山区烟地残膜机械捡拾影响因素分析＊

王浦舟，吴雪梅* ，樊国奇，况文炼，张富贵，杨 帆

(1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳550025;2.贵州省烟草公司毕节市公司，贵州 毕节551700)

烟叶种植在明朝后期开始出现在云南，目前产地主要集中在云南、河北、贵州和山东等地，如今贵州烤烟产量约占全国总产量的1/6，年收购烟叶28.3 万吨，成为全国第二大产烟省［1-2］。烟叶的高产依赖农业技术的支持，地膜覆盖栽培技术是其中一项省时高效的技术，它具有增温、保墒、抑制杂草生长、提高农作物产量等作用，这些显著优点让地膜覆盖技术在世界各地被广泛的使用［3］。美国、欧洲和日本等国家在上世纪50 年代就开始使用地膜覆盖栽培技术，得到了巨大的经济效益，于是这项农业技术很快在全世界得到了推广［4-6］。相关实验数据证明，与露地种植相比较，覆膜种植可以使多种作物早熟5 ～10 天，增产30% ～50%，而且可以改善产品质量［7］。烟地覆膜技术在大力推进烟草种植业发展的同时，也带来了一系列的环境污染问题。地膜的成分是聚乙烯烃类化合物，自然条件下极难降解。地膜清理不及时，陈年的残膜长期滞留在田间，不但影响农业机具的运行，还会影响烟草的生长发育［8-10］。在毕节地区某烟地收集的资料表明，平均一亩烟地0 ～25 cm 土层深度内残膜平均总重为12.96 kg，残膜总数量为32724张，毕节地区残膜污染严重，残膜污染主要集中于0 ～10 cm 土层内，平均重量占比达到92.2%，平均数量占比达到75.6%，土层越深，残膜越碎小。如今，环境保护成为时代的新主题，如何有效的治理由地膜带来的“白色污染”，保证农业的可持续发展，成为了一个急切的问题。

1 国内外残膜捡拾机的研究现状

上世纪60 年代，农业现代化程度高度发展，人们的研究方向逐渐转向可持续发展和环境保护［11］。国外地膜的的厚度一般在0.012 mm 和0.015 mm 之间，抗拉强度比0.008 mm 的地膜增加50% ～94%［12］。国外地膜捡拾机一般由起膜铲和卷膜辊组成，通过可变流量的液压马达解决卷膜辊的线速度与拖拉机速度匹配［13-21］。此外，国外发达国家从环保角度出发，大力提倡可降解地膜的使用。在日本生物降解地膜、可见光降解地膜和纸地膜的研究已经比较成熟，减轻了地膜清理捡拾的负担［22］。

我国的地膜厚度非常薄，一般都使用厚度小于0.008 mm 的地膜，有些地区甚至还在使用厚度为0.005 mm 的地膜［23］。由于地膜厚度的差异，我国的残膜捡拾机与国外也有很大的差别。目前中国的残膜捡拾(回收)机有20 多种机型，部分机型已经比较成熟。但是这些机型大多数是依据北方的土壤和地形特点来设计，对于南方湿润粘稠的土壤并不适用，回收效率也有待提高。所以我国的残膜回收机机械性能还需要很多的改善，需要研发出一种作业可靠，应用范围广的残膜捡拾机。根据田间试验和目前国内现有机具的情况，残膜捡拾的技术经济指标可定为:残膜捡拾率≥90%;用拖拉机驱动的情况下，收膜捡拾机的作业效率≥2 亩/小时。

2 影响机械残膜捡拾效果的关键技术

2.1 地膜标准

我国使用的地膜大多数为薄膜，薄膜的抗拉强度不高，容易被机具刮破，不利于捡拾［24-25］。另一方面，薄膜的质量轻，一般需要在上方覆盖泥土来保证其正常使用，这给残膜的捡拾增加了很多难度。地膜的厚度直接关系到抗拉强度，0.010 mm的地膜与0.008 mm 的地膜相比，其抗拉强度可提高25%［26］。

因此应尽量规范农膜的质量与厚度，避免过多使用超薄膜，以免给残膜捡拾带来困难［17］。

2.2 膜土分离

在残膜捡拾机的工作过程中，最不容忽视的环节是膜与杂草、土壤的分离问题。实际调研发现:大块残膜主要集中在地表，其质量在回收的残膜总质量中占63.05%，存在不同程度的破损，且附着有少量泥土、根茬或杂草。

目前机械收膜后，残膜与土壤等杂物主要靠人工进行分离，这种作业方式效率低，强度大。因此，急需研究出一种能有效分离杂物和残膜的残膜捡拾机部件。

2.3 地膜缠绕

秋后的残膜具有一定的延伸率，在摩擦及静电吸附作用下，极易缠绕在回收机具的工作部件和转动部件上，容易导致机具无法正常连续工作。

机械收膜中，卸(脱)膜环节对保证机械连续正常运行至关重要［27］。设计残膜回收机时，应尽量使其部件表面光滑，并在易发生缠绕处放置刮刀和卸膜装置。

2.4 残膜捡拾率

据调研统计，滞留在地表以下25 cm 的残膜数量可占总残膜质量的39.95%，这些残膜大多已呈碎片状，一般的残膜捡拾机难以捡拾，后期与土壤的分离也特别困难。

为了进一步提高捡拾效率，可将这些碎膜用静电吸附的方式进行捡拾［28］。静电吸附的原理是当一个带静电的物体靠近一个不带电的、电荷量小的物体或绝缘体时，由于静电感应，没有静电的物体的一边会产生与带电物体所携带电荷相反极性的电荷，另一侧产生相同数量的同极性电荷。因异性电荷互相吸引，就会出现“静电吸附现象”［29］。在高压静电场作用下，当电压达到一定值时，残膜就会被吸附上来。碎膜的质量可以忽略不计，选择适当电压产生的静电可有效的吸附这些碎膜，从而进一步提高捡拾效率。

3 残膜捡拾机山地适应性对比测试

按照农艺要求和作业时间的不同，国内残膜捡拾机可分为三类:一是苗期残膜捡拾机，二是秋后残膜捡拾机，三是耕后播前残膜捡拾机。苗期地膜捡拾机具一般用于苗期揭膜。秋后残膜捡拾机具多采用复式作业，结构复杂，可靠性低。耕后播前残膜捡拾机具通常对地表或地表浅层的残膜捡拾效果显著，对于耕作层大于5 cm 的残膜捡拾率较低［2］。

基于贵州地区的烟叶种植习惯，地膜的捡拾工作一般都是安排在秋后进行，项目组对采购的两台常用的秋后残膜捡拾机在毕节地区进行残膜捡拾效果测试对比实验，并记录使用情况对各种性能进行评估比较。这两种机型分别是1FMJS-160A 型耙齿式残留地膜清理机和1FMJ-120 型废膜捡拾机，实验当天是阴雨天气。虽然雨水让土壤变得更加粘稠，但属贵州常见天气，具有一定的代表性。

实验结果表明，1FMJ-120 型废膜捡拾机结构紧凑合理，配备翻土装置，可以最大限度的提高残膜回收的范围。但是不适合毕节地区的黏性土壤，大部分机构的功能无法有效实现。1FMJS-160A 型耙齿式残留地膜清理机适合毕节地区的黏性的土壤，简单方便，安全性能较高，适应性较强，捡膜能力较好，对土壤的平整度和细碎度基本没有影响。但是缺乏翻地机构，深层的残膜无法被耙齿收集，另外耙齿的密度不够，容易漏捡小尺寸残膜，卸膜装置不合理，不能有效的实现卸膜工作。具体实验记录如表1 ～表3 所示。

4 山区烟地残膜机械捡拾因素分析

4.1 山区地形复杂

贵州地处云贵高原东部且烟区分散，海拔高度相差比较大，多丘陵和高原地形，烟田分布情况复杂，地貌差异较大。在烟叶种植地区，还存在大量的坡地和半坡地。捡拾机具在这些地面上行走，要求有很高的稳定性。

4.2 土壤类型多变

由于贵州的地形变化多，导致土壤类型的多样化。贵州烟区主要植烟土壤类型为黄壤、石灰土、紫色土、黄棕壤和水稻土［2］。这些土壤的特点是吸水率较高，一般情况下土壤的黏性较高。地膜在这些土壤上覆盖，会和土壤相互粘结，增加残膜捡拾的难度。黏性土壤也容易粘附在工作部件上，造成堵塞，影响机具工作。

表1 整体使用性能对比

表2 残膜捡拾性能对比

表3 土地作业性能对比

4.3 农艺结合困难

目前，贵州烟草种植作业方式主要有传统农业手工作业方式和机械作业方式。机械作业方式能实现烟地的翻犁、旋耕、起垄、施肥、覆膜、打孔(移栽)、中耕、培土、植保、拔杆等10 个作业环节［30］，但机械化收膜还未起步。

贵州烟叶等作物采用的是垄作沟灌覆膜种植，而国内现行的机具多数是针对平地研制的，对平作地膜的捡膜效果好，捡拾率高，对垄作沟灌覆膜地的捡膜效果则不理想，甚至不起作用。再者烟农对现代生产模式的认识不足，现有的农艺技术无法满足捡拾机及其技术的应用。

5 结论与建议

国内残膜捡拾工作在北方干旱地区较为成熟，现行的残膜捡拾机主要用于北方小麦、玉米等作物的残膜捡拾，但是捡拾技术仍不完善。在贵州山区的烟地，残膜的捡拾主要还是靠人工，机械化收膜没有完全普及，所以田间还存在大量陈年旧膜和细碎残膜。而且贵州地区的地形多变、土壤复杂、气候湿润，导致土壤普遍粘稠，增加了捡拾难度。再者贵州烟草种植需要起垄，起垄后的耕地高低不平，增加了对机具稳定性的要求。

综合以上现象，为了减少残膜给环境带来的污染，使烟草种植朝着高效、有序、持续化的方向发展，对毕节地区的机械化残膜捡拾提出4 点建议:一是研制一种适合湿润粘稠土壤的起膜机构，二是进一步改进膜土分离装置，三是增加碎膜静电吸附装置，四是加强残膜回收必要性的宣传推广，避免使用超薄地膜。

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