西北雨養(yǎng)區(qū)全膜雙壟溝播技術與配套機具研究進展分析

戴 飛 趙武云 張鋒偉 馬海軍 辛尚龍 馬明義

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院， 蘭州 730070； 2.甘肅洮河拖拉機制造有限公司， 定西 730500；3.甘肅省農(nóng)用動力機械工程技術研究中心， 定西 730500)

0 引言

水資源短缺、作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)是世界旱地農(nóng)業(yè)面臨的共同難題。在黃土高原為典型代表的中國雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年降雨量在300～550 mm之間，降雨時空分布相對不均，與作物需水期之間出現(xiàn)嚴重供需錯位，是制約該地區(qū)糧食生產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展的主要因素[1-2]。如何充分、高效利用天然降雨，確保糧食生產(chǎn)安全和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性是長期以來難以破解的理論難題和實踐難題，解決問題的關鍵途徑是研發(fā)和推廣高效、低廉的旱作栽培技術[3]。根據(jù)農(nóng)業(yè)部《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃(2016—2020年)》的有關要求，西北地區(qū)應穩(wěn)夏優(yōu)秋，以推廣覆膜技術為載體，順應天時、趨利避害，穩(wěn)定小麥等夏熟作物，積極發(fā)展馬鈴薯、春小麥、雜糧雜豆，因地制宜發(fā)展青貯玉米、苜蓿、飼用油菜、飼用燕麥等飼草作物。過去的30年里，田間微集雨技術逐漸發(fā)展成為黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的主要耕作技術。自20世紀80年代以來，不同田間微集雨及覆蓋(地膜、砂石和秸稈)栽培技術在西北旱區(qū)不斷更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了壟溝無覆蓋技術、平地覆蓋技術、壟溝半覆蓋技術和壟溝全覆蓋技術等研究與發(fā)展過程，特別是全膜覆蓋雙壟溝播技術的大面積推廣和應用，為西北旱區(qū)糧食單產(chǎn)大幅度提高、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供了強大的技術支撐[3-6]。

在黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，多年高強度的耕作、降水時空分布不均衡導致土壤肥力衰退，土地承載力下降，全膜雙壟溝播技術在一定程度上改善了旱作農(nóng)田土壤水分環(huán)境與增產(chǎn)節(jié)水的需求，在旱地農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中發(fā)揮著至關重要的作用[7-8]。近年來，隨著全膜雙壟溝播技術在西北旱區(qū)推廣應用面積的不斷增大，實現(xiàn)全膜雙壟溝播全程機械化作業(yè)已成為必然趨勢，推廣生產(chǎn)全程機械化作業(yè)技術將是推進現(xiàn)代旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展進程的重要舉措。因此，本文在分析全膜雙壟溝播技術各生產(chǎn)環(huán)節(jié)概況的基礎上，闡述歸納起壟覆膜、膜上播種、殘膜回收、機械化收獲等主要技術與機具的研究進展及存在問題，分析各項技術相關原理、作業(yè)特點及配套典型機具，并展望全膜雙壟溝播技術的發(fā)展趨勢。

1 全膜雙壟溝播技術概況

1.1 全膜雙壟溝播技術應用面積

“蓄住天上水、保住地里熵”，全膜覆蓋雙壟溝播技術是近年來我國西北旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項突破性技術(如圖1所示)，是針對玉米、馬鈴薯種植提出的，能很好適應大豆、高粱、胡麻及特色雜糧作物高密度種植[9-15]。生產(chǎn)實踐證明，全膜覆蓋雙壟溝播技術比普通地膜覆蓋栽培單產(chǎn)增幅超過近30%[16-17]，使得該項農(nóng)藝技術近年來的推廣應用面積一直在穩(wěn)步上升。

圖1 玉米全膜雙壟溝播栽培技術示意圖Fig.1 Technical diagram of corn furrow sowing with whole plastic-film mulching on double ridges1.中心覆膜土帶(兩幅地膜接縫處) 2.壟溝覆土帶(播種株距控制在300～400 mm) 3.小壟壟體 4.溝播作物 5.覆土橫腰帶(防止大風揭膜，攔截降雨徑流) 6.大壟壟體 7.覆蓋地膜(厚度大于等于0.01 mm)

自2003年至今，西北旱區(qū)全膜覆蓋雙壟溝播技術的推廣應用面積逐年增加，2017年僅甘肅省示范推廣面積就達到1.07×106hm2以上，寧夏回族自治區(qū)示范推廣面積超過1.3×105hm2，陜北地區(qū)(榆林、延安)示范推廣面積超過5.6×104hm2，同時在青海省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等地皆進行了較大面積應用[18-19]，并嘗試在巴基斯坦、肯尼亞等國家半干旱地區(qū)進行相關栽培系統(tǒng)生產(chǎn)能力實驗[20]。目前，甘肅省是西北地區(qū)全膜雙壟溝播技術應用面積最大的省份，根據(jù)甘肅省農(nóng)業(yè)技術推廣總站統(tǒng)計，近10年來每年的平均推廣面積保持在8.87×105hm2以上；其中，從2014年開始每年的應用面積均超過1.0×106hm2，如圖2所示。

圖2 甘肅省近10年全膜雙壟溝播技術應用面積Fig.2 Application area of furrow sowing with whole plastic-film mulching on double ridges technology in Gansu Province in recent 10 years

1.2 全膜雙壟溝播技術實施效應

推廣應用全膜雙壟溝播技術是西北旱區(qū)實現(xiàn)高效節(jié)水、作物增產(chǎn)的關鍵措施與重要途徑。全膜雙壟溝播技術集覆蓋抑蒸、膜面集雨、壟溝種植功能于一體，應用覆膜雙壟產(chǎn)流、溝內(nèi)集流原理，最大限度保蓄自然降水，使農(nóng)田地面蒸發(fā)降到最低，特別是將小于5 mm的無效自然降水轉(zhuǎn)化為有效水分貯存于土壤并集中入滲于作物根部，使得平均集水效率達到90%以上；且從時間和空間上緩解了西北旱區(qū)作物需水期與雨水供給期的錯位，確保在干旱和正常年份均能顯著提高水分利用效率[21-23]。同時大小雙壟覆膜種床增加了地膜有效采光面積，解決了西部干旱地區(qū)溫度供需矛盾，在保證作物產(chǎn)量穩(wěn)定性的基礎上進一步提升水熱運移效應，最終實現(xiàn)集雨、保墑、抗旱、增產(chǎn)功效[24]。目前，不同地區(qū)針對不同的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境及作物形成了與全膜雙壟溝播技術相適宜的耕作栽培技術模式，如表1所示。

表1 全膜雙壟溝播典型技術模式Tab.1 Typical technical pattern of furrow sowing with whole plastic-film mulching on double ridges

2 全膜雙壟溝播技術與機具現(xiàn)狀

全膜雙壟溝播技術實施時需要先完成大小雙壟種床起壟、覆膜-覆土，隨后在小壟壟溝內(nèi)實現(xiàn)播種；同時，待種植作物成熟后進行機械化收獲，并在后期開展殘膜回收作業(yè)。其中，雙壟覆膜種床構(gòu)建質(zhì)量是保障全膜雙壟溝播技術的基礎，覆膜-覆土質(zhì)量的穩(wěn)定性與可靠性直接關系到全膜雙壟溝播實施效應[28]；膜上播種作業(yè)是引起種床膜面失效與產(chǎn)量效應的關鍵技術，因此緩解成穴器撕膜挑膜現(xiàn)象是順利實施機械化溝播的前提[29]；融合該農(nóng)藝技術的機械化收獲是提高收割過程對行、玉米籽粒損失率低所采取的有效措施[30]；而殘膜回收則是維護全膜雙壟溝播技術可持續(xù)推廣應用的重要保障[31]。

2.1 起壟覆膜技術與機具

“覆蓋抑蒸、膜面集雨”是全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術的重要功能，主要依靠起壟、覆膜-覆土關鍵作業(yè)環(huán)節(jié)實現(xiàn)，是挖掘降水利用潛力和創(chuàng)建高產(chǎn)田的有效途徑[32-34]。首先溝壟集雨種植建立的壟溝產(chǎn)流、集水、蓄墑系統(tǒng)，改善了土壤水分生態(tài)環(huán)境，能夠使降水通過壟面產(chǎn)生的徑流首先抵達溝側(cè)，然后通過側(cè)滲逐漸向溝中央?yún)R集，并同時向壟下擴滲，同時通過重力作用向深層土壤下滲，使降雨得到有效蓄存，在農(nóng)田內(nèi)部實現(xiàn)作物在時空上對水分的有效調(diào)控利用，提升旱作區(qū)作物的生產(chǎn)能力[35-36]。全膜雙壟溝起壟、覆膜-覆土環(huán)節(jié)農(nóng)藝要求較為特殊和復雜[37]，首先需構(gòu)建大壟壟體(結(jié)構(gòu)為寬700 mm、高100～150 mm)與小壟壟體(結(jié)構(gòu)為寬400 mm、高150～200 mm)相間的異形壟體覆膜種床；其次以小壟壟體為中心基準，鋪設寬度為1 200 mm的白(黑)色地膜(厚度為0.01 mm)，即用整幅地膜覆蓋小壟整體及其兩側(cè)壟溝，且分別均等向兩側(cè)各1/2大壟壟體延伸進行覆膜作業(yè)，并同時完成兩側(cè)膜邊、壟溝內(nèi)的覆土鎮(zhèn)壓。當下一組小壟壟體覆膜作業(yè)時，其左側(cè)1/2大壟壟體覆土膜邊正好與上一組右側(cè)大壟壟體覆土膜邊對接，并在中心覆膜土帶的連接下完成大壟壟體的全膜覆蓋，整幅地膜所覆蓋雙壟底部總體寬度約為1 100 mm，覆蓋經(jīng)歷了由壟到溝、沿溝至壟的雙重跨越[38-40]。

針對上述雙壟覆膜種床構(gòu)建的特殊要求，按照應用配套動力與作業(yè)形式，全膜雙壟溝起壟覆膜機主要分為簡易式起壟覆膜機和聯(lián)合作業(yè)式起壟覆膜機2種。其中，簡易式起壟覆膜機掛接動力要求低，沒有旋耕整地功能，覆土作業(yè)主要依靠犁鏵曲面翻土完成，適宜于小地塊作業(yè)；而聯(lián)合作業(yè)起壟覆膜機能夠一次性完成整地、起壟、覆膜、覆土、噴藥等多項工序，機械化程度高，適宜于較大的平整地塊作業(yè)。部分典型的全膜雙壟溝起壟覆膜機具如表2所示。

表2 全膜雙壟溝起壟覆膜典型機具Tab.2 Typical machines for ridging and plastic-film mulching with whole plastic-film mulching on double ridges

地膜覆蓋農(nóng)機裝備的研發(fā)主要結(jié)合不同地域氣候條件、種植作物品種、農(nóng)作制及其農(nóng)藝要求等進行配套設計，在作業(yè)機理與動力消耗方面存在較大差異。國外對于作物覆膜機械化栽培技術研究相對成熟，早在20世紀90年代末已有相關的作業(yè)機具出現(xiàn)[46]。其中，意大利、美國、以色列、日本等發(fā)達國家覆膜機械的工作性能可靠且一體化程度高，如法拉利FPC型全自動移栽機、雷納多RTME1100型移栽機等攜有適宜于蔬菜、水果、煙草等相關種床覆膜與膜上栽培的關鍵機構(gòu)與部件，能夠完成平作寬幅覆膜與膜上移栽，聯(lián)合作業(yè)所需的動力較大[47]。近年來，由于國外發(fā)達國家免耕技術與保護性耕作技術的大力推廣，有關覆膜栽培種植模式與裝備研究相對較少，大田地膜覆蓋推廣應用面積小[48-49]，使得覆膜機械及裝置主要應用于溫室栽培與設施農(nóng)業(yè)，其覆膜-覆土機構(gòu)所面臨的作業(yè)地況與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件良好，采用地膜厚度均在0.012～0.020 mm之間，在鋪設過程中不易出現(xiàn)機械損傷；且主要為抑制種床雜草生長、提高作物出苗積溫與種床地溫，其種床構(gòu)建以覆膜平作為主導，覆蓋地膜主要在苗期回收，因此，對于覆膜種床鋪設作業(yè)質(zhì)量更多關注其膜面的平整一致性[50-51]。國內(nèi)地膜覆蓋農(nóng)機裝備的研發(fā)、應用與國外有所不同，在充分考慮抑制雜草和采光增溫的前提下，還需兼顧覆膜種床膜面集雨(蓄水)與覆蓋抑蒸(保墑)功能，目前主要開展了有關棉花、水稻、花生、馬鈴薯、玉米等作物的覆膜種植與移栽裝備研究[52-58]。異形雙壟起壟覆膜技術是全膜雙壟溝播技術的重要組成部分，傳統(tǒng)起壟、覆膜-覆土機構(gòu)目前主要存在農(nóng)藝農(nóng)機不融合，雙壟壟體耕作成型、覆膜-覆土質(zhì)量低，覆膜種床攔截降雨徑流效果不理想等問題，相關學者針對這些問題開展了研究。為降低采光面地膜機械破損率，應用響應曲面法、正交試驗分別對雙壟耕作施肥噴藥覆膜機、1MLQS-40/70型起壟全鋪膜聯(lián)合作業(yè)機工作參數(shù)進行優(yōu)化[25,39]；為提高全膜雙壟溝機械化覆土作業(yè)過程研究的準確性，對全膜雙壟溝覆膜土壤離散元接觸參數(shù)進行仿真標定[38]；為解決全膜雙壟溝種植馬鈴薯模式膜上覆土量不足造成的風力破壞、穴孔錯位、燒苗等問題，設計一種適用于全膜覆蓋鋪膜機的膜上覆土裝置與馬鈴薯施肥播種起壟全膜覆蓋種行覆土一體機[59-60]；為進一步提升全膜雙壟溝覆膜種床抗風揭膜能力，增強攔截降雨徑流效果，設計了橫腰帶覆土系統(tǒng)與鎮(zhèn)壓打孔裝置等[44]。

2.2 膜上精量播種技術與機具

覆膜壟溝膜上精量播種是全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術的關鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，成穴器與覆膜種床各部位的互作規(guī)律、播種質(zhì)量都將直接影響到全膜覆蓋雙壟種床生產(chǎn)系統(tǒng)的正常水熱運移與產(chǎn)量效應。同時，實現(xiàn)機械化膜上精量播種是大面積推廣全膜雙壟溝播技術的重要載體和必然選擇，將成為農(nóng)機裝備與全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術相融合的重要紐帶，是實現(xiàn)全膜雙壟溝大田作物生產(chǎn)全程機械化的關鍵環(huán)節(jié)之一[61]。同時，旱地全膜雙壟溝機械化技術要求相關播種機具作業(yè)時，除滿足常規(guī)播種性能指標參數(shù)外，還必須減少對鋪設地膜的損傷，且必須保證播種穴孔與膜孔無錯移現(xiàn)象發(fā)生，避免后續(xù)人工再次放苗，降低勞動作業(yè)強度，主要研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)成穴器近似垂直扎穴與復位的零速投種補償機構(gòu)以及成穴器強制開啟機構(gòu)，作業(yè)機輪胎適宜于覆膜壟溝行走且整機質(zhì)量輕簡化，以確保在播種作業(yè)過程中無撕膜挑膜、引起種床采光面地膜破損的現(xiàn)象出現(xiàn)，并在此基礎上應盡量提高播種作業(yè)效率。相關全膜雙壟溝膜上精量播種典型機具如表3所示。

在國外，近年來由于免耕技術與保護性耕作技術的大力推廣，以及精密播種技術的發(fā)展，美國、澳大利亞、俄羅斯、巴西、贊比亞等國家主要以研究免耕播種機為主[66-70]。我國對膜上播種機的研究起步于20世紀80年代，主要是以鏟式、舵輪式及滾輪式穴播機為研究對象。隨著農(nóng)業(yè)科學技術與手段的不斷創(chuàng)新，國內(nèi)學者更多側(cè)重于輪式穴播機相關精密播種技術的研究。其中，為實現(xiàn)內(nèi)置雙位投種、縮短投種距離，設計了一種內(nèi)置式雙位投種舵輪式穴播器[71]；通過正交試驗、回歸分析，確定了取種盤吸孔線速度和充種負壓對排種性能的影響規(guī)律及較優(yōu)工作參數(shù)組合[72]；應用力學分析計算與臺架試驗，采用高速攝像技術對改進型夾持式棉花穴播輪的工作過程進行分析，明確了輪體內(nèi)棉種的動態(tài)運動特性[73]；為實現(xiàn)全膜雙壟溝玉米精量播種，設計了一種適用于穴播輪的新型勺匙式取種器，得出影響勺匙式取種器性能的主要因素和臨界條件[74]；為研究鏟式玉米精密穴播機播種性能與農(nóng)田不平度激勵產(chǎn)生的振動間的關系，有學者推導了穩(wěn)態(tài)響應與理論粒距關系數(shù)學模型[75]。

為避免輪式穴播機作業(yè)過程中成穴器回轉(zhuǎn)余擺線引起的撕膜挑膜現(xiàn)象，我國于20世紀90年代初對直插式播種機開展研究，為適應少耕、免耕及地膜覆蓋播種作業(yè)要求，陳曉光等[76]最初提出并研究了直插式播種機基本工作原理與總體結(jié)構(gòu)形式。直至2018年相關科研人員分別采用平行四桿機構(gòu)軌道控制研制了直插式覆膜小麥穴播機[77]；結(jié)合凸輪-曲柄滑塊機構(gòu)設計了玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機；應用轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)與正弦機構(gòu)進行串聯(lián)，研發(fā)了直插式近等速補償機構(gòu)[26]；開發(fā)了由轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)驅(qū)動平行四桿機構(gòu)的直插式前進速度補償機構(gòu)[65]；研制了由共軛凸輪、強排-強啟排種器為核心工作部件的玉米直插穴播機等[78]。相關田間試驗表明設計的機具能有效減少覆膜種床擾動，緩解采光面機械破損，降低穴孔錯位率。

2.3 機械化收獲技術與機具

全膜雙壟溝播作物機械化收獲是實現(xiàn)其全過程機械化的最重要環(huán)節(jié)之一，目前主要集中于溝播玉米的機械化收獲研究方面。全膜雙壟溝異形雙壟覆膜種床尺寸不一致、種植行距不規(guī)則等問題，使得傳統(tǒng)多行玉米聯(lián)合收獲機無法實現(xiàn)對行收獲。同時，除了西北旱區(qū)地塊較小、農(nóng)藝技術不匹配無法使用大型機具外，盡量減少對種床覆蓋地膜的損傷、避免粉碎莖稈直接還田所帶來的后續(xù)殘膜回收困難也成了限制現(xiàn)有聯(lián)合作業(yè)機具推廣應用的主要原因。為確保作物收獲后雙壟覆膜種床上殘膜能夠及時被高效率、高凈度機械化回收，現(xiàn)有兩種相對成熟作業(yè)模式：針對小型種植地塊，先完成玉米果穗的收獲，隨后對田間滯留莖稈進行回收[79]；針對大型種植地塊，應用攜有穗莖兼收功能的聯(lián)合收獲機一次性完成玉米果穗的摘穗、輸送、剝皮、收集和莖稈的切斷、揉搓切碎、拋送、集車等作業(yè)工序[30]。相關全膜雙壟溝機械化玉米收獲典型機具如表4所示。

表3 全膜雙壟溝膜上精量播種典型機具Tab.3 Typical machines for precision sowing on film with whole plastic-film mulching on double ridges

國外發(fā)達國家對玉米聯(lián)合收獲機具的研究起步早，發(fā)展比較成熟，對玉米聯(lián)合收獲有較深入的研究，近年來，其主要朝著大型、大功率、寬割幅、大喂入量和智能化方向發(fā)展，然而國外玉米種植作業(yè)與中國北方旱區(qū)小地塊種植的方式不同，并且沒有進行覆膜種植，所以可做參考的研究相對有限[30,82]。中國大部分玉米聯(lián)合收獲機型同國外一樣，大都采用臥式摘穗輥裝置，對摘除玉米果穗的莖稈部分進行還田作業(yè)，這類機型不適用于小地塊且以鋪膜作業(yè)為主的收獲。2005年，山東理工大學相關學者提出了采用立式摘穗輥裝置的穗莖兼收型玉米聯(lián)合收獲機，通過生產(chǎn)試驗證明了該種收獲方式的可行性[83-84]。目前，國內(nèi)對穗莖兼收型玉米聯(lián)合收獲機具的研究比較多，出現(xiàn)了各種立式割輥類型的機型，重點對多棱立輥式摘穗裝置、立輥式玉米收獲機割臺間隙夾持輸送裝置進行了研究[85-86]，提出了玉米激振摘穗機理[87]。立輥式玉米摘穗技術是果穗在立輥作用下完成果穗收獲的一項技術，其特點是果穗摘下后能在重力作用下立即離開摘穗輥，從而防止籽粒的啃傷和啃落，大大減少果穗的收獲損失，具有結(jié)構(gòu)簡單、摘穗快等優(yōu)點[88-89]。但是針對旱地玉米全膜雙壟溝種植模式下的聯(lián)合收獲機械研究才開始嘗試，辛尚龍等[30]設計了全膜雙壟溝播玉米穗莖兼收對行聯(lián)合收獲機，目前仍處于進一步改進試制階段。因此，溝播作物機械化收獲屬于全膜雙壟溝播全程機械化相對薄弱的環(huán)節(jié)，也是未來機械化發(fā)展的主要方面。

表4 全膜雙壟溝機械化玉米收獲典型機具Tab.4 Typical machines for corn mechanized harvesting with whole plastic-film mulching on double ridges

2.4 殘膜回收技術與機具

近年來，隨著全膜雙壟溝播技術的大面積推廣，地膜投入和應用量不斷增加，待種植作物收獲后大量殘地膜在田間滯留的問題不容忽視，不但造成了嚴重的田間土壤污染與環(huán)境污染，惡化了全膜雙壟溝播農(nóng)藝技術的生態(tài)效應，限制了大規(guī)模推廣的持續(xù)性，而且制約了后續(xù)秸稈根茬還田與整地作業(yè)，最終影響了秋覆膜或來年頂凌覆膜工作的開展[90-91]。傳統(tǒng)的人工收膜，勞動強度大、生產(chǎn)率低，因此，推行機械化殘膜回收已成為必然趨勢。全膜雙壟溝殘膜回收分為秋季揭膜(前茬作物收獲后，10月中下旬)和頂凌揭膜(來年3月上中旬土壤消凍約15 cm時)兩種類型。受制于種床覆膜多條土帶鎮(zhèn)壓與壟溝內(nèi)連續(xù)大根茬固定的特殊農(nóng)藝要求，使得雙壟種床表面切膜起茬、“膜-土-根”復合體分離與殘膜回收質(zhì)量的穩(wěn)定性與可靠性成為影響全膜雙壟溝播技術產(chǎn)量效應的關鍵因素。因此，機械化殘膜高效回收作業(yè)過程是保障全膜雙壟溝播生產(chǎn)系統(tǒng)持續(xù)運轉(zhuǎn)的關鍵環(huán)節(jié)與核心組成。部分全膜雙壟溝殘膜回收典型機具如表5所示。

地膜回收機具的研發(fā)需要結(jié)合不同地域氣候條件、種植作物品種、鋪設地膜厚度、農(nóng)作制及其農(nóng)藝要求等進行配套設計，在作業(yè)機理與動力消耗方面存在較大差異[98-100]。國內(nèi)使用的地膜厚度較小(0.006～0.010 mm)，回收時地膜拉伸強度低、膜面破損嚴重，因此，國內(nèi)殘膜回收機械研究重點與國外有所不同，主要圍繞起膜、輸膜、脫膜、集膜等關鍵工作部件及膜雜分離機構(gòu)加以研究。目前主要開展了棉花、花生、馬鈴薯、玉米等作物收獲后田間地表、耕層的殘膜回收裝備研究；研究主要針對半膜覆土的種植模式，殘膜回收機相關切膜起茬主要由旋耕刀組(旋轉(zhuǎn)類)、開溝鏟、開溝圓盤(傾斜類)等觸土觸膜部件組成；膜雜分離機構(gòu)的設計形式多樣，采用偏心彈齒滾筒結(jié)構(gòu)、振動柵條與滾筒篩組合機構(gòu)、鏈篩式升運裝置、鏈扒驅(qū)動成排彈齒機構(gòu)等，可在配套單一或組合式機械-氣力脫膜、卸膜機構(gòu)的輔助作用下完成不同農(nóng)藝要求的殘膜回收作業(yè)[101-105]。針對國內(nèi)不同地域農(nóng)作制要求，高效撿膜、膜雜分離機理與高性能機構(gòu)研究已引起了農(nóng)機學者的廣泛關注。近期，陳學庚院士團隊針對耐候膜開發(fā)系列化殘膜回收裝備，研制出能夠隨動整片撿膜的鏈板式釘齒撿拾裝置和土壤、秸稈條帶側(cè)鋪功能的螺旋清雜裝置[106]，為殘膜機械化回收提供了新思路與新途徑。

表5 全膜雙壟溝殘膜回收典型機具Tab.5 Typical machines for residual film collecting with whole plastic-film mulching on double ridges

3 現(xiàn)存問題分析

3.1 農(nóng)藝

不同區(qū)域覆膜方式與覆膜時間需要進一步優(yōu)化，西北部分地區(qū)冬春干旱發(fā)生機率高，春季頂凌覆膜在一定程度上會受到干旱制約，覆膜時機較難把握，風險高，而秋季覆膜則存在著越冬管理難度大及草害嚴重等問題，需要進一步對現(xiàn)有的抗旱新材料、新技術、新品種、新機具進行融合模式探索[107]。同時，在現(xiàn)有種植結(jié)構(gòu)中全膜雙壟溝播技術主要在玉米和馬鈴薯作物栽培上進行了大面積推廣，而在特色雜糧、油料、蔬菜、水果、牧草等其他高效經(jīng)濟作物種植上還在完善階段，應用面積相對較少，需要進一步探索，以形成增產(chǎn)、環(huán)保兩位一體高效生態(tài)農(nóng)業(yè)，將糧食生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)開發(fā)相結(jié)合，推動農(nóng)業(yè)資源的可循環(huán)利用[108]。全膜雙壟溝最佳溝壟構(gòu)建比例、播種密度、覆膜厚度與方式仍需深入研究，衍生出的“一膜兩年用”農(nóng)藝技術栽培管理措施不完善，制約了有效成本的降低效果[109]。

3.2 配套機具

3.2.1種床機械化構(gòu)建質(zhì)量不高

依據(jù)全膜雙壟溝機械化壟體成型工藝(即機械化單程耕作構(gòu)建的種床形貌特征由小壟壟體及其兩側(cè)均等各1/2大壟壟體組成)，溝壟不同構(gòu)建比例、大壟壟體中心接縫、小壟壟溝覆蓋土壤量的多少皆是影響覆膜種床對土壤水分抑蒸、雨水入滲疊加利用、土壤溫度提升的關鍵所在[110]。現(xiàn)有部分全膜雙壟溝起壟覆膜機作業(yè)性能有待進一步提升，在機械化種床構(gòu)建中壟溝比例與形貌不規(guī)范，出現(xiàn)小壟壟溝與大壟壟體接縫處覆蓋土壤不足，雙壟覆膜種床基準定位不穩(wěn)，在外界風力、地表形貌的干涉作用下容易出現(xiàn)種床溝壟覆蓋地膜滑移、翻接與撕裂，將對后續(xù)機械化膜上播種質(zhì)量產(chǎn)生抑制影響；同時當覆蓋土壤過量時，全膜覆蓋雙壟溝生產(chǎn)系統(tǒng)地膜的有效采光面積減小，直接導致種床對于太陽輻射的吸收能力減弱，使其膜面集雨功能喪失。同時，受雙壟覆膜種床鋪設質(zhì)量穩(wěn)定性、可靠性的影響，不同時期、周期全膜雙壟溝覆膜種床物理機械特性差異所引起的后續(xù)機械化膜上播種撕膜、挑膜現(xiàn)象嚴重，殘膜回收所面臨膜土分布不規(guī)則、膜土分離困難等均是影響全膜覆蓋雙壟溝生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化構(gòu)建與可持續(xù)推廣應用的關鍵問題。

3.2.2膜上機械化播種性能不可控

我國西北地區(qū)旱地全膜雙壟溝技術配套的相關播種機具主要依靠傳統(tǒng)的鏟式、輪式穴播器和手持式點播槍。前者機具作業(yè)時地膜受成穴器運動軌跡余擺線的影響，易產(chǎn)生撕膜、挑膜，地膜經(jīng)反復拉伸產(chǎn)生錯切，導致膜上播種穴孔錯位現(xiàn)象發(fā)生[111]；作物出苗后會被封蓋在地膜下面， 不能從膜孔中順暢長出，放苗不及時則會引發(fā)悶苗、扭曲及燒苗等現(xiàn)象，這是造成田間作物減產(chǎn)的關鍵影響因素之一；且當種床土壤松軟時成穴裝置開啟機構(gòu)失效，也會影響播種出苗率及作物產(chǎn)量；手持式點播槍雖在地膜上播種性能可靠，幾乎無穴孔錯位現(xiàn)象發(fā)生，但勞動強度高，作業(yè)效率低，人工操作播種質(zhì)量得不到保障，不適宜作為今后全膜雙壟溝播技術大面積推廣所依托的播種機具載體[61,112]。近年來提出的直插式播種方式能夠克服傳統(tǒng)膜上播種機具作業(yè)所產(chǎn)生的地膜損傷、種穴與幼苗錯位等問題，但是其工作機構(gòu)的可靠性、耐久性與作業(yè)效率的提升仍需持續(xù)開展研究。

3.2.3機械化收獲農(nóng)藝要求不融合

在機械化收獲作業(yè)過程中，全膜雙壟溝的大小壟體交錯分布易造成收獲地表不平整，致使割臺持續(xù)喂入、切割不穩(wěn)定，給機械化作業(yè)帶來了難度。由于作物溝播行距不一致，呈400 mm與700 mm間隔交替分布，無法應用已有玉米聯(lián)合收獲機實現(xiàn)多行收獲，現(xiàn)有研發(fā)的玉米聯(lián)合收獲機也僅能以小壟壟體為基準完成兩行玉米的收獲，作業(yè)效率相對較低[30]。同時，在黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，丘陵山區(qū)的旱田地大都無機耕道，使得大中型機具無法進地，限制了作業(yè)機多功能與大功率的發(fā)展；且傳統(tǒng)聯(lián)合收獲機進地后對已覆蓋地膜的損傷、收獲作物莖稈粉碎還田等問題均無法達到后續(xù)“一膜兩年用”免耕栽培技術實施的前提要求，致使全膜雙壟溝覆膜生產(chǎn)系統(tǒng)集水保墑功能失效，進一步增加了全膜雙壟溝機械化殘膜回收過程中膜雜分離的困難程度[113]。

3.2.4機械化殘膜回收過程易失效

針對全膜雙壟溝播不同地域、不同質(zhì)量的覆膜覆土作業(yè)工況，高效撿膜、膜雜分離機理與高性能機構(gòu)研究等已引起了相關學者的廣泛關注[114-117]，但研發(fā)機具總體適應性不強；已有與全膜雙壟溝殘膜回收配套農(nóng)機裝備存在的最主要問題是：覆膜種床切膜起茬效率較低，膜雜分離效果不顯著，殘膜撿拾部件脫膜不徹底，覆土帶邊膜撿拾效率不高、回收殘膜的含雜率較大，難以進行再次利用，尤其在殘膜高速回收作業(yè)時問題更為復雜與突出，因此上述問題也是機械化殘膜回收過程易失效的原因所在與表現(xiàn)形式。目前，西北旱區(qū)農(nóng)膜殘留問題已日趨嚴重，已逐步引起全膜覆蓋雙壟溝生產(chǎn)系統(tǒng)抗旱、增產(chǎn)功能弱化[118-119]，致使研制的相關殘膜回收裝備無法在生產(chǎn)實際中可靠使用，研制的部分關鍵作業(yè)部件仍然停留在實驗室研究與探索階段。

4 展望

4.1 加強全膜雙壟溝播技術農(nóng)機農(nóng)藝融合

西北旱區(qū)各地區(qū)種植習慣、自然降水及生產(chǎn)條件的多樣性，決定了全膜雙壟溝播技術模式的復雜與差異，在種植密度、種床構(gòu)建方面仍然存在較多技術模式，制約了配套機具的適應性。因此，需要進一步加強全膜雙壟溝播技術農(nóng)機農(nóng)藝的相互協(xié)調(diào)與融合適應，探討和制定西北各典型農(nóng)業(yè)區(qū)完善的全膜雙壟溝播技術模式，發(fā)展具有區(qū)域特點的配套機械化技術與裝備。重點研究土壤類型、氣候條件、覆膜類型、農(nóng)作制要求、溝壟比例、產(chǎn)量效應等與機械化種床構(gòu)建、膜上精量播種、作物機械化收獲及殘膜高效回收等關鍵作業(yè)環(huán)節(jié)的互作機制和評價機制，豐富全膜雙壟溝播技術農(nóng)機農(nóng)藝融合的研究內(nèi)涵，優(yōu)化配套作業(yè)機具性能與適應性[120]。

4.2 持續(xù)開展基礎研究與配套機具性能優(yōu)化

目前，針對全膜雙壟溝播技術需求，其配套機具研發(fā)有了較大進展，但大都在整機能夠?qū)崿F(xiàn)的功能方面進行研究，對相關技術與部件互作基礎研究還不夠深入，需要進一步完善。其中種床機械化構(gòu)建方面，重點在不同時期、周期全膜雙壟溝覆膜種床物理機械特性研究，高性能切削起壟、隨動覆膜關鍵部件的研制，不同機械化覆土裝置及覆土路徑系統(tǒng)理論的完善等方面開展；在雙壟種床膜上精量播種環(huán)節(jié)，需要準確建立直插式播種系統(tǒng)與雙壟覆膜種床高效互作模型，提升前進速度補償機構(gòu)可靠性與耐久性，降低直插播種方式與種床沖擊慣性對播種質(zhì)量的擾動，優(yōu)化成穴器與播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進一步研究適宜機械化溝播方式與作物產(chǎn)量效應；以全膜雙壟溝玉米機械化收獲機具為例，深入探究不對行、多行割臺對異形雙壟行距的適應性，探索最佳的全膜雙壟溝“一膜兩年用”玉米機械化收獲模式，優(yōu)化收獲機進地緩解傷膜的相關措施；進一步研究殘膜回收過程中雙壟種床殘膜、根茬布局隨機特性，拓展和完善自適應撿膜、脫膜機器系統(tǒng)，優(yōu)化高效的邊膜撿拾工作部件，研究膜雜分離作業(yè)交互機制與特性，實現(xiàn)對殘膜的機械化高效回收。目前，全膜雙壟溝播配套機具相關產(chǎn)品的標準化、系列化、通用化程度相對較低，機具的適應性仍有待提高。因此，需要在進一步規(guī)范全膜雙壟溝播農(nóng)藝要求的基礎上結(jié)合上述研發(fā)重點與核心內(nèi)容加強基礎研究工作的開展，研制與旱區(qū)區(qū)域多樣性相適應的核心部件與配套機具將是未來全膜雙壟溝全程機械化研究的重點。

4.3 創(chuàng)建全膜雙壟溝全程機械化技術體系

全膜雙壟溝播技術有效增強了旱作農(nóng)業(yè)的可控性與穩(wěn)定性，促進了規(guī)模化種植和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，在西北旱區(qū)大面積推廣應用。因此，需要進一步形成全膜雙壟溝全程機械化技術體系，重點在起壟覆膜、膜上播種、機械收獲、殘膜回收4個關鍵環(huán)節(jié)上不斷突破與完善機械化作業(yè)難題，提高全程機械化作業(yè)效率與性能質(zhì)量，突出其技術集成和示范樣板的引導作用。此外，推進全膜雙壟溝播技術與機械化協(xié)調(diào)發(fā)展，不僅注重單一機械化作業(yè)與農(nóng)藝技術的配套，還要縱觀整套全程機械化技術體系的相互銜接，最大限度呈現(xiàn)全膜雙壟溝播技術生態(tài)效益與社會效益。并依托全膜雙壟溝全程機械化技術體系，因地制宜調(diào)整旱作作物布局，大力發(fā)展高效旱作農(nóng)業(yè)，創(chuàng)新集成現(xiàn)代覆膜保墑集雨技術模式，從根本上突破干旱制約，實現(xiàn)由被動抗旱向主動避災轉(zhuǎn)變，構(gòu)建黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)抗旱減災的長效機制。

5 結(jié)束語

全膜雙壟溝播技術集覆蓋抑蒸、膜面集雨、壟溝種植功能于一體，通過應用覆膜雙壟產(chǎn)流、溝內(nèi)集流原理，最大限度保蓄自然降水，使農(nóng)田地面蒸發(fā)降到最低，將無效降水轉(zhuǎn)化為有效水分貯存于土壤并集中入滲于作物根部，改善了黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)高效用水機制，大田水生產(chǎn)力大幅提高，使得西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力顯著提升，對保障糧食安全、農(nóng)民增收具有重要意義，在全程機械化技術體系的輔助作用下將得到長期、有效的推廣應用與可持續(xù)發(fā)展。

為滿足全膜雙壟溝播技術在實際生產(chǎn)中對全程機械化技術體系及配套機具的要求，需要加強對起壟、覆膜-覆土功能耕整地機械化技術的可靠性研究，優(yōu)化提升壟溝膜上精量穴播機械化技術，探索適宜于全膜雙壟溝播機械化穗莖兼收的作業(yè)模式，完善高效的機械化殘膜回收機構(gòu)與方法。其中，提高機械化種床構(gòu)建過程中的覆膜-覆土可靠性，解決機械化膜上播種引起的穴空錯位與地膜損傷，解決機械化收獲過程中的不對行收割與秸稈處理，優(yōu)化機械化殘膜回收相關切膜起茬與膜雜高效分離機構(gòu)，研發(fā)經(jīng)濟高效全膜雙壟溝全程機械化作業(yè)裝備和農(nóng)機農(nóng)藝深度融合是創(chuàng)建全膜雙壟溝全程機械化技術體系的關鍵，也是進一步形成科學合理的全膜雙壟溝播技術樣板，實現(xiàn)全膜雙壟溝生產(chǎn)系統(tǒng)高效、節(jié)本增效的重要載體和必然選擇。