我国残膜捡拾机构研究现状与非垄向研究展望

姜曼 张亚新 王勐 董鸿飞

摘 要：为解决残膜回收问题，我国科研人员设计了200余种残膜捡拾机构。捡拾机构是残膜捡拾机的核心部件，其机理形式和操作质量对提高残膜回收率起着重要作用。本文分析了国内外残膜回收机残膜收集机构的发展现状，将捡拾机构分为机械式和非机械式，对机械式残膜捡拾机构中典型机构缠绕式、夹指带式、伸缩杆式、弹齿式、轮齿式和滚筒式的结构、工作原理和应用进行比对分析;介绍了负压式和静电吸附式两种非机械式残膜捡拾机构，并提出长时间铺设的地膜其沿非垄作方向的拉伸载荷强度与断裂标称应变皆高于垄作方向，因此非垄作方向的残膜捡拾机将成为残膜捡拾机的重要研究方向。本研究为今后薄膜收集机制的优化和改进提供了相关建议。

关键词：残膜捡拾;典型机构;非垄向

中图分类号：TH12;S223.5  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2022）02-0017-05

1 引言

随着地膜覆盖技术的广泛应用，地膜残留造成的“白色污染”问题越来越严重。我国地膜使用量占世界总量的90%以上，但残膜回收率不足60%[1-3]。耕作土壤中大量残留的地膜阻碍了作物根系的水肥流动，恶化了土壤结构，影响种子发芽和根系生长。残膜容易混入饲料中，造成大量牲畜因误食而生病或死亡[4-7]。不仅如此，残膜对耕种机具的使用也有较大的影响。一方面，残膜阻碍农用机具的前进，导致农机具的功耗增大。另一方面，残膜容易缠绕在田间作业机械的零部件上，使农用机具频繁停车清理。这些影响大大降低了农机的作业效率[8-12]。

现阶段国内外使用的覆盖地膜主要是聚乙烯材料制成的普通地膜和可降解地膜[13]。可降解地膜因力学性能差、造价高以及降解条件难以控制等原因，在技术瓶颈突破前很难大范围推广[14-18]。聚乙烯材料制成的地膜在一定时期内将会长期大范围使用，但这种地膜在自然条件下分解需要200～400年[19，20]。如果残膜得不到有效治理，不仅对国家的可持续发展战略有一定的阻碍作用，还将影响我国农业的可持续发展，给国家农业生产带来不必要的损失。

目前残膜捡拾采用的主要方法是人工回收和机械回收。人工回收残膜通过捡拾或简单工具回收残膜，这种方法捡拾残膜需要大量的人力资源，劳动强度高，回收成本高，工作环境差，效率低，而且只能提取地表残膜。机械化回收残膜主要通过机械自动化方法使残膜从地表或田地土层下部钩挂起，并输送至残膜回收箱，减轻了农民的劳动强度，大大增加了捡拾效率，因此机械化残膜捡拾是解决残膜污染问题的有效途径。

欧美国家最先开始对农作物使用地膜覆盖种植，也最先认识到残膜的污染问题。各国为保护其农业生态环境，根据耕種工艺和自然条件设计了多种适合本国的残膜捡拾机。发达国家采用的地膜厚度一般为0.02～0.08mm，并在地膜中加入了抗老化剂，其地膜的力学性能较好，抗拉强度大，不易破碎，易于回收。因此，欧美国家的残膜捡拾机结构简单、捡拾率高，通过卷膜机构就能对残膜进行有效回收。

我国大范围使用的地膜都是厚度为0.008～0.01mm的薄地膜。薄地膜易老化、易破碎，抗拉强度低，因此国外残膜捡拾机不适用于中国的农艺要求。中国农机科研人员需要从零开始研制适用于我国国情的残膜捡拾机[21，22]。通过近三十年的设计研发以及推广应用，我国市面上常见的捡拾机有200余种，这些捡拾设备按捡拾原理可分为机械式和非机械式。

2 机械式捡拾机构

我国常用的捡拾机构典型机构有缠绕式、夹指带式、伸缩杆式、弹齿式、轮齿式和滚筒式。

2.1 缠绕式残膜捡拾机构

缠绕式残膜捡拾机构是通过卷膜辊缠绕的方式收集残膜，其主要由卷膜辊、机架、弧形导膜板、地膜铲、牵引装置和支撑轮组成，如图1所示。

卷膜辊式残膜捡拾机结构简单、造价低廉，但只能应用于地膜保存完好且厚度达到0.01mm的标准聚乙烯农用地膜的场合。同时，卷膜辊式残膜捡拾机在捡拾的起始阶段和中途发生残膜断裂，需要人工参与，大大降低了捡拾效率，增加了人工成本，因此在中国推广范围仅限于新疆等少数地区。新疆在2013年以后开始大力推行0.01mm以上的达标地膜，地膜的加厚给卷膜辊式残膜捡拾机的研发带了机遇，比较典型的是石河子大学设计的揭膜式残膜回收机，其捡拾率高达96.8%，对土壤环境的保护有显著效果[23]。

2.2 夹指带式残膜捡拾机构

夹指带式残膜捡拾机构由机架、专用捡拾带以及Y型残膜夹指机构组成，如图2所示。

2.3 伸缩杆式残膜捡拾机

伸缩杆式残膜捡拾机构由滚筒、伸缩捡拾杆、导向槽、滚动轴承以及心轴组成，其核心部件如图3所示。滚筒内部下侧安装有心轴，滚筒外壁设置有导向槽;伸缩捡拾杆一侧焊接在滚动轴承外侧，滚动轴承安装在心轴上;伸缩捡拾杆的另一侧穿过导向槽伸出到滚筒外侧。工作时，伸缩捡拾杆在滚筒和心轴相互配合作用使伸缩捡拾杆相对于滚筒发生相对运动。伸缩捡拾杆伸出时，将残膜挑起;伸缩捡拾杆缩回时，将挑起的残膜留在滚筒上方，完成膜齿分离。

因伸缩杆强度比其他类型的残膜捡拾齿强度高，因此缩杆齿式残膜回收机构大多在秋后回收中应用。伸缩杆齿式残膜回收机的应用主要集中在新疆、内蒙古、甘肃和山西等北方省份，比较典型的有新疆农机化所研制的4JSM型捡拾机和甘肃省农机推广站研制的1FMG-850型残膜回收机。

2.4 弹齿式残膜收集机构

弹齿式残膜收集机构是最简易、最常见的小型残膜捡拾机构，广泛应用于北方山地丘陵地区。弹齿式残膜收集机构按结构分为单排、双排和多排，残膜捡拾率随排数的增加而提高。三排弹齿捡拾机构由机架、牵引挂架、短弹齿排、中等长度弹齿排以及长弹齿排组成，机架上侧安装牵引挂架;机架下侧前部安装短弹齿排，机架下侧中部安装中等长度弹齿排，机架下侧后部安装长弹齿排。

弹齿式残膜捡拾机结构简单、造价低、故障率低，可以有效地解决堵塞和壅土的问题。弹齿式残膜捡拾机对于平整地的残膜回收率较高，但在凹凸不平的耕地会出现残膜漏起现象和跳动现象，卸膜需要人工参与，连续工作性能差，效率低。

2.5 轮齿式膜捡拾机

轮齿式膜捡拾机由外壳装置、残膜捡拾辊机构以及柔性脱膜辊机构组成。外壳装置内侧前部安装残膜捡拾辊机构，在残膜捡拾机构后部安装柔性脱膜辊机构，其结构如图5所示：

轮齿式拾膜机构结构简单，连续捡拾能力强，具有自动卸膜能力。轮齿式拾膜机的缺点是在收膜过程中容易掺杂桔梗碎块，不易捡拾细碎的残膜，容易发生拾膜不均的现象，且捡拾辊的旋转速度与拖拉机的行进速度很难确定配比，经常发生扯膜现象。

2.6 滚筒式拾膜机构

滚筒式拾膜机构又称为铲式起茬拾膜机构，它由鼠笼式滚筒以及地膜铲组成，如图6所示。地膜铲随滚筒一起转动并将地膜及土块从地面铲起。地膜及土块混合物在惯性作用下进入鼠笼式滚筒中。地膜在鼠笼式滚筒的作用下从鼠笼式滚筒后方排出，土块在鼠笼式滚筒的作用下，从鼠笼式滚筒侧壁缝隙掉落。

滚筒式拾膜机构工作可靠、结构简单、故障率低、拾净率高、普及范围广。但工作阻力巨大，能耗高，需要大功率农机带动，对于黏土地捡拾分离效果差，噪音大、烟尘大。

3 非机械式捡拾机构

非机械式又分为负压式和静电吸附式。

3.1 负压式残膜捡拾机构

负压式残膜捡拾机构由由集膜室、滤膜网、风机安装口、卸膜挡板、安装架以及吸膜口组成。集膜室后侧设置有滤膜网;滤膜网外部安装有风机安装口;集膜室前部设置有吸膜口;集膜室两侧设置有安装架;集膜室底部设置卸膜挡板。

负压式捡拾机构结构复杂较为复杂，容易捡拾桔梗碎块或草梗但应用范围广，不仅可作为耕地残膜捡拾机构，同时对于耕地边缘、路边，以及矮树丛的残膜捡拾。

3.2 静电吸附式残膜捡拾机构

静电吸附式残膜捡拾机构由机架、导线、分离辊、静电吸附带和粉碎扬尘辊组成。如图8所示。

目前市场主流为机械式残膜捡拾，非机械式残膜捡拾尚处于实验室阶段，很多技术瓶颈和推广应用适应性问题、可靠性问题尚未解决。

4 非垄向捡拾研究展望

随着传感器技术、模式识别和人工智能技术的进步，残膜捡拾机未来将越来越智能，但其核心残膜捡拾机构在未来的一段时间内还将采用机械式捡拾。目前，市面上绝大多数的捡拾机构沿牵引机械运动方向进行捡拾，即沿垄作方向对残膜进行钩挂捡拾。地膜在使用过程中力学性能发生变化，從文献检索和实际调研结果来看，残膜捡拾机构的拾膜率与地膜铺设时间以及捡拾方向与残膜铺设夹角的影响，地膜力学性能是提高残膜捡拾率的重要因素。除此之外，现存的残膜回收机有些虽然存在边膜破土装置，但实际应用中效果不明显。破土装置破土后残膜与土块形成新的组合体，更加难以捡拾，这是造成边膜的回收率较低的主要原因，也是残膜回收率低的重要原因。

非垄向捡拾研究就是对不同厚度、不同使用时间、与垄向呈不同角度方向残膜的物理力学特性进行研究与测试的基础上，建立残膜的本构特征和捡拾齿在采用不同方向拾膜过程中与地膜间非线性接触动力学模型，并根据模型设计捡拾机构的运动轨迹。非垄向残膜捡拾能够有效解决残膜回收机具存在的无法有效回收边膜以及拾膜机构工作捡拾率低的问题，为残膜捡拾机的设计提供一种新的捡拾理论和方法。

参考文献：

〔1〕李治国，周静博，张丛，等.农田地膜污染与防治对策[J].河北工业科技，2015，32（02）：177-182.

〔2〕侯慧芝，吕军峰，郭天文，等.全膜覆土栽培对作物的水温效应[J].麦类作物学报，2012，32（06）：1111-1117.

〔3〕Liu Y， Yang H， Li Y， Yan H， Li J. Modeling the effects of plastic film mulching on irrigated maize yield and water use efficiency in sub-humid [J]. Int J Agric & Biol Eng， 2017， 10（05）： 69–84.

〔4〕Gao Y， Xie Y， Jiang H， Wu B， Niu J. Soil water status and root distribution across the rooting zone in maize with plastic film mulching[J]. Field Crops Research. 2014， 156（02）： 40–47.

〔5〕Yang N， Sun Z X， Feng L S， Zheng M Z， Chi D C， Meng W Z， et al. Plastic film mulching for water-efficient agricultural applications and degradable films materials development research[J]. Materials and Manufacturing Processes， 2014， 30（02）： 143–154.

〔6〕Kader M A， Senge M， Mojid M A， Ito K. Recent advances in mulching materials and methods for modifying soil environment[J]. Soil and Tillage Research， 2017， 168（05）：155–166.

〔7〕Moreno M M， Gonzálezmora S， Villena J， Campos J A， Moreno C. Deterioration pattern of six biodegradable， potentially low-environmental impact mulches in field conditions[J].Journal of Environmental Management， 2017， 200： 490-498.

〔8〕李世明，蔡祖聪，杨浩，等.长期定位施肥与地膜覆盖对土壤肥力和生物学性质的影响[J].生态学报，20009，29（05）：2489-2498.

〔9〕翟夏斐，李强，李富翠，等.秸秆和地膜覆盖模式下土壤水热动态分析[J].土壤，2014，46（04）：716-724.

〔10〕李丛，汪景宽.长期地膜覆盖及不同施肥处理对棕壤有机碳和全氮的影响[J].辽宁农业科学，2005，21（06）：8-10.

〔11〕Nawaz A， Lal R， Shrestha R K， Farooq M. Mulching affects soil properties and greenhouse gas emissions under long-term no-till and plough-till systems in Alfisol of Central Ohio[J]. Land Degradation and Development， 2016， 28（02）： 673–681.

〔12〕Nishigaki T， Shibata M， Sugihara S， Mvondo-Ze A D， Araki S， Funakawa S. Effect of mulching with vegetative residues on soil water erosion and water balance in an oxisol cropped by cassava in east cameroon[J]. Land Degradation and Development， 2016， 28（02）： 682–690.

〔13〕Waterer D. Evaluation of biodegradable mulches for production of warm-season vegetable crops [J]. Canadian Journal of Plant Science， 2010，90（05）： 737–743.

〔14〕Scarascia-Mugnozza G， Schettini E， Vox G， Malinconico M， Immirzi B， Pagliara S. Mechanical properties decay and morphological behaviour of biodegradable films for agricultural mulching in real scale experiment[J]. Polymer Degradation and Stability. 2006， 91（11）： 2801–2808.

〔15〕Ren X. Biodegradable plastics： a solution or a challenge[J]. Journal of Cleaner Production. 2003， 11（01）： 27–40.

〔16〕Willett J L. Mechanical properties of LDPE/granular starch composites[J]. Journal of Applied Polymer Science. 2010， 54（11）： 1685–1695.

〔17〕Moreno M M， Moreno A. Effect of different biodegradable and polyethylene mulches on soil properties and production in a tomato crop[J]. Scientia Horticulturae. 2008， 116（03）： 256–263.

〔18〕Luvisi A， Panattoni A， Materazzi A. RFID temperature sensors for monitoring soil solarization with biodegradable films[J]. Computers & Electronics in Agriculture. 2016， 123： 135–141.

〔19〕Choa J W， Chun B C， Park J S. Ultraviolet reflective and mechanical properties of polyethylene mulching films[J]. European Polymer Journal. 2001， 37（06）： 1227–1232.

〔20〕Kyrikou I， Briassoulis D. Biodegradation of agricultural plastic films： A critical review[J]. Journal of Polymers and the Environment. 2007， 15（03）： 227–227.

〔21〕Briassoulis D. Mechanical behaviour of biodegradable agricultural films under real field conditions[J]. Polymer Degradation and Stability. 2006， 91（06）： 1256–1272.

〔22〕嚴伟，胡志超，周新星，等.残膜回收机拾膜机构研究现状及展望[J].农机化研究，2016，15（10）：258-268.

〔23〕李俊虹，姚强强，罗昕，等.揭膜式残膜回收机的设计研究[J].农机化研究，2017，35（01）：91-96.

收稿日期：2021-10-25

通讯作者：张亚新（1981-），男，副教授，硕士研究生，研究方向：农业机械化。

基金项目：内蒙古自治区高等学院科学研究项目（NJZY21130）;内蒙古自治区自然科学基金面上项目（2021MS05001）;内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划资助（NJYT22117）;赤峰市服务地方经济重大项目（cfxyfc201844）

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