李 偉，廖培旺，于家川，禚冬玲，張愛民

（濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州 256600）

地膜覆蓋栽培技術(shù)具有增溫保墑、抑制雜草、抑制鹽堿等改善農(nóng)作物生長環(huán)境的功能，20 世紀(jì)70 年代末被引入中國，經(jīng)過40 多年發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于玉米、棉花、花生、蔬菜、煙草等作物種植，大幅度提高了作物產(chǎn)量和品質(zhì)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和農(nóng)民增收作出了突出貢獻(xiàn)［1-3］，但地膜長期應(yīng)用卻得不到及時有效的回收，其危害已逐漸顯現(xiàn)，如今人們提及更多的是“白色污染”，地膜污染應(yīng)盡快治理。

近年來，地膜污染問題引起高度重視，2016 年國務(wù)院發(fā)布的《土壤污染防治行動計劃》明確了地膜回收利用目標(biāo)，2017 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《農(nóng)膜回收行動方案》提出了農(nóng)膜污染治理區(qū)域重點(diǎn)和技術(shù)措施，2018 年實(shí)施的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》（GB13735—2017）提高了地膜的厚度、機(jī)械強(qiáng)度和耐候性要求。2020 年中央一號文件再次關(guān)注了農(nóng)膜回收利用問題，作為目前殘膜污染治理最主要手段的機(jī)械化回收也引起了國內(nèi)學(xué)者更多的關(guān)注。本研究介紹了農(nóng)田地膜覆蓋及污染現(xiàn)狀、農(nóng)田殘膜回收作業(yè)機(jī)具、地膜質(zhì)量的重要性、機(jī)收殘膜的儲運(yùn)、資源化利用問題等，以期闡明地膜機(jī)械化回收工作的重要性，為地膜機(jī)械化回收的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 農(nóng)田地膜覆蓋及污染現(xiàn)狀

中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，中國地膜年使用量整體呈增長態(tài)勢（圖1），長期以來都是地膜使用量最多的國家，2014 年至2018 年地膜使用量已連續(xù)5 年在140 萬t 以上，主要以聚乙烯地膜為主。聚乙烯地膜分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，自然條件下很難降解，長期使用卻得不到有效回收和再利用，大量殘留于土壤耕層，對土壤毛管系統(tǒng)形成物理阻隔，導(dǎo)致水肥運(yùn)移不暢，同時土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成受抑制，土壤孔隙度下降，透氣性降低，微生物活性受抑制，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、分解、釋放受到影響，造成土壤肥力降低，作物減產(chǎn)［4，5］。有研究表明，當(dāng)耕層地膜殘留量達(dá)58.5 kg/hm2時，玉米減產(chǎn)11%～23%，小麥減產(chǎn)9%～16%，蔬菜減產(chǎn)14.6%～59.2%［6］。資料顯示，殘留地膜主要分布在0～30 cm 的耕層中，大致規(guī)律是覆膜年限越長，地膜殘留越多，深層殘膜所占比例越大，殘留于土壤耕層的殘膜會堵塞、纏繞作業(yè)機(jī)械的工作部件，影響機(jī)械化作業(yè)［7-9］。

國內(nèi)相關(guān)研究人員調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，中國地膜回收率不足60%，平均殘留量為60 kg/hm2，越來越多的地膜殘留于土壤耕層中，西北內(nèi)陸地膜污染最為嚴(yán)重，新疆、內(nèi)蒙古西部長期覆膜農(nóng)田平均殘膜量200 kg/hm2以上，其中新疆地膜污染最為嚴(yán)重，新疆棉田地膜平均殘留量達(dá)260 kg/hm2，最高達(dá)585 kg/hm2，土壤殘膜污染已成為困擾中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要問題［10，11］。

圖1 1992—2018 年中國農(nóng)用地膜使用量

2 機(jī)械化回收是中國當(dāng)前地膜污染防治的最主要手段

地膜污染防治，目前主要是通過地膜人工回收、地膜減量化應(yīng)用、可降解膜替代PE 地膜、殘膜機(jī)械化回收等方式開展［12，13］。

人工回收地膜作業(yè)環(huán)境差、勞動強(qiáng)度高、作業(yè)效率低、用工成本高，且僅適于回收地表殘膜，有效回收率低，缺點(diǎn)顯而易見［13-15］。

地膜減量化應(yīng)用主要是通過一膜多用技術(shù)和無膜栽培技術(shù)達(dá)到地膜減量應(yīng)用的目的［16，17］。一膜多用技術(shù)是選用機(jī)械強(qiáng)度好、抗老化的耐厚地膜經(jīng)一年使用后次年直接在上面打孔免耕播種，以減少地膜使用，但依然會有殘膜污染產(chǎn)生，后期需要進(jìn)行地膜回收；采用無膜栽培技術(shù)和覆膜種植相比，目前在經(jīng)濟(jì)效益、雜草防控、肥水控制等方面還有差距，暫時不具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。

可降解地膜可從根本上解決殘膜污染問題，使用可降解地膜替代聚乙烯地膜是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的必然選擇，近年來，中國在可降解農(nóng)用地膜研發(fā)方面也有了長足進(jìn)步，降解材料合成技術(shù)、設(shè)備和工藝都取得突破，主要生物降解材料（PBAT、PLA、PPC 等）與國際水平基本一致［17-20］，但由于以下原因，可降解膜暫時無法取代聚乙烯地膜在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位。一是可降解地膜與聚乙烯地膜相比價格上處于劣勢；二是由于基礎(chǔ)材料特性差異，可降解地膜的機(jī)械強(qiáng)度弱于聚乙烯地膜，機(jī)械化覆膜性能不及聚乙烯地膜；三是可降解地膜增溫效果和保墑效果弱于聚乙烯地膜，限制了其在干旱地區(qū)和寒冷地區(qū)的應(yīng)用；四是可降解地膜降解的可控性差，棉花等覆膜期較長作物隨著地膜的提前降解會出現(xiàn)雜草得不到控制等問題。可降解地膜應(yīng)用前景廣闊，已在煙草等典型作物上試驗(yàn)［21］，但要實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用尚需要在材料、工藝和應(yīng)用技術(shù)方面進(jìn)一步突破，降低生產(chǎn)成本，作為殘膜污染治理的主要手段時機(jī)尚不成熟，PE 地膜一段時期內(nèi)仍將大量使用，PE 地膜污染的防治壓力依然很大。

自20 世紀(jì)80 年代至今，中國研制殘膜回收機(jī)具已百余種［22］，田間作業(yè)機(jī)具的作業(yè)性能、可靠性、適用性都有所提高，機(jī)械化回收殘膜作業(yè)效率高，可有效降低勞動強(qiáng)度，與以上3 種治理措施相比，具有突出的優(yōu)勢，已經(jīng)成為現(xiàn)階段殘膜污染治理的最主要手段。

3 地膜機(jī)械化回收機(jī)具

中國的殘膜回收機(jī)種類繁多，下面僅對已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的一些代表性機(jī)型進(jìn)行簡要介紹，對氣力式、火焰式等機(jī)型不作介紹。

按照作業(yè)時間不同，中國殘膜回收機(jī)械可分為播前殘膜回收機(jī)械、苗期揭膜回收機(jī)械、秋后殘膜回收機(jī)械［23］。

1）播前殘膜回收機(jī)械。播前殘膜回收機(jī)械主要是在土地耕整后、播種作業(yè)前進(jìn)行地膜回收作業(yè)的機(jī)具，可通過對耕層殘膜進(jìn)行回收提供良好的播種環(huán)境，減少耕層殘膜對種子發(fā)育和作物生長的影響，使用較多的機(jī)型有密排彈齒摟膜機(jī)、彈齒鏈扒式地膜回收機(jī)、整地與清膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)等。

密排彈齒摟膜機(jī)代表機(jī)型，如4CM-4.0 密排彈齒摟膜機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、作業(yè)效率高、易維護(hù)、造價低等優(yōu)點(diǎn)（圖2），得到了比較廣泛的應(yīng)用，缺點(diǎn)是該機(jī)型彈齒纏繞的地膜較多時，彈齒的工作性能會急劇下降，影響殘膜回收率，需要頻繁停機(jī)進(jìn)行人工卸膜作業(yè)［24］。

圖2 4CM-4.0 密排彈齒摟膜機(jī)

彈齒鏈扒式殘膜回收機(jī)代表機(jī)型，如1SM-2.0型自卸式彈齒摟膜機(jī)（圖3），該機(jī)有自動脫膜裝置和集膜箱，可將彈齒收起的殘膜自動卸模到集膜箱，減少了人工卸模工序，實(shí)現(xiàn)機(jī)具更長距離的連續(xù)作業(yè)，提高了殘膜回收效率，緩解了春播期間的用工及農(nóng)時壓力［25］。

整地與清膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)代表機(jī)型，如1QZ-5.4清膜整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)（圖4），一次進(jìn)地即可完成碎土整地、殘膜回收2 道作業(yè)工序，可減少機(jī)具進(jìn)地次數(shù)，降低作業(yè)費(fèi)用，提高作業(yè)效率，節(jié)約農(nóng)時，缺點(diǎn)是需人工卸膜且卸膜比較困難［26］。

圖3 1SM-2.0 型自卸式彈齒摟膜機(jī)

圖4 1QZ-5.4 清膜整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)

此外，為實(shí)現(xiàn)更深層殘膜的回收，還出現(xiàn)了振動篩分式播前殘膜回收機(jī)，為多年連續(xù)覆膜地區(qū)深耕層殘膜污染清理提供了作業(yè)機(jī)具。

2）苗期地膜回收機(jī)械。由于回收時鋪膜時間短，地膜仍有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，膜上積土少，苗期地膜回收機(jī)大多是采用邊膜鏟將邊膜覆土疏松后，采用卷收裝置進(jìn)行地膜回收，地膜回收率較高，但苗期地膜回收后，水分蒸發(fā)加快，雜草需要進(jìn)行人工控制或噴施除草劑，與滴灌技術(shù)的普及也存在矛盾，中國苗期地膜回收機(jī)具的使用和研究越來越少，苗期殘膜回收典型作業(yè)機(jī)具，如MSM-3 型苗期地膜回收機(jī)（圖 5）［27］。

圖5 MSM-3 型苗期地膜回收機(jī)

3）秋后殘膜回收機(jī)械。秋后殘膜回收機(jī)械是在作物收獲后、耕整地前進(jìn)行收膜作業(yè)的機(jī)具。由于地膜經(jīng)歷了風(fēng)吹、日曬、雨淋、機(jī)械田間作業(yè)等，破損比較嚴(yán)重，機(jī)械強(qiáng)度也有所下降，同時地膜與土壤緊密黏連，再加上農(nóng)作物秸稈或根茬的影響，秋后殘膜回收難度較大，但此時回收不會影響農(nóng)作物生長，既可以采用單項(xiàng)作業(yè)方式，也可以采用秸稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)方式、根茬起拔與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)方式、作物收獲與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)方式等，因而秋后殘膜回收模式得到了廣泛應(yīng)用。秋后殘膜回收機(jī)具應(yīng)用較多的機(jī)型有摟集式、伸縮桿齒式、鏈扒式、鏟篩式、卷收式等［1，23］。

摟集地膜回收機(jī)代表機(jī)型，如1LM-5.0 立桿式摟膜機(jī)（圖6），機(jī)具結(jié)構(gòu)簡單，作業(yè)速度高，但因不具備殘膜收集裝置，作業(yè)行程較短，需要對彈齒脫下的殘膜進(jìn)行二次收集后轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖6 1LM-5.0 立桿式摟膜機(jī)

伸縮桿齒式收膜機(jī)殘膜回收率較高且便于脫膜，工作效率高，膜土分離效果較好，便于殘膜后期處理，缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜，機(jī)具造價高，為便于推廣使用，大多為秸稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，代表機(jī)型如4JSM-2100 型棉秸稈粉碎還田殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)（圖7）。

圖7 4JSM-2100 型棉秸稈粉碎還田殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)

鏈扒式殘膜回收機(jī)代表機(jī)具，如4JMS-2.0 殘膜回收與秸桿還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)（圖8），該機(jī)采用彈齒鏈扒式撿拾機(jī)構(gòu)，配置了專門針對殘膜回收的秸稈粉碎還田機(jī)，處理秸稈同時能清除掉落在膜面上的雜物，其撿拾鏈扒上加裝了去雜絞龍，回收地膜含雜量低，采用大容積集膜箱，保證了可長時間連續(xù)作業(yè)。

鏟篩式地膜回收機(jī)典型作業(yè)機(jī)具，如1MC-70型起茬殘膜回收機(jī)，利用鏟掘篩分原理，根茬和地膜在前部起土鏟的作用下進(jìn)入篩分機(jī)構(gòu)，與土壤分離，最后進(jìn)入后部集膜機(jī)構(gòu)，這種機(jī)型結(jié)構(gòu)簡單緊湊、膜土分離效果較好，缺點(diǎn)是幅寬較小，作業(yè)效率不高（圖9）。

圖8 4JMS-2.0 殘膜回收與秸稈還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)

圖9 1MC-70 型起茬殘膜回收機(jī)

秋后地膜卷拾機(jī)械對地膜強(qiáng)度有一定要求，卷膜機(jī)構(gòu)卷膜速度與機(jī)具前進(jìn)速度的匹配是關(guān)鍵，卷收殘膜雜質(zhì)含量少，利于回收后的資源化利用，代表機(jī)具如4UF-110 馬鈴薯挖掘電動廢膜卷拾一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)馬鈴薯收獲與地膜回收聯(lián)合作業(yè)（圖10）。

圖10 4UF-110 馬鈴薯挖掘電動廢膜卷拾一體機(jī)

4 地膜質(zhì)量是機(jī)械化回收的基礎(chǔ)

地膜質(zhì)量是地膜機(jī)械化回收的基礎(chǔ)，地膜的物理機(jī)械性能明顯影響殘膜機(jī)械化回收作業(yè)的效果，機(jī)械性能越好，殘膜回收率越高，機(jī)械作業(yè)效果越好，對殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)的要求也越低，因而地膜質(zhì)量對于殘膜回收機(jī)械設(shè)計和殘膜回收作業(yè)有至關(guān)重要的影響。相關(guān)研究表明，相同材質(zhì)情況下，地膜厚度是地膜機(jī)械性能的重要影響因素，地膜的屈服拉力、抗拉強(qiáng)度隨地膜厚度增加而增加［28，29］。

有關(guān)資料顯示，中國殘膜回收機(jī)械研發(fā)處于世界領(lǐng)先水平，但地膜機(jī)械化回收的效果卻不理想，很大程度上與使用地膜機(jī)械強(qiáng)度弱有關(guān)。長期以來，受限于地膜機(jī)械性能和耐候性，殘留地膜很難在作物收獲后通過卷膜方式進(jìn)行整膜卷收，盡管國內(nèi)科技工作者研制了多種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)具，但殘膜回收率不高，含雜量高，導(dǎo)致大量破碎殘膜殘留于土地耕層，回收殘膜因含雜量高資源化利用也成為難題，造成了嚴(yán)重的殘留地膜污染。

中國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》（GB13735—2017），地膜厚度下限為0.01 mm，僅為日本現(xiàn)行地膜標(biāo)準(zhǔn)（JIS K 6784，1994）厚度下限的50%，而一些生產(chǎn)企業(yè)為迎合使用者降低覆蓋成本的要求，生產(chǎn)地膜厚度不達(dá)標(biāo)，一些地區(qū)甚至還大量使用厚度為0.004～0.008 mm 的地膜，使用地膜的機(jī)械性能和耐候性更是達(dá)不到中國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，地膜回收過程中易被撕裂導(dǎo)致殘膜回收率下降，所以地膜質(zhì)量需要有法律法規(guī)強(qiáng)制保障，需要監(jiān)管部門加強(qiáng)對地膜生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)的監(jiān)管，這樣才能為地膜機(jī)械化回收和資源化利用創(chuàng)造條件。

5 做好機(jī)收殘膜運(yùn)輸、儲存，避免二次污染

目前，國內(nèi)使用的大部分殘膜回收作業(yè)機(jī)具，無論是否具有集膜裝置直接卸模的機(jī)具，或是有集膜箱的機(jī)具，卸模后的殘膜大都呈松散狀態(tài)，密度低，占用空間大，堆積在田間地頭易被大風(fēng)吹散，形成二次污染，造成安全隱患，向殘膜回收點(diǎn)運(yùn)輸會增加人力、物力投入。為更好地進(jìn)行殘膜儲運(yùn)，國內(nèi)研究人員進(jìn)行了機(jī)收殘膜體積壓縮的相關(guān)研究，主要是通過殘膜打包、打捆等方式實(shí)現(xiàn)回收殘膜壓縮［30，31］，避免二次污染，其中新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所和新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)股份有限公司聯(lián)合研制的CMJY-1500 型殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī)（圖11）設(shè)計了液壓驅(qū)動式電控打包機(jī)構(gòu)，殘膜經(jīng)打包壓縮成形后平均密度達(dá)167.4 kg/m3，大幅度壓縮了回收殘膜體積，更便于回收后殘膜的裝載、運(yùn)輸和儲存［31］。

6 機(jī)收殘膜資源化利用

殘膜資源化利用主要是指將回收后的農(nóng)用殘膜進(jìn)行清洗、破碎、塑化及添加一定量的新原料或添加劑，進(jìn)行重新造粒生成新的可利用的母料或產(chǎn)品的過程。

圖11 CMJY-1500 農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī)

目前，中國地膜機(jī)械化回收以秋后殘膜回收和播前殘膜回收為主，機(jī)收殘膜含雜量高，通過初清理實(shí)現(xiàn)膜雜分離是殘膜資源化利用的基礎(chǔ)。但從可查閱到的資料來看，國內(nèi)專門針對殘地膜資源化利用的研究還較少，主要有離心式分離法、振動篩選法、浮力飄選法等。離心式分離法主要根據(jù)物料密度差異通過離心風(fēng)力進(jìn)行膜雜分離；振動篩選法主要是利用殘膜和雜質(zhì)在振動篩表面的不同運(yùn)動進(jìn)行膜雜分離；浮力飄選法主要是利用地膜和雜質(zhì)在液體中的浮力差異進(jìn)行膜雜分離［32-34］。

機(jī)收殘膜由于膜稈相互纏繞，常用的離心式分離法、振動篩選法、浮力飄選法等物料分離方法都難以將膜雜較好分離，目前初清理環(huán)節(jié)基本采用的是人工分揀，分揀成本高、效率低，后續(xù)還要經(jīng)過破碎、水洗、擠干脫水、物料熔融、擠出冷卻、切削制粒等加工流程后才能用于包裝膜、滴灌帶等低端塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，工藝過程復(fù)雜、利潤空間有限，現(xiàn)有地膜回收加工企業(yè)普遍面臨回收利用成本高、收益差等問題，這就造成殘地膜資源化利用的市場推動困難［35，36］，殘膜回收點(diǎn)缺乏，大量機(jī)收殘膜因找不到回收點(diǎn)而被廢棄，而地膜機(jī)械化回收又會產(chǎn)生回收作業(yè)成本，這嚴(yán)重影響農(nóng)民進(jìn)行殘膜機(jī)械化回收的積極性，同時收而不用，大量機(jī)收的殘膜被棄在田間地頭焚燒或填埋，造成二次污染問題。機(jī)收殘膜的資源化利用是不可回避的重要問題，有必要加快對地膜資源化利用支持性政策的建立完善和實(shí)施，采取安排專項(xiàng)資金對殘膜資源化利用進(jìn)行補(bǔ)助或通過貼息等優(yōu)惠政策支持殘膜資源化利用。

耐候地膜成本僅高出普通地膜15%～20%，與回收殘膜余值相當(dāng)。為降低機(jī)收地膜含雜率，陳學(xué)庚院士團(tuán)隊(duì)對耐候地膜秋后整膜卷收技術(shù)進(jìn)行了研究，研制的3 種機(jī)具很好地實(shí)現(xiàn)了棉田地膜秋后整膜卷收，一次作業(yè)可以完成棉花秸稈的粉碎還田、殘膜的撿拾、清雜及卷收作業(yè)，回收殘膜含雜率明顯降低，這將為機(jī)收殘膜資源化利用創(chuàng)造條件。

此外，聚乙烯等材料與秸稈等廢植物纖維混合，木塑制粒后再成形生產(chǎn)出的板材或型材，將含秸稈的回收地膜發(fā)展木塑制粒經(jīng)濟(jì)效益高于普通切削造粒，得到了廣泛認(rèn)可，該資源化利用技術(shù)降低了清雜要求，為更好實(shí)現(xiàn)殘膜資源化利用開辟了一條具有更廣闊前景的途徑。

7 小結(jié)

中國地膜污染形勢嚴(yán)峻，機(jī)械化回收是當(dāng)前中國農(nóng)田殘膜治理的最主要途徑，地膜的機(jī)械化回收工作是涉及到地膜生產(chǎn)、使用、回收、儲運(yùn)和資源化利用全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合性工作，需要加強(qiáng)頂層設(shè)計，從地膜質(zhì)量抓起，做好標(biāo)準(zhǔn)、政策、法規(guī)的制定和執(zhí)行，搞好回收機(jī)具研發(fā)與機(jī)械化作業(yè)技術(shù)推廣應(yīng)用的同時，重視機(jī)收地膜的出路問題，搞好機(jī)收地膜資源化利用工作，因地制宜地形成地膜使用、回收、儲運(yùn)、資源化利用在內(nèi)的機(jī)械化回收技術(shù)體系，以回收后殘地膜資源化、無害化處理為基本原則，推進(jìn)地膜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、殘膜撿拾機(jī)械化、殘膜收儲運(yùn)專業(yè)化，降低農(nóng)用殘地膜對土壤環(huán)境的污染。