18-19]，并嘗試在巴基斯坦、肯尼亞等國家半干旱地區(qū)進(jìn)行相關(guān)栽培系統(tǒng)生產(chǎn)能力實(shí)驗(yàn)[20]。目前，甘肅省是西北地區(qū)全膜雙壟溝播技術(shù)應(yīng)用面積最大的省份，根據(jù)甘肅省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站統(tǒng)計(jì)，近10年來每年的平均推廣面積保持在8.87×105hm2以上；其中，從2014年開始每年的應(yīng)用面積均超過1.0×106hm2，如圖2所示。

圖2 甘肅省近10年全膜雙壟溝播技術(shù)應(yīng)用面積Fig.2 Application area of furrow sowing with whole plastic-film mulching on double ridges technology in Gansu Province in recent 10 years

1.2 全膜雙壟溝播技術(shù)實(shí)施效應(yīng)

推廣應(yīng)用全膜雙壟溝播技術(shù)是西北旱區(qū)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水、作物增產(chǎn)的關(guān)鍵措施與重要途徑。全膜雙壟溝播技術(shù)集覆蓋抑蒸、膜面集雨、壟溝種植功能于一體，應(yīng)用覆膜雙壟產(chǎn)流、溝內(nèi)集流原理，最大限度保蓄自然降水，使農(nóng)田地面蒸發(fā)降到最低，特別是將小于5 mm的無效自然降水轉(zhuǎn)化為有效水分貯存于土壤并集中入滲于作物根部，使得平均集水效率達(dá)到90%以上；且從時(shí)間和空間上緩解了西北旱區(qū)作物需水期與雨水供給期的錯(cuò)位，確保在干旱和正常年份均能顯著提高水分利用效率[21-23]。同時(shí)大小雙壟覆膜種床增加了地膜有效采光面積，解決了西部干旱地區(qū)溫度供需矛盾，在保證作物產(chǎn)量穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升水熱運(yùn)移效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)集雨、保墑、抗旱、增產(chǎn)功效[24]。目前，不同地區(qū)針對不同的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境及作物形成了與全膜雙壟溝播技術(shù)相適宜的耕作栽培技術(shù)模式，如表1所示。

表1 全膜雙壟溝播典型技術(shù)模式Tab.1 Typical technical pattern of furrow sowing with whole plastic-film mulching on double ridges

2 全膜雙壟溝播技術(shù)與機(jī)具現(xiàn)狀

全膜雙壟溝播技術(shù)實(shí)施時(shí)需要先完成大小雙壟種床起壟、覆膜-覆土，隨后在小壟壟溝內(nèi)實(shí)現(xiàn)播種；同時(shí)，待種植作物成熟后進(jìn)行機(jī)械化收獲，并在后期開展殘膜回收作業(yè)。其中，雙壟覆膜種床構(gòu)建質(zhì)量是保障全膜雙壟溝播技術(shù)的基礎(chǔ)，覆膜-覆土質(zhì)量的穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)系到全膜雙壟溝播實(shí)施效應(yīng)[28]；膜上播種作業(yè)是引起種床膜面失效與產(chǎn)量效應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，因此緩解成穴器撕膜挑膜現(xiàn)象是順利實(shí)施機(jī)械化溝播的前提[29]；融合該農(nóng)藝技術(shù)的機(jī)械化收獲是提高收割過程對行、玉米籽粒損失率低所采取的有效措施[30]；而殘膜回收則是維護(hù)全膜雙壟溝播技術(shù)可持續(xù)推廣應(yīng)用的重要保障[31]。

2.1 起壟覆膜技術(shù)與機(jī)具

“覆蓋抑蒸、膜面集雨”是全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術(shù)的重要功能，主要依靠起壟、覆膜-覆土關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，是挖掘降水利用潛力和創(chuàng)建高產(chǎn)田的有效途徑[32-34]。首先溝壟集雨種植建立的壟溝產(chǎn)流、集水、蓄墑系統(tǒng)，改善了土壤水分生態(tài)環(huán)境，能夠使降水通過壟面產(chǎn)生的徑流首先抵達(dá)溝側(cè)，然后通過側(cè)滲逐漸向溝中央?yún)R集，并同時(shí)向壟下擴(kuò)滲，同時(shí)通過重力作用向深層土壤下滲，使降雨得到有效蓄存，在農(nóng)田內(nèi)部實(shí)現(xiàn)作物在時(shí)空上對水分的有效調(diào)控利用，提升旱作區(qū)作物的生產(chǎn)能力[35-36]。全膜雙壟溝起壟、覆膜-覆土環(huán)節(jié)農(nóng)藝要求較為特殊和復(fù)雜[37]，首先需構(gòu)建大壟壟體(結(jié)構(gòu)為寬700 mm、高100～150 mm)與小壟壟體(結(jié)構(gòu)為寬400 mm、高150～200 mm)相間的異形壟體覆膜種床；其次以小壟壟體為中心基準(zhǔn)，鋪設(shè)寬度為1 200 mm的白(黑)色地膜(厚度為0.01 mm)，即用整幅地膜覆蓋小壟整體及其兩側(cè)壟溝，且分別均等向兩側(cè)各1/2大壟壟體延伸進(jìn)行覆膜作業(yè)，并同時(shí)完成兩側(cè)膜邊、壟溝內(nèi)的覆土鎮(zhèn)壓。當(dāng)下一組小壟壟體覆膜作業(yè)時(shí)，其左側(cè)1/2大壟壟體覆土膜邊正好與上一組右側(cè)大壟壟體覆土膜邊對接，并在中心覆膜土帶的連接下完成大壟壟體的全膜覆蓋，整幅地膜所覆蓋雙壟底部總體寬度約為1 100 mm，覆蓋經(jīng)歷了由壟到溝、沿溝至壟的雙重跨越[38-40]。

針對上述雙壟覆膜種床構(gòu)建的特殊要求，按照應(yīng)用配套動(dòng)力與作業(yè)形式，全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)主要分為簡易式起壟覆膜機(jī)和聯(lián)合作業(yè)式起壟覆膜機(jī)2種。其中，簡易式起壟覆膜機(jī)掛接動(dòng)力要求低，沒有旋耕整地功能，覆土作業(yè)主要依靠犁鏵曲面翻土完成，適宜于小地塊作業(yè)；而聯(lián)合作業(yè)起壟覆膜機(jī)能夠一次性完成整地、起壟、覆膜、覆土、噴藥等多項(xiàng)工序，機(jī)械化程度高，適宜于較大的平整地塊作業(yè)。部分典型的全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)具如表2所示。

表2 全膜雙壟溝起壟覆膜典型機(jī)具Tab.2 Typical machines for ridging and plastic-film mulching with whole plastic-film mulching on double ridges

地膜覆蓋農(nóng)機(jī)裝備的研發(fā)主要結(jié)合不同地域氣候條件、種植作物品種、農(nóng)作制及其農(nóng)藝要求等進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，在作業(yè)機(jī)理與動(dòng)力消耗方面存在較大差異。國外對于作物覆膜機(jī)械化栽培技術(shù)研究相對成熟，早在20世紀(jì)90年代末已有相關(guān)的作業(yè)機(jī)具出現(xiàn)[46]。其中，意大利、美國、以色列、日本等發(fā)達(dá)國家覆膜機(jī)械的工作性能可靠且一體化程度高，如法拉利FPC型全自動(dòng)移栽機(jī)、雷納多RTME1100型移栽機(jī)等攜有適宜于蔬菜、水果、煙草等相關(guān)種床覆膜與膜上栽培的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)與部件，能夠完成平作寬幅覆膜與膜上移栽，聯(lián)合作業(yè)所需的動(dòng)力較大[47]。近年來，由于國外發(fā)達(dá)國家免耕技術(shù)與保護(hù)性耕作技術(shù)的大力推廣，有關(guān)覆膜栽培種植模式與裝備研究相對較少，大田地膜覆蓋推廣應(yīng)用面積小[48-49]，使得覆膜機(jī)械及裝置主要應(yīng)用于溫室栽培與設(shè)施農(nóng)業(yè)，其覆膜-覆土機(jī)構(gòu)所面臨的作業(yè)地況與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件良好，采用地膜厚度均在0.012～0.020 mm之間，在鋪設(shè)過程中不易出現(xiàn)機(jī)械損傷；且主要為抑制種床雜草生長、提高作物出苗積溫與種床地溫，其種床構(gòu)建以覆膜平作為主導(dǎo)，覆蓋地膜主要在苗期回收，因此，對于覆膜種床鋪設(shè)作業(yè)質(zhì)量更多關(guān)注其膜面的平整一致性[50-51]。國內(nèi)地膜覆蓋農(nóng)機(jī)裝備的研發(fā)、應(yīng)用與國外有所不同，在充分考慮抑制雜草和采光增溫的前提下，還需兼顧覆膜種床膜面集雨(蓄水)與覆蓋抑蒸(保墑)功能，目前主要開展了有關(guān)棉花、水稻、花生、馬鈴薯、玉米等作物的覆膜種植與移栽裝備研究[52-58]。異形雙壟起壟覆膜技術(shù)是全膜雙壟溝播技術(shù)的重要組成部分，傳統(tǒng)起壟、覆膜-覆土機(jī)構(gòu)目前主要存在農(nóng)藝農(nóng)機(jī)不融合，雙壟壟體耕作成型、覆膜-覆土質(zhì)量低，覆膜種床攔截降雨徑流效果不理想等問題，相關(guān)學(xué)者針對這些問題開展了研究。為降低采光面地膜機(jī)械破損率，應(yīng)用響應(yīng)曲面法、正交試驗(yàn)分別對雙壟耕作施肥噴藥覆膜機(jī)、1MLQS-40/70型起壟全鋪膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[25,39]；為提高全膜雙壟溝機(jī)械化覆土作業(yè)過程研究的準(zhǔn)確性，對全膜雙壟溝覆膜土壤離散元接觸參數(shù)進(jìn)行仿真標(biāo)定[38]；為解決全膜雙壟溝種植馬鈴薯模式膜上覆土量不足造成的風(fēng)力破壞、穴孔錯(cuò)位、燒苗等問題，設(shè)計(jì)一種適用于全膜覆蓋鋪膜機(jī)的膜上覆土裝置與馬鈴薯施肥播種起壟全膜覆蓋種行覆土一體機(jī)[59-60]；為進(jìn)一步提升全膜雙壟溝覆膜種床抗風(fēng)揭膜能力，增強(qiáng)攔截降雨徑流效果，設(shè)計(jì)了橫腰帶覆土系統(tǒng)與鎮(zhèn)壓打孔裝置等[44]。

2.2 膜上精量播種技術(shù)與機(jī)具

覆膜壟溝膜上精量播種是全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術(shù)的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，成穴器與覆膜種床各部位的互作規(guī)律、播種質(zhì)量都將直接影響到全膜覆蓋雙壟種床生產(chǎn)系統(tǒng)的正常水熱運(yùn)移與產(chǎn)量效應(yīng)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化膜上精量播種是大面積推廣全膜雙壟溝播技術(shù)的重要載體和必然選擇，將成為農(nóng)機(jī)裝備與全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術(shù)相融合的重要紐帶，是實(shí)現(xiàn)全膜雙壟溝大田作物生產(chǎn)全程機(jī)械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[61]。同時(shí)，旱地全膜雙壟溝機(jī)械化技術(shù)要求相關(guān)播種機(jī)具作業(yè)時(shí)，除滿足常規(guī)播種性能指標(biāo)參數(shù)外，還必須減少對鋪設(shè)地膜的損傷，且必須保證播種穴孔與膜孔無錯(cuò)移現(xiàn)象發(fā)生，避免后續(xù)人工再次放苗，降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，主要研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)成穴器近似垂直扎穴與復(fù)位的零速投種補(bǔ)償機(jī)構(gòu)以及成穴器強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)，作業(yè)機(jī)輪胎適宜于覆膜壟溝行走且整機(jī)質(zhì)量輕簡化，以確保在播種作業(yè)過程中無撕膜挑膜、引起種床采光面地膜破損的現(xiàn)象出現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)盡量提高播種作業(yè)效率。相關(guān)全膜雙壟溝膜上精量播種典型機(jī)具如表3所示。

在國外，近年來由于免耕技術(shù)與保護(hù)性耕作技術(shù)的大力推廣，以及精密播種技術(shù)的發(fā)展，美國、澳大利亞、俄羅斯、巴西、贊比亞等國家主要以研究免耕播種機(jī)為主[66-70]。我國對膜上播種機(jī)的研究起步于20世紀(jì)80年代，主要是以鏟式、舵輪式及滾輪式穴播機(jī)為研究對象。隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)與手段的不斷創(chuàng)新，國內(nèi)學(xué)者更多側(cè)重于輪式穴播機(jī)相關(guān)精密播種技術(shù)的研究。其中，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)置雙位投種、縮短投種距離，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置式雙位投種舵輪式穴播器[71]；通過正交試驗(yàn)、回歸分析，確定了取種盤吸孔線速度和充種負(fù)壓對排種性能的影響規(guī)律及較優(yōu)工作參數(shù)組合[72]；應(yīng)用力學(xué)分析計(jì)算與臺(tái)架試驗(yàn)，采用高速攝像技術(shù)對改進(jìn)型夾持式棉花穴播輪的工作過程進(jìn)行分析，明確了輪體內(nèi)棉種的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特性[73]；為實(shí)現(xiàn)全膜雙壟溝玉米精量播種，設(shè)計(jì)了一種適用于穴播輪的新型勺匙式取種器，得出影響勺匙式取種器性能的主要因素和臨界條件[74]；為研究鏟式玉米精密穴播機(jī)播種性能與農(nóng)田不平度激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)間的關(guān)系，有學(xué)者推導(dǎo)了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與理論粒距關(guān)系數(shù)學(xué)模型[75]。

為避免輪式穴播機(jī)作業(yè)過程中成穴器回轉(zhuǎn)余擺線引起的撕膜挑膜現(xiàn)象，我國于20世紀(jì)90年代初對直插式播種機(jī)開展研究，為適應(yīng)少耕、免耕及地膜覆蓋播種作業(yè)要求，陳曉光等[76]最初提出并研究了直插式播種機(jī)基本工作原理與總體結(jié)構(gòu)形式。直至2018年相關(guān)科研人員分別采用平行四桿機(jī)構(gòu)軌道控制研制了直插式覆膜小麥穴播機(jī)[77]；結(jié)合凸輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機(jī)；應(yīng)用轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與正弦機(jī)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)，研發(fā)了直插式近等速補(bǔ)償機(jī)構(gòu)[26]；開發(fā)了由轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)的直插式前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)[65]；研制了由共軛凸輪、強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種器為核心工作部件的玉米直插穴播機(jī)等[78]。相關(guān)田間試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的機(jī)具能有效減少覆膜種床擾動(dòng)，緩解采光面機(jī)械破損，降低穴孔錯(cuò)位率。

2.3 機(jī)械化收獲技術(shù)與機(jī)具

全膜雙壟溝播作物機(jī)械化收獲是實(shí)現(xiàn)其全過程機(jī)械化的最重要環(huán)節(jié)之一，目前主要集中于溝播玉米的機(jī)械化收獲研究方面。全膜雙壟溝異形雙壟覆膜種床尺寸不一致、種植行距不規(guī)則等問題，使得傳統(tǒng)多行玉米聯(lián)合收獲機(jī)無法實(shí)現(xiàn)對行收獲。同時(shí)，除了西北旱區(qū)地塊較小、農(nóng)藝技術(shù)不匹配無法使用大型機(jī)具外，盡量減少對種床覆蓋地膜的損傷、避免粉碎莖稈直接還田所帶來的后續(xù)殘膜回收困難也成了限制現(xiàn)有聯(lián)合作業(yè)機(jī)具推廣應(yīng)用的主要原因。為確保作物收獲后雙壟覆膜種床上殘膜能夠及時(shí)被高效率、高凈度機(jī)械化回收，現(xiàn)有兩種相對成熟作業(yè)模式：針對小型種植地塊，先完成玉米果穗的收獲，隨后對田間滯留莖稈進(jìn)行回收[79]；針對大型種植地塊，應(yīng)用攜有穗莖兼收功能的聯(lián)合收獲機(jī)一次性完成玉米果穗的摘穗、輸送、剝皮、收集和莖稈的切斷、揉搓切碎、拋送、集車等作業(yè)工序[30]。相關(guān)全膜雙壟溝機(jī)械化玉米收獲典型機(jī)具如表4所示。

表3 全膜雙壟溝膜上精量播種典型機(jī)具Tab.3 Typical machines for precision sowing on film with whole plastic-film mulching on double ridges

國外發(fā)達(dá)國家對玉米聯(lián)合收獲機(jī)具的研究起步早，發(fā)展比較成熟，對玉米聯(lián)合收獲有較深入的研究，近年來，其主要朝著大型、大功率、寬割幅、大喂入量和智能化方向發(fā)展，然而國外玉米種植作業(yè)與中國北方旱區(qū)小地塊種植的方式不同，并且沒有進(jìn)行覆膜種植，所以可做參考的研究相對有限[30,82]。中國大部分玉米聯(lián)合收獲機(jī)型同國外一樣，大都采用臥式摘穗輥裝置，對摘除玉米果穗的莖稈部分進(jìn)行還田作業(yè)，這類機(jī)型不適用于小地塊且以鋪膜作業(yè)為主的收獲。2005年，山東理工大學(xué)相關(guān)學(xué)者提出了采用立式摘穗輥裝置的穗莖兼收型玉米聯(lián)合收獲機(jī)，通過生產(chǎn)試驗(yàn)證明了該種收獲方式的可行性[83-84]。目前，國內(nèi)對穗莖兼收型玉米聯(lián)合收獲機(jī)具的研究比較多，出現(xiàn)了各種立式割輥類型的機(jī)型，重點(diǎn)對多棱立輥式摘穗裝置、立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)間隙夾持輸送裝置進(jìn)行了研究[85-86]，提出了玉米激振摘穗機(jī)理[87]。立輥式玉米摘穗技術(shù)是果穗在立輥?zhàn)饔孟峦瓿晒胧斋@的一項(xiàng)技術(shù)，其特點(diǎn)是果穗摘下后能在重力作用下立即離開摘穗輥，從而防止籽粒的啃傷和啃落，大大減少果穗的收獲損失，具有結(jié)構(gòu)簡單、摘穗快等優(yōu)點(diǎn)[88-89]。但是針對旱地玉米全膜雙壟溝種植模式下的聯(lián)合收獲機(jī)械研究才開始嘗試，辛尚龍等[30]設(shè)計(jì)了全膜雙壟溝播玉米穗莖兼收對行聯(lián)合收獲機(jī)，目前仍處于進(jìn)一步改進(jìn)試制階段。因此，溝播作物機(jī)械化收獲屬于全膜雙壟溝播全程機(jī)械化相對薄弱的環(huán)節(jié)，也是未來機(jī)械化發(fā)展的主要方面。

表4 全膜雙壟溝機(jī)械化玉米收獲典型機(jī)具Tab.4 Typical machines for corn mechanized harvesting with whole plastic-film mulching on double ridges

2.4 殘膜回收技術(shù)與機(jī)具

近年來，隨著全膜雙壟溝播技術(shù)的大面積推廣，地膜投入和應(yīng)用量不斷增加，待種植作物收獲后大量殘地膜在田間滯留的問題不容忽視，不但造成了嚴(yán)重的田間土壤污染與環(huán)境污染，惡化了全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術(shù)的生態(tài)效應(yīng)，限制了大規(guī)模推廣的持續(xù)性，而且制約了后續(xù)秸稈根茬還田與整地作業(yè)，最終影響了秋覆膜或來年頂凌覆膜工作的開展[90-91]。傳統(tǒng)的人工收膜，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低，因此，推行機(jī)械化殘膜回收已成為必然趨勢。全膜雙壟溝殘膜回收分為秋季揭膜(前茬作物收獲后，10月中下旬)和頂凌揭膜(來年3月上中旬土壤消凍約15 cm時(shí))兩種類型。受制于種床覆膜多條土帶鎮(zhèn)壓與壟溝內(nèi)連續(xù)大根茬固定的特殊農(nóng)藝要求，使得雙壟種床表面切膜起茬、“膜-土-根”復(fù)合體分離與殘膜回收質(zhì)量的穩(wěn)定性與可靠性成為影響全膜雙壟溝播技術(shù)產(chǎn)量效應(yīng)的關(guān)鍵因素。因此，機(jī)械化殘膜高效回收作業(yè)過程是保障全膜雙壟溝播生產(chǎn)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與核心組成。部分全膜雙壟溝殘膜回收典型機(jī)具如表5所示。

地膜回收機(jī)具的研發(fā)需要結(jié)合不同地域氣候條件、種植作物品種、鋪設(shè)地膜厚度、農(nóng)作制及其農(nóng)藝要求等進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，在作業(yè)機(jī)理與動(dòng)力消耗方面存在較大差異[98-100]。國內(nèi)使用的地膜厚度較小(0.006～0.010 mm)，回收時(shí)地膜拉伸強(qiáng)度低、膜面破損嚴(yán)重，因此，國內(nèi)殘膜回收機(jī)械研究重點(diǎn)與國外有所不同，主要圍繞起膜、輸膜、脫膜、集膜等關(guān)鍵工作部件及膜雜分離機(jī)構(gòu)加以研究。目前主要開展了棉花、花生、馬鈴薯、玉米等作物收獲后田間地表、耕層的殘膜回收裝備研究；研究主要針對半膜覆土的種植模式，殘膜回收機(jī)相關(guān)切膜起茬主要由旋耕刀組(旋轉(zhuǎn)類)、開溝鏟、開溝圓盤(傾斜類)等觸土觸膜部件組成；膜雜分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式多樣，采用偏心彈齒滾筒結(jié)構(gòu)、振動(dòng)?xùn)艞l與滾筒篩組合機(jī)構(gòu)、鏈篩式升運(yùn)裝置、鏈扒驅(qū)動(dòng)成排彈齒機(jī)構(gòu)等，可在配套單一或組合式機(jī)械-氣力脫膜、卸膜機(jī)構(gòu)的輔助作用下完成不同農(nóng)藝要求的殘膜回收作業(yè)[101-105]。針對國內(nèi)不同地域農(nóng)作制要求，高效撿膜、膜雜分離機(jī)理與高性能機(jī)構(gòu)研究已引起了農(nóng)機(jī)學(xué)者的廣泛關(guān)注。近期，陳學(xué)庚院士團(tuán)隊(duì)針對耐候膜開發(fā)系列化殘膜回收裝備，研制出能夠隨動(dòng)整片撿膜的鏈板式釘齒撿拾裝置和土壤、秸稈條帶側(cè)鋪功能的螺旋清雜裝置[106]，為殘膜機(jī)械化回收提供了新思路與新途徑。

表5 全膜雙壟溝殘膜回收典型機(jī)具Tab.5 Typical machines for residual film collecting with whole plastic-film mulching on double ridges

3 現(xiàn)存問題分析

3.1 農(nóng)藝

不同區(qū)域覆膜方式與覆膜時(shí)間需要進(jìn)一步優(yōu)化，西北部分地區(qū)冬春干旱發(fā)生機(jī)率高，春季頂凌覆膜在一定程度上會(huì)受到干旱制約，覆膜時(shí)機(jī)較難把握，風(fēng)險(xiǎn)高，而秋季覆膜則存在著越冬管理難度大及草害嚴(yán)重等問題，需要進(jìn)一步對現(xiàn)有的抗旱新材料、新技術(shù)、新品種、新機(jī)具進(jìn)行融合模式探索[107]。同時(shí)，在現(xiàn)有種植結(jié)構(gòu)中全膜雙壟溝播技術(shù)主要在玉米和馬鈴薯作物栽培上進(jìn)行了大面積推廣，而在特色雜糧、油料、蔬菜、水果、牧草等其他高效經(jīng)濟(jì)作物種植上還在完善階段，應(yīng)用面積相對較少，需要進(jìn)一步探索，以形成增產(chǎn)、環(huán)保兩位一體高效生態(tài)農(nóng)業(yè)，將糧食生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)開發(fā)相結(jié)合，推動(dòng)農(nóng)業(yè)資源的可循環(huán)利用[108]。全膜雙壟溝最佳溝壟構(gòu)建比例、播種密度、覆膜厚度與方式仍需深入研究，衍生出的“一膜兩年用”農(nóng)藝技術(shù)栽培管理措施不完善，制約了有效成本的降低效果[109]。

3.2 配套機(jī)具

3.2.1種床機(jī)械化構(gòu)建質(zhì)量不高

依據(jù)全膜雙壟溝機(jī)械化壟體成型工藝(即機(jī)械化單程耕作構(gòu)建的種床形貌特征由小壟壟體及其兩側(cè)均等各1/2大壟壟體組成)，溝壟不同構(gòu)建比例、大壟壟體中心接縫、小壟壟溝覆蓋土壤量的多少皆是影響覆膜種床對土壤水分抑蒸、雨水入滲疊加利用、土壤溫度提升的關(guān)鍵所在[110]?，F(xiàn)有部分全膜雙壟溝起壟覆膜機(jī)作業(yè)性能有待進(jìn)一步提升，在機(jī)械化種床構(gòu)建中壟溝比例與形貌不規(guī)范，出現(xiàn)小壟壟溝與大壟壟體接縫處覆蓋土壤不足，雙壟覆膜種床基準(zhǔn)定位不穩(wěn)，在外界風(fēng)力、地表形貌的干涉作用下容易出現(xiàn)種床溝壟覆蓋地膜滑移、翻接與撕裂，將對后續(xù)機(jī)械化膜上播種質(zhì)量產(chǎn)生抑制影響；同時(shí)當(dāng)覆蓋土壤過量時(shí)，全膜覆蓋雙壟溝生產(chǎn)系統(tǒng)地膜的有效采光面積減小，直接導(dǎo)致種床對于太陽輻射的吸收能力減弱，使其膜面集雨功能喪失。同時(shí)，受雙壟覆膜種床鋪設(shè)質(zhì)量穩(wěn)定性、可靠性的影響，不同時(shí)期、周期全膜雙壟溝覆膜種床物理機(jī)械特性差異所引起的后續(xù)機(jī)械化膜上播種撕膜、挑膜現(xiàn)象嚴(yán)重，殘膜回收所面臨膜土分布不規(guī)則、膜土分離困難等均是影響全膜覆蓋雙壟溝生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化構(gòu)建與可持續(xù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

3.2.2膜上機(jī)械化播種性能不可控

我國西北地區(qū)旱地全膜雙壟溝技術(shù)配套的相關(guān)播種機(jī)具主要依靠傳統(tǒng)的鏟式、輪式穴播器和手持式點(diǎn)播槍。前者機(jī)具作業(yè)時(shí)地膜受成穴器運(yùn)動(dòng)軌跡余擺線的影響，易產(chǎn)生撕膜、挑膜，地膜經(jīng)反復(fù)拉伸產(chǎn)生錯(cuò)切，導(dǎo)致膜上播種穴孔錯(cuò)位現(xiàn)象發(fā)生[111]；作物出苗后會(huì)被封蓋在地膜下面， 不能從膜孔中順暢長出，放苗不及時(shí)則會(huì)引發(fā)悶苗、扭曲及燒苗等現(xiàn)象，這是造成田間作物減產(chǎn)的關(guān)鍵影響因素之一；且當(dāng)種床土壤松軟時(shí)成穴裝置開啟機(jī)構(gòu)失效，也會(huì)影響播種出苗率及作物產(chǎn)量；手持式點(diǎn)播槍雖在地膜上播種性能可靠，幾乎無穴孔錯(cuò)位現(xiàn)象發(fā)生，但勞動(dòng)強(qiáng)度高，作業(yè)效率低，人工操作播種質(zhì)量得不到保障，不適宜作為今后全膜雙壟溝播技術(shù)大面積推廣所依托的播種機(jī)具載體[61,112]。近年來提出的直插式播種方式能夠克服傳統(tǒng)膜上播種機(jī)具作業(yè)所產(chǎn)生的地膜損傷、種穴與幼苗錯(cuò)位等問題，但是其工作機(jī)構(gòu)的可靠性、耐久性與作業(yè)效率的提升仍需持續(xù)開展研究。

3.2.3機(jī)械化收獲農(nóng)藝要求不融合

在機(jī)械化收獲作業(yè)過程中，全膜雙壟溝的大小壟體交錯(cuò)分布易造成收獲地表不平整，致使割臺(tái)持續(xù)喂入、切割不穩(wěn)定，給機(jī)械化作業(yè)帶來了難度。由于作物溝播行距不一致，呈400 mm與700 mm間隔交替分布，無法應(yīng)用已有玉米聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)多行收獲，現(xiàn)有研發(fā)的玉米聯(lián)合收獲機(jī)也僅能以小壟壟體為基準(zhǔn)完成兩行玉米的收獲，作業(yè)效率相對較低[30]。同時(shí)，在黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，丘陵山區(qū)的旱田地大都無機(jī)耕道，使得大中型機(jī)具無法進(jìn)地，限制了作業(yè)機(jī)多功能與大功率的發(fā)展；且傳統(tǒng)聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)地后對已覆蓋地膜的損傷、收獲作物莖稈粉碎還田等問題均無法達(dá)到后續(xù)“一膜兩年用”免耕栽培技術(shù)實(shí)施的前提要求，致使全膜雙壟溝覆膜生產(chǎn)系統(tǒng)集水保墑功能失效，進(jìn)一步增加了全膜雙壟溝機(jī)械化殘膜回收過程中膜雜分離的困難程度[113]。

3.2.4機(jī)械化殘膜回收過程易失效

針對全膜雙壟溝播不同地域、不同質(zhì)量的覆膜覆土作業(yè)工況，高效撿膜、膜雜分離機(jī)理與高性能機(jī)構(gòu)研究等已引起了相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注[114-117]，但研發(fā)機(jī)具總體適應(yīng)性不強(qiáng)；已有與全膜雙壟溝殘膜回收配套農(nóng)機(jī)裝備存在的最主要問題是：覆膜種床切膜起茬效率較低，膜雜分離效果不顯著，殘膜撿拾部件脫膜不徹底，覆土帶邊膜撿拾效率不高、回收殘膜的含雜率較大，難以進(jìn)行再次利用，尤其在殘膜高速回收作業(yè)時(shí)問題更為復(fù)雜與突出，因此上述問題也是機(jī)械化殘膜回收過程易失效的原因所在與表現(xiàn)形式。目前，西北旱區(qū)農(nóng)膜殘留問題已日趨嚴(yán)重，已逐步引起全膜覆蓋雙壟溝生產(chǎn)系統(tǒng)抗旱、增產(chǎn)功能弱化[118-119]，致使研制的相關(guān)殘膜回收裝備無法在生產(chǎn)實(shí)際中可靠使用，研制的部分關(guān)鍵作業(yè)部件仍然停留在實(shí)驗(yàn)室研究與探索階段。

4 展望

4.1 加強(qiáng)全膜雙壟溝播技術(shù)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

西北旱區(qū)各地區(qū)種植習(xí)慣、自然降水及生產(chǎn)條件的多樣性，決定了全膜雙壟溝播技術(shù)模式的復(fù)雜與差異，在種植密度、種床構(gòu)建方面仍然存在較多技術(shù)模式，制約了配套機(jī)具的適應(yīng)性。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)全膜雙壟溝播技術(shù)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的相互協(xié)調(diào)與融合適應(yīng)，探討和制定西北各典型農(nóng)業(yè)區(qū)完善的全膜雙壟溝播技術(shù)模式，發(fā)展具有區(qū)域特點(diǎn)的配套機(jī)械化技術(shù)與裝備。重點(diǎn)研究土壤類型、氣候條件、覆膜類型、農(nóng)作制要求、溝壟比例、產(chǎn)量效應(yīng)等與機(jī)械化種床構(gòu)建、膜上精量播種、作物機(jī)械化收獲及殘膜高效回收等關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)的互作機(jī)制和評(píng)價(jià)機(jī)制，豐富全膜雙壟溝播技術(shù)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的研究內(nèi)涵，優(yōu)化配套作業(yè)機(jī)具性能與適應(yīng)性[120]。

4.2 持續(xù)開展基礎(chǔ)研究與配套機(jī)具性能優(yōu)化

目前，針對全膜雙壟溝播技術(shù)需求，其配套機(jī)具研發(fā)有了較大進(jìn)展，但大都在整機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能方面進(jìn)行研究，對相關(guān)技術(shù)與部件互作基礎(chǔ)研究還不夠深入，需要進(jìn)一步完善。其中種床機(jī)械化構(gòu)建方面，重點(diǎn)在不同時(shí)期、周期全膜雙壟溝覆膜種床物理機(jī)械特性研究，高性能切削起壟、隨動(dòng)覆膜關(guān)鍵部件的研制，不同機(jī)械化覆土裝置及覆土路徑系統(tǒng)理論的完善等方面開展；在雙壟種床膜上精量播種環(huán)節(jié)，需要準(zhǔn)確建立直插式播種系統(tǒng)與雙壟覆膜種床高效互作模型，提升前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)可靠性與耐久性，降低直插播種方式與種床沖擊慣性對播種質(zhì)量的擾動(dòng)，優(yōu)化成穴器與播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究適宜機(jī)械化溝播方式與作物產(chǎn)量效應(yīng)；以全膜雙壟溝玉米機(jī)械化收獲機(jī)具為例，深入探究不對行、多行割臺(tái)對異形雙壟行距的適應(yīng)性，探索最佳的全膜雙壟溝“一膜兩年用”玉米機(jī)械化收獲模式，優(yōu)化收獲機(jī)進(jìn)地緩解傷膜的相關(guān)措施；進(jìn)一步研究殘膜回收過程中雙壟種床殘膜、根茬布局隨機(jī)特性，拓展和完善自適應(yīng)撿膜、脫膜機(jī)器系統(tǒng)，優(yōu)化高效的邊膜撿拾工作部件，研究膜雜分離作業(yè)交互機(jī)制與特性，實(shí)現(xiàn)對殘膜的機(jī)械化高效回收。目前，全膜雙壟溝播配套機(jī)具相關(guān)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度相對較低，機(jī)具的適應(yīng)性仍有待提高。因此，需要在進(jìn)一步規(guī)范全膜雙壟溝播農(nóng)藝要求的基礎(chǔ)上結(jié)合上述研發(fā)重點(diǎn)與核心內(nèi)容加強(qiáng)基礎(chǔ)研究工作的開展，研制與旱區(qū)區(qū)域多樣性相適應(yīng)的核心部件與配套機(jī)具將是未來全膜雙壟溝全程機(jī)械化研究的重點(diǎn)。

4.3 創(chuàng)建全膜雙壟溝全程機(jī)械化技術(shù)體系

全膜雙壟溝播技術(shù)有效增強(qiáng)了旱作農(nóng)業(yè)的可控性與穩(wěn)定性，促進(jìn)了規(guī)?；N植和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，在西北旱區(qū)大面積推廣應(yīng)用。因此，需要進(jìn)一步形成全膜雙壟溝全程機(jī)械化技術(shù)體系，重點(diǎn)在起壟覆膜、膜上播種、機(jī)械收獲、殘膜回收4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上不斷突破與完善機(jī)械化作業(yè)難題，提高全程機(jī)械化作業(yè)效率與性能質(zhì)量，突出其技術(shù)集成和示范樣板的引導(dǎo)作用。此外，推進(jìn)全膜雙壟溝播技術(shù)與機(jī)械化協(xié)調(diào)發(fā)展，不僅注重單一機(jī)械化作業(yè)與農(nóng)藝技術(shù)的配套，還要縱觀整套全程機(jī)械化技術(shù)體系的相互銜接，最大限度呈現(xiàn)全膜雙壟溝播技術(shù)生態(tài)效益與社會(huì)效益。并依托全膜雙壟溝全程機(jī)械化技術(shù)體系，因地制宜調(diào)整旱作作物布局，大力發(fā)展高效旱作農(nóng)業(yè)，創(chuàng)新集成現(xiàn)代覆膜保墑集雨技術(shù)模式，從根本上突破干旱制約，實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)抗旱向主動(dòng)避災(zāi)轉(zhuǎn)變，構(gòu)建黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)抗旱減災(zāi)的長效機(jī)制。

5 結(jié)束語

全膜雙壟溝播技術(shù)集覆蓋抑蒸、膜面集雨、壟溝種植功能于一體，通過應(yīng)用覆膜雙壟產(chǎn)流、溝內(nèi)集流原理，最大限度保蓄自然降水，使農(nóng)田地面蒸發(fā)降到最低，將無效降水轉(zhuǎn)化為有效水分貯存于土壤并集中入滲于作物根部，改善了黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)高效用水機(jī)制，大田水生產(chǎn)力大幅提高，使得西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力顯著提升，對保障糧食安全、農(nóng)民增收具有重要意義，在全程機(jī)械化技術(shù)體系的輔助作用下將得到長期、有效的推廣應(yīng)用與可持續(xù)發(fā)展。

為滿足全膜雙壟溝播技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中對全程機(jī)械化技術(shù)體系及配套機(jī)具的要求，需要加強(qiáng)對起壟、覆膜-覆土功能耕整地機(jī)械化技術(shù)的可靠性研究，優(yōu)化提升壟溝膜上精量穴播機(jī)械化技術(shù)，探索適宜于全膜雙壟溝播機(jī)械化穗莖兼收的作業(yè)模式，完善高效的機(jī)械化殘膜回收機(jī)構(gòu)與方法。其中，提高機(jī)械化種床構(gòu)建過程中的覆膜-覆土可靠性，解決機(jī)械化膜上播種引起的穴空錯(cuò)位與地膜損傷，解決機(jī)械化收獲過程中的不對行收割與秸稈處理，優(yōu)化機(jī)械化殘膜回收相關(guān)切膜起茬與膜雜高效分離機(jī)構(gòu)，研發(fā)經(jīng)濟(jì)高效全膜雙壟溝全程機(jī)械化作業(yè)裝備和農(nóng)機(jī)農(nóng)藝深度融合是創(chuàng)建全膜雙壟溝全程機(jī)械化技術(shù)體系的關(guān)鍵，也是進(jìn)一步形成科學(xué)合理的全膜雙壟溝播技術(shù)樣板，實(shí)現(xiàn)全膜雙壟溝生產(chǎn)系統(tǒng)高效、節(jié)本增效的重要載體和必然選擇。