基于烟地残膜分布的捡拾机设计

梁长江,吴雪梅,陶佩杰,王浦舟

(贵州大学 机械工程学院,贵阳 550025)

0 引言

随着农业现代化的不断发展,地膜覆盖已成为确保农业高产稳产的重要手段,是一项成熟的农业栽培技术,能够有效改善和优化栽培条件,抵御不良气候环境,具有增温、保墒、抑制杂草生长、减少水分亏缺[1-2]、改善耕层土壤的水热状况、缩短作物生长周期、提高农产品质量和产量的作用[2-4]。地膜覆盖有利于土壤微生物的繁殖,提高土壤通透性,改善土壤结构提,还可以避免因灌溉或雨水冲刷造成的土壤板结及疏松土壤[5],因此被大面积地推广。目前为止,我国地膜覆盖面积及地膜投入量均占世界第一[6-8]。

地膜生产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],使用后形成的残膜很难得到回收。残膜聚集在土壤表层和耕作层,切断了土壤孔隙的连续性,导致土壤含水量下降,削弱了耕地的抗旱能力,引起次生盐渍化,同时阻碍养分迁移和微生物活动,土壤透气性变差,导致土壤板结且肥力下降,致使农作物减产[9-10]。据农业部门测定,连续覆膜3～5年的土壤,小麦产量下降2%～3% ,玉米产量下降10%左右,棉花产量则下降10%～23%[11];连续覆膜时间越长,残留量越大,对作物产量影响越大,连续使用15年后,耕地将颗粒无收[12]。

1 残膜状况分析

1.1 材料与方法

为了准确评估贵州省的土地残膜污染状况,选取毕节市的6个县(威宁彝族回族苗族自治县、赫章县、织金县、大方县、金沙县、黔西县)作为调查样区,每个样区随机选取2～5块烟地,共26块烟地,以梅花点方式进行残膜采集。残膜取样时间为作物刚刚收获后(2017年10-12月),主要考虑农田地膜经过一季作物生长后地膜降解和残留情况。每个采集样方面积为1 m × 1 m的正方形,取样时分3个土层由上而下依次(地表、0～10 cm、10～25cm)进行人工采集,采集样方远离路边、池塘、沟渠、公路等地,以及残膜量有明显差异的地块,以免造成数据不准确[7]。将捡拾的残膜装袋并做好标记,带回实验室后人工去除附着在残膜上的杂物,展开每个卷曲的残膜,后进行人工清洗;洗净后用烘干机烘干残膜上的水分,并在阴凉干燥处自然晾干至恒重;最后,以耕层深度(地表、0～10cm、10～25cm)和覆膜年限为标准进行分类统计。

1)残膜数量:每平方米土层内残膜的张数(片)。

2)残膜质量:每平方米土层内残膜的质量(g)。

3)破碎度(g/张):F=M/N。其中,M为收集的残膜总质量;N为收集的残膜数量。

1.2 结果分析设

1.2.1 不同覆膜年限残膜数量分布

不同覆膜年限及不同土层深度内的残膜数量和质量都存在较大差异,如图1、图2所示。

图1 不同覆膜年限残膜数量分布

图2 不同覆膜年限残膜质量分布

随着覆膜年限的增加,土壤各层残膜数量逐渐增加。其中,表层残膜数量增加最为显著,0～10cm土层内残膜数量显著增加;10～25cm土层内残膜的数量增加缓慢。个别点的数据存在突变现象,可能原因是调查点取样的随机性以及不同种植模式的影响。调研数据表明:土壤中平均残膜数量为48.72片/m2。其中,表层残膜平均数量为10.38片/m2,占到残膜总数量的21.30%;0～10cm,土层内残膜平均数量为26.1片/m2,占到残膜总数量的53.58%;10～25cm土层内残膜平均数量为12.24片/m2。利用Origin软件,对不同深度土壤内的残膜数量进行了曲线拟合,拟合结果如下:

1)不同覆膜年限下表层土壤残膜数量的拟合曲线为

y=(-11.07±7.08)+(18.07±8.07)x+

(-6.79±2.58)x2+(0.89±0.24)x3

拟合曲线的拟合度为0.994。

2)不同覆膜年限下0～10cm土层残膜数量拟合曲线为

y=(-4.47±4.03)+(4.20±2.64)x+

(1.28±0.37)x2

拟合曲线的拟合度为0.995。

3)不同覆膜年限下10～25cm土层残膜数量拟合曲线为

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

拟合曲线的拟合度为0.974。

4)不同覆膜年限下土层残膜总数量拟合曲线为

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

拟合曲线的拟合度为0.979。

式中x—覆膜年限(年);

y—残膜数量(片)。

1.2.2 不同覆膜年限残膜质量分布

调查结果显示:随着覆膜年限增加,各土层内残膜质量均有明显增加,且0～10cm土层内残膜残膜质量增长显著。这是因为贵州土壤多用旋耕机进行翻土整地,耕层厚度为10cm左右,残膜随旋耕刀翻入0～10cm土层内;10～25cm土层内残膜质量增长速度次之,表层残膜质量增加速度最慢。平均残膜质量为18.549g/m2,表层残膜质量最大,平均质量为11.34g/m2,占残膜总质量的60.63%;0～10cm土层内残膜质量次之,平均质量为5.57g/m2,占残膜总质量的29.79%;10～25cm土层内残膜质量最少,平均质量为1.639g/m2。利用Origin软件,对不同深度土壤内的残膜质量进行了曲线拟合,拟合结果如下:

1)不同覆膜年限下表层土壤残膜质量的拟合曲线为

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

残差平方和为0.57,拟合曲线的拟合度为0.991。

2)不同覆膜年限下0～10cm土层残膜质量拟合曲线为

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

残差平方和为1.36,拟合曲线的拟合度为0.988。

3)不同覆膜年限下10～25cm土层残膜质量拟合曲线为

y=(-0.29±0.46)+(0.31±0.30)x+

(0.08±0.04)x2

残差平方和为0.20,拟合曲线的拟合度为0.985。

4)不同覆膜年限下土层残膜总质量拟合曲线为

y=(4.47±1.17)+(3.08±0.77)x+

(0.31±0.11)x2

残差平方和为1.29,拟合曲线的拟合度为0.997。

式中x—覆膜年限(年);

y—残膜数量(g)。

由破碎度公式F=M÷N可知:土层越深残膜破碎度越大,覆膜年限越久,残膜破碎度越大。

1.2.3 残膜污染等级划分

残膜的污染严重影响了我国农业的可持续发展。对于残膜污染程度,《农田地膜残留量限值及测定》( GB/T 25413-2010) 中提到“待播农田耕作层内地膜残留量限值应不大于75kg/hm2”的规定,但目前国内还没有统一规范的评价标准。现根据我国农田地膜残留量进行划分,农田地膜平均残留量低于60kg/hm2为轻度污染,在60～90 kg/hm2为中度污染,高于90kg/hm2为重度污染[13]。

牛瑞坤[7]在其硕士论文《新疆阿克苏地区棉田残膜污染区域分布现状调查与分析》中利用梅花采样法进行人工采样,对棉田残膜的污染状况进行研究,并结合前人研究经验,制定出一套残膜污染等级:小于60kg/hm2为一级污染,60～150kg/hm2为二级污染,150～200kg/hm2为三级污染,200～250kg/hm2为四级污染,250～300kg/hm2为五级污染,大于300kg/hm2为六级污染。

黑龙江省残膜污染地方标准如下:0kg/hm2为无污染;0～25kg/hm2为低污染,25～50kg/hm2为中度污染,50～70kg/hm2为高度污染,75kg/hm2以上为重污染[11]。

湖北省农业厅对农田土壤中不同地膜残留量对耕地土壤、作物生长和产量的影响反复试验对比,制定了《农田土壤中地膜残留标准》,对种植棉花的土壤地膜残留量分为3个等级:小于60kg/hm2为一级污染,被认为对作物生长基本无影响;60～150kg/hm2为二级污染,对作物无显著影响,但超过此值会造成作物减产;150～600kg/hm2为三级污染,已造成耕地土壤污染,作物减产5%～20%[9]。

苏国樟[14]在《贵州烟区残膜污染状况与治理技术分析》一文中对贵州烟区残膜状况进行调查,分析了不同土层残膜的特点,并给出了一些合理的建议,但没有制定贵州省农田土壤地膜残留标准。课题组针对这一情况,对贵州省毕节市典型烟区的残膜状况再次进行调研,分析调研数据,结合其他省的残膜污染等级划分标准,初步制定贵州省毕节市烟区残膜污染等级,如表1所示。其中,五级和六级污染为重度污染,三级和四级污染为高度污染,二级和三级污染为中度污染,一级污染为轻度污染。

针对贵州省残膜污染状况及土地耕作模式,设计了一款残膜捡拾机,以期实现不同土壤深度残膜的有效捡拾。捡拾机机具主要由起膜装置、收膜装置及卸膜装置3部分组成。其中,收膜装置包括机架和收膜梳齿,具备仿形功能。利用三维制图软件NX10.0按照实际尺寸建立三维模型结构,如图3所示。

表1 毕节市烟区残膜污染等级划分

捡拾机通过三点悬挂系统2与拖拉机后端相连,作业时前排梳齿深入土层将土壤中的残膜翻到地表并捡拾起来,垄顶的地膜由机架中部的梳齿捡拾。由于梳齿是通过弹簧实现自动仿行,因此会随着垄的形状自动调整位置,使收膜齿紧紧压在土壤的表层。梳齿采用交叉式安装,前排梳齿捡漏的残膜,随后被后排的梳齿捡拾起来。当梳齿上的残膜积累到一定量时,通过卸膜连杆和卸膜杆组件装置进行卸膜。整机长2.2m,宽1.5m,工作幅宽2m;前中后3排梳齿的齿间距分别为90mm、70mm、50mm;机架总长1 390mm,宽1 020mm。

1.限深机构 2.悬架 3.机架 4.卸膜连杆 5.卸膜杆组件 6.梳齿

残膜捡拾机的主要承受载荷部件是机架和梳齿,文献[15]设计的残膜捡拾机梳齿能实现仿型功能,各层梳齿的强度依次递减,且梳齿入土深相同,导致积土量较大,所需功率较大。由残膜污染分布的调研数据可知:表层残膜质量最大,占残膜总质量的60.63%;0～10cm土层内残膜质量次之,占残膜总质量的29.79%;10～25cm土层内残膜质量最少。表层残膜平均数量最少,占到残膜总数量的21.30%;0～10cm土层内残膜数量最大,占到残膜总数量的53.58%。在此基础上本文改进设计了一款梳齿,如图4所示。通过仿真分析发现:该梳齿作业时,运动速度越大、入土越深、入土角度越小,所受的土壤阻力越大;通过响应曲面分析发现,梳齿运动速度对梳齿受土壤阻力的影响达到极显著水平,入土深度对梳齿受力的影响达到显著水平;入土角度对梳齿受力无明显影响。结合有限元软件ANSYS,通过耦合的方式得到10mm直径梳齿的受力云图和变形量。分析结果表明:梳齿齿尖处受力最大,且变形最大,最大等效应力为183.4MPa,小于梳齿的许用应力,最大变形量为20.949mm,满足仿型要求。

基于以上分析,设计了不同高度的梳齿,用于捡拾不同深度土壤内的残膜。捡拾机前、中、后3排梳齿的入土深度依次减小,为了满足应力要求,前排梳齿直径最大、入土角度最大;中间排梳齿次之;后排梳齿直径最小,入土角度最小。具体数据为:前排梳齿的入土深度为20cm,直径为13mm,入土角度为25°;中间梳齿的入土深度为15cm,直径为10mm,入土角度为20°;后排梳齿的入土深度为10cm,直径为8mm,入土角度为15°。3排梳齿采用交叉的方式安装,保证前排漏检的残膜被后排梳齿继续拾起,这样设计的优点是所需功率较小,减少了积土量。

图4 梳齿模型

样机定型后于乌当区羊昌镇进行机具性能测定和机具作用效果试验。选取6块试验地,每块试验地面积60m2。试验前,把地膜撕碎,然后随机埋在各个试验田地中,模拟残膜。每个试验田埋300g残膜,根据残膜分布特点,表层150g、中层(0～10cm土层)100g、深层(10～20cm土层)50g。捡拾机在拖拉机的牵引下进行残膜捡拾作业(前进速度为1m/s),捡拾过程中前、中、后3排梳齿入土深度分别为19.5、15.2、10.4cm。

捡拾完成后,每块地随机选取5个采样点,人工捡拾不同土层内的剩余残膜,带回实验室进行清洗、干燥、称重等处理。经计算发现:各土层残膜捡拾率均高于84%,满足捡拾要求,试验数据如表2所示。通过观察,捡拾机在田间连续工作6h,并未发生明显的变形,从侧面验证了梳齿设计的合理性。

表2 试验数据

2 结论

1) 随着覆膜年限增加,表层残膜数量增加显著,0～10cm土层内残膜质量增加显著。其中,表层残膜数量占21.30%,质量占60.63%;0～10cm土层内残膜数量占53.58%,质量占29.79%。拟合曲线的拟合度均高于0.97。

2) 初步制定贵州省毕节市烟区残膜污染等级:大于23g/m2为重度污染,13～23g/m2为高度污染,6～13g/m2为中度污染;小于6g/m2为轻度污染。

3)创新设计一款不同高度、入土角度和直径的螺旋弹齿的残膜捡拾机,田间试验发现:前、中、后3排梳齿靠捡拾机自重入土深度分别为:19.5、15.2、10.4cm,且各土层残膜捡拾率均高于84%,满足捡拾要求。