不同可降解膜覆盖对一维土柱土壤水分入渗和蒸发的影响

韩胜强，王振华，李文昊，贾 浩

(1.石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000；2.石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832000)

地膜覆盖可以升温、保水抗旱、防虫抑草、增肥增产[1,2]。自1996年以后出现了滴灌与覆膜相结合的膜下滴灌技术[3,4]，随着覆膜技术的不断成熟，塑料薄膜的大量应用，使得农田的“白色污染”更加严重。根据数据调查显示[5]，目前在我国长期使用地膜覆盖的农田中,地膜的残留量一般在60～90 kg/hm2,最高者可达到165 kg/hm2。残存在土壤中的地膜碎片会造成土壤通气性能的降低[6]，透水性能的减弱，甚至破坏农田土壤空气的正常循环和交换，最终结果使土壤的肥力水平降低、土壤板结[7,8]。从长远角度和经济利益来看，由塑料地膜造成的污染所导致的减产幅度将逐步达到和超过其保温、保湿等作用带来的增产幅度。为了解决农用残膜的危害，国内外专家学者提出了两种实际可行的解决方法，即回收塑料地膜和开发可降解地膜。研究使用可降解地膜是我国解决普通地膜带来“白色污染”的有效途径。

目前对可降解膜田间应用的研究主要集中在其对农田水分和作物的影响效应方面。研究了可降解膜在滴灌[9,10]条件下的应用和液体地膜在喷灌[5]条件下的应用。虽然张杰等[11]进行了生物地膜、液体地膜和普通塑料地膜覆盖对土壤水分、作物产量影响的研究，然而没有研究三种地膜覆盖对西北干旱与半干旱地区的保温效应，兰印超[12]等研究结果表明，可降解地膜覆盖能够明显提高土壤温度和土壤水分。李仙岳[13、14]等研究结果表明，两种地膜在生育前期(6-7月)对地温无显著差异，而在生育后期普通塑料地膜处理的土壤表层(0～20 cm)地温明显高于生物地膜覆盖处理。

目前多项研究表明可降解地膜与塑料地膜具有类似的增温保湿和增产作用能够代替普通塑料地膜[15-17]，并且对不同厚度和不同材料可降解地膜也进行详细研究[18]，但是可降解地膜在强烈蒸发、稀缺降雨和强紫外线环境的新疆地区应用研究很少。同时在土壤纵断面方向可降解地膜对土壤水分运移研究较少，不利于为研发提供一手资料。

本文主要针对在干旱区进行可降解地膜对一维土壤水分入渗和蒸发特性影响的研究，为可降解膜覆膜滴灌提供理论基础，并筛选适合干旱区绿洲灌区应用完全生物降解类型，为进一步推广应用可降解地膜提供参考，以期解决残膜污染问题，保障绿洲灌区农业生态和经济可持续发展。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与地膜

供试土壤采自石河子市121团，采样深度为0～30 cm，将土样按取土次序分层填装(土样去除根系枯枝落叶及大粒径杂质后，自然风干、碾压过2 mm筛备用)。烘干法测得土壤初始含水率为7.95%。供试可降解地膜采用目前新疆地区市场销售的几种可降解地膜，各个处理地膜覆盖采用不同材料：普通聚乙烯塑料地膜(PE厚0.008 mm)，A型完全生物降解地膜(BD1 厚0.010 mm)主要成分PBAT设计降解诱导期45 d，覆盖B型完全生物降解地膜(BD2 厚0.010 mm)主要成分PBAT设计降解诱导期60d，覆盖C型生物降解地膜(BD3 厚0.012 mm)主要成分淀粉可降解地膜降解诱导期60 d，这三种可降解地膜均能在1～2 a内完全降解，其中无覆盖处理为对照试验(CK)。

1.2 试验装置与设计

室内土柱试验于2017年9-10月在现代节水灌溉兵团重点实验室暨石河子大学节水灌溉试验站进行。土壤水分入渗、蒸发试验装置如图1。其中土壤水分入渗试验装置图1(a)由马氏瓶(高65 cm，容积5 102.5 cm3)、土柱(半径10 cm，高35 cm)和支架组成。土柱和马氏瓶均由5 mm厚透明有机玻璃制作而成，土柱底部设有微小排气孔，为土壤水分入渗提供一个气流通畅的环境。土壤水分蒸发试验装置图1(b)由275 W远红外灯、土柱、蒸发皿(半径与土柱相同)和型号为FG-30KAM精密台秤(精度 0.000 1 kg)组成。为消除壁面优势流的影响，入渗装土前，在土柱内壁均匀涂抹凡士林，灌水入渗之后立即覆盖防水塑料膜并封口，入渗结束48 h后，待土壤气体排放稳定，打开红外线灯作为光源进行蒸发试验，蒸发试验开始前，揭开防水塑料膜，为缩短试验周期，蒸发试验中用275 W远红外灯作为增强光源，灯底部与土柱表土距离均为20 cm，昼夜照射，采用称量法测定土柱蒸发质量，同步测量蒸发皿的水面蒸发，蒸发试验期间室温在 18 ～ 23 ℃，蒸发试验期间不进行通风，日平均相对湿度约为35%，平均水面蒸发量为1.75 mm/h。

1.3 实验数据采集与处理

土壤温度：使用温度计测定不同时间段的0、5、10、15、20 及 25 cm 深土壤温度，温度计放置情况见图1b，分别在第0、4、8、12、16、24、28、32、36、40、44、48、56、64、72、80、88、96、108、120、132、144、168、192 h观测，读取并记录土壤温度。

土壤蒸发量：采用称量法测定土柱蒸发质量，测定时间为蒸发开始后的第0、4、8、12、16、24、28、32、36、40、44、48、56、64、72、80、88、96、108 、120、132、144、168、192 h。

土壤含水率：入渗结束取一次土，重分布(48 h)之后再取一下,用烘干法测得含水率。

所有数据采用Excel2010、SPSS20、Origin9.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 覆膜对重分布前后土壤含水率的影响

图2是反映覆膜前后不同处理对土壤含水率的影响。从图2(a)中可以看出，入渗刚结束，重分布前不同土层的土壤含水率随土层深度增加而递减，在0～15 cm土层含水率较高，在14%～18%之间变化，随着时间的推移，达到稳定，重分布前土壤含水率的变化符合试验设计，同时也跟大多数学者研究的结论相同。

图2 不同深度含水率对比图Fig.2 Comparison of moisture content at different depths

从图2(b)中可以看出入渗结束，覆膜48 h，重分布之后的土壤含水率变化情况，不同覆膜处理使得不同土层的含水率出现了差异，在0～5 cm的土层含水率较低，在1%左右浮动，在5～15 cm的土层含水率呈现规律性变化，随着土层深度的增加含水率逐渐增大，在15～25 cm的土层含水率出现了峰值，不同覆膜处理的峰值不一样，但均在20 cm左右浮动，随着深度增加含水率出现了不同程度的降低。从图2(b)和图2(a)对比中，覆膜前，土壤水分主要集中在表层土壤，0～5 cm的含水率在17%左右，随深度逐渐降低，覆膜后，经过48 h重分布,水分在重力的作用下入渗，土壤水分集中分布在15～25 cm之间的土壤中，由于入渗深度大，所以含水率较覆膜前小。同时，从图2(b)中可以看出，各覆膜处理与对照组相比较，覆膜PE处理下的含水率变化幅度最大，对照组CK处理含水率变化幅度小，三种可降解膜处理BD1、BD2、BD3均对总体土壤含水率有影响，但影响不显著，在10～25 cm之间的含水率，BD1、BD2、BD3处理下的含水率较CK处理都有所增加，但较PE处理下含水率都要低，这是因为地膜改变了大气与土壤之间的交换界面，从而使得土壤水分保持在土壤中。经分析得出BD2的保水性优于其他处理。

2.2 覆膜对土壤水分蒸发的影响

土壤蒸发主要受大气蒸发力和土壤输水能力的影响，当土壤表面覆膜之后不仅阻碍了空气能量的向下传输的土壤“热通道”，还阻断了蒸发水分向上传输的“水通道”，所以土壤表面的覆膜量不同导致土壤的蒸发量不同，即不同覆膜处理对土壤的不同时刻的蒸发量和累积蒸发量影响不同(图3)。从图3(a)中可以看出，不同覆膜处理下不同时间的蒸发量呈现显著差异，在蒸发前期对照组的蒸发量高于其他处理，是因为无膜处理不能阻断蒸发水分向上的“水通道”，同样三种可降解膜处理下的蒸发量，BD2处理要分别低于BD1和BD3处理，随着蒸发试验进一步开展，蒸发量出现了不同程度减少，当第36 h，由于外部原因导致断电，所以出现了较大的浮动，随着时间的推移，在蒸发后期，各处理同一时间段的蒸发量降低，可降解膜处理与普通地膜处理对蒸发量的影响程度降低。从图3(b)中可以看出：随着时间的推移，不同处理的累计蒸发量呈现显著规律。在第64 h之前，3种可降解膜处理中，BD2的累计蒸发量都比其他处理要小，且随时间的推进，差异性越来越小。随时间的推移累积蒸发量逐渐增大，PE处理下的累计蒸发量低于其他的处理，是因为普通地膜能更好地抑制水分蒸发，对“热通道”和“水通道”的阻碍作用更明显。

2.3 覆膜对土层温度的影响

不同的可降解地膜覆盖表现出不同的保温效果。可降解地膜对远红外灯辐射作用直接反映于土壤热效应的变化。不同覆膜处理下土壤不同深度(0、 5、10、15、20 和 25 cm)土壤温度变化情况(图4)可以得出，土壤温度随着时间推移，先出现一段急剧升高阶段，随后各个处理的温度起伏波动不大，土壤温度随着土层深度增加而降低。在图4(a)中，对照处理CK在一定的光强下(0～10 cm)的土壤温度随着时间的推进逐渐升高后波动幅度变小。

图3 不同时间段蒸发量和累积蒸发量对比图Fig.3 Comparison of evaporation and cumulative evaporation in different time periods

0 cm土层的平均温度较5、10、15、20和25 cm土层平均温度分别升高25%、28.3%、36.7%、42%、48.9%。在图4(b)中，普通地膜(PE)处理下的各土层温度变化在8 h之内逐渐增加，随后(15～20 cm)土层温度变化幅度减小，在(0～10 cm)的土壤表层土壤温度从低升高然后略微降低的过程，0 cm土层的平均温度较5、10、15、20和25 cm土层平均温度分别升高13.4%、29.8%、35.8%、40.2%、47.6%。在图4(c)中，可降解地膜(BD1)处理下的各土层温度变化在8 h之内逐渐增加， 0 cm土层的平均温度较5、10、15、20和25 cm土层平均温度分别升高22.05%、33.8%、36.3%、47.9%、48.5%。在图4(d)中，可降解地膜(BD2)处理下的各土层温度变化趋势跟BD1处理相似且有上升空间，0 cm土层的平均温度较5、10、15、20和25 cm土层平均温度分别升高23.8%、32.8%、39.3%、46.9%、50.2%。在图4(e)中，可降解地膜(BD3)处理下0 cm土层的平均温度较5、10、15、20 和 25 cm土层平均温度分别升高18.75%、29.6%、35.9%、36.8%、45.5%。从各处理图中可以看出，各层土壤的温度随时间的推移波动幅度减小，且可降解膜处理升温幅度高于其他处理。

图4 不同覆膜处理在不同时间段的温度对比图Fig.4 Temperature comparison chart of different laminating treatments in different time periods

3 讨 论

可降解地膜和普通地膜都具有保温和持水作用，并且在一定程度上，可降解地膜与普通地膜均可用于农业生产[18]。不同种类的可降解膜对土壤水入渗和蒸发特性有影响，导致各处理的土壤水水分分布出现差异。本试验结果表明，在重分布后的含水率对比过程中，可降解地膜和普通地膜的土壤含水率差异不明显，都高于无膜覆盖处理，并且在地下 10～25 cm 处的土壤含水率较地下0～10 cm 处变化明显，说明可降解地膜和普通地膜具有相同的保水作用，并且三种可降解膜中BD2保水作用较明显。在土壤水分蒸发变化过程中，初始时，随着温度升高，蒸发量急剧变大，但随着时间的推进，蒸发量由上升趋势向下降趋势变化，但是累积蒸发量呈现规律性增长，且趋势越来越小，可降解膜处理中 BD2处理抑制蒸发的效果最明显。在西北干旱区和半干旱区，为增温增产而覆膜耕作。地膜覆盖后改变了土壤与大气的接触面从而改变了土壤的温度效应，地膜阻碍了正常土壤与大气的水热交换界面[19,20]。在土壤温度变化过程中，地下0～10 cm 处土壤温度升高和降低均较快，温度变化很明显，地下15 cm 处的次之，地下20～25 cm 处的不太明显，大致规律是土壤温度随着深度增加而变化幅度降低。说明随着土壤深度的增加，地膜对土壤温度的影响逐渐降低；这是因为土壤热通量正在从地表向深层土壤传递。可降解地膜和普通地膜的温度相差不大，且均高于无膜处理，说明可降解地膜和普通地膜具有相同的升温保温作用，并且三种可降解膜中BD2升温保温作用较明显。

4 结 语

对可降解膜覆盖对一维土柱土壤水分入渗蒸发影响进行研究，通过室内土柱192 h的试验，结果表明:入渗结束后覆膜,经48 h的重分布，各处理组均能有效提高地下15～25 cm土壤水分含量,BD2处理的效果优于其他两种可降解膜；BD2覆膜处理对5～15 cm土壤温度的保温作用明显；BD2处理对水分蒸发作用抑制明显，综上，从保水、保温、抑制蒸发角度得出：可降解膜BD2处理最优。可降解地膜作为一种新型环保材料，其田间应用效果正在逐步验证中，以可降解地膜替代普通地膜大面积应用于农业生产尚需时日，本研究对于可降解地膜的推广提供理论支撑。此外，可降解地膜在不同生态条件下的田间降解状况还需进一步研究。

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