新疆殘膜機械化回收技術研究現狀與展望

摘 要： 新疆維吾爾自治區（簡稱新疆）許多耕地存在土壤鹽漬化現象嚴重且干旱缺水的問題，引進地膜覆蓋栽培技術在解決問題的同時也帶來了農田殘膜污染。基于新疆農田殘膜污染程度調研數據，總結了新疆殘膜機械化回收技術裝備的優勢和缺點，針對新疆殘膜機械化回收技術中存在問題提出了合理建議，為新疆殘膜回收機械的研發提供一定參考。

關鍵詞：殘膜；機械化回收；殘膜回收機；污染治理；農用薄膜；新疆

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）03-0005-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.03.001

0 引言

地膜覆蓋栽培技術能夠調節農作物生長環境，并且有效改善土壤缺水情況，自20 世紀70 年代引入我國以來，在大部分地區得到廣泛應用，尤其是我國北方的干旱、半干旱及高山冷涼地區應用最為普遍[1-2]。國家統計局相關資料統計，1995 年，我國地膜使用量47 萬t，地膜覆蓋面積649.3 萬hm2；2021 年，我國地膜使用量達到132 萬t，地膜覆蓋面積增長至1 728.2萬hm2，地膜使用量和覆蓋面積整體呈逐年增長趨勢[3]。若農田中的殘膜沒有被及時回收，滯留在土壤中的殘膜會破壞植株正常的生長環境，造成農作物減產、出苗率下降等問題，隨著地膜覆蓋時間增長，被地膜覆蓋的土壤中微塑料豐度增加導致土壤微塑料污染日益嚴重[4-5]。

新疆維吾爾自治區（簡稱新疆）地處亞歐大陸腹地，東經73°40′～96°18′，北緯34°25′～48°10′，總面積約占我國陸地面積的1/6，其中耕地面積706.67 萬hm2，總體規模位居全國第5 位，水澆地、旱地、水田占比分別為96%、3.15% 和0.85%[6]。新疆耕地面積遼闊，適合使用農業機械進行大規模作業，但其耕地總體質量不高，大量農田所處環境常年干旱，需要使用農用地膜大面積覆蓋農作物的全生長周期以達到增溫保墑、提升產量的效果。機械回收殘膜技術作業效率高、節約農時，殘膜拾凈率80% 以上，適用于大面積鋪設地膜的農田，在新疆應用前景廣闊[7-9]。

本研究對新疆典型的殘膜回收機械進行總結歸納，分析其機械結構特點和作業條件，并提出合理化建議，以期為解決我國農業殘膜污染問題提供參考。

1 農田殘膜污染現狀

地膜覆蓋栽培技術引入新疆以來，為使農戶快速接受，該技術使用了成本相對較低的厚度0.008 mm 的超薄農用覆蓋地膜[10]。使用超薄農用覆蓋地膜雖然降低了地膜覆蓋栽培技術的使用成本，但是強度低、耐候性差導致該類型地膜在經歷較長服役期后破損嚴重，回收難度較大[11]。2015 年，新疆發布了用于殘膜污染防治的農用覆蓋地膜標準， 規定統一使用厚度gt;0.01 mm、耐候期gt;180 d，并且產品的其他指標符合國家質量標準規定的聚乙烯吹塑農田地面覆蓋地膜。2017 年，國家更新了農用覆蓋地膜的相關標準，在全國范圍內禁止0.008 mm 厚度超薄農用覆蓋地膜的生產銷售[12]。農用覆蓋地膜的強度和耐候性得到較大加強，為機械回收殘膜創造了有利條件。

對新疆不同區域地膜殘留調查的結果表明，石河子市、阿克蘇市、博爾塔拉蒙古自治州（以下簡稱博州）、塔城市、昌吉回族自治州（以下簡稱昌吉州）、哈密市和喀什市等均屬于污染嚴重區域，地膜殘留量均值gt;275.63 kg/hm2。對比GB/T 25413—2010《農田地膜殘留量限值及測定》標準中規定的農田地膜殘留量限值75 kg/hm2，新疆大部分地區的農田地膜殘留量已遠超該標準要求的限定值[13]。新疆博湖縣農田殘膜污染情況如圖1 所示。

棉花是新疆主要覆膜種植的農作物之一，2022 年，新疆棉花產量539.1 萬t，占全國總產量的90.2%。針對新疆主要產棉區的農田地膜滯留情況進行調查研究具有一定的代表性，2015—2019 年調查結果如表1 所示。

由表1 可知，各區域農田地膜殘留量均高于國家標準規定的限值，其中石河子市連續5 年棉田地膜滯留量平均值超過300 kg/hm2，在殘膜污染分級中屬于重大污染；阿克蘇市、博州、昌吉州、哈密市、巴音郭楞蒙古自治州（以下簡稱巴州）、喀什市和阿勒泰市連續5 年棉田地膜滯留量平均值225～300 kg/hm2，屬于重度污染；和田市、塔城市、伊犁哈薩克自治州（以下簡稱伊犁州）連續5 年棉田地膜滯留量平均值105～225 kg/hm2，屬于中度污染。

根據現有資料統計和調查結果，新疆由于農田覆膜面積廣且滯留在農田中的殘膜量逐年累積導致農田殘膜污染十分嚴重，對機械回收殘膜技術需求迫切。

2 典型殘膜回收機具

根據機具在農作物生長周期內作業的時間點，新疆殘膜回收機械分為苗期殘膜回收機、耕前殘膜回收機和播前殘膜回收機[14]。其中，耕前殘膜回收機在地膜覆蓋作物全生長周期后耕整地前進行殘膜回收，能夠在最大限度地發揮地膜覆蓋栽培技術增溫保墑效果的同時，對地膜力學性能進行最大程度的保留，既有利于改善農作物生長環境，也有利于殘膜回收，是目前新疆采用最廣泛的殘膜回收方式[15]。

2.1 苗期殘膜回收機

苗期殘膜回收機在作物灌溉頭水前進行殘膜回收，此時地膜服役時間較短，力學性能相對較佳，因此苗期殘膜回收機多采用卷收的方式進行，其機械結構相對簡單，回收的地膜完整度高，但是由于地膜服役時間短導致地膜無法覆蓋作物的全生長周期，對農作物生長環境的改善作用相對不明顯。我國西北干旱地區，苗期揭膜的作物在生長過程中灌溉次數明顯多于秋后揭膜的作物，不符合北方旱作農業的農藝要求，而且在苗期進行揭膜會對植株幼苗產生一定損傷。苗期殘膜回收機典型機型有新疆生產建設兵團（以下簡稱新疆兵團）農機技術推廣總站和新疆兵團農八師123 團研制的CSM-130B 型齒鏈式懸掛收膜機及新疆農業科學院農業機械化研究所研制的MSM-3 型苗期殘膜回收機。

CSM-130B 型齒鏈式懸掛收膜機主要由起膜、脫膜和集膜3 部分組成，整機結構如圖2 所示[16]。作業時，起膜裝置上的抓膜齒鏈將植株行中的地膜抓起，地膜升至脫膜裝置工作面后，在重力和脫膜輥作用下落入到集膜裝置鏈條帆布傳送帶上。廢膜隨帆布傳動帶的運動滾卷成一個無芯的圓捆，圓捆到一定質量時由輔助人員卸膜。機具配套動力40～ 55 kW， 作業速度3～6 km/h，作業幅寬可根據播種幅寬上的懸掛梁進行調整，作業單次可收取1～3 條寬膜，收膜率在行內≥90%，邊膜收取受土質環境影響較大，傷苗率≤1%。

MSM-3 型苗期殘膜回收機采用地輪驅動，由起膜、卸膜和卷膜3 部分組成，整機結構如圖3 所示[17]。作業時，起膜裝置將地表地膜向上抬起，通過起膜輪轉動將地膜向后輸送，卸膜裝置將地膜從起膜輪上的起膜桿齒卸下，并向后輸送至卷膜裝置，當膜包直徑卷達到要求后通過快速卸膜機構將成卷整體膜卸下。機具根據作業幅寬不同可分為單幅機和3 幅機，單幅機生產率0.20～0.27 hm2/h，3 幅機生產率0.6～0.8 hm2/h，兩種型號的機具均采用三點懸掛方式與拖拉機掛接，拾凈率85%～94%，配套動力分別為1.25～18.38 kW小四輪拖拉機和40～55 kW 中型拖拉機，傷苗率均≤1%。

兩種苗期地膜回收機械均采用將地膜卷繞成圓柱形膜包的方式進行地膜回收，機具結構簡單、可靠性高、回收率較高，傷苗率lt;1%。新疆干旱缺水，大多數農作物需要地膜覆蓋其全生長周期，不適宜采用苗期揭膜的方式，因此苗期地膜回收機在新疆應用較少。

2.2 耕前殘膜回收機

耕前殘膜回收機在作物成熟并收獲后，耕整地前進行作業，機械作業多采用先進行秸稈回收粉碎還田后進行殘膜回收的方式，以避免植株秸稈掛膜導致殘膜拾凈率下降。在此階段由于地膜服役時間長，其與土壤接觸產生黏結程度較高，地膜受到自然環境長時間侵蝕，力學性能下降，破碎程度較高，卷收式回收方式無法對力學性能差且無法連續回收的殘膜產生效果。采用彈齒式、伸縮桿齒式、鏈耙式等多種殘膜回收方式，因其作業原理各不相同，機具優勢和劣勢也存在較大差異，適用于不同的田間作業環境[18-19]。

新疆農墾科學院研發的4JSM-2000B 型殘膜回收機采用彈齒入土摟膜的方式回收農田中的殘膜，整機結構如圖4 所示[20]。主要構件包括撿拾機構、卸膜機構、棉稈粉碎裝置、螺旋輸送機構及機架，可一次完成棉稈粉碎及殘膜回收作業。由于彈齒的強度有限，在含石塊等硬質雜質較多的農田容易造成彈齒損壞，因此彈齒式結構在泥沙較多的農田中作業效果較佳。

新疆農業科學院農業機械化研究所研發的棉花秸稈還田及殘膜回收聯合作業機采用伸縮桿齒式結構，整機結構如圖5 所示[21-22]。作業時，根據地膜與棉花秸稈的關系調整機架上邊膜鏟的位置，粉碎部件將棉花秸稈粉碎并定向拋向集膜箱后側，均勻拋撒；松土裝置將挑膜裝置工作范圍內膜面下的土疏松，殘膜被挑膜裝置上的挑膜齒從土壤中挑起；脫送膜機構將挑膜裝置挑起的殘膜從挑膜齒上脫下并輸送到集膜箱，完成整個殘膜回收過程。機具采用專門入土部件松土齒進行入土作業，減少了收膜部件挑膜齒的磨損，適用于含硬質雜質較多的農田，由于機具采用后拋式秸稈碎屑排出方式，雖然增加了秸稈還田的均勻度，但是作業時產生的煙塵較大。

新疆農業大學研制的導向鏈耙式殘膜回收機利用鏈耙架上的拾膜齒對農田中的殘膜進行回收，整機結構如圖6 所示[23]。作業時，拾膜齒隨彎邊輸送鏈運轉，在接觸地面時“鉤”住殘膜，拾膜齒繞軸旋轉過程中實現殘膜“翻面”，殘膜在翻面鉤起后隨拾膜齒沿鏈耙架底板向斜上方運動，途經鏈耙架底板處排雜口，隨殘膜挑起的雜質受重力與傳動過程中振動從殘膜表面脫落，雜質自排雜口落入下方排雜裝置被輸送兩側交接行。當拾膜齒運動至脫膜機構附近，導向耙齒總成在限位支架作用下繞兩側鉸接短軸旋轉，耙齒組隨之轉動至尖部向下，殘膜與拾膜齒間阻力減小產生脫落的趨勢，同時旋轉式脫膜機構作用于拾膜齒直桿中部與尖部區域，殘膜逐漸被撥落至膜箱。機具采用拾膜齒作為入土工作部件，受到拾膜齒強度的限制，機具在土質較為松軟的農田中作業效率較高。

近年來，隨著殘膜回收利用中下游產業逐漸成型，殘膜運輸儲存需求增大，部分耕前殘膜回收機械將集膜箱改成具有打包功能的成捆室，殘膜打包成捆以方便殘膜運輸儲存。目前新疆常用的殘膜成捆室結構主要有圓輥式和卷膜帶式兩種，也有少部分殘膜成捆室采用液壓式結構。

圓輥式殘膜成捆室由一組呈圓周排布的圓輥組成，圓輥通過鏈傳動驅動作旋轉運動帶動進入成捆室的殘膜旋轉形成圓柱形殘膜包，結構如圖7 所示[24]。作業原理簡單，能夠形成較為致密的圓柱形殘膜包，成型的殘膜包密度可達140～220 kg/m3。由于圓輥之間存在空隙，在圓輥做旋轉運動時容易發生纏膜現象，需要進行定時人工清理，否則纏繞在圓輥上的殘膜過多，會加大機具負載，甚至出現圓輥卡死現象。成捆室的容積由圓輥數量決定，圓輥數量過多會導致機具負載過大，因此采用圓輥式結構的成捆室容量較小導致卸膜地點不固定，不利于殘膜包撿拾運輸。

卷膜帶式殘膜成捆室由一對呈V 字形布置的卷膜帶構成，作業時卷膜帶作方向相反的運動將殘膜卷成圓柱形殘膜包，結構如圖8 所示[25]。結構簡單，殘膜成包率可以達到100%，形成的殘膜包密度84.883～129.119 kg/m3，殘膜包生成空間由兩組卷膜帶的長度和夾角決定，由于延長卷膜帶和增大兩組卷膜帶之間的夾角對機具負載影響較小，因此采用此種結構可以獲得較大的殘膜包生成空間，殘膜包可以統一卸至地頭方便運輸。與圓輥式結構相比，卷膜帶（多為橡膠、PVC 等材料制成）的使用壽命明顯低于鋼制圓輥，機具作業一段時間需要更換磨損的卷膜帶，否則兩組卷膜帶間無法形成足夠的摩擦力會導致殘膜成包率下降。

液壓式殘膜成捆室采用工業PLC 控制一組液壓油缸將收獲的殘膜壓縮成矩形殘膜包，雖然形成的殘膜包密度高于前兩種結構（平均殘膜包密度167.4 kg/m3），結構如圖9 所示[26]。由于機械結構復雜且殘膜包成型空間較小，在新疆應用并不廣泛。

耕前殘膜回收機受到地膜強度低且破碎程度大的限制，多采用在收膜部件上加裝密排釘齒類部件對殘膜進行回收，收膜的方式多以耙、扎、挑為主。與苗期殘膜回收機相比，耕前殘膜回收機應用范圍更廣，結構更為復雜，殘膜回收難度更大，回收的殘膜多為不連續的條狀和片狀，對殘膜打包存在一定需求。

2.3 播前殘膜回收機

播前殘膜回收機作業時間為土壤耕翻之后，下季作物播種之前。其目的主要是回收殘留在地表及淺層土壤中的小塊狀殘膜，以創造良好的農田播種環境。播前殘膜回收機代表機型有石河子大學研制的弧形扎齒式播前殘膜回收機、釘齒滾筒式播前殘膜回收裝置，以及新疆農業大學研制的耕后播前殘膜回收機等。

弧形扎齒式播前殘膜回收機主要由三點懸掛裝置、撿膜裝置、脫膜裝置、殘膜回收箱、鎮壓覆土裝置和限深裝置組成，整機結構如圖10 所示[27]。作業時，撿膜裝置的弧形扎齒逆時針方向轉動并深入土壤淺層將殘膜扎起，當弧形扎齒運動到脫膜區域時與脫膜葉片相接觸完成脫膜工作，脫下的殘膜隨著脫膜葉片在脫膜裝置中產生的氣流被輸送進殘膜回收箱，最后由鎮壓覆土裝置對回收機作業區域的土壤進行平整。

釘齒滾筒式播前殘膜回收裝置整機結構如圖11 所示。作業時，拖拉機后動力輸出軸帶動撿膜滾筒、脫膜輥同時轉動，撿膜釘齒隨撿膜滾筒轉動并伸入土壤完成殘膜撿拾作業，當撿膜釘齒和脫膜葉片接觸時撿膜釘齒上的殘膜脫下并送入脫膜罩輸送管道，在風力作用下殘膜沿輸送管道落入集膜箱[28]。

新疆農業大學研制的耕后播前殘膜回收機采取三點懸掛方式進行連接，整機結構如圖12 所示[29]。作業時，撿拾裝置利用鏈桿上加裝的彈齒撿拾殘膜，采用鏈傳動方式把土壤和殘膜向上輸送到卸膜裝置，卸膜裝置上的卸膜輥刷將彈齒上的殘膜刷下并落入集膜箱中，殘膜收集過程中利用抖動裝置將大塊雜質去除。

播前殘膜回收機作業時間比其他兩種殘膜回收機晚，殘膜的破碎程度和力學性能最差，作業對象涉及地表殘膜和淺層土壤殘膜，因此其拾膜裝置多為釘齒類構件，殘膜收集方式以扎、挑為主，因為作業時土地已經耕整完成，土質較為疏松，拾膜部件入土阻力減小，故對拾膜部件的強度要求低于耕前殘膜回收。

3 問題與建議

3.1 存在問題

（1）殘膜回收本身具有公益屬性，其再利用成本與自身價值相比偏高，在目前的殘膜回收利用技術背景下很難為農戶帶來直接收益。農戶對農田殘膜污染的危害認識不足，在無法取得合適經濟收益的前提下難以自主自發投入精力和資金對殘膜進行回收。

（2）新疆針對苗期、耕后、播前殘膜回收均研發了相應的典型機械，殘膜拾凈率在80% 以上，但是仍缺乏能夠穩定運行、堅固耐用且兼顧回收效率和殘膜拾凈率的成熟機型。

（3）不同類型農田的鋪膜幅寬各不相同，目前市場上主要有1.25 和2.05 m 兩種幅寬的地膜，相應機具的作業幅寬也不統一，對邊膜的回收只能通過加裝邊膜鏟的方式，邊膜回收效果不佳導致邊膜成為農田地膜殘留的主要部分。

（4）針對地表殘膜的回收相對成熟，但是針對回收難度更大的耕層殘膜仍沒有較好的回收方式。

3.2 建議

針對以上問題，應從技術和政策兩方面對機械回收殘膜技術予以促進。首先，應統一種植模式，并對地膜的幅寬制定統一標準。對具備表層殘膜回收、耕層殘膜回收的一體作業機進行開發，優化現有的機械結構形式，提升殘膜拾凈率。其次，基于農田環境惡劣且復雜多變的特點，可以大量開展田間試驗，得出機具在不同田間環境下的最優作業參數值，在簡化機械結構的同時增加機械智能化，根據田間環境實時調整機具作業參數，達到最佳作業狀態。最后，政策上予以相應支持，增加農戶、殘膜回收中下游相關企業和購買殘膜回收機具的相應補貼，健全殘膜回收制度，對市場上在售的殘膜實施監控，達到售出殘膜和回收殘膜的數量平衡，增加農戶上交殘膜積極性的同時對未按照規定上交殘膜的行為進行相應的處罰，同時加大研發投入力度，對高效率、高殘膜拾凈率的殘膜回收機械進行研發。

4 結束語

保護生態環境，治理農田殘膜污染是農業可持續發展的關鍵所在。綜合氣候條件和農田數據表明，新疆適合使用機械回收殘膜的方式進行農田殘膜污染的綜合治理。本研究分別對新疆苗期殘膜回收、耕前殘膜回收和播前殘膜回收使用的典型機械進行綜述。苗期殘膜回收對農田環境的改善作用有限，殘膜回收機械有傷苗的風險；播前殘膜回收的作業時間較晚，地膜的物理性能最差，破碎程度最大，殘膜回收的難度增大；耕前殘膜回收沒有傷苗的風險，并且地膜的物理性能和破碎程度優于播前殘膜回收，因此耕前殘膜回收方式在新疆應用最為廣泛，也是機械回收殘膜技術研究的重點方向。根據不同機型的特點，加裝專門的入土部件可以有效減少拾膜部件的工作強度，適用于硬質雜質較多的農田。釘齒類拾膜部件適用于破碎程度較大且力學性能不佳的殘膜，卷膜類的收膜部件僅適用于苗期力學性能相對較好且連續的殘膜。耕層殘膜回收適用于耕整地之后，土質較為疏松便于拾膜裝置穿透耕層，但是殘膜回收機械在耕整地之后進入農田會壓實土壤，對播種農藝造成阻礙。

農田殘膜回收技術對維護農田生態平衡起到至關重要的作用，機械回收殘膜具有作業效率高、殘膜拾凈率高的優勢，是目前治理農田殘膜污染的有效方式。因此，開展機械回收農田殘膜技術的創新研究對新疆農田殘膜污染的治理具有重要意義。

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