謝建華　張鳳賢　楊業(yè)龍

摘要：為了研究不同覆膜時(shí)間、不同地膜厚度和不同覆膜季節(jié)對(duì)地膜力學(xué)性能的影響，對(duì)厚度分別為0.006、0010、0.014 mm等3種聚乙烯地膜進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得到3種殘地膜在夏季分別覆膜60、100 d時(shí)的拉伸載荷和斷裂伸長(zhǎng)率；并對(duì)厚度為0.006 mm的地膜在冬季和夏季2個(gè)不同季節(jié)時(shí)的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：厚度相同的地膜力學(xué)性能隨覆膜時(shí)間的延長(zhǎng)，不斷下降；相同覆膜時(shí)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(xué)性能比夏季力學(xué)性能好。

關(guān)鍵詞：殘地膜；力學(xué)性能；厚度；覆膜時(shí)間；殘地膜回收；殘地膜污染治理

中圖分類號(hào)： S223.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）15-0178-04

我國(guó)自20世紀(jì)70年代從日本引入地膜覆蓋種植技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，地膜覆蓋種植技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟[1-2]。地膜覆蓋種植技術(shù)給植物提供了較好的生長(zhǎng)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(nóng)作物產(chǎn)量[3-7]。地膜覆蓋以良好的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外主要經(jīng)濟(jì)作物種植方式之一，并取得了較好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[8]。但是，我國(guó)使用的農(nóng)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(jī)械回收地膜不徹底，常年累積的殘膜給農(nóng)業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)重的“白色污染”[11-13]。在農(nóng)田殘地膜機(jī)械化回收時(shí)，回收機(jī)本身的性能、殘地膜與殘茬的纏繞、殘地膜與板結(jié)土壤的黏結(jié)和地膜的拉伸性能都會(huì)影響機(jī)具的回收率，其中殘地膜自身的力學(xué)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(shí)間和不同覆膜季節(jié)對(duì)地膜力學(xué)性能的影響，本試驗(yàn)對(duì)夏季覆蓋60、100 d的，厚度為0.006（在GB 13735—1992《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》允許范圍內(nèi)）、0.010、0.014 mm的3種殘地膜的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試研究；同時(shí)，為研究不同覆膜季節(jié)對(duì)其力學(xué)性能可能帶來(lái)的影響，對(duì)分別在冬季、夏季田間覆蓋的，厚度為0.006 mm的地膜力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果為殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，為解決殘膜污染問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料

根據(jù)地膜標(biāo)準(zhǔn)（GB 13735—1992《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》）和對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)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(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地膜按照作物種植季節(jié)要求（春季鋪設(shè)時(shí)間為4月初，冬季鋪設(shè)時(shí)間為10月中旬）鋪設(shè)在新疆建設(shè)兵團(tuán)第五師101團(tuán)的菜地上，比較厚度相同、覆膜時(shí)間不同（60、100 d）和覆膜時(shí)間相同、厚度不同殘地膜的力學(xué)特性[15]?？紤]鋪膜季節(jié)對(duì)地膜力學(xué)性能的影響時(shí)，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(yàn)方法

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

1.3試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)儀器選擇CMT6103電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。在試驗(yàn)過(guò)程中，裝夾殘地膜試樣時(shí)不可扭曲，保證表面平展。根據(jù)不同厚度、不同覆膜時(shí)間和不同季節(jié)的試驗(yàn)要求，共進(jìn)行21組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)選取10個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)每組有效數(shù)據(jù)計(jì)算出試樣拉伸載荷的平均值和斷裂伸長(zhǎng)率的平均值。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1夏季殘地膜力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

在考慮農(nóng)作物生長(zhǎng)周期的前提下，為了得到地膜厚度和覆膜時(shí)間對(duì)殘地膜力學(xué)性能的影響，本試驗(yàn)對(duì)夏季地膜的測(cè)試選擇0.006、0.010、0.014 mm等3種不同厚度的地膜，測(cè)試其覆膜時(shí)間分別為60、100 d時(shí)殘地膜的拉伸載荷和斷裂伸長(zhǎng)率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2冬季殘地膜力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

在某些地區(qū)（如西北寒冷干旱地區(qū)），為了促進(jìn)農(nóng)作物提早上市，在秋季播種時(shí)覆膜保溫。因此，選取覆膜時(shí)間為 120 d、厚度為0.006 mm的冬季殘地膜進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1不同覆膜時(shí)間殘地膜力學(xué)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(zhǎng)率分別高100.003%、64141%、27.013%，橫向斷裂伸長(zhǎng)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(shí)間的延長(zhǎng)，縱向拉伸、橫向拉伸和直角撕裂載荷值會(huì)下降，且下降趨勢(shì)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(zhǎng)率隨覆膜時(shí)間的延長(zhǎng)而下降；覆膜時(shí)間相同時(shí)，隨地膜厚度的增加，斷裂伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)是先增后減。

3.2不同厚度殘地膜力學(xué)性能變化

如圖3所示，夏季覆膜時(shí)間為60 d時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)率分別高-117.442%、18.291%、-4.923%。覆膜時(shí)間為100 d時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)率分別高-44.452%、-4.923%、29.315%。

3.3不同覆膜季節(jié)殘地膜力學(xué)性能變化

夏季覆膜主要用于增溫、保墑，一般覆膜時(shí)間不超過(guò) 100 d，部分作物由于是秋播春出作物，要求覆膜時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 120 d。如圖4所示，比較實(shí)際厚度為0.006 mm冬季殘膜和夏季殘膜的力學(xué)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(zhǎng)率分別高187.337%、207671%、119.496%。雖然冬季殘地膜在覆膜時(shí)間上比夏季殘地膜多20 d，但是在經(jīng)過(guò)寒冷天氣的冷作硬化[17]和積雪的保護(hù)，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(zhǎng)率也比夏季覆膜的殘地膜斷裂伸長(zhǎng)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)輸出的厚度為 0.006 mm、覆膜時(shí)間為100 d殘地膜的拉伸載荷和拉伸位移的關(guān)系圖。由圖5-a可知，開(kāi)始拉伸位移隨著拉伸載荷的增大而緩慢增加，此時(shí)殘地膜的拉伸處于彈性變形階段；當(dāng)拉伸應(yīng)力接近和達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí)，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(dá)到拉伸斷裂應(yīng)力時(shí)，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(duì)比可知，殘地膜被拉斷時(shí)，橫向所需的拉伸載荷小于縱向拉伸載荷，橫向拉伸位移遠(yuǎn)小于縱向拉伸位移。沿縱向拉伸時(shí)，殘地膜斷裂形式一般為整體慢慢變細(xì)后撕裂或斷裂；橫向拉伸時(shí)，殘地膜斷裂形式是快速撕裂或局部變細(xì)后快速斷裂，出現(xiàn)這樣現(xiàn)象與地膜的成形機(jī)理有關(guān)。

從圖6可知，殘地膜在拉伸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“白化”現(xiàn)象，產(chǎn)生“白化”現(xiàn)象是因?yàn)闅埖啬さ牟牧蠟楦叻肿踊衔?，?dāng)受到應(yīng)力或微生物破壞時(shí)，高分子鏈的內(nèi)應(yīng)力被釋放，產(chǎn)生了較多的低分子化合物，在其殘地膜的內(nèi)部產(chǎn)生微小細(xì)紋和孔穴等，經(jīng)過(guò)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(jié)論

通過(guò)對(duì)不同季節(jié)、不同厚度和不同覆膜時(shí)間的殘地膜進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：（1）厚度相同的地膜隨覆膜時(shí)間的增加，其力學(xué)性能不斷下降。在夏季覆膜中，覆膜時(shí)間為100 d與覆膜時(shí)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(shí)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(gè)方向的斷裂伸長(zhǎng)率比厚度為0.006、0.014 mm的殘地膜3個(gè)方向的斷裂伸長(zhǎng)率高。（3）不同覆膜季節(jié)、厚度相同（0006 mm）的殘地膜冬季力學(xué)性能比夏季力學(xué)性能好。其中，冬季覆膜120 d的殘地膜縱向拉伸負(fù)荷、橫向拉伸負(fù)荷和直角撕裂拉伸負(fù)荷比夏季覆膜時(shí)間為100 d的殘地膜3個(gè)方向上的拉伸負(fù)荷分別大59.027%、33.624%、47.267%，3個(gè)方向上的斷裂伸長(zhǎng)率分別高63.310%、88.088%、81.312%。

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