不同殘膜量對土壤水分運移的影響及模擬

賈 浩，王振華，張金珠，李文昊，谷貞達

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

覆膜保墑技術與節水灌溉技術的有機結合在我國北方干旱半干旱地區廣泛應用，提高了灌溉水利用效率，實現農業高效用水[1]。但大量地膜的使用產生了“白色污染”，隨著技術推廣，我國地膜使用量和覆膜面積不斷增加[2]，使用量達136.2萬噸，地膜覆蓋種植面積超過2 000萬公頃[3]，其中，新疆的覆膜種植總面積達347.8萬公頃，年地膜投入量超過20萬噸，是全國殘膜污染最為嚴重區域，具有代表性[4-6]。殘膜造成的土壤理化性質惡化對土壤的水分入滲產生了影響[7]。國內外學者對其進行了大量研究，殘膜的存在會阻礙土壤鹽分的向下運移，導致土壤鹽分在地表富集[8]。殘膜不僅阻礙土壤水分和養分運移，而且影響作物生長，對番茄苗期根系、地上部生長和干物質積累的阻礙作用高于開花坐果期[9]。殘膜延長了土壤水分入滲時間，入滲至45 cm土層耗時隨殘膜量增加而增大[10]；林濤等[11]研究得出殘膜含量的增加顯著降低了產量和水分利用效率；土壤水分利用率隨殘膜量的增加而降低，當殘膜量由0 kg·hm-2增加到450 kg·hm-2時，土壤水分利用率從28.25%降至24.91%，殘膜增大了農田的無效耗水[12]；張建軍等[13]研究表明殘留地膜使土壤密度降低2.02%～11.7%，土壤水分下滲速度減緩，土壤貯水量減少7.8～16.8 mm；但也有研究得出，殘膜對土壤水分下滲有一定的促進作用[14]，對不同類型的土壤影響差異顯著(P<0.05)[15]。

殘膜不僅對土壤水分入滲產生影響，而且對土壤蒸發影響嚴重，在干旱半干旱地區，土壤蒸發導致大量水分損失，誘發土壤次生鹽漬化，從而對旱作農業產生影響。學者針對殘膜對各種作物的影響進行深入研究，研究表明殘膜降低氮素利用率，阻礙了根系生長，不利于棉花產量的提高[16]。從長遠角度看，塑料地膜對作物造成的減產幅度將逐步達到或超過其保溫、保濕等作用帶來的增產幅度。同時也有學者通過室內試驗和模型模擬研究殘膜對土壤水分入滲蒸發的影響，李元橋等[17]研究發現，當殘膜達到720 kg·hm-2時，殘膜區產生優勢流，并得出當殘膜量小于360 kg·hm-2時，由于殘膜的阻塞，在濕潤空間的上部殘留了更多的水和硝酸鹽[18]。牛文全等[19]基于Gibbs抽樣算法和入滲蒸發模型模擬研究，得出土壤累積入滲量和累積蒸發量的不確定性隨殘膜增多而增強。王志超等[20]研究了殘膜在土壤中埋深位置的不同對滴灌入滲的影響,構建的RPF-SWCC模型能較好地應用于含殘膜土壤的水分特征曲線擬合[21]，基于CT掃描技術分析了殘膜對土壤結構的影響效應[22]。

目前對于農膜殘留影響土壤水分遷移機理的研究較多，主要集中在基于北方地區粉砂壤土的不同殘膜量對土壤水分入滲蒸發的影響和模擬研究，而針對強烈蒸發、稀缺降雨的新疆地區殘膜對土壤水分遷移影響的研究較少，本文通過室內土柱試驗進行殘膜對土壤水分蒸發特性影響的研究，根據已有研究，引入殘膜量與覆膜年限關系設置殘膜梯度，模擬大田土壤耕作層(土體表面至地下30 cm)的殘膜分布情況，探索殘膜對土體水分入滲、蒸發特性影響的機理，為綠洲灌區滴灌下水分水滲、蒸發研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與地膜

室內土柱試驗于2017年5—11月在現代節水灌溉兵團重點實驗室進行。土柱試驗所需的材料采自新疆生產建設兵團第八師121團鹽堿地農田表層0～30 cm土壤，土壤物理參數見表1。試驗統一使用 2 cm×2 cm(剪裁后)長方形殘膜(新疆天業股份有限公司生產的普通塑料地膜)。

表1 供試土壤物理參數Table 1 Physical parameters of the tested soil

1.2 殘膜量設計

已有研究表明[2,6，19]，殘膜量與覆膜年限呈正相關，隨著覆膜年限的增加土壤中的殘膜量累積增多，在不采取機械清理殘膜的條件下，殘膜量Y(kg·hm-2)與覆膜年限X(a)之間存在線性關系Y=5.55X+47.84(R2=0.89)。根據該方程，預測長期覆膜對土壤水分入滲和蒸發的影響，設定8個殘膜梯度，分別為0、50(覆膜1 a 左右)、80(覆膜 6 a 左右)、132(覆膜 15 a 左右)、160(覆膜 20 a 左右)、264(覆膜 39 a 左右)、396(覆膜 62 a 左右)、792(覆膜 134 a 左右)、1320(覆膜 230 a 左右) kg·hm-2，分別用CK、A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8表示。殘膜分布設計分為各層無差異分布，即平均分布(A)。

1.3 試驗設計及裝置

5 mm厚有機玻璃管制作而成的土柱(半徑10 cm，高40 cm)，將初始含水率為2.3%、容重為1.41 g·cm-3的供試土樣與試驗設計的長方形殘膜均勻混合，分層填裝(土樣去除根系枯枝落葉及大粒徑雜質后，自然風干、碾壓過2 mm篩備用)，待所有土柱裝土完成后，在有機玻璃上部留有5 cm的水頭區(如圖1所示)，隨后在土柱土面覆蓋濾紙，在土面分別進行滴水入滲和蒸發試驗。其入滲試驗裝置如圖1(a)所示，根據王一民等[23]的棉田灌水定額峰值設計480 m3·hm-2，計算出每次灌水量為(1.5 L)，每個處理3個重復。利用馬氏瓶(高65 cm，容積5 102.5 cm3)穩定供水，用醫用針頭代替滴灌器用于模擬滴灌，控制各處理灌水量1.5 L一致，平均滴頭流量0.48 L·h-1，入滲試驗進行時，按照先密后疏的時間間隔定時稱取馬氏瓶重量以測土壤入滲率，并描繪土體濕潤鋒運移距離，蒸發試驗在入滲結束后的土柱上進行，靜置48 h 后的9組土柱(共27個)，其試驗裝置如圖1(b)所示，為使試驗周期短，在蒸發試驗中采用275 W 遠紅外燈作為增強光源，根據文獻[19]設置其與土柱表土的距離為20 cm，同時使用與土柱等徑蒸發皿來測定水面蒸發量。入滲試驗和蒸發試驗結束后，用小土鉆(半徑2 cm、長度65 cm)每5 cm取樣，采用烘干法測定土壤質量含水率。采用稱量法測定土柱蒸發量，自蒸發開始每隔12 h測定一次，共監測8 d。試驗期間平均室溫為26.5℃±1.5℃，蒸發試驗期間停止通風。每天9∶00用電子稱稱量土柱日均蒸發損失量ΔM(g)和水面日均蒸發量ΔM0(g)，將ΔM和ΔM0轉化為標準土柱日均蒸發量W(mm)和水面日均蒸發量W0(mm)[19]

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

W=10ΔM/(π×r2×ρ)

(1)

W0=10ΔM0/(π×r2×ρ)

(2)

式中,r為土柱半徑和蒸發皿半徑，本文為10 cm；ρ為水分密度，為1 g·cm-3。

1.4 評價模型與指標

1.4.1 評價模型 運用冪函數關系來評價濕潤鋒運移，關系式：

FZ=atb

(3)

式中，FZ為濕潤鋒運移距離(cm)，t為時間(h)，a為首次計時的濕潤鋒運移距離，b為濕潤鋒運移速率的衰減程度。

采用Rose模型描述累積蒸發量的變化趨勢，Rose模型：

(4)

式中,E為土壤水分累積蒸發量(mm)；te為土壤水分蒸發的時間(d)；c為水分擴散參數；d為穩定蒸發參數。

1.4.2 評價指標 采用相對均方根誤差(RRMSE)、整群剩余系數(CRM)、效率系數(CE)作為評價Rose模型模擬蒸發過程效果的指標。

(5)

(6)

(7)

1.5 數據處理與分析

試驗數據均取3次重復的平均值，用Origin Pro 2018C軟件繪圖，AutoCAD2018軟件繪制裝置示意圖，DPS數據處理軟件進行單因素方差分析及LSD多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同殘膜量對土壤水分入滲的影響

隨著試驗時間延長，不同殘膜量處理的濕潤峰變化存在差異。因數據記錄采取先密后疏的原則，為將濕潤峰隨著入滲時間的變化更加直觀地闡述，0～3 h內的各處理濕潤峰變化如表2所示，3～24 h內的濕潤峰變化如圖2所示。從表2可以看出，在入滲初期(0～3 h)，隨著殘膜量的增加，濕潤峰下移距離呈減小趨勢，且各個處理濕潤峰距離變化存在顯著性差異(P<0.05)；由圖2可知，當入滲時間達到24 h時，各處理(CK～A8)濕潤峰下移距離分別達到16.95、16.49、16.23、16.19、16.02、15.98、15.88、15.67 cm和15.48 cm，隨著殘膜量的增加，濕潤峰距離逐漸減小，且各處理之間差異極顯著(F=36.51，P<0.001)，各殘膜處理濕潤峰運移距離分別較CK減少2.76%、4.31%、4.53%、5.54%、5.71%、6.34%、7.58%、8.66%(P<0.05)。

圖2 不同殘膜量處理濕潤鋒隨入滲時間(3～24 h)的動態變化Fig.2 Dynamic changes of wetting front with infiltration time of different residual film quantity treatment

表2 不同殘膜量處理濕潤鋒隨入滲時間(0～3 h)的動態變化Table 2 Dynamic changes of the wetting front with infiltration time for each treatment

表3反映的是不同殘膜量對濕潤峰運移速率的影響，各處理在0～24 h內的平均運移速率分別是0.707、0.687、0.676、0.674、0.667、0.666、0.662、0.653、0.645 cm·h-1，隨著殘膜量的增加，平均運移速率呈減小趨勢。同一殘膜梯度下，隨著入滲時間的延長，濕潤峰運移速率降低，各處理在0～5 h內的平均運移速率與5～24 h內的速率存在顯著性差異(P<0.05)，與CK相比，各殘膜處理在0～5 h內的平均運移速率分別減小0.4%、6.0%、10.2%、10.4%、12.8%、14.6%、17.9%、19.5%(P<0.05)。其中A3和A4處理差異較小，是因為設置的殘膜梯度較小，土柱土壤中殘膜量相近。當入滲接近24 h時，各殘膜處理的濕潤峰運移速率為0.01 cm·h-1(P>0.05)，其中A1處理為0.03 cm·h-1，這是因為此處理的殘膜量為50 kg·hm-2，較少的殘膜對土壤水分的入滲有促進作用。可見，土壤中殘膜量的增加使得其阻水效果增加，從而會顯著減小濕潤鋒的運移速率。

表3 不同殘膜量處理濕潤峰運移速率動態變化/(cm·h-1)Table 3 Dynamic change of wetting peak rate of different residual film quantity treatment

圖3反映的是入滲試驗結束48 h重分布后的各處理土壤含水率分布，從圖中可以看出，隨著殘膜量增加，表層土壤(0～10 cm)的平均含水率呈增大趨勢，且每個處理都是隨著深度增加，含水率逐漸降低，由于未進行持續性灌水，使得在有效時間內等額灌水量對土壤20～30 cm土層的含水率影響較小，各殘膜處理在0～15 cm土層土壤平均含水率分別較CK增加0.39%、1.04%、1.21%、1.16%、4.78%、6.58%、10.28%、13.51%(P<0.05)。而15 cm以下土層土壤含水率受殘膜阻水作用的影響，隨著殘膜量增加含水率呈降低趨勢，與CK相比差異逐漸增大，殘膜處理20～30 cm土層土壤平均含水率較CK降低5.80%～30.32%(P<0.05)。其中，當殘膜量大于132 kg·hm-2時，殘膜的阻水作用顯著增強。

圖3 不同殘膜量處理入滲結束后土壤含水率分布Fig.3 Soil water content distribution at the end of infiltration of different residual film quantity treatment

濕潤峰運移和入滲時間的擬合結果見表4，各處理擬合結果的決定系數(R2)最小值為 0.9215，該冪函數關系式能夠反應濕潤峰運移和入滲時間的變化規律，當殘膜為132 kg·hm-2(A3)和160 kg·hm-2(A4)時，參數a和b的顯著性發生變化(P<0.05)。不同殘膜量處理的RRMSE、CRM和CE值不同，隨著殘膜量的增加，RRMSE值總體呈減小趨勢，CRM和CE值均大于0，且分別遠離0和1，關系式擬合結果逐漸變差，說明隨著土體中殘膜量的增加，對土壤水分入滲的阻礙作用逐漸增強。

表4 土壤濕潤峰運移與水分入滲時間擬合參數Table 4 Fitting parameters of wet peak migration and infiltration time

2.2 不同殘膜量對土壤水分蒸發的影響

各處理累積蒸發量隨蒸發時間的動態變化見圖4，隨殘膜量增加，累積蒸發量逐漸減小，蒸發8 d后，各處理(CK～A8)累積蒸發量分別達到37.7、35.8、33.7、32.9、31.6、30.3、27.8、25.3 mm和23.1 mm，各處理之間差異顯著，各殘膜處理累積蒸發量分別較CK減少5.04%、10.61%、12.73%、16.18%、19.74%、26.35%、32.82%、38.92%。當殘膜量>160 kg·hm-2(A4)時，各處理蒸發量顯著性增大。表5是各處理土壤水分蒸發速率動態變化，同一蒸發階段，隨著殘膜量增大，各處理的蒸發速率呈降低趨勢，而隨著蒸發時間速率也呈冪函數降低趨勢。蒸發期平均蒸發速率分別為0.196、0.186、0.176、0.171、0.165、0.158、0.145、0.132、0.120 mm·h-1，當殘膜量>160 kg·hm-2(A4)時，各處理平均蒸發速率顯著性降低。各處理蒸發階段結束后不同深度土壤含水率分布情況見圖5。表層土含水率隨殘膜量的增加而降低，同時隨著土壤深度(0～10 cm)增加而增大，各殘膜處理10 cm以下土壤含水率較其初始含水率變化幅度小，各處理0～10 cm土層的平均含水率分別為8.94%、9.94%、9.31%、9.23%、9.60%、10.48%、11.09%、11.45%、11.89%；各處理10～20 cm土層的平均含水率分別為11.50%、12.59%、11.57%、11.94%、11.35%、11.99%、13.31%、14.08%、14.97%。各處理0～10、10～20 cm土層的平均含水率隨著殘膜量增加呈現增大趨勢，主要是因為殘膜是平均分布的，對各土層的水分蒸發的阻礙作用明顯，導致蒸發量減小，含水率升高。當殘膜量>396 kg·hm-2(A6)時，表層土壤含水率低于9%，出現“板結”現象。

圖4 不同殘膜量處理累積蒸發量隨蒸發時間的動態變化Fig.4 The dynamic change of cumulative evaporation with evaporation time of different residual film quantity treatment

圖5 不同殘膜量處理蒸發結束時的土壤含水率分布Fig.5 Soil water content distribution at the end of evaporation of different residual film quantity treatment

表5 不同殘膜量處理土壤水分蒸發速率動態變化/(mm·h-1)Table 5 Dynamic changes of soil water evaporation rate of different residual film quantity treatment

不同處理的累積蒸發量(E)與蒸發時間(te)符合Rose蒸發模型，擬合結果見表6。各處理擬合結果的決定系數(R2)均大于0.988，此模型能夠較好地擬合累積蒸發量和蒸發時間的變化關系，各處理的參數c和d存在顯著性差異，其中當殘膜為160 kg·hm-2(A4)和264 kg·hm-2(A5)時，參數c和d的無顯著性變化(P>0.05)。不同殘膜量處理的RRMSE、CRM和CE值不同，隨著殘膜量的增加，RRMSE值出現差異，CRM值趨近0，CE值出現波動變化，說明隨著殘膜量的變化，模型擬合的結果也呈現先變好后變差。當殘膜為396 kg·hm-2(A6)時，參數d迅速減小。

表6 土壤累積蒸發量與蒸發時間擬合參數Table 6 Fitting parameters of cumulative evaporation and evaporation time

3 討 論

農田中殘留地膜對土壤的初始孔隙、土壤均勻性都有改變，從影響了土壤水分入滲，本文研究得出，隨著殘膜量的增加，濕潤峰下移距離呈減小趨勢，且各處理濕潤峰距離變化存在差異，較CK減少2.76%～8.66%(P<0.05)。這與牛文全等[19]和李仙岳等[25]研究結果相一致。針對濕潤峰運移速率進行了分析，0～5 h內的平均運移速率較CK減少0.4%～19.5%(P<0.05)，土壤中殘膜量的增加使得其阻水效果增加，從而會顯著減小濕潤鋒的運移速率，入滲速率隨之減小，這與張建軍等[13]研究結果一致。經過對重分布48 h土柱土壤含水率分析，發現各殘膜處理在0～15 cm土層的土壤平均含水率分別較CK增加0.39%～13.51%(P<0.05)。而15 cm以下土層的土壤含水率受殘膜的阻水作用的影響，隨著殘膜量增加含水率呈降低趨勢，與CK相比差異逐漸增大，殘膜各處理的土壤20～30 cm土層平均含水率分別較CK降低5.80%～30.32%(P<0.05)。其中，當殘膜量大于132 kg·hm-2時，殘膜的阻水作用顯著增強，與王志超等[22]得出的結論不一致，這主要是本試驗殘膜梯度大于其設置的100 kg·hm-2。

本試驗就殘膜量對累積蒸發量的影響進行分析，發現隨殘膜量增加，累積蒸發量逐漸減小，在蒸發結束后，各處理之間累積蒸發量差異顯著，各殘膜處理累積蒸發量較CK減少5.04%～38.92%(P<0.05)，利用Rose模型對累積蒸發量模擬結果，與牛文全[19]研究結果一致。研究還發現同一蒸發階段，隨著殘膜量增大，各處理的蒸發速率呈降低趨勢，而隨著蒸發時間增長，其速率呈冪函數降低趨勢。當殘膜量>160 kg·hm-2(A4)時，各處理平均蒸發速率顯著性降低。這主要是蒸發初始階段，蒸發量大，水分散失嚴重，隨殘膜量增加，下層水分上移阻礙作用增強導致；同時對蒸發結束后的土柱含水率進行研究，發現表層土壤含水率隨殘膜量的增加而降低，同時隨著土壤深度(0～10 cm)加深而增大，各殘膜處理的0～10 cm土層土壤平均含水率比10～20 cm土層土壤含水率降低1.51%～3.08%(P<0.05)，殘膜存在抑制土壤水分擴散作用，因而下層土壤水分向上運移受阻。當殘膜量>396 kg·hm-2(A6)時，表層土壤含水率低于9%，出現“板結”現象，此結果與牛文全[19]研究一致。

4 結 論

1)隨著殘膜量增加，土壤濕潤峰運移距離呈減小趨勢，較CK減少2.76%～8.66%(P<0.05)。0～5 h內的濕潤峰平均運移速率較CK減少0.4%～19.5%(P<0.05)。在0～15 cm土層土壤平均含水率較CK增加0.39%～13.51%(P<0.05)。當殘膜量大于132 kg·hm-2時，殘膜的阻水作用顯著增強。

2)隨殘膜量增加，累積蒸發量逐漸減小，較CK減少5.04%～38.92%(P<0.05)。同一蒸發階段，隨著殘膜量增大，各處理的蒸發速率呈降低趨勢，而隨著蒸發時間增長，速率也呈冪函數降低趨勢。各殘膜處理的0～10 cm土層土壤平均含水率比10～20 cm土層土壤含水率降低1.51%～3.08%(P<0.05)，殘膜破壞了土壤水分分布的均衡性。

3)通過冪函數關系式和Rose評價模型，對濕潤峰運移規律和累積蒸發量變化進行擬合、分析、評價，結果顯示，隨著殘膜量增加，擬合結果都呈現變差現象，得出適量的殘膜對土壤水分運移有促進作用，達到節水灌溉。