王志超 李仙岳 史海濱 張棟良 徐鵬程

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018)

農(nóng)膜殘留對砂壤土和砂土水分入滲和蒸發(fā)的影響

王志超 李仙岳 史海濱 張棟良 徐鵬程

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018)

通過室內(nèi)試驗設(shè)置5個不同殘膜量(0、50、100、200、400 kg/hm2)處理，研究不同殘膜量對砂壤土和砂土水分入滲濕潤鋒、入滲速率、累積入滲量、土壤累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)速率的影響，并評價了主要土壤入滲、蒸發(fā)模型在農(nóng)膜殘留土壤的適用性。結(jié)果表明：隨著土壤中殘膜量增多，砂壤土和砂土入滲速率變慢，土壤濕潤鋒運移相同距離所需時間均顯著增加，其中運移30 cm時，砂壤土殘膜量400 kg/hm2處理(SL5)比無殘膜處理(SL1)運移時間增加了27.56%；相同入滲時間內(nèi)累積入滲量隨殘膜量增加均顯著減小(P<0.05)，入滲結(jié)束后SL5處理比SL1處理累積入滲量減小了52.01 mL(23.12%)；殘膜量增加導(dǎo)致蒸發(fā)速率、累積蒸發(fā)量都顯著減小(P<0.05)，蒸發(fā)結(jié)束后SL5處理比SL1處理累積蒸發(fā)量減小了30.63%，且不同殘膜量對砂壤土的影響大于砂土。對4個土壤水分入滲及蒸發(fā)模型進行擬合，結(jié)果顯示Kostiakov和Philip入滲模型均能較好模擬殘膜條件下土壤水分入滲，其中Philip入滲模型擬合精度高于Kostiakov入滲模型，且對砂土中農(nóng)膜殘留下的土壤水分入滲模擬效果更好；Black蒸發(fā)模型隨著殘膜量增加擬合精度下降，而Rose蒸發(fā)模型受殘膜量的影響較小，更適合于農(nóng)膜殘留土壤累積蒸發(fā)量估算。

殘膜； 土壤質(zhì)地； 土壤水分入滲； 土壤蒸發(fā)； 模型

引言

由于農(nóng)膜覆蓋耕作具有明顯的節(jié)水、保溫、增產(chǎn)、控鹽等特點[1-3]，近年來在我國使用量和覆膜面積不斷增長[4]，目前我國農(nóng)膜使用量達136.2萬t，覆膜面積達17 657.0萬hm2[5]。河套灌區(qū)地處西北干旱區(qū)，年均蒸發(fā)量是降水量的10倍以上[6]，覆膜比重遠超全國平均水平[7]，故該技術(shù)已成為河套灌區(qū)甚至西北地區(qū)的主要農(nóng)業(yè)耕作模式[8]。但目前農(nóng)膜殘留回收機制不健全，每年農(nóng)膜殘留量占總使用量的30%以上[4]，而普通塑料地膜在土壤中可殘留百年之久，極難在自然條件下降解[9]。多年農(nóng)膜覆蓋耕作將導(dǎo)致土壤中農(nóng)膜殘留不斷累積，會致使土壤過水孔隙堵塞，土壤總孔隙度減小，土壤團聚體結(jié)構(gòu)破壞，土壤入滲阻力增加[10-13]，也會使土壤密度降低、田間蓄水量減少[14]，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)[15]。研究表明，土壤中農(nóng)膜殘留量增加會明顯阻礙土壤水分入滲，如在滴灌條件下農(nóng)膜殘留土壤中滴灌濕潤鋒運移距離、濕潤體積都明顯變小，并增大了水分入滲的不確定性[3,16]；當土壤中殘膜量持續(xù)增加后，會產(chǎn)生明顯的優(yōu)勢流，如李元橋等[17]認為農(nóng)膜殘留后土壤中大孔隙比例增加，易產(chǎn)生土壤水分的優(yōu)勢遷移。

土壤蒸發(fā)主要受土壤輸水能力和大氣蒸發(fā)力的影響[18]，目前在不同覆蓋物、不同鹽分、不同PAM施用量等對土壤蒸發(fā)的影響等方面研究較多，如增加麥稈覆蓋量將明顯降低土壤蒸發(fā)量[19]；土壤含鹽量增加會導(dǎo)致土壤蒸發(fā)速率顯著降低[20]；土壤中PAM施用量增加會增大土壤孔隙度及毛管孔隙度，并減少土壤水分蒸發(fā)[21]。而土壤中農(nóng)膜殘留會直接隔斷部分毛管孔隙，是否會導(dǎo)致毛管導(dǎo)水率下降，影響土壤蒸發(fā)等方面的研究較少。盡管對于Philip[22]和Kostiakov等主要入滲模型[23]在不同條件下的土壤水分入滲做了評價[24-25]，對參數(shù)較少的Black[26]和Rose蒸發(fā)模型[27-28]在土壤蒸發(fā)評價等方面也已經(jīng)做了大量研究，但是對于農(nóng)膜殘留條件下這些模型的評價以及是否具有較高精度等方面的研究較少。另外，雖然目前關(guān)于農(nóng)膜殘留對土壤水分入滲的影響也做了部分研究，但主要以單一土質(zhì)為研究對象，對于不同質(zhì)地條件下農(nóng)膜殘留對土壤水分入滲、蒸發(fā)的影響研究較少，而對其模型的適應(yīng)性評價方面的研究更少。

本文選取在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)分布較廣的砂壤土及砂土，通過室內(nèi)模擬試驗研究砂壤土和砂土中農(nóng)膜殘留對土壤水分入滲和蒸發(fā)特性的影響，并對主要入滲和蒸發(fā)模型進行評價，為農(nóng)膜殘留條件下土壤水分運移研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取河套灌區(qū)分布最廣、有較大差異的2種土壤(砂壤土、砂土)進行試驗，土樣取自河套灌區(qū)上游巴彥淖爾市磴口縣(砂土)和杭錦后旗(砂壤土)農(nóng)田，均為耕地表層(0～20 cm)土壤，土質(zhì)均勻。土樣取回室內(nèi)后經(jīng)過風干、輾壓、過2 mm篩后備用，利用納米激光粒度儀(NANOPHOXTM，Symaptec公司，德國)進行顆粒分析，并查美國農(nóng)業(yè)部質(zhì)地三角形圖確定土壤質(zhì)地，其中砂壤土粘粒(粒徑小于0.002 mm)、粉粒(粒徑介于0.002～0.05 mm之間)、砂粒(粒徑介于0.05～2 mm之間)質(zhì)量分數(shù)分別為12.25%、15.23%、72.52%，砂土粘粒、粉粒、砂粒的質(zhì)量分數(shù)分別為1.11%、10.68%、88.21%。供試農(nóng)膜為河套灌區(qū)市場占有率較高的“雙08膜”(厚度為0.008 mm)，由青州市佳和塑料廠生產(chǎn)，處理后用于室內(nèi)試驗。試驗在內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護與利用重點實驗室進行。

1.2 試驗設(shè)計及方法

已有研究表明，殘留農(nóng)膜主要分布在土壤表層，其中0～10 cm土層殘留量約占殘膜總量的70%，10～20 cm土層殘留量約占殘膜總量的20%[4,29]；且殘留農(nóng)膜在土壤中會逐漸呈現(xiàn)碎片化，隨著覆膜耕作年限的增加，碎片面積集中在3～5 cm2[4,29]。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，設(shè)置5個殘膜量處理，殘膜埋設(shè)在土壤表層0～20 cm范圍內(nèi)，其中0～10 cm殘膜量占殘膜總量的70%，10～20 cm殘膜量占殘膜總量的30%，每個處理重復(fù)3次，具體見表1。為保持試驗的統(tǒng)一性及降低殘膜尺寸對土壤水分入滲及蒸發(fā)的影響，將農(nóng)膜制作成面積為4 cm2(2 cm×2 cm)的正方形備用。

表1 試驗處理設(shè)計

Tab.1 Experimental treatments design

kg/hm2

土壤入滲試驗裝置由馬氏瓶、有機玻璃制作的土柱試管、支架等組成(圖1a)，其中馬氏瓶高50 cm，直徑6 cm；土柱試管高45 cm、內(nèi)徑9 cm，底部5 cm為反濾層，并設(shè)有排氣孔，裝土高度35 cm。按照不同的殘膜量將農(nóng)膜與土壤混合均勻，并按1.5 g/cm3的容重把混合均勻的土樣裝入土柱試管內(nèi)，每5 cm分層裝入，層間打毛，裝土前在土柱試管內(nèi)壁均勻涂抹凡士林以消除壁面優(yōu)勢流的影響。入滲時保持水頭高度5 cm，入滲開始后根據(jù)入滲速率變化每隔一定時間讀取并記錄馬氏瓶以及濕潤鋒讀數(shù)；當濕潤鋒運移30 cm時停止供水，并用防水塑料膜封住土柱試管管口。土壤蒸發(fā)試驗裝置由紅外線燈、土柱試管、蒸發(fā)皿和電子秤組成(圖1b)，紅外線燈功率為275 W，蒸發(fā)皿直徑9 cm，電子秤量程10 kg、精度0.1 g。入滲結(jié)束24 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，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，測定時間為蒸發(fā)開始后的第1、6、12、24、36、48、60、72、84、96、108 h，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℃，日平均相對濕度約為35%，平均水面蒸發(fā)量為1.75 mm/h。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Sketches of experiment equipments1.土壤 2.馬氏瓶 3.殘膜 4.土柱試管 5.反濾層 6.紅外線燈

1.3 入滲和蒸發(fā)模型

(1)Philip入滲模型

Philip入滲模型[22]具有參數(shù)容易確定、物理意義強等特點，較適用于均質(zhì)土壤一維垂直入滲的情況，其表達式為

(1)

式中i(t)——土壤入滲速率，cm/mint——入滲歷時，mins——吸滲率，cm/min1/2A——穩(wěn)定入滲率，cm/min

(2)Kostiakov入滲模型

Kostiakov入滲模型[23]具有形式簡單、計算方便等特點，且沒有太多的條件要求，應(yīng)用較廣泛，其表達式為

i(t)=Kt-α

(2)

式中K、α——經(jīng)驗系數(shù)

(3)Black蒸發(fā)模型

Black蒸發(fā)模型[26]廣泛應(yīng)用于蒸發(fā)下邊界沒有水分持續(xù)補給時土壤累積蒸發(fā)量隨時間的變化情況，其表達式為

(3)

式中E——累積蒸發(fā)量，gt0——蒸發(fā)歷時，hF、B——蒸發(fā)參數(shù)

(4)Rose蒸發(fā)模型

Rose蒸發(fā)模型[27]也具有形式簡單的特點，蒸發(fā)下邊界沒有水分持續(xù)補給時應(yīng)用廣泛，其表達式為

(4)

式中C——穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)D——水分擴散參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0進行方差分析和模型參數(shù)擬合。利用均方根誤差、幾何平均數(shù)及決定系數(shù)R2作為模型的評價指標。均方根誤差和幾何平均數(shù)計算式分別為

(5)

(6)

其中

(7)

式中ypi——實測值ymi——模型預(yù)測值εi——誤差比N——數(shù)據(jù)點個數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 殘膜量對土壤水分入滲濕潤鋒的影響

在相同時間內(nèi)隨著殘膜量的增加砂壤土和砂土濕潤鋒運移距離變小，同時土壤水分入滲速率變慢(圖2)。在入滲初期(滲潤期)，土壤表面干燥，濕潤鋒鋒面的水勢梯度和非飽和度大，入滲速率快[18,30]，由于濕潤距離較小，該時期無論是砂壤土還是砂土，不同殘膜量處理對濕潤鋒的影響較小，并無顯著差異(P>0.05)。隨著入滲進程推進，當土壤含水率達到最大分子持水量時，入滲達到滲漏期[31]，其中砂壤土入滲約100 min后，殘膜的阻水效應(yīng)顯現(xiàn)，不同殘膜量處理差異顯著(P=0.041)，不同處理入滲速率差異也逐漸變大，當不同殘膜量處理濕潤鋒運移至30 cm處時，SL1～SL5處理平均運移時間分別為381、405、416、443、486 min，即土壤中殘膜量越多，濕潤鋒運移相同距離所需時間越長，其中SL5處理(殘膜量400 kg/hm2)比SL1處理(無殘膜)運移時間增加了27.56%(P=0.038)，入滲速率隨殘膜量的增加而變小，在入滲10～360 min期間，不同殘膜量處理的入滲速率達到顯著差異(P<0.05)，而入滲360 min后，土壤趨于飽和(滲透期)，不同處理入滲速率差異減小，最后逐漸趨于相近；而砂土由于大孔隙明顯多于砂壤土，入滲速率快，是砂壤土的10倍以上，入滲約3 min后，不同殘膜量處理出現(xiàn)顯著差異(P=0.047)，入滲速率差異性也非常大(P<0.05)，當濕潤鋒運移至30 cm處時，運移時間約為砂壤土的5%。SS1～SS5處理平均運移時間分別為15.6、16.5、17.3、18.1、19.7 min，其中SS5處理(殘膜量400 kg/hm2)比SS1處理(無殘膜)運移時間增加了26.28%(P=0.040)，當入滲15 min后，不同處理入滲速率趨于相近?？梢?，土壤中殘膜量的增加會顯著減小濕潤鋒的運移速率，另外砂土由于大孔隙多于砂壤土，導(dǎo)致不同殘膜量對其阻水的影響小于砂壤土。該結(jié)果與李仙岳等[4]的研究結(jié)果一致，說明本文研究結(jié)果具有可靠性。

圖2 不同殘膜量及不同質(zhì)地土壤對濕潤鋒及入滲速率的影響Fig.2 Effect of different residual plastic film quantities and soil textures on wetting front and infiltration rate

2.2 殘膜量對土壤累積入滲量的影響

累積入滲量的變化趨勢與濕潤鋒相似，在入滲初期不同殘膜量處理間的差異較小(圖3)。隨著入滲時間的增加，進入滲漏期后，由于含殘膜土壤總孔隙度減小以及非均勻堵塞現(xiàn)象[3]，使下層孔隙充水不充分，則土壤中殘膜量越多，在相同入滲時間內(nèi)累積入滲量越少。如砂壤土，在入滲100、200、300、381 min(無膜處理入滲結(jié)束)時，SL5處理(殘膜量400 kg/hm2)的入滲量比無SL1處理(無殘膜)分別減少67.26、88.46、97.52、128.05 mL，即入滲量分別減少了23.12%、17.99%、15.40%、8.25%，且在這4個時刻不同處理間累積入滲量的顯著性分析顯示P值依次為0.035、0.027、0.022、0.018，均呈顯著性差異，且差異越來越顯著。在入滲結(jié)束后，砂壤土SL2～SL5處理較對照SL1處理累積入滲量分別減少了14.99、31.44、43.35、52.01 mL(P<0.05)。

圖3 不同殘膜量及不同質(zhì)地土壤對累積入滲量的影響Fig.3 Effect of different residual plastic film quantities and soil textures on accumulative infiltration

隨著殘膜量的增加，砂土累積入滲量同樣呈減少趨勢(圖3b)，但是由于砂土中大孔隙明顯多于砂壤土，所以當濕潤鋒同樣到達30 cm時，5個處理的平均入滲時間比砂壤土不同處理平均入滲時間減少95.91%，但是不同處理平均累積入滲量卻增大9.39%。在入滲5、10、15、15.6 min(無膜處理入滲結(jié)束)時，SS5處理(殘膜量400 kg/hm2)比SS1處理(無殘膜)累積入滲量分別減少50.00、77.10、78.56、95.10 mL，即累積入滲量減少了12.41%、12.38%、10.25%、2.65%，且在這4個時刻時5個處理間累積入滲量的顯著性分析顯示P值依次為0.045、0.039、0.031、0.026，均呈顯著性差異。從對應(yīng)數(shù)據(jù)可知，殘膜量對砂壤土的影響略大于砂土，這可能是由于砂土大孔隙多，使得殘膜的阻水效應(yīng)沒有砂壤土顯著。

2.3 殘膜量對土壤蒸發(fā)的影響

圖4 不同殘膜量及不同質(zhì)地土壤對累積蒸發(fā)量及蒸發(fā)速率的影響Fig.4 Effect of different residual plastic film quantities and soil textures on accumulative evaporation and evaporation rate

土壤蒸發(fā)主要受大氣蒸發(fā)力和土壤輸水能力的影響，當土壤中含有殘膜后一方面阻礙了空氣能量的向下傳輸，即阻礙了土壤“熱通道”，另一方面阻斷了土壤孔隙，導(dǎo)致蒸發(fā)水分向上傳輸?shù)摹八ǖ馈弊钄?，所以土壤中殘膜量越多土壤累積蒸發(fā)量則越少(圖4)。砂壤土試驗中，當蒸發(fā)開始后24 h，不同殘膜量處理的累積蒸發(fā)量呈現(xiàn)顯著差異(P=0.045)，砂壤土SL1處理(無殘膜)累積蒸發(fā)量比SL5處理(殘膜量400 kg/hm2)大44.78%，且隨時間的推進，差異性越來越顯著，在蒸發(fā)開始后108 h，SL2～SL5處理較SL1無殘膜處理累積蒸發(fā)量分別減小了7.24%、13.15%、17.15%、30.63%(P=0.019)。盡管在砂土中，隨殘膜量的增加累積蒸發(fā)量也減少，但是殘膜對其累積蒸發(fā)量的影響程度明顯沒有砂壤土顯著，同樣在蒸發(fā)開始后108 h，砂土SS2～SS5處理較對照SS1處理累積蒸發(fā)量分別減小了5.55%、13.17%、13.83%、15.08%(P=0.033)，這可能是由于砂土中大孔隙多，通透性好，導(dǎo)致殘膜對“熱通道”和“水通道”的阻礙作用沒有砂壤土明顯。而蒸發(fā)速率(累積蒸發(fā)量與累積蒸發(fā)時間之比)則隨著時間的推移無論是砂壤土還是砂土都逐漸降低，在蒸發(fā)開始1 h后，砂壤土SL5處理(殘膜量400 kg/hm2)的蒸發(fā)速率比SL1處理(無殘膜)低50.62%，砂土SS5處理(殘膜量400 kg/hm2)的蒸發(fā)速率比SS1處理(無殘膜)低31.05%，在蒸發(fā)開始100 h后蒸發(fā)速率都趨于穩(wěn)定，但是仍然表現(xiàn)為含殘膜處理蒸發(fā)速率較低，在蒸發(fā)后108 h，砂壤土SL5處理的蒸發(fā)速率比SL1處理低30.65%，砂土SS5處理的蒸發(fā)速率比SS1處理低15.08%，但是差異明顯小于蒸發(fā)初始階段。

2.4 農(nóng)膜殘留條件下土壤入滲和蒸發(fā)模型分析

由表2可知，隨著土壤中殘膜量增大，Kostiakov入滲模型的2個經(jīng)驗系數(shù)K、α均呈顯著減小趨勢(P<0.05)，表明殘膜對水分入滲的阻礙作用明顯；Philip入滲模型中的吸滲率s也隨殘膜量增大顯著減小(P<0.05)，土壤吸滲率與水頭、土壤質(zhì)地和粗糙度等有關(guān)[30]，殘膜的存在使入滲阻力增加，導(dǎo)致土壤吸濕率減小，穩(wěn)定入滲率A變化趨勢則不明顯，砂壤土中A沒有顯著性變化，砂土中A雖有顯著性變化但沒有明顯規(guī)律。Kostiakov入滲模型和Philip入滲模型均能較好模擬不同殘膜條件下土壤入滲規(guī)律(表2)，砂壤土各處理的均方根誤差最大值為0.041 cm，幾何平均數(shù)最小值為0.961，決定系數(shù)R2最小值為0.962，而砂土3個參數(shù)分別為0.025 cm、0.968、0.970。另外隨著殘膜量的增加，2個模型的擬合精度都呈降低趨勢，當殘膜量達到200 kg/hm2后，均方根誤差明顯變大，特別是砂土的均方根誤差增大了2～3倍。對同種質(zhì)地土壤在殘膜量相同的情況下，Philip入滲模型擬合后的均方根誤差均小于Kostiakov入滲模型，幾何平均數(shù)和決定系數(shù)R2均大于或等于Kostiakov入滲模型，表明在同種質(zhì)地條件下，Philip入滲模型的擬合精度要優(yōu)于Kostiakov入滲模型。而相同殘膜量情況下2種入滲模型對于砂土各處理擬合后的R2均大于砂壤土，表明2種入滲模型對砂土的擬合效果要好于砂壤土，這可能是由于砂土大孔隙較多的特性導(dǎo)致殘膜對水分入滲的影響較小造成的。而李元橋等[17]通過研究認為Kostiakov入滲模型擬合效果要優(yōu)于Philip入滲模型，這可能是因為其裝土容重較小，優(yōu)勢流作用明顯，從而對不同模型的適用性造成影響。

對于Black蒸發(fā)模型，2種質(zhì)地土壤的均方根誤差隨殘膜量增大而增大，幾何平均數(shù)和決定系數(shù)R2均隨殘膜量增加而減小，說明Black蒸發(fā)模型的擬合效果隨著殘膜量的增大精度呈明顯的下降趨勢(表3)，砂壤土400 kg/hm2處理(SL5)的均方根誤差比無殘膜處理(SL1)增大了3.4倍，而砂土則增大了8倍。而Rose蒸發(fā)模型的幾何平均數(shù)和R2隨著殘膜量的增加沒有明顯的降低趨勢，盡管高殘膜量處理均方根誤差大于低殘膜量或無殘膜處理，但不同處理間無顯著差異(P>0.05)，特別是砂土400 kg/hm2處理(SS5)的均方根誤差反而在砂土處理中最小，另外Rose蒸發(fā)模型的決定系數(shù)R2總體上也高于Black蒸發(fā)模型?？梢奟ose蒸發(fā)模型對于殘膜存在下土壤蒸發(fā)模擬的適用性優(yōu)于Black模型。Rose蒸發(fā)模型能較真實地反映農(nóng)膜殘留情況下土壤累積蒸發(fā)量隨時間的變化情況。

表2 不同殘膜量條件下Kostiakov和Philip入滲模型擬合效果分析
Tab.2 Fitting effect analysis of Kostiakov and Philip infiltration models under different residual plastic film amounts

處理Kostiakov入滲模型Philip入滲模型Kα均方根誤差/cm幾何平均數(shù)R2sA均方根誤差/cm幾何平均數(shù)R2SL11.263a0.489a0.0140.9880.9862.812a0.001a0.0100.9900.988SL21.135ab0.486a0.0170.9710.9762.629ab0.002a0.0160.9800.982砂壤土SL31.078b0.485a0.0320.9800.9742.528b0.001a0.0150.9820.976SL41.003b0.479b0.0290.9650.9692.427bc0.001a0.0220.9650.970SL50.935c0.475b0.0410.9610.9622.352c0.002a0.0350.9640.962SS16.610a0.440a0.0090.9910.99312.568a0.409b0.0080.9910.994SS26.183b0.438a0.0120.9950.99512.026a0.332c0.0080.9960.995砂土 SS35.625c0.418b0.0060.9890.99810.559b0.465ab0.0050.9990.998SS45.221c0.413b0.0210.9770.97410.357b0.345c0.0190.9850.988SS54.609d0.383c0.0250.9680.9708.737c0.493a0.0220.9890.991

注：同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

表3 不同殘膜量條件下Black和Rose蒸發(fā)模型擬合效果分析
Tab.3 Fitting effect analysis of Black and Rose evaporation models under different residual plastic film amounts

處理Black蒸發(fā)模型Rose蒸發(fā)模型FB均方根誤差/cm幾何平均數(shù)R2CD均方根誤差/cm幾何平均數(shù)R2SL15.738ab27.045a0.0100.9920.9920b27.783a0.0080.9890.991SL20c24.997b0.0090.9910.9920.009b24.921b0.0090.9900.992砂壤土SL32.158b22.486c0.0210.9840.9880b22.763c0.0170.9870.988SL40c21.385c0.0140.9810.9900.338a18.524d0.0100.9910.994SL59.172a17.663d0.0340.9800.9850.000b18.842d0.0210.9820.980SS10a64.353a0.0480.9450.9500.561c59.604a0.0440.9500.951SS20a60.174b0.0790.9430.9480.833c53.122b0.0380.9520.950砂土 SS30a55.529c0.0920.9280.9391.429b43.425c0.0750.9440.948SS40a52.180d0.1140.9200.9202.937b27.314d0.0610.9460.956SS50a48.598d0.3900.8780.8814.484a10.626e0.0360.9610.965

3 結(jié)論

(1)隨著土壤中殘膜量增多，濕潤鋒運移相同距離所需時間也隨之增加，入滲速率則隨著殘膜量的增加而變慢，其中砂土比砂壤土的入滲速率大超過10倍，但是不同殘膜處理間的差異略小于砂壤土。濕潤鋒運移至30 cm處時，砂壤土SL5處理(殘膜量400 kg/hm2)比SL1處理(無殘膜)運移時間增加了27.56%(P=0.038)，砂土SS5處理(殘膜量400 kg/hm2)比SS1處理(無殘膜)運移時間同樣增加了26.28%(P=0.040)，即土壤中殘膜量的增加會顯著減慢濕潤鋒運移速率。

(2)隨著土壤中殘膜量增多，在相同入滲時間內(nèi)，累積入滲量逐漸減小，且不同處理間差異顯著(P<0.05)。在入滲100、200、300、381 min(無膜處理入滲結(jié)束)時，砂壤土SL5處理比SL1處理入滲量分別減小了23.12%、17.99%、15.40%、8.25%，且阻水效應(yīng)略大于砂土。

(3)隨著土壤中殘膜量增多，土壤累積蒸發(fā)量及蒸發(fā)速率都呈減小趨勢，不同殘膜量處理間差異顯著(P<0.05)，且砂壤土差異性大于砂土。在蒸發(fā)開始后108 h，砂壤土SL2～SL5處理較SL1無殘膜處理累積蒸發(fā)量分別減小了7.24%、13.15%、17.15%、30.63%(P=0.019)，砂土SS2～SS5處理較對照SS1處理累積蒸發(fā)量分別減小了5.55%、13.17%、13.83%、15.08%(P=0.033)，且砂壤土和砂土400 kg/hm2殘膜量處理的蒸發(fā)速率分別比各自的無殘膜處理低30.65%和15.08%。

(4)Kostiakov入滲模型和Philip入滲模型均能較好模擬不同殘膜條件下土壤入滲規(guī)律，同種質(zhì)地土壤在殘膜量相同的情況下，Philip入滲模型的擬合精度要優(yōu)于Kostiakov入滲模型，相同殘膜量情況下2種入滲模型對砂土的擬合效果要好于砂壤土。Rose蒸發(fā)模型對于殘膜存在下土壤蒸發(fā)模擬的適用性優(yōu)于Black模型，能較真實地反映農(nóng)膜殘留情況下土壤累積蒸發(fā)量隨時間的變化情況。

1 HOU Xiaoyan, WANG Fengxin, HAN Jiangjiang, et al. Duration of plastic mulch for potato growth under drip irrigation in an arid region of Northwest China [J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2010, 150(1): 115-121.

2 趙永敢，王婧，李玉義，等．秸稈隔層與地膜覆蓋有效抑制潛水蒸發(fā)和土壤返鹽[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(23)：109-117. ZHAO Yonggan, WANG Jing, LI Yuyi, et al. Reducing evaporation from phreatic water and soil resalinization by using straw interlayer and plastic mulch[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(23): 109-117. (in Chinese)

3 李仙岳，史海濱，呂燁，等．土壤中不同殘膜量對滴灌入滲的影響及不確定性分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(8)：84-90. LI Xianyue, SHI Haibin, Lü Ye, et al. Effects of different residual plastic film quantities in soil on drip infiltration and its uncertainty analysis [J]. Transactions of the CSAE, 2013,29(8): 84-90. (in Chinese)

4 嚴昌榮，梅旭榮，何文清，等．農(nóng)用地膜殘留污染的現(xiàn)狀與防治[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22(11)：269-272. YAN Changrong, MEI Xurong, HE Wenqing, et al. Present situation of residue pollution of mulching plastic film and controlling measures[J]. Transactions of the CSAE, 2006, 22(11): 269-272. (in Chinese)

5 張丹，胡萬里，劉宏斌，等．華北地區(qū)地膜殘留及典型覆膜作物殘膜系數(shù)[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(3)：1-5. ZHANG Dan, HU Wanli, LIU Hongbin, et al. Characteristics of residual mulching film and residual coefficient of typical crops in North China [J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(3): 1-5. (in Chinese)

6 童文杰，陳中督，陳阜，等．河套灌區(qū)玉米耐鹽性分析及生態(tài)適宜區(qū)劃分[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(10)：131-137. TONG Wenjie, CHEN Zhongdu, CHEN Fu, et al. Analysis of maize salt tolerance in Hetao irrigation district and its ecological adaptable region[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(10):131-137. (in Chinese)

7 楊彥明，傅建偉，龐彰，等．內(nèi)蒙古農(nóng)田地膜殘留現(xiàn)狀分析[J]．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2010(1)：10-12. YANG Yanmimg, FU Jianwei, PANG Zhang, et al. Analysis on the current situation of farmland film residue in Inner Mongolia [J]. Inner Mongolia Agricultural Science and Technology, 2010(1):10-12. (in Chinese)

8 王婧，逄煥成，任天志，等．地膜覆蓋與秸稈深埋對河套灌區(qū)鹽漬土水鹽運動的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(15)：52-59. WANG Jing, PANG Huancheng, REN Tianzhi, et al. Effect of plastic film mulching and straw buried on soil water-salt dynamic in Hetao plain[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(15): 52-59. (in Chinese)

9 何文清，嚴昌榮，趙彩霞，等．我國地膜應(yīng)用污染現(xiàn)狀及其防治途徑研究[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2009，28(3)：533-538. HE Wenqing, YAN Changrong, ZHAO Caixia, et al. Study on the pollution by plastic mulch film and its countermeasures in China [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(3): 533-538. (in Chinese)

10 劉建國，李彥斌，張偉，等．綠洲棉田長期連作下殘膜分布及對棉花生長的影響[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2010，29(2)：246-250. LIU Jianguo, LI Yanbin, ZHANG Wei, et al. The distributing of the residue film and influence on cotton growth under continuous cropping in oasis of Xinjiang [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2010, 29(2):246-250. (in Chinese)

11 王志超，李仙岳，史海濱，等．農(nóng)膜殘留對土壤水動力參數(shù)及土壤結(jié)構(gòu)的影響[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學報，2015,46(5)：101-106. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150515&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.05.015. WANG Zhichao, LI Xianyue, SHI Haibin, et al. Effects of residual plastic film on soil hydrodynamic parameters and soil structure[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(5):101-106. (in Chinese)

12 YAN Changrong, HE Wenqing, NEIL C, et al. Plastic-film mulch in Chinese agriculture: importance and problems [J]. World Agriculture, 2014, 4(2): 32-36.

13 王志超，李仙岳，史海濱，等．殘膜埋深對滴灌條件下粉砂壤土水分入滲影響的試驗研究[J]．土壤，2014，46(4) ：710-715. WANG Zhichao, LI Xianyue, SHI Haibin, et al. Study on effect of plastic film residue at different buried depths on silt loam drip irrigation [J].Soils,2014,46(4):710-715. (in Chinese)

14 張建軍，郭天文，樊廷錄，等．農(nóng)用地膜殘留對玉米生長發(fā)育及土壤水分運移的影響[J]．灌溉排水學報，2014,33(1)：100-102. ZHANG Jianjun,GUO Tianwen,FAN Tinglu, et al. The effect of the agricultural residual plastic film on maize growth and development and soil moisture movement[J].Journal of Irrigation and Drainage,2014,33(1):100-102. (in Chinese)

15 畢繼業(yè)，王秀芬，朱道林．地膜覆蓋對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24(11)：172-175. BI Jiye, WANG Xiufen, ZHU Daolin. Effect of plastic-film mulch on crop yield[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(11):172-175. (in Chinese)

16 董合干，劉彤，李勇冠，等．新疆棉田地膜殘留對棉花產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(8)：91-99. DONG Hegan, LIU Tong, LI Yongguan, et al. Effects of plastic film residue on cotton yield and soil physical and chemical properties in Xinjiang [J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(8): 91-99. (in Chinese)

17 李元橋，何文清，嚴昌榮，等．點源供水條件下殘膜對土壤水分運移的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(6)：145-149. LI Yuanqiao, HE Wenqing, YAN Changrong, et al. Effect of residual film on soil infiltration under drip irrigation[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(6): 145-149. (in Chinese)

18 雷志棟，楊詩秀，謝森傳．土壤水動力學[M]．北京：清華大學出版社，1988.

19 李艷，劉海軍，黃冠華．麥秸覆蓋條件下土壤蒸發(fā)阻力及蒸發(fā)模擬[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(1)：98-106. LI Yan, LIU Haijun, HUANG Guanhua. Modeling resistance of soil evaporation and soil evaporation under straw mulching[J].Transactions of the CSAE, 2015, 31(1): 98-106. (in Chinese)

20 張少文，張玻華，劉潔穎，等．鹽分對土壤蒸發(fā)影響的試驗及其數(shù)值模擬[J]．灌溉排水學報，2015,34(5)：1-5. ZHANG Shaowen, ZHANG Bohua, LIU Jieying, et al. Effect of salinity on soil evaporation and its simulation[J]．Journal of Irritation and Drainage, 2015,34(5):1-5. (in Chinese)

21 張婉璐，魏占民，徐睿智，等．PAM對河套灌區(qū)鹽漬土物理性狀及水分蒸發(fā)影響的初步研究[J]．水土保持學報，2012，26(3)：227-231. ZHANG Wanlu, WEI Zhanmin, XU Ruizhi, et al. Preliminary study on effect of PAM on physical properties and water evaporation of saline-alkali soil of Hetao irritation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012，26(3): 227-231. (in Chinese)

22 原林虎．Philip入滲模型參數(shù)預(yù)報模型研究與應(yīng)用[D]．太原：太原理工大學，2013. YUAN Linhu. Research and application of Philip infiltration model parameters prediction[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2013. (in Chinese)

23 范嚴偉，趙文舉，冀宏． 膜孔灌溉單孔入滲Kostiakov模型建立與驗證[J]． 蘭州理工大學學報，2012，38(3)：61-66. FAN Yanwei, ZHAO Wenju, JI Hong. Establishment and verification of Kostiakov model for film-hole irrigation with single-hole infiltration[J].Journal of Lanzhou University of Technology, 2012,38(3): 61-66. (in Chinese)

24 劉春成，李毅，任鑫，等．四種入滲模型對斥水土壤入滲規(guī)律的適用性[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(5)：62-67. LIU Chuncheng, LI Yi, REN Xin, et al. Applicability of four infiltration models to infiltration characteristics of water repellent soils[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(5): 62-67. (in Chinese)

25 李卓，吳普特，馮浩，等．不同粘粒含量土壤水分入滲能力模擬試驗研究[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27(3)：71-77． LI Zhuo, WU Pute, FENG Hao, et al. Effects of soil clay particle content on soil infiltration capacity by simulated experiments[J]. Journal of Agricultural Research in the Arid Areas, 2009, 27(3): 71-77. (in Chinese)

26 劉旭．科爾沁沙地坨甸相間地區(qū)土壤蒸發(fā)的野外試驗與動態(tài)模擬[D]．呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2010. LIU Xu. Test and simulation analysis for soil evaporation dynamics in dune-meadow-dune area in horqin sand[D]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2010. (in Chinese)

27 ROSE E J.Agricultural physics[M].Oxford:Pergamon,1996.

28 宋日權(quán)，褚貴新，冶軍，等．摻砂對土壤水分入滲和蒸發(fā)影響的室內(nèi)試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(增刊1)：109-114. SONG Riquan, CHU Guixin, YE Jun, et al. Effects of surface soil mixed with sand on water infiltration and evaporation in laboratory[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(Supp.1): 109-114. (in Chinese)

29 馬輝，梅旭榮，嚴昌榮，等．華北典型農(nóng)區(qū)棉田土壤中地膜殘留特點研究[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2008，27(2)：570-573. MA Hui, MEI Xurong, YAN Changrong, et al. The residue of mulching film of cotton field in North China [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2008, 27(2):570-573. (in Chinese)

30 邵明安，王全九，黃明斌．土壤物理學[M]．北京：高等教育出版社，2006.

31 芮孝芳．水文學原理[M]．北京：中國水利水電出版社，2004.

Effects of Residual Plastic Film on Infiltration and Evaporation for Sandy Loam and Sandy Soil

WANG Zhichao LI Xianyue SHI Haibin ZHANG Dongliang XU Pengcheng

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China)

The residual plastic film seriously affected the soil water infiltration and evaporation. Five residual plastic film treatments were conducted to study the effects of different residual plastic film amounts (0 kg/hm2, 50 kg/hm2, 100 kg/hm2, 200 kg/hm2and 400 kg/hm2) on soil water infiltration and evaporation characteristics, and the infiltration front, infiltration rate, cumulative infiltration, cumulative evaporation and the evaporation rate were mainly studied based on the different residual plastic film quantities for sandy loam and sandy soil, and then the performance of main soil infiltration and evaporation model with residual plastic film was evaluated. The results showed that with the increase of residual plastic film quantity in the soil, the infiltration rates of sandy loam and sandy soil were decreased slowly, the time required for wetting front migration was increased significantly, and the sandy loam with 400 kg/hm2residual plastic film treatment (SL5) was increased by 27.56% compared with that of non-residual plastic film treatment (SL1) at 30 cm soil layer. In addition, the cumulative infiltration amount was significantly decreased (P<0.05) in the same infiltration time, and the cumulative infiltration amount of SL5 treatment was reduced by 52.01 mL (23.12%) compared with SL1 at the end of infiltration. The evaporation rate and cumulative evaporation were significantly reduced (P<0.05) with the increase of residual plastic film quantity, the cumulative evaporation rate of SL5 treatment was 30.63% less than that of SL1 after evaporation, and the influence of different residual plastic film amounts on sandy loam was greater than that of sandy soil. The four major soil water infiltration and evaporation model were evaluated, it was showed that both Kostiakov and Philip infiltration models can well simulate the soil water infiltration for the soil with residual plastic film, but the Philip model had better performance than Kostiakov model, and had better adaptability for sandy soil with plastic film residue. The fitting accuracy of Black evaporation model was decreased with the increase of residual plastic film quantity, but the Rose evaporation model was less influenced by the amount of residual plastic film. So it can be concluded that the Rose evaporation model was more suitable for the plastic film residual soil cumulative evaporation estimation.

residual plastic film; soil texture; soil water infiltration; soil evaporation; model

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.026

2016-05-20

2016-06-21

內(nèi)蒙古自然科學基金項目(2016JQ06)、國家自然科學基金項目(51669020、51539005、51469022)、內(nèi)蒙古科技計劃項目和內(nèi)蒙水利科技計劃項目

王志超(1988—)，男，博士生，主要從事土壤物理及節(jié)水灌溉研究，E-mail： wzc5658@126.com

李仙岳(1980—)，男，教授，博士，主要從事節(jié)水灌溉原理及應(yīng)用研究，E-mail： lixianyue80@126.com

S152.7

A

1000-1298(2017)01-0198-08