殘膜機械化回收技術專利信息分析

關鍵詞：地膜污染；殘膜機械化回收；專利分析；殘膜回收機

0 引言

農業地膜覆蓋技術在我國農業種植方面引起了革命性變化[1]。1982年我國農用地膜使用量0.6萬t，覆蓋面積11.7萬hm2；而到2018年，這一數值已經上升至140.9萬t、1776.47萬hm2，并且應用地域從北方干旱、半干旱地區向南方高山、冷涼地區擴展，現已推廣至全國所有省份[2]。2020年，我國農用地膜使用量高達145萬t，覆蓋面積2000萬hm2[3]。然而，隨著地膜覆蓋時間不斷增加，土壤中殘留地膜會導致土壤體積質量增加、土壤水分移動速度減緩。隨著殘留地膜的積累，農作物的生長和發育都會受到嚴重影響[4]。

殘膜會降低土壤肥力水平，特別是有效磷、有效鉀流失。殘膜還會阻礙作物正常生長，如使棉花根系呈現雞爪型和叢生型等畸形[5]。如果殘膜持續積累，勢必造成農作物產量降低。在新疆維吾爾自治區（簡稱新疆），農膜使用時間已接近40年，殘留污染問題非常突出，亟待治理。因此，必須采取有效措施解決農膜殘留問題，以保護耕地環境持續發展[6]。

殘膜回收主要包括人工撿拾和機械回收兩種方式。然而，由于人工撿拾只能清理土壤表層和裸露的殘膜，無法回收掩埋在耕層深處的殘膜；同時人工作業勞動力短缺、效率低，因此該作業方式難以解決大面積農田中的殘膜污染問題。相比之下，機械化回收則能夠高效處理農田表層和耕層的殘膜，因此被作為治理殘膜污染問題的有效手段[7]。

殘膜污染對土地資源、農業生產和環境具有嚴重影響，本研究從技術層面深入研究殘膜回收技術與裝備的專利現狀與發展趨勢，通過分析殘膜回收裝備專利的現狀和失效原因，對我國殘膜機械化回收技術總體情況進行分析并提出建議，對推動殘膜機械化回收技術進步、減少土地殘膜污染、保護耕地資源、凈化農田環境及促進農業可持續發展具有參考價值。

1 專利申請態勢分析

1.1 專利查詢數據庫

為了確保數據準確性和完整性，采用多種檢索方式，包括關鍵詞、表格、邏輯和表達式等檢索方法。以中國專利文摘數據庫（CNABS）作為主要的中文專利檢索工具，同時也使用SOOPAT、CNIPR和佰騰網等國內常用數據庫，以及外文數據庫（VEN）和IncoPat等，所涉及的專利數據截至2022年10月30日，并針對相應數據進行梳理和分析。

1.2 國外專利申請態勢

由圖1可知，日本、法國和韓國是國外殘膜回收裝備專利申請量排名前3位的國家。其中，日本的申請量73件，占國外申請總量的66.97%；其次是法國和韓國，其申請量分別為14和12件，占比12.84%和11.00%。日本在殘膜回收裝備專利的申請量中占據較大比例，這與日本耕地面積相對較小，使用地膜的面積較大，對于農膜回收的需求更加迫切等因素有關。法國和韓國等國家主要通過兩種方式來解決殘留地膜的危害：一種是采用高強度、耐老化的地膜，其膜厚度gt;0.20mm，利用地膜自身的拉伸力實現地膜與土壤的分離，研究的重點是卷收機構；另一種是積極開發研制可降解地膜，這種地膜在田間經過一定時期會自動分解并混入土壤。盡管國外已有一些適用于覆膜時間短、可卷收的殘膜回收技術，但其應用范圍較窄，不適用于我國的情況。我國已經廣泛深入開展了殘膜回收技術研究，但在推廣應用方面仍面臨一定困難[8]。

針對我國的具體情況，需要不斷探索創新，研發更高效、低成本的殘膜回收裝備。同時，借鑒國外相關經驗，也有助于我國在該領域取得更好地發展。

1.3 國內專利申請態勢

1.3.1 專利申請量

由圖2可知，自2013年起我國殘膜回收裝備專利申請數量穩步上升，隨著國家對殘膜回收裝備的投入增加，我國殘膜回收裝備專利呈現出明顯上升趨勢。2020年后，專利申請量有所下降，原因有兩個：一是我國采取積極措施，優化了申請結構并提高了申請質量；二是企業對專利價值的認識趨于成熟[9]。隨著專利意識的提高，企業在申請專利時更加注重技術創新和商業應用相結合，尤其是對于已有專利技術的轉化和產業化，注重技術評估和市場分析等環節。這也可能導致專利申請量下降，但對于專利技術轉化有利。因此急需將發展動能從要素驅動轉變為創新驅動，推動專利從高速增長階段轉向高質量發展階段[10]。

1.3.2 專利申請地區

由圖3可知，我國殘膜回收裝備專利主要分布在新疆和甘肅省，占比分別為59%和20%，這與新疆和甘肅省的地理位置、氣候環境、種植農藝等因素有關。

新疆位于歐亞大陸腹地，氣候干旱，是典型的干旱區綠洲灌溉農業區。在此背景下，多采用地膜覆蓋技術進行大田種植，作物品種和種植模式復雜，即使同一作物覆膜方式也不同。目前市場上的殘膜回收設備通常只能適應特定的工況，并且在使用過程中需要進行頻繁的維護。由于研發難度大、成本較高，能夠同時適應多種工況的殘膜回收設備發展相對較慢。隨著殘膜逐年增多，污染問題日趨突出[11]。

甘肅省屬于干旱和半干旱氣候區，是水資源嚴重缺乏的旱作農業省份。甘肅省廣泛應用地膜覆蓋抗旱栽培技術、全膜雙壟溝播栽培技術及全膜覆土穴播技術。隨著地膜使用量和使用年限增加，殘膜污染問題日益突出[12]。

甘肅省和新疆的耕作方式、土壤條件、氣候及作物種類都存在較大的差異，導致殘膜回收機工作過程中的工況差異性較大。農業種植模式不同等問題都會影響殘膜回收機的工作效率和適用性。目前已有的殘膜回收機具有較大的局限性，很難同時適用于這兩個地區差異性較大的工作環境。因此殘膜回收機需要進行改進，以便同時適應這兩個地區的工作環境。這就需要在設計殘膜回收機時充分考慮這兩個地區的差異性，從而確保其能夠適應不同的耕作方式、土壤條件、氣候和作物種類。如采用可更換的部件和可調節的結構來改進殘膜回收機的性能和適應性，以滿足不同地區的需求。

1.3.3 專利權人類型

由圖4可知，我國殘膜回收裝備專利申請主體以企業和高等院校為主，這兩類主體占專利總量的比例較高，分別占37%和36%。這些高申請量的企業和高等院校的排名表明該技術具有較大的創新空間和經濟效益。同時，政策扶持和購置補貼也是推動殘膜回收機行業快速發展的重要原因之一。政策的支持和鼓勵有助于加快技術研發、產品創新和推廣應用，提高整個行業的市場競爭力和發展速度。綜合來看，未來我國殘膜回收機行業將呈現快速發展態勢，并有望成為全程機械化標配農機。

企業和高等院校在殘膜回收機械化技術的研發和創新方面擁有豐富的技術資源和人才優勢，能夠更好地推動該技術的進步和應用。因此，將繼續成為推動我國殘膜回收機械化技術發展的主要力量[13]。

1.3.4 專利權人排名

由圖5可知，石河子大學、新疆農墾科學院和張朝書分別是殘膜回收裝備專利申請量排名前3位的申請主體。這表明相較于其他地區的申請人，新疆農墾科學院和石河子大學在該領域具有明顯的優勢和基礎。同時，也凸顯了新疆的地膜污染問題嚴重，該類設備在當地市場需求旺盛且政策支持力度大，殘膜回收技術的應用時間也較為悠久。新疆農墾科學院1993年開始在殘膜回收機領域進行研究和申請專利，是該領域最早申請專利的機構之一，為該領域的發展做出了重要貢獻。在專利權人排名靠前的個人中，張朝書作為一位農民企業家和多個公司的法人代表，所獲得的眾多專利均源自所在公司的創新成果，因此，這些專利應被視為這些公司的重要資產。這一數據展示了科研院校和公司在殘膜回收機械化技術方面具有較強的優勢和基礎，對推廣該技術在解決地膜污染問題方面具有重要意義。

2 專利信息技術分析

2.1 國外情況

國外使用的地膜厚度gt;0.20mm，其回收原理主要是利用地膜自身的拉伸力實現地膜與土壤的分離[14]。由于回收后的殘膜具有較高強度，殘膜回收主要采用卷膜機。殘膜卷收機主要由起膜鏟和卷膜輥組成，回收后的殘膜方便處理和再次使用[15]。這種殘膜回收機操作簡便，不需要復雜的設備和技術，得到廣泛應用。殘膜回收機結構簡單，回收后的殘膜容易進行清洗和再次使用，有助于降低農業生產成本并減少環境污染。

日本在處理殘膜方面做得相對較好。一個原因是耕地的不同，通常在土壤疏松的火山灰地上覆蓋地膜，這種土壤更容易進行殘膜回收。另一個原因是地膜的差異。日本在農業生產中一般使用較厚、強度較大的地膜，其覆蓋期相對較短，在清除時可以保持較大的片塊，因此回收相對簡單。這些因素使日本能夠更加有效地處理殘膜，實現可持續的農業生產[16]。

歐美國家的地膜覆蓋一般用于蔬菜水果等經濟作物，覆蓋周期短。為便于回收，這些國家使用的地膜較厚，一般0.02～0.05mm，可連續用2～3年?；厥盏啬r大多采用卷收式回收，設備結構比較簡單。

國外正積極開發研制可以自動分解為無害物質、不會對耕地土壤造成傷害的可降解新型地膜，如光可降解地膜、生物可降解地膜、光/生物降解地膜等[17]。這些新型地膜的研發和使用，有助于減少環境污染和土壤破壞。

2.2 國外代表專利機型

圖6是澳大利亞生產的一種新型殘膜回收機，專門用于卷收地膜。該設備對膠帶驅動振動器鏈條等部件做了重大改進，實現更小的磨損和更高標準的耐久性。新型刀桿專為防止殘膜撕裂而設計，可在田間平穩運行。使用橡膠傳送帶系統即使在土壤中也能提供最有效的工作方式。這款殘膜回收機操作簡單、效率高，并且成本低廉，應用較好。然而，該設備不適用于我國使用的地膜厚度較薄、地膜拉伸強度低、膜面破損嚴重的情況。

2.3 國內情況

對于專利的技術分析，主要針對有效專利進行全面分析。目前有590件有效專利和850件無效專利。其中，導致無效專利的原因主要有兩點：一是研究時間跨度大，農業技術和管理方法、種植模式及氣候等發生了明顯的變化；二是很多企業缺乏技術儲備，導致申請的專利難以成功應用。

在有效專利中，有15件是外觀專利。除去這些外觀專利后，有效專利按照工作部件和整體進行分類，其他分類方法則按照農藝作業時間、機械作業形式和工作部件入土深度等方面進行分析。

2.3.1 按部件和農藝作業時間分類

收膜部件是殘膜回收機的核心組成部分，通常采用彈齒式、起膜鏟式和滾筒式等形式作為撿拾裝置，同時也有齒鏈和氣吸式等其他形式。由表1可知，收膜部件的專利占比最大達50%，分離和輸送部件的專利分別占29.31%和20.69%。這一現象可能原因有3個方面。一是由于收膜環節是殘膜回收機中非常關鍵的環節，申請人更容易注重對收膜部件進行改進和優化，并通過專利保護確保其競爭優勢。二是收膜技術相對成熟，市場需求量大，隨著殘膜回收行業的發展，各家企業之間的競爭也越來越激烈，為了獲得更大的市場份額和競爭優勢，企業需要不斷提高收膜部件的性能和效率。三是收膜部件種類和形式多樣化，適用于不同類型的殘膜回收機和工作環境。專利申請人需要不斷開發新的收膜部件，以滿足不同工況需求，并通過專利保護來確保市場地位。

根據農藝作業時間的不同，可分為苗期殘膜回收機、秋后殘膜回收機和播前殘膜回收機[18]。苗期殘膜回收機適用于在作物澆水前揭除地膜，并適合灌溉條件較好的地區。秋后殘膜回收機用于在作物收獲后、耕地前回收地膜，針對的是當年鋪設的地膜。由于在苗期時揭膜受到限制，因此秋后是回收殘膜的最佳時期。春播前殘膜回收機用于播種前進行殘膜回收作業，主要針對往年（破碎的）小塊殘膜進行回收[19]。由表1可知，我國殘膜回收機械化技術專利量主要集中在秋后殘膜回收機。其主要原因有以下3點。首先，地膜覆蓋已廣泛應用于全國各地，尤其是北方干旱、半干旱和南方的高山冷涼地區。這些地區由于灌溉條件較差，苗期殘膜回收機難以應用。其次，在地膜投入量方面，新疆、甘肅省、寧夏回族自治區等西北地區的地膜投入量較高，而西南山地地區的地形地勢復雜多變，氣候濕潤、降水充沛、土壤肥沃程度更高，因此相對于北方干旱地區，不需要過多依賴地膜技術來提高農作物產量和質量。最后，西北地區對地膜的需求量較大，同時也需要進行相應的殘膜回收，以減少環境污染和資源浪費，這些地區更適宜使用秋后殘膜回收機。同時，在我國北方，由于采用膜下滴灌技術的干旱地區較多，需要在作物收獲后回收殘膜，此時進行殘膜回收不會對農作物產生不利影響，因此秋后殘膜回收機的使用范圍更廣泛[20]。

2.3.2 按機具作業形式分類

按機具不同的作業形式，可分為單項作業機和聯合作業機。其中，聯合作業機包括秸稈粉碎還田殘膜回收聯合作業和整地殘膜回收聯合作業等[21]。

由圖7可知，殘膜回收機的發展趨勢是將多種作業方式結合在一起，形成聯合作業機。聯合作業機能夠同時完成兩項或多項作業，減少拖拉機下地次數，降低機具作業成本、減少機具對土壤的壓實、節省作業時間，避免單項作業機工作效率低耽誤農時[22]。聯合作業提高了作業機具的工作效率，有效提高了勞動生產效率。

聯合作業機結構比較復雜，可靠性和穩定性難以保證，成本也較高。因此，確保聯合作業機的可靠性和穩定性是一個難題。需要通過完善設計和技術手段，加強管理和維護，不斷提高機器的可靠性和穩定性，從而更好地滿足現代農業生產的需求[23]。

2.3.3 按工作部件入土深度分類

按工作部件入土深度的不同，殘膜回收機可以分為表層殘膜回收機和耕層殘膜回收機[24]。

由圖8可知，絕大部分的殘膜回收機都是表層殘膜回收機，主要原因有兩個方面。一是表層殘膜回收機的研制較為普遍，種類較多。相比之下，耕層殘膜回收機研發難度大，種類較少。二是耕層殘膜回收機研發難度較大、技術不成熟等問題一直是制約該領域進一步發展的重要因素之一[25]。

2.4 國內代表專利機型

圖9是新疆農墾科學院研制的地膜回收打捆與秸稈粉碎聯合作業機，由機架、秸稈粉碎裝置、收膜裝置、打捆裝置、傳動系統、液壓系統和行走機構等部件組成。

在工作過程中，秸稈粉碎甩刀在縱向上快速旋轉，對作物秸稈進行砍切。粉碎后的秸稈在動力、慣性力和氣流的綜合作用下被拋入甩刀軸后方的攪龍槽內。在重力和攪龍葉片的軸向推力作用下，粉碎后的秸稈被推送至風機處。風機產生強大氣流將粉碎后的作物秸稈拋送到秸稈收集箱內或者已經收膜的地表。鏈耙式地膜撿拾裝置設置在機具尾部，可以撿拾秸稈粉碎后的農田地表地膜。地膜隨彈齒運動時，攜帶的雜質在漏雜口處掉落，被輸送至機具兩側。當地膜運動至打捆裝置上方時，在脫膜裝置的輔助作用下，地膜掉落在打捆裝置輸送膠帶上，并在打捆腔內形成膜捆。當膜捆達到一定大小后，即可通過打捆前膠帶及時卸載在卸膜裝置上[26]。

該機器采用無芯打捆裝置，結構簡單且制作成本低。秸稈粉碎裝置采用后“拋”的形式，粉碎后的棉花秸稈可以比較均勻地散布在田間，有利于農田養分的均勻分布。液壓控制使操作簡單，工作效率高，適用于新疆采收后的棉田殘膜回收。

3 時效分析

在專利領域，失效專利并不意味著其所包含的信息完全失去價值。相反，失效專利僅指專利權及專利申請權在法律上的喪失。對于專利所包含的法律、技術和市場信息而言，失效專利僅是部分信息發生了變化，其他信息仍然具有較高的價值和應用潛力。特別是在技術競爭和創新激烈的情況下，失效專利成為一種重要的信息資源，需要加以開發[27]。因此，即使專利失效，從技術角度來看，它仍然擁有較高的含金量和應用價值。

3.1 失效專利類型

由圖10可知，殘膜回收機的失效專利總數850個，其中發明專利失效量430個，占總失效專利的50.6%；實用新型專利失效量419個，占總失效專利的49.3%；而外觀專利失效量僅1個，占總失效專利的0.1%。從失效專利的占比來看，發明專利和實用新型專利的失效量占絕大多數，這與發明專利和實用新型專利的申請量占3種專利類型申請量的絕大部分有關。

3.2 失效專利原因

由圖11可知，殘膜回收機的失效專利中，未繳納年費而導致專利權終止的占比最大，高達50%。這種失效通常是指已經通過實質審查的專利因為未繳納年費而導致專利權喪失[28]。分析失效原因，可能是由于維持專利權需要一定的資金投入，申請人考慮了專利質量、價值及資金成本等多個綜合因素后，決定放棄部分專利權的保護；或者新技術研發成功或新項目完成后，開始逐步廢棄技術落后的專利。這些都是可能導致專利失效的原因。

由圖12可知，在未繳納年費導致專利權終止的機構中，高等院校、個人、各類企業、科研單位和機關團體分別占48%、22%、22%、6%和2%。其中，高等院校數量排名較靠前，這與其申請總量有一定關系，但主要原因是部分高校重視科研而忽略了應用推廣，導致專利無法得到有效的轉移轉化，在一定程度上阻礙了創新發展進程。對此，企業可以進一步挖掘失效專利，加強與高校的合作，最大限度地發揮相關專利的效益。相比之下，科研單位在應用轉化方面具備更強的能力，尤其是在與市場和產業更為接近的學科領域，申請專利的能力也更強。因此，企業、高校和科研單位應該充分發揮各自的優勢，建立起完善的產學研用合作體系，實現產學研用一體化，提高科技攻關的針對性，增強科技成果的應用轉化能力，從而使科技研發速度、質量和效益全面提升，為企業的可持續高質量發展提供強有力的科技支撐。

高等院校和企業是殘膜回收機械化領域創新發展的主要力量，需要進一步加強合作，充分發揮各自專利的經濟效益。

4 專利申請建議

根據殘膜回收機的專利信息分析，歸納出以下專利申請策略，可以幫助專利申請者優化專利申請，增加獲批的機會，并確保專利能夠得到充分保護。

（1）提高專利質量，申請主體需要從源頭上加強對專利技術的控制。在尋找技術創新之路上，每個申請人都需要不斷探索。為了提升自身創新能力，企業應該加大研發投入，高校應完善激勵機制，提高自身的創新水平。

（2）增強專利申請能力，申請人應該把握專利的總體趨勢，明確申請專利的數量、類型和目的，避免盲目申請專利。還需要掌握“專利雷區和專利空白區”，加強專利部署。這樣才能有效提高專利申請的成功率和專利價值，更好地保護自身知識產權。

（3）提高公眾的知識產權法律意識，需要加強對知識產權制度的宣傳和推廣。當前，公眾對知識產權的理解還較為淡薄，缺乏必要的維權意識，要么不懂得如何維護自身的權益，要么在侵犯他人知識產權時毫不自知。未來應該以群眾喜聞樂見的方式加強知識產權制度的宣傳力度，提升公眾知識產權方面素養[29]。關鍵是要在宣傳方式上突破創新、選好宣傳內容和渠道，在適當的時候和地點進行宣傳，從而更好地普及知識產權相關法律法規和知識，提高公眾對知識產權的認知和重視程度。

5 發展建議

對殘膜機械化回收技術專利信息分析可以看出，要使殘膜回收機更廣泛應用于農業生產，需要研發作業效率高、穩定性強、生產和作業成本低的殘膜回收機。同時，應該結合互聯網技術，向信息化、集成化、智能化的方向發展。結合專利信息分析提出4點發展建議。

（1）國內殘膜回收機作業工況更加復雜，地膜厚度和強度存在巨大差異[15]。因此，國外的殘膜回收機并不適用于國內市場，需要擁有更先進的殘膜回收機。未來，殘膜回收機械化領域需要加強對殘膜回收機的工作原理和設計理論的創新，開發出一系列新型殘膜收集、分離和輸送裝置，以滿足國內復雜多變的需求。

（2）聯合作業機是未來殘膜回收機械化發展的趨勢，其主要的研究方向是莖稈粉碎殘膜回收聯合作業。聯合作業機具有省工省時、高效率和節約成本的優點，有效解決了單項殘膜回收機回收率低和作業效率低的問題。

（3）可降解膜是避免殘膜污染的一種有效措施。我國在研制可降解膜方面也取得了相關進展，如成功研制出了光降解地膜、生物降解地膜、光/生物雙降解地膜、液態地膜和植物纖維地膜等[30]。這些可降解膜覆蓋效果與傳統塑料地膜接近，降解性良好，降解產物無污染，無須殘膜撿拾，對耕地土壤不會造成傷害。然而，可降解地膜普遍存在生產成本高，力學性能、物理性能、環保性等方面還存在一定的問題。如光降解膜雖然有著和普通地膜一樣的增產效果，但開始裂解的時間不能滿足農藝要求，而且埋在土壤下的地膜也不能被光分解。雙降解膜的降解時間也不能達到農業生產的要求[31]。因此可降解地膜在農業上的大面積推廣仍然受限。

（4）加強企業和高校協同創新，有助于提升企業在殘膜回收機械化發展中的競爭力。為了增強創新能力、提高創新速度、降低創新成本和創新風險，企業需要與高校和科研單位共同構建產學研用合作體系[32]。企業應堅定不移地將自主創新和科技進步作為發展的重要推動力，通過聯合高等院校和科研院所構建多種形式的產業技術創新聯合體，有效地保持企業的可持續發展。

6 結束語

分析了1992—2022年國內外殘膜機械化回收技術專利申請數量變化趨勢，并對我國專利的申請數量、專利權人排名及各主要部件的專利數量進行了全面的分析。通過分析，確定現有殘膜回收機專利申請的重點區域。同時對失效的專利進行類型和失效原因分析，以及根據主要失效原因對專利權人進行排名。在此基礎上，提出了具體建議，包括提高專利申請質量、增強專利申請能力、提高公眾知識產權意識、殘膜回收機械的發展，以及加強企業與高校和科研單位協同創新，共同構建產學研用的合作體系。通過對殘膜機械化回收專利定量和定性分析，進一步探索殘膜回收機的關鍵技術，為相關專業人員提供一定的參考，推動其尋找更好的方法解決行業問題。