残膜量及分布对一维土柱水分蒸发的影响

谷贞达，李文昊，张金珠

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

地膜覆盖技术可显著降低地表蒸发，自1978年引入我国，1996年新疆生产建设兵团(以下简称兵团)将地膜覆盖与滴灌技术结合形成膜下滴灌技术，之后历经24年发展，兵团膜下滴灌面积从最初的1.67 hm2，扩大到现在的140万hm2，推动兵团基本建成全国节水灌溉示范基地。塑料地膜主要成分是聚乙烯(PE)材料，该成分在自然条件下降解极慢，周期为200～400 a[1-3],而且随着地膜覆盖面积和地膜使用量的增加，“白色污染”问题日趋严重[4-6]，因此，诸多学者针对农业残膜污染问题进行研究。

肖军等[7]和解红娥等[8]研究表明残膜致使作物根系弯曲状发展，根系变短，作物吸水吸肥能力降低，导致作物减产；李秋洪[9]研究结果表明耕地土壤地膜残留量与覆膜年限呈正相关，相关系数达0.94；严昌荣等[10-12]研究表明覆膜种植会导致土壤残膜量不断积累，堵塞土壤过水孔隙，减小土壤总孔隙度，破坏土壤团聚体结构，土壤入渗阻力增加；李仙岳等[13-14]研究发现湿润锋运移距离和湿润体随残膜量增加而减小，且入渗速率的不确定性增加。李元桥等[15]研究表明农膜残留后土壤中大孔隙比例增加，易产生土壤水分的优势迁移。

已有的研究成果对于指导农业残膜污染治理起到了积极作用，但关于残膜对土壤水分蒸发影响的研究很少，因此，本文通过室内一维土柱试验，模拟大田土壤耕作层(土体表面至地下30 cm)研究不同残膜量以及残膜分布情况对土壤水分蒸发的影响，探索残膜对土体蒸发特性影响机理，为残膜污染治理工作提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年5—10月在现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地暨石河子大学节水灌溉试验站进行，试验站位于兵团第八师石河子市西北郊石河子大学农试场二连(44°18′25″ N，86°03′27″ E)，海拔451 m，平均地面坡度6×10-3，年平均日照时间达2 865 h，大于10 ℃积温为3 463.5 ℃，无霜期达到170 d，多年平均降雨量207 mm，平均蒸发量1 660 mm。

1.2 试验材料

试验供试土样取自兵团第八师121团(新疆石河子市炮台镇)农田，经风干碾碎，过2 mm筛。农田土壤质地为沙质壤土，黏粒(粒径<0.002 mm)含量为12%，粉粒(粒径在0.002～0.05 mm)含量为20%，沙粒(粒径在0.05～0.25 mm)含量为68%；土体各层容重见表1。

表1 各层土壤容重

试验所需材料包括马氏瓶，电子秤，275 W远红外灯泡，剪裁过的塑料底膜(新疆天业生产PE塑料地膜)以及有机玻璃管、有机玻璃板。土柱用5 mm厚，内径20 cm的有机玻璃管和厚度为8 mm的有机玻璃板粘合而成，土柱长40 cm，在其侧面每隔5 cm开一个1 cm小孔视为取样空，在垂直方向呈90°错开。入渗与蒸发试验装置如图1所示。

图1 蒸发试验装置示意图

1.3 试验设计

1.3.1 残膜量和残膜分布设计

农田中残膜量随着覆膜年限的增加而递增，且呈正相关[9]，本研究利用残膜与年限以及残膜回收率来确定残膜量，新疆棉田普遍地膜覆盖率为84.8%[16]，每年覆盖的地膜质量为52.8 kg/hm2，再考虑残膜回收率μ(50%，70%，85%)，可引入残膜量与覆膜年限关系式Y=(1-μ)·k·X，其中Y表示残膜重量，k表示每年地膜完全残留率，即每年地膜覆盖量52.8 kg/hm2，X表示覆膜年限。

本试验设置覆膜年限为0、5、10、50 a。通过计算求得各处理的残膜量如表2所示，其中残膜量8个梯度分别为0(CK)、39.6、79.2、158.4、264、396、792、1 320 kg/hm2。残膜分布设计分为各层无差异分布，即平均分布(A)，逐层递减分布(D)，这两种分布各层残膜质量比例如表3所示。

表2 残膜量及残膜分布设计

表3 不同分布各土层残膜量的分布设计

1.3.2 土柱模拟设计

根据试验区现状及表1中研究区各层土壤容重，取平均值设计土体容重为1.4 g/cm3，土体厚30 cm，分为6层，每5 cm为一层，装土前有机玻璃柱底部装有5 cm的砂石反滤层，装土时各层土均压实打毛，各层土装完时有机玻璃上部留有5 cm的水头区(图1)。利用马氏瓶稳定供水，控制各处理灌水量1.5 L一致，设置出水流量为0.67 L/h；内控制室温27±3 ℃。入渗试验进行24 h结束，用塑料薄膜将土柱上部封闭，将土柱静止48 h进入重分布阶段。重分布阶段结束，立即将土柱轻缓地放到蒸发装置上进行蒸发试验，蒸发过程采用275 W远红外灯对土柱进行照射，调试远红外灯与土体表面距离为20 cm(光照强度为683 μmol/(m2·s)，室内水面日蒸发量为43.7 mm)，并且从蒸发试验起始进行计时，每隔24 h采用精度为0.000 1 kg的梅特勒-托利多PR/SR天平对土柱进行称重，以计算累计蒸发量。

1.4 数据分析

采用SPSS 20.0对数据进行单因素方差分析及LSD多重比较分析以确定各处理均值差异，采用Origin 8.5进行入渗与蒸发模型拟合[13]并绘图，用Excel 2016制作表格。

1.5 模型拟合

蒸发过程将土壤累积蒸发量E(mm)随蒸发时间te(d)变化规律建立Rose模型。本文采用相对均方根误差(relative root mean square error，RRMSE)作为评估Rose模型拟合效果的指标[18]，RRMSE值越小，说明模型拟合效果越好。

2 结果与分析

2.1 不同残膜量对土壤蒸发的影响

结果(图2)显示：各处理累计蒸发量逐渐增加随着残膜量的增加，累积蒸发量逐渐减小。

蒸发初期，即第1 d时累计蒸发量由CK、A1至A7分别为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分别为12.8、12.6、12.4、11.8、10.5、9.0、7.5、5.9 mm(F=28.00，P<0.05)，残膜量小于79.2 kg/hm2时，即A1、A2和D1、D2处理较比CK的累积蒸发量影响不显著，残膜量大于79.2 kg/hm2时，残膜量对累积蒸发量的影响逐渐显著；蒸发后期，即第8 d时CK、A1至A7累积蒸发量分别为37.7、35.8、33.7、32.9、31.0、28.3、26.1、23.8 mm(F=25.81，P<0.05),残膜量小于79.2 kg/hm2时，残膜量对累积蒸发量影响不显著，而残膜量大于79.2 kg/hm2时，残膜量越大其累积蒸发量与CK的差异越显著；CK、D1至D7累积蒸发量分别为37.7、34.5、32.5、31.6、29.8、27.0、24.9、22.7 kg/hm2(F=23.64，P<0.05)，各处理在蒸发后期累积蒸发量较比CK均显著减小，同样随着残膜量的增加，较比CK变化越显著。综上可知：随着残膜量的增加，累积蒸发量逐渐降低，残膜量越大，减小幅度越大、降低效果越显著。在蒸发前期，残膜量低于79.2 kg/hm2时，累积蒸发量变化不显著，残膜量大于79.2 kg/hm2时，累积蒸发量较比CK显著减小。

图2 不同残膜量对土壤累积蒸发量的影响

将各处理累积蒸发量随时间变化情况采用Rose模型进行拟合，拟合参数、相对均方根误差RRMSE以及拟合度R2结果(表4)显示：随着残膜量的增加，水分扩散参数c逐渐减小，稳定蒸发参数d逐渐增大，土壤中的残膜破坏土体的连续性，阻断了土体过水通道，因而抑制了水分扩散，水分扩散参数减小；由于残膜堵塞表土层的土壤孔隙数量随残膜量增加而增多[17]，因而稳定蒸发系数随着残膜量的增大而增大，而水分扩散参数c在Rose模型中所占权重大于稳定蒸发参数d，因而整体上随着残膜量的增加，累积蒸发量逐渐减小；随着残膜量的增大，相对均方根误差RRMSE和参数c、d的标准误差逐渐增大，说明土壤中残膜存在，土壤累积蒸发量对Rose模型拟合效果变差。综上可知：残膜存在的土壤抑制了土壤的蒸发，且累积蒸发量对Rose模型的拟合效果变差。

表4 不同残膜量处理土壤累积蒸发量对Rose模型拟合情况

2.2 不同残膜分布对土壤蒸发的影响

平均分布(A)以及逐层递减分布(D)两种分布情况下土壤累积蒸发量随时间变化情况如图3所示。

图3 不同残膜分布对土壤累积蒸发量的影响

从图3可知：在相同残膜量情况下，蒸发前期平均分布累积蒸发量较比CK减小的幅度大于逐层递减分布，如残膜量79.2 kg/hm2处理组(图3b)第1 d时平均分布条件下A2蒸发量(11.9 mm)比CK(12.8 mm)降低7.03%，幅度高于逐层递减条件下D2(12.4 mm)的3.13%；蒸发中期和后期平均分布累积蒸发量较比CK减小的幅度小于逐层递减分布，如残膜量为158.4 kg/hm2处理组(图3c)第4 d平均分布条件下A3蒸发量(21.1 mm)比CK(24.8 mm)降低14.92%，这低于逐层递减条件下D3(20.7 mm)蒸发量降低的16.53%,第8 d平均分布A3蒸发量(32.9 mm)与D3蒸发量(31.6 mm)也表现出一致的规律。

在蒸发前期逐层递减分布比平均分布蒸发快，这是由于逐层递减分布情况下土体上层残膜密集，入渗阶段阻断水分入渗通道，水分在土壤上层大量滞留，因而蒸发前期逐层递减分布蒸发较比平均分布快；蒸发中后期平均分布较比逐层递减分布蒸发快，这是因为逐层递减分布上层水分蒸发很快，但是由于残膜密度大，阻碍下层土壤水向上运动，蒸发变慢，因而蒸发中后期逐层递减分布较比平均分布变慢。

相同残膜量下，逐层递减分布较比平均分布的水分扩散参数c值变小，说明逐层递减分布水分扩散能力严重收到抑制；稳定蒸发系数d值也变小，说明逐层递减分布由于残膜密集存在于上层土体，蒸发能力受到严重影响，因而稳定蒸发系数变小；逐层递减分布的相对均方根误差RRMSE和拟合参数c、d的变准误差大于平均分布，说明逐层递减分布情况下土壤累积蒸发量对Rose模型的拟合效果比平均分布差。综上所述，相同残膜量情况下，逐层递减分布对蒸发的阻碍作用大于平均分布，且逐层递减分布对Rose模型的拟合效果比平均分布差。

3 讨论

本研究表明土壤累积蒸发量随着残膜量的增加而逐渐减小，这与牛文全[18]研究结果一致；通过对土壤累积蒸发量Rose模型拟合结果表明，随着残膜量的增加，土壤水分扩散参数逐渐减小，但稳定蒸发参数逐渐增大，这是由于残膜破坏土壤结构，残膜混入土壤，阻断原有土壤孔隙连续性，因而土壤水分扩散能力降低；蒸发前表层土壤水分含量大，蒸发初始阶段蒸发量大，表层水分散失严重，下层土壤水分向上运移，以补充缺失水分，但是残膜的存在抑制土壤水分扩散能力，因而下层土壤水分向上运移受阻，并且由于蒸发过程土体受远红外灯照射温度很高，水分子粘滞系数减小，水分子内聚力减弱，水分子逐渐以水汽扩散的形式脱离土壤[19]，因而稳定蒸发参数随着残膜量的增大而逐渐增大；水分扩散能力对累积蒸发量的影响的权重大于稳定蒸发参数，因而累积蒸发量随着残膜量的增加而减少。

相同残膜量条件下蒸发前期逐层递减分布对土壤蒸发的抑制作用小于平均分布[20-21]，这是由于逐层递减分布上层土壤残膜量很大，入渗阶段对水分运移的抑制效果比平均分布明显，上层土壤水分向下运移受阻，滞留在上层土壤的水分含量大，蒸发相对平均分布快。而蒸发中后期逐层递减分布对土壤蒸发的抑制作用逐渐强于平均分布，这是由于上层土壤水分前期蒸发快，而由于上层土壤残膜含量很大，下层土壤水分向上运移受阻，因而逐层递减分布对土壤水分蒸发的抑制比平均分布相对更严重[22]。

4 结论

土壤累积蒸发量随着残膜量的增加整体表现出减小的趋势。残膜量大于79.2 kg/hm2时，土壤累积蒸发量相比无残膜土壤显著减小；随着残膜量的增加，累积蒸发量的Rose模型拟合精度降低。相同残膜量情况下，逐层递减分布在蒸发前期对蒸发的阻碍效果小于平均分布，蒸发中后期逐层递减分布对蒸发的阻碍作用大于平均分布。