残膜土壤对点源入渗湿润体特性的影响

房云杰，李援农，陈朋朋，黄 鹏，方 恒，杨金宇，杨 靖

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点试验室，陕西 杨凌 712100)

地膜覆盖种植技术具有保温保墒、节水抑盐、改善土壤水肥气热等条件、促进作物稳产高产[1-3]、提高作物品质[4]等优点，是我国主要的种植模式之一，特别是将滴灌技术与覆膜种植相结合的膜下滴灌技术近些年来在我国北方干旱地区呈现出飞跃式发展。随着农膜的大量使用，农膜残留造成的“白色污染”问题却越来越严重[5]。然而农膜的成分是一种分子结构异常稳定的聚乙烯材料，难以在自然条件下进行降解，故随着残膜逐年积累，不仅会影响土壤物理特性、土壤透气性[6]，而且会对土壤水分入渗过程产生影响，最终降低作物产量[7]。

近年来，在残膜污染对滴灌条件下土壤水分入渗的影响方面，国内外学者开展了大量研究。李元桥等[8]研究发现残膜会阻碍土壤湿润锋运移，湿润锋在0～10和10～20 cm土层之间存在明显差异，且残膜能够增加土壤稳定入渗率和湿润比；王志超等[9]发现随着残膜埋深的增加，土体内最高含水率增加，湿润体缩小，不同滴头流量处理下残膜埋深对入渗的影响相似；李仙岳等[10]研究发现湿润锋运移距离和湿润体均随残膜量增加而减小，且通过贝叶斯分析得出入渗速率的不确定性增加。同时，在地表点源及线源湿润体特性方面，国内外学者也进行了大量研究。李明思等[11]通过等效圆柱湿润体模型，分析模型中各因子随滴头流量的变化情况，同时建立了点源滴灌滴头流量的数学模型 ；曾辰等[12]通过设计一种垂直线源灌水器，结合室内土箱试验，研究了不同初始含水率条件下2种土壤的垂直线源入渗特征；赵文举等[13]以室内模拟土槽试验，研究了滴灌条件下容重对压砂土壤水分入渗规律的影响；Cote等[14]通过Hydrus-2D软件，研究了地下滴灌条件下土壤水分及溶质的运移情况；胡和平等[15]在地表滴灌条件下，运用SWMS-2D模型对滴头流量、土壤初始含水率和饱和导水率等多种湿润体运移情况进行模拟分析，同时建立了土壤湿润体运移的经验方程。

然而，目前对于含残膜污染的农田在应用滴灌时，不同条件下入渗湿润体特性的变化规律研究甚少。仅有张振华[16]、孙海燕等[17]研究了不同因素对滴灌土壤湿润体的影响，但土壤中并未掺杂残膜。本文以室内模拟试验为基础，选取不同土壤初始含水率、土壤容重和滴头流量等因素进行研究，试图建立不同条件下含残膜土壤滴灌入渗过程湿润体运移的预测模型，为含有残膜污染的农田应用滴灌灌水技术时提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验在西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室进行。供试土壤取自试验站大田表层土壤，质地为壤质黏土，基本理化性质见表1。土壤先去除大粒径杂质，经自然风干、碾压后过2 mm筛，制备成试验土样。供试地膜为陕西杨凌瑞丰环保科技有限公司生产，为无色透明的全生物降解膜，厚度为0.008 mm，断裂标称应变≥300 N，直角撕裂负荷≥1.4 N，总灰分≤0.5%，拉伸负荷≤2.7 N，拉伸负荷较低，模拟田间易破碎残膜。

表1 土壤基本理化性质Tab.1 Soil basic physical and chemical properties

试验装置主要包括土箱、马氏瓶和输水管，见图1。土箱采用12 mm厚有机玻璃制成，规格(长×宽×高)为50 cm×50 cm×60 cm；马氏瓶高100 cm，半径7 cm，2个马氏瓶串联作为稳压灌溉水源；用医用针头模拟滴灌器，由于点源入渗湿润体具有对称性，为了便于观测入渗过程中湿润锋的形状变化情况，将滴头放置在土箱的一角，模拟点源入渗湿润面积的1/4。

图1 试验装置示意(单位：cm)Fig.1 Sketch map of the experiment equipment

1.2 试验设计

本试验主要研究在残膜存在条件下，不同土壤含水率、土壤容重和滴头流量对滴灌入渗湿润体特性的影响，每个因素设3个水平，共9个处理，3次重复，取其平均值作为试验结果，具体处理见表2。

表2 不同处理试验设计Tab.2 Design of different treatments

根据严昌荣等[5，18]全国残膜量调查结果，试验选取360 kg/hm2残膜量，同时为排除残膜形状和大小对试验结果的影响，统一将地膜控制为2 cm×1 cm的长方形。据调查，我国西北内陆地区残膜污染最为严重[18]，其耕作主要为大型农机具，耕作深度一般为25～40 cm，此外刘建国等[19]研究表明土层30 cm以下残膜含量较少，因此本试验设计残膜埋深为0～40 cm。

装土前，需按不同处理制配土壤含水率，配制完成后用塑料防水布裹好密闭放置24 h，让水分充分分布均匀。将试验用土与残膜混合均匀，分层装入土箱，每5 cm为一层，层间打毛，避免土层间产生结构和水动力学特征突变。装土深度为40 cm，土箱底部装有5 cm砂石反滤层和5 cm土壤缓冲层。

制配不同含水率所需加水量的计算公式如下：

(1)

式中：m为加水量，g；M为土样质量，g；ω为需配制含水率，%；ω′为土样风干含水率，%。

每层装土质量的计算公式如下：

M=γLWH(1+ω)

(2)

式中：M为每层土的质量，g；γ为不同处理的容重，g/cm3；L为土箱长度，cm；W为土箱宽度，cm；H为装土深度，cm；ω为配制土壤含水率，%。

1.3 测定指标和方法

试验开始后用秒表计时，按照前密后疏原则设置时间间隔，前1 h间隔为5 min，1～5 h间隔为30 min，5 h后间隔为1 h，10 h后间隔为2 h，当垂直湿润锋运移到40 cm时结束灌水，同时记录马氏瓶刻度并用标记笔在滴头两侧土箱的有机玻璃上描出湿润体的形状，试验结束后用卷尺量取湿润锋运移距离。

1.4 数据处理与分析

文中试验数据均取3次重复的平均值，用Excel 2010对数据进行预处理和绘制表格，AutoCAD 2014软件绘制装置示意图，Origin Pro 8.5软件绘图和函数拟合。

2 结果与分析

2.1 土壤初始含水率对湿润体特性的影响

土壤初始含水率是大田土壤入渗能力和入渗参数的重要因素之一，它主要从入渗水流湿润区内的平均势梯度方面影响土壤水分的入渗能力[20]。点源滴灌入渗过程中，地表水平扩散距离与垂直入渗深度是湿润体运移过程中2个重要的特征值。图2为不同土壤初始含水率的水平和垂直湿润锋运移曲线。

由图2数据分析可知，初始含水率显著地影响了水平和垂直方向湿润锋的运移速度，随着土壤初始含水率的增大，试验结束时间越来越短，分别为1 490、840、390 min，且在相同的入渗时间内(以300 min为例)，水平和垂直向湿润锋运移距离均随土壤初始含水率的增大而增大，相应的土壤湿润体也增大。这与张振华等[16]在滴灌土壤湿润体上研究的结果较为一致，与孙海燕等[17]的研究结果在水平湿润锋运移上恰好相反。出现这种现象，是由于水分在土壤入渗过程中，土壤中所含孔隙需要部分水分的填充，初始含水率越大，从而所需填充的水分也就越少，土壤达到饱和所需的时间就越短，湿润锋运移速度越快；同时土壤初始含水率越大，基质势越大，土壤水吸力越小，从而产生的基质势梯度就越小，土壤水分运动速率也就越慢。不同的学者在进行试验时，上述2方面存在着差异，导致了研究结果也不同。此外Lado M等[21]的研究表明，土团的快速湿润会产生使土团破碎的崩解力，而崩解力的大小取决于土壤含水率，土壤初始含水率越高，土团崩解被分散后的细小土粒对透水孔隙结构的堵塞和挤压越弱，入渗能力降低幅度越小。通过上述分析，土壤初始含水率越高，一是减小了湿润锋边缘的基质势梯度，抑制水分入渗，二是减弱了土团湿润后的崩解力，利于水分入渗，土壤更易达到饱和，同时本试验土壤存在残膜，也增加了试验差异的不确定性，进一步导致了不同学者对湿润锋运移与土壤初始含水率关系的研究结果也不同。

图2 不同土壤初始含水率的湿润锋运移曲线Fig.2 Curves of wetted front with different initial soil moistures

通过对上述数据的分析，可以得到入渗湿润锋运移距离水平向 和垂直向 与入渗时间 呈幂函数关系，即：

Rx=At0.28，Rz=Bt0.45

(3)

式中：Rx为水平运移距离；Rz为垂直运移距离；t为入渗时间；A、B为拟和参数，定义A为水平入渗系数(下同)，B为垂直入渗系数(下同)。

对图2中的试验数据进行拟合，可得土壤入渗湿润锋运移距离与入渗时间的关系见表3。

由表3分析知，水平入渗系数和垂直入渗均随土壤初始含水率的增大而增大，决定系数均在0.98以上，且在同一初始含水率下，水平入渗系数均大于垂直入渗系数，这一点从图2中也可明显看出。经分析入渗系数和初始含水率ω之间为线性关系，则可得在残膜参与下滴灌入渗Rx和Rz与初始含水率的拟合关系为:

Rx=(4.527+0.144ω)t0.28R2=0.990

Rz=(0.866+-0.113ω)t0.45R2=0.907

2.2 土壤容重对湿润体特性的影响

土壤容重对土壤的持水性和导水性有着显著的影响，在滴灌土壤入渗过程中，容重的改变必然会对湿润体产生一定的影响，故研究土壤容重与湿润体特性的关系具有重要的现实意义。图3是不同土壤容重下滴灌入渗的水平和垂直湿润锋随时间运移曲线。

图3 不同土壤容重的湿润锋运移曲线Fig.3 Curves of wetted front with different soil bulk densities

由图3数据分析可知，在相同的入渗时间内，水平湿润锋运移距离随土壤容重的增大而增大，垂直湿润锋运移距离随土壤容重的增大而减小。以入渗300 min时为例，T4、T5、T6处理的湿润锋水平运移距离分别为27.8、30.1和35.7 cm；垂直运移距离分别为28.2、25.5和23.0 cm。通过数据也可看出，伴随着土壤容重的增大，湿润体的几何形状发生了改变，即容重较小的土壤湿润体形状窄且深，而容重较大的湿润体形状宽且浅。同一土壤容重下，入渗初期时湿润锋水平运移距离大于垂直运移距离，但随着时间的推进，2者的差距在逐渐缩小。

影响土壤容重的因素有土粒密度和土壤孔隙，但土壤孔隙是主要的影响因素，故土壤容重实质上是土壤紧实程度及气相比例的间接反映。土壤中的水分在土体中流动时，其速率主要受土壤孔隙的影响。李卓等[22]容重对土壤水分入渗能力的研究表明，随着土壤容重增大，土壤中较大孔隙的含量和土壤入渗能力均有所降低。所以，容重较小的土壤，大孔隙的含量就较多，同时各种尺寸的孔隙也比较丰富，土壤内部的连通性较好，在土壤入渗过程中，孔隙内部遇水时气体可较快地排放出来从而减小水分入渗的气相阻力。但是容重较大的土壤，大孔隙的含量较少，从而使土壤内部连通性变差，气相比例减小，导致水分入渗能力降低。此外，试验土壤中还掺杂着残膜，水分入渗还取决于残膜堵塞的孔隙和残膜之间的新孔隙，增加了土壤中水分入渗的不确定性。如图3(a)中T6处理的水平湿润锋运移曲线，在100 min左右时曲线运移发生突变，可能是因为土壤表层的残膜抑制了湿润锋的运移，但随着积水的增多，在下一时刻冲破残膜的阻碍而使运移距离大幅度增加。同时在试验时还发现，容重大的土壤表面在入渗过程中会出现了较大面积的积水，进一步加速了水分在地表的扩散，这也意味着土壤容重的增大，会使水分横向分布距离加大，这与张振华等[16]在土壤容重对湿润体影响上的研究结果一致。

通过对上述数据的分析，可以得到不同土壤容重下水平湿润锋运移距离 和垂直湿润锋运移距离 与入渗时间 呈幂函数关系，即同样符合式(3)。用式(3)对图3中的数据进行拟合，得到土壤入渗湿润锋运移距离与入渗时间的关系见表4。

表4 不同土壤容重入渗湿润锋运移距离与时间的关系Tab.4 Relationship between wetted migration distances with infiltration time for different soil bulk densities

由表4可知，水平入渗系数随土壤容重的增大而增大，而垂直入渗系数随土壤容重的增大而减小，这与试验观测结果一致，决定系数均不小于0.98，且在同一土壤容重下，水平入渗系数均大于垂直入渗系数。经分析入渗系数与土壤容重γ之间为线性关系，通过对试验的分析拟合，可得在残膜参与下滴灌入渗Rx和Rz与土壤容重的拟合关系为：

Rx=(-3.220+7.025γ)t0.28R2=0.864

Rz=(4.336-1.775γ)t0.45R2=0.998

2.3 滴头流量对湿润体特性的影响

2.3.1 滴头流量对湿润锋运移距离的影响

图4是不同滴头流量下滴灌土壤入渗的水平和垂直湿润锋随时间运移曲线，在滴灌灌水方式下，研究特定土壤条件下不同滴头流量在入渗过程中横纵湿润锋运移距离与时间的关系，是确定滴灌滴头间距和毛管田间布置方式的重要依据。

图4 不同滴头流量的湿润锋运移曲线Fig.4 Curves of wetted front with different dripper flow rates

从图4数据分析可知，在相同的入渗时间内，无论是水平湿润锋运移距离，还是垂直湿润锋运移距离，均随滴头流量的增大而增大。在入渗初期，相同流量条件下，湿润锋水平运移距离大于垂直运移距离，但随着入渗时间的进行，垂直入渗距离逐渐追赶水平运移距离，在入渗结束时，即垂直湿润锋运移到40 cm时，2者运移距离基本一致，这表明在土壤滴灌入渗后期，湿润锋垂直运移速率大于水平运移速率。出现上述现象主要是由于滴灌入渗初期，土壤的基质势起主导作用，此外滴头流量的大小也直接决定着地表积水范围[23]，故湿润锋在水平方向上扩散的速度大于垂直向入渗速度，此外根据李元桥等[8]在研究残膜对土壤水分运移的影响时发现，当残膜量过多时也会加快土壤水分运移(设计残膜量为360 kg/hm2)，使横向运移速率增加。随着试验的进行，灌水量的增加，土壤中水分重力势作用和水势梯度力逐渐增强，导致水分在水平向运移缓慢，从而垂直入渗距离逐渐增加。

通过对试验数据分析，发现土壤入渗湿润锋运移距离水平向Rx和垂直向Rz与入渗时间t呈幂函数关系，即同样符合式(3)。对图4中的数据进行拟合，同样可以得到在不同流量条件下土壤入渗湿润锋运移距离与入渗时间的关系见表5。

表5 不同滴头流量入渗湿润锋运移距离与时间的关系Tab.5 Relationship between wetted migration distances with infiltration time for different dripper flow rates

由表5分析知，水平入渗系数和垂直入渗系数均随滴头流量的增大而增大，决定系数均大于0.97，在同一滴头流量条件下，水平入渗系数均大于垂直入渗系数。经分析入渗系数和滴头流量q之间为线性关系，则可得在残膜参与下滴灌入渗Rx和Rz与滴头流量的拟合关系为：

Rx=(4.452+3.460q)t0.28R2=0.952

Rz=(1.105+1.564q)t0.45R2=0.980

2.3.2 滴头流量对入渗横纵比的影响

在滴灌系统设计中，除湿润锋的水平和垂直运移距离外，横纵比也是一个确定滴灌灌水参数的指标，它与滴头流量和灌水时间有关。为了计算简便，本文中定义2者的比值Rx/Rz为横纵比。对一般作物来讲，其株距和根深之比小于1.0，故实际生产实践中滴灌的横纵比以小于1.0为宜。图5是不同滴头流量的入渗横纵比与时间的关系曲线，从图5可以看出，入渗横纵比与时间存在幂函数关系，可以用公式Rx/Rz=Ytc表示，拟合结果见表6，决定系数均在0.98以上。

图5 不同滴头流量的入渗横纵比曲线Tab.5

滴头流量/(L·h-1)YcR20.253.922-0.1800.9920.503.337-0.1840.9810.753.880-0.2160.981

由图5可知，在滴灌入渗过程中，横纵比随着滴头流量的增大而减小，这与张振华等[16]研究结果不一致，可能是因为在滴灌过程中，土壤水分水平运移基质势起主导作用，水平扩散速率大于垂直运移速率，但本试验中土壤初始含水率较高，土壤水分垂直入渗在较大流量下更易达到饱和，在土壤基质势和水分重力势的双重作用下，致使大流量下水平和垂直湿润锋推进速度均较快，从而出现滴头流量越大横纵比越小的现象。随着入渗的进行，横纵比逐渐减小，这是因为在入渗后期湿润体内土壤含水率增大，水势梯度减小，这导致了重力势作用相对的增大，垂直入渗速率高于水平扩散率，从而湿润锋的横纵比逐渐减小。

从图5中还可看出，T8(0.50 L/h)、T9(0.75 L/h)2个处理的横纵比曲线相接近，表明当实际滴头流量大于2 L/h时，增大滴头流量对横纵比的影响较小。入渗结束后，横纵比趋近于1.0，并未小于1.0，说明土壤中残膜的存在一定程度上抑制了湿润锋的运移[10]。所以对含有一定残膜的农田应用滴灌灌水方式时，为获得合适的横纵比且使滴灌灌水均匀，需合理地延长灌水时间，增加灌水量，或减小灌水器之间的距离。

3 结 论

本文通过室内模型试验，对含残膜土壤的滴灌点源入渗过程进行了研究，分析了不同土壤初始含水率、土壤容重和滴头流量对滴灌入渗湿润体特性的影响，同时分析了不同滴头流量对入渗横纵比的影响，得到如下结论。

(1)随着土壤初始含水率的增加，灌水时土壤更易达到饱和，湿润锋运移在水平和垂直向推进的速度加快；土壤容重愈大，垂直湿润锋运移速率越低，水平湿润锋运移速率却随土壤容重的增加而增加，2者相反；滴头流量增大，湿润锋水平和垂直运移距离也相应增大。

(2)建立了不同土壤初始含水率、土壤容重和滴头流量条件下，入渗水平和垂直湿润锋随时间运移的幂函数模型，决定系数R2均在0.864以上，拟合效果较好。根据以往研究，地表和地下点源入渗湿润锋运移与时间的关系模型一般也为幂函数，但其幂指系数一般为0.5，而含有残膜污染的土壤点源入渗湿润锋在水平和垂直向幂指系数分别为0.28和0.45。

(3)入渗过程中，滴头流量减小，横纵比反而增大，随着灌水历时的增加，横纵比逐渐减小，但并未小于1.0，表明含有残膜污染的土壤适宜种植浅根系作物。不同滴头流量下，横纵比与入渗时间也呈幂函数关系，决定系数R2均大于0.98。

(4)通过本文研究，可为含有残膜污染的农田在应用滴灌灌水方式时提供理论依据，也为滴灌灌水器在田间的布设间距和方式提供参考依据。但本文在建立湿润锋运移距离的模型时也存在着不足，试验条件下与生产实际相比，尚存在一定差异。生产实际中残膜在土壤中多呈片状、棒状、球状和卷曲筒状等不规则形态，其分布多为水平、倾斜和垂直状且大小不一，而试验条件下，虽然用搅拌机将土壤与残膜充分混合搅拌，使其与田间实际情况更接近，但仍可能存在一定差异，同时所涉及的土壤类型(壤质黏土)、残膜量(360 kg/hm2)和残膜大小(2 cm×1 cm)较单一，是否具有较强的通用性，还有待后续试验的进一步研究。