殘地膜力學性能試驗與分析

謝建華　張鳳賢　楊業(yè)龍

摘要：為了研究不同覆膜時間、不同地膜厚度和不同覆膜季節(jié)對地膜力學性能的影響，對厚度分別為0.006、0010、0.014 mm等3種聚乙烯地膜進行力學性能試驗，得到3種殘地膜在夏季分別覆膜60、100 d時的拉伸載荷和斷裂伸長率；并對厚度為0.006 mm的地膜在冬季和夏季2個不同季節(jié)時的力學性能進行對比。結果表明：厚度相同的地膜力學性能隨覆膜時間的延長，不斷下降；相同覆膜時間、不同厚度地膜的拉伸載荷隨厚度的增加而增大；不同覆膜季節(jié)、厚度相同（0.006 mm）的地膜的冬季力學性能比夏季力學性能好。

關鍵詞：殘地膜；力學性能；厚度；覆膜時間；殘地膜回收；殘地膜污染治理

中圖分類號： S223.5文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0178-04

我國自20世紀70年代從日本引入地膜覆蓋種植技術，經過幾十年的發(fā)展，地膜覆蓋種植技術在農業(yè)種植各個領域的應用已經趨于成熟[1-2]。地膜覆蓋種植技術給植物提供了較好的生長環(huán)境，起到增溫保墑、保持土壤疏松、改善土壤環(huán)境等作用，大幅提高了農作物產量[3-7]。地膜覆蓋以良好的增產效應逐漸成為國內外主要經濟作物種植方式之一，并取得了較好的社會效益、經濟效益和生態(tài)效益[8]。但是，我國使用的農用地膜多為聚乙烯地膜或聚氯乙烯地膜，其理化性能穩(wěn)定，殘留在土壤中需要幾百年才能降解[9-10]。機械回收地膜不徹底，常年累積的殘膜給農業(yè)帶來了嚴重的“白色污染”[11-13]。在農田殘地膜機械化回收時，回收機本身的性能、殘地膜與殘茬的纏繞、殘地膜與板結土壤的黏結和地膜的拉伸性能都會影響機具的回收率，其中殘地膜自身的力學性能是影響回收率的重要因素之一[14]。為了研究不同厚度、不同覆膜時間和不同覆膜季節(jié)對地膜力學性能的影響，本試驗對夏季覆蓋60、100 d的，厚度為0.006（在GB 13735—1992《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》允許范圍內）、0.010、0.014 mm的3種殘地膜的力學性能進行測試研究；同時，為研究不同覆膜季節(jié)對其力學性能可能帶來的影響，對分別在冬季、夏季田間覆蓋的，厚度為0.006 mm的地膜力學性能進行測試。試驗結果為殘膜回收機的設計提供了理論依據(jù)，為解決殘膜污染問題奠定基礎。

1材料與方法

1.1材料

根據(jù)地膜標準（GB 13735—1992《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》）和對農作物生長周期的要求[12]，選取厚度分別為0.006、0.010、0.014 mm的3種地膜進行試驗。試驗地膜按照作物種植季節(jié)要求（春季鋪設時間為4月初，冬季鋪設時間為10月中旬）鋪設在新疆建設兵團第五師101團的菜地上，比較厚度相同、覆膜時間不同（60、100 d）和覆膜時間相同、厚度不同殘地膜的力學特性[15]。考慮鋪膜季節(jié)對地膜力學性能的影響時，選取厚度為0.006 mm的地膜在冬季田間覆蓋120 d、夏季田間覆蓋100 d后再取樣。

1.2試驗方法

按照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測定第3部分（薄膜與薄片的試驗條件）》對采集的殘地膜試樣進行力學性能試驗[16]。取不同季節(jié)、不同厚度和不同覆膜時間的地膜，制作縱向拉伸試驗、橫向拉伸試驗和直角撕裂拉伸試驗所需試樣各10個并作標記，試樣要保證表面無可見破損，邊緣光滑。縱向和橫向試樣分別取寬為10 mm、長為150 mm，夾持中間部分兩標線距離為100 mm（圖1-a）；直角撕裂試樣形狀取燕尾狀，長度選取100 mm，夾持中間部分標線距離為60 mm[9]（圖1-b）。

1.3試驗過程

試驗儀器選擇CMT6103電子萬能試驗機。在試驗過程中，裝夾殘地膜試樣時不可扭曲，保證表面平展。根據(jù)不同厚度、不同覆膜時間和不同季節(jié)的試驗要求，共進行21組試驗，每組試驗選取10個試樣進行測試，根據(jù)每組有效數(shù)據(jù)計算出試樣拉伸載荷的平均值和斷裂伸長率的平均值。

2試驗結果

2.1夏季殘地膜力學性能試驗結果

在考慮農作物生長周期的前提下，為了得到地膜厚度和覆膜時間對殘地膜力學性能的影響，本試驗對夏季地膜的測試選擇0.006、0.010、0.014 mm等3種不同厚度的地膜，測試其覆膜時間分別為60、100 d時殘地膜的拉伸載荷和斷裂伸長率，試驗結果見表1。

2.2冬季殘地膜力學性能試驗結果

在某些地區(qū)（如西北寒冷干旱地區(qū)），為了促進農作物提早上市，在秋季播種時覆膜保溫。因此，選取覆膜時間為 120 d、厚度為0.006 mm的冬季殘地膜進行力學試驗，試驗結果見表2。

3試驗結果分析

3.1不同覆膜時間殘地膜力學性能變化

如圖2所示，夏季覆膜中，與覆膜100 d相比，覆膜60 d的，厚度分別為0.006、0.010、0.014 mm的殘地膜縱向拉伸載荷值分別為0.288、0.583、0.653 N，橫向拉伸載荷值分別為0.115、0.361、0.923 N，直角撕裂拉伸載荷值分別為0.266、0561、0.706 N；其縱向斷裂伸長率分別高100.003%、64141%、27.013%，橫向斷裂伸長率高11.06%、24.5%、30252%，直角撕裂載荷值分別高37.339%、15.915%、3101%。從圖2-a可看出，相同厚度的殘地膜隨著覆膜時間的延長，縱向拉伸、橫向拉伸和直角撕裂載荷值會下降，且下降趨勢較明顯。從圖2-b可以看出，相同厚度的殘地膜縱向拉伸、橫向拉伸和直角撕裂的斷裂伸長率隨覆膜時間的延長而下降；覆膜時間相同時，隨地膜厚度的增加，斷裂伸長率的變化趨勢是先增后減。

3.2不同厚度殘地膜力學性能變化

如圖3所示，夏季覆膜時間為60 d時，與厚度為 0.006 mm 的殘地膜相比，厚度為0.010 mm的殘地膜縱向拉伸、橫向拉伸和直角撕裂載荷值分別為0.300、0.246、0.611 N，斷裂伸長率分別高10.061%、19.575%、41.336%；與厚度為0.006 mm的殘地膜相比，厚度為0.014 mm的殘地膜縱向拉伸、橫向拉伸和直角撕裂載荷分別為0.901、1.241、endprint

1.16 N，斷裂伸長率分別高-117.442%、18.291%、-4.923%。覆膜時間為100 d時，與厚度為0.006 mm的殘地膜相比，厚度為0.010 mm的殘地膜縱向拉伸、橫向拉伸和直角撕裂載荷值分別為0.005、0.002、0.316 N，斷裂伸長率分別高45.923%、6.135%、62.760%；與厚度為0.008 mm的殘地膜相比，厚度為0.014 mm的殘地膜縱向拉伸、橫向拉伸和直角撕裂載荷值分別為0.536、0.435、0.720 N，斷裂伸長率分別高-44.452%、-4.923%、29.315%。

3.3不同覆膜季節(jié)殘地膜力學性能變化

夏季覆膜主要用于增溫、保墑，一般覆膜時間不超過 100 d，部分作物由于是秋播春出作物，要求覆膜時間長達 120 d。如圖4所示，比較實際厚度為0.006 mm冬季殘膜和夏季殘膜的力學性能，厚度為0.006 mm冬季殘膜縱向拉伸、橫向拉伸和直角撕裂載荷分別比厚度為0.006 mm夏季殘膜大1.043、0.191、0.415 N；斷裂伸長率分別高187.337%、207671%、119.496%。雖然冬季殘地膜在覆膜時間上比夏季殘地膜多20 d，但是在經過寒冷天氣的冷作硬化[17]和積雪的保護，冬季殘地膜縱向拉伸、橫向拉伸和直角撕裂載荷均增大，斷裂伸長率也比夏季覆膜的殘地膜斷裂伸長率明顯要大。

3.4拉伸載荷與拉伸位移的變化

圖5為CMT6103電子萬能試驗機輸出的厚度為 0.006 mm、覆膜時間為100 d殘地膜的拉伸載荷和拉伸位移的關系圖。由圖5-a可知，開始拉伸位移隨著拉伸載荷的增大而緩慢增加，此時殘地膜的拉伸處于彈性變形階段；當拉伸應力接近和達到屈服應力時，載荷增加的速度放緩，位移增加的速度加快，殘地膜發(fā)生明顯的塑性變形。繼續(xù)增加拉伸載荷，達到拉伸斷裂應力時，殘地膜被拉斷， 拉伸載荷與位移曲線呈直線下降。將圖5-b與圖5-a對比可知，殘地膜被拉斷時，橫向所需的拉伸載荷小于縱向拉伸載荷，橫向拉伸位移遠小于縱向拉伸位移。沿縱向拉伸時，殘地膜斷裂形式一般為整體慢慢變細后撕裂或斷裂；橫向拉伸時，殘地膜斷裂形式是快速撕裂或局部變細后快速斷裂，出現(xiàn)這樣現(xiàn)象與地膜的成形機理有關。

從圖6可知，殘地膜在拉伸過程中會出現(xiàn)“白化”現(xiàn)象，產生“白化”現(xiàn)象是因為殘地膜的材料為高分子化合物，當受到應力或微生物破壞時，高分子鏈的內應力被釋放，產生了較多的低分子化合物，在其殘地膜的內部產生微小細紋和孔穴等，經過光的反射發(fā)出漫射光，變成不透明的“白化”部分。厚度為0.010、0.014 mm的殘地膜試樣中出現(xiàn)“白化”現(xiàn)象較多且較為明顯；從圖6-b可知，厚度為0.006 mm的殘地膜試樣中出現(xiàn)“白化”現(xiàn)象較少。

4結論

通過對不同季節(jié)、不同厚度和不同覆膜時間的殘地膜進行力學性能試驗，得到如下結論：（1）厚度相同的地膜隨覆膜時間的增加，其力學性能不斷下降。在夏季覆膜中，覆膜時間為100 d與覆膜時間為60 d相比，厚度分別為0.006、0.010、0.014 mm的殘地膜縱向拉伸載荷分別下降28.458%、44436%、34.135%，橫向拉伸載荷分別下降18.822%、45158%、49.838%，直角撕裂拉伸載荷分別下降36.488%、41.866%、37.177%。（2）相同覆膜時間、不同厚度的殘地膜拉伸載荷隨厚度的增加而增大，厚度為0.010 mm的殘地膜3個方向的斷裂伸長率比厚度為0.006、0.014 mm的殘地膜3個方向的斷裂伸長率高。（3）不同覆膜季節(jié)、厚度相同（0006 mm）的殘地膜冬季力學性能比夏季力學性能好。其中，冬季覆膜120 d的殘地膜縱向拉伸負荷、橫向拉伸負荷和直角撕裂拉伸負荷比夏季覆膜時間為100 d的殘地膜3個方向上的拉伸負荷分別大59.027%、33.624%、47.267%，3個方向上的斷裂伸長率分別高63.310%、88.088%、81.312%。

參考文獻：

[1]李治國，周靜博，張叢，等. 農田地膜污染與防治對策[J]. 河北工業(yè)科技，2015，32（2）：177-182.

[2]謝建華，侯書林，劉英超，等. 殘膜清理回收機具的研究現(xiàn)狀及存在的問題[J]. 中國農機化，2012（5）：41-44.

[3]吳慧，許映飛，韓男，等. 地膜覆蓋對棉花營養(yǎng)土穴盤苗產量及養(yǎng)分吸收的影響[J]. 江蘇農業(yè)科學，2014，42（2）：62-63.

[4]虞利俊，徐磊，唐玉邦，等. 3種可降解地膜的合成及應用展望[J]. 江蘇農業(yè)科學，2013，41（10）：10-11.

[5]嚴昌榮，劉恩科，舒帆，等. 我國地膜覆蓋和殘留污染特點與防控技術[J]. 農業(yè)資源與環(huán)境學報，2014，31（2）：95-102.

[6]康平德，胡強，魯耀，等. 云南麗江典型玉米種植區(qū)地膜殘留研究[J]. 湖南農業(yè)科學，2013（3）：56-58.

[7]焦慶清，常亞蕓，王全有，等. 地膜回收對泰興香荷芋生長發(fā)育及產量和效益的影響[J]. 江蘇農業(yè)科學，2014，42（2）：115-118.

[8]張義，謝永生，郝明德. 不同地表覆蓋方式對蘋果園土壤性狀及果樹生長和效益的影響[J]. 應用生態(tài)學報，2010，21（2）：279-286.

[9]謝建華. 壟作殘膜撿拾及脫卸裝置的研究[D]. 北京：中國農業(yè)大學，2014.

[10]王坤，謝建華，曹曉冉，等. 淺談國內外地膜應用及殘膜回收機的研究現(xiàn)狀[J]. 新疆農機化，2016（3）：22-25.

[11]嚴昌榮，梅旭榮，何文清. 農用地膜殘留污染的現(xiàn)狀與防治[J]. 農業(yè)工程學報，2006，22（11）：269-272.

[12]王學農，馮斌，陳發(fā)，等. 棉秸稈切碎及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)關鍵技術研究[J]. 新疆農業(yè)大學學報，2005，28（3）：49-52.

[13]陳志. 我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展與農業(yè)機械化[J]. 農業(yè)機械學報，2001，32（1）：1-4.

[14]張東興. 農用殘膜回收問題探討[J]. 農村機械化，1997（6）：6-10.

[15]嚴昌榮，何文清，劉恩科，等. 作物地膜覆蓋安全期概念和估算方法探討[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31（9）：1-4.

[16]塑料拉伸性能的測定第3部分（薄塑和薄片的試驗條件）：GB/T 1040.3—2006[S].endprint