常傳義， 吳家安， 高明宇， 劉恩宏， 閆博巍

(1.哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究分院，黑龍江哈爾濱 150029； 2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，黑龍江哈爾濱 150086)

水稻作為世界的主要糧食作物，有約60%的人口將其作為主食。2020年我國水稻種植面積約為 3 007.6萬hm2，占全國糧食作物種植面積的 1/4[1]。隨著人們生活品質(zhì)逐步提高，對有機食品的關(guān)注越來越多，尤其是有機水稻，因生產(chǎn)過程中不使用化學合成(農(nóng)藥、除草劑)藥劑進行滅草、除蟲，遵循自然規(guī)律生長，受到了人們的關(guān)注，同時有機水稻種植面積也逐年提高。有機水稻營養(yǎng)價值高、口感好，具有良好的經(jīng)濟效益[2]。但在有機水稻種植過程中，因不允許使用農(nóng)藥、殺蟲劑等物質(zhì)，導致雜草和病蟲害較多，每年因草害、蟲害引起的水稻產(chǎn)量損失在15%以上[3]。因此，如何處理有機水稻生產(chǎn)過程中雜草、蟲害等問題是有機水稻種植過程的重點和難點。

國內(nèi)外針對有機水稻種植的除草方式主要有人工除草、機械除草、利用動物取食除草、微生物除草和降解膜覆蓋除草等[4]。但因人工除草勞動強度大、成本高，利用動物取食雜草的方式存在前期選種、后期需要人工除草、動物的優(yōu)質(zhì)優(yōu)價不能完全體現(xiàn)等問題[5-6]，導致相關(guān)研究主要集中在機械除草、微生物除草和降解膜覆蓋除草。機械除草可有效發(fā)揮控制草害、利于有害氣體排出、增加氧氣含量、提高地表溫度、促進肥料吸收等重要作用，但株間平均除草率低，僅為40%～50%[7]。微生物除草雖具有對目標雜草專一性強、選擇性高、用后對環(huán)境無殘留等優(yōu)點，但存在目的菌篩選困難、制劑難度大、寄主單一、受外界環(huán)境因素影響大等問題[8]。而水稻降解膜覆蓋除草方式操作簡單、農(nóng)民易于接受，在不使用農(nóng)藥、除草劑的情況下控草效果好，同時具有提高地溫、減輕病蟲害、增產(chǎn)、節(jié)水等作用[9-12]。但水稻覆膜栽培技術(shù)機械化覆膜水平低，多數(shù)采用人工覆膜，勞動強度大、覆膜效果差、效率低，嚴重制約了水稻覆膜栽培技術(shù)的發(fā)展。因此，本文在分析國內(nèi)外水稻覆膜栽培技術(shù)的基礎上，闡述有機水稻覆膜栽培關(guān)鍵技術(shù)與機具研究進展及存在的問題，分析各項技術(shù)原理、特點及典型機具，并展望有機水稻覆膜栽培技術(shù)的發(fā)展趨勢，為我國有機水稻覆膜栽培技術(shù)進一步發(fā)展提供參考。

1 有機水稻覆膜栽培技術(shù)概況

1.1 水稻種植面積

據(jù)《2020中國統(tǒng)計年鑒》和《2020年中國有機水稻行業(yè)分析報告》等統(tǒng)計[13-15]，我國糧食種植面積從2016年的11 303萬hm2穩(wěn)定增加至2018年的11 703萬hm2，增加了3.54%，糧食總產(chǎn)量從 61 623.9萬t 增長至65 789萬t，增幅為6.76%。2019年全國糧食播種面積為11 606萬hm2，同比減少97萬hm2，下降0.8%。2020年全國糧食播種面積增長至11 677萬hm2，同比增加71萬hm2，增長0.6%(圖1)。

由圖1可知，2016至2018年水稻種植面積基本穩(wěn)定，但2019年水稻種植面積為2 969.4萬hm2，同比降低了1.64%，同時產(chǎn)量同比減少了252萬t，降低了1.19%，主要是因為東北地區(qū)減少了部分井灌稻的面積，且中央財政對東北地區(qū)的大豆生產(chǎn)者補貼達170多億元，導至東北地區(qū)“水改旱”增加，同時擴大了休耕面積。2020年水稻種植面積為 3 007.6萬hm2，約占全年糧食種植面積的25.8%，同比增加38.2萬hm2，增幅1.29%，主要得益于國家支持恢復雙季稻生產(chǎn)，總體上水稻種植面積和產(chǎn)量趨于穩(wěn)定。

隨著國民食品安全意識的提高，對優(yōu)質(zhì)、營養(yǎng)、無公害稻米的需求持續(xù)增加，有機水稻栽培技術(shù)逐漸開始推廣，其種植面積也逐年遞增。由圖2可知，2019年我國有機水稻種植面積達到39.2萬hm2，比2013年(18.4萬hm2)增加了20.8萬hm2，增幅高達113%?？梢姡覈袡C水稻有著巨大的發(fā)展空間，是當今及未來水稻生產(chǎn)的重要發(fā)展方向。

1.2 有機水稻覆膜栽培技術(shù)現(xiàn)狀

有機水稻覆膜栽培技術(shù)建立在機械移栽技術(shù)基礎之上，由水稻覆膜技術(shù)發(fā)展而來。水稻覆膜栽培技術(shù)在20世紀60年代由日本提出并進行了研究試驗，因該技術(shù)增溫、節(jié)水效果顯著，且操作簡單、易于被農(nóng)民接受，東北的遼寧等地在70—80年代引入該技術(shù)，至1999年累計推廣面積達170萬畝(1 hm2=15畝)[16-17]，但因當時機械化水平低，水稻覆膜技術(shù)推廣受到限制。隨著21世紀我國經(jīng)濟水平的發(fā)展，機械化程度不斷提高，有機水稻種植面積逐步擴大，將水稻覆膜技術(shù)逐步應用于有機水稻種植中，作業(yè)效果得到了有機水稻種植戶的認可。總結(jié)近年來我國有機水稻覆膜栽培技術(shù)的發(fā)展趨勢：(1)加快研究效率、自動化程度高的適用于有機水稻覆膜栽培技術(shù)的覆膜機具，解決人工覆膜勞動強度大、覆膜效率低和覆膜質(zhì)量差等問題。(2)重視可降解地膜技術(shù)研究，如塑料降解膜、生物降解膜等。(3)加快研究適用于有機水稻覆膜栽培技術(shù)的長效緩釋肥、控釋肥，解決水稻生長后期追肥難的問題。(4)根據(jù)不同地區(qū)、環(huán)境及土壤條件，因地制宜地應用有機水稻覆膜栽培技術(shù)。

1.3 有機水稻覆膜栽培的實施效應

國內(nèi)外研究表明，有機水稻覆膜栽培的實施效應主要體現(xiàn)在：

1.3.1 降低草害 水稻覆膜栽培通過在稻田表面覆蓋一層不透光地膜，使膜下區(qū)域空氣稀薄、空氣流通緩慢、氧氣含量少、膜內(nèi)溫度高，同時不透光地膜阻礙雜草進行光合作用，使雜草在膜下無法生長，從而達到較好的滅草效果[18-19]。Giaccone等對比研究了無雜草防治、施用除草劑和覆蓋生物降解膜3種雜草防治方法的效果，結(jié)果表明，覆蓋生物降解膜除草效果優(yōu)于施用除草劑的除草效果且雜草在降解膜開始退化后才得以生長[20]。沈陽農(nóng)業(yè)大學的任文濤等對紙膜覆蓋水稻栽培技術(shù)的節(jié)水、控草效果進行了研究，結(jié)果表明，紙膜覆蓋可減少水稗密度87.5%、稻稗密度83.8%、三棱草密度91.5%[21-22]。中國農(nóng)業(yè)大學的趙欣等對覆膜稻田的雜草多樣性進行研究，結(jié)果表明，馬齒莧、鴨舌草、擬金茅和四葉萍在覆地膜稻田不發(fā)生或偶有發(fā)生，其雜草密度顯著低于常規(guī)稻田[23]。趙文清對有機稻田采用稻糠稻作、紙膜覆蓋、稻田養(yǎng)鴨3種無公害除草技術(shù)進行對比試驗，結(jié)果表明，紙膜覆蓋除草效果最佳，可減少稗草90.5%、三棱草94.6%、闊葉草93.9%，綜合防效達93%[24]。牟雪蕾等通過水稻覆膜栽培技術(shù)與傳統(tǒng)種植方式對比，得出水稻覆膜栽培技術(shù)比傳統(tǒng)種植提前4～6 d完成分蘗，且對稗草和壓舌草的除草率達86%[25]。

1.3.2 降低病、蟲害 將地膜覆蓋在稻田后，稻田環(huán)境從高濕狀態(tài)變?yōu)闈駶櫊顟B(tài)，濕度降低，不利于病、蟲害的發(fā)生。劉振軍等通過水稻紙膜覆蓋對病、蟲害防治效果進行了初探，結(jié)果表明，稻田紙膜覆蓋技術(shù)對負泥蟲、潛葉蠅防控達80%左右[26]。

1.3.3 增加地溫、提高作物產(chǎn)量和收益 因地膜覆蓋在稻田表面，形成了溫室效應，在水稻前期使地溫提高3～5 ℃，增加了水稻根部的有效積溫，使有效分蘗增多，因而穗數(shù)較多，產(chǎn)量得到提高[27-28]。Jabran等通過地膜覆蓋對水稻生長和品質(zhì)的影響進行研究，結(jié)果表明，覆膜后可使水稻葉片面積、水稻籽粒質(zhì)量和生長速度明顯增加[29]。宋玉秋等通過降解膜覆蓋對水稻生產(chǎn)和產(chǎn)量進行研究，結(jié)果表明，覆膜栽培使水稻有效分蘗增多，增產(chǎn)效果明顯，增產(chǎn)率達16.18%[30]。胡國輝等通過2018、2019年大田試驗，研究生物可降解膜覆蓋對機插水稻氮肥利用率和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，與未覆膜對照組相比，覆膜水稻產(chǎn)量均有顯著提高，2年分別增產(chǎn)4.1%和6.1%，土壤日平均增溫2.76 ℃，且北方水稻種植效果優(yōu)于南方[31-32]。邢春秋等在濃江農(nóng)場以龍稻18為試驗材料，采用水稻超早育秧與生物降解地膜覆蓋對比的方式進行試驗，結(jié)果表明，覆膜機插稻田提高土壤溫度3～5 ℃，減少井灌水用量 2 068.5 m3/hm2，水稻增產(chǎn)9.96%，降低有機水稻除草成本9 750元/hm2，增加效益9 577.5元/hm2，可在北方寒地稻區(qū)推廣[33]。

1.3.4 降低水分蒸發(fā)，節(jié)約水資源 水稻覆膜移栽后至有效分蘗末期，因地膜可降低水分蒸發(fā)且采用淺水管理，因此降低了稻田灌水量達到節(jié)水的目的[34]。Jabran等研究了地膜在改善水稻節(jié)水方面的作用，結(jié)果表明，覆膜水稻比傳統(tǒng)種植水稻節(jié)水約為18%～27%[35]。任文濤等進行了紙膜覆蓋對水稻棵間蒸發(fā)量影響的試驗，結(jié)果表明，紙膜覆蓋對減少水稻棵間蒸發(fā)量具有顯著作用，顆間節(jié)水率為2.1%[36]。黃立華等采用田間試驗的方法對鹽堿地水稻覆膜栽培技術(shù)的節(jié)水潛力進行了初探，結(jié)果表明，覆膜栽培比常規(guī)種植節(jié)水17%且可促進水稻抽穗，提高穗粒數(shù)、結(jié)實率等[37]。中國農(nóng)業(yè)大學的金欣欣等對水稻覆膜栽培技術(shù)的節(jié)水特性和增產(chǎn)機制進行研究，結(jié)果表明，與淹水栽培相比，覆膜栽培技術(shù)全生長季總用水量降低了34.6%且覆膜栽培可顯著提高水稻的根長密度、根表面積密度和根干質(zhì)量，這些參數(shù)有助于提高水稻籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和抗倒伏性及抗病性[38-39]。

2 有機水稻覆膜栽培關(guān)鍵技術(shù)與機具現(xiàn)狀

在有機水稻覆膜栽培技術(shù)的實施過程中，作業(yè)效果主要受膜料的物理、化學特性和標準機械化作業(yè)3個因素影響，因此提高膜料特性和機械標準化作業(yè)，對推廣有機水稻覆膜栽培技術(shù)具有重大意義。本節(jié)首先對有機水稻覆膜栽培所用地膜進行概述，然后對水稻覆膜栽培機具研究進展進行綜述。

2.1 水稻栽培地膜的應用及研究進展

我國農(nóng)用地膜產(chǎn)量居世界首位，是其他所有國家總和的1.6倍，使用地膜覆蓋技術(shù)累計增產(chǎn)值達800億元以上[26]。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展和實際需要，農(nóng)用地膜向著多功能的方向發(fā)展，使其不僅具有保水、增溫等作用，還具有除草、防蟲、降解等功能。目前，我國農(nóng)用地膜種類繁多，按功能特點可分為通用地膜和特種地膜。通用地膜指采用聚乙烯或聚氯乙烯制備的具有保水、保溫功能的地膜。特種地膜指在通用地膜的基礎上還具備一些其他功能，如生物降解地膜(淀粉基地膜、紙狀地膜等)、可降解種膜、化學除草地膜、有色地膜、打孔地膜等[40]。其中水稻插秧覆膜時，可用的是普通(PE)地膜、淀粉基生物降解膜和紙狀降解膜，但普通地膜無法降解、難以回收且在土壤中殘留率高達42%以上，會破壞土壤結(jié)構(gòu)。因此，有機水稻覆膜作業(yè)時，主要使用淀粉基生物降解膜和紙狀降解膜進行覆膜作業(yè)。

紙狀降解膜在1991年由日本鳥取大學津野幸人教授提出并研制了再生紙膜，并應用于有機水稻進行除草，且證明了再生紙膜對雜草和紋枯病有抑制作用[41-42]。紙狀降解膜的原料主要由廢舊紙箱或木漿加入一定的淀粉質(zhì)糊漿組成，可自然降解、無污染、無殘留，紙膜浸水后緊貼在泥漿表面，不易被風刮起，但由于紙地膜的原材料成本過高，阻礙了推廣和應用。

隨著降解膜技術(shù)進一步發(fā)展，利用廉價的農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈作為原料既可以解決秸稈引起的環(huán)境問題，同時還可以提高秸稈的資源化利用，用后無需回收，在微生物作用下可完全降解為有機質(zhì)，利于改善土壤結(jié)構(gòu)。因此，秸稈纖維基地膜成為學者們的研究熱點。國外， 日本合田公一以苧麻纖維為原料制備可降解地膜，武川真美以麻和紙漿為基料制備麻地膜，荷蘭采用大麻纖維和淀粉合成可降解地膜[43]。國內(nèi)，劉陶等將棉、秸稈纖維、亞麻與絲纖進行混合，實現(xiàn)了可降解非織造地膜的研究[44]。中國農(nóng)業(yè)科學院研制苧麻、紅麻、黃麻纖維地膜，并對降解后的土壤性質(zhì)和產(chǎn)量進行了研究[45]。2011年韓永俊等對水稻秸稈纖維制取地膜的工藝參數(shù)進行了探討和優(yōu)化，得到了利用水稻秸稈纖維制取地膜的最優(yōu)組合參數(shù)[46]。袁巧時等對玉米秸稈纖維制造可降解地膜工藝及參數(shù)進行探索和優(yōu)化，得到利用玉米秸稈纖維制取地膜的最優(yōu)組合參數(shù)[47]。2012、2013年李麗霞等對大豆秸稈纖維的制備工藝和參數(shù)進行優(yōu)化，得到了利用大豆秸稈纖維制備地膜的最優(yōu)組合參數(shù)[43，48]。2015年陳海濤等以廢舊棉為主，水稻秸稈纖維為填充輔料，對廢舊棉與水稻秸稈纖維混合地膜的制造工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得到廢舊棉與水稻秸稈纖維混合制備地膜的最佳工藝參數(shù)組合，隨后其研究團隊針對水稻秸稈纖維地膜增溫效果差等問題，探索了水稻秸稈纖維基綠色地膜制造工藝及參數(shù)，得到了制備水稻秸稈纖維基綠色地膜最優(yōu)參數(shù)組合且改善了地膜增溫、保溫等性能，為水稻秸稈纖維地膜的推廣應用奠定了基礎[49-50]。2017年劉環(huán)宇等對植物纖維地膜抗張強度的預測進行研究，通過PSO-SVR建立了植物纖維地膜抗張強度預測模型，為植物纖維地膜抗張強度預測提供參考依據(jù)[51]。與此同時，聶強等采用秸稈纖維地膜覆蓋地表進行水稻培育試驗，結(jié)果表明，抑草效果顯著，采用秸稈纖維基地膜栽培的水稻比未覆膜水稻返青期、分蘗期提前3 d，成熟期提前4 d左右，增產(chǎn)9.1%，秸稈纖維基地膜在40～45 d 左右開始自然降解[52-54]。張鴻超探究了秸稈纖維基地膜覆蓋對土壤養(yǎng)分變化和作物覆蓋栽培性能的影響，結(jié)果表明，秸稈纖維基地膜覆蓋可緩慢增加土壤溫度，降低土壤pH值，與未覆膜地塊對比雜草減少92.41%[55]。有機水稻常用可降解地膜對比具體如表1所示。

表1 有機水稻常用可降解地膜參數(shù)對比

由表1對比分析可知，淀粉基生物降解膜每卷鋪設面積大，減少了田間換膜次數(shù)，耕層溫度提升明顯，價格較秸稈纖維基降解膜略低，機械覆膜效果優(yōu)于秸稈纖維基地膜，但淀粉基生物降解膜會有少量地膜殘留在土壤中，降解時間達3年之久，不利于有機水稻栽培，且除草效果不如秸稈纖維降解膜。因此，利用秸稈纖維基降解膜栽培有機水稻具有顯著優(yōu)勢，同時可為農(nóng)作物秸稈的綜合利用提供新的解決途徑。

2.2 水稻覆膜機具關(guān)鍵部件及研究進展

水稻覆膜栽培可分為人工覆膜和機械覆膜2種。人工覆膜插秧時需多人先將膜料于田間展開，在鋪設的同時戳破膜料將秧苗栽入泥漿中，詳見圖3。此種方式需在水田中往返穿行，致使水田表面凹凸不平，不利于秧苗生長，且覆膜除草效果不佳、勞動強度大、作業(yè)效率低，生產(chǎn)成本高昂，不利于有機水稻覆膜栽培技術(shù)的推廣與應用。因此，水稻覆膜機械化是實現(xiàn)高質(zhì)、高效覆膜栽培技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

機械覆膜按動力源可分為人力牽引式與機械牽引式。人力牽引式覆膜機于1998年研制成功，如圖4所示，采用滑板型結(jié)構(gòu)，人工牽引拖繩實現(xiàn)覆膜作業(yè)，具有彈性鎮(zhèn)壓輥，作業(yè)時使膜料緊貼土壤，鋪設效果較好，工作效率為90 min/1 000 m2，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但功能單一、人工牽引機具勞動強度大、效率低，不適用于大面積作業(yè)。

機械牽引式水稻覆膜機主要由拖拉機牽引或懸掛于插秧機上，降低了勞動強度，提高了作業(yè)效率，標準化作業(yè)程度高，易于達到有機水稻覆膜栽培技術(shù)的作業(yè)要求，且多數(shù)覆膜機具可在覆膜作業(yè)的同時進行插秧、鎮(zhèn)壓等復合作業(yè)。國外，日本對水稻覆膜機具的研究較多[56]，2000年日本作物研發(fā)部機械化研究室龜井正弘、美岡邦彥等研發(fā)了自走式覆膜機，其結(jié)構(gòu)與人力牽引式覆膜機相似，將雪橇部分由壓膜板及車輪代替，同時采用動力驅(qū)動，具備鎮(zhèn)壓輪、壓邊輪、地膜支撐桿、地膜導向輥、劃線器等裝置。自走式覆膜機如圖5-a所示，作業(yè)幅寬5行，作業(yè)效率60～110 min/1 000 m2，但該機具只適用于小規(guī)模水田，且覆膜時直線度差，轉(zhuǎn)彎不靈活，陷車的情況時有發(fā)生。因此，研究人員將覆膜裝置改裝后掛接在4行乘坐式水田插秧機上(圖5-b)，提高了覆膜時的直線度，進一步降低了勞動強度，但覆膜作業(yè)與插秧作業(yè)不能同時進行。

我國對水田覆膜機具的研究較晚，但近年研究較多、進展較快。2012年吉林農(nóng)業(yè)大學的張玉良研制了由拖拉機牽引的水稻自動覆膜裝置[57-58]，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

可鋪設塑料地膜主要由開溝器、覆膜輥、壓膜輥、打孔椎體輥和限位板等組成，可實現(xiàn)整地、覆膜、壓實、打孔和覆土壓膜等功能聯(lián)合作業(yè)，最終達到覆膜平整，膜與地表無較大空隙，預開插秧孔合理等水稻覆膜栽培作業(yè)要求。田間試驗結(jié)果表明，覆膜效果良好，與人工覆膜對比每畝可提高效率約92.89%。但使用此覆膜機進行覆膜作業(yè)，后期仍需人工插秧，沒有將覆膜與插秧作業(yè)相結(jié)合，且由于拖拉機牽引，換行作業(yè)時畦端處會有一定長度不能覆膜，須人工進行覆膜，整體效率較低。2017年田佳航等根據(jù)洋馬高速插秧機及秧苗插值運動特點，研制了適用于鋪設塑料地膜的水稻機械覆膜裝置[59-62]，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

由插秧機提供動力，將其安裝在插秧機行走與栽植部之間，具有覆膜、展膜、壓膜、打孔、壓邊、扶泥等功能。作業(yè)時掛膜輥旋轉(zhuǎn)提供膜料，在展膜輥的作用下，使膜料完全展開，由壓膜輥進行鎮(zhèn)壓，隨后打孔機構(gòu)與插秧機構(gòu)同時作業(yè)，最后由壓邊輪將膜料邊緣壓入泥漿中。試驗表明，覆膜作業(yè)效果好，作業(yè)效率高，打孔機構(gòu)與分插機構(gòu)運動軌跡同步，滿足水稻覆膜栽培技術(shù)要求。

2014年東北農(nóng)業(yè)大學張子浩基于農(nóng)機與農(nóng)藝的技術(shù)要求，結(jié)合水稻種植的農(nóng)藝要求和京田 RGO-6 乘坐式水稻插秧機結(jié)構(gòu)特點，采用理論分析、仿真分析等方法，研制了一種鋪設秸稈纖維基地膜的水田覆膜機[56]。其安裝在插秧機行走部分和插秧部分之間，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

作業(yè)時可同步完成插秧和覆膜作業(yè)，主要由掛膜架、主機架、展膜輥、壓膜輥、壓邊輪、扶土板、擋泥板組成，其關(guān)鍵部件掛膜架應用ANSYS進行有限元靜力學分析和模態(tài)分析，結(jié)果表明，掛膜架承受最大應力小于材料的最大許用應力，滿足強度及使用要求。壓膜輥采用雙排分段式設計，可對膜料起到二次鎮(zhèn)壓的效果。但所設計的分插機構(gòu)式同步開孔機構(gòu)作業(yè)時效果較差，因此，陳海濤等設計了一種同步膜上開孔裝置，應用ADAMS進行運動仿真，得到了秧針及縱向開孔刀關(guān)鍵點的運動軌跡，采用正交試驗方法，得到了開孔刀的最優(yōu)參數(shù)組合，作業(yè)時開膜孔合格率達92%以上，滿足開孔作業(yè)要求，但因縱向和橫向開孔刀集中在秧針和推秧器上，取秧時傷秧率較高[63]。

針對機械水稻覆膜插秧作業(yè)時，分插機構(gòu)易造成秧苗根系損傷、開孔與插秧不同步等問題。許春林等根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和工作原理，設計了一體式的水稻膜上插秧的栽植臂機構(gòu)[64-65]，具體如圖9所示。建立了分插機構(gòu)的運動模型，基于Visual Basic6.0軟件開發(fā)了分析優(yōu)化軟件，通過三維仿真與高速攝像對比得出，分插機構(gòu)可完成膜上開孔與栽植動作，作業(yè)中開孔與栽植位置偏差均小于4 mm，符合設計與使用要求。

2015年黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院于磊等針對利用秸稈纖維基地膜和生物降解膜覆蓋作業(yè)，設計了水稻覆膜高速插秧機[66-67]，結(jié)構(gòu)示意如圖10所示。同樣將覆膜機構(gòu)掛接在插秧機后輪與栽植部件之間，主要由覆膜輥、壓膜輥、托膜架、切膜刀和壓膜邊輥等部件組成，具有放膜、鋪膜、壓膜、封邊等功能。覆膜機長×寬×高為1 165 mm×2 160 mm×660 mm，作業(yè)幅寬1.8 m，經(jīng)田間試驗驗證，作業(yè)效果較好，能夠基本完成覆膜作業(yè)。高靜華等針對壓膜輥壓膜不平整、覆膜不均勻等問題，研制了適用于水稻覆膜插秧機的分段式壓膜輥裝置，由懸掛系統(tǒng)、覆膜裝置、膜箱、托膜架、分段覆膜組、壓實輪、調(diào)節(jié)控制桿等組成，試驗結(jié)果表明該裝置提高了覆膜效率，降低了故障率，解決了覆膜不均勻的問題[68]。

2018年哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所吳家安等為配套有機水稻覆膜栽培機械化作業(yè)，根據(jù)其農(nóng)藝要求、秸稈纖維基地膜和淀粉基生物降解膜物理特性，再綜合多種水田覆膜機械特點的基礎上研制了2ZM-6型有機水稻高速覆膜插秧聯(lián)合作業(yè)機具[69]，具體如圖11所示。

該機具掛接在插秧機行走系統(tǒng)和栽植部之間，可鋪設淀粉基生物降解膜和秸稈纖維基地膜2種地膜，覆膜作業(yè)與插秧作業(yè)同步進行，可連續(xù)完成覆膜、壓膜、插秧、封邊、斷膜等功能，且為了防止秧針堵塞，設計了秧針防堵裝置，以保證取秧順暢，實現(xiàn)了有機水稻覆膜栽培技術(shù)的機械化聯(lián)合作業(yè)。田間試驗結(jié)果表明，漂秧率≤10%、覆膜平整度≥98%、切膜刀斷膜率≥95%、漏插率≤8%、作業(yè)效率 0.2 hm2/h，試驗效果見圖12-a、圖12-b。

此外，該團隊為了提高覆膜機具的通用性和田間適應能力，研究并設計了通用機架和水田地面被動仿形系統(tǒng)，可與久保田、洋馬等高速插秧機掛接并保證插秧深度均勻一致。同時，針對有機水稻覆膜栽培技術(shù)的作業(yè)需求，開發(fā)了全覆蓋地膜版 2ZM-6Ⅰ 型覆膜機，作業(yè)后行間不空膜，地表全部覆蓋地膜，除草效果更佳，但后期補秧較困難。

總體上，我國在有機水稻覆膜栽培技術(shù)中對覆膜機具的研究較少，亟需加強相關(guān)機具研究，提高覆膜質(zhì)量和工作效率，降低對人工的依賴，解決人工覆膜耗時長、勞動強度大、生產(chǎn)成本高等問題，是實現(xiàn)有機水稻覆膜栽培技術(shù)大面積推廣與應用的重要因素。

3 展望

結(jié)合多年有機水稻覆膜栽培技術(shù)研究基礎，提出未來研究重點，以充分發(fā)揮水稻覆膜栽培技術(shù)優(yōu)勢，彌補當前的技術(shù)及裝備不足?；诂F(xiàn)有技術(shù)以及未來發(fā)展需求，我國水稻覆膜栽培技術(shù)及機具將主要向以下方向發(fā)展。

3.1 農(nóng)藝與農(nóng)機緊密結(jié)合，形成因地適宜的有機水稻覆膜栽培技術(shù)體系

我國耕作制度與農(nóng)藝要求復雜多變，種植習慣、生產(chǎn)條件的多樣性，決定了水稻覆膜栽培技術(shù)模式的復雜與多樣。因此，應結(jié)合地域條件因地適宜確立各區(qū)域的水稻覆膜栽培技術(shù)體系，充分發(fā)揮保水、除草、增產(chǎn)、節(jié)本增收的優(yōu)勢。但覆膜栽培技術(shù)對水稻增產(chǎn)和增溫的效果，目前尚無統(tǒng)一結(jié)論，有的研究結(jié)果顯示，水稻覆膜栽培技術(shù)提高了地溫，增加了結(jié)實穗數(shù)，增產(chǎn)效果明顯，而有的研究結(jié)果表明，水稻覆膜后籽粒產(chǎn)量明顯或略低于常規(guī)水淹栽培，增溫效果不明顯。這可能與試驗地點地膜種類、土壤環(huán)境、氣候環(huán)境以及灌溉水層時間有關(guān)，需重點進行研究驗證。因此，必須結(jié)合不同地區(qū)情況，對有機水稻覆膜栽培農(nóng)藝要求進行適當調(diào)整，緊密聯(lián)系實際需求，進一步加強水田覆膜機具的設計與優(yōu)化。綜上所述，進一步推進水稻覆膜栽培模式下農(nóng)機與農(nóng)藝協(xié)調(diào)發(fā)展、相互適應，是提高水稻覆膜栽培技術(shù)綜合效益的基礎。

3.2 深入研究植物纖維基地膜物理、化學特性與制備工藝優(yōu)化

國內(nèi)雖然在植物纖維地膜的制備工藝和裝置研發(fā)方面展開了相關(guān)研究，但是對膜料特性和制備工藝優(yōu)化等方面的研究有待于進一步系統(tǒng)完善。(1)優(yōu)化植物纖維基降解膜制備工藝。在植物纖維降解膜抄造過程中，會產(chǎn)生廢水、廢渣等，直接排放會對生態(tài)環(huán)境造成二次污染，應對廢棄物進行回收再利用、制肥等，后續(xù)還有待于研究。(2)降低植物纖維膜生產(chǎn)成本。由于制備植物纖維降解膜的材料和制備成本較高，導致植物纖維降解膜普遍高于其他降解地膜。因此，需改進植物纖維基降解材料的合成技術(shù)或政府給予一定補貼，降低農(nóng)戶使用成本。(3)改善植物纖維基降解膜物理、化學特性。植物纖維基降解膜在使用過程中存在韌性較低、厚度較大、耐水性能差、缺口撕裂強度差、回潮率高、降解速度過快、增溫效果不明顯等問題，須改善其物理、化學特性。(4)根據(jù)不同地域，因地適宜地調(diào)整植物纖維降解膜性能。我國地域遼闊，植物纖維基降解膜需根據(jù)不同地域氣候、土壤環(huán)境，滿足不同季水稻的保溫、保墑期要求，調(diào)整植物纖維基降解膜的性能，如降解天數(shù)、膜料厚度等。

3.3 提高水稻覆膜機具的通用性并加強關(guān)鍵部件的理論研究

利用水稻覆膜機具實施水稻覆膜栽培作業(yè)的過程中，涉及多個作業(yè)環(huán)節(jié)。為保證插秧覆膜質(zhì)量、提高機具聯(lián)合作業(yè)能力及通用化程度，應加強關(guān)鍵部件的理論研究并提升覆膜機具適用范圍。(1)加強覆膜機具浮動裝置和同步預開孔裝置的理論研究。水稻覆膜機具作業(yè)時浮動仿形裝置可使覆膜機具隨地表進行仿形，提高覆膜機具作業(yè)能力，但鮮有報道相關(guān)研究且浮動仿形機制、本構(gòu)特征、運動軌跡等理論還需進一步研究。覆膜機具的同步預開孔裝置，可在插秧作業(yè)前在地膜上開孔，使秧苗順利栽入泥漿中，降低了傷苗率和漏插率，國內(nèi)對地膜預開孔裝置雖有一定的理論基礎，但應用實際作業(yè)的較少。(2)重視秧針防堵裝置的研究。在水稻覆膜機具作業(yè)時，因水稻覆膜栽培技術(shù)在覆膜時須保持田間為寸水狀態(tài)，導致秧針易被泥土堵塞，取秧不暢。因此，應重視秧針防堵裝置的研究。(3)加快研究適用于水稻缽體苗插秧機的覆膜機具。因缽體苗插秧機不傷根、不傷苗、無返青期、秧齡彈性大、增產(chǎn)效果顯著，是未來水稻栽植機械化技術(shù)研究的重點，而與其配套的覆膜機具卻鮮有相關(guān)研究和報道。因此，應加快對缽體苗覆膜插秧機的研制。(4)研制可配套側(cè)深施肥插秧機的水稻覆膜機具。側(cè)深施肥插秧機可降低肥料使用量，同時提高肥料利用率，且在黑龍江等地區(qū)也在加大側(cè)深施肥插秧機的推廣。因此，應研制與其配套的覆膜機具，提高機具適用性。目前，水稻高速覆膜插秧聯(lián)合作業(yè)機具的標準化、系列化、通用化程度較低，機具的適應性有待提高。應針對不同區(qū)域土壤特性、品種類別以及技術(shù)需求的差異，進一步完善水稻覆膜作業(yè)相關(guān)基礎理論，優(yōu)化改進機具關(guān)鍵部件與結(jié)構(gòu)，集成先進技術(shù)，提高覆膜機具的適應性和可靠性，逐步研制與區(qū)域多樣性相適應的核心部件與機具將是下一步研究的重點。

3.4 提高水稻覆膜機具自動化、智能化水平

為適應現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展和不同有機稻區(qū)的需求，水稻覆膜機具向著多功能、自動化、智能化的方向發(fā)展，如自動抻膜、自動斷膜、自動導航、作業(yè)信息采集、集成側(cè)身施肥功能等。

4 結(jié)束語

以水稻覆膜插秧機械化為基礎的水稻覆膜栽培技術(shù)，在提升大米品質(zhì)的同時，能夠降低化學農(nóng)藥的使用，降低用水量，提高農(nóng)戶收入；發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時，可保護生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)生態(tài)文明建設；保證當前優(yōu)質(zhì)大米有效供給的同時，提高土壤有機質(zhì)含量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

提升對水稻覆膜機具的創(chuàng)新能力，是水稻覆膜栽培技術(shù)發(fā)展的支撐。加強水稻覆膜栽培技術(shù)基礎研究和技術(shù)儲備水平是水稻覆膜栽培技術(shù)發(fā)展的保障。推進水稻覆膜栽培模式下農(nóng)機與農(nóng)藝深度融合，重點探索與各地區(qū)種植方式、土壤性狀相結(jié)合的水稻覆膜栽培技術(shù)及機具。逐步形成科學合理的覆膜栽培技術(shù)體系，是實現(xiàn)有機水稻覆膜栽培優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)、增產(chǎn)增收的必然選擇。