梁長江,吳雪梅,陶佩杰,王浦舟

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴陽 550025)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展,地膜覆蓋已成為確保農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段,是一項(xiàng)成熟的農(nóng)業(yè)栽培技術(shù),能夠有效改善和優(yōu)化栽培條件,抵御不良?xì)夂颦h(huán)境,具有增溫、保墑、抑制雜草生長、減少水分虧缺[1-2]、改善耕層土壤的水熱狀況、縮短作物生長周期、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的作用[2-4]。地膜覆蓋有利于土壤微生物的繁殖,提高土壤通透性,改善土壤結(jié)構(gòu)提,還可以避免因灌溉或雨水沖刷造成的土壤板結(jié)及疏松土壤[5],因此被大面積地推廣。目前為止,我國地膜覆蓋面積及地膜投入量均占世界第一[6-8]。

地膜生產(chǎn)原料是聚乙烯形成的高分子聚合物,在土壤中可以存留200～400 年[7],使用后形成的殘膜很難得到回收。殘膜聚集在土壤表層和耕作層,切斷了土壤孔隙的連續(xù)性,導(dǎo)致土壤含水量下降,削弱了耕地的抗旱能力,引起次生鹽漬化,同時(shí)阻礙養(yǎng)分遷移和微生物活動(dòng),土壤透氣性變差,導(dǎo)致土壤板結(jié)且肥力下降,致使農(nóng)作物減產(chǎn)[9-10]。據(jù)農(nóng)業(yè)部門測(cè)定,連續(xù)覆膜3～5年的土壤,小麥產(chǎn)量下降2%～3% ,玉米產(chǎn)量下降10%左右,棉花產(chǎn)量則下降10%～23%[11];連續(xù)覆膜時(shí)間越長,殘留量越大,對(duì)作物產(chǎn)量影響越大,連續(xù)使用15年后,耕地將顆粒無收[12]。

1 殘膜狀況分析

1.1 材料與方法

為了準(zhǔn)確評(píng)估貴州省的土地殘膜污染狀況,選取畢節(jié)市的6個(gè)縣(威寧彝族回族苗族自治縣、赫章縣、織金縣、大方縣、金沙縣、黔西縣)作為調(diào)查樣區(qū),每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)選取2～5塊煙地,共26塊煙地,以梅花點(diǎn)方式進(jìn)行殘膜采集。殘膜取樣時(shí)間為作物剛剛收獲后(2017年10-12月),主要考慮農(nóng)田地膜經(jīng)過一季作物生長后地膜降解和殘留情況。每個(gè)采集樣方面積為1 m × 1 m的正方形,取樣時(shí)分3個(gè)土層由上而下依次(地表、0～10 cm、10～25cm)進(jìn)行人工采集,采集樣方遠(yuǎn)離路邊、池塘、溝渠、公路等地,以及殘膜量有明顯差異的地塊,以免造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確[7]。將撿拾的殘膜裝袋并做好標(biāo)記,帶回實(shí)驗(yàn)室后人工去除附著在殘膜上的雜物,展開每個(gè)卷曲的殘膜,后進(jìn)行人工清洗;洗凈后用烘干機(jī)烘干殘膜上的水分,并在陰涼干燥處自然晾干至恒重;最后,以耕層深度(地表、0～10cm、10～25cm)和覆膜年限為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

1)殘膜數(shù)量:每平方米土層內(nèi)殘膜的張數(shù)(片)。

2)殘膜質(zhì)量:每平方米土層內(nèi)殘膜的質(zhì)量(g)。

3)破碎度(g/張):F=M/N。其中,M為收集的殘膜總質(zhì)量;N為收集的殘膜數(shù)量。

1.2 結(jié)果分析設(shè)

1.2.1 不同覆膜年限殘膜數(shù)量分布

不同覆膜年限及不同土層深度內(nèi)的殘膜數(shù)量和質(zhì)量都存在較大差異,如圖1、圖2所示。

圖1 不同覆膜年限殘膜數(shù)量分布

圖2 不同覆膜年限殘膜質(zhì)量分布

隨著覆膜年限的增加,土壤各層殘膜數(shù)量逐漸增加。其中,表層殘膜數(shù)量增加最為顯著,0～10cm土層內(nèi)殘膜數(shù)量顯著增加;10～25cm土層內(nèi)殘膜的數(shù)量增加緩慢。個(gè)別點(diǎn)的數(shù)據(jù)存在突變現(xiàn)象,可能原因是調(diào)查點(diǎn)取樣的隨機(jī)性以及不同種植模式的影響。調(diào)研數(shù)據(jù)表明:土壤中平均殘膜數(shù)量為48.72片/m2。其中,表層殘膜平均數(shù)量為10.38片/m2,占到殘膜總數(shù)量的21.30%;0～10cm,土層內(nèi)殘膜平均數(shù)量為26.1片/m2,占到殘膜總數(shù)量的53.58%;10～25cm土層內(nèi)殘膜平均數(shù)量為12.24片/m2。利用Origin軟件,對(duì)不同深度土壤內(nèi)的殘膜數(shù)量進(jìn)行了曲線擬合,擬合結(jié)果如下:

1)不同覆膜年限下表層土壤殘膜數(shù)量的擬合曲線為

y=(-11.07±7.08)+(18.07±8.07)x+

(-6.79±2.58)x2+(0.89±0.24)x3

擬合曲線的擬合度為0.994。

2)不同覆膜年限下0～10cm土層殘膜數(shù)量擬合曲線為

y=(-4.47±4.03)+(4.20±2.64)x+

(1.28±0.37)x2

擬合曲線的擬合度為0.995。

3)不同覆膜年限下10～25cm土層殘膜數(shù)量擬合曲線為

y=(1.32±4.67)+(-1.08±3.06)x+(1.08±0.43)x2

擬合曲線的擬合度為0.974。

4)不同覆膜年限下土層殘膜總數(shù)量擬合曲線為

y=(5.45±17.50)+(-4.04±11.45)x+(4.39±1.60)x2

擬合曲線的擬合度為0.979。

式中x—覆膜年限(年);

y—?dú)埬?shù)量(片)。

1.2.2 不同覆膜年限殘膜質(zhì)量分布

調(diào)查結(jié)果顯示:隨著覆膜年限增加,各土層內(nèi)殘膜質(zhì)量均有明顯增加,且0～10cm土層內(nèi)殘膜殘膜質(zhì)量增長顯著。這是因?yàn)橘F州土壤多用旋耕機(jī)進(jìn)行翻土整地,耕層厚度為10cm左右,殘膜隨旋耕刀翻入0～10cm土層內(nèi);10～25cm土層內(nèi)殘膜質(zhì)量增長速度次之,表層殘膜質(zhì)量增加速度最慢。平均殘膜質(zhì)量為18.549g/m2,表層殘膜質(zhì)量最大,平均質(zhì)量為11.34g/m2,占?xì)埬た傎|(zhì)量的60.63%;0～10cm土層內(nèi)殘膜質(zhì)量次之,平均質(zhì)量為5.57g/m2,占?xì)埬た傎|(zhì)量的29.79%;10～25cm土層內(nèi)殘膜質(zhì)量最少,平均質(zhì)量為1.639g/m2。利用Origin軟件,對(duì)不同深度土壤內(nèi)的殘膜質(zhì)量進(jìn)行了曲線擬合,擬合結(jié)果如下:

1)不同覆膜年限下表層土壤殘膜質(zhì)量的擬合曲線為

y=(6.03±0.78)+(1.31±0.51)x+(0.09±0.07)x2

殘差平方和為0.57,擬合曲線的擬合度為0.991。

2)不同覆膜年限下0～10cm土層殘膜質(zhì)量擬合曲線為

y=(-1.27±1.20)+(1.46±0.79)x+(0.15±0.11)x2

殘差平方和為1.36,擬合曲線的擬合度為0.988。

3)不同覆膜年限下10～25cm土層殘膜質(zhì)量擬合曲線為

y=(-0.29±0.46)+(0.31±0.30)x+

(0.08±0.04)x2

殘差平方和為0.20,擬合曲線的擬合度為0.985。

4)不同覆膜年限下土層殘膜總質(zhì)量擬合曲線為

y=(4.47±1.17)+(3.08±0.77)x+

(0.31±0.11)x2

殘差平方和為1.29,擬合曲線的擬合度為0.997。

式中x—覆膜年限(年);

y—?dú)埬?shù)量(g)。

由破碎度公式F=M÷N可知:土層越深殘膜破碎度越大,覆膜年限越久,殘膜破碎度越大。

1.2.3 殘膜污染等級(jí)劃分

殘膜的污染嚴(yán)重影響了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于殘膜污染程度,《農(nóng)田地膜殘留量限值及測(cè)定》( GB/T 25413-2010) 中提到“待播農(nóng)田耕作層內(nèi)地膜殘留量限值應(yīng)不大于75kg/hm2”的規(guī)定,但目前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一規(guī)范的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)根據(jù)我國農(nóng)田地膜殘留量進(jìn)行劃分,農(nóng)田地膜平均殘留量低于60kg/hm2為輕度污染,在60～90 kg/hm2為中度污染,高于90kg/hm2為重度污染[13]。

牛瑞坤[7]在其碩士論文《新疆阿克蘇地區(qū)棉田殘膜污染區(qū)域分布現(xiàn)狀調(diào)查與分析》中利用梅花采樣法進(jìn)行人工采樣,對(duì)棉田殘膜的污染狀況進(jìn)行研究,并結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn),制定出一套殘膜污染等級(jí):小于60kg/hm2為一級(jí)污染,60～150kg/hm2為二級(jí)污染,150～200kg/hm2為三級(jí)污染,200～250kg/hm2為四級(jí)污染,250～300kg/hm2為五級(jí)污染,大于300kg/hm2為六級(jí)污染。

黑龍江省殘膜污染地方標(biāo)準(zhǔn)如下:0kg/hm2為無污染;0～25kg/hm2為低污染,25～50kg/hm2為中度污染,50～70kg/hm2為高度污染,75kg/hm2以上為重污染[11]。

湖北省農(nóng)業(yè)廳對(duì)農(nóng)田土壤中不同地膜殘留量對(duì)耕地土壤、作物生長和產(chǎn)量的影響反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比,制定了《農(nóng)田土壤中地膜殘留標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)種植棉花的土壤地膜殘留量分為3個(gè)等級(jí):小于60kg/hm2為一級(jí)污染,被認(rèn)為對(duì)作物生長基本無影響;60～150kg/hm2為二級(jí)污染,對(duì)作物無顯著影響,但超過此值會(huì)造成作物減產(chǎn);150～600kg/hm2為三級(jí)污染,已造成耕地土壤污染,作物減產(chǎn)5%～20%[9]。

蘇國樟[14]在《貴州煙區(qū)殘膜污染狀況與治理技術(shù)分析》一文中對(duì)貴州煙區(qū)殘膜狀況進(jìn)行調(diào)查,分析了不同土層殘膜的特點(diǎn),并給出了一些合理的建議,但沒有制定貴州省農(nóng)田土壤地膜殘留標(biāo)準(zhǔn)。課題組針對(duì)這一情況,對(duì)貴州省畢節(jié)市典型煙區(qū)的殘膜狀況再次進(jìn)行調(diào)研,分析調(diào)研數(shù)據(jù),結(jié)合其他省的殘膜污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),初步制定貴州省畢節(jié)市煙區(qū)殘膜污染等級(jí),如表1所示。其中,五級(jí)和六級(jí)污染為重度污染,三級(jí)和四級(jí)污染為高度污染,二級(jí)和三級(jí)污染為中度污染,一級(jí)污染為輕度污染。

針對(duì)貴州省殘膜污染狀況及土地耕作模式,設(shè)計(jì)了一款殘膜撿拾機(jī),以期實(shí)現(xiàn)不同土壤深度殘膜的有效撿拾。撿拾機(jī)機(jī)具主要由起膜裝置、收膜裝置及卸膜裝置3部分組成。其中,收膜裝置包括機(jī)架和收膜梳齒,具備仿形功能。利用三維制圖軟件NX10.0按照實(shí)際尺寸建立三維模型結(jié)構(gòu),如圖3所示。

表1 畢節(jié)市煙區(qū)殘膜污染等級(jí)劃分

撿拾機(jī)通過三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)2與拖拉機(jī)后端相連,作業(yè)時(shí)前排梳齒深入土層將土壤中的殘膜翻到地表并撿拾起來,壟頂?shù)牡啬び蓹C(jī)架中部的梳齒撿拾。由于梳齒是通過彈簧實(shí)現(xiàn)自動(dòng)仿行,因此會(huì)隨著壟的形狀自動(dòng)調(diào)整位置,使收膜齒緊緊壓在土壤的表層。梳齒采用交叉式安裝,前排梳齒撿漏的殘膜,隨后被后排的梳齒撿拾起來。當(dāng)梳齒上的殘膜積累到一定量時(shí),通過卸膜連桿和卸膜桿組件裝置進(jìn)行卸膜。整機(jī)長2.2m,寬1.5m,工作幅寬2m;前中后3排梳齒的齒間距分別為90mm、70mm、50mm;機(jī)架總長1 390mm,寬1 020mm。

1.限深機(jī)構(gòu) 2.懸架 3.機(jī)架 4.卸膜連桿 5.卸膜桿組件 6.梳齒

殘膜撿拾機(jī)的主要承受載荷部件是機(jī)架和梳齒,文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)的殘膜撿拾機(jī)梳齒能實(shí)現(xiàn)仿型功能,各層梳齒的強(qiáng)度依次遞減,且梳齒入土深相同,導(dǎo)致積土量較大,所需功率較大。由殘膜污染分布的調(diào)研數(shù)據(jù)可知:表層殘膜質(zhì)量最大,占?xì)埬た傎|(zhì)量的60.63%;0～10cm土層內(nèi)殘膜質(zhì)量次之,占?xì)埬た傎|(zhì)量的29.79%;10～25cm土層內(nèi)殘膜質(zhì)量最少。表層殘膜平均數(shù)量最少,占到殘膜總數(shù)量的21.30%;0～10cm土層內(nèi)殘膜數(shù)量最大,占到殘膜總數(shù)量的53.58%。在此基礎(chǔ)上本文改進(jìn)設(shè)計(jì)了一款梳齒,如圖4所示。通過仿真分析發(fā)現(xiàn):該梳齒作業(yè)時(shí),運(yùn)動(dòng)速度越大、入土越深、入土角度越小,所受的土壤阻力越大;通過響應(yīng)曲面分析發(fā)現(xiàn),梳齒運(yùn)動(dòng)速度對(duì)梳齒受土壤阻力的影響達(dá)到極顯著水平,入土深度對(duì)梳齒受力的影響達(dá)到顯著水平;入土角度對(duì)梳齒受力無明顯影響。結(jié)合有限元軟件ANSYS,通過耦合的方式得到10mm直徑梳齒的受力云圖和變形量。分析結(jié)果表明:梳齒齒尖處受力最大,且變形最大,最大等效應(yīng)力為183.4MPa,小于梳齒的許用應(yīng)力,最大變形量為20.949mm,滿足仿型要求。

基于以上分析,設(shè)計(jì)了不同高度的梳齒,用于撿拾不同深度土壤內(nèi)的殘膜。撿拾機(jī)前、中、后3排梳齒的入土深度依次減小,為了滿足應(yīng)力要求,前排梳齒直徑最大、入土角度最大;中間排梳齒次之;后排梳齒直徑最小,入土角度最小。具體數(shù)據(jù)為:前排梳齒的入土深度為20cm,直徑為13mm,入土角度為25°;中間梳齒的入土深度為15cm,直徑為10mm,入土角度為20°;后排梳齒的入土深度為10cm,直徑為8mm,入土角度為15°。3排梳齒采用交叉的方式安裝,保證前排漏檢的殘膜被后排梳齒繼續(xù)拾起,這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是所需功率較小,減少了積土量。

圖4 梳齒模型

樣機(jī)定型后于烏當(dāng)區(qū)羊昌鎮(zhèn)進(jìn)行機(jī)具性能測(cè)定和機(jī)具作用效果試驗(yàn)。選取6塊試驗(yàn)地,每塊試驗(yàn)地面積60m2。試驗(yàn)前,把地膜撕碎,然后隨機(jī)埋在各個(gè)試驗(yàn)田地中,模擬殘膜。每個(gè)試驗(yàn)田埋300g殘膜,根據(jù)殘膜分布特點(diǎn),表層150g、中層(0～10cm土層)100g、深層(10～20cm土層)50g。撿拾機(jī)在拖拉機(jī)的牽引下進(jìn)行殘膜撿拾作業(yè)(前進(jìn)速度為1m/s),撿拾過程中前、中、后3排梳齒入土深度分別為19.5、15.2、10.4cm。

撿拾完成后,每塊地隨機(jī)選取5個(gè)采樣點(diǎn),人工撿拾不同土層內(nèi)的剩余殘膜,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行清洗、干燥、稱重等處理。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn):各土層殘膜撿拾率均高于84%,滿足撿拾要求,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。通過觀察,撿拾機(jī)在田間連續(xù)工作6h,并未發(fā)生明顯的變形,從側(cè)面驗(yàn)證了梳齒設(shè)計(jì)的合理性。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 結(jié)論

1) 隨著覆膜年限增加,表層殘膜數(shù)量增加顯著,0～10cm土層內(nèi)殘膜質(zhì)量增加顯著。其中,表層殘膜數(shù)量占21.30%,質(zhì)量占60.63%;0～10cm土層內(nèi)殘膜數(shù)量占53.58%,質(zhì)量占29.79%。擬合曲線的擬合度均高于0.97。

2) 初步制定貴州省畢節(jié)市煙區(qū)殘膜污染等級(jí):大于23g/m2為重度污染,13～23g/m2為高度污染,6～13g/m2為中度污染;小于6g/m2為輕度污染。

3)創(chuàng)新設(shè)計(jì)一款不同高度、入土角度和直徑的螺旋彈齒的殘膜撿拾機(jī),田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):前、中、后3排梳齒靠撿拾機(jī)自重入土深度分別為:19.5、15.2、10.4cm,且各土層殘膜撿拾率均高于84%,滿足撿拾要求。