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摘要：为了研究不同覆膜时间、不同地膜厚度和不同覆膜季节对地膜力学性能的影响，对厚度分别为0.006、0010、0.014 mm等3种聚乙烯地膜进行力学性能试验，得到3种残地膜在夏季分别覆膜60、100 d时的拉伸载荷和断裂伸长率；并对厚度为0.006 mm的地膜在冬季和夏季2個不同季节时的力学性能进行对比。结果表明：厚度相同的地膜力学性能随覆膜时间的延长，不断下降；相同覆膜时间、不同厚度地膜的拉伸载荷随厚度的增加而增大；不同覆膜季节、厚度相同（0.006 mm）的地膜的冬季力学性能比夏季力学性能好。
关键词：残地膜；力学性能；厚度；覆膜时间；残地膜回收；残地膜污染治理
中图分类号： S223.5文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）15-0178-04
我国自20世纪70年代从日本引入地膜覆盖种植技术，经过几十年的发展，地膜覆盖种植技术在农业种植各个领域的应用已经趋于成熟[1-2]。地膜覆盖种植技术给植物提供了较好的生长环境，起到增温保墒、保持土壤疏松、改善土壤环境等作用，大幅提高了农作物产量[3-7]。地膜覆盖以良好的增产效应逐渐成为国内外主要经济作物种植方式之一，并取得了较好的社会效益、经济效益和生态效益[8]。但是，我国使用的农用地膜多为聚乙烯地膜或聚氯乙烯地膜，其理化性能稳定，残留在土壤中需要几百年才能降解[9-10]。机械回收地膜不彻底，常年累积的残膜给农业带来了严重的“白色污染”[11-13]。在农田残地膜机械化回收时，回收机本身的性能、残地膜与残茬的缠绕、残地膜与板结土壤的黏结和地膜的拉伸性能都会影响机具的回收率，其中残地膜自身的力学性能是影响回收率的重要因素之一[14]。为了研究不同厚度、不同覆膜时间和不同覆膜季节对地膜力学性能的影响，本试验对夏季覆盖60、100 d的，厚度为0.006（在GB 13735—1992《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》允许范围内）、0.010、0.014 mm的3种残地膜的力学性能进行测试研究；同时，为研究不同覆膜季节对其力学性能可能带来的影响，对分别在冬季、夏季田间覆盖的，厚度为0.006 mm的地膜力学性能进行测试。试验结果为残膜回收机的设计提供了理论依据，为解决残膜污染问题奠定基础。
1材料与方法
1.1材料
根据地膜标准（GB 13735—1992《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》）和对农作物生长周期的要求[12]，选取厚度分别为0.006、0.010、0.014 mm的3种地膜进行试验。试验地膜按照作物种植季节要求（春季铺设时间为4月初，冬季铺设时间为10月中旬）铺设在新疆建设兵团第五师101团的菜地上，比较厚度相同、覆膜时间不同（60、100 d）和覆膜时间相同、厚度不同残地膜的力学特性[15]。考虑铺膜季节对地膜力学性能的影响时，选取厚度为0.006 mm的地膜在冬季田间覆盖120 d、夏季田间覆盖100 d后再取样。
1.2试验方法
按照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的测定第3部分（薄膜与薄片的试验条件）》对采集的残地膜试样进行力学性能试验[16]。取不同季节、不同厚度和不同覆膜时间的地膜，制作纵向拉伸试验、横向拉伸试验和直角撕裂拉伸试验所需试样各10个并作标记，试样要保证表面无可见破损，边缘光滑。纵向和横向试样分别取宽为10 mm、长为150 mm，夹持中间部分两标线距离为100 mm（图1-a）；直角撕裂试样形状取燕尾状，长度选取100 mm，夹持中间部分标线距离为60 mm[9]（图1-b）。
1.3试验过程
试验仪器选择CMT6103电子万能试验机。在试验过程中，装夹残地膜试样时不可扭曲，保证表面平展。根据不同厚度、不同覆膜时间和不同季节的试验要求，共进行21组试验，每组试验选取10个试样进行测试，根据每组有效数据计算出试样拉伸载荷的平均值和断裂伸长率的平均值。
2试验结果
2.1夏季残地膜力学性能试验结果
在考虑农作物生长周期的前提下，为了得到地膜厚度和覆膜时间对残地膜力学性能的影响，本试验对夏季地膜的测试选择0.006、0.010、0.014 mm等3种不同厚度的地膜，测试其覆膜时间分别为60、100 d时残地膜的拉伸载荷和断裂伸长率，试验结果见表1。
2.2冬季残地膜力学性能试验结果
在某些地区（如西北寒冷干旱地区），为了促进农作物提早上市，在秋季播种时覆膜保温。因此，选取覆膜时间为 120 d、厚度为0.006 mm的冬季残地膜进行力学试验，试验结果见表2。
3试验结果分析
3.1不同覆膜时间残地膜力学性能变化
如图2所示，夏季覆膜中，与覆膜100 d相比，覆膜60 d的，厚度分别为0.006、0.010、0.014 mm的残地膜纵向拉伸载荷值分别为0.288、0.583、0.653 N，横向拉伸载荷值分别为0.115、0.361、0.923 N，直角撕裂拉伸载荷值分别为0.266、0561、0.706 N；其纵向断裂伸长率分别高100.003%、64141%、27.013%，横向断裂伸长率高11.06%、24.5%、30252%，直角撕裂载荷值分别高37.339%、15.915%、3101%。从图2-a可看出，相同厚度的残地膜随着覆膜时间的延长，纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷值会下降，且下降趋势较明显。从图2-b可以看出，相同厚度的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂的断裂伸长率随覆膜时间的延长而下降；覆膜时间相同时，随地膜厚度的增加，断裂伸长率的变化趋势是先增后减。
3.2不同厚度残地膜力学性能变化
如图3所示，夏季覆膜时间为60 d时，与厚度为 0.006 mm 的残地膜相比，厚度为0.010 mm的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷值分别为0.300、0.246、0.611 N，断裂伸长率分别高10.061%、19.575%、41.336%；与厚度为0.006 mm的残地膜相比，厚度为0.014 mm的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷分别为0.901、1.241、 1.16 N，断裂伸长率分别高-117.442%、18.291%、-4.923%。覆膜时间为100 d时，与厚度为0.006 mm的残地膜相比，厚度为0.010 mm的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷值分别为0.005、0.002、0.316 N，断裂伸长率分别高45.923%、6.135%、62.760%；与厚度为0.008 mm的残地膜相比，厚度为0.014 mm的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷值分别为0.536、0.435、0.720 N，断裂伸长率分别高-44.452%、-4.923%、29.315%。
3.3不同覆膜季节残地膜力学性能变化
夏季覆膜主要用于增温、保墒，一般覆膜时间不超过 100 d，部分作物由于是秋播春出作物，要求覆膜时间长达 120 d。如图4所示，比较实际厚度为0.006 mm冬季残膜和夏季残膜的力学性能，厚度为0.006 mm冬季残膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷分别比厚度为0.006 mm夏季残膜大1.043、0.191、0.415 N；断裂伸长率分别高187.337%、207671%、119.496%。虽然冬季残地膜在覆膜时间上比夏季残地膜多20 d，但是在经过寒冷天气的冷作硬化[17]和积雪的保护，冬季残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷均增大，断裂伸长率也比夏季覆膜的残地膜断裂伸长率明顯要大。
3.4拉伸载荷与拉伸位移的变化
图5为CMT6103电子万能试验机输出的厚度为 0.006 mm、覆膜时间为100 d残地膜的拉伸载荷和拉伸位移的关系图。由图5-a可知，开始拉伸位移随着拉伸载荷的增大而缓慢增加，此时残地膜的拉伸处于弹性变形阶段；当拉伸应力接近和达到屈服应力时，载荷增加的速度放缓，位移增加的速度加快，残地膜发生明显的塑性变形。继续增加拉伸载荷，达到拉伸断裂应力时，残地膜被拉断， 拉伸载荷与位移曲线呈直线下降。将图5-b与图5-a对比可知，残地膜被拉断时，横向所需的拉伸载荷小于纵向拉伸载荷，横向拉伸位移远小于纵向拉伸位移。沿纵向拉伸时，残地膜断裂形式一般为整体慢慢变细后撕裂或断裂；横向拉伸时，残地膜断裂形式是快速撕裂或局部变细后快速断裂，出现这样现象与地膜的成形机理有关。
从图6可知，残地膜在拉伸过程中会出现“白化”现象，产生“白化”现象是因为残地膜的材料为高分子化合物，当受到应力或微生物破坏时，高分子链的内应力被释放，产生了较多的低分子化合物，在其残地膜的内部产生微小细纹和孔穴等，经过光的反射发出漫射光，变成不透明的“白化”部分。厚度为0.010、0.014 mm的残地膜试样中出现“白化”现象较多且较为明显；从图6-b可知，厚度为0.006 mm的残地膜试样中出现“白化”现象较少。
4结论
通过对不同季节、不同厚度和不同覆膜时间的残地膜进行力学性能试验，得到如下结论：（1）厚度相同的地膜随覆膜时间的增加，其力学性能不断下降。在夏季覆膜中，覆膜时间为100 d与覆膜时间为60 d相比，厚度分别为0.006、0.010、0.014 mm的残地膜纵向拉伸载荷分别下降28.458%、44436%、34.135%，横向拉伸载荷分别下降18.822%、45158%、49.838%，直角撕裂拉伸载荷分别下降36.488%、41.866%、37.177%。（2）相同覆膜时间、不同厚度的残地膜拉伸载荷随厚度的增加而增大，厚度为0.010 mm的残地膜3个方向的断裂伸长率比厚度为0.006、0.014 mm的残地膜3个方向的断裂伸长率高。（3）不同覆膜季节、厚度相同（0006 mm）的残地膜冬季力学性能比夏季力学性能好。其中，冬季覆膜120 d的残地膜纵向拉伸负荷、横向拉伸负荷和直角撕裂拉伸负荷比夏季覆膜时间为100 d的残地膜3个方向上的拉伸负荷分别大59.027%、33.624%、47.267%，3个方向上的断裂伸长率分别高63.310%、88.088%、81.312%。
参考文献：
[1]李治国，周静博，张丛，等. 农田地膜污染与防治对策[J]. 河北工业科技，2015，32（2）：177-182.
[2]谢建华，侯书林，刘英超，等. 残膜清理回收机具的研究现状及存在的问题[J]. 中国农机化，2012（5）：41-44.
[3]吴慧，许映飞，韩男，等. 地膜覆盖对棉花营养土穴盘苗产量及养分吸收的影响[J]. 江苏农业科学，2014，42（2）：62-63.
[4]虞利俊，徐磊，唐玉邦，等. 3种可降解地膜的合成及应用展望[J]. 江苏农业科学，2013，41（10）：10-11.
[5]严昌荣，刘恩科，舒帆，等. 我国地膜覆盖和残留污染特点与防控技术[J]. 农业资源与环境学报，2014，31（2）：95-102.
[6]康平德，胡强，鲁耀，等. 云南丽江典型玉米种植区地膜残留研究[J]. 湖南农业科学，2013（3）：56-58.
[7]焦庆清，常亚芸，王全有，等. 地膜回收对泰兴香荷芋生长发育及产量和效益的影响[J]. 江苏农业科学，2014，42（2）：115-118.
[8]张义，谢永生，郝明德. 不同地表覆盖方式对苹果园土壤性状及果树生长和效益的影响[J]. 应用生态学报，2010，21（2）：279-286.
[9]谢建华. 垄作残膜捡拾及脱卸装置的研究[D]. 北京：中国农业大学，2014.
[10]王坤，谢建华，曹晓冉，等. 浅谈国内外地膜应用及残膜回收机的研究现状[J]. 新疆农机化，2016（3）：22-25.
[11]严昌荣，梅旭荣，何文清. 农用地膜残留污染的现状与防治[J]. 农业工程学报，2006，22（11）：269-272.
[12]王学农，冯斌，陈发，等. 棉秸秆切碎及残膜回收联合作业关键技术研究[J]. 新疆农业大学学报，2005，28（3）：49-52.
[13]陈志. 我国农业可持续发展与农业机械化[J]. 农业机械学报，2001，32（1）：1-4.
[14]张东兴. 农用残膜回收问题探讨[J]. 农村机械化，1997（6）：6-10.
[15]严昌荣，何文清，刘恩科，等. 作物地膜覆盖安全期概念和估算方法探讨[J]. 农业工程学报，2015，31（9）：1-4.
[16]塑料拉伸性能的测定第3部分（薄塑和薄片的试验条件）：GB/T 1040.3—2006[S].
关键词：残地膜；力学性能；厚度；覆膜时间；残地膜回收；残地膜污染治理
中图分类号： S223.5文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）15-0178-04
我国自20世纪70年代从日本引入地膜覆盖种植技术，经过几十年的发展，地膜覆盖种植技术在农业种植各个领域的应用已经趋于成熟[1-2]。地膜覆盖种植技术给植物提供了较好的生长环境，起到增温保墒、保持土壤疏松、改善土壤环境等作用，大幅提高了农作物产量[3-7]。地膜覆盖以良好的增产效应逐渐成为国内外主要经济作物种植方式之一，并取得了较好的社会效益、经济效益和生态效益[8]。但是，我国使用的农用地膜多为聚乙烯地膜或聚氯乙烯地膜，其理化性能稳定，残留在土壤中需要几百年才能降解[9-10]。机械回收地膜不彻底，常年累积的残膜给农业带来了严重的“白色污染”[11-13]。在农田残地膜机械化回收时，回收机本身的性能、残地膜与残茬的缠绕、残地膜与板结土壤的黏结和地膜的拉伸性能都会影响机具的回收率，其中残地膜自身的力学性能是影响回收率的重要因素之一[14]。为了研究不同厚度、不同覆膜时间和不同覆膜季节对地膜力学性能的影响，本试验对夏季覆盖60、100 d的，厚度为0.006（在GB 13735—1992《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》允许范围内）、0.010、0.014 mm的3种残地膜的力学性能进行测试研究；同时，为研究不同覆膜季节对其力学性能可能带来的影响，对分别在冬季、夏季田间覆盖的，厚度为0.006 mm的地膜力学性能进行测试。试验结果为残膜回收机的设计提供了理论依据，为解决残膜污染问题奠定基础。
1材料与方法
1.1材料
根据地膜标准（GB 13735—1992《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》）和对农作物生长周期的要求[12]，选取厚度分别为0.006、0.010、0.014 mm的3种地膜进行试验。试验地膜按照作物种植季节要求（春季铺设时间为4月初，冬季铺设时间为10月中旬）铺设在新疆建设兵团第五师101团的菜地上，比较厚度相同、覆膜时间不同（60、100 d）和覆膜时间相同、厚度不同残地膜的力学特性[15]。考虑铺膜季节对地膜力学性能的影响时，选取厚度为0.006 mm的地膜在冬季田间覆盖120 d、夏季田间覆盖100 d后再取样。
1.2试验方法
按照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的测定第3部分（薄膜与薄片的试验条件）》对采集的残地膜试样进行力学性能试验[16]。取不同季节、不同厚度和不同覆膜时间的地膜，制作纵向拉伸试验、横向拉伸试验和直角撕裂拉伸试验所需试样各10个并作标记，试样要保证表面无可见破损，边缘光滑。纵向和横向试样分别取宽为10 mm、长为150 mm，夹持中间部分两标线距离为100 mm（图1-a）；直角撕裂试样形状取燕尾状，长度选取100 mm，夹持中间部分标线距离为60 mm[9]（图1-b）。
1.3试验过程
试验仪器选择CMT6103电子万能试验机。在试验过程中，装夹残地膜试样时不可扭曲，保证表面平展。根据不同厚度、不同覆膜时间和不同季节的试验要求，共进行21组试验，每组试验选取10个试样进行测试，根据每组有效数据计算出试样拉伸载荷的平均值和断裂伸长率的平均值。
2试验结果
2.1夏季残地膜力学性能试验结果
在考虑农作物生长周期的前提下，为了得到地膜厚度和覆膜时间对残地膜力学性能的影响，本试验对夏季地膜的测试选择0.006、0.010、0.014 mm等3种不同厚度的地膜，测试其覆膜时间分别为60、100 d时残地膜的拉伸载荷和断裂伸长率，试验结果见表1。
2.2冬季残地膜力学性能试验结果
在某些地区（如西北寒冷干旱地区），为了促进农作物提早上市，在秋季播种时覆膜保温。因此，选取覆膜时间为 120 d、厚度为0.006 mm的冬季残地膜进行力学试验，试验结果见表2。
3试验结果分析
3.1不同覆膜时间残地膜力学性能变化
如图2所示，夏季覆膜中，与覆膜100 d相比，覆膜60 d的，厚度分别为0.006、0.010、0.014 mm的残地膜纵向拉伸载荷值分别为0.288、0.583、0.653 N，横向拉伸载荷值分别为0.115、0.361、0.923 N，直角撕裂拉伸载荷值分别为0.266、0561、0.706 N；其纵向断裂伸长率分别高100.003%、64141%、27.013%，横向断裂伸长率高11.06%、24.5%、30252%，直角撕裂载荷值分别高37.339%、15.915%、3101%。从图2-a可看出，相同厚度的残地膜随着覆膜时间的延长，纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷值会下降，且下降趋势较明显。从图2-b可以看出，相同厚度的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂的断裂伸长率随覆膜时间的延长而下降；覆膜时间相同时，随地膜厚度的增加，断裂伸长率的变化趋势是先增后减。
3.2不同厚度残地膜力学性能变化
如图3所示，夏季覆膜时间为60 d时，与厚度为 0.006 mm 的残地膜相比，厚度为0.010 mm的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷值分别为0.300、0.246、0.611 N，断裂伸长率分别高10.061%、19.575%、41.336%；与厚度为0.006 mm的残地膜相比，厚度为0.014 mm的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷分别为0.901、1.241、 1.16 N，断裂伸长率分别高-117.442%、18.291%、-4.923%。覆膜时间为100 d时，与厚度为0.006 mm的残地膜相比，厚度为0.010 mm的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷值分别为0.005、0.002、0.316 N，断裂伸长率分别高45.923%、6.135%、62.760%；与厚度为0.008 mm的残地膜相比，厚度为0.014 mm的残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷值分别为0.536、0.435、0.720 N，断裂伸长率分别高-44.452%、-4.923%、29.315%。
3.3不同覆膜季节残地膜力学性能变化
夏季覆膜主要用于增温、保墒，一般覆膜时间不超过 100 d，部分作物由于是秋播春出作物，要求覆膜时间长达 120 d。如图4所示，比较实际厚度为0.006 mm冬季残膜和夏季残膜的力学性能，厚度为0.006 mm冬季残膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷分别比厚度为0.006 mm夏季残膜大1.043、0.191、0.415 N；断裂伸长率分别高187.337%、207671%、119.496%。虽然冬季残地膜在覆膜时间上比夏季残地膜多20 d，但是在经过寒冷天气的冷作硬化[17]和积雪的保护，冬季残地膜纵向拉伸、横向拉伸和直角撕裂载荷均增大，断裂伸长率也比夏季覆膜的残地膜断裂伸长率明顯要大。
3.4拉伸载荷与拉伸位移的变化
图5为CMT6103电子万能试验机输出的厚度为 0.006 mm、覆膜时间为100 d残地膜的拉伸载荷和拉伸位移的关系图。由图5-a可知，开始拉伸位移随着拉伸载荷的增大而缓慢增加，此时残地膜的拉伸处于弹性变形阶段；当拉伸应力接近和达到屈服应力时，载荷增加的速度放缓，位移增加的速度加快，残地膜发生明显的塑性变形。继续增加拉伸载荷，达到拉伸断裂应力时，残地膜被拉断， 拉伸载荷与位移曲线呈直线下降。将图5-b与图5-a对比可知，残地膜被拉断时，横向所需的拉伸载荷小于纵向拉伸载荷，横向拉伸位移远小于纵向拉伸位移。沿纵向拉伸时，残地膜断裂形式一般为整体慢慢变细后撕裂或断裂；横向拉伸时，残地膜断裂形式是快速撕裂或局部变细后快速断裂，出现这样现象与地膜的成形机理有关。
从图6可知，残地膜在拉伸过程中会出现“白化”现象，产生“白化”现象是因为残地膜的材料为高分子化合物，当受到应力或微生物破坏时，高分子链的内应力被释放，产生了较多的低分子化合物，在其残地膜的内部产生微小细纹和孔穴等，经过光的反射发出漫射光，变成不透明的“白化”部分。厚度为0.010、0.014 mm的残地膜试样中出现“白化”现象较多且较为明显；从图6-b可知，厚度为0.006 mm的残地膜试样中出现“白化”现象较少。
4结论
通过对不同季节、不同厚度和不同覆膜时间的残地膜进行力学性能试验，得到如下结论：（1）厚度相同的地膜随覆膜时间的增加，其力学性能不断下降。在夏季覆膜中，覆膜时间为100 d与覆膜时间为60 d相比，厚度分别为0.006、0.010、0.014 mm的残地膜纵向拉伸载荷分别下降28.458%、44436%、34.135%，横向拉伸载荷分别下降18.822%、45158%、49.838%，直角撕裂拉伸载荷分别下降36.488%、41.866%、37.177%。（2）相同覆膜时间、不同厚度的残地膜拉伸载荷随厚度的增加而增大，厚度为0.010 mm的残地膜3个方向的断裂伸长率比厚度为0.006、0.014 mm的残地膜3个方向的断裂伸长率高。（3）不同覆膜季节、厚度相同（0006 mm）的残地膜冬季力学性能比夏季力学性能好。其中，冬季覆膜120 d的残地膜纵向拉伸负荷、横向拉伸负荷和直角撕裂拉伸负荷比夏季覆膜时间为100 d的残地膜3个方向上的拉伸负荷分别大59.027%、33.624%、47.267%，3个方向上的断裂伸长率分别高63.310%、88.088%、81.312%。
参考文献：
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