可降解膜覆蓋對一維土柱水分蒸發(fā)的影響

賈浩，李文昊*，王振華，張金珠，王久龍，丁宏偉，許虎

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子832003； 2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子832000)

隨著覆膜保墑技術(shù)的廣泛應(yīng)用，農(nóng)膜覆蓋耕作帶來良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，具有明顯的節(jié)水、保溫、增產(chǎn)、控鹽等特點(diǎn)[1]，同時(shí)也引發(fā)了殘膜污染的問題.目前中國農(nóng)膜使用量達(dá)136.2 萬t，覆膜面積達(dá)17 657.0 萬hm2，但殘膜回收率低，導(dǎo)致殘留在耕作層的地膜超過覆膜總量的30%.而這些殘膜極難在自然條件下降解[2]，在土壤中會(huì)存在100 a以上.殘膜隨多年耕作而累積，致使土壤入滲阻力增加[3]、田間蓄水量減少[4].李元橋等[5]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)殘膜達(dá)到720 kg/hm2時(shí)，殘膜區(qū)產(chǎn)生優(yōu)勢流.從可持續(xù)發(fā)展的角度，由覆膜引起的“白色污染”所導(dǎo)致的減產(chǎn)幅度將等于或超過其增產(chǎn)幅度.

為了解決普通地膜帶來的“白色污染”，研究使用可降解地膜是一種有效途徑.目前大量研究結(jié)果表明，可降解膜覆蓋能發(fā)揮保溫保墑、提肥增效、減輕土壤鹽漬化等綜合效應(yīng).而國內(nèi)外專家學(xué)者對可降解地膜在田間進(jìn)行研究，趙巖等[6]認(rèn)為可降解地膜最終會(huì)代替普通地膜.其他學(xué)者對不同厚度和不同材料的可降解地膜也進(jìn)行了詳細(xì)研究.而對于可降解膜覆蓋下的土柱水分入滲、蒸發(fā)的研究較少，韓勝強(qiáng)等[7]對可降解膜覆蓋下一維土柱的水分蒸發(fā)進(jìn)行直觀性分析.學(xué)者對土柱水分入滲蒸發(fā)進(jìn)行相關(guān)研究，王志超等[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同殘膜量對砂壤土和砂土水分入滲及累積蒸發(fā)量等相關(guān)方面的影響，得出Rose蒸發(fā)模型更適用于農(nóng)膜殘留土壤累積蒸發(fā)量的估算.

目前對于農(nóng)膜殘留影響土壤水遷移機(jī)理的研究較多，同時(shí)對于可降解地膜研究雖多，但主要涉及可降解膜增產(chǎn)、增效以及不同種類和厚度等方面.而對于可降解地膜覆蓋對土壤蒸發(fā)速率與蒸發(fā)量以及蒸發(fā)過程中水分再分布的研究相對較少；同時(shí)針對可降解地膜在新疆綠洲區(qū)應(yīng)用研究很少.因此，文中通過室內(nèi)土柱進(jìn)行可降解地膜對土壤水分蒸發(fā)特性影響的研究，設(shè)置紅外燈光連續(xù)和間斷照射來模擬持續(xù)高溫和晝夜交替狀況下的土壤水分蒸發(fā)，研究可降解膜覆蓋下土壤水分蒸發(fā)的機(jī)理，旨在為可降解膜覆膜滴灌和推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，保障綠洲灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展.

1 材料與方法

1.1 供試土壤與地膜

室內(nèi)土柱試驗(yàn)于2017年5—11月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行.土柱試驗(yàn)所需的材料有采自石河子市121團(tuán)農(nóng)田表層0～30 cm土壤，其物理參數(shù)見表1，表中ω為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，θ為風(fēng)干體積含水率，γ為容重.試驗(yàn)裝置包括馬氏瓶(高65 cm，容積5 102.5 cm3)；5 mm厚有機(jī)玻璃管制作而成的土柱(半徑10 cm，高35 cm)；支架和濾紙；275 W遠(yuǎn)紅外燈、蒸發(fā)皿(半徑與土柱相同)和型號為FG-30KAM精密臺(tái)秤(精度0.000 1 kg)；供試完全生物降解地膜(廣州金發(fā)科技股份有限公司)均采用新疆地區(qū)市場銷售且大面積應(yīng)用的聚乙烯塑料地膜，由新疆天業(yè)公司生產(chǎn).

表1 供試土壤物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及裝置

為減少土壤中的水分散失，通過一些措施阻斷土壤與大氣的“熱通道”，比如在土壤表面覆蓋薄膜、秸稈，覆蓋層材料通過阻隔太陽的輻射來抑制土壤水分蒸發(fā).文中設(shè)計(jì)5種覆蓋層——無膜(CK)、PE地膜(主要成分聚乙烯，厚0.008 mm)、3種可降解膜[BD1(A型完全生物降解地膜厚0.010 mm，主要成分PBAT設(shè)計(jì)降解誘導(dǎo)期45 d)；BD2(B型完全生物降解地膜厚0.010 mm，主要成分PBAT設(shè)計(jì)降解誘導(dǎo)期60 d)；BD3(C型生物降解地膜厚0.012 mm，主要成分PBAT降解誘導(dǎo)期60 d)]和2種輻射方式(晝夜連續(xù)照射、晝夜交替照射)模擬不同溫度勢下的土壤蒸發(fā)，共10個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共30個(gè)土柱.

將供試土樣按取土次序分層填裝(土樣去除根系枯枝落葉及大粒徑雜質(zhì)后，自然風(fēng)干、碾壓過2 mm篩備用)，裝土完成后在土柱土面覆蓋濾紙，在土面分別進(jìn)行滴水入滲和蒸發(fā)試驗(yàn).水分入滲試驗(yàn)裝置如圖1a所示，利用馬氏瓶穩(wěn)壓供水，用醫(yī)用針頭代替滴灌器用于模擬滴灌，灌水量均為4.8 L，平均滴頭流量0.48 L/h.蒸發(fā)試驗(yàn)在入滲結(jié)束后的土柱上進(jìn)行，靜置48 h 后的10組土柱(共30個(gè)),其試驗(yàn)裝置如圖1b所示，為了使試驗(yàn)周期變短，在蒸發(fā)試驗(yàn)中采用275 W 遠(yuǎn)紅外燈作為增強(qiáng)光源，并調(diào)節(jié)其與土柱表土的距離，均設(shè)置為20 cm[8]，同時(shí)使用與土柱等徑蒸發(fā)皿來測定水面蒸發(fā)量.為減少土柱與外界環(huán)境間的溫度交換，附1層2 cm厚橡塑海綿在土柱外圍，再加1層反射膜.采用稱量法測定土柱蒸發(fā)質(zhì)量，自蒸發(fā)開始每隔12 h測定1次，共監(jiān)測8 d.試驗(yàn)期間平均室溫為(25.5±1.5)℃，蒸發(fā)試驗(yàn)期間停止通風(fēng).每天9:00用電子秤稱量土柱日均蒸發(fā)損失量ΔM和水面日均蒸發(fā)量 ΔM0，將ΔM和ΔM0轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)土柱日均蒸發(fā)量W和水面日均蒸發(fā)量W0，轉(zhuǎn)換公式[9]為

W=10×ΔM/(π·r2·ρ),

(1)

W0=10×ΔM0/(π·r2·ρ),

(2)

式中：r為土柱半徑和蒸發(fā)皿半徑，文中為10 cm；ρ為水分密度，文中為1 g/cm3.

圖1 試驗(yàn)裝置

1.3 評價(jià)模型與指標(biāo)

1.3.1 蒸發(fā)模型

采用Rose 模型描述累積蒸發(fā)量的變化趨勢.Rose 模型[10]為

(3)

式中：E為土壤水分累積蒸發(fā)量，mm；te為土壤水分蒸發(fā)天數(shù)，d；c為水分?jǐn)U散參數(shù)；d為穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù).

1.3.2 評價(jià)指標(biāo)

采用相對均方根誤差(relative root mean square error, RRMSE)、整群剩余系數(shù)(coefficient of residual mass, CRM)、效率系數(shù)(coefficient of efficiency, CE)作為評價(jià)Rose 模型模擬蒸發(fā)過程效果的指標(biāo)，計(jì)算公式分別為

(4)

(5)

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

文中試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取 3 次重復(fù)的平均值，用Origin Pro 2018C軟件繪圖和進(jìn)行函數(shù)擬合，AutoCAD 2018軟件繪制裝置示意圖，SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外燈光連續(xù)照射方式下的蒸發(fā)過程分析

以紅外燈為熱源加快蒸發(fā)，采用紅外燈光連續(xù)照射來模擬持續(xù)高溫狀況下的土壤水分蒸發(fā)，研究其蒸發(fā)特性，探究覆蓋不同可降解膜對土壤水分蒸發(fā)過程的影響.

圖2是土壤累積蒸發(fā)量E隨蒸發(fā)時(shí)間t的變化情況.由圖可知，連續(xù)蒸發(fā)192 h后，處理CK，PE，BD1，BD2，BD3的累積蒸發(fā)量依次為34.20，23.52，28.86，28.75，28.95 mm：土壤累積蒸發(fā)量隨覆膜種類的不同而出現(xiàn)差異.蒸發(fā)24 h后，各處理土壤累積蒸發(fā)量差異較??；連續(xù)蒸發(fā)192 h后，BD1，BD2，BD3降解膜處理的累積蒸發(fā)量均值相對處理CK分別降低了15.61%，15.94%和15.35%，與CK相比，可降解膜處理的累積蒸發(fā)量顯著降低(P<0.05).在連續(xù)輻射下，各個(gè)處理的累積蒸發(fā)量都隨時(shí)間的推移逐漸增加，其趨勢大致相同，處理BD1，BD2，BD3相較于PE的抑蒸率分別為-18.50%，-18.19%，-18.76%.

圖2 不同處理累積蒸發(fā)量變化

圖3是不同處理間的蒸發(fā)系數(shù)變化趨勢，因蒸發(fā)前土壤初始含水率不同，為消除由此引起的累積蒸發(fā)量差異，文中引入蒸發(fā)系數(shù)μ(μ=累積蒸發(fā)量E/累積入滲量I).蒸發(fā)系數(shù)越大，土壤蒸發(fā)損失比例就越大，保水能力也就越弱.由圖3可知，各處理的蒸發(fā)系數(shù)μ隨覆膜種類的不同而變化，3種可降解膜的蒸發(fā)系數(shù)變化幅度小，從大到小依次為μBD3，μBD1，μBD2.

圖3 不同處理蒸發(fā)系數(shù)變化

不同處理的累積蒸發(fā)量E與蒸發(fā)時(shí)間t符合Rose蒸發(fā)模型，擬合結(jié)果如表2所示.

表2 累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時(shí)間擬合參數(shù)

由表2可知，不同覆膜處理的RRMSE，CRM和CE值不同，隨著RRMSE值逐漸增大，CRM值偏離0和CE偏離1，說明不同覆膜處理的Rose模型擬合效果變差.通過非線性曲線擬合結(jié)果分析得出，水分?jǐn)U散參數(shù)c隨著覆膜處理的不同而變化，總體變現(xiàn)為cCK>cBD2>cBD1>cBD3>cPE；穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)d也有類似變化，表現(xiàn)為dCK0.05)，而 CK和PE的c，d差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).通過分析可以得出，可降解膜處理中BD2的擬合效果最好.

2.2 紅外燈光間斷照射方式下的蒸發(fā)過程分析

為探究不同溫度勢下土壤水分蒸發(fā)特性，通過設(shè)置紅外燈光間斷照射來模擬晝夜交替狀況下的土壤水分蒸發(fā)，探究覆蓋不同可降解膜對土壤水分蒸發(fā)過程的影響.

圖4是土壤累積蒸發(fā)量E隨時(shí)間t的變化情況.由圖4可知，由于是先照射12 h，關(guān)燈隔12 h后再照射，這樣循環(huán)地間斷輻射蒸發(fā)192 h的過程中，各個(gè)處理的累積蒸發(fā)量曲線都呈振蕩(波形)增長趨勢；隨著時(shí)間的推移，間斷輻射狀態(tài)下的處理BD1，BD2，BD3的蒸發(fā)速率大于連續(xù)輻射狀態(tài)，其中在蒸發(fā)72 h前后，處理BD1，BD2的累積蒸發(fā)量發(fā)生了顯著的變化，但在完整的蒸發(fā)周期內(nèi)，處理BD2的累積蒸發(fā)量曲線都優(yōu)于BD1，BD3；蒸發(fā)12 h后，3種可降解膜處理之間土壤累積蒸發(fā)量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.處理PE和CK差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.在間斷輻射蒸發(fā)下，處理CK，PE，BD1，BD2，BD3的累積蒸發(fā)量依次為32.50，24.10，27.40，27.06，28.21 mm，處理BD1，BD2，BD3的累積蒸發(fā)量均值相對處理CK分別降低了15.69%，16.74%和12.15%，與處理CK相比，可降解膜處理的累積蒸發(fā)量顯著降低(P<0.05).與連續(xù)輻射蒸發(fā)相比，間斷輻射蒸發(fā)下各處理相應(yīng)累積蒸發(fā)量都有顯著變化，處理CK，PE，BD1，BD2，BD3的累積蒸發(fā)量減少率分別為4.97%，-2.46%，2.44%，7.17%，0.14%.數(shù)據(jù)顯示間斷輻射蒸發(fā)下處理PE的抑蒸率弱于連續(xù)輻射蒸發(fā)狀態(tài)，而處理BD1，BD2，BD3之間的抑蒸率從大到小依次為BD2，BD1，BD3.由此可見，地膜覆蓋對土壤蒸發(fā)有一定的弱化作用，其可阻斷熱量的傳輸通道，使得土壤水分散失變慢.圖5是間斷輻射下不同處理間的蒸發(fā)系數(shù)變化趨勢.因蒸發(fā)前土壤初始含水率不同，為消除其引起的累積蒸發(fā)量差異，故也引入蒸發(fā)系數(shù)μ.由圖5可知，各處理的蒸發(fā)系數(shù)隨覆膜種類而變化，3種可降解膜的蒸發(fā)系數(shù)變化幅度小，表現(xiàn)為μBD3>μBD1>μBD2.從圖4，5得出，隨著輻射狀態(tài)的變化，雖然間斷輻射狀態(tài)下各處理的累積蒸發(fā)量減少率高于連續(xù)輻射狀態(tài)，但2種狀態(tài)下，降解膜處理抑蒸率從大到小依次為BD2，BD1， BD3，其中BD2處理最優(yōu).

圖4 不同處理累積蒸發(fā)量變化

圖5 不同處理蒸發(fā)系數(shù)變化

不同處理的累積蒸發(fā)量E與蒸發(fā)時(shí)間te符合 Rose 蒸發(fā)模型，擬合結(jié)果見表3.

表3 累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時(shí)間擬合參數(shù)

由表3可知，同樣通過Origin Pro 2018C軟件進(jìn)行非線性曲線擬合，間斷輻射下各處理的擬合結(jié)果中顯示，水分?jǐn)U散參數(shù)c隨著覆膜處理的不同而變化，總體變現(xiàn)為cCK>cBD2>cBD1>cBD3>cPE;穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)d也隨著覆膜處理的不同而變化，呈現(xiàn)為dCK0.05)，而 CK和PE的c，d差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).同樣，不同的覆膜處理的RRMSE，CRM和CE值不同；隨著RRMSE值逐漸增大，CRM值偏離0和CE偏離1，說明不同覆膜處理的Rose模型擬合效果變差；但從整體效果得出，BD2的擬合效果最好.

3 討 論

土壤蒸發(fā)是在氣象和土壤水分的共同作用下發(fā)生的，但是不同的覆蓋層也影響土面蒸發(fā)，主要是不同的覆蓋層材料形成了不同的隔水層.不同的覆膜處理對累積蒸發(fā)量有顯著影響，尤其是當(dāng)土柱覆蓋可降解膜時(shí)，在連續(xù)輻射條件下，其累積蒸發(fā)量與無膜對照處理差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.文中得出不同的覆蓋層在土壤水分蒸發(fā)過程對水分抑制程度不同，這是由于改變了水土氣交界面，阻斷了土壤中水氣交換通道.FUCHS等[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)得出秸稈覆蓋阻力隨覆蓋厚度和覆蓋面積指數(shù)增加均呈指數(shù)增長.李毅等[12]也指出，覆膜開孔率越大，蒸發(fā)水量損失越大.文中研究結(jié)果顯示，可降解膜覆蓋可降低土壤蒸發(fā)，其抑制土壤蒸發(fā)的能力隨厚度而變化，誘導(dǎo)期相同時(shí)，厚度是關(guān)鍵因素；文中結(jié)果與其他學(xué)者研究結(jié)論一致[13].

外界溫度對土柱的水分蒸發(fā)具有重要影響，持續(xù)升溫和間斷升溫都對土壤水分蒸發(fā)具有顯著影響.顧文蘭[14]指出，紅外燈光連續(xù)照射方式下，土柱的累積蒸發(fā)量曲線呈遞增趨勢，而紅外燈在間斷照射方式下其累積蒸發(fā)量曲線呈波形遞增的趨勢，文中也證明了此規(guī)律.累積蒸發(fā)量曲線對應(yīng)時(shí)間的點(diǎn)的切線代表此時(shí)刻的蒸發(fā)速率，所以切線斜率越大，表示此刻的蒸發(fā)速率就越大.文中試驗(yàn)得出，隨著蒸發(fā)試驗(yàn)時(shí)間的推移，各個(gè)處理在蒸發(fā)開始后60 h內(nèi)，其累積蒸發(fā)量曲線斜率由較大到逐漸平穩(wěn)，說明后期蒸發(fā)不明顯，不同的輻射方式下其累積蒸發(fā)量不同.但是針對可降解膜覆蓋條件下土壤蒸發(fā)的研究較少，文中結(jié)合土面蒸發(fā)理論公式和試驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了可降解膜覆蓋阻力和土面蒸發(fā)的關(guān)系.這些參數(shù)計(jì)算簡單且具有物理意義，能夠在生產(chǎn)實(shí)際中被廣泛采用，對生產(chǎn)實(shí)踐具有指導(dǎo)意義.

4 結(jié) 論

1) 地膜覆蓋對土壤蒸發(fā)影響顯著，隨著蒸發(fā)試驗(yàn)時(shí)間的推移，各個(gè)處理在紅外燈輻射72 h后，其累積蒸發(fā)量曲線斜率由較大到逐漸平穩(wěn).紅外燈光連續(xù)照射方式下其累積蒸發(fā)量呈對數(shù)逐漸增大的曲線，而在間斷照射方式下呈振蕩(波形)遞增的曲線.

2) 整個(gè)試驗(yàn)周期，連續(xù)輻射蒸發(fā)下，處理CK的累積蒸發(fā)量為34.2 mm，與 CK 相比處理PE，BD1，BD2，BD3的抑蒸率分別為31.22%，15.61%，15.94%和15.35%；間斷輻射蒸發(fā)下，處理CK的累積蒸發(fā)量為32.5 mm，與 CK 相比處理PE，BD1，BD2，BD3的抑蒸率分別為25.84%，15.69%，16.74%和12.15%.間斷與連續(xù)輻射蒸發(fā)下相應(yīng)各處理累積蒸發(fā)量相比，處理CK，PE，BD1，BD2，BD3的累積蒸發(fā)量減少率分別為4.97%，-2.46%，2.44%，7.17%和0.14%.綜合上述分析可知，覆膜可有效減小土壤水分蒸發(fā)，可得同覆蓋層對土壤累積蒸發(fā)的抑制作用由大到小排列為PE，BD2，BD1，BD3，CK.在2種輻射方式下，3種可降解膜之間對比，主要成分為PBAT設(shè)計(jì)降解誘導(dǎo)期60 d的B型完全生物降解地膜相對A，C型完全生物降解地膜更能有效抑制水分蒸發(fā)散失.

3) 對于5種覆蓋層，在相同的輻射情況下，可降解膜處理抑制水分散失效果優(yōu)于無地膜覆蓋處理，弱于PE地膜；在試驗(yàn)周期內(nèi)，可降解膜處理的累積蒸發(fā)量的Rose模型的擬合效果優(yōu)于其他處理，通過比較可降解膜處理累積蒸發(fā)量的Rose模型擬合效果發(fā)現(xiàn)，主要成分為PBAT設(shè)計(jì)降解誘導(dǎo)期60 d的B型完全生物降解地膜相對A，C型完全生物降解地膜的模型擬合效果更好.