摘要：隨著地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，帶來經(jīng)濟收益的同時也帶來農(nóng)田殘膜污染。機械化回收是治理殘膜污染的重要環(huán)節(jié)，其中耕層殘膜的機械化回收是重難點，而高效穩(wěn)定的耕層殘膜回收機缺乏，不僅阻礙殘膜污染治理的進程，一定程度上更制約農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。為此，綜述分析地膜殘留的危害及耕層殘膜污染的現(xiàn)狀，對目前國內(nèi)的耕層殘膜回收機進行對比分析，重點列舉我國耕層殘膜回收機的結(jié)構(gòu)原理及特點，指出目前我國膜土分離機理研究缺乏；回收機具的工作深度不夠，需耕翻后來年再回收；自動化智能化程度低；復(fù)業(yè)式耕層殘膜回收機少等問題。并結(jié)合我國國情提出研發(fā)主動撿膜機構(gòu)，提高撿膜部件的智能化和精準度；配合污染監(jiān)測裝置，研究農(nóng)田殘膜污染的等級劃分；研發(fā)耕層殘膜回收及耕整地聯(lián)合作業(yè)機，降低治理成本等建議，為治理農(nóng)田殘膜污染及耕層殘膜回收機的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：耕層；殘膜污染；機械化回收；污染監(jiān)測

中圖分類號：S23" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 08?0290?06

Research status and development trend of tillage layer residual film recycling machine

Yao Jieting1， Zhang Xuejun1， 2， Shi Zenglu1， 2， Liu Xiaopeng1， Kang Mengchen1， Guo Lei1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China;2. Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment， Urumqi， 830052， China）

Abstract： The extensive mulch application in agricultural production simultaneously brings economic benefits and farmland pollution. Mechanized recovery is a necessary part of the treatment of residual film pollution， and the mechanized recovery of residual film in the tillage layer is a heavy difficult point. The lack of efficient and stable tillage layer residual film recycling machines in China not only hinders the process of residual film pollution control， but also restricts the green and sustainable development of agriculture to a certain extent. For this， the harm of film residue and current situation of tillage residual film pollution are summarized and analyzed， the current domestic tillage layer residual film recovery machines are compared and analyzed， and the structural principle and characteristics of residual tillage film recycling machines in China are highlighted， and some problems are pointed out， including the lack of research on film?soil separation mechanism in China， the insufficient working depth of recycling machines， which need to be tilled and recycled next year， the low degree of automation and intelligence and the less of compound tillage layer residual film recycling machine. Combined with China's national conditions， some development suggestions are put forward， such as developing an active film picking mechanism to improve the intelligence and accuracy of the film?picking component， combining with pollution monitor device to study the classification of residual film pollution in farmland， developing the combined operation machine of tillage layer residual film recovery and tillage and land preparation to reduce the cost of treatment， so as to provide reference for the treatment of farmland residual film pollution and the development of tillage layer residual film recycling machine.

Keywords： tillage layer; residual film pollution; mechanized recycling; pollution monitoring

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)具有使土壤增溫保濕、提高種子發(fā)芽率、防止病蟲害、抑制雜草生長等作用，在棉花、玉米、大豆等作物種植上被廣泛應(yīng)用[1]。由于地膜所使用的材料為聚乙烯烴類高分子化合物，其在自然條件下降解難加之連年大量鋪設(shè)且不能及時完整的回收，導(dǎo)致廢舊地膜在土壤內(nèi)部逐年增多與土壤、根茬緊密結(jié)合形成阻隔層，降低土壤水肥轉(zhuǎn)移速率、種子發(fā)芽出苗率和農(nóng)作物的產(chǎn)量[2]。新疆農(nóng)田覆膜種植40余年，年地膜使用量超200 kt。2021年覆膜種植面積達到3 553 khm2，占全國覆膜面積的20%左右[3]。龐大的地膜使用量及回收政策的滯后性帶來了嚴重的農(nóng)田污染，目前新疆農(nóng)田已成為我國乃至世界上殘膜污染最嚴重的區(qū)域之一。

可降解地膜因其成本高、保溫保濕效果不夠好、降解時間與降解產(chǎn)物不確定等諸多因素，難以在短期內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用?，F(xiàn)有殘膜回收機具和政策主要是針對當季地膜的回收，深藏于土壤耕層破碎度更高的殘膜缺乏有效治理手段，通過人工撿拾，時間成本高，勞動強度大，因此只能依靠機械化回收治理。但機械化回收耕層殘膜存在技術(shù)薄弱，實際田間回收率低于50%[3]、一次性投入成本高、機具穩(wěn)定性差的問題，難以被農(nóng)戶接受?；厥蘸蟮臍埬ご蠖嚯S意堆放在田間地頭或者就地焚燒，很容易引起二次污染。耕層殘膜的回收是殘膜治理中重要的一環(huán)，屬于重難點，應(yīng)綜合分析我國耕層殘膜回收機具的現(xiàn)狀，針對污染嚴重地區(qū)加大對耕層殘膜回收裝備的研發(fā)推廣，同時研究農(nóng)田耕層殘膜污染的等級劃分，根據(jù)不同的污染等級因地制宜實現(xiàn)分級治理，對治理農(nóng)田殘膜污染，凈化土壤種植環(huán)境，保證農(nóng)業(yè)高效、綠色發(fā)展具有重要意義。

1 耕層殘膜的危害及污染現(xiàn)狀

根據(jù)馬興旺等[4]研究發(fā)現(xiàn)，盡管每年及時對地表的當季地膜進行撿拾回收，3年后土壤中的地膜殘留量依舊明顯增加，原因是土壤表層遺留的殘膜隨耕作過程向深層轉(zhuǎn)移。耕層殘膜污染的危害主要體現(xiàn)在三個方面，一是對土壤自身的影響，土壤通透性和過水能力下降，土壤板結(jié)[5]；土壤中的酶活性降低[6]，自我修復(fù)能力減弱；養(yǎng)分運移減弱，有效磷及速效鉀含量降低[7]，土壤肥力下降；二是造成農(nóng)產(chǎn)品塑化劑殘留，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，危害人類健康；回收的秸稈混有地膜容易被牲畜誤食危害生命；三是在耕作過程中纏繞農(nóng)機具，降低作業(yè)質(zhì)量及機具壽命。農(nóng)田殘膜污染程度主要體現(xiàn)在地膜殘留量和其在土壤中的空間分布[8]。

1.1 地膜殘留量

地膜殘留量是指農(nóng)田土壤中殘留地膜的量，其值是按照五點取樣法，測點中長邊長度大于2 cm的殘留地膜的質(zhì)量和與測點數(shù)的比值。地膜殘留量的高低主要與該地區(qū)的地膜質(zhì)量、覆膜年限、覆膜用量和回收方式等有關(guān)[9]。其中地膜質(zhì)量影響最突出，其值取決于地膜使用標準。新疆自2018年使用的地膜標準（GB13735—2017）中規(guī)定地膜厚度不能小于0.01 mm，覆蓋使用時間不少于180天。根據(jù)塔里木大學對新疆農(nóng)田數(shù)據(jù)調(diào)查可知：2018年，新疆農(nóng)田平均地膜殘留量約為206.46 kg/hm2，污染嚴重的區(qū)域殘膜殘留量均值大于275.63 kg/hm2，遠超過地膜殘留量限值及測定標準（GB/T 25413—2010）中的75 kg/hm2，高于全國平均水平。

1.2 殘膜空間分布

我國深耕旋耕的耕作模式加劇了耕層殘膜的碎片化。賀懷杰等[10]研究發(fā)現(xiàn)，表層土壤中的大塊殘膜會逐年碎裂并向土壤深層轉(zhuǎn)移。劉超吉[11]對南疆棉田進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)殘膜在土壤中以水平、豎直、傾斜等形態(tài)分布至0～300 mm深度，其中100～200 mm 范圍內(nèi)的殘膜占比70%左右，形狀主要為片狀、蜷縮圓筒狀和球狀。殘膜面積分為lt;4 cm2、4～25 cm2、gt;25 cm2，在土壤中的比例為1∶7∶2，但面積gt;25 cm2的殘膜重量是4～25 cm2的3.6倍。以上數(shù)據(jù)說明殘膜容易滯留在100～200 mm的土壤深度且分布雜亂、破碎度高，給耕層殘膜回收機的撿膜部件帶來挑戰(zhàn)。因此，需加大力度研制可靠的耕層殘膜回收機，對解決目前農(nóng)田耕層污染問題具有重要意義。

2 耕層殘膜回收機現(xiàn)狀

歐美、日韓等國家首先在農(nóng)業(yè)應(yīng)用覆膜種植，也最早認識到殘膜的污染問題。這些國家普遍使用的地膜厚度為0.02～0.05 mm，并在其中加入抗老化劑，使得地膜的耐候性好、使用壽命長。待作物成苗后利用卷繞原理將地膜回收重復(fù)使用。其次，美國、日本、荷蘭等農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)達國家在可降解地膜的研究中取得突破，研發(fā)出生物降解地膜、光降解地膜及紙地膜等產(chǎn)品。綠色地膜的大面積推廣應(yīng)用，土壤耕層殘留的少量地膜自然分解，污染不嚴重。我國從20世紀70年代引入覆膜種植技術(shù)并大面積推廣，目前年用地膜總量在1 450 kt左右，農(nóng)作物覆蓋面積超20 000 khm2，占全球覆膜總量的75%以上。與歐美等國不同，我國農(nóng)田使用的地膜為厚度0.008～0.01 mm的普通PE膜[12]，這種地膜屬于一次性使用產(chǎn)品，力學性能差，不能直接通過卷繞法回收，多采用表層碎片撿拾回收。在田間實際應(yīng)用中，我國表層殘膜回收機的拾凈率不高，每年約20%的當季地膜遺留在土壤中，經(jīng)耕整地作業(yè)埋至土壤耕層。隨時間推移逐年累積，耕層中的碎片地膜越來越多，帶來嚴重的土壤生態(tài)環(huán)境惡化。因此，耕層殘膜回收機械的需求緊迫并重點集中在中國[13]。

耕層殘膜回收主要是對苗期和秋后沒有回收干凈的殘膜和歷年累積的殘膜進行清撿，根據(jù)相關(guān)標準回收深度gt;100 mm[14]。中國的科研院所和高校對耕層殘膜回收機的研究也多從近五年開始，目前研制出幾種典型的回收機具，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為滾筒式、輸送鏈式、氣力式和組合式。屬于牽引型機具，由拖拉機后輸出軸提供動力來源，回收過程主要包括松土、起膜、撿膜、膜土分離、卸膜、集膜6個階段。耕層殘膜回收機類型的優(yōu)缺點及適用性如表1所示。

2.1 滾筒式耕層殘膜回收機

滾筒式耕層殘膜回收機撿膜齒軸向排布在膜釘支架上，膜釘支架再均勻分布在與機具前進方向水平垂直的圓周上形成拾膜滾筒，隨拾膜滾筒的轉(zhuǎn)動對殘膜進行撿拾。

張攀峰[15]根據(jù)新疆地區(qū)棉花種植的農(nóng)藝要求設(shè)計了一款旋耕釘齒式耕層殘膜回收機如圖1所示，主要包括牽引架、減速器、地輪、釘齒、卸膜毛刷、輸送裝置、集膜箱及傳動系統(tǒng)。該機具能回收土壤深度150 mm以內(nèi)的耕層殘膜，作業(yè)幅寬1 m，作業(yè)速度2～6 km/h，田間試驗回收率75.04%，配套動力為約翰迪爾954型拖拉機。經(jīng)計算，確定釘齒的入土角為60°，拾膜滾筒的轉(zhuǎn)速范圍為80～180 r/min。作業(yè)時，由拖拉機后輸出軸提供動力，通過鏈傳動帶動拾膜滾筒旋轉(zhuǎn)，釘齒安裝在拾膜滾筒上隨滾筒旋轉(zhuǎn)伸入土壤鉤住殘膜；殘膜被挑起隨滾筒轉(zhuǎn)動至卸膜區(qū)，毛刷輥在卸膜反向鏈輪的作用下與拾膜滾筒反向快速旋轉(zhuǎn)，依靠摩擦力將殘膜從釘齒上刷離；被卸下的殘膜和土壤進入到輸送裝置中；該輸送裝置上有篩孔，使得土壤掉落地面，殘膜留在篩面上，完成膜土分離；繼而殘膜被輸送至集膜箱內(nèi)[16， 17]。

新疆農(nóng)業(yè)大學史增錄等[18]發(fā)明了一種釘齒自轉(zhuǎn)式的全耕層殘膜回收機，如圖2所示。與旋耕釘齒式相比，兩者的撿拾原理相似，但該機具采用起膜鏟起膜，且在每一組撿膜組件上安裝小鏈輪，在旋轉(zhuǎn)過程中通過與鏈條配合實現(xiàn)撿膜滾筒上的撿膜組件自轉(zhuǎn)，讓膜土混合物不僅受到撿膜輥組件自轉(zhuǎn)形成的作用力，還受到撿膜組件與滾筒轉(zhuǎn)動形成轉(zhuǎn)速差帶來的摩擦阻力，提升了膜土分離效率。

滾筒式耕層殘膜回收機依靠撿膜齒的“穿刺”力和“鉤”力拾膜，卸膜依靠釘齒與刷模板反轉(zhuǎn)形成的摩擦力卸膜。在實際應(yīng)用時，殘膜在釘齒在起膜和撿膜的過程中，會緊緊穿貼在釘齒上，因而撿膜齒的形狀、間距和分布對作業(yè)效果有很大影響，因此合理的設(shè)計才能避免大面積漏撿、殘膜大量堆積在釘齒上的現(xiàn)象。

2.2 輸送鏈式耕層殘膜回收機

輸送鏈式耕層殘膜回收機一般采用起膜鏟起膜，在輸膜裝置上增加撿膜齒和抖動裝置，實現(xiàn)“撿”和“篩”同步。

趙攸樂[19]設(shè)計了一款鏈齒耙式耕層殘膜回收機如圖3所示，主要由機架、限深輪、起膜鏟、鏈齒輸膜裝置、抖動裝置、卸膜輥、集膜箱及傳動系統(tǒng)部件組成。該機具能回收土壤深度200 mm以內(nèi)的耕層殘膜，結(jié)合鋪膜種植要求設(shè)計機具作業(yè)幅寬1.8 m，機具作業(yè)速度5.4 km/h，田間試驗平均殘膜撿拾率達89.6%，配備動力為 56 kW約翰迪爾-754 型拖拉機。作業(yè)時，拖拉機牽引機具前進，起膜鏟鏟起土膜混合物，向后運輸至鏈齒耙輸膜裝置；輸膜裝置上有彈齒鉤住殘膜，經(jīng)過抖動裝置抖動，土壤、秸稈等雜質(zhì)在重力作用下從篩面上的小孔落至地面，實現(xiàn)膜土分離；卸膜刷將殘膜刷入集膜箱，完成整個收膜過程。

羅凱等[20]對鏈齒耙式耕層殘膜回收機進行優(yōu)化，在鏈齒輸膜裝置下方加裝振動篩，利用偏心連桿機構(gòu)實現(xiàn)振動篩的前后進給和角度變化。理論計算確定振動篩得初始安裝角為30°，選定偏心輪轉(zhuǎn)速255 r/min。可以收集未被彈齒撿拾的小碎片殘膜，避免其落入土壤造成二次污染。史增錄等[21]發(fā)明了一種逆轉(zhuǎn)速差鏈齒式耕層殘膜回收機。通過在輸膜裝置的彈齒組件端部加裝齒輪與輸膜裝置和集膜箱的齒條在不同的時刻嚙合，讓彈齒組件在撿膜時與輸膜裝置旋向相反，卸膜時旋向相同，以提升撿膜和卸膜的效率。

輸送鏈式耕層殘膜回收機最大的特點是在輸送膜土混合物時加抖動裝置和振動篩將膜土混合物抖散，讓土壤和殘膜、根茬能更好地分離，減輕撿膜和卸膜的負載。但是當土地干旱土塊較大較硬時，回收效果差，可以考慮在起膜鏟和輸送裝置中間設(shè)置碎土裝置，以減小土塊大小對回收效果的影響。

2.3 氣力式耕層殘膜回收機

氣力式耕層殘膜回收機最大的特點是在撿膜和卸膜時依靠離心式風機營造負壓環(huán)境將殘膜吸至集膜箱內(nèi)，回收的膜干凈，但由于田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，氣力式故障率高，所以研究和應(yīng)用較少。

張振慧[22]設(shè)計的11MS-2.0型氣吸式耕層殘膜回收機如圖4所示，主要由懸掛架、減速器、碎土部件、兩級篩分裝置、兩級吸膜口、離心式風機、轉(zhuǎn)輪式輸送裝置、集膜箱、傳動系統(tǒng)組成。該機具能夠回收土壤深度300 mm以內(nèi)的殘膜，作業(yè)幅寬2 m，作業(yè)速度1 km/h。工作時，拖拉機通過牽引架帶動機具前進，首先由旋耕裝置碎土，膜土傳送至一級篩分裝置進行第一次膜土分離；傳送至振動篩末端時，第一吸膜口進行第一次吸膜工作，通過離心式風機進入集膜箱；剩余膜土被輸送至轉(zhuǎn)輪式輸送裝置，進入二級篩分裝置內(nèi)的振動篩中，此時第二吸膜口進行二次吸膜，膜通過離心式風機進入集膜箱內(nèi)，完成吸膜，土則漏至一級篩分裝置，若有未打碎的土塊則再次循環(huán)打碎。

2.4 組合式耕層殘膜回收機

組合式耕層殘膜回收機是將各工作階段的不同形式的部件進行組合，從而適應(yīng)不同類型和污染程度的土壤。郭文松等[23]研制了一種梳齒起膜氣力脫膜式耕層殘膜回收機，如圖5所示。

該機具能回收土壤深度150 mm以內(nèi)的殘膜，作業(yè)幅寬1 m，作業(yè)速度3 km/h，田間試驗殘膜回收率為55.04%。通過仿真分析，確定了梳齒排布方式為螺旋排列，螺旋升角為20°，螺距10 cm。受殘膜運動軌跡限制由理論計算得出，梳齒輥筒的轉(zhuǎn)速上限120 r/min，吸膜口風速15 m/s。該回收機具屬于牽引式，整機動力由拖拉機后輸出軸提供。工作時隨著梳齒輥旋轉(zhuǎn)梳齒入土，梳齒為鋸齒狀起到疏松土壤和挑膜的目的；殘膜和雜質(zhì)被梳齒挑起后送至吸膜區(qū)，殘膜和雜質(zhì)受負壓被吸入重力沉降室中；重力沉降室內(nèi)的空氣流速大于殘膜的懸浮速度小于雜質(zhì)的懸浮速度，使質(zhì)量較輕的殘膜從出膜口吹出進入集膜紗網(wǎng)，質(zhì)量較重的土壤和雜質(zhì)掉落到農(nóng)田里，完成殘膜回收工作過程[23]。

劉恩帥[24]對該梳齒起膜氣力脫膜式殘膜回收機優(yōu)化，重新設(shè)計重力沉降室，并增加了集膜箱。優(yōu)化后的殘膜回收機作業(yè)深度為0～300 mm，性能有所提高，回收率由55.04%提升到66.80%，含雜率由8.3%降低到6.49%。該機具體積小巧，適合小片農(nóng)田的回收作業(yè)。

3 存在問題

耕層殘膜的治理屬于重難點又是迫切需要解決的問題。不僅需要考慮其研發(fā)成本、作業(yè)成本、穩(wěn)定性等，還需要結(jié)合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、農(nóng)用地膜使用標準、不同地域的土壤特點等綜合考量。

1） 耕層殘膜碎片化嚴重，水肥遷移和微生物分解與土壤、根茬緊密黏合。相互作用力研究缺乏、相互作用規(guī)律不明、分離機理不明晰，導(dǎo)致現(xiàn)有的耕層殘膜回收機作業(yè)效果不穩(wěn)定、性能提升困難、阻礙了耕層殘膜的有效治理。

2） 研究顯示，耕層殘膜主要分布在0～300 mm深度的土層，由于作業(yè)動力及撿拾部件性能等因素限制，耕層殘膜回收機的工作深度大多是0～150 mm，機械的作業(yè)深度不夠，耕層殘膜的機械化回收需耕翻地后來年再收，增加耕層殘膜治理的成本。

3） 耕層殘膜回收機的自動化程度低，目前停留在初級的機械結(jié)構(gòu)研發(fā)，未能將例如雙目識別、電子控制、傳感器監(jiān)測等技術(shù)融入其中，機械撿拾具有很強的盲目性和隨機性，這也是殘膜回收機回收效果不穩(wěn)定的重要原因。

4） 復(fù)業(yè)式耕層殘膜回收機較少，作為一項單獨的農(nóng)事活動，成本增加但短期收益體現(xiàn)少，農(nóng)民回收積極性低。回收后相應(yīng)的清洗、加工再利用的體系政策不完善，只能堆放田間地頭或者焚燒造成二次污染。

4 發(fā)展趨勢

目前的耕層殘膜問題依舊沒有徹底解決，回收機械仍需重點研發(fā)提高性能。未來我國耕層殘膜回收機械發(fā)展重點應(yīng)放在以下幾個方面。

1） 加大耕層殘膜回收撿膜技術(shù)的研發(fā)，設(shè)計主動撿膜機構(gòu)，將傳感器技術(shù)與計算機視覺技術(shù)應(yīng)用于撿膜部件，提高撿膜部件的智能化和精準度，同時也減輕后續(xù)膜土分離的負載，利于殘膜回收機的推廣。

2） 在耕層殘膜回收機上搭載污染監(jiān)測裝置，創(chuàng)立云端數(shù)據(jù)庫對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲。對存儲的數(shù)據(jù)分析處理劃分污染等級可預(yù)測來年農(nóng)田耕層殘膜的污染情況，以便因地制宜適時調(diào)整回收方案，降低治理成本。

3） 研發(fā)高效率、能兼顧農(nóng)事作業(yè)和耕層殘膜回收的聯(lián)合作業(yè)機，減少機具進地的次數(shù)業(yè)成本。同時研發(fā)殘膜回收后的相關(guān)資源利用技術(shù)，完善相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

5 結(jié)語

隨著地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛長期應(yīng)用，地膜殘留從土壤表層逐步深入耕層，帶來農(nóng)作物的減產(chǎn)并加劇土壤種植環(huán)境的惡化。目前機械化回收是最直接、見效最快的治理手段，但是由于地膜的力學性能有限和農(nóng)田工作環(huán)境惡劣等原因，限制耕層殘膜的有效治理。通過研發(fā)高效的耕層殘膜回收機、完善提高相關(guān)的政策及標準、對污染農(nóng)田長期監(jiān)測等減少殘膜對土壤環(huán)境的侵害，保護土壤和環(huán)境的健康。

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