劉小龍，趙武云，張 華，孫 偉，李 輝，李紅嶺

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

農(nóng)膜因其具有良好的增溫、保墑、蓄水、滅草之功效而廣泛應(yīng)用于甘肅地區(qū)乃至全國的玉米種植過程中，使用農(nóng)膜種植可提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，特別是干旱少雨的甘肅地區(qū)，農(nóng)膜為國家農(nóng)產(chǎn)品供給做出了重要貢獻(xiàn)，被譽(yù)為“白色革命”[1]。有關(guān)研究表明，殘留農(nóng)膜在土壤中積累會對地表和上層土壤的理化性質(zhì)造成負(fù)面影響[2]。塑料薄膜的大量使用不僅降低了土壤的透氣性、影響土壤結(jié)構(gòu)，而且會損害農(nóng)作物的生長[3]，進(jìn)一步引發(fā)環(huán)境問題。形成“白色污染”的根本問題在于“膜”，治理“白色污染”的關(guān)鍵在于殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用。突破膜面清潔、起膜壓茬碎土、邊膜撿拾、膜茬分離、膜土分離、近恒線速度卷膜、小錐度水平聯(lián)動快速卸膜、旋轉(zhuǎn)輥集膜卷捆等關(guān)鍵技術(shù)，通過原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，研發(fā)出系列適宜河西灌區(qū)、隴東隴中地區(qū)玉米殘膜回收機(jī)迫在眉睫。

1 甘肅地區(qū)玉米農(nóng)膜使用與回收現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 農(nóng)膜使用與回收現(xiàn)狀

近年來，甘肅省因其獨(dú)特的地域限制，推動實(shí)施了玉米全膜雙壟溝播種、玉米平作全覆膜播種、馬鈴薯大壟雙行栽培等種植方式[4]，2018年全省地膜覆蓋面積為192.3萬hm2，地膜使用量17.1萬t，僅次于農(nóng)膜使用全國第一的新疆地區(qū)。由于甘肅省各地地勢差異顯著，隴東、隴中等地區(qū)土質(zhì)松軟，引進(jìn)省外殘膜回收機(jī)回收效果不好。河西灌區(qū)土質(zhì)較硬且土壤層中砂石較多，玉米等根系較大，農(nóng)膜回收無機(jī)可用。

1.2 農(nóng)膜使用與回收中存在的問題

由于部分商家趨于經(jīng)濟(jì)利益的追求，將農(nóng)膜厚度逐漸減小，個別地區(qū)使用地膜厚度甚至小于0.005mm，致使殘膜彈性減小，老化速度加快，秋后膜面破損嚴(yán)重，為人工回收和機(jī)械回收造成了極大挑戰(zhàn)。另外，甘肅地區(qū)農(nóng)膜種植戶對殘膜回收和環(huán)境保護(hù)意識不強(qiáng)，為殘膜回收利用制造了障礙。

2 甘肅地區(qū)玉米典型種植模式下機(jī)械化殘膜回收技術(shù)

2.1 優(yōu)化設(shè)備完善科研保障

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)擁有國家種子加工裝備工程技術(shù)研究中心、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方馬鈴薯全程機(jī)械化科研基地(西北地區(qū))、甘肅省旱作農(nóng)業(yè)裝備工程實(shí)驗室、甘肅省旱作農(nóng)業(yè)裝備省級協(xié)同創(chuàng)新中心等省級以上科研平臺。北方馬鈴薯全程機(jī)械化科研基地(西北地區(qū))新購置1 200萬元儀器設(shè)備，單位擁有3D打印機(jī)、三坐標(biāo)掃描儀、三維激光掃描儀、焊接機(jī)器人、激光線切割、臥式加工中心、土槽試驗平臺、播種測試平臺、SolidWorks和EDEM軟件等一批先進(jìn)加工設(shè)備、測試儀器和設(shè)計分析軟件，為殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用提供了良好的科研條件支撐。

2.2 校企合作共促雙贏目標(biāo)

2.2.1 定西市三牛農(nóng)機(jī)制造有限公司。 定西市三牛農(nóng)機(jī)制造有限公司屬國家級高新技術(shù)企業(yè)，企業(yè)技術(shù)中心為省級企業(yè)中心?，F(xiàn)有研發(fā)中心、內(nèi)測實(shí)驗室、工藝室、實(shí)驗室、實(shí)驗基地等農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)應(yīng)用場所，并配備完善的研發(fā)、實(shí)驗、檢測設(shè)備，已形成“研發(fā)一批、生產(chǎn)一批、儲備一批”的創(chuàng)新運(yùn)行模式。公司與殘膜回收相關(guān)研究成果獲甘肅省專利二等獎和甘肅省發(fā)明三等獎，裝備生產(chǎn)能力和研發(fā)實(shí)力均相對較強(qiáng)。

2.2.2 甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司。甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司是甘肅省高新技術(shù)企業(yè)，2007年技術(shù)中心被評定為省級“企業(yè)技術(shù)中心”，公司現(xiàn)有機(jī)加工、總裝、后橋裝配、噴涂、車廂制造分廠等車間。擁有各類加工設(shè)備、檢測儀器、試驗設(shè)備200余臺(套)，具有3.3hm2機(jī)具試驗基地。設(shè)有甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)臨洮旱作農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)專家院，具有良好的產(chǎn)學(xué)研合作基礎(chǔ)，公司研發(fā)了3款殘膜回收機(jī)，具有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力和裝備生產(chǎn)能力。

上述公司工藝室、實(shí)驗室、加工車間和實(shí)驗基地將開放共享，公司技術(shù)人員主要承擔(dān)關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，耕層殘膜回收機(jī)和新型殘膜回收、秸稈粉碎還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)樣機(jī)的研制，以及11FMS-120型旋齒式殘膜回收機(jī)、11MFJ-125型雙升運(yùn)鏈卷軸自卸式廢膜撿拾機(jī)秋后回收和播前回收適應(yīng)性、耐久性試驗和定型后量產(chǎn)。

2.3 突破技術(shù)瓶頸實(shí)現(xiàn)機(jī)械化殘膜回收不斷創(chuàng)新

2.3.1 起膜壓茬碎土技術(shù)。 通過根茬壓輥、起膜鏟排列、起膜鏟安裝角度及起膜鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)起膜碎土基本不起根茬，降低膜雜分離負(fù)荷的同時降低撿拾地膜含雜率。

2.3.2 膜面雜質(zhì)清潔技術(shù)。 通過膜面壓輥、滅茬刀排列、滅茬刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)起膜前滅茬和膜面雜質(zhì)清理輸送，降低膜雜分離負(fù)荷，降低撿拾地膜含雜率。

2.3.3 旋轉(zhuǎn)輥集膜卷捆技術(shù)。 升運(yùn)鏈與旋轉(zhuǎn)輥集膜卷捆高度和縱向位置重疊再配合主動脫膜裝置實(shí)現(xiàn)可靠脫膜，研發(fā)的旋轉(zhuǎn)輥集膜卷捆裝置，實(shí)現(xiàn)了膜土進(jìn)一步分離、自動卷捆和液壓自動卸膜，降低了含雜率，實(shí)現(xiàn)了液壓高效卸膜。

2.3.4 小錐度水平聯(lián)動快速卸膜裝置技術(shù)。 創(chuàng)新設(shè)計水平聯(lián)動卸膜裝置，可實(shí)現(xiàn)移動卷膜筒直線移出，實(shí)現(xiàn)快速卸膜，卸膜后移動卷膜筒可快速自動回位；彈珠式插銷鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卷膜釘齒的快速拆卸，移動卷膜筒直線移出功能使卷膜筒實(shí)現(xiàn)小錐度結(jié)構(gòu)，增加了一次工作卷膜量，減少了卸膜次數(shù)。

3 甘肅地區(qū)玉米典型種植模式下機(jī)械化殘膜回收效益

殘膜回收機(jī)研制過程中圍繞關(guān)鍵共性技術(shù)與核心部件開展產(chǎn)學(xué)研推聯(lián)合攻關(guān)，采用的研究路線、方法對開展農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備相關(guān)領(lǐng)域的研究具有借鑒價值，取得的研究成果對提高我國殘膜回收水平具有重要的科學(xué)價值。

3.1 社會效益

地膜覆蓋可有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，但受“重使用、輕回收”觀念影響，部分地區(qū)農(nóng)膜殘留污染問題日益嚴(yán)重，已成為制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出環(huán)境問題。2019年國家六部委出臺《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)用地膜污染防治的意見》，要求到2020年農(nóng)膜回收率達(dá)到80%以上，到2025年，農(nóng)膜基本實(shí)現(xiàn)全回收，農(nóng)田白色污染得到有效防控。玉米殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用為甘肅與全國同步實(shí)現(xiàn)2025年農(nóng)膜基本實(shí)現(xiàn)全回收奠定裝備基礎(chǔ)，將為農(nóng)田白色污染得到有效防控做出重要貢獻(xiàn)。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

一方面，玉米殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用通過提升機(jī)具適應(yīng)性、可靠性、拾凈率，降低含雜率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效殘膜回收目標(biāo)，使每畝機(jī)械化撿拾成本降低15%；另一方面，定型產(chǎn)品的生產(chǎn)給企業(yè)提供了良好的經(jīng)濟(jì)效益，降低殘膜含雜率可有效減少后續(xù)殘膜回收再利用加工成本，我國農(nóng)膜使用面積位居全球第一，因此，殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用能夠為我國帶來持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 生態(tài)效益

當(dāng)前，我國農(nóng)膜覆蓋面積達(dá)1 866.7萬hm2，但農(nóng)田地膜回收率不足60%，殘留地膜破壞農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的同時造成“視覺污染”，影響村容村貌。殘膜與秸稈、飼料混在一起，可導(dǎo)致家畜胃腸功能失調(diào)甚至死亡[5]，目前機(jī)械化回收是我國治理殘膜污染的一個重要途徑，殘膜回收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用可有效提升我國殘膜回收水平，為優(yōu)化土壤土質(zhì)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語

解決農(nóng)膜污染問題是實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的首要前提。甘肅地區(qū)玉米典型種植模式，即在隴東、隴中地區(qū)實(shí)施玉米全膜雙壟溝播種種植方式，在河西灌區(qū)實(shí)施玉米平作全覆膜播種種植方式，根據(jù)隴東、隴中地區(qū)與河西地區(qū)的土壤差異，因地制宜地開展機(jī)械化殘膜回收工作是解決農(nóng)膜污染的關(guān)鍵之處。希望依靠政府、企業(yè)、社會團(tuán)體等群體共同推動甘肅地區(qū)玉米殘膜回收先進(jìn)技術(shù)輻射周邊的同時提升全國殘膜回收水平，為國家?guī)沓掷m(xù)的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。