农用地膜力学性能试验与分析

方 旭，靳 伟，张学军，罗 凯

(新疆农业大学 机电工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

自20纪70年代以来，地膜种植技术由日本、美国和欧洲国家传入我国[1]，起初用于蔬菜、棉花等经济作物小面积种植。20世纪80年代末开始，由于地膜可以起到保温、护苗、抑制杂草生长和改善土壤结构等非常有利的作用，给农民带来了经济效益的巨大提高，因而地膜种植技术迅速在全国推广开来[2-4]。目前，我国在地膜使用面积和使用量上跃居全世界首位，尤其在东北、西北等地区，地膜覆盖种植技术趋于成熟，应用十分广泛。但是，长时间、大规模地使用地膜，土壤中逐年存留了大量的残膜，这些残膜大多是由工业原料聚乙烯或聚氯乙烯制造的，在土壤中需要数百年才能被降解，造成了极为严重的“白色污染”[5-9]。残膜对农业生产造成了巨大的危害，容易引起土壤板结、烂苗，直接引起减产减收及减少农民收入的后果[10]。

解决残旧地膜污染主要有3种方式：一是人工捡拾，这种方式不仅劳民伤财，且效率很低、捡拾不净；二是使用降解膜，可有效地解决污染问题，但是材料昂贵，推广起来较为困难；三是机械化回收，既能解决人工捡拾的缺点，又比可降解膜经济。因此，解决残膜污染难题的主要着眼点还是在于机械回收[11-15]。

在机械化回收过程中，残膜的力学性能是影响回收效率的重要因素之一，不同覆膜时间、不同地膜厚度及不同耕层深度的力学性能都有很大不同[16-17]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

按照聚乙烯农用地膜标准(GB 13735-1992)和棉花种植要求，分别在3块各3.2hm2的棉花地上铺放厚度为0.010、0.014、0.018mm厚度的地膜进行试验。试验材料选择乌鲁木齐亚鹏兰化塑料制品有限公司制造的农用地膜。

1.2 试验设计

将试验材料依照棉花种植要求铺放在新疆生产建设兵团农一师六团的棉花地上，并于90、120、150d分别取样进行拉伸试验，比较不同时间、厚度相同和不同厚度、时间相同条件下的残膜力学性能[18-19]。为了研究不同耕层深度的残膜力学性能关系，在棉花收获后对土地进行耕作，并于次年3月下旬取出不同耕层深度的残膜，研究其力学性能。

1.3 试验方法

按照薄膜性能试验标准GB/T 1040.3-2006中第3部分(薄膜与薄片试验条件)[20]要求，对试验材料进行力学性能试验，将取得的试验材料用标准裁刀制备成试验拉伸试样，要求试样光滑无缺口、无肉眼可见缺陷，平行于滴灌带方向为纵向拉伸，垂直于滴灌带方向为横向拉伸，如图1所示。

图1 地膜拉伸试样

图1中，L0为标距长度，50mm；L1为窄边平行长度，60mm；L为夹具间初始长度，115mm；L3为总长度，150mm；b1为窄平行部分长度，10mm；b2为宽平行部分长度，20mm。

采用CMT6103电子万能试验机进行试验，如图2所示。

2 试验结果

2.1 地表残膜力学性能试验结果

为了研究不同时间、不同厚度的残膜力学性能，在符合作物耕作要求的前提下，选取3种厚度分别为0.010、0.014、0.018mm的地膜，并在铺放时间分别为60、90、120d时取样进行拉伸试验，结果如表1所示。

2.2 耕层内残膜力学性能试验结果

耕层残膜回收是残膜回收中最难最关键的部分，耕层残膜的力学性能至关重要。因此，分别收集耕层深度为0～100mm、100～200mm的残膜取样试验，结果如表2所示。

图2 电子万能试验机

表1 地表残膜试验结果

表2 耕层内残膜试验结果

3 结果分析

3.1 地表残膜力学性能分析

3.1.1 不同时间残膜力学性能分析

如图3所示：与覆膜时间90d的残膜相比，覆膜时间为120d且厚度分别为0.010、0.014、0.018mm残膜的最大纵向拉伸负载荷分别低0.629、0.275、0.212N,断裂伸长率分别低92.889%、-13.951%、8.692%，最大横向拉伸负载荷分别低0.143、0.177、0.142N，断裂伸长率分别低26.97%、6.492%、12.984%；覆膜时间为150d且厚度分别为0.010、0.014、0.018mm残膜的最大纵向拉伸负载荷分别低0.698、0.394、0.384N，断裂伸长率分别低67.377%、15.742%、15.071%，最大横向拉伸负载荷分别低0.698、0.275、0.172N，断裂伸长率分别低67.377%、15.732%、15.071%。

由图3(a)可知：覆膜时间相同时，地膜的最大纵向拉伸负载荷和最大拉伸负载荷随着地膜厚度的增加均会变大。其中，厚度为0.014mm的地膜变化率最大，增幅为40.913%。由图3(b)可知：覆膜时间相同时，随着地膜厚度的增加，地膜的断裂伸长率均会减小，其纵向拉伸的断裂伸长率降幅大于横向拉伸。覆膜时间为90d、厚度为0.014mm的残膜纵向断裂伸长率为225.673%，明显大于其他实验组。

图3 不同时间残膜力学性能变化

3.1.2 不同厚度残膜力学性能分析

如图4所示：与厚度为0.010mm的残膜相比，厚度为0.014mm的残膜在90、120、150d时纵向最大拉伸负载荷分别大0.102、0.544、0.406N，断裂伸长率分别高-151.696%、-44.856%、100.061%，横向最大拉伸负载荷分别大0.327、0.293、0.360N，断裂伸长率分别高-8.389%、2.089%、2.789%；厚度为0.018mm的残膜在90、120、150d时纵向最大拉伸负载荷分别大0.443、0.860、0.757N，断裂伸长率分别高-16.176%、-2.190%、1.192%，横向最大拉伸负载荷分别大0.465、0.466、0.558N，断裂伸长率分别大-16.176、-2.19%、1.192%。

由图4(a)可知：地膜厚度相同时，地膜的最大拉伸负载荷会随着覆膜时间的增加而减小；厚度为0.018mm的地膜纵向拉伸最大拉伸负载荷明显大于其他试验组，且在覆膜时间为150d时其最大拉伸负载荷仍比较高。由图4(b)可知：地膜的断裂伸长率随地膜的厚度增加而不断减小，其中厚度为0.010mm的地膜纵向拉伸试验的断裂伸长率远高于其它试验组。查阅资料可知：地膜的厚度越厚，缺陷越多，在拉伸试验时越容易过早地断裂。在试验中，地膜受风沙侵蚀、紫外线照射等外部因素影响，地膜中缺陷不断增加。因此，厚度一定时覆膜时间越久的地膜断裂伸长率越小。

3.2 耕层内残膜力学性能分析

如图5所示：与100～200mm耕层深度相比，0～100mm耕层深度内厚度分别为0.010、0.014、0.018mm的残膜纵向最大拉伸载荷分别大0.212、0.364、0.291N，断裂伸长率分别大96.602%、113.557%、46.253%；横向最大拉伸负载荷分别大0.222、0.364、1.183N，断裂伸长率分别大28.448%、17.003%、21.058%。

由图5(a)可知：相比深层土壤而言，浅层土壤中的残膜拉伸负载荷略大一些。地膜的力学性能与地膜厚度的增加总体上来说成正相关关系，只有在0～100mm耕层中厚度为0.018的残膜拉伸负载荷小于0.014mm残膜拉伸负载荷。由图5(b)可知：耕层内残膜的纵向拉伸断裂伸长率大于横向拉伸断裂伸长率，浅层土壤中的残膜拉伸断裂伸长率略高于深层土壤中残膜的拉伸断裂伸长率。总的来说，残膜断裂伸长率与残膜厚度增加成负相关关系。

图4 不同厚度残膜力学性能变化

图5 耕层内残膜力学性能变化

3.3 地表与耕层内残膜力学性能对比分析

如图6所示：与地表残膜相比，耕层中残膜最大拉伸负载荷和断裂伸长率都有所增加。耕层中，残膜在使用过程中的力学性能一直在下降，而且在耕作时受到不同程度的破坏，但在土壤里数月后力学性能反而增强。造成这一现象的主要原因是冬季残膜冷作硬化，再加上土壤的保护，使得残膜力学性能变强。深层残膜较浅层残膜的力学性能有所下降，其主要原因是深层残膜受到土壤降解与微生物作用较明显，使得浅层残膜力学性能要比深层残膜力学性能好。

图6 地表与耕层内残膜力学性能变化对比

4 结论

1)地膜厚度越大，其最大拉伸负载荷越大，断裂伸长率越小。地膜铺放时间为90d时，0.018mm地膜较0.010mm地膜纵向拉伸负载荷增加了35.39%，但断裂伸长率减小了71.47%。

2)表层残膜厚度一定时，铺放时间越长，地膜力学性能下降越明显；铺放时间一定时，地膜的力学性能随厚度的增加而加大。

3)耕层内残膜在寒冷的冬天经过冷作硬化， 其力学性能要高于表层残膜。浅层土壤中，残膜力学性能优于深层土壤中残膜。

4)残膜纵向拉伸负载荷远大于横向拉伸负载荷，因此在残膜回收机械的设计中回收机构应沿着地膜纵向方向回收。

5)综合考虑最大拉伸负载荷与断裂伸长率，为了便于残膜的回收，应该优先采用厚度为0.014mm的地膜。