方 旭，靳 偉，張學(xué)軍，羅 凱

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

自20紀(jì)70年代以來，地膜種植技術(shù)由日本、美國和歐洲國家傳入我國[1]，起初用于蔬菜、棉花等經(jīng)濟(jì)作物小面積種植。20世紀(jì)80年代末開始，由于地膜可以起到保溫、護(hù)苗、抑制雜草生長和改善土壤結(jié)構(gòu)等非常有利的作用，給農(nóng)民帶來了經(jīng)濟(jì)效益的巨大提高，因而地膜種植技術(shù)迅速在全國推廣開來[2-4]。目前，我國在地膜使用面積和使用量上躍居全世界首位，尤其在東北、西北等地區(qū)，地膜覆蓋種植技術(shù)趨于成熟，應(yīng)用十分廣泛。但是，長時間、大規(guī)模地使用地膜，土壤中逐年存留了大量的殘膜，這些殘膜大多是由工業(yè)原料聚乙烯或聚氯乙烯制造的，在土壤中需要數(shù)百年才能被降解，造成了極為嚴(yán)重的“白色污染”[5-9]。殘膜對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大的危害，容易引起土壤板結(jié)、爛苗，直接引起減產(chǎn)減收及減少農(nóng)民收入的后果[10]。

解決殘舊地膜污染主要有3種方式：一是人工撿拾，這種方式不僅勞民傷財(cái)，且效率很低、撿拾不凈；二是使用降解膜，可有效地解決污染問題，但是材料昂貴，推廣起來較為困難；三是機(jī)械化回收，既能解決人工撿拾的缺點(diǎn)，又比可降解膜經(jīng)濟(jì)。因此，解決殘膜污染難題的主要著眼點(diǎn)還是在于機(jī)械回收[11-15]。

在機(jī)械化回收過程中，殘膜的力學(xué)性能是影響回收效率的重要因素之一，不同覆膜時間、不同地膜厚度及不同耕層深度的力學(xué)性能都有很大不同[16-17]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

按照聚乙烯農(nóng)用地膜標(biāo)準(zhǔn)(GB 13735-1992)和棉花種植要求，分別在3塊各3.2hm2的棉花地上鋪放厚度為0.010、0.014、0.018mm厚度的地膜進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)材料選擇烏魯木齊亞鵬蘭化塑料制品有限公司制造的農(nóng)用地膜。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將試驗(yàn)材料依照棉花種植要求鋪放在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師六團(tuán)的棉花地上，并于90、120、150d分別取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，比較不同時間、厚度相同和不同厚度、時間相同條件下的殘膜力學(xué)性能[18-19]。為了研究不同耕層深度的殘膜力學(xué)性能關(guān)系，在棉花收獲后對土地進(jìn)行耕作，并于次年3月下旬取出不同耕層深度的殘膜，研究其力學(xué)性能。

1.3 試驗(yàn)方法

按照薄膜性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.3-2006中第3部分(薄膜與薄片試驗(yàn)條件)[20]要求，對試驗(yàn)材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，將取得的試驗(yàn)材料用標(biāo)準(zhǔn)裁刀制備成試驗(yàn)拉伸試樣，要求試樣光滑無缺口、無肉眼可見缺陷，平行于滴灌帶方向?yàn)榭v向拉伸，垂直于滴灌帶方向?yàn)闄M向拉伸，如圖1所示。

圖1 地膜拉伸試樣

圖1中，L0為標(biāo)距長度，50mm；L1為窄邊平行長度，60mm；L為夾具間初始長度，115mm；L3為總長度，150mm；b1為窄平行部分長度，10mm；b2為寬平行部分長度，20mm。

采用CMT6103電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 地表殘膜力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

為了研究不同時間、不同厚度的殘膜力學(xué)性能，在符合作物耕作要求的前提下，選取3種厚度分別為0.010、0.014、0.018mm的地膜，并在鋪放時間分別為60、90、120d時取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

2.2 耕層內(nèi)殘膜力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

耕層殘膜回收是殘膜回收中最難最關(guān)鍵的部分，耕層殘膜的力學(xué)性能至關(guān)重要。因此，分別收集耕層深度為0～100mm、100～200mm的殘膜取樣試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

圖2 電子萬能試驗(yàn)機(jī)

表1 地表殘膜試驗(yàn)結(jié)果

表2 耕層內(nèi)殘膜試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 地表殘膜力學(xué)性能分析

3.1.1 不同時間殘膜力學(xué)性能分析

如圖3所示：與覆膜時間90d的殘膜相比，覆膜時間為120d且厚度分別為0.010、0.014、0.018mm殘膜的最大縱向拉伸負(fù)載荷分別低0.629、0.275、0.212N,斷裂伸長率分別低92.889%、-13.951%、8.692%，最大橫向拉伸負(fù)載荷分別低0.143、0.177、0.142N，斷裂伸長率分別低26.97%、6.492%、12.984%；覆膜時間為150d且厚度分別為0.010、0.014、0.018mm殘膜的最大縱向拉伸負(fù)載荷分別低0.698、0.394、0.384N，斷裂伸長率分別低67.377%、15.742%、15.071%，最大橫向拉伸負(fù)載荷分別低0.698、0.275、0.172N，斷裂伸長率分別低67.377%、15.732%、15.071%。

由圖3(a)可知：覆膜時間相同時，地膜的最大縱向拉伸負(fù)載荷和最大拉伸負(fù)載荷隨著地膜厚度的增加均會變大。其中，厚度為0.014mm的地膜變化率最大，增幅為40.913%。由圖3(b)可知：覆膜時間相同時，隨著地膜厚度的增加，地膜的斷裂伸長率均會減小，其縱向拉伸的斷裂伸長率降幅大于橫向拉伸。覆膜時間為90d、厚度為0.014mm的殘膜縱向斷裂伸長率為225.673%，明顯大于其他實(shí)驗(yàn)組。

圖3 不同時間殘膜力學(xué)性能變化

3.1.2 不同厚度殘膜力學(xué)性能分析

如圖4所示：與厚度為0.010mm的殘膜相比，厚度為0.014mm的殘膜在90、120、150d時縱向最大拉伸負(fù)載荷分別大0.102、0.544、0.406N，斷裂伸長率分別高-151.696%、-44.856%、100.061%，橫向最大拉伸負(fù)載荷分別大0.327、0.293、0.360N，斷裂伸長率分別高-8.389%、2.089%、2.789%；厚度為0.018mm的殘膜在90、120、150d時縱向最大拉伸負(fù)載荷分別大0.443、0.860、0.757N，斷裂伸長率分別高-16.176%、-2.190%、1.192%，橫向最大拉伸負(fù)載荷分別大0.465、0.466、0.558N，斷裂伸長率分別大-16.176、-2.19%、1.192%。

由圖4(a)可知：地膜厚度相同時，地膜的最大拉伸負(fù)載荷會隨著覆膜時間的增加而減??；厚度為0.018mm的地膜縱向拉伸最大拉伸負(fù)載荷明顯大于其他試驗(yàn)組，且在覆膜時間為150d時其最大拉伸負(fù)載荷仍比較高。由圖4(b)可知：地膜的斷裂伸長率隨地膜的厚度增加而不斷減小，其中厚度為0.010mm的地膜縱向拉伸試驗(yàn)的斷裂伸長率遠(yuǎn)高于其它試驗(yàn)組。查閱資料可知：地膜的厚度越厚，缺陷越多，在拉伸試驗(yàn)時越容易過早地?cái)嗔选Ｔ谠囼?yàn)中，地膜受風(fēng)沙侵蝕、紫外線照射等外部因素影響，地膜中缺陷不斷增加。因此，厚度一定時覆膜時間越久的地膜斷裂伸長率越小。

3.2 耕層內(nèi)殘膜力學(xué)性能分析

如圖5所示：與100～200mm耕層深度相比，0～100mm耕層深度內(nèi)厚度分別為0.010、0.014、0.018mm的殘膜縱向最大拉伸載荷分別大0.212、0.364、0.291N，斷裂伸長率分別大96.602%、113.557%、46.253%；橫向最大拉伸負(fù)載荷分別大0.222、0.364、1.183N，斷裂伸長率分別大28.448%、17.003%、21.058%。

由圖5(a)可知：相比深層土壤而言，淺層土壤中的殘膜拉伸負(fù)載荷略大一些。地膜的力學(xué)性能與地膜厚度的增加總體上來說成正相關(guān)關(guān)系，只有在0～100mm耕層中厚度為0.018的殘膜拉伸負(fù)載荷小于0.014mm殘膜拉伸負(fù)載荷。由圖5(b)可知：耕層內(nèi)殘膜的縱向拉伸斷裂伸長率大于橫向拉伸斷裂伸長率，淺層土壤中的殘膜拉伸斷裂伸長率略高于深層土壤中殘膜的拉伸斷裂伸長率?？偟膩碚f，殘膜斷裂伸長率與殘膜厚度增加成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 不同厚度殘膜力學(xué)性能變化

圖5 耕層內(nèi)殘膜力學(xué)性能變化

3.3 地表與耕層內(nèi)殘膜力學(xué)性能對比分析

如圖6所示：與地表殘膜相比，耕層中殘膜最大拉伸負(fù)載荷和斷裂伸長率都有所增加。耕層中，殘膜在使用過程中的力學(xué)性能一直在下降，而且在耕作時受到不同程度的破壞，但在土壤里數(shù)月后力學(xué)性能反而增強(qiáng)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是冬季殘膜冷作硬化，再加上土壤的保護(hù)，使得殘膜力學(xué)性能變強(qiáng)。深層殘膜較淺層殘膜的力學(xué)性能有所下降，其主要原因是深層殘膜受到土壤降解與微生物作用較明顯，使得淺層殘膜力學(xué)性能要比深層殘膜力學(xué)性能好。

圖6 地表與耕層內(nèi)殘膜力學(xué)性能變化對比

4 結(jié)論

1)地膜厚度越大，其最大拉伸負(fù)載荷越大，斷裂伸長率越小。地膜鋪放時間為90d時，0.018mm地膜較0.010mm地膜縱向拉伸負(fù)載荷增加了35.39%，但斷裂伸長率減小了71.47%。

2)表層殘膜厚度一定時，鋪放時間越長，地膜力學(xué)性能下降越明顯；鋪放時間一定時，地膜的力學(xué)性能隨厚度的增加而加大。

3)耕層內(nèi)殘膜在寒冷的冬天經(jīng)過冷作硬化， 其力學(xué)性能要高于表層殘膜。淺層土壤中，殘膜力學(xué)性能優(yōu)于深層土壤中殘膜。

4)殘膜縱向拉伸負(fù)載荷遠(yuǎn)大于橫向拉伸負(fù)載荷，因此在殘膜回收機(jī)械的設(shè)計(jì)中回收機(jī)構(gòu)應(yīng)沿著地膜縱向方向回收。

5)綜合考慮最大拉伸負(fù)載荷與斷裂伸長率，為了便于殘膜的回收，應(yīng)該優(yōu)先采用厚度為0.014mm的地膜。