新疆棉田殘膜殘留量及相關特性的測定試驗研究

靳 偉，張學軍*，鄢金山，史增錄，李超新

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計實驗室，新疆烏魯木齊 830052)

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新疆棉田殘膜殘留量及相關特性的測定試驗研究

靳 偉1，2，張學軍1，2*，鄢金山1，2，史增錄1，2，李超新1，2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計實驗室，新疆烏魯木齊 830052)

目前地膜成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必備資源，田間殘留大量的地膜，破壞了生態(tài)環(huán)境、阻礙了農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，成為亟需解決的難題。現(xiàn)階段殘膜回收的技術不成熟、殘膜回收設備存在的問題較多，研究殘膜在棉田土壤中的分布情況及相關特性對殘膜回收機具的設計至關重要。以新疆昌吉市大西渠鎮(zhèn)和阿克蘇6團作為研究對象，分別測定兩地區(qū)棉田中殘膜的分布情況、拉伸特性、殘留量以及懸浮特性，為撿膜機理的研究與新型殘膜回收機的設計提供理論基礎和依據(jù)。

殘膜；殘留量；特性；測定試驗；新疆

地膜覆蓋作物栽培技術推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，具有節(jié)水增溫、抗旱保墑、抑制田間雜草、提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)等優(yōu)點，提高了農(nóng)民的收入和生活水平。但地膜的主要成分為聚乙烯，自然條件下自行降解困難，大約需要200～400年才能完全降解。相關專項調(diào)研表明，目前累積在田間與溝渠中的殘膜大約百萬噸以上，且每年仍在繼續(xù)大量增加。殘膜在土壤中形成了薄膜隔離層，破壞了生態(tài)環(huán)境，阻礙了農(nóng)作物對水分和養(yǎng)分的吸收和利用，致使種子發(fā)芽率低、作物出苗率不高、幼苗大量腐爛最終死亡，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)。田間土壤中的地膜、秸稈和根茬纏繞農(nóng)機具，導致機具主要工作部件被卡死，使農(nóng)機具不能正常作業(yè)或者降低田間作業(yè)效果，回收農(nóng)田中的殘膜已迫在眉睫[1-3]。

目前由于殘膜回收技術不成熟、回收殘膜的設備研制困難、機具復雜且故障率高、殘膜回收成本與收益間存在一定的問題，阻礙了機械化回收殘膜的進程。在研制機具前，需對土壤中的殘膜分布、破碎程度、相關特性進行試驗測定，掌握這些試驗數(shù)據(jù)和理論基礎作為依據(jù)才能更好地設計出新型的殘膜回收設備，解決殘膜難回收、污染環(huán)境的問題[2-5]。

1 新疆棉花種植模式及殘膜分布狀況

1.1 新疆棉花機械化種植3種模式目前新疆的絕大部分棉花種植及收獲實現(xiàn)了全程機械化，采用膜下滴灌農(nóng)藝技術(圖1)，降低了生產(chǎn)成本，減輕勞動強度，提高了農(nóng)民的經(jīng)濟收入和生活質(zhì)量，棉農(nóng)的夢想得以實現(xiàn)[6]。據(jù)相關部門的統(tǒng)計，2013年新疆種植棉花的總面積達到169萬hm2，新疆棉花的總產(chǎn)量達到340萬t；棉花種植的面積與產(chǎn)量連續(xù)20年全國排名第一，棉花的總產(chǎn)量占全國50%以上；棉花創(chuàng)造的經(jīng)濟占農(nóng)民收入的40%左右，南疆占得比例更高達60%以上[7]。

由于膜下滴灌技術具有節(jié)水、防止土壤板結、養(yǎng)分利用率高、增產(chǎn)、費用低等優(yōu)點被大面積廣泛推廣應用于棉花、玉米等作物。膜下滴灌技術將覆膜技術與滴灌技術相結合，即膜下發(fā)揮滴灌的優(yōu)勢，是一種新型農(nóng)藝節(jié)水工程[8]。為了符合采棉機的作業(yè)要求，推進農(nóng)業(yè)機械化進程，棉花種植必須統(tǒng)一而且規(guī)范，主要有3種種植模式(圖2)。棉花覆膜種植的模式不同對殘膜回收機的結構參數(shù)影響很大，設計殘膜回收裝備時應該以其種植模式作為依據(jù)，才能研制出更好的新型殘膜回收機[9-10]。圖2a為(100+660+100+660+600)mm模式，即2根滴灌帶給6行棉花供水。由于受采棉機結構尺寸的限制，a種模式被大面積推廣，種植最為廣泛。圖2b為(200+400+200+600)mm模式，即1根滴灌帶給4行棉花供水，相鄰兩膜的距離為600 mm。圖2c為(300+600+300+600)mm，即1根滴灌帶給2行棉花供水，相鄰兩膜的距離為600 mm。種植模式的不同決定了殘膜撿拾機構的結構尺寸，尤其對于苗期殘膜回收設備的設計最為重要，避免造成傷苗、撿拾不干凈的問題。

1.2 棉田不同耕層深度殘膜殘留量的測定試驗該試驗地點在新疆阿克蘇6團和昌吉大西渠鎮(zhèn)的棉田中進行，隨機選取5個測量點，每個點的面積為1 m2。把面積為1 m2的模具框架放入土壤中，如圖3所示，分別將耕層深度為0～10、10～20、20～30 cm內(nèi)的殘膜用篩網(wǎng)取出來，裝入塑料袋，然后洗凈、曬干并稱重，試驗測量結果如表1和表2所示。

由表1可知，0～10 cm耕層內(nèi)的殘膜量最多，10～20 cm耕層內(nèi)的殘膜量比地表10 cm內(nèi)含量低，20～30 cm耕層內(nèi)的殘膜含量相對較低；如果不及時回收當年地膜，隨著鋪膜種植年限的增加，耕層內(nèi)的殘膜量會不斷增加，地膜破碎加大撿拾難度[11]。一般情況下，對耕層20 cm以下的殘膜回收難度大且成本很高，所以應對表層10 cm內(nèi)的殘膜進行機械化撿拾。連續(xù)幾年的撿拾作業(yè)會使田間殘膜量逐年降低，最終解決殘膜污染問題。

表1 新疆阿克蘇6團棉田殘膜的殘留量 g/m2

表2 新疆昌吉大西渠鎮(zhèn)棉田殘膜的殘留量 g/m2

由表1和表2可知，棉田中的殘膜在耕層中分布不均勻，新疆阿克蘇6團棉田中的殘膜量高于新疆昌吉大西渠鎮(zhèn)地區(qū)；新疆田間殘膜量很高，高于全國平均水平5倍左右，殘膜污染狀況較嚴重，需及時清除土壤中的地膜；新疆阿克蘇6團棉田30 cm內(nèi)殘膜量為35.10 g/m2，新疆昌吉大西渠鎮(zhèn)棉田30 cm內(nèi)殘膜量為30.16 g/m2；地面表層10 cm的殘膜量較多且回收相對較容易，所以對土壤表層的殘膜進行機械化回收是研究回收問題的關鍵。

2 殘膜相關特性的測定試驗

2.1 殘膜懸浮特性的試驗研究殘膜回收機卸膜作業(yè)產(chǎn)生的氣流對殘膜碎片產(chǎn)生的作用很大，直接決定殘膜能否被刷到殘膜回收箱中，所以對影響殘膜懸浮特性的因素進行研究至關重要。殘膜懸浮特性的試驗主要研究懸浮速度與殘膜面積和質(zhì)量之間的關系，如表3所示。由于懸浮速度受到很多因素的影響，直接測量殘膜的懸浮速度較為困難。該試驗借助懸浮速度測量儀器進行試驗測量，圖4為測量儀器的結構示意圖，測量殘膜懸浮速度的大小與殘膜碎片面積和質(zhì)量的關系，為卸膜裝置的設計與制造提供基本的理論基礎[10-13]。

在做懸浮速度與殘膜質(zhì)量關系的試驗前，將試驗殘膜折疊成10 mm的塊狀進行懸浮試驗。根據(jù)表3可知，殘膜的懸浮速度與其自身的面積的相關性較小，即兩者之間沒有明顯的關系；殘膜的懸浮速度與其自身的質(zhì)量有著密切關系，懸浮速度隨質(zhì)量的增大而增大，質(zhì)量越大，殘膜懸浮速度越大。

2.2 殘膜拉伸特性試驗測量殘膜拉伸特性對于更好地設計撿膜及卸膜裝置有很重要的意義，機具作業(yè)的前進速度也與殘膜拉伸特性有密切關系。利用拉力測量儀器測量3種不同厚度殘膜的最大拉力和延伸狀況[12-13]。

由表4可知，殘膜殘留年限越小，拉力越大、延伸率也越大；提高地膜厚度可降低殘膜回收難度，有利于殘膜的機械化回收作業(yè)；若殘膜破損、風化，拉斷殘膜的力就會急劇降低，

殘膜迅速被撕裂，機械化回收較困難。

表3 殘膜的懸浮速度與其面積和質(zhì)量的關系試驗

表4 殘膜拉伸特性試驗結果

3 結論

0～10 cm耕層內(nèi)的殘膜量最多，10～20 cm耕層內(nèi)的殘膜量比地表10 cm內(nèi)含量低，20～30 cm耕層內(nèi)的殘膜量相對較低。新疆阿克蘇6團棉田中的殘膜量高于新疆昌吉大西渠鎮(zhèn)地區(qū)，新疆田間殘膜量高于全國平均水平5倍左右。殘膜懸浮速度與其自身的面積沒有明顯的關系，與其自身的質(zhì)量有密切關系。殘膜殘留年限越小，拉力越大、延伸率也越大。

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Experiment and Study on the Relevant Features and Amount of Residuum for Film in Xinjiang Cotton Fields

JIN Wei1,2, ZHANG Xue-jun1,2*, YAN Jin-shan1,2et al

(1. College of Mechanical and Traffic, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052; 2. Laboratory for Agricultural Engineering Equipment Innovative Design of Xinjiang, Urumqi, Xinjiang 830052)

The film became the essential resources of agricultural production. Field had a large amount of film residue, destroying the ecological environment, hindering the rapid development of agriculture. These problems become to be solved urgently. Residual film recycling technology is not mature and the problems existing in the present stage membrane recycling equipment are more. Studying the distribution of membrane in the cotton field and related characteristics of residual film to recycling machine design is prime importance. The determination of test in Daxiqu Town, Changji City, Xinjiang Province and Aksu 6 group as the research object, the distribution of the residual film in two areas cotton field, tensile properties, residues and the characteristics of suspension were determined, these tests provide theoretical basis for membrane picking up mechanism research and design of new type of residual film recycling machine.

Residual film; Amount of residuum; Feature; Determination test; Xinjiang

國家農(nóng)業(yè)科技成果轉化資金項目(2013G4109001)。

靳偉(1987- )，男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向：機構設計與試驗研究。*通訊作者，教授，博士，碩士生導師，從事機械設計與理論研究。

2014-12-02

S 233.5

A

0517-6611(2015)02-238-02