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(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究分院，黑龍江哈爾濱 150029； 2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)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(guó)水稻種植面積約為 3 007.6萬(wàn)hm2，占全國(guó)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(duì)有機(jī)食品的關(guān)注越來(lái)越多，尤其是有機(jī)水稻，因生產(chǎn)過(guò)程中不使用化學(xué)合成(農(nóng)藥、除草劑)藥劑進(jìn)行滅草、除蟲(chóng)，遵循自然規(guī)律生長(zhǎng)，受到了人們的關(guān)注，同時(shí)有機(jī)水稻種植面積也逐年提高。有機(jī)水稻營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、口感好，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。但在有機(jī)水稻種植過(guò)程中，因不允許使用農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑等物質(zhì)，導(dǎo)致雜草和病蟲(chóng)害較多，每年因草害、蟲(chóng)害引起的水稻產(chǎn)量損失在15%以上[3]。因此，如何處理有機(jī)水稻生產(chǎn)過(guò)程中雜草、蟲(chóng)害等問(wèn)題是有機(jī)水稻種植過(guò)程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)有機(jī)水稻種植的除草方式主要有人工除草、機(jī)械除草、利用動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度大、成本高，利用動(dòng)物取食雜草的方式存在前期選種、后期需要人工除草、動(dòng)物的優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)不能完全體現(xiàn)等問(wèn)題[5-6]，導(dǎo)致相關(guān)研究主要集中在機(jī)械除草、微生物除草和降解膜覆蓋除草。機(jī)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(jìn)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(duì)目標(biāo)雜草專(zhuān)一性強(qiáng)、選擇性高、用后對(duì)環(huán)境無(wú)殘留等優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)題[8]。而水稻降解膜覆蓋除草方式操作簡(jiǎn)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(shí)具有提高地溫、減輕病蟲(chóng)害、增產(chǎn)、節(jié)水等作用[9-12]。但水稻覆膜栽培技術(shù)機(jī)械化覆膜水平低，多數(shù)采用人工覆膜，勞動(dòng)強(qiáng)度大、覆膜效果差、效率低，嚴(yán)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(guó)內(nèi)外水稻覆膜栽培技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述有機(jī)水稻覆膜栽培關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)具研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題，分析各項(xiàng)技術(shù)原理、特點(diǎn)及典型機(jī)具，并展望有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)概況

1.1 水稻種植面積

據(jù)《2020中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《2020年中國(guó)有機(jī)水稻行業(yè)分析報(bào)告》等統(tǒng)計(jì)[13-15]，我國(guó)糧食種植面積從2016年的11 303萬(wàn)hm2穩(wěn)定增加至2018年的11 703萬(wàn)hm2，增加了3.54%，糧食總產(chǎn)量從 61 623.9萬(wàn)t 增長(zhǎng)至65 789萬(wàn)t，增幅為6.76%。2019年全國(guó)糧食播種面積為11 606萬(wàn)hm2，同比減少97萬(wàn)hm2，下降0.8%。2020年全國(guó)糧食播種面積增長(zhǎng)至11 677萬(wàn)hm2，同比增加71萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)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(wàn)hm2，同比降低了1.64%，同時(shí)產(chǎn)量同比減少了252萬(wàn)t，降低了1.19%，主要是因?yàn)闁|北地區(qū)減少了部分井灌稻的面積，且中央財(cái)政對(duì)東北地區(qū)的大豆生產(chǎn)者補(bǔ)貼達(dá)170多億元，導(dǎo)至東北地區(qū)“水改旱”增加，同時(shí)擴(kuò)大了休耕面積。2020年水稻種植面積為 3 007.6萬(wàn)hm2，約占全年糧食種植面積的25.8%，同比增加38.2萬(wàn)hm2，增幅1.29%，主要得益于國(guó)家支持恢復(fù)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(guó)民食品安全意識(shí)的提高，對(duì)優(yōu)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)、無(wú)公害稻米的需求持續(xù)增加，有機(jī)水稻栽培技術(shù)逐漸開(kāi)始推廣，其種植面積也逐年遞增。由圖2可知，2019年我國(guó)有機(jī)水稻種植面積達(dá)到39.2萬(wàn)hm2，比2013年(18.4萬(wàn)hm2)增加了20.8萬(wàn)hm2，增幅高達(dá)113%?？梢?jiàn)，我國(guó)有機(jī)水稻有著巨大的發(fā)展空間，是當(dāng)今及未來(lái)水稻生產(chǎn)的重要發(fā)展方向。

1.2 有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)現(xiàn)狀

有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)建立在機(jī)械移栽技術(shù)基礎(chǔ)之上，由水稻覆膜技術(shù)發(fā)展而來(lái)。水稻覆膜栽培技術(shù)在20世紀(jì)60年代由日本提出并進(jìn)行了研究試驗(yàn)，因該技術(shù)增溫、節(jié)水效果顯著，且操作簡(jiǎn)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(jì)推廣面積達(dá)170萬(wàn)畝(1 hm2=15畝)[16-17]，但因當(dāng)時(shí)機(jī)械化水平低，水稻覆膜技術(shù)推廣受到限制。隨著21世紀(jì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，機(jī)械化程度不斷提高，有機(jī)水稻種植面積逐步擴(kuò)大，將水稻覆膜技術(shù)逐步應(yīng)用于有機(jī)水稻種植中，作業(yè)效果得到了有機(jī)水稻種植戶的認(rèn)可?？偨Y(jié)近年來(lái)我國(guó)有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：(1)加快研究效率、自動(dòng)化程度高的適用于有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)的覆膜機(jī)具，解決人工覆膜勞動(dòng)強(qiáng)度大、覆膜效率低和覆膜質(zhì)量差等問(wèn)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(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)的長(zhǎng)效緩釋肥、控釋肥，解決水稻生長(zhǎng)后期追肥難的問(wèn)題。(4)根據(jù)不同地區(qū)、環(huán)境及土壤條件，因地制宜地應(yīng)用有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)。

1.3 有機(jī)水稻覆膜栽培的實(shí)施效應(yīng)

國(guó)內(nèi)外研究表明，有機(jī)水稻覆膜栽培的實(shí)施效應(yīng)主要體現(xiàn)在：

1.3.1 降低草害 水稻覆膜栽培通過(guò)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(shí)不透光地膜阻礙雜草進(jìn)行光合作用，使雜草在膜下無(wú)法生長(zhǎng)，從而達(dá)到較好的滅草效果[18-19]。Giaccone等對(duì)比研究了無(wú)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(kāi)始退化后才得以生長(zhǎng)[20]。沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)的任文濤等對(duì)紙膜覆蓋水稻栽培技術(shù)的節(jié)水、控草效果進(jìn)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙欣等對(duì)覆膜稻田的雜草多樣性進(jìn)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(duì)有機(jī)稻田采用稻糠稻作、紙膜覆蓋、稻田養(yǎng)鴨3種無(wú)公害除草技術(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，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(dá)93%[24]。牟雪蕾等通過(guò)水稻覆膜栽培技術(shù)與傳統(tǒng)種植方式對(duì)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(duì)稗草和壓舌草的除草率達(dá)86%[25]。

1.3.2 降低病、蟲(chóng)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?rùn)狀態(tài)，濕度降低，不利于病、蟲(chóng)害的發(fā)生。劉振軍等通過(guò)水稻紙膜覆蓋對(duì)病、蟲(chóng)害防治效果進(jìn)行了初探，結(jié)果表明，稻田紙膜覆蓋技術(shù)對(duì)負(fù)泥蟲(chóng)、潛葉蠅防控達(dá)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(yīng)，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(guò)地膜覆蓋對(duì)水稻生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響進(jìn)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(zhǎng)速度明顯增加[29]。宋玉秋等通過(guò)降解膜覆蓋對(duì)水稻生產(chǎn)和產(chǎn)量進(jìn)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(dá)16.18%[30]。胡國(guó)輝等通過(guò)2018、2019年大田試驗(yàn)，研究生物可降解膜覆蓋對(duì)機(jī)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(duì)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(chǎng)以龍稻18為試驗(yàn)材料，采用水稻超早育秧與生物降解地膜覆蓋對(duì)比的方式進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，覆膜機(jī)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(jī)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(dá)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(jìn)行了紙膜覆蓋對(duì)水稻棵間蒸發(fā)量影響的試驗(yàn)，結(jié)果表明，紙膜覆蓋對(duì)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(yàn)的方法對(duì)鹽堿地水稻覆膜栽培技術(shù)的節(jié)水潛力進(jìn)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(jìn)水稻抽穗，提高穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率等[37]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的金欣欣等對(duì)水稻覆膜栽培技術(shù)的節(jié)水特性和增產(chǎn)機(jī)制進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jī)水稻覆膜栽培關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)具現(xiàn)狀

在有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)的實(shí)施過(guò)程中，作業(yè)效果主要受膜料的物理、化學(xué)特性和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械化作業(yè)3個(gè)因素影響，因此提高膜料特性和機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，對(duì)推廣有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)具有重大意義。本節(jié)首先對(duì)有機(jī)水稻覆膜栽培所用地膜進(jìn)行概述，然后對(duì)水稻覆膜栽培機(jī)具研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2.1 水稻栽培地膜的應(yīng)用及研究進(jìn)展

我國(guó)農(nóng)用地膜產(chǎn)量居世界首位，是其他所有國(guó)家總和的1.6倍，使用地膜覆蓋技術(shù)累計(jì)增產(chǎn)值達(dá)800億元以上[26]。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展和實(shí)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(chóng)、降解等功能。目前，我國(guó)農(nóng)用地膜種類(lèi)繁多，按功能特點(diǎn)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(chǔ)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(xué)除草地膜、有色地膜、打孔地膜等[40]。其中水稻插秧覆膜時(shí)，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(wú)法降解、難以回收且在土壤中殘留率高達(dá)42%以上，會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)。因此，有機(jī)水稻覆膜作業(yè)時(shí)，主要使用淀粉基生物降解膜和紙狀降解膜進(jìn)行覆膜作業(yè)。

紙狀降解膜在1991年由日本鳥(niǎo)取大學(xué)津野幸人教授提出并研制了再生紙膜，并應(yīng)用于有機(jī)水稻進(jìn)行除草，且證明了再生紙膜對(duì)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(wú)污染、無(wú)殘留，紙膜浸水后緊貼在泥漿表面，不易被風(fēng)刮起，但由于紙地膜的原材料成本過(guò)高，阻礙了推廣和應(yīng)用。

隨著降解膜技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，利用廉價(jià)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(wèn)題，同時(shí)還可以提高秸稈的資源化利用，用后無(wú)需回收，在微生物作用下可完全降解為有機(jī)質(zhì)，利于改善土壤結(jié)構(gòu)。因此，秸稈纖維基地膜成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。國(guó)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(guó)內(nèi)，劉陶等將棉、秸稈纖維、亞麻與絲纖進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)了可降解非織造地膜的研究[44]。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制苧麻、紅麻、黃麻纖維地膜，并對(duì)降解后的土壤性質(zhì)和產(chǎn)量進(jìn)行了研究[45]。2011年韓永俊等對(duì)水稻秸稈纖維制取地膜的工藝參數(shù)進(jìn)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(shí)等對(duì)玉米秸稈纖維制造可降解地膜工藝及參數(shù)進(jìn)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(duì)大豆秸稈纖維的制備工藝和參數(shù)進(jìn)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(duì)廢舊棉與水稻秸稈纖維混合地膜的制造工藝參數(shù)進(jìn)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(tuán)隊(duì)針對(duì)水稻秸稈纖維地膜增溫效果差等問(wèn)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[49-50]。2017年劉環(huán)宇等對(duì)植物纖維地膜抗張強(qiáng)度的預(yù)測(cè)進(jìn)行研究，通過(guò)PSO-SVR建立了植物纖維地膜抗張強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，為植物纖維地膜抗張強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)[51]。與此同時(shí)，聶強(qiáng)等采用秸稈纖維地膜覆蓋地表進(jìn)行水稻培育試驗(yàn)，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(kāi)始自然降解[52-54]。張鴻超探究了秸稈纖維基地膜覆蓋對(duì)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(duì)比雜草減少92.41%[55]。有機(jī)水稻常用可降解地膜對(duì)比具體如表1所示。

表1 有機(jī)水稻常用可降解地膜參數(shù)對(duì)比

由表1對(duì)比分析可知，淀粉基生物降解膜每卷鋪設(shè)面積大，減少了田間換膜次數(shù)，耕層溫度提升明顯，價(jià)格較秸稈纖維基降解膜略低，機(jī)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(huì)有少量地膜殘留在土壤中，降解時(shí)間達(dá)3年之久，不利于有機(jī)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(jī)水稻具有顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(jī)具關(guān)鍵部件及研究進(jìn)展

水稻覆膜栽培可分為人工覆膜和機(jī)械覆膜2種。人工覆膜插秧時(shí)需多人先將膜料于田間展開(kāi)，在鋪設(shè)的同時(shí)戳破膜料將秧苗栽入泥漿中，詳見(jiàn)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(zhǎng)，且覆膜除草效果不佳、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，生產(chǎn)成本高昂，不利于有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)的推廣與應(yīng)用。因此，水稻覆膜機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效覆膜栽培技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

機(jī)械覆膜按動(dòng)力源可分為人力牽引式與機(jī)械牽引式。人力牽引式覆膜機(jī)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(shí)現(xiàn)覆膜作業(yè)，具有彈性鎮(zhèn)壓輥，作業(yè)時(shí)使膜料緊貼土壤，鋪設(shè)效果較好，工作效率為90 min/1 000 m2，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但功能單一、人工牽引機(jī)具勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，不適用于大面積作業(yè)。

機(jī)械牽引式水稻覆膜機(jī)主要由拖拉機(jī)牽引或懸掛于插秧機(jī)上，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程度高，易于達(dá)到有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)的作業(yè)要求，且多數(shù)覆膜機(jī)具可在覆膜作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行插秧、鎮(zhèn)壓等復(fù)合作業(yè)。國(guó)外，日本對(duì)水稻覆膜機(jī)具的研究較多[56]，2000年日本作物研發(fā)部機(jī)械化研究室龜井正弘、美岡邦彥等研發(fā)了自走式覆膜機(jī)，其結(jié)構(gòu)與人力牽引式覆膜機(jī)相似，將雪橇部分由壓膜板及車(chē)輪代替，同時(shí)采用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，具備鎮(zhèn)壓輪、壓邊輪、地膜支撐桿、地膜導(dǎo)向輥、劃線器等裝置。自走式覆膜機(jī)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(jī)具只適用于小規(guī)模水田，且覆膜時(shí)直線度差，轉(zhuǎn)彎不靈活，陷車(chē)的情況時(shí)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(jī)上(圖5-b)，提高了覆膜時(shí)的直線度，進(jìn)一步降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但覆膜作業(yè)與插秧作業(yè)不能同時(shí)進(jìn)行。

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

可鋪設(shè)塑料地膜主要由開(kāi)溝器、覆膜輥、壓膜輥、打孔椎體輥和限位板等組成，可實(shí)現(xiàn)整地、覆膜、壓實(shí)、打孔和覆土壓膜等功能聯(lián)合作業(yè)，最終達(dá)到覆膜平整，膜與地表無(wú)較大空隙，預(yù)開(kāi)插秧孔合理等水稻覆膜栽培作業(yè)要求。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，覆膜效果良好，與人工覆膜對(duì)比每畝可提高效率約92.89%。但使用此覆膜機(jī)進(jìn)行覆膜作業(yè)，后期仍需人工插秧，沒(méi)有將覆膜與插秧作業(yè)相結(jié)合，且由于拖拉機(jī)牽引，換行作業(yè)時(shí)畦端處會(huì)有一定長(zhǎng)度不能覆膜，須人工進(jìn)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(jī)及秧苗插值運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，研制了適用于鋪設(shè)塑料地膜的水稻機(jī)械覆膜裝置[59-62]，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

由插秧機(jī)提供動(dòng)力，將其安裝在插秧機(jī)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(shí)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(kāi)，由壓膜輥進(jìn)行鎮(zhèn)壓，隨后打孔機(jī)構(gòu)與插秧機(jī)構(gòu)同時(shí)作業(yè)，最后由壓邊輪將膜料邊緣壓入泥漿中。試驗(yàn)表明，覆膜作業(yè)效果好，作業(yè)效率高，打孔機(jī)構(gòu)與分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡同步，滿足水稻覆膜栽培技術(shù)要求。

2014年?yáng)|北農(nóng)業(yè)大學(xué)張子浩基于農(nóng)機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用理論分析、仿真分析等方法，研制了一種鋪設(shè)秸稈纖維基地膜的水田覆膜機(jī)[56]。其安裝在插秧機(jī)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(shí)可同步完成插秧和覆膜作業(yè)，主要由掛膜架、主機(jī)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(yīng)用ANSYS進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，結(jié)果表明，掛膜架承受最大應(yīng)力小于材料的最大許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度及使用要求。壓膜輥采用雙排分段式設(shè)計(jì)，可對(duì)膜料起到二次鎮(zhèn)壓的效果。但所設(shè)計(jì)的分插機(jī)構(gòu)式同步開(kāi)孔機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)效果較差，因此，陳海濤等設(shè)計(jì)了一種同步膜上開(kāi)孔裝置，應(yīng)用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到了秧針及縱向開(kāi)孔刀關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，采用正交試驗(yàn)方法，得到了開(kāi)孔刀的最優(yōu)參數(shù)組合，作業(yè)時(shí)開(kāi)膜孔合格率達(dá)92%以上，滿足開(kāi)孔作業(yè)要求，但因縱向和橫向開(kāi)孔刀集中在秧針和推秧器上，取秧時(shí)傷秧率較高[63]。

針對(duì)機(jī)械水稻覆膜插秧作業(yè)時(shí)，分插機(jī)構(gòu)易造成秧苗根系損傷、開(kāi)孔與插秧不同步等問(wèn)題。許春林等根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，設(shè)計(jì)了一體式的水稻膜上插秧的栽植臂機(jī)構(gòu)[64-65]，具體如圖9所示。建立了分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，基于Visual Basic6.0軟件開(kāi)發(fā)了分析優(yōu)化軟件，通過(guò)三維仿真與高速攝像對(duì)比得出，分插機(jī)構(gòu)可完成膜上開(kāi)孔與栽植動(dòng)作，作業(yè)中開(kāi)孔與栽植位置偏差均小于4 mm，符合設(shè)計(jì)與使用要求。

2015年黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院于磊等針對(duì)利用秸稈纖維基地膜和生物降解膜覆蓋作業(yè)，設(shè)計(jì)了水稻覆膜高速插秧機(jī)[66-67]，結(jié)構(gòu)示意如圖10所示。同樣將覆膜機(jī)構(gòu)掛接在插秧機(jī)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(jī)長(zhǎng)×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(yàn)驗(yàn)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(duì)壓膜輥壓膜不平整、覆膜不均勻等問(wèn)題，研制了適用于水稻覆膜插秧機(jī)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(shí)輪、調(diào)節(jié)控制桿等組成，試驗(yàn)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(wèn)題[68]。

2018年哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所吳家安等為配套有機(jī)水稻覆膜栽培機(jī)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(jī)械特點(diǎn)的基礎(chǔ)上研制了2ZM-6型有機(jī)水稻高速覆膜插秧聯(lián)合作業(yè)機(jī)具[69]，具體如圖11所示。

該機(jī)具掛接在插秧機(jī)行走系統(tǒng)和栽植部之間，可鋪設(shè)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(jìn)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(shè)計(jì)了秧針?lè)蓝卵b置，以保證取秧順暢，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)的機(jī)械化聯(lián)合作業(yè)。田間試驗(yàn)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(yàn)效果見(jiàn)圖12-a、圖12-b。

此外，該團(tuán)隊(duì)為了提高覆膜機(jī)具的通用性和田間適應(yīng)能力，研究并設(shè)計(jì)了通用機(jī)架和水田地面被動(dòng)仿形系統(tǒng)，可與久保田、洋馬等高速插秧機(jī)掛接并保證插秧深度均勻一致。同時(shí)，針對(duì)有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)的作業(yè)需求，開(kāi)發(fā)了全覆蓋地膜版 2ZM-6Ⅰ 型覆膜機(jī)，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(bǔ)秧較困難。

總體上，我國(guó)在有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)中對(duì)覆膜機(jī)具的研究較少，亟需加強(qiáng)相關(guān)機(jī)具研究，提高覆膜質(zhì)量和工作效率，降低對(duì)人工的依賴(lài)，解決人工覆膜耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)大面積推廣與應(yīng)用的重要因素。

3 展望

結(jié)合多年有機(jī)水稻覆膜栽培技術(shù)研究基礎(chǔ)，提出未來(lái)研究重點(diǎn)，以充分發(fā)揮水稻覆膜栽培技術(shù)優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)當(dāng)前的技術(shù)及裝備不足?；诂F(xiàn)有技術(shù)以及未來(lái)發(fā)展需求，我國(guó)水稻覆膜栽培技術(shù)及機(jī)具將主要向以下方向發(fā)展。

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

我國(guó)耕作制度與農(nóng)藝要求復(fù)雜多變，種植習(xí)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(fù)雜與多樣。因此，應(yīng)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(shì)。但覆膜栽培技術(shù)對(duì)水稻增產(chǎn)和增溫的效果，目前尚無(wú)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(shí)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(yàn)地點(diǎn)地膜種類(lèi)、土壤環(huán)境、氣候環(huán)境以及灌溉水層時(shí)間有關(guān)，需重點(diǎn)進(jìn)行研究驗(yàn)證。因此，必須結(jié)合不同地區(qū)情況，對(duì)有機(jī)水稻覆膜栽培農(nóng)藝要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，緊密聯(lián)系實(shí)際需求，進(jìn)一步加強(qiáng)水田覆膜機(jī)具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。綜上所述，進(jìn)一步推進(jìn)水稻覆膜栽培模式下農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝協(xié)調(diào)發(fā)展、相互適應(yīng)，是提高水稻覆膜栽培技術(shù)綜合效益的基礎(chǔ)。

3.2 深入研究植物纖維基地膜物理、化學(xué)特性與制備工藝優(yōu)化

國(guó)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(kāi)了相關(guān)研究，但是對(duì)膜料特性和制備工藝優(yōu)化等方面的研究有待于進(jìn)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(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生廢水、廢渣等，直接排放會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成二次污染，應(yīng)對(duì)廢棄物進(jìn)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(dǎo)致植物纖維降解膜普遍高于其他降解地膜。因此，需改進(jìn)植物纖維基降解材料的合成技術(shù)或政府給予一定補(bǔ)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(xué)特性。植物纖維基降解膜在使用過(guò)程中存在韌性較低、厚度較大、耐水性能差、缺口撕裂強(qiáng)度差、回潮率高、降解速度過(guò)快、增溫效果不明顯等問(wèn)題，須改善其物理、化學(xué)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(guó)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(jī)具的通用性并加強(qiáng)關(guān)鍵部件的理論研究

利用水稻覆膜機(jī)具實(shí)施水稻覆膜栽培作業(yè)的過(guò)程中，涉及多個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)。為保證插秧覆膜質(zhì)量、提高機(jī)具聯(lián)合作業(yè)能力及通用化程度，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)鍵部件的理論研究并提升覆膜機(jī)具適用范圍。(1)加強(qiáng)覆膜機(jī)具浮動(dòng)裝置和同步預(yù)開(kāi)孔裝置的理論研究。水稻覆膜機(jī)具作業(yè)時(shí)浮動(dòng)仿形裝置可使覆膜機(jī)具隨地表進(jìn)行仿形，提高覆膜機(jī)具作業(yè)能力，但鮮有報(bào)道相關(guān)研究且浮動(dòng)仿形機(jī)制、本構(gòu)特征、運(yùn)動(dòng)軌跡等理論還需進(jìn)一步研究。覆膜機(jī)具的同步預(yù)開(kāi)孔裝置，可在插秧作業(yè)前在地膜上開(kāi)孔，使秧苗順利栽入泥漿中，降低了傷苗率和漏插率，國(guó)內(nèi)對(duì)地膜預(yù)開(kāi)孔裝置雖有一定的理論基礎(chǔ)，但應(yīng)用實(shí)際作業(yè)的較少。(2)重視秧針?lè)蓝卵b置的研究。在水稻覆膜機(jī)具作業(yè)時(shí)，因水稻覆膜栽培技術(shù)在覆膜時(shí)須保持田間為寸水狀態(tài)，導(dǎo)致秧針易被泥土堵塞，取秧不暢。因此，應(yīng)重視秧針?lè)蓝卵b置的研究。(3)加快研究適用于水稻缽體苗插秧機(jī)的覆膜機(jī)具。因缽體苗插秧機(jī)不傷根、不傷苗、無(wú)返青期、秧齡彈性大、增產(chǎn)效果顯著，是未來(lái)水稻栽植機(jī)械化技術(shù)研究的重點(diǎn)，而與其配套的覆膜機(jī)具卻鮮有相關(guān)研究和報(bào)道。因此，應(yīng)加快對(duì)缽體苗覆膜插秧機(jī)的研制。(4)研制可配套側(cè)深施肥插秧機(jī)的水稻覆膜機(jī)具。側(cè)深施肥插秧機(jī)可降低肥料使用量，同時(shí)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(jī)的推廣。因此，應(yīng)研制與其配套的覆膜機(jī)具，提高機(jī)具適用性。目前，水稻高速覆膜插秧聯(lián)合作業(yè)機(jī)具的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度較低，機(jī)具的適應(yīng)性有待提高。應(yīng)針對(duì)不同區(qū)域土壤特性、品種類(lèi)別以及技術(shù)需求的差異，進(jìn)一步完善水稻覆膜作業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)理論，優(yōu)化改進(jìn)機(jī)具關(guān)鍵部件與結(jié)構(gòu)，集成先進(jìn)技術(shù)，提高覆膜機(jī)具的適應(yīng)性和可靠性，逐步研制與區(qū)域多樣性相適應(yīng)的核心部件與機(jī)具將是下一步研究的重點(diǎn)。

3.4 提高水稻覆膜機(jī)具自動(dòng)化、智能化水平

為適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展和不同有機(jī)稻區(qū)的需求，水稻覆膜機(jī)具向著多功能、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，如自動(dòng)抻膜、自動(dòng)斷膜、自動(dòng)導(dǎo)航、作業(yè)信息采集、集成側(cè)身施肥功能等。

4 結(jié)束語(yǔ)

以水稻覆膜插秧機(jī)械化為基礎(chǔ)的水稻覆膜栽培技術(shù)，在提升大米品質(zhì)的同時(shí)，能夠降低化學(xué)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(shí)，可保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)文明建設(shè)；保證當(dāng)前優(yōu)質(zhì)大米有效供給的同時(shí)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

提升對(duì)水稻覆膜機(jī)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(qiáng)水稻覆膜栽培技術(shù)基礎(chǔ)研究和技術(shù)儲(chǔ)備水平是水稻覆膜栽培技術(shù)發(fā)展的保障。推進(jìn)水稻覆膜栽培模式下農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝深度融合，重點(diǎn)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(jī)具。逐步形成科學(xué)合理的覆膜栽培技術(shù)體系，是實(shí)現(xiàn)有機(jī)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。