耕层残膜回收机研究现状及发展趋势

摘要：随着地膜在农业生产中的广泛应用，带来经济收益的同时也带来农田残膜污染。机械化回收是治理残膜污染的重要环节，其中耕层残膜的机械化回收是重难点，而高效稳定的耕层残膜回收机缺乏，不仅阻碍残膜污染治理的进程，一定程度上更制约农业的绿色可持续发展。为此，综述分析地膜残留的危害及耕层残膜污染的现状，对目前国内的耕层残膜回收机进行对比分析，重点列举我国耕层残膜回收机的结构原理及特点，指出目前我国膜土分离机理研究缺乏；回收机具的工作深度不够，需耕翻后来年再回收；自动化智能化程度低；复业式耕层残膜回收机少等问题。并结合我国国情提出研发主动捡膜机构，提高捡膜部件的智能化和精准度；配合污染监测装置，研究农田残膜污染的等级划分；研发耕层残膜回收及耕整地联合作业机，降低治理成本等建议，为治理农田残膜污染及耕层残膜回收机的发展提供参考。

关键词：耕层；残膜污染；机械化回收；污染监测

中图分类号：S23" " " 文献标识码：A" " " 文章编号：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

地膜覆盖技术具有使土壤增温保湿、提高种子发芽率、防止病虫害、抑制杂草生长等作用，在棉花、玉米、大豆等作物种植上被广泛应用[1]。由于地膜所使用的材料为聚乙烯烃类高分子化合物，其在自然条件下降解难加之连年大量铺设且不能及时完整的回收，导致废旧地膜在土壤内部逐年增多与土壤、根茬紧密结合形成阻隔层，降低土壤水肥转移速率、种子发芽出苗率和农作物的产量[2]。新疆农田覆膜种植40余年，年地膜使用量超200 kt。2021年覆膜种植面积达到3 553 khm2，占全国覆膜面积的20%左右[3]。庞大的地膜使用量及回收政策的滞后性带来了严重的农田污染，目前新疆农田已成为我国乃至世界上残膜污染最严重的区域之一。

可降解地膜因其成本高、保温保湿效果不够好、降解时间与降解产物不确定等诸多因素，难以在短期内实现大规模应用。现有残膜回收机具和政策主要是针对当季地膜的回收，深藏于土壤耕层破碎度更高的残膜缺乏有效治理手段，通过人工捡拾，时间成本高，劳动强度大，因此只能依靠机械化回收治理。但机械化回收耕层残膜存在技术薄弱，实际田间回收率低于50%[3]、一次性投入成本高、机具稳定性差的问题，难以被农户接受。回收后的残膜大多随意堆放在田间地头或者就地焚烧，很容易引起二次污染。耕层残膜的回收是残膜治理中重要的一环，属于重难点，应综合分析我国耕层残膜回收机具的现状，针对污染严重地区加大对耕层残膜回收装备的研发推广，同时研究农田耕层残膜污染的等级划分，根据不同的污染等级因地制宜实现分级治理，对治理农田残膜污染，净化土壤种植环境，保证农业高效、绿色发展具有重要意义。

1 耕层残膜的危害及污染现状

根据马兴旺等[4]研究发现，尽管每年及时对地表的当季地膜进行捡拾回收，3年后土壤中的地膜残留量依旧明显增加，原因是土壤表层遗留的残膜随耕作过程向深层转移。耕层残膜污染的危害主要体现在三个方面，一是对土壤自身的影响，土壤通透性和过水能力下降，土壤板结[5]；土壤中的酶活性降低[6]，自我修复能力减弱；养分运移减弱，有效磷及速效钾含量降低[7]，土壤肥力下降；二是造成农产品塑化剂残留，农产品品质下降，危害人类健康；回收的秸秆混有地膜容易被牲畜误食危害生命；三是在耕作过程中缠绕农机具，降低作业质量及机具寿命。农田残膜污染程度主要体现在地膜残留量和其在土壤中的空间分布[8]。

1.1 地膜残留量

地膜残留量是指农田土壤中残留地膜的量，其值是按照五点取样法，测点中长边长度大于2 cm的残留地膜的质量和与测点数的比值。地膜残留量的高低主要与该地区的地膜质量、覆膜年限、覆膜用量和回收方式等有关[9]。其中地膜质量影响最突出，其值取决于地膜使用标准。新疆自2018年使用的地膜标准（GB13735—2017）中规定地膜厚度不能小于0.01 mm，覆盖使用时间不少于180天。根据塔里木大学对新疆农田数据调查可知：2018年，新疆农田平均地膜残留量约为206.46 kg/hm2，污染严重的区域残膜残留量均值大于275.63 kg/hm2，远超过地膜残留量限值及测定标准（GB/T 25413—2010）中的75 kg/hm2，高于全国平均水平。

1.2 残膜空间分布

我国深耕旋耕的耕作模式加剧了耕层残膜的碎片化。贺怀杰等[10]研究发现，表层土壤中的大块残膜会逐年碎裂并向土壤深层转移。刘超吉[11]对南疆棉田进行调研，发现残膜在土壤中以水平、竖直、倾斜等形态分布至0～300 mm深度，其中100～200 mm 范围内的残膜占比70%左右，形状主要为片状、蜷缩圆筒状和球状。残膜面积分为lt;4 cm2、4～25 cm2、gt;25 cm2，在土壤中的比例为1∶7∶2，但面积gt;25 cm2的残膜重量是4～25 cm2的3.6倍。以上数据说明残膜容易滞留在100～200 mm的土壤深度且分布杂乱、破碎度高，给耕层残膜回收机的捡膜部件带来挑战。因此，需加大力度研制可靠的耕层残膜回收机，对解决目前农田耕层污染问题具有重要意义。

2 耕层残膜回收机现状

欧美、日韩等国家首先在农业应用覆膜种植，也最早认识到残膜的污染问题。这些国家普遍使用的地膜厚度为0.02～0.05 mm，并在其中加入抗老化剂，使得地膜的耐候性好、使用寿命长。待作物成苗后利用卷绕原理将地膜回收重复使用。其次，美国、日本、荷兰等农业产业发达国家在可降解地膜的研究中取得突破，研发出生物降解地膜、光降解地膜及纸地膜等产品。绿色地膜的大面积推广应用，土壤耕层残留的少量地膜自然分解，污染不严重。我国从20世纪70年代引入覆膜种植技术并大面积推广，目前年用地膜总量在1 450 kt左右，农作物覆盖面积超20 000 khm2，占全球覆膜总量的75%以上。与欧美等国不同，我国农田使用的地膜为厚度0.008～0.01 mm的普通PE膜[12]，这种地膜属于一次性使用产品，力学性能差，不能直接通过卷绕法回收，多采用表层碎片捡拾回收。在田间实际应用中，我国表层残膜回收机的拾净率不高，每年约20%的当季地膜遗留在土壤中，经耕整地作业埋至土壤耕层。随时间推移逐年累积，耕层中的碎片地膜越来越多，带来严重的土壤生态环境恶化。因此，耕层残膜回收机械的需求紧迫并重点集中在中国[13]。

耕层残膜回收主要是对苗期和秋后没有回收干净的残膜和历年累积的残膜进行清捡，根据相关标准回收深度gt;100 mm[14]。中国的科研院所和高校对耕层残膜回收机的研究也多从近五年开始，目前研制出几种典型的回收机具，根据结构不同可分为滚筒式、输送链式、气力式和组合式。属于牵引型机具，由拖拉机后输出轴提供动力来源，回收过程主要包括松土、起膜、捡膜、膜土分离、卸膜、集膜6个阶段。耕层残膜回收机类型的优缺点及适用性如表1所示。

2.1 滚筒式耕层残膜回收机

滚筒式耕层残膜回收机捡膜齿轴向排布在膜钉支架上，膜钉支架再均匀分布在与机具前进方向水平垂直的圆周上形成拾膜滚筒，随拾膜滚筒的转动对残膜进行捡拾。

张攀峰[15]根据新疆地区棉花种植的农艺要求设计了一款旋耕钉齿式耕层残膜回收机如图1所示，主要包括牵引架、减速器、地轮、钉齿、卸膜毛刷、输送装置、集膜箱及传动系统。该机具能回收土壤深度150 mm以内的耕层残膜，作业幅宽1 m，作业速度2～6 km/h，田间试验回收率75.04%，配套动力为约翰迪尔954型拖拉机。经计算，确定钉齿的入土角为60°，拾膜滚筒的转速范围为80～180 r/min。作业时，由拖拉机后输出轴提供动力，通过链传动带动拾膜滚筒旋转，钉齿安装在拾膜滚筒上随滚筒旋转伸入土壤钩住残膜；残膜被挑起随滚筒转动至卸膜区，毛刷辊在卸膜反向链轮的作用下与拾膜滚筒反向快速旋转，依靠摩擦力将残膜从钉齿上刷离；被卸下的残膜和土壤进入到输送装置中；该输送装置上有筛孔，使得土壤掉落地面，残膜留在筛面上，完成膜土分离；继而残膜被输送至集膜箱内[16， 17]。

新疆农业大学史增录等[18]发明了一种钉齿自转式的全耕层残膜回收机，如图2所示。与旋耕钉齿式相比，两者的捡拾原理相似，但该机具采用起膜铲起膜，且在每一组捡膜组件上安装小链轮，在旋转过程中通过与链条配合实现捡膜滚筒上的捡膜组件自转，让膜土混合物不仅受到捡膜辊组件自转形成的作用力，还受到捡膜组件与滚筒转动形成转速差带来的摩擦阻力，提升了膜土分离效率。

滚筒式耕层残膜回收机依靠捡膜齿的“穿刺”力和“钩”力拾膜，卸膜依靠钉齿与刷模板反转形成的摩擦力卸膜。在实际应用时，残膜在钉齿在起膜和捡膜的过程中，会紧紧穿贴在钉齿上，因而捡膜齿的形状、间距和分布对作业效果有很大影响，因此合理的设计才能避免大面积漏捡、残膜大量堆积在钉齿上的现象。

2.2 输送链式耕层残膜回收机

输送链式耕层残膜回收机一般采用起膜铲起膜，在输膜装置上增加捡膜齿和抖动装置，实现“捡”和“筛”同步。

赵攸乐[19]设计了一款链齿耙式耕层残膜回收机如图3所示，主要由机架、限深轮、起膜铲、链齿输膜装置、抖动装置、卸膜辊、集膜箱及传动系统部件组成。该机具能回收土壤深度200 mm以内的耕层残膜，结合铺膜种植要求设计机具作业幅宽1.8 m，机具作业速度5.4 km/h，田间试验平均残膜捡拾率达89.6%，配备动力为 56 kW约翰迪尔-754 型拖拉机。作业时，拖拉机牵引机具前进，起膜铲铲起土膜混合物，向后运输至链齿耙输膜装置；输膜装置上有弹齿钩住残膜，经过抖动装置抖动，土壤、秸秆等杂质在重力作用下从筛面上的小孔落至地面，实现膜土分离；卸膜刷将残膜刷入集膜箱，完成整个收膜过程。

罗凯等[20]对链齿耙式耕层残膜回收机进行优化，在链齿输膜装置下方加装振动筛，利用偏心连杆机构实现振动筛的前后进给和角度变化。理论计算确定振动筛得初始安装角为30°，选定偏心轮转速255 r/min。可以收集未被弹齿捡拾的小碎片残膜，避免其落入土壤造成二次污染。史增录等[21]发明了一种逆转速差链齿式耕层残膜回收机。通过在输膜装置的弹齿组件端部加装齿轮与输膜装置和集膜箱的齿条在不同的时刻啮合，让弹齿组件在捡膜时与输膜装置旋向相反，卸膜时旋向相同，以提升捡膜和卸膜的效率。

输送链式耕层残膜回收机最大的特点是在输送膜土混合物时加抖动装置和振动筛将膜土混合物抖散，让土壤和残膜、根茬能更好地分离，减轻捡膜和卸膜的负载。但是当土地干旱土块较大较硬时，回收效果差，可以考虑在起膜铲和输送装置中间设置碎土装置，以减小土块大小对回收效果的影响。

2.3 气力式耕层残膜回收机

气力式耕层残膜回收机最大的特点是在捡膜和卸膜时依靠离心式风机营造负压环境将残膜吸至集膜箱内，回收的膜干净，但由于田间作业环境复杂，气力式故障率高，所以研究和应用较少。

张振慧[22]设计的11MS-2.0型气吸式耕层残膜回收机如图4所示，主要由悬挂架、减速器、碎土部件、两级筛分装置、两级吸膜口、离心式风机、转轮式输送装置、集膜箱、传动系统组成。该机具能够回收土壤深度300 mm以内的残膜，作业幅宽2 m，作业速度1 km/h。工作时，拖拉机通过牵引架带动机具前进，首先由旋耕装置碎土，膜土传送至一级筛分装置进行第一次膜土分离；传送至振动筛末端时，第一吸膜口进行第一次吸膜工作，通过离心式风机进入集膜箱；剩余膜土被输送至转轮式输送装置，进入二级筛分装置内的振动筛中，此时第二吸膜口进行二次吸膜，膜通过离心式风机进入集膜箱内，完成吸膜，土则漏至一级筛分装置，若有未打碎的土块则再次循环打碎。

2.4 组合式耕层残膜回收机

组合式耕层残膜回收机是将各工作阶段的不同形式的部件进行组合，从而适应不同类型和污染程度的土壤。郭文松等[23]研制了一种梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机，如图5所示。

该机具能回收土壤深度150 mm以内的残膜，作业幅宽1 m，作业速度3 km/h，田间试验残膜回收率为55.04%。通过仿真分析，确定了梳齿排布方式为螺旋排列，螺旋升角为20°，螺距10 cm。受残膜运动轨迹限制由理论计算得出，梳齿辊筒的转速上限120 r/min，吸膜口风速15 m/s。该回收机具属于牵引式，整机动力由拖拉机后输出轴提供。工作时随着梳齿辊旋转梳齿入土，梳齿为锯齿状起到疏松土壤和挑膜的目的；残膜和杂质被梳齿挑起后送至吸膜区，残膜和杂质受负压被吸入重力沉降室中；重力沉降室内的空气流速大于残膜的悬浮速度小于杂质的悬浮速度，使质量较轻的残膜从出膜口吹出进入集膜纱网，质量较重的土壤和杂质掉落到农田里，完成残膜回收工作过程[23]。

刘恩帅[24]对该梳齿起膜气力脱膜式残膜回收机优化，重新设计重力沉降室，并增加了集膜箱。优化后的残膜回收机作业深度为0～300 mm，性能有所提高，回收率由55.04%提升到66.80%，含杂率由8.3%降低到6.49%。该机具体积小巧，适合小片农田的回收作业。

3 存在问题

耕层残膜的治理属于重难点又是迫切需要解决的问题。不仅需要考虑其研发成本、作业成本、稳定性等，还需要结合我国农业生产模式、农用地膜使用标准、不同地域的土壤特点等综合考量。

1） 耕层残膜碎片化严重，水肥迁移和微生物分解与土壤、根茬紧密黏合。相互作用力研究缺乏、相互作用规律不明、分离机理不明晰，导致现有的耕层残膜回收机作业效果不稳定、性能提升困难、阻碍了耕层残膜的有效治理。

2） 研究显示，耕层残膜主要分布在0～300 mm深度的土层，由于作业动力及捡拾部件性能等因素限制，耕层残膜回收机的工作深度大多是0～150 mm，机械的作业深度不够，耕层残膜的机械化回收需耕翻地后来年再收，增加耕层残膜治理的成本。

3） 耕层残膜回收机的自动化程度低，目前停留在初级的机械结构研发，未能将例如双目识别、电子控制、传感器监测等技术融入其中，机械捡拾具有很强的盲目性和随机性，这也是残膜回收机回收效果不稳定的重要原因。

4） 复业式耕层残膜回收机较少，作为一项单独的农事活动，成本增加但短期收益体现少，农民回收积极性低。回收后相应的清洗、加工再利用的体系政策不完善，只能堆放田间地头或者焚烧造成二次污染。

4 发展趋势

目前的耕层残膜问题依旧没有彻底解决，回收机械仍需重点研发提高性能。未来我国耕层残膜回收机械发展重点应放在以下几个方面。

1） 加大耕层残膜回收捡膜技术的研发，设计主动捡膜机构，将传感器技术与计算机视觉技术应用于捡膜部件，提高捡膜部件的智能化和精准度，同时也减轻后续膜土分离的负载，利于残膜回收机的推广。

2） 在耕层残膜回收机上搭载污染监测装置，创立云端数据库对监测数据进行存储。对存储的数据分析处理划分污染等级可预测来年农田耕层残膜的污染情况，以便因地制宜适时调整回收方案，降低治理成本。

3） 研发高效率、能兼顾农事作业和耕层残膜回收的联合作业机，减少机具进地的次数业成本。同时研发残膜回收后的相关资源利用技术，完善相关产业链的发展。

5 结语

随着地膜在农业生产中的广泛长期应用，地膜残留从土壤表层逐步深入耕层，带来农作物的减产并加剧土壤种植环境的恶化。目前机械化回收是最直接、见效最快的治理手段，但是由于地膜的力学性能有限和农田工作环境恶劣等原因，限制耕层残膜的有效治理。通过研发高效的耕层残膜回收机、完善提高相关的政策及标准、对污染农田长期监测等减少残膜对土壤环境的侵害，保护土壤和环境的健康。

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