残留地膜对粉壤土水盐氮运移与再分布的影响

2024-02-02于永刚孙池涛程金杰刘月岩吕鹏超张明明

排灌机械工程学报 2024年2期

于永刚,孙池涛,2*,程金杰,刘月岩,吕鹏超,张明明

(1. 山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安 271018;2. 农业农村部农膜应用重点实验室,山东泰安 271018;3. 山东省农业生态与资源保护总站,山东济南 250131;4.威海市农业农村事务服务中心,山东威海 264200)

地膜覆盖技术具有保温保墒、抑制杂草等功效,在生产中起到了节水增产等作用,是中国农业生产中不可或缺的一项重要栽培增产技术[1].然而,农业生产中覆盖地膜“重使用,轻回收”的现象严重,且农田土壤残膜回收机制并不健全,导致每年有大量残膜滞留于土壤中[2].长期以来,残留在土壤中的地膜造成了严重的白色污染问题,土壤生产潜力逐年下降[3].风化破碎的农田地膜埋深于土壤中,破坏了土壤的孔隙结构,改变了土壤原有理化性质[4],同时由于残膜具有不透水、不透气性,残膜存在于土壤中使得土壤通透性下降,土壤中水分和溶质的入渗与再分布过程发生变化,土壤肥力水平降低.现阶段关于残膜对土壤水分入渗分布过程影响的研究较多,牛文全等[5]发现残膜对土壤水分入渗与蒸发过程起阻碍作用,并增加了土壤水分分布的变异程度.李元桥等[6]发现当残膜量超过360 kg/hm2时,土壤优势流明显,且会滞留部分硝态氮并增加其分布的不均匀程度.刘大有等[7]通过土箱试验发现,残膜阻碍肥液入渗并减少了水肥分布的均匀性.关于农田残膜对入渗条件下水分、溶质等单一因素影响方面的研究较多,但通常忽略了入渗结束后水、肥、盐等多因素再分布的影响.文中设置不同残膜量土壤入渗-蒸发模拟试验,旨在探究残留地膜对土壤水、盐、氮的运移与再分布规律,为残膜污染农田土壤水、肥、盐综合调控提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 供试土壤与地膜

供试土壤取自山东省农科院现代农业综合试验示范基地0～40 cm土层,土壤初始容重为1.35 g/cm3.土壤取回后经风干碾压后过2 mm筛备用,土壤粒级通过BT-9300S激光粒度分布仪测定,其中,黏粒(<0.002 mm)为9.23%,粉粒[0.002,0.020] mm为46.35%,砂粒(>0.020 mm)为44.42%,根据美国农业部的地质三角形图确定土壤为粉壤土,试验使用当年农田回收残膜,将残膜清洗晾干,剪切为2 cm×2 cm的方形薄片备用.

1.2 试验设计

采用一维定水头垂直入渗系统进行试验,所用有机玻璃柱内径9.4 cm,高40.0 cm,设置6.0 cm底座用于排水排气.按残膜含量不同设置1个对照和3个处理,分别为CK(0 kg/hm2),T1(100 kg/hm2),T2(200 kg/hm2),T3(400 kg/hm2),每个处理6次重复.试验前,将残膜与土壤混合均匀,并按1.45 g/cm3容重分层装入土柱中,每层高度为4 cm,共分7层,层间打毛,装土高度为28 cm.为模拟田间残膜分布情况,所有处理(0,10] cm土层放置残膜总量的70%,(10,20] cm土层放置剩余残膜,(20,28] cm土层不掺膜[8].有机玻璃柱底座上铺设1层滤纸和2 cm厚的石英砂(粒级1～2 mm)作为反滤层,柱顶预留10 cm空隙,试验装置如图1所示.

图1 试验装置图Fig.1 Diagram of experimental setup

用去离子水配制600 mg/L的氮肥(尿素CH4N2O)溶液进行灌溉入渗试验,试验采用马氏瓶供水,水头高度设置为5 cm,控制各处理灌水量为0.7 L,记录土柱湿润锋运移距离与累积入渗量.入渗24 h水分分布稳定后,每个处理选择1个重复按(0,4],(4,8],(8,12],(12,16],(16,20],(20,24]和(24,28] cm分7层用土钻破坏性取样,每个土柱取3个样本,样品用于测定各个土柱不同土层土壤的硝态氮含量和铵态氮含量.其余土柱继续开展蒸发试验,每日定时称量土柱重量变化取得水分蒸发量,并在蒸发的第15,30,45,60,85 d破坏土柱取样,测定土壤各个土层的硝态氮含量和铵态氮含量.试验期间实验室的室内温度为17～22 ℃,空气相对湿度为60%～85%.

1.3 测定项目与方法

1.3.1湿润锋运移距离

入渗试验开始后,用秒表计时,通过记录土柱侧面的刻度获取湿润锋运移距离.读数间隔根据入渗速率按前密后疏的原则进行调整.

1.3.2累积入渗量

记录湿润锋的同时观测马氏瓶的水位变化,获取累积入渗量.

1.3.3土壤质量含水率

土壤质量含水率采用烘干法测定.取一份土壤置于已知重量的铝盒中,称量其总质量,将铝盒放入105 ℃的烘箱中烘干12 h,取出并称量烘干后总质量,计算土壤质量含水率公式为

(1)

式中:θ为土壤质量含水率,%;M1为铝盒质量,g;M2为湿土和铝盒质量,g;M3为干土和铝盒质量,g.

1.3.4土壤电导率

土壤电导率采用浸提法测定.取一份土壤风干、粉碎并过2 mm筛,称取10 g处理好的土壤,按土水比1∶5进行混合,充分振荡后静置,待溶液分层后用电导率仪(上海雷磁 DDS-307A)测上层清液的电导率.

1.3.5土壤硝态氮与铵态氮质量比

取样完成后称取鲜土5 g,装入100 mL锥形瓶中,加入25 mL去离子水,保持土水比1∶5振荡30 min后过滤,用连续流动分析仪(荷兰,SKALAR)测定滤液的铵态氮与硝态氮质量比.

1.3.6蒸发强度与累积蒸发量

累积蒸发量采用称重法确定.定时称量土柱的质量变化,计算并记录各个处理的蒸发强度e和累积蒸发量E.其计算公式为

(2)

(3)

式中:M为2次测量土柱质量的差值,即土柱损失的水的质量,g;r为土柱内半径,mm;Δt为前后2次测定的时间差,d.

1.3.7变异系数

变异系数CV又称为离散系数,可反映不同处理数据的离散程度,其计算公式为

(4)

1.4 数据分析与处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0进行数据处理和统计分析,采用单因素方差分析及LSD多重比较确定不同处理间差异,采用Origin 2018作图.

2 试验结果分析

2.1 土壤入渗性能变化

图2为不同残膜含量处理对湿润锋运移与累积入渗量的影响.图中d为土壤湿润锋运移距离,t为入渗时间,I为累积入渗量.

由图2a可知,随着入渗时间的增加,不同残膜量处理土壤湿润锋运移曲线均变平缓且逐渐分层.当入渗时间为900 min时,处理CK,T1,T2,T3的湿润锋运移距离分别为23.63,23.58,24.32,22.78 cm,湿润锋运移距离随残膜量的增加呈先增加后减小趋势,且处理T3较CK的d值降低了3.59%.图2b为不同处理土壤入渗14 h后累积入渗量I的变化情况,由图可知,相同入渗时间内,残膜量对累积入渗量的影响显著(P<0.05).当入渗时长为14 h,处理CK,T1,T2和T3的累积入渗量分别为596.52,613.86,648.54和572.24 mL,累积入渗量随残膜量的增加呈先增加后减小的趋势,且处理T3较CK的I值降低了4.07%.

2.2 土壤水分运移与再分布变化

图3为不同处理土壤剖面质量含水率θ的变化情况,图中h为土层深度.由图可知,入渗结束后,处理CK,T1,T2,T3的(0,12] cm土层土壤剖面平均质量含水率分别为30.65%,30.79%,31.04%,31.10%,随残膜量增加而增加,说明随残膜含量增加有更多水分残留在上层土壤;当蒸发时长为30 d,处理CK,T1,T2,T3土层土壤剖面平均质量含水率分别为23.35%,22.99%,22.91%,22.63%,土壤剖面平均质量含水率随残膜量增加而减少;当蒸发时长超过45 d,不同处理土壤剖面平均质量含水率关系发生变化,随残膜量的增加呈先增加后减少的变化趋势;蒸发试验结束时,处理CK,T1,T2,T3土层土壤剖面平均质量含水率分别为11.48%,11.76%,11.74%,11.37%,从试验的最终结果来看,随残膜含量增加,残膜对土壤水分蒸发的阻碍作用逐渐转变为促进作用.

图3 不同时刻各残膜处理土壤剖面质量含水率变化Fig.3 Changes in mass moisture content of soil profile treated with various residual films at different times

表1为不同残膜含量对土壤各土层质量含水率变异系数的影响.表中CVθ为土层质量含水率CV值.由表可知,不同处理土壤质量含水率均未出现弱变异性,处理CK,T1,T2,T3质量含水率呈强变异性的土层个数分别为3,2,4,5个;中等变异性土层个数分别为4,5,3,2个;(0,28] cm土层,处理CK,T1,T2,T3的质量含水率变异系数分别为7.78,7.28,7.90,8.57.随残膜量增加,土壤质量含水率变异程度有增加的趋势,其中,处理T3较CK的CVθ,增加了10.15%,由此可知残膜增大了土壤质量含水率的变异程度,减少了水分分布的均匀性.

表1 不同残膜含量土壤各土层质量含水率CV值Tab.1 CV values of soil mass moisture content of each soil layer with different residual film contents

试验期间不同处理土壤累积蒸发量E与蒸发强度e随时间t的变化如图4所示.

图4 不同残膜含量对累积蒸发量和蒸发强度的影响Fig.4 Effects of different residual film contents on cumulative evaporation and evaporation intensity

蒸发25 d时,处理CK,T1,T2,T3的累积蒸发量分别为22.67,21.44,21.55,22.79 mm,蒸发强度分别为0.914,0.883,0.897,0.952 mm/d,累积蒸发量和蒸发强度按处理从大到小排序均为T3,CK,T2,T1;当蒸发62 d时,处理CK,T1,T2,T3的累积蒸发量分别为56.11,55.13,55.51,56.49 mm,处理T1,T2,T3的累积蒸发量与处理CK相比仅相差1.76%,1.08%,0.68%,说明随蒸发时长的增加,处理T1和T2的蒸发强度逐渐大于处理CK和T3,累积蒸发量的差距逐渐缩小.累积蒸发量的变化结果与土壤质量含水率变化结果相符.

2.3 土壤盐分运移与再分布变化

图5为不同处理土壤剖面电导率EC的变化情况,由图可知,各处理土壤剖面电导率均随土层深度的增加而增加.水分入渗结束后,处理CK,T1,T2,T3的土层平均电导率分别为4.84,5.93,6.41,5.86 mS/cm,处理T1,T2和T3土层平均电导率相较于处理CK分别增加了22.52%,32.44%,21.07%.蒸发时长为30 d时,各残膜量处理不同土层土壤剖面电导率差异显著,处理CK,T1,T2,T3的土层平均电导率分别为6.02,6.38,6.76,6.91 mS/cm,土壤剖面平均电导率随残膜量增加呈递增趋势,与同时刻残膜对质量含水率的影响规律相反.蒸发时长大于45 d时,处理CK和T3的上层土壤电导率明显高于处理T1和T2.试验结束时,处理CK,T1,T2,T3的土壤表层电导率分别为7.97,7.38,7.49,8.02 mS/cm,土壤底层电导率分别为8.87,9.22,9.24,8.90 mS/cm.相较于处理T1和T2,处理CK和T3表层电导率更高,而底层电导率更低.从蒸发试验的最终电导率变化结果来看,残膜对土壤盐分的向上运移有一定阻碍作用,随残膜量的增加,阻碍效果先增加后减小.

图5 不同时刻各残膜处理土壤剖面电导率变化Fig.5 Changes in electrical conductivity of soil profile treated with various residual films at different times

表2为残膜含量对土壤各土层电导率变异系数的影响.表中CVEC为电导率CV值.

表2 不同残膜含量土壤各土层电导率CV值Tab.2 CV values of conductivity of each soil layer with different residual film contents

由表可知,不同残膜量处理土壤各土层电导率均未出现弱变异性,处理CK,T1,T2,T3电导率为强变异性土层的数量分别为7,4,7,5个,无明显规律.0～28 cm土层,处理T1,T2,T3的电导率变异系数分别为19.89,21.60,20.11,比处理CK分别增加5.35%,14.41%,6.51%.与CK相比,含残膜处理的变异系数均有增大,说明残膜对单个土层电导率变异程度影响并无明显规律,但会增加不同土层间电导率差值,导致整个土柱范围电导率变异程度增加.

2.4 土壤硝态氮和铵态氮运移与再分布变化

图6 不同时刻各残膜处理土壤剖面硝态氮质量比变化Fig.6 Changes in mass ratio of nitrate nitrogen in soil profile treated with various residual films at different times

图7 不同时刻各残膜处理土壤剖面铵态氮质量比变化Fig.7 Changes in mass ratio of ammonium nitrogen in soil profile treated with residual films at different times

表3为残膜含量对土壤各土层硝态氮与铵态氮质量比变异系数的影响.表中CVw为质量比的CV值.

表3 不同残膜含量土壤各土层硝态氮与铵态氮质量比CV值Tab.3 CV values of mass ratio of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in each soil layer with different residual film contents

由表可知,随着残膜量增加,土壤硝态氮质量比呈强变异性的土层数量逐渐减少.处理CK,T1,T2,T3呈强变异性土层数量分别为6,1,0,0个;中等变异性土层数量分别为1,6,4,3个;弱变异性土层数量分别为0,0,3,4个.(0,28] cm土层,处理CK,T1,T2,T3的硝态氮质量比变异系数分别为2.81,0.94,0.44,0.41,随土壤中残膜量增加,土壤各土层硝态氮质量比的变异程度降低,土壤中硝态氮分布趋于均匀.相较于硝态氮,不同处理土壤铵态氮质量比变异系数较高,变异程度均为强变异性,且不同处理相同土层土壤铵态氮质量比变异系数差异较大,说明残膜改变了铵态氮的分布,导致不同处理土壤相同深度土层铵态氮质量比变异系数差异增大,(0,28] cm土层,土壤铵态氮质量比变异系数分别为129.11,134.07,125.14,128.70,残膜对铵态氮质量比变异程度的影响差异不具有统计学意义.

3 讨论

3.1 残膜对土壤水分运移与再分布的影响

残膜改变土壤的理化性质进而影响水分入渗过程.文中发现,随残膜含量增加,湿润锋运移距离与累积入渗量均呈先增加后减小趋势,与李玥等[9]的研究结果一致,原因是残膜与土壤间的孔隙过水能力更强,含膜土层易产生优势流,增加水分运移速率[10];当残膜过多时,破坏了土壤的孔隙连续性,阻断水分的下渗通道,且残膜与土壤间形成“孔隙差异界面”,填充空气后水分入渗阻力增加,使土壤入渗性能降低.入渗结果表明,随残膜量的增加,土壤质量含水率变异系数有增大的趋势,与吴凤全等[11]的研究结果一致,原因是残膜的滞水作用改变了土壤水分入渗过程,使水分分布不均匀.蒸发试验结束时,随土壤中残膜含量增多,残膜对土壤水分蒸发由阻碍作用转变为促进作用,原因是蒸发后期上层土壤毛管水蒸发完成,表土质量含水率低于临界质量含水率,蒸发进入水汽扩散阶段,土壤水分在土柱内部汽化,通过水汽扩散方式向上运移,残膜与土壤间的孔隙失水后,形成过水能力较差的阻隔层,减缓了蒸发速率,高残膜量处理残膜与土壤接触形成大孔隙[12],易形成底部土壤与空气的通路,减少了阻碍作用的影响,使蒸发速率有一定提升.不同蒸发阶段,残膜对水分再分布的作用效果发生改变,原因是残膜含量不同导致各处理土壤质量含水率及水分分布随时间增加逐渐产生差异,最终对水分再分布过程产生影响.

3.2 残膜对土壤盐分运移与再分布的影响

土壤盐分变化与水分运移息息相关[13].文中发现,残留在土壤中的地膜降低了盐分淋洗效果,这与吴凤全等[11]的研究结果一致,原因是残膜减少了入渗水量,且残膜阻碍了水分与土壤的接触,导致盐分淋洗不充分,上层土壤盐分增多.地膜残留降低了土壤盐分分布的均匀性,土壤盐分变异系数随残膜量的增加而增加,这与徐阳等[14]的研究结果相同.不同土层电导率变异系数结构表明,残膜对单个土层电导率变异系数影响差异不具有统计意义.但随着残膜含量的增加,不同土层间电导率差异具有统计学意义,导致整个土柱垂直向电导率变异系数增加,分析认为残膜阻碍水分对盐分的淋洗导致不同处理土壤初始含盐量产生差异,同时由于残膜改变了土壤结构,影响了水盐分布的均匀性,二者共同作用导致了这种现象.

3.3 残膜对土壤氮素运移与再分布的影响

文中发现土壤中的残膜促进了土壤中硝态氮与铵态氮的淋洗,当土壤中存在残膜时,膜与土壤接触形成了大孔隙作为水流的通道[13],同时残膜减少了水流与土壤的接触,氮肥与土壤胶体之间的吸附量减少,促进了氮素向下运移.水分再分布过程中,残膜对硝态氮的向上运移起阻碍作用,对铵态氮向上运移由阻碍作用转变为促进作用,原因是溶质质量比对氮素运移造成了影响,土壤中硝态氮含量由于酰铵态氮含水解与铵态氮硝化的补充一直处于较高水平[15],而碱性土壤环境下铵态氮质量比迅速下降[16].当土壤中无机氮含量充足时,残膜由于不透水特性阻碍了硝态氮与铵态氮的向上运移.当蒸发进入水汽扩散阶段,铵态氮质量比下降至较低水平,少量铵态氮挥发后通过残膜在土壤中形成的非毛管孔隙向上运移,同时残膜减少了铵态氮与土壤的接触,土壤胶体吸附铵态氮减少,此时残膜可促进铵态氮的流失.残膜的存在降低了土壤硝态氮质量比变异系数,对铵态氮质量比变异系数影响不大,原因是残膜降低了土壤底层的硝态氮向上运移速度,相较于处理CK,整体土壤与各个土层硝态氮质量比相近,变异程度降低.铵态氮处于碱性土壤中挥发速度较快,同一残膜量处理不同土层铵态氮质量比差异具有统计学意义,不同土层铵态氮质量比CV值均较高,因为挥发效果对变异系数的影响远大于残膜的影响,因此不同残膜含量下铵态氮质量比变异系数并无明显规律.