土壤殘膜對水分入滲過程的影響

曹俊豪，李援農(nóng)，谷曉博，陳朋朋

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

地膜覆蓋技術(shù)在我國被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中[1,2]，目前地膜覆蓋主要兩種覆蓋方式為地表覆蓋地膜和壟上覆膜。據(jù)研究，地表覆蓋地膜可以保水保墑[3,4]、減少土壤水分蒸發(fā)[5-7]等作用，壟上覆膜可以減少地表水分蒸發(fā)，提高缺水地區(qū)對地表水的利用效率，同時還能起到增加地表溫度促進作物出苗、改善土壤結(jié)構(gòu)等作用。但是，由于地膜覆蓋在長期使用過程中，導(dǎo)致殘膜留存于土壤中的含量不斷增加，導(dǎo)致地膜使用地區(qū)糧食產(chǎn)量逐漸衰減，因此探究土壤殘膜含量與埋深對水分垂直入滲過程的影響對于促進糧食增產(chǎn)和節(jié)約水資源具有深遠(yuǎn)意義。

李仙岳[8,9]研究發(fā)現(xiàn)濕潤體和濕潤鋒運移距離和殘膜量呈負(fù)相關(guān)，隨殘膜量的增加而減小。王志超[10]研究認(rèn)為，隨著土壤含水率和殘膜埋深的增加，土壤濕潤體的面積逐漸縮小。鄒小陽[11]研究認(rèn)為，水平濕潤鋒運移速率、土壤含水率和累積入滲量均隨殘膜量增加而減小。李元橋等[12]研究認(rèn)為濕潤鋒運移會受到殘膜的阻礙作用，當(dāng)濕潤鋒在10～20 cm和0～10 cm土層之間會存在差異。解紅娥等[13]研究認(rèn)為土壤體積質(zhì)量隨殘膜量的增加逐漸增加，呈對數(shù)遞增關(guān)系，殘膜量與土壤水分運移速率呈負(fù)相關(guān)。黨雪瑞等[14]研究認(rèn)為，相對體積質(zhì)量隨殘膜量增加而增大，土壤體積質(zhì)量與殘膜量呈正相關(guān)，而土壤孔隙度和含水率則隨殘膜量的增大而減小。前人關(guān)于殘膜含量與殘膜埋深對土壤入滲的影響進行了一系列研究，但多集中于殘膜含量和殘膜埋深等單因素與濕潤鋒運移時間之間的關(guān)系，而關(guān)于殘膜含量、殘膜埋深、土壤干容重和初始含水率雙因素間的互作效應(yīng)對濕潤鋒運移時間的影響研究不足。

本文主要結(jié)合前人的研究成果，通過四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，研究殘膜量、初始含水率、殘膜埋深和土壤干容重對土壤濕潤鋒運移時間的影響，并通過雙因素間的互作效應(yīng)分析研究雙因素對濕潤鋒運移時間的影響，旨在為殘膜污染區(qū)下的合理灌溉制度提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗采用二次旋轉(zhuǎn)回歸正交設(shè)計，設(shè)置土壤初始含水率、土壤干容重、殘膜量、殘膜埋深4個試驗因素，每個因素設(shè)置5個水平。配置土壤初始含水率(取質(zhì)量為M的樣土)所需加水量：

式中：m為樣土總重量；ω為初始含水率，%。

每層土柱加土質(zhì)量：

M1=πr2hPb(ω+1)

式中：Pb為土壤干容重，g/cm3；h為每層土的高度，cm；r為土層半徑，cm；其余符號意義同前。

試驗因素及水平見表1。

表1 試驗因素及水平

裝土前先在土柱壁上涂抹凡士林，避免產(chǎn)生優(yōu)勢流；每 5 cm分一層裝土，層與層之間需打毛；試驗開始前，在土壤表面放半徑為12 cm的濾紙，防止水流沖刷表層，試驗開始將濾紙拿出。分別記錄入滲時間為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、60、80、100、120、140…580、600、620 min時的濕潤深度，當(dāng)土壤濕潤鋒運移到40 cm時，結(jié)束試驗，記錄總運移時間。土柱面積較小，為避免殘膜的大小對土壤垂直入滲的影響，將殘膜大小統(tǒng)一控制為2 cm×1 cm的長方形，每層裝土之前將定量的土壤與殘膜放入攪拌機，使其攪拌均勻，殘膜隨機分布所在層。

1.2 試驗方案

本實驗采用二次旋轉(zhuǎn)回歸正交組合設(shè)計試驗，四因素五水平共36個組合，各組合重復(fù)一次實驗，濕潤鋒運移時間取均值，各因素的水平編碼表見表1，實驗方案見表2。

表2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計

采用Matlab軟件對實驗結(jié)果進行分析，生成三維圖形，并用Excel處理試驗方程統(tǒng)一繪制圖標(biāo)。

1.3 試驗裝置與方法

試驗在陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗站內(nèi)進行(N34°18'，E 108°24')，位于中國西北黃土高原南部，海拔512 m，是典型的旱地農(nóng)業(yè)區(qū)，該地區(qū)地勢平坦，地下水埋深80 m，光照資源豐富。本試驗土壤取自試驗站內(nèi)試驗田表層土，實驗土壤質(zhì)地為壤土，將實驗土去除石子等雜質(zhì)后風(fēng)干，用碾壓機碾壓，碾壓后放在陽光下暴曬，然后通過5 mm篩網(wǎng)備用，測得暴曬后的土壤含水率為2.02%。土壤基本性質(zhì)見表3，供試地膜，厚度為0.008 mm。

試驗裝置如圖1所示，其中在土柱底端1 cm處有一個排氣孔，用于土壤入滲過程中排除土壤內(nèi)部空氣，消減入滲過程空氣壓力對濕潤鋒運移的影響。用石英石將土柱最低端5 cm填充；在石英石上端5 cm放入沉降土(土壤容重為1.35 g/cm3)，防止試驗過程中，上層土壤進入石縫內(nèi)；沉降土上層裝40 cm實驗土，實驗土共分四層及0～10、10～20、20～30、30～40 cm；分別在土壤表層以下5、15、25、35 cm處鉆兩個r=1 cm的圓孔，入滲結(jié)束以后，及時從圓孔內(nèi)取土，測量含水率，試驗期間則用橡膠塞封閉防止漏水；實驗土裝土?xí)r，每5 cm裝一次土，層與層之間需打毛。其中試驗所用馬氏瓶和土柱均選用半徑r=12 cm的有機玻璃制成，馬氏瓶高80 cm，土柱高70 cm，在入滲過程中入滲水頭保持6 cm不變。

圖1 試驗裝置示意圖

表3 土壤基本性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)分析方法

2.1.1 當(dāng)有p個變量時，二次回歸方程的一般形式為：

(1)

(1)bj的計算。

其中n表示試驗的組數(shù)：

(2)Bj的計算。

2.1.2 回歸方程的檢驗

(2)

(1)剩余平方和為：

(2)回歸平方和：

(3)總平方和：

2.1.3 方程擬合度檢驗

(3)

(1)誤差平方和由零水平檢驗結(jié)果獲得：

式中：m0為零水平試驗次數(shù)。

(2)失擬平方和：

QLf=Qe2-Qe,fLf=fe2-fe

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)實驗結(jié)果和計算方法，得到土壤濕潤鋒運移時間與殘膜埋深、初始含水率、殘膜含量、土壤干容重的二次回歸模型為：

Y=441.25-133.927Z1+78.08Z2+49.42Z3-1.83Z4+

0.88Z1Z3+2.13Z1Z4-48.38Z2Z3+12.88Z2Z4-6.63Z3Z4

(4)

回歸方程的檢驗：

(5)

結(jié)果表明回歸方程是極顯著的。F在0.01水平上顯著，說明實驗所選四因子對土壤濕潤鋒運移時間有顯著影響。

擬合度檢驗為：

(6)

結(jié)果顯示回歸方程擬合度高。

對二次模型進行方差分析，結(jié)果表明初始含水率、干容重和殘膜含量的一次項和殘膜含量的二次項以及初始含水率和干容重的交互項、干容重和殘膜量的交互項、殘膜埋深二次項均達到顯著水平(P<0.05)，其余互作均不顯著(表3)。因此，在P=0.05的顯著水平，簡化后的回歸方程為：

(7)

2.3 主因素效應(yīng)分析

由各回歸系數(shù)的顯著性水平可知，初始含水率、土壤干容重和殘膜含量三個因素達到顯著水平，表明殘膜埋深對濕潤鋒運移時間影響不明顯，而殘膜含量、初始含水率、土壤干容重是影響土壤濕潤鋒運移時間的主要因素。

由于設(shè)計采用正交設(shè)計，并且各因素均經(jīng)無綱量進行編碼處理，所有回歸系數(shù)間都是相互獨立的，因此對土壤濕潤鋒運移時間的影響可以用各因素一次項回歸系數(shù)的絕對值大小進行比較，影響土壤濕潤鋒運移時間大小順序為：初始含水率>土壤干容重>殘膜含量(133.92>78.08>49.42)。

2.4 單因素效應(yīng)分析

圖2 濕潤鋒運移時間與各因素的關(guān)系曲線

2.5 雙因素間的互作效應(yīng)分析

由表3中P顯著性檢驗結(jié)果可知，殘膜含量與土壤干容重和初始含水率與土壤干容重雙因素間互作效應(yīng)(p<0.05)。去除殘膜含量項后，得出土壤濕潤鋒運移時間與初始含水率和土壤干容重的關(guān)系方程式為:

利用Matlab對初始含水率與土壤干容重間的互作效應(yīng)作三維圖形(圖3)，由圖3可知，當(dāng)初始含水率大于11%時，隨著土壤干容重的增加濕潤鋒運移時間先增大后減?。划?dāng)初始含水率小于11%時，隨著土壤干容重的增大濕潤鋒運移時間逐漸增大。這可能由于初始含水率越高，累積入滲量越小，即相同時間對應(yīng)水量較少[15]。因此，要想讓濕潤鋒運移時間最短，要盡量保持土壤含水率較大和土壤干容重較小。當(dāng)土壤干容重較小時，隨著初始含水率的增大，濕潤鋒運移時間減小較慢；當(dāng)土壤干容重較大時，隨著初始含水率的增加，濕潤鋒運移時間減小較快。這可能因為土壤干容重越大，土壤內(nèi)的孔隙率越小，對水分運動的阻塞作用越大。

圖3 初始含水率-土壤干容重互相應(yīng)曲面

將含初始含水率項去除之后，得出土壤濕潤鋒運移時間與土壤干容重和殘膜含量與的方程式為：

利用Matlab對土壤干容重和殘膜含量間的互作效應(yīng)作三維圖形(圖4)，由圖4可知，當(dāng)土壤干容重小于1.41 g/cm3時，濕潤鋒運移時間隨殘膜含量的增長而增長；當(dāng)土壤干容重大于1.41 g/cm3時，濕潤鋒運移時間隨殘膜含量的增長反而減小。當(dāng)殘膜量小于150 kg/hm2時，濕潤鋒運移時間隨土壤干容重的增加而增大；當(dāng)殘膜量大于150 kg/hm2時，濕潤鋒運移時間在殘膜含量的變化下保持穩(wěn)定趨勢。

圖4 土壤干容重-殘膜量互相應(yīng)曲面圖

3 討 論

本試驗通過二次旋轉(zhuǎn)組合正交試驗研究殘膜含量、殘膜埋深、初始含水率、土壤干容重與濕潤鋒運移時間之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明，殘膜含量、初始含水率、土壤干容重與濕潤鋒運移時間之間顯著相關(guān)，殘膜埋深與濕潤鋒運移時間之間不顯著，而李元橋[12]研究認(rèn)為濕潤鋒在0～10和10～20 cm土層之間存在明顯差異，王志超[10]研究結(jié)果表明濕潤鋒水分入滲曲線受殘膜埋深的影響比較大。這可能是因為本試驗在試驗過程中土柱里土壤空氣壓力保持恒定，再加上入滲過程中水頭一直保持6 cm不變，濕潤鋒下移速度較快，所以可能導(dǎo)致了濕潤鋒運移時間與土壤中殘膜的埋深不顯著。

土壤濕潤鋒運移時間隨殘膜量的增加而減小，殘膜對土壤濕潤鋒垂直下移具有一定的阻塞作用，鄒小陽的試驗結(jié)果與此結(jié)論一致[11]。初始含水率與濕潤鋒運移時間呈負(fù)相關(guān)，這是由于，土壤初始含水率越高，土壤中孔隙含量較小，導(dǎo)致累計入滲量越變少，即相同入滲時間對應(yīng)入滲水量變少，所以濕潤鋒運移時間變短；土壤干容重與土壤濕潤鋒運移時間呈負(fù)相關(guān)，這是由于干容重越大，土壤顆粒間孔隙越小，對土壤水分運移的阻塞作用越大，所以與濕潤鋒運移時間呈正相關(guān)。但是隨著干容重的增大，土壤孔隙率變小，干容重對土壤入滲的影響也變小，所以濕潤鋒推進也會變慢，這與李援農(nóng)[16]的研究結(jié)果一致。

雙因素間的互作效應(yīng)分析顯示，當(dāng)初始含水率大于11%時，隨著土壤干容重的增加濕潤鋒運移時間先增大后減小；當(dāng)初始含水率小于11%時，隨著土壤干容重的增大濕潤鋒運移時間逐漸增大。當(dāng)土壤干容重較小時，隨著初始含水率的增大，濕潤鋒運移時間減小較慢；當(dāng)土壤干容重較大時，隨著初始含水率的增加，濕潤鋒運移時間減小較快。當(dāng)土壤干容重小于1.41 g/cm3時，濕潤鋒運移時間隨殘膜含量的增長而增長；當(dāng)土壤干容重大于1.41 g/cm3時，濕潤鋒運移時間隨殘膜含量的增長反而減小。當(dāng)殘膜量小于150 kg/hm2時，濕潤鋒運移時間隨土壤干容重的增加而增大；當(dāng)殘膜量大于150 kg/hm2時，濕潤鋒運移時間在殘膜含量的變化下保持穩(wěn)定趨勢。這是由于殘膜是隨機分布在土壤內(nèi)的，當(dāng)殘膜在土壤中處于垂直或者傾斜狀態(tài)是，水分可以順著殘膜的光滑作用進行下移；而當(dāng)殘膜量較大的時候，殘膜與殘膜之間形成致密的組斷層，阻止水分下移。如上所述，殘膜對土壤濕潤鋒下移具有一定的阻塞作用，在一定條件還具有導(dǎo)流作用，當(dāng)殘膜量大于150 kg/hm2時，隨著土壤容重的增加，濕潤鋒運移時間保持穩(wěn)定趨勢。

4 結(jié) 語

(1)初始含水率、土壤干容重和殘膜含量與濕潤鋒運移時間顯著相關(guān)，而殘膜埋深與濕潤鋒運移時間不顯著，影響土壤濕潤鋒運移時間大小順序為：初始含水率>土壤干容重>殘膜含量(133.92>78.08>49.42)。

(2)隨著土壤干容重和殘膜量的增加，濕潤鋒運移時間也在逐漸增加，隨著初始含水率的增加，濕潤鋒運移時間反而直線減小；而濕潤鋒運移時間增長速率隨干容重的增加而減小。

(3)交互效應(yīng)分析顯示：當(dāng)土壤干容重小于1.41 g/cm3時，隨著殘膜量的增加，濕潤鋒運移時間增長；當(dāng)土壤干容重大于1.41 g/cm3時，隨著殘膜量的增加，濕潤鋒運移時間反而減小。當(dāng)殘膜量小于150 kg/hm2時，隨著土壤容重的增加，濕潤鋒運移時間增大；當(dāng)殘膜量大于150 kg/hm2時，隨著土壤容重的增加，濕潤鋒運移時間趨于穩(wěn)定。

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