新疆棉田残膜残留量及相关特性的测定试验研究

靳 伟，张学军*，鄢金山，史增录，李超新

(1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室，新疆乌鲁木齐 830052)



新疆棉田残膜残留量及相关特性的测定试验研究

靳 伟1，2，张学军1，2*，鄢金山1，2，史增录1，2，李超新1，2

(1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室，新疆乌鲁木齐 830052)

目前地膜成为农业生产的必备资源，田间残留大量的地膜，破坏了生态环境、阻碍了农业快速发展，成为亟需解决的难题。现阶段残膜回收的技术不成熟、残膜回收设备存在的问题较多，研究残膜在棉田土壤中的分布情况及相关特性对残膜回收机具的设计至关重要。以新疆昌吉市大西渠镇和阿克苏6团作为研究对象，分别测定两地区棉田中残膜的分布情况、拉伸特性、残留量以及悬浮特性，为捡膜机理的研究与新型残膜回收机的设计提供理论基础和依据。

残膜；残留量；特性；测定试验；新疆

地膜覆盖作物栽培技术推动了农业生产的快速发展，具有节水增温、抗旱保墒、抑制田间杂草、提高农产品的产量和品质等优点，提高了农民的收入和生活水平。但地膜的主要成分为聚乙烯，自然条件下自行降解困难，大约需要200～400年才能完全降解。相关专项调研表明，目前累积在田间与沟渠中的残膜大约百万吨以上，且每年仍在继续大量增加。残膜在土壤中形成了薄膜隔离层，破坏了生态环境，阻碍了农作物对水分和养分的吸收和利用，致使种子发芽率低、作物出苗率不高、幼苗大量腐烂最终死亡，降低农作物的产量和产品品质。田间土壤中的地膜、秸秆和根茬缠绕农机具，导致机具主要工作部件被卡死，使农机具不能正常作业或者降低田间作业效果，回收农田中的残膜已迫在眉睫[1-3]。

目前由于残膜回收技术不成熟、回收残膜的设备研制困难、机具复杂且故障率高、残膜回收成本与收益间存在一定的问题，阻碍了机械化回收残膜的进程。在研制机具前，需对土壤中的残膜分布、破碎程度、相关特性进行试验测定，掌握这些试验数据和理论基础作为依据才能更好地设计出新型的残膜回收设备，解决残膜难回收、污染环境的问题[2-5]。

1 新疆棉花种植模式及残膜分布状况

1.1 新疆棉花机械化种植3种模式目前新疆的绝大部分棉花种植及收获实现了全程机械化，采用膜下滴灌农艺技术(图1)，降低了生产成本，减轻劳动强度，提高了农民的经济收入和生活质量，棉农的梦想得以实现[6]。据相关部门的统计，2013年新疆种植棉花的总面积达到169万hm2，新疆棉花的总产量达到340万t；棉花种植的面积与产量连续20年全国排名第一，棉花的总产量占全国50%以上；棉花创造的经济占农民收入的40%左右，南疆占得比例更高达60%以上[7]。

由于膜下滴灌技术具有节水、防止土壤板结、养分利用率高、增产、费用低等优点被大面积广泛推广应用于棉花、玉米等作物。膜下滴灌技术将覆膜技术与滴灌技术相结合，即膜下发挥滴灌的优势，是一种新型农艺节水工程[8]。为了符合采棉机的作业要求，推进农业机械化进程，棉花种植必须统一而且规范，主要有3种种植模式(图2)。棉花覆膜种植的模式不同对残膜回收机的结构参数影响很大，设计残膜回收装备时应该以其种植模式作为依据，才能研制出更好的新型残膜回收机[9-10]。图2a为(100+660+100+660+600)mm模式，即2根滴灌带给6行棉花供水。由于受采棉机结构尺寸的限制，a种模式被大面积推广，种植最为广泛。图2b为(200+400+200+600)mm模式，即1根滴灌带给4行棉花供水，相邻两膜的距离为600 mm。图2c为(300+600+300+600)mm，即1根滴灌带给2行棉花供水，相邻两膜的距离为600 mm。种植模式的不同决定了残膜捡拾机构的结构尺寸，尤其对于苗期残膜回收设备的设计最为重要，避免造成伤苗、捡拾不干净的问题。

1.2 棉田不同耕层深度残膜残留量的测定试验该试验地点在新疆阿克苏6团和昌吉大西渠镇的棉田中进行，随机选取5个测量点，每个点的面积为1 m2。把面积为1 m2的模具框架放入土壤中，如图3所示，分别将耕层深度为0～10、10～20、20～30 cm内的残膜用筛网取出来，装入塑料袋，然后洗净、晒干并称重，试验测量结果如表1和表2所示。

由表1可知，0～10 cm耕层内的残膜量最多，10～20 cm耕层内的残膜量比地表10 cm内含量低，20～30 cm耕层内的残膜含量相对较低；如果不及时回收当年地膜，随着铺膜种植年限的增加，耕层内的残膜量会不断增加，地膜破碎加大捡拾难度[11]。一般情况下，对耕层20 cm以下的残膜回收难度大且成本很高，所以应对表层10 cm内的残膜进行机械化捡拾。连续几年的捡拾作业会使田间残膜量逐年降低，最终解决残膜污染问题。

表1 新疆阿克苏6团棉田残膜的残留量 g/m2

表2 新疆昌吉大西渠镇棉田残膜的残留量 g/m2

由表1和表2可知，棉田中的残膜在耕层中分布不均匀，新疆阿克苏6团棉田中的残膜量高于新疆昌吉大西渠镇地区；新疆田间残膜量很高，高于全国平均水平5倍左右，残膜污染状况较严重，需及时清除土壤中的地膜；新疆阿克苏6团棉田30 cm内残膜量为35.10 g/m2，新疆昌吉大西渠镇棉田30 cm内残膜量为30.16 g/m2；地面表层10 cm的残膜量较多且回收相对较容易，所以对土壤表层的残膜进行机械化回收是研究回收问题的关键。

2 残膜相关特性的测定试验

2.1 残膜悬浮特性的试验研究残膜回收机卸膜作业产生的气流对残膜碎片产生的作用很大，直接决定残膜能否被刷到残膜回收箱中，所以对影响残膜悬浮特性的因素进行研究至关重要。残膜悬浮特性的试验主要研究悬浮速度与残膜面积和质量之间的关系，如表3所示。由于悬浮速度受到很多因素的影响，直接测量残膜的悬浮速度较为困难。该试验借助悬浮速度测量仪器进行试验测量，图4为测量仪器的结构示意图，测量残膜悬浮速度的大小与残膜碎片面积和质量的关系，为卸膜装置的设计与制造提供基本的理论基础[10-13]。

在做悬浮速度与残膜质量关系的试验前，将试验残膜折叠成10 mm的块状进行悬浮试验。根据表3可知，残膜的悬浮速度与其自身的面积的相关性较小，即两者之间没有明显的关系；残膜的悬浮速度与其自身的质量有着密切关系，悬浮速度随质量的增大而增大，质量越大，残膜悬浮速度越大。

2.2 残膜拉伸特性试验测量残膜拉伸特性对于更好地设计捡膜及卸膜装置有很重要的意义，机具作业的前进速度也与残膜拉伸特性有密切关系。利用拉力测量仪器测量3种不同厚度残膜的最大拉力和延伸状况[12-13]。

由表4可知，残膜残留年限越小，拉力越大、延伸率也越大；提高地膜厚度可降低残膜回收难度，有利于残膜的机械化回收作业；若残膜破损、风化，拉断残膜的力就会急剧降低，

残膜迅速被撕裂，机械化回收较困难。

表3 残膜的悬浮速度与其面积和质量的关系试验

表4 残膜拉伸特性试验结果

3 结论

0～10 cm耕层内的残膜量最多，10～20 cm耕层内的残膜量比地表10 cm内含量低，20～30 cm耕层内的残膜量相对较低。新疆阿克苏6团棉田中的残膜量高于新疆昌吉大西渠镇地区，新疆田间残膜量高于全国平均水平5倍左右。残膜悬浮速度与其自身的面积没有明显的关系，与其自身的质量有密切关系。残膜残留年限越小，拉力越大、延伸率也越大。

[1] 赵海军，史建新.残膜回收工艺探讨[J].中国农机化，2004，5(6)：68-71.

[2] PARISH R L.Automated Machine for Remove of Plastic Mulch[J].Transactions of ASEA，1999，42(1)：49-51.

[3] 新疆维吾尔自治区统计局.新疆统计年鉴2013[M].北京：中国统计出版社，2013.

[4] 郭小军.残膜清理滚筒运动学、动力学、强度及优化设计[D].乌鲁木齐：新疆大学，2005.

[5] 冯远静，卢博友，杨青，等.曲齿型弹齿滚筒式残膜捡拾机构特性分析[J].西北农业大学学报，2000，28(6)：163-167.

[6] 张木林，王玮.1MS-800型塑料残膜回收机的研究[J].农牧与食品机械，1992(2)：7-11.

[7] 张惠友，侯书林，那明君，等.残膜回收工艺和收膜机构[J].农机化研究，2004(6)：72-73.

[8] 马少辉，张学军.边膜残膜回收机的设计与试验[J].农业工程学报，2012，2(1)：73-75.

[9] 张学军，吴成武，马少辉，等.残膜回收机搂膜连杆机构模糊优化设计[J].农业机械学报，2007，38(9)：55-58.

[10] 史建新，陈发，赵海军，等.残膜回收机捡膜杆齿的载荷分析[J].农机化研究，2005，9(5)：155-160.

[11] 陈发，史建新，王学农，等.弧型齿残膜捡拾滚筒捡膜的机理[J].农业机械学报，2006，37(6)：36-41.

[12] 靳伟，张学军，朱自成，等.残膜回收机具自动清理装置的研究[J].机械，2013，40(7)：7-10.

[13] 李斌.后置链齿耙式残膜回收机工作机理研究[D].石河子：石河子大学，2013.

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

国家农业科技成果转化资金项目(2013G4109001)。

靳伟(1987- )，男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向：机构设计与试验研究。*通讯作者，教授，博士，硕士生导师，从事机械设计与理论研究。

2014-12-02

S 233.5

A

0517-6611(2015)02-238-02