不同可降解膜覆蓋對一維土柱土壤水分入滲和蒸發(fā)的影響

韓勝強，王振華，李文昊，賈 浩

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室,新疆 石河子 832000)

地膜覆蓋可以升溫、保水抗旱、防蟲抑草、增肥增產(chǎn)[1,2]。自1996年以后出現(xiàn)了滴灌與覆膜相結(jié)合的膜下滴灌技術(shù)[3,4]，隨著覆膜技術(shù)的不斷成熟，塑料薄膜的大量應(yīng)用，使得農(nóng)田的“白色污染”更加嚴(yán)重。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示[5]，目前在我國長期使用地膜覆蓋的農(nóng)田中,地膜的殘留量一般在60～90 kg/hm2,最高者可達到165 kg/hm2。殘存在土壤中的地膜碎片會造成土壤通氣性能的降低[6]，透水性能的減弱，甚至破壞農(nóng)田土壤空氣的正常循環(huán)和交換，最終結(jié)果使土壤的肥力水平降低、土壤板結(jié)[7,8]。從長遠角度和經(jīng)濟利益來看，由塑料地膜造成的污染所導(dǎo)致的減產(chǎn)幅度將逐步達到和超過其保溫、保濕等作用帶來的增產(chǎn)幅度。為了解決農(nóng)用殘膜的危害，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了兩種實際可行的解決方法，即回收塑料地膜和開發(fā)可降解地膜。研究使用可降解地膜是我國解決普通地膜帶來“白色污染”的有效途徑。

目前對可降解膜田間應(yīng)用的研究主要集中在其對農(nóng)田水分和作物的影響效應(yīng)方面。研究了可降解膜在滴灌[9,10]條件下的應(yīng)用和液體地膜在噴灌[5]條件下的應(yīng)用。雖然張杰等[11]進行了生物地膜、液體地膜和普通塑料地膜覆蓋對土壤水分、作物產(chǎn)量影響的研究，然而沒有研究三種地膜覆蓋對西北干旱與半干旱地區(qū)的保溫效應(yīng)，蘭印超[12]等研究結(jié)果表明，可降解地膜覆蓋能夠明顯提高土壤溫度和土壤水分。李仙岳[13、14]等研究結(jié)果表明，兩種地膜在生育前期(6-7月)對地溫?zé)o顯著差異，而在生育后期普通塑料地膜處理的土壤表層(0～20 cm)地溫明顯高于生物地膜覆蓋處理。

目前多項研究表明可降解地膜與塑料地膜具有類似的增溫保濕和增產(chǎn)作用能夠代替普通塑料地膜[15-17]，并且對不同厚度和不同材料可降解地膜也進行詳細(xì)研究[18]，但是可降解地膜在強烈蒸發(fā)、稀缺降雨和強紫外線環(huán)境的新疆地區(qū)應(yīng)用研究很少。同時在土壤縱斷面方向可降解地膜對土壤水分運移研究較少，不利于為研發(fā)提供一手資料。

本文主要針對在干旱區(qū)進行可降解地膜對一維土壤水分入滲和蒸發(fā)特性影響的研究，為可降解膜覆膜滴灌提供理論基礎(chǔ)，并篩選適合干旱區(qū)綠洲灌區(qū)應(yīng)用完全生物降解類型，為進一步推廣應(yīng)用可降解地膜提供參考，以期解決殘膜污染問題，保障綠洲灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與地膜

供試土壤采自石河子市121團，采樣深度為0～30 cm，將土樣按取土次序分層填裝(土樣去除根系枯枝落葉及大粒徑雜質(zhì)后，自然風(fēng)干、碾壓過2 mm篩備用)。烘干法測得土壤初始含水率為7.95%。供試可降解地膜采用目前新疆地區(qū)市場銷售的幾種可降解地膜，各個處理地膜覆蓋采用不同材料：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設(shè)計降解誘導(dǎo)期45 d，覆蓋B型完全生物降解地膜(BD2 厚0.010 mm)主要成分PBAT設(shè)計降解誘導(dǎo)期60d，覆蓋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誘導(dǎo)期60 d，這三種可降解地膜均能在1～2 a內(nèi)完全降解，其中無覆蓋處理為對照試驗(CK)。

1.2 試驗裝置與設(shè)計

室內(nèi)土柱試驗于2017年9-10月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站進行。土壤水分入滲、蒸發(fā)試驗裝置如圖1。其中土壤水分入滲試驗裝置圖1(a)由馬氏瓶(高65 cm，容積5 102.5 cm3)、土柱(半徑10 cm，高35 cm)和支架組成。土柱和馬氏瓶均由5 mm厚透明有機玻璃制作而成，土柱底部設(shè)有微小排氣孔，為土壤水分入滲提供一個氣流通暢的環(huán)境。土壤水分蒸發(fā)試驗裝置圖1(b)由275 W遠紅外燈、土柱、蒸發(fā)皿(半徑與土柱相同)和型號為FG-30KAM精密臺秤(精度 0.000 1 kg)組成。為消除壁面優(yōu)勢流的影響，入滲裝土前，在土柱內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，灌水入滲之后立即覆蓋防水塑料膜并封口，入滲結(jié)束48 h后，待土壤氣體排放穩(wěn)定，打開紅外線燈作為光源進行蒸發(fā)試驗，蒸發(fā)試驗開始前，揭開防水塑料膜，為縮短試驗周期，蒸發(fā)試驗中用275 W遠紅外燈作為增強光源，燈底部與土柱表土距離均為20 cm，晝夜照射，采用稱量法測定土柱蒸發(fā)質(zhì)量，同步測量蒸發(fā)皿的水面蒸發(fā)，蒸發(fā)試驗期間室溫在 18 ～ 23 ℃，蒸發(fā)試驗期間不進行通風(fēng)，日平均相對濕度約為35%，平均水面蒸發(fā)量為1.75 mm/h。

1.3 實驗數(shù)據(jù)采集與處理

土壤溫度：使用溫度計測定不同時間段的0、5、10、15、20 及 25 cm 深土壤溫度，溫度計放置情況見圖1b，分別在第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觀測，讀取并記錄土壤溫度。

土壤蒸發(fā)量：采用稱量法測定土柱蒸發(fā)質(zhì)量，測定時間為蒸發(fā)開始后的第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：入滲結(jié)束取一次土，重分布(48 h)之后再取一下,用烘干法測得含水率。

所有數(shù)據(jù)采用Excel2010、SPSS20、Origin9.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜對重分布前后土壤含水率的影響

圖2是反映覆膜前后不同處理對土壤含水率的影響。從圖2(a)中可以看出，入滲剛結(jié)束，重分布前不同土層的土壤含水率隨土層深度增加而遞減，在0～15 cm土層含水率較高，在14%～18%之間變化，隨著時間的推移，達到穩(wěn)定，重分布前土壤含水率的變化符合試驗設(shè)計，同時也跟大多數(shù)學(xué)者研究的結(jié)論相同。

圖2 不同深度含水率對比圖Fig.2 Comparison of moisture content at different depths

從圖2(b)中可以看出入滲結(jié)束，覆膜48 h，重分布之后的土壤含水率變化情況，不同覆膜處理使得不同土層的含水率出現(xiàn)了差異，在0～5 cm的土層含水率較低，在1%左右浮動，在5～15 cm的土層含水率呈現(xiàn)規(guī)律性變化，隨著土層深度的增加含水率逐漸增大，在15～25 cm的土層含水率出現(xiàn)了峰值，不同覆膜處理的峰值不一樣，但均在20 cm左右浮動，隨著深度增加含水率出現(xiàn)了不同程度的降低。從圖2(b)和圖2(a)對比中，覆膜前，土壤水分主要集中在表層土壤，0～5 cm的含水率在17%左右，隨深度逐漸降低，覆膜后，經(jīng)過48 h重分布,水分在重力的作用下入滲，土壤水分集中分布在15～25 cm之間的土壤中，由于入滲深度大，所以含水率較覆膜前小。同時，從圖2(b)中可以看出，各覆膜處理與對照組相比較，覆膜PE處理下的含水率變化幅度最大，對照組CK處理含水率變化幅度小，三種可降解膜處理BD1、BD2、BD3均對總體土壤含水率有影響，但影響不顯著，在10～25 cm之間的含水率，BD1、BD2、BD3處理下的含水率較CK處理都有所增加，但較PE處理下含水率都要低，這是因為地膜改變了大氣與土壤之間的交換界面，從而使得土壤水分保持在土壤中。經(jīng)分析得出BD2的保水性優(yōu)于其他處理。

2.2 覆膜對土壤水分蒸發(fā)的影響

土壤蒸發(fā)主要受大氣蒸發(fā)力和土壤輸水能力的影響，當(dāng)土壤表面覆膜之后不僅阻礙了空氣能量的向下傳輸?shù)耐寥馈盁嵬ǖ馈?，還阻斷了蒸發(fā)水分向上傳輸?shù)摹八ǖ馈保酝寥辣砻娴母材ち坎煌瑢?dǎo)致土壤的蒸發(fā)量不同，即不同覆膜處理對土壤的不同時刻的蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量影響不同(圖3)。從圖3(a)中可以看出，不同覆膜處理下不同時間的蒸發(fā)量呈現(xiàn)顯著差異，在蒸發(fā)前期對照組的蒸發(fā)量高于其他處理，是因為無膜處理不能阻斷蒸發(fā)水分向上的“水通道”，同樣三種可降解膜處理下的蒸發(fā)量，BD2處理要分別低于BD1和BD3處理，隨著蒸發(fā)試驗進一步開展，蒸發(fā)量出現(xiàn)了不同程度減少，當(dāng)?shù)?6 h，由于外部原因?qū)е聰嚯?，所以出現(xiàn)了較大的浮動，隨著時間的推移，在蒸發(fā)后期，各處理同一時間段的蒸發(fā)量降低，可降解膜處理與普通地膜處理對蒸發(fā)量的影響程度降低。從圖3(b)中可以看出：隨著時間的推移，不同處理的累計蒸發(fā)量呈現(xiàn)顯著規(guī)律。在第64 h之前，3種可降解膜處理中，BD2的累計蒸發(fā)量都比其他處理要小，且隨時間的推進，差異性越來越小。隨時間的推移累積蒸發(fā)量逐漸增大，PE處理下的累計蒸發(fā)量低于其他的處理，是因為普通地膜能更好地抑制水分蒸發(fā)，對“熱通道”和“水通道”的阻礙作用更明顯。

2.3 覆膜對土層溫度的影響

不同的可降解地膜覆蓋表現(xiàn)出不同的保溫效果?？山到獾啬h紅外燈輻射作用直接反映于土壤熱效應(yīng)的變化。不同覆膜處理下土壤不同深度(0、 5、10、15、20 和 25 cm)土壤溫度變化情況(圖4)可以得出，土壤溫度隨著時間推移，先出現(xiàn)一段急劇升高階段，隨后各個處理的溫度起伏波動不大，土壤溫度隨著土層深度增加而降低。在圖4(a)中，對照處理CK在一定的光強下(0～10 cm)的土壤溫度隨著時間的推進逐漸升高后波動幅度變小。

圖3 不同時間段蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量對比圖Fig.3 Comparison of evaporation and cumulative evaporation in different time periods

0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20和25 cm土層平均溫度分別升高25%、28.3%、36.7%、42%、48.9%。在圖4(b)中，普通地膜(PE)處理下的各土層溫度變化在8 h之內(nèi)逐漸增加，隨后(15～20 cm)土層溫度變化幅度減小，在(0～10 cm)的土壤表層土壤溫度從低升高然后略微降低的過程，0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20和25 cm土層平均溫度分別升高13.4%、29.8%、35.8%、40.2%、47.6%。在圖4(c)中，可降解地膜(BD1)處理下的各土層溫度變化在8 h之內(nèi)逐漸增加， 0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20和25 cm土層平均溫度分別升高22.05%、33.8%、36.3%、47.9%、48.5%。在圖4(d)中，可降解地膜(BD2)處理下的各土層溫度變化趨勢跟BD1處理相似且有上升空間，0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20和25 cm土層平均溫度分別升高23.8%、32.8%、39.3%、46.9%、50.2%。在圖4(e)中，可降解地膜(BD3)處理下0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20 和 25 cm土層平均溫度分別升高18.75%、29.6%、35.9%、36.8%、45.5%。從各處理圖中可以看出，各層土壤的溫度隨時間的推移波動幅度減小，且可降解膜處理升溫幅度高于其他處理。

圖4 不同覆膜處理在不同時間段的溫度對比圖Fig.4 Temperature comparison chart of different laminating treatments in different time periods

3 討 論

可降解地膜和普通地膜都具有保溫和持水作用，并且在一定程度上，可降解地膜與普通地膜均可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[18]。不同種類的可降解膜對土壤水入滲和蒸發(fā)特性有影響，導(dǎo)致各處理的土壤水水分分布出現(xiàn)差異。本試驗結(jié)果表明，在重分布后的含水率對比過程中，可降解地膜和普通地膜的土壤含水率差異不明顯，都高于無膜覆蓋處理，并且在地下 10～25 cm 處的土壤含水率較地下0～10 cm 處變化明顯，說明可降解地膜和普通地膜具有相同的保水作用，并且三種可降解膜中BD2保水作用較明顯。在土壤水分蒸發(fā)變化過程中，初始時，隨著溫度升高，蒸發(fā)量急劇變大，但隨著時間的推進，蒸發(fā)量由上升趨勢向下降趨勢變化，但是累積蒸發(fā)量呈現(xiàn)規(guī)律性增長，且趨勢越來越小，可降解膜處理中 BD2處理抑制蒸發(fā)的效果最明顯。在西北干旱區(qū)和半干旱區(qū)，為增溫增產(chǎn)而覆膜耕作。地膜覆蓋后改變了土壤與大氣的接觸面從而改變了土壤的溫度效應(yīng)，地膜阻礙了正常土壤與大氣的水熱交換界面[19,20]。在土壤溫度變化過程中，地下0～10 cm 處土壤溫度升高和降低均較快，溫度變化很明顯，地下15 cm 處的次之，地下20～25 cm 處的不太明顯，大致規(guī)律是土壤溫度隨著深度增加而變化幅度降低。說明隨著土壤深度的增加，地膜對土壤溫度的影響逐漸降低；這是因為土壤熱通量正在從地表向深層土壤傳遞?？山到獾啬ず推胀ǖ啬さ臏囟认嗖畈淮螅揖哂跓o膜處理，說明可降解地膜和普通地膜具有相同的升溫保溫作用，并且三種可降解膜中BD2升溫保溫作用較明顯。

4 結(jié) 語

對可降解膜覆蓋對一維土柱土壤水分入滲蒸發(fā)影響進行研究，通過室內(nèi)土柱192 h的試驗，結(jié)果表明:入滲結(jié)束后覆膜,經(jīng)48 h的重分布，各處理組均能有效提高地下15～25 cm土壤水分含量,BD2處理的效果優(yōu)于其他兩種可降解膜；BD2覆膜處理對5～15 cm土壤溫度的保溫作用明顯；BD2處理對水分蒸發(fā)作用抑制明顯，綜上，從保水、保溫、抑制蒸發(fā)角度得出：可降解膜BD2處理最優(yōu)?？山到獾啬ぷ鳛橐环N新型環(huán)保材料，其田間應(yīng)用效果正在逐步驗證中，以可降解地膜替代普通地膜大面積應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尚需時日，本研究對于可降解地膜的推廣提供理論支撐。此外，可降解地膜在不同生態(tài)條件下的田間降解狀況還需進一步研究。

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