农田地膜拉伸性能变化对缠绕式回收的影响.pdf
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1、第 31 卷 第 20 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.20 2015 年 10月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct. 2015 41 农田地膜拉伸性能变化对缠绕式回收的影响 张佳喜1,2,王学农2,张 丽2,喻 晨2,蒋永新2,张海春2, 刘旋峰2,乔园园2,王祥金3,张珊珊3,侯书林1( 1. 中国农业大学工学院,北京 100083; 2. 新疆农业科学院农业机械化研究所,乌鲁木齐 830091; 3. 新疆库尔勒尉犁县农技推广中心,库尔勒 841500) 摘 要: 农田长
2、期覆膜种植产生的大量地膜对农田土壤质量、作物生长及环境造成严重的影响,为解决这一问题,于 2014 年 3 月至 2014 年 10 月在新疆库尔勒尉犁县达西村开展大田试验,对比不同厚度、不同时间及不同位置地膜拉伸性能的变化规律,并针对 0.01 mm 地膜进行缠绕式回收试验。结果表明:地膜铺放后的 30 60 d 期间,由于受到风和紫外线照射等因素,拉伸强度有明显的下降,下降幅度较大;当地膜回收的时候, 0.01 mm 地膜最大拉伸力在近株端和远株端分别为 1.52 N 和 1.305 N,是 0.008 mm 地膜的 1.4 倍和 1.22 倍。显然 0.01 mm 地膜的拉伸性能较 0.
3、008 mm 拉伸性能有了一定的提升,这对地膜回收有一定的积极作用,但是经过理论计算及田间试验 0.01 mm 地膜的拉伸性能还是不足以采用简单缠绕的方式进行回收。本研究揭示了地膜拉伸性能在不同时间、不同厚度及不同位置受到紫外线等影响的变化规律,为地膜回收机的研制提供了理论依据。 关键词: 农业;地膜;拉伸性能;变化规律;缠绕式;地膜回收 doi: 10. 11975/j.issn.1002-6819.2015.20.006 中图分类号: X592 文献标识码 : A 文章编号 : 1002-6819(2015)-20-0041-07 张佳喜,王学农,张 丽,喻 晨,蒋永新,张海春,刘旋峰,乔
4、园园,王祥金,张珊珊,侯书林. 农田地膜拉伸性能变化对缠绕式回收的影响J.农业工程学报, 2015,31(20):4147. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.20.006 http:/www.tcsae.org Zhang Jiaxi, Wang Xuenong, Zhang Li, Yu Chen, Jiang Yongxin, Zhang Haichun, Liu Xuanfeng, Qiao Yuanyuan, Wang Xiangjin, Zhang shanshan, Hou Shulin. Effects of mechanical tens
5、ile properties of plastic film on plastic recycling methodJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(20): 41 47. (in Chinese with English abstract) doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.20.006 http:/www.tcsae.org 0 引 言被誉为农业“白色革命”的地膜覆盖栽培技术自 2
6、0世纪 70 年代末引入中国以来,以其增温保墒、抑制杂草生长、促进作物早熟和增产等显著特点,深受广大农民的欢迎,愈来愈多不同农作物陆续采用地膜覆盖栽培1。但是在大面积推广使用的同时,带来了农田污染,土地板结,作物发苗率下降等一系列问题, 2012 年,新疆维吾尔自治区农业厅在精河县、尉犁县等县市组织对棉花、玉米、甜菜、小麦、瓜类、蔬菜等作物开展农田废旧地膜污染调查,结果显示:每亩废旧地膜量平均在 15 kg 以上的占被调查面积的 78.1%, 每亩废旧地膜量平均在 1015 kg 的占 16.6%2。在一些地方,每亩废旧地膜量最高达 40 kg,按每年每亩地铺地膜 4 kg 计算,相当于在土地
7、中有 10 层地膜,危害相当严重。 地膜回收现在越来越被重视,目前主要为人工和机收稿日期: 2015-07-28 修订日期: 2015-09-11 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 51565060)、新疆维吾尔自治区高技术研究发展项目( 201511104);新疆维吾尔自治区自然科学基金( 2014211B029) 作者简介:张佳喜,男,陕西佳县人,研究员,博士生,硕士生导师,主要从事地膜回收循环利用研究。北京 中国农业大学工学院, 100083。 Email: 通信作者:侯书林,男,辽宁大连人,教授,博士生导师,主要从事机械设计及制造工艺研究。北京 中国农业大学工学院, 100083
8、。 Email: hsl010126.Com 械回收为主,国外大多采用 0.025 mm 厚度地膜,拉伸强度和抗撕裂性能较好,所以回收装备较为简单,多为缠绕式3-6,而国内大多采用 0.008 mm 厚度地膜,农民大多使用 0.006 mm 地膜7-9,是国外地膜厚度的 1/4,回收地膜难度较大,不同位置的地膜拉伸性能随着铺放的时间、紫外线的照射、风吹雨淋影响较大,地膜拉伸性能的研究对地膜回收装备的研发有很重要的意义。 1 材料与方法 1.1 试验区概况 库尔勒尉犁县位于新疆中部,巴音郭楞蒙古自治州腹地,地处塔克拉玛干大沙漠东北缘、塔里木河中下游、孔雀河下游( 8402E, 4010N) ,全
9、年平均日照 2 975 h,全年平均气温 10.1,年平均降水量为 43 mm,历年春季干旱多风, 8 级以上大风年平均为 15 d,风沙日数 23.1 d,浮尘天数 24.2 d,夏季炎热少雨,秋季凉爽多晴天,冬季较冷少雪。 1.2 试验材料 试验分别在两块各 6.67 hm2棉花地进行铺放 0.01 mm及 0.008 mm 地膜,地膜生产企业是新疆巴州浩天农业科技开发有限公司生产的皓隆科技牌聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜。 1.3 试验设计 测试时间从铺放到回收期间,每隔 30 d 进行取样测试,每次取样应在分别铺有 0.008 mm 及 0.01 mm 的田间 农业工程学报( http:/
10、www.tcsae.org) 2015 年 42 进行取样,每次取样与上次取样点就近取样,并进行地头标记,要求在干硬、平整的土地上进行,同时要求地膜无损坏完整,取样在大的行间进行取样,取样尽量贴近植株,取样分别选取不同厚度的地膜各 4 块,宽约为60 mm,长约为 200 mm。 在实验室每块膜样上选取 8 个测试点 (如图 1 所示) ,分别设近株端、远株端、横向、纵向两组元素不同组合,用于测量最大拉伸力,断裂伸长率两项指标,设近株端( close to the plant, CP) 、 远株端 ( far from the plant, FP) 、横向( transverse direct
11、ion, TD )、纵向( longitudinal direction, LD),最大拉伸力( maximum tensile stress,MTS)、断裂伸长率( elongation at break, EB),这 8 个测试点统一按照标准裁刀裁取长宽小块。 a. 拉伸试验取样 a. Tensile test of plastic film sample b. 田间地膜取样 b. Plastic film sampling 1.棉花 2.横向地膜取样点 3.纵向地膜取样点 .近株端; .远株端 1. Cotton 2. Transverse plastic film sampling p
12、oints 3. Longitudinal plastic sampling points . Close to the plant, CP; . Far from the plant, FP 图 1 地膜取样 Fig.1 Plastic film sampling 1.4 测定方法 由于拉伸性能对于地膜回收最为关键10,按照GB/T1040-92 中的第 3 部分(薄膜与薄片的试验)中的要求,对采集的地膜进行拉伸性能研究,试验时使用切膜刀将地膜制备成纵向、横向拉伸试样(如图 2 所示),试样宽度为 20 mm,长度为 150 mm(其中夹持部分内两条平行标线间隔为 115 mm)。由于破损地
13、膜程度不一,为了保证实验的可比性,选择备测试样时,确保备测试验无可见破损、边缘光滑且无缺口。 图 2 地膜拉伸试样 Fig.2 Plastic film tensile samples 地膜物理拉伸性能采用 CMT6000系列微机控制电子万能试验机进行测试。 2 结果与分析 2.1 不同方向地膜拉伸性能变化 不同方向地膜的拉伸性能指标对指导机械回收地膜装备有重要的作用,沿着铺放的方向定为纵向,与铺放垂直的方向定义为横向。 表 1 不同方向上地膜拉伸性能变化测试 Table 1 Variation test of plastic tensile properties in different d
14、irection 样品 Samples 0.008 mm 纵向 0.008 mm LD 0.008 mm 横向 0.008 mm TD 0.01 mm 纵向 0.01 mm LD 0.01 mm 横向 0.01 mm TD 铺膜天数 Time/d 断裂伸长率 EB/% 最大拉伸力 MTS/N 断裂伸长率 EB/% 最大拉伸力 MTS/N 断裂伸长率 EB/% 最大拉伸力 MTS/N 断裂伸长率 EB/% 最大拉伸力 MTS/N 30 536.065 1.495 55.295 0.93 450.96 2.06 333.195 1.4825 60 188.2375 1.2225 43.72 0.8
15、425 582.025 1.695 285.425 1.05 90 240.76 1.225 29.535 0.7625 386.16 1.57 249.4125 0.99 120 187.81 1.18 27.69 0.6975 450.491 1.453125 196.6775 0.9475 180 243.85 0.985 40.14 0.705 254.255 1.4125 249.4125 0.99 从表 1 可以看出, 0.01 mm 与 0.008 mm 厚度地膜在铺放初期,纵向断裂伸长率分别为 536.065%和 450.96%,横向断裂伸长率分别 33.195%和 55.29
16、5%,纵向断裂伸长率是横向的 16 倍和 8 倍, 而纵向最大拉伸力分别为 2.06 N和 1.495 N,而横向最大拉伸力分别为 1.4825 N 和 0.93 N纵向与横向相差大约 138.9%和 160%; 在回收期纵向断裂伸长率分别为 254.255%和 243.85%,横向断裂伸长率分别 249.4125%和 40.14%,纵向断裂伸长率是横向的 1.01倍和 6 倍,纵向断裂伸长率随着时间的增加变化较大,几乎缩减一倍,而在横向上则变化不大,但是纵向方向上的地膜对比横向方向上的地膜,断裂伸长率普遍要高,而 0.01 mm 与 0.008 mm 地膜在纵向最大拉伸力分别为1.4125
17、N 和 0.985 N,横向方向最大拉伸力分别为 0.99 N和 0.705 N,纵向最大拉伸力与横向相差大约 142%和139%,最大拉伸力呈阶梯减少。如图 3 所示可以看出纵向方向上的地膜对比横向方向上的地膜,最大拉伸力普遍高出 1/3 左右。对照以上两图,可以得出,不同厚度地膜在纵向上的最大拉伸力及断裂伸长率上数值较大,因此考虑地膜回收作业部件应朝着铺放方向进行回收。 2.2 拉伸性能受紫外线等影响的变化 地膜的拉伸性能的变化除了紫外线影响以外,还受到风、雨等的影响,这些影响因素在整块地膜上的影响程度是不一样的,由于棉花的生长,靠近棉花的地膜受到的紫外线、风、雨等的破坏较小,因此在测试地
18、膜拉伸性能中,如图 4 所示地膜与棉杆的距离远近不同,则拉伸性能变化规律不同。 第 20 期 张佳喜等:农田地膜拉伸性能变化对缠绕式回收的影响 43 a. 不同方向地膜断裂伸长率 a. Elongation at Break of plastic in different direction b. 不同方向地膜最大断裂力 b. The maximum rupture force of plastic in different direction 图 3 不同方向地膜拉伸性能变化 Fig.3 Variation of plastic tensile properties in different
19、 direction a. 0.008 mm 地膜最大拉伸力 a.Maximum tensile stress of 0.008 mm plastic film b. 0.01 mm 地膜最大拉伸力 b. Maximum tensile stress of 0.01 mm plastic film 图 4 地膜拉伸性能受紫外线等因素影响的变化规律 Fig.4 Variation of plastic film tensile properties affected by ultraviolet,etc 表 2 紫外线等对拉伸性能影响测试 Table 2 Impact test on tensi
20、le properties by UV,etc 样品 Samples 纵向近株端 LDCP 纵向远株端 LDFP 横向近株端 TDCP 横向远株端 TDFP 地膜厚度 Thick/mm 铺膜天数 Time/d 断裂伸长率EB/% 最大拉伸力 MTS/N 断裂伸长率EB/% 最大拉伸力MTS/N 断裂伸长率EB/% 最大拉伸力 MTS/N 断裂伸长率EB/% 最大拉伸力MTS/N 30 518.105 1.505 554.025 1.485 62.08 0.98 48.51 0.88 60 206.455 1.28 170.02 1.165 43.685 0.91 43.755 0.775 90
21、 316.175 1.295 165.345 1.155 15.97 0.825 43.1 0.7 120 140.135 1.205 235.485 1.155 55.78 0.7 59.6 0.695 0.008 180 335.045 1.085 152.655 0.885 64.24 0.71 16.04 0.7 30 347.895 1.98 554.025 2.14 216.735 1.52 289.655 1.445 60 626.505 1.805 537.545 1.585 330.125 1.055 240.725 1.045 90 572.605 1.615 199.71
22、5 1.525 326.49 1.015 172.335 0.965 120 529.851 1.661 371.135 1.245 205.24 0.95 188.115 0.945 0.01 180 67.64 1.52 440.87 1.305 326.49 1.015 172.335 0.965 拉伸性能上可以看出,在地膜铺放初期,强度基本一致,在地膜铺放 30 60 d 时间地膜的拉伸强度极剧下降,分析考虑到新疆尉犁县在在地膜铺放 30 60 d 时间区域内( 4 5 月)有较强的沙尘天气,并且植物生长高度较低,容易受到风吹雨淋、阳光照射的影响;对比地膜远株端与近株端,在地膜铺放 6
23、0 d 时, 0.008 mm 地膜纵向近株端最大拉伸力 1.28 N 而远株端为 1.165 N, 近株端是远株端的 1.1 倍, 0.01 mm 地膜纵向近株端最大拉伸力 1.805 N 而远株端为 1.585 N,近株端是远株端的 1.13倍,从这也验证到,近株端地膜收到棉花的保护,挡风、遮阳;地膜铺放 90 180 d 时植物高度较高,植物茎秆及枝叶阻碍了阳光等对地膜的照射,地膜强度变化较缓慢,所以收膜的最佳时间应该在地膜铺放 60 d 之前,此时地膜的强度还比较高,易于回收。但是针对新疆棉花种植 农业工程学报( http:/www.tcsae.org) 2015 年 44 特点,但是
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