面向秸秆纤维基地膜物性的骨架非均匀排布可控增强机理研究

Straw fiber mulch has become an important way to solve the "white pollution", reduce straw burning and improve soil fertility. However, it was restricted to apply due to the uneven mechanical properties and high manufacturing costs. To address this issue, we here propose a method of controllable enhancement by arranging cotton fiber bundle skeletons, to develop tensile properties of high quality fiber to reduce cost. By studying the mechanism of film mulching, the model of film mulching was established, to analysis and calculate the deformation of film and parameters of no fold mulching with geometrically nonlinear FEM. Based on the effective elastic modulus test, the mechanical characteristic model of multi-parameter was established. the film degradation tests basing the mechanical properties and the volume content were carried out, to establish the natural degradation cycle model of straw fiber mulch film. Establishing constitutive equation of film unit with satisfying the requirements of film strength and degradation, the parameters of non uniform skeleton lap were calculated. Finally, the validity and feasibility of the method is verified by a sample trial. This study will effectively promote the popularization and promotion of straw fiber film in China.

秸秆纤维地膜已成为解决“白色污染”、减少秸秆焚烧和提升土壤肥力的一个重要途径，然而由于其力学特性分布不均匀和制造成本过高，制约着该技术的推广利用。针对上述问题，本申请拟开展一种基于棉纤维束骨架非均匀排布可控增强秸秆纤维基地膜物理特性的方法研究，旨在通过骨架排布发挥优质纤维抗拉特性以降低成本。通过研究地膜覆盖机理，建立田间覆膜受力模型，利用几何非线性有限元分析计算覆膜变形及无褶皱覆膜施力参数；通过有效弹性模量试验研究，建立骨架排布多参量作用力学特性模型；在此基础上开展基于力学特性和体积含量的地膜降解试验研究，建立秸秆纤维地膜自然降解周期试验模型；构建满足覆膜强度和同步降解要求的地膜单元本构方程，以控制非均匀骨架搭接参数，实现地膜物性参数可控增强；最后试制样本验证方法的有效性和可行性。本研究将为满足强度和经济性要求的全新秸秆纤维地膜制作奠定理论基础。

针对秸秆纤维地膜力学分布不均匀问题，项目以定向排布的棉纤维为骨架，以作物秸秆纤维为填充，研究了一种可充分发挥棉纤维抗拉特性的增强型秸秆纤维地膜，满足了机械覆膜和降解周期的需求。主要结论如下：（1）建立了地膜同步敷设力学模型，通过覆膜机械的挂膜装置和压边装置模型分析，建立敷设过程中地膜的受力模型，通过无褶皱覆膜的要求，利用有限元优化了覆宽为1.1 m，挂膜滚筒直径180 mm，出膜角度为45°，压边轮最大直径160 mm，最小直径42.4 mm，压膜倾角为46°，并通过试验验证了无褶皱覆膜的有效性。（2）建立有效弹性模量修正系数模型，首先通过正交试验优化出模头间隙5 mm、工作温度90℃和主轴转速110 r/m的秸秆纤维制造工艺最优参数组合，得到秸秆纤维初始扣解度为13°SR；其次优化秸秆纤维打浆工艺，当打浆时间为60 min、打浆负荷为5 kg、打浆浓度为2.57%参数组合条件下达到最优地膜抗张指数7.51 N•m/g；正交旋转组合试验优化出秸秆纤维地膜制造工艺综合指标最优的参数组合，即定量80±2 g/m2，漂白针叶木浆百分比40±2%，施胶剂0.90±0.05%，增强剂1.60±0.10%；优化棉纤维骨架增强秸秆纤维地膜工艺参数，当棉纤维间隔6 mm时，地膜强度达到最大，并建立了其有效弹性模量修正系数模型。（3）以地膜的抗张指数为指标，试验测量抗张指数与敷设时间的关系图，建立地膜降解周期模型，并对比了秸秆纤维地膜与塑料地膜和裸地对地温和土壤菌群的影响，研究发现秸秆纤维地膜的抑草和调温效果优于塑料地膜，保墒性与塑料地膜相若，增温效果差于塑料地膜，但均由于裸地，对作物的产量和品质影响与塑料地膜相若。本项目为完全可降解的秸秆纤维地膜强度和降解周期的定制及机械化敷设奠定了理论基础。