棉田殘膜回收機械研究現狀及發展趨勢*

程方平，庹洪章，易文裕, 2，王攀，楊昌敏，趙幫泰

(1. 四川省農業機械研究設計院，成都市，610066；2. 農業農村部丘陵山地農業裝備技術重點實驗室，成都市，610066)

0 引言

地膜覆蓋栽培技術具有增溫保墑、抑制雜草生長、提高水分利用率和作物產量等作用，為我國農業增產增效作出了重大貢獻[1-3]。連年使用的地膜老化、破碎及回收不徹底導致殘留在土壤中的殘膜逐年累積，殘膜所造成的農作物減產率將大于由地膜覆蓋技術引起的農作物增產率[4-5]。農田殘膜回收和治理工作難度較大，為農業的可持續發展留下安全隱患。棉花生產機械化和殘膜污染治理研究專家陳學庚院士指出，目前我國棉田殘膜治理存在的核心問題有收凈率低、含雜率偏高、回收機械可靠性差、殘膜的資源化利用困難、缺少成熟的降解膜產品等[6]。

為降低地膜殘留土壤的影響，除了從限制地膜厚度、可降解性方面著力，我國學者投入了大量精力進行了多種結構形式的理論研究和試驗，研制出了多種類型的殘膜回收機，推動了殘膜污染的治理，也成為當前解決殘膜回收的主要技術裝備。本文從殘膜回收的起膜、撿拾、脫膜、卸膜、清雜等作業環節，介紹了殘膜回收機械的研究現狀和特點。分析了棉田殘膜回收機械的應用情況，存在耕層殘膜回收率低、膜雜分離效率低、作業部件適應性不強、作業質量不穩定等問題。從殘膜、秸稈、土壤的特性和生產實際，提出了研發全耕層地膜回收機具、改進膜雜分離裝置、創新作業部件仿形技術、提高智能監控水平的研發方向。

1 發展殘膜回收機械的必要性

我國農用塑料薄膜使用量穩中有降，但仍然保持2 000 kt以上，僅2019年就使用了2 407 kt。在棉花的種植過程中，對農膜的使用量較大。棉花作為我國主要的農作物，最近幾年播種面積穩中有降，始終保持在3 000 khm2以上，2020年產量達到5 910 kt，為我國經濟發展和物資保障作出了重要貢獻。

從政策層面看，國家出臺了多種措施緩解乃至解決地膜污染問題。除了補貼殘膜回收，2017年農業農村部啟動農膜回收行動，出臺了強制性國家標準GB 13735—2017《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》，提高了地膜厚度、力學性能、耐候性能方面的要求，其中規定地膜厚度不得小于0.010 mm。2020年農業農村部再次發布《農用薄膜管理辦法》，要求“農用薄膜使用者應當在使用期限到期前撿拾田間的非全生物降解農用薄膜廢棄物，交至回收網點或回收工作者，不得隨意棄置、掩埋或者焚燒”。殘膜仍然需要進行機械回收。

從技術層面看，我國科技工作者研發了各種可降解地膜，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較高和效果不好等問題。機械回收的成本是當前能夠承受的，也是現實的解決手段。隨著PE地膜的持續使用和土壤殘膜含量的增加，在快速降解地膜普及使用前，要解決歷史存量和新增地膜殘留問題，使用機械回收是非常必要的。

2 棉田殘膜回收機械的研究現狀

1978年農牧漁業部通過對外科技交流自日本引進了地膜覆蓋栽培技術[8]，作為一項新的農業栽培技術，在多個作物品種和區域進行了大量試驗。地膜節水、保溫、增產的作用受到廣大群眾的歡迎[9]，開啟了我國地膜發展史。由于地膜覆蓋栽培技術的獨特優勢，地膜需求猛增，成為第四大農業生產資料。由于生產地膜的原料資源非常匱乏，為了解決不斷增長的需求與地膜原料短缺的問題，生產的地膜的厚度一直在減薄，既滿足了需求，也降低了使用成本。曾經地膜的國家標準降到了0.008 mm(GB 13735—1992)，20世紀80年代一度出現厚度僅為0.003 mm的地膜產品。

國外使用地膜種植的時間較早，為減少地膜殘留污染，根據各自實際情況制定了相關的法律法規促進地膜回收。制定了較高的地膜厚度標準，限制了地膜最薄厚度，其中日本(JIS K6781—1994)為0.017 mm，美國(ASTM D4397—02)為0.02 mm，歐洲(EN 13206—2017)為0.024 mm。較厚的地膜為在回收時仍然具有較高的抗拉強度，因此大多采用卷收機械回收地膜，結構較為簡單，主要研究集中在解決地膜清雜和卷膜速度匹配等問題。

美國的Kimball設計了一種聯合作業地膜回收機，主要由起膜裝置、清掃裝置、卷膜裝置、集膜箱構成。作業時首先將膜上作物收割，起膜裝置疏松膜邊土壤，地膜由撿拾機構將地膜從地表拉起，經清掃裝置上密布的毛刷和空氣噴嘴清理和吹掃膜面雜質，然后輸送到集膜箱中，回收后的地膜比較完整和干凈。

澳大利亞的 Rocca設計了一種地膜回收機，主要包括起膜機構、清雜機構、卷膜機構。起膜機構將地膜和土壤分離，通過振動式柵條傳送地膜并抖掉部分膜面上的雜草等雜質，由卷膜輥纏繞卷收殘膜，卷膜輥由兩個錐形管構成，便于卸膜。其滾筒的旋轉速度可根據塑料覆蓋物回收器的前進速度和地膜卷的直徑進行調節。

我國由于種植過程中地膜覆蓋時間長、地膜薄、強度低，較少使用國外常用的纏繞式回收[10]，從殘膜采用機械回收的工作環節來看，不同工作原理的殘膜回收機略有不同，大多機型包括了起膜、拾膜、脫膜、集膜、清雜等主要工序。

地膜覆蓋技術，改變了農業的種植模式，還改變了我國一些農作物的種植區劃分布，使原本不宜在旱寒區種植的農作物可以正常種植，較為典型的是新疆棉花的大面積種植并占主要地位。在增產增效，保障作物生產的同時，地膜污染的副作用開始顯現。殘膜回收機械研發和應用得到了高度重視，涌現出了大批各種類型的殘膜回收機械。

2.1 起膜裝置

起膜是殘膜回收的首要環節，直接影響了后續作業環節及回收率、回收質量。起膜裝置將土層中的殘膜和土壤挑起或者鏟起，為拾膜作業提供前置條件。起膜裝置在殘膜回收機中有對表層中間殘膜、土壤覆蓋的邊膜和較深的耕層殘膜的起膜。起膜裝置有獨立作用的，也有起膜和拾膜一體的。起膜裝置特點見表1。

表1 殘膜回收機起膜裝置Tab. 1 Loosen film device of residual film recycling machine

由于土壤覆蓋、秸稈和雜物混合殘膜，彈齒式起膜裝置極易漏膜和纏繞，且易受秸稈影響，主要在表層殘膜的回收裝置上應用。研究人員針對起膜裝置研制了多種結構和形式，康建明等[11]設計了一種梳齒式起膜裝置，采用Design-Expert響應面分析軟件，對影響起膜率的起膜鏟結構參數和作業參數進行了非線性的優化，并根據農田種植實際特點，在起膜裝置上增設了可以改變桿齒入土角度和長度的調節裝置[12]，提高了起膜裝置的適應性和靈活性，試驗起膜率達到91.2%。經優化改進，起膜鏟自適應自動調節裝置[13]，能夠根據田間土地的地形情況，通過控制系統自適應調節起膜鏟的入土深度。這種梳齒式起膜裝置受入土角的影響較大，在地面不平時地膜容易擁堵。由于梳齒存在固有間距，當地膜破損或者強度較低時容易漏膜。

謝建華等[14]研制了一種圓盤碎土起膜裝置，包括了碎土圓盤和起膜圓盤。根據圓盤碎土裝置的工作原理及特點建立了圓盤碎土的力學模型，采用ANSYS分析軟件進行了仿真分析和試驗，邊膜帶出率達85%以上。這種起膜裝置采用先碎土后通過釘齒起膜，圓盤碎土的同時也破損了脆弱的地膜，降低了邊膜的起膜率。張佳喜等[15]針對秋后邊膜強度下降、土壤覆蓋難以回收的問題，研究了不同結構邊膜鏟的工作性能，設計了性能較好的單翼鏟，這種結構減少了擠壓和釘齒穿刺，邊膜起膜的完整率較好，起膜率最高達95.4%，為邊膜起膜裝置提供了新的選擇。殘膜回收機[16]增加了邊膜鏟，還在邊膜撿拾帶的外側面上設有用于扎起邊膜的邊膜扎齒，在回收中間地表膜的同時還能高效回收邊膜。

張攀峰[17]設計了一種旋耕釘齒式起膜裝置，研究了釘齒的固定頻率和釘齒在土壤中工作的變形和應力參數，為犁地后耕層碎片化殘膜進行回收提供了新的選擇，但由于釘齒在穿刺和起膜時，殘膜緊貼釘齒上難以卸膜，大量殘膜堆積在釘齒上，最優作業參數時殘膜回收率僅為74%。孫岳等[18]研制了刀片旋轉式起膜裝置，并進行了起膜機理分析與試驗，研究了刀片位置參數和工作參數對起膜率、后續彈齒輸膜效果的影響。這種起膜刀片在整個作業幅寬內布置，將幅寬內的土壤和地膜刨起拋向拾膜裝置，起膜率可達89%，但是含土、含雜量高，影響后續拾膜和清雜。

2.2 拾膜裝置

拾膜裝置需要配合起膜裝置使用，拾膜裝置需要防止漏膜，是殘膜回收的核心部件。拾膜裝置的結構有夾持式、氣吸式和桿齒式(包括彈齒式、伸縮桿齒式、鏈齒式)，拾膜裝置特點見表2。

侯書林等[19]根據彈齒式拾膜裝置的工作過程和特性，結合工作軌跡要求，建立了彈齒拾膜裝置和脫膜裝置的運動數學模型并進行了運動軌跡模擬，為機構性能分析和結構參數的優化改進提供了參考。這種拾膜裝置對入土角度、深度要求較高，容易漏膜。陳發等[20-21]對弧型齒殘膜撿拾滾筒拾膜的機理的研究，探索了弧型拾膜齒的排布、滾筒轉速和入土深度和機具的運動參數，為拾膜裝置的設計提供了理論依據。對固定凸輪殘膜撿拾機構進行了力學分析，建立了凸輪機構優化設計的數學模型, 為減少凸輪磨損、提高可靠性提供了新的方法。謝建華等[22]對弧形齒滾扎式拾膜機構進行了研究，將拾膜分解為扎膜和挑膜兩個過程，通過撿拾地膜過程進行非線性有限元動力學仿真分析，在拾膜滾筒外后側增加彈齒，形成弧形齒滾扎式拾膜機構，解決了地膜被板結土壤覆蓋導致釘齒上膜困難和拾膜釘齒作業時漏撿的問題，殘膜撿拾率達90%。

表2 殘膜回收機拾膜裝置Tab. 2 Collect film device of residual film recycling machine

對于殘膜表層回收的研究和應用相對較多，而殘膜回收作業中耕層回收的難度和成本較高，研究較少。史增錄等[23]針對耕層內的殘膜的強度低、覆蓋深的問題，研究了釘齒相對于地面的運動軌跡、釘齒齒尖位移和速度變化曲線等，試驗結果滿足耕層作業要求，通過增大釘齒撿拾區長度，減少釘齒相鄰余擺線間的距離利于挑膜，耕層殘膜收膜率達71.7%。但在動力學分析中未將土壤、根茬對殘膜的粘結力、壓力和阻力等考慮到受力分析中，通過進一步深入研究，史增錄等[24]研制的一種具有旋耕機構和拾膜裝置的殘膜回收機，能夠增加殘膜回收作業深度，改善作業效果。

2.3 脫膜裝置

由于殘膜易碎、纏繞和吸附等物理特性，脫膜工序成為殘膜回收作業的關鍵，脫膜裝置及時將桿、齒、鏈上拾起的殘膜脫卸，防止在工作部件上纏繞、堆集，便于連續循環作業。脫膜裝置特點見表3。

表3 殘膜回收機脫膜裝置Tab. 3 Stripping film device of residual film recycling machine

李斌等[25]針對一種鏈齒式殘膜回收機脫不凈的問題，進行了順向脫膜機理分析與試驗，通過響應曲面分析尋優，得到順向脫膜裝置的優化結構及作業參數。由于順向脫膜的作用方式，降低了殘膜與鏈齒耙的粘吸貼附，有效避免了在脫膜過程中產生纏繞，脫膜率可達98%。

張學軍等[26]針對耕層殘膜易碎、膜土粘結、殘膜碎片回收難的問題，在一種鏈齒式殘膜回收機[27]上設計了與撿拾裝裝置轉向相反的膜土摩擦分離帶，進行了逆向脫膜機理分析與試驗，殘膜在摩擦帶反向運動作用下回收到集膜箱中，實現膜土分離。逆向摩擦帶脫膜裝置簡單可靠，但是脫膜含土率達34%。

明光等[28]針對夾持輸送式殘膜回收機將撿拾機構與氣吹式脫膜機構結合，分析了脫膜氣流力場的大小和方向，為脫膜機構氣力分析借鑒。郭文松等[29]針對梳齒式殘膜回收機，針對氣吸式脫膜機構，建立了殘膜氣吸脫膜的運動學方程。

除了脫膜結構和原理的局限性，殘膜特性(力學性能、懸浮速度、吸附特性等)對脫膜的影響較大。蔡賀[30]針對夾持式殘膜回收機物理脫膜與氣力脫膜的各自特點，結合殘膜特性，研究了機械與氣力復合脫膜裝置，脫膜率達94.8%。但同時還需要克服氣流擾動對脫膜的影響，有待進一步的研究。

2.4 集膜裝置

將殘膜機條或者堆放在田間，容易被風吹散后造成二次污染，集膜裝置將膜土分離后的殘膜收集或者卷集緊縮，便于運輸和下一步的再利用。集膜裝置主要有散膜裝箱、打包和卷膜。集膜裝置特點見表4。

表4 殘膜回收機集膜裝置Tab. 4 Gather film device of residual film recycling machine

趙巖等[31]研制了一種撿拾和打包聯合作業殘膜回收機，結合離心與振動分離，降低殘膜雜質含量，提高物料壓縮比的同時減小打包壓縮阻力，最后通過液壓系統和PLC控制系統將殘膜打包壓縮成方塊形狀進行儲運，為回收殘膜的集中處理與重復利用提供了有效的裝備支撐。

楊松梅等[32]在隨動式殘膜回收機的基礎上設計了一種帶式卷膜裝置，建立了卷膜直徑、速比、傾角等影響因素與膜卷密度之間的數學模型，分析優化了工作參數組合，提高了回收機膜卷的緊實度。卷膜裝置關鍵是解決速度匹配問題，卷膜裝置隨著膜卷直徑的增大，如果卷膜角速度不變將導致殘膜纏繞線速度增大，易造成殘膜拉斷。由佳翰等[33]在后翻式卷膜裝置及殘膜回收機上，采用翻轉機構、卷膜半軸機構、壓緊部件配合的卷膜裝置，通過驅動半軸從纏好的殘膜卷中抽離，實現打卷、翻落工作。

2.5 清雜裝置

回收后的殘膜含有大量雜物，回收利用加工成本高，收益低，導致企業不愿收，難以實現對殘膜的回收利用。殘膜的膜雜分離裝置主要有為兩大類(表5)：一類是在田間進行殘膜回收作業時直接進行膜雜分離；另一類是將殘膜回收集中后再使用膜雜分離裝置進行膜雜分離，有風選法[31, 34-36]、振動法[37-38]、浮力漂選法[39-40]、靜電吸附法[41]等，但是都很難實現膜雜分離且效率不高。

表5 殘膜回收機清雜裝置Tab. 5 Cleaning device of residual film recycling machine

由于殘膜破碎、吸附和纏繞等特性，后續進行膜雜分離比較困難、成本高。因此，在田間進行膜雜分離非常必要。 張慧明等[42]針對殘膜回收時在田間同步進行膜雜分離問題，設計了一種隨動式殘膜回收與秸稈粉碎聯合作業機，可將膜面翻轉180°而清除雜質。為進一步明確隨動式殘膜回收機清雜系統作業參數對殘膜回收作業性能的影響，蔣德莉等[43]對工作原理、條件及膜雜分離影響因素的分析，得到了各因素與試驗指標之間的數學模型和影響膜雜分離率的主次因素，為清雜作業參數的優化提供了借鑒。陳學庚等[44]研發了一種隨動式殘膜回收機，殘膜撿拾機構為隨動式，配合差速清雜機構，不需外加動力驅動即可對膜面上雜質進行自動清理。

3 存在問題

殘膜回收機械類型的研制和應用技術需要從土壤條件、殘膜位置(表層、耕層)、殘膜強度、秸稈情況等綜合考慮，還需要從作業成本、回收率、含雜率以及后期儲運和再利用情況考慮性價比。各科研院所和企業針對具體種植條件、農藝特點和地膜特性研發和改進了多種殘膜回收機械棉田殘膜回收機械存在以下問題。

1) 耕層殘膜回收率低。由于殘膜和土壤黏在一起，很難分離，特別是黏質土壤中殘膜較砂質土壤中的更加難于分離回收，大大增加了機械化回收殘膜的難度。耕層中的殘膜隨著地膜連年覆蓋種植，耕層殘膜不斷累積和年限增加而老化，且由于作業機械的反復碾壓和撕裂，殘膜碎片化程度嚴重，和土壤混為一體，回收更難。

2) 膜雜分離效率低。目前，農田殘膜通過機械化回收時極易與土壤、秸稈等雜質纏繞、吸附，機械化分離較難，人工分離效率低、成本高，給后續資源化利用帶來較大的困難和成本。堆放在田間地頭或者填埋、焚燒也是新的污染。

3) 作業部件適應性不強。棉田機采作業后，由于地表被碾壓，車轍較深。現有殘膜回收機作業部件缺少仿形或自動控制作業高度等功能，在低洼處回收過程中入土過深，易將土層夾裹在殘膜當中，影響殘膜回收質量甚至損壞機具。

4) 作業質量不穩定。在殘膜回收作業過程中環境惡劣，特別是具有秸稈粉碎功能的聯合作業機，塵土、秸稈漫天飛揚，機手很難實時掌握作業狀況，機具的作業質量很大程度上依賴于機手操作經驗和水平，難以充分發揮殘膜回收機的性能，影響機械回收的質量和效率。

4 棉田殘膜回收機械發展趨勢

殘膜的回收治理，應該采取“遏制增量，減少存量”的辦法，盡力做好當季殘膜的回收，提高殘膜回收率，遏制殘膜增量。加大對耕層殘膜回收，減少耕層殘膜的存量。

1) 研發全耕層地膜回收機具，從根本上解決全耕層殘膜回收的技術難題，實現“遏制增量，減少存量”。根據不同耕層的殘膜空間分布特點、殘膜面積大小分布特點和殘膜形態分布特點研制針對性作業部件，根據殘膜污染的實際情況，采用分層作業或者一體作業機械，實現全耕層回收。

2) 改進新型膜雜分離裝置。膜雜分離直接影響殘膜回收后的可利用性和污染治理的可持續性。殘膜的強度、碎片大小、纏繞程度各不相同，難以使用一種方法實現膜雜分離，需要綜合各自特點進行優化設計，針對性地研制膜雜分離裝置。根據實際情況選取合適的田間膜雜分離和收后集中膜雜分離作業措施。

3) 創新作業部件仿形技術。針對棉田機采后地表車轍深，機具作業時易下陷，易將土層夾裹在殘膜中，影響殘膜回收質量甚至損壞機具等問題，綜合傳感器監測、液壓傳動技術、自動控制等技術開展殘膜回收智能仿形裝置以及仿形智能控制系統的研究，使其能夠根據地表實際情況自適應調整作業高度，提高起膜作業質量。

4) 提高智能監控水平。由于殘膜回收機作業時環境惡劣，視線不佳。特別是帶秸稈粉碎功能的聯合作業機，導致塵土、秸稈碎片漫天飛揚，機手難以掌握作業狀況。研制合適的狀態參數監測傳感器和信息處理技術，實時反饋作業狀態，便于機手對殘膜回收機作業參數(作業速度、油門大小、卸膜時間等)進行調整，提升殘膜回收作業的信息化水平，有效提高殘膜回收作業質量和效率。

5 結語

隨著20世紀70年代地膜在中國的普及，地膜污染問題逐漸顯露，隨之回收機械也開始了研制和應用。由于地膜較薄且老化破碎，土壤和秸稈等雜物混合，地膜回收成為一個難以解決的老問題。現有回收機械類型也較多，從起膜、拾膜、脫膜、集膜、清雜等各環節均有多種結構，也各有特點。殘膜的回收不能只關注某一環節的效率提高，需要從回收、利用、作業成本和環境治理等綜合考慮。

目前，使用PE地膜覆蓋仍是棉花種植的主要生產方式，在PE地膜被替代之前，解決棉田殘膜污染問題還是需要采用機械化回收來解決。同時需要從環境治理和資源回收的角度配套法律法規，加強地膜使用的回收管理。制定地膜生產標準，增強地膜的可回收性和可降解性。