殘膜量及分布對(duì)一維土柱水分蒸發(fā)的影響

谷貞達(dá)，李文昊，張金珠

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/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)

地膜覆蓋技術(shù)可顯著降低地表蒸發(fā)，自1978年引入我國(guó)，1996年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱兵團(tuán))將地膜覆蓋與滴灌技術(shù)結(jié)合形成膜下滴灌技術(shù)，之后歷經(jīng)24年發(fā)展，兵團(tuán)膜下滴灌面積從最初的1.67 hm2，擴(kuò)大到現(xiàn)在的140萬hm2，推動(dòng)兵團(tuán)基本建成全國(guó)節(jié)水灌溉示范基地。塑料地膜主要成分是聚乙烯(PE)材料，該成分在自然條件下降解極慢，周期為200～400 a[1-3],而且隨著地膜覆蓋面積和地膜使用量的增加，“白色污染”問題日趨嚴(yán)重[4-6]，因此，諸多學(xué)者針對(duì)農(nóng)業(yè)殘膜污染問題進(jìn)行研究。

肖軍等[7]和解紅娥等[8]研究表明殘膜致使作物根系彎曲狀發(fā)展，根系變短，作物吸水吸肥能力降低，導(dǎo)致作物減產(chǎn)；李秋洪[9]研究結(jié)果表明耕地土壤地膜殘留量與覆膜年限呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94；嚴(yán)昌榮等[10-12]研究表明覆膜種植會(huì)導(dǎo)致土壤殘膜量不斷積累，堵塞土壤過水孔隙，減小土壤總孔隙度，破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，土壤入滲阻力增加；李仙岳等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和濕潤(rùn)體隨殘膜量增加而減小，且入滲速率的不確定性增加。李元橋等[15]研究表明農(nóng)膜殘留后土壤中大孔隙比例增加，易產(chǎn)生土壤水分的優(yōu)勢(shì)遷移。

已有的研究成果對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)殘膜污染治理起到了積極作用，但關(guān)于殘膜對(duì)土壤水分蒸發(fā)影響的研究很少，因此，本文通過室內(nèi)一維土柱試驗(yàn)，模擬大田土壤耕作層(土體表面至地下30 cm)研究不同殘膜量以及殘膜分布情況對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響，探索殘膜對(duì)土體蒸發(fā)特性影響機(jī)理，為殘膜污染治理工作提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年5—10月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基地暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)站位于兵團(tuán)第八師石河子市西北郊石河子大學(xué)農(nóng)試場(chǎng)二連(44°18′25″ N，86°03′27″ E)，海拔451 m，平均地面坡度6×10-3，年平均日照時(shí)間達(dá)2 865 h，大于10 ℃積溫為3 463.5 ℃，無霜期達(dá)到170 d，多年平均降雨量207 mm，平均蒸發(fā)量1 660 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)供試土樣取自兵團(tuán)第八師121團(tuán)(新疆石河子市炮臺(tái)鎮(zhèn))農(nóng)田，經(jīng)風(fēng)干碾碎，過2 mm篩。農(nóng)田土壤質(zhì)地為沙質(zhì)壤土，黏粒(粒徑<0.002 mm)含量為12%，粉粒(粒徑在0.002～0.05 mm)含量為20%，沙粒(粒徑在0.05～0.25 mm)含量為68%；土體各層容重見表1。

表1 各層土壤容重

試驗(yàn)所需材料包括馬氏瓶，電子秤，275 W遠(yuǎn)紅外燈泡，剪裁過的塑料底膜(新疆天業(yè)生產(chǎn)PE塑料地膜)以及有機(jī)玻璃管、有機(jī)玻璃板。土柱用5 mm厚，內(nèi)徑20 cm的有機(jī)玻璃管和厚度為8 mm的有機(jī)玻璃板粘合而成，土柱長(zhǎng)40 cm，在其側(cè)面每隔5 cm開一個(gè)1 cm小孔視為取樣空，在垂直方向呈90°錯(cuò)開。入滲與蒸發(fā)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 殘膜量和殘膜分布設(shè)計(jì)

農(nóng)田中殘膜量隨著覆膜年限的增加而遞增，且呈正相關(guān)[9]，本研究利用殘膜與年限以及殘膜回收率來確定殘膜量，新疆棉田普遍地膜覆蓋率為84.8%[16]，每年覆蓋的地膜質(zhì)量為52.8 kg/hm2，再考慮殘膜回收率μ(50%，70%，85%)，可引入殘膜量與覆膜年限關(guān)系式Y(jié)=(1-μ)·k·X，其中Y表示殘膜重量，k表示每年地膜完全殘留率，即每年地膜覆蓋量52.8 kg/hm2，X表示覆膜年限。

本試驗(yàn)設(shè)置覆膜年限為0、5、10、50 a。通過計(jì)算求得各處理的殘膜量如表2所示，其中殘膜量8個(gè)梯度分別為0(CK)、39.6、79.2、158.4、264、396、792、1 320 kg/hm2。殘膜分布設(shè)計(jì)分為各層無差異分布，即平均分布(A)，逐層遞減分布(D)，這兩種分布各層殘膜質(zhì)量比例如表3所示。

表2 殘膜量及殘膜分布設(shè)計(jì)

表3 不同分布各土層殘膜量的分布設(shè)計(jì)

1.3.2 土柱模擬設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)狀及表1中研究區(qū)各層土壤容重，取平均值設(shè)計(jì)土體容重為1.4 g/cm3，土體厚30 cm，分為6層，每5 cm為一層，裝土前有機(jī)玻璃柱底部裝有5 cm的砂石反濾層，裝土?xí)r各層土均壓實(shí)打毛，各層土裝完時(shí)有機(jī)玻璃上部留有5 cm的水頭區(qū)(圖1)。利用馬氏瓶穩(wěn)定供水，控制各處理灌水量1.5 L一致，設(shè)置出水流量為0.67 L/h；內(nèi)控制室溫27±3 ℃。入滲試驗(yàn)進(jìn)行24 h結(jié)束，用塑料薄膜將土柱上部封閉，將土柱靜止48 h進(jìn)入重分布階段。重分布階段結(jié)束，立即將土柱輕緩地放到蒸發(fā)裝置上進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，蒸發(fā)過程采用275 W遠(yuǎn)紅外燈對(duì)土柱進(jìn)行照射，調(diào)試遠(yuǎn)紅外燈與土體表面距離為20 cm(光照強(qiáng)度為683 μmol/(m2·s)，室內(nèi)水面日蒸發(fā)量為43.7 mm)，并且從蒸發(fā)試驗(yàn)起始進(jìn)行計(jì)時(shí)，每隔24 h采用精度為0.000 1 kg的梅特勒-托利多PR/SR天平對(duì)土柱進(jìn)行稱重，以計(jì)算累計(jì)蒸發(fā)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及LSD多重比較分析以確定各處理均值差異，采用Origin 8.5進(jìn)行入滲與蒸發(fā)模型擬合[13]并繪圖，用Excel 2016制作表格。

1.5 模型擬合

蒸發(fā)過程將土壤累積蒸發(fā)量E(mm)隨蒸發(fā)時(shí)間te(d)變化規(guī)律建立Rose模型。本文采用相對(duì)均方根誤差(relative root mean square error，RRMSE)作為評(píng)估Rose模型擬合效果的指標(biāo)[18]，RRMSE值越小，說明模型擬合效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同殘膜量對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

結(jié)果(圖2)顯示：各處理累計(jì)蒸發(fā)量逐漸增加隨著殘膜量的增加，累積蒸發(fā)量逐漸減小。

蒸發(fā)初期，即第1 d時(shí)累計(jì)蒸發(fā)量由CK、A1至A7分別為12.8、12.6、11.9、11.3、10.2、8.6、7.0、5.3 mm(F=68.03，P<0.05)，CK、D1至D7分別為12.8、12.6、12.4、11.8、10.5、9.0、7.5、5.9 mm(F=28.00，P<0.05)，殘膜量小于79.2 kg/hm2時(shí)，即A1、A2和D1、D2處理較比CK的累積蒸發(fā)量影響不顯著，殘膜量大于79.2 kg/hm2時(shí)，殘膜量對(duì)累積蒸發(fā)量的影響逐漸顯著；蒸發(fā)后期，即第8 d時(shí)CK、A1至A7累積蒸發(fā)量分別為37.7、35.8、33.7、32.9、31.0、28.3、26.1、23.8 mm(F=25.81，P<0.05),殘膜量小于79.2 kg/hm2時(shí)，殘膜量對(duì)累積蒸發(fā)量影響不顯著，而殘膜量大于79.2 kg/hm2時(shí)，殘膜量越大其累積蒸發(fā)量與CK的差異越顯著；CK、D1至D7累積蒸發(fā)量分別為37.7、34.5、32.5、31.6、29.8、27.0、24.9、22.7 kg/hm2(F=23.64，P<0.05)，各處理在蒸發(fā)后期累積蒸發(fā)量較比CK均顯著減小，同樣隨著殘膜量的增加，較比CK變化越顯著。綜上可知：隨著殘膜量的增加，累積蒸發(fā)量逐漸降低，殘膜量越大，減小幅度越大、降低效果越顯著。在蒸發(fā)前期，殘膜量低于79.2 kg/hm2時(shí)，累積蒸發(fā)量變化不顯著，殘膜量大于79.2 kg/hm2時(shí)，累積蒸發(fā)量較比CK顯著減小。

圖2 不同殘膜量對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的影響

將各處理累積蒸發(fā)量隨時(shí)間變化情況采用Rose模型進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)、相對(duì)均方根誤差RRMSE以及擬合度R2結(jié)果(表4)顯示：隨著殘膜量的增加，水分?jǐn)U散參數(shù)c逐漸減小，穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)d逐漸增大，土壤中的殘膜破壞土體的連續(xù)性，阻斷了土體過水通道，因而抑制了水分?jǐn)U散，水分?jǐn)U散參數(shù)減??；由于殘膜堵塞表土層的土壤孔隙數(shù)量隨殘膜量增加而增多[17]，因而穩(wěn)定蒸發(fā)系數(shù)隨著殘膜量的增大而增大，而水分?jǐn)U散參數(shù)c在Rose模型中所占權(quán)重大于穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)d，因而整體上隨著殘膜量的增加，累積蒸發(fā)量逐漸減??；隨著殘膜量的增大，相對(duì)均方根誤差RRMSE和參數(shù)c、d的標(biāo)準(zhǔn)誤差逐漸增大，說明土壤中殘膜存在，土壤累積蒸發(fā)量對(duì)Rose模型擬合效果變差。綜上可知：殘膜存在的土壤抑制了土壤的蒸發(fā)，且累積蒸發(fā)量對(duì)Rose模型的擬合效果變差。

表4 不同殘膜量處理土壤累積蒸發(fā)量對(duì)Rose模型擬合情況

2.2 不同殘膜分布對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

平均分布(A)以及逐層遞減分布(D)兩種分布情況下土壤累積蒸發(fā)量隨時(shí)間變化情況如圖3所示。

圖3 不同殘膜分布對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的影響

從圖3可知：在相同殘膜量情況下，蒸發(fā)前期平均分布累積蒸發(fā)量較比CK減小的幅度大于逐層遞減分布，如殘膜量79.2 kg/hm2處理組(圖3b)第1 d時(shí)平均分布條件下A2蒸發(fā)量(11.9 mm)比CK(12.8 mm)降低7.03%，幅度高于逐層遞減條件下D2(12.4 mm)的3.13%；蒸發(fā)中期和后期平均分布累積蒸發(fā)量較比CK減小的幅度小于逐層遞減分布，如殘膜量為158.4 kg/hm2處理組(圖3c)第4 d平均分布條件下A3蒸發(fā)量(21.1 mm)比CK(24.8 mm)降低14.92%，這低于逐層遞減條件下D3(20.7 mm)蒸發(fā)量降低的16.53%,第8 d平均分布A3蒸發(fā)量(32.9 mm)與D3蒸發(fā)量(31.6 mm)也表現(xiàn)出一致的規(guī)律。

在蒸發(fā)前期逐層遞減分布比平均分布蒸發(fā)快，這是由于逐層遞減分布情況下土體上層殘膜密集，入滲階段阻斷水分入滲通道，水分在土壤上層大量滯留，因而蒸發(fā)前期逐層遞減分布蒸發(fā)較比平均分布快；蒸發(fā)中后期平均分布較比逐層遞減分布蒸發(fā)快，這是因?yàn)橹饘舆f減分布上層水分蒸發(fā)很快，但是由于殘膜密度大，阻礙下層土壤水向上運(yùn)動(dòng)，蒸發(fā)變慢，因而蒸發(fā)中后期逐層遞減分布較比平均分布變慢。

相同殘膜量下，逐層遞減分布較比平均分布的水分?jǐn)U散參數(shù)c值變小，說明逐層遞減分布水分?jǐn)U散能力嚴(yán)重收到抑制；穩(wěn)定蒸發(fā)系數(shù)d值也變小，說明逐層遞減分布由于殘膜密集存在于上層土體，蒸發(fā)能力受到嚴(yán)重影響，因而穩(wěn)定蒸發(fā)系數(shù)變??；逐層遞減分布的相對(duì)均方根誤差RRMSE和擬合參數(shù)c、d的變準(zhǔn)誤差大于平均分布，說明逐層遞減分布情況下土壤累積蒸發(fā)量對(duì)Rose模型的擬合效果比平均分布差。綜上所述，相同殘膜量情況下，逐層遞減分布對(duì)蒸發(fā)的阻礙作用大于平均分布，且逐層遞減分布對(duì)Rose模型的擬合效果比平均分布差。

3 討論

本研究表明土壤累積蒸發(fā)量隨著殘膜量的增加而逐漸減小，這與牛文全[18]研究結(jié)果一致；通過對(duì)土壤累積蒸發(fā)量Rose模型擬合結(jié)果表明，隨著殘膜量的增加，土壤水分?jǐn)U散參數(shù)逐漸減小，但穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)逐漸增大，這是由于殘膜破壞土壤結(jié)構(gòu)，殘膜混入土壤，阻斷原有土壤孔隙連續(xù)性，因而土壤水分?jǐn)U散能力降低；蒸發(fā)前表層土壤水分含量大，蒸發(fā)初始階段蒸發(fā)量大，表層水分散失嚴(yán)重，下層土壤水分向上運(yùn)移，以補(bǔ)充缺失水分，但是殘膜的存在抑制土壤水分?jǐn)U散能力，因而下層土壤水分向上運(yùn)移受阻，并且由于蒸發(fā)過程土體受遠(yuǎn)紅外燈照射溫度很高，水分子粘滯系數(shù)減小，水分子內(nèi)聚力減弱，水分子逐漸以水汽擴(kuò)散的形式脫離土壤[19]，因而穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)隨著殘膜量的增大而逐漸增大；水分?jǐn)U散能力對(duì)累積蒸發(fā)量的影響的權(quán)重大于穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)，因而累積蒸發(fā)量隨著殘膜量的增加而減少。

相同殘膜量條件下蒸發(fā)前期逐層遞減分布對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制作用小于平均分布[20-21]，這是由于逐層遞減分布上層土壤殘膜量很大，入滲階段對(duì)水分運(yùn)移的抑制效果比平均分布明顯，上層土壤水分向下運(yùn)移受阻，滯留在上層土壤的水分含量大，蒸發(fā)相對(duì)平均分布快。而蒸發(fā)中后期逐層遞減分布對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制作用逐漸強(qiáng)于平均分布，這是由于上層土壤水分前期蒸發(fā)快，而由于上層土壤殘膜含量很大，下層土壤水分向上運(yùn)移受阻，因而逐層遞減分布對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制比平均分布相對(duì)更嚴(yán)重[22]。

4 結(jié)論

土壤累積蒸發(fā)量隨著殘膜量的增加整體表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。殘膜量大于79.2 kg/hm2時(shí)，土壤累積蒸發(fā)量相比無殘膜土壤顯著減?。浑S著殘膜量的增加，累積蒸發(fā)量的Rose模型擬合精度降低。相同殘膜量情況下，逐層遞減分布在蒸發(fā)前期對(duì)蒸發(fā)的阻礙效果小于平均分布，蒸發(fā)中后期逐層遞減分布對(duì)蒸發(fā)的阻礙作用大于平均分布。