残膜对土壤水分渗吸过程中湿润锋的影响

李玥，王春霞，金嫣婧，何新林

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

新疆玛纳斯河流域[1-2]自1996年推广使用膜下滴灌技术种植棉花，现已成为国内地膜使用时间最长、使用量最大的产棉基地之一，地膜残留也逐渐成为该流域土地污染的主要来源之一，且随着残留年限的增加，残膜呈现碎裂化并均匀分布的趋势[3]，且随着地膜的不间断使用逐年增加.土壤中地膜残留破坏了土壤原有孔隙，导致了土壤结构发生变化，从而对土壤水力参数造成了显著影响[4].农田耕作层土壤的渗透性和保水性直接影响着农田土壤含水量在时空上的分布情况和农作物的生长生产[5].因此，针对长期使用地膜覆盖种植地区，研究地膜残留对土壤水分渗吸的影响是必要的.

土壤渗吸试验用于分析短历时水在土壤中入渗的湿润锋运移过程与渗吸速度时间变化规律，土壤渗吸速度是反映土壤透水性能的重要指标[6-7]，而湿润锋随着时间的运移过程是反映土壤渗吸速度的重要指标之一，研究土壤中湿润锋的运移过程对农田灌溉与农业生产有指导性的意义.近年来，国内外学者对残膜影响下的湿润锋运移过程做了大量的研究：李仙岳等[8]采用粉砂壤土混合4 cm2的残膜试验发现，随着土壤中残膜量增加，在相同时间内滴灌湿润锋的运移距离明显变小.邹小阳等[9]发现，一定入渗时间内湿润锋运移距离与入渗时间呈幂函数增长关系,但湿润锋运移距离随残膜量增加而递减.王志超等[3]发现，粉砂壤土中不同残膜埋深对土壤水分入渗总体上产生阻碍效果.同时学者们研究发现，随着残膜增加，土壤中毛管水的运移路径易于被残膜阻断，从而造成土壤导水性能降低，湿润锋垂直运移速率和累积入渗量逐渐减少，即湿润锋运移速度随残膜量增加呈显著减小趋势[10-11]，残膜量与土壤水分运移速率呈对数递减关系.且在滴灌条件下，随着残膜量增加滴灌湿润峰运移距离和湿润体显著变小.但丁宏伟等[5]发现当土壤中残膜量达到720 kg/hm2时，土壤大孔隙比例增加，土壤优势流明显，湿润锋运移加快.曹俊豪[12]研究发现当土壤干容重较大时，随着残膜量的增加，湿润锋运移时间反而减少.因此认为研究残膜对土壤湿润锋运移过程的影响应立足于地区的农田土壤现状，不能一概而论，同时发现以往的研究大多集中在4 cm2较大地膜碎片对土壤水分入渗的影响研究，但随着农业科学技术的发展和覆膜耕作年限的增长，残膜在土体内的破损，从而研究分析残膜碎片的大小，尤其是面积小于4 cm2残膜对于土壤垂直入渗的影响和土壤保水性是必要的.

因此，文中拟通过对玛纳斯河流域农田合理采取土样，选取分布最广泛的黏壤土，通过室内土壤渗吸试验研究不同大小、不同密度残膜对土壤短历时入渗的影响，分析残膜影响下的土壤渗透性和保水性，为残膜影响下土壤水分运移提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为新疆玛纳斯河流域(85°01′～86°32′E，43°27′～45°21′N)2019年初春(3月)52块农田的耕作层(0～40 cm深)土壤，经环刀法测定平均容重为1.53 g/cm3，去除大粒径杂质，挑取土壤中残留地膜后，将土样充分混合、风干、碾细，过2 mm标准土筛，确保土质均匀，最后将处理好的土样装入不透水袋中备用，经新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所测定，颗粒质量分数为黏粒17.88%、粉砂粒32.00%、砂粒50.12%，查美国农业部质地三角形图确定土壤质地为黏壤土.考虑到该流域运用膜下滴灌技术的平均年限较大，供试塑料农膜选用新疆天业集团早期生产的聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜，平均膜厚为0.008 mm.试验在石河子大学水利建筑工程学院水利大厅进行.

1.2 试验设计与方法

在流域已有研究农田残膜存在的相对含量范围基础上[13]，设置5个残膜密度处理，分别为0,60,180,300,420 kg/hm2；根据以往研究基础，随着多年覆膜耕作后和残膜回收机的推广，残留地膜会逐渐破碎化、细小化并趋于均匀化的趋势，故在残膜的密度水平下均设置6个单片残膜面积水平，分别为0.25，0.50，1.00，2.00，4.00,8.00 cm2，即在同一密度水平下，土柱中加入的残膜总量是确定的，随着单片残膜的面积增加，残膜的总片数减少，不同残膜密度下每个残膜面积处理重复3次，具体试验处理见表1，其中ρ为残膜密度,S为单片残膜面积.

表1 不同残膜水平对黏壤土渗吸影响的试验处理编号

土壤渗吸仪由有机玻璃马氏瓶、支架板和小型土柱等组成，如图1所示.

图1 土壤渗吸装置示意图

马氏瓶截面面积3 cm×5 cm=15 cm2、高25 cm，马氏瓶上方有高5 cm的供水槽，土柱直径5 cm、高18 cm，装土高度为11.5 cm，土柱底部3 cm高设有出水口的预留空间，用有机玻璃多孔隔水底板隔离土样，用于排水排气，不会在土柱中产生积水.该仪器能够在短时间内测定湿润峰在不同处理土壤中移动过程，按照不同的处理将不同残膜量和不同残膜大小的农用地膜与土壤混合均匀，并根据田间调查结果，按照1.53 g/cm3的容重，将均匀混合的残膜土样分层装入土柱内，每3 cm分1层，层间打毛.入渗开始前记录马氏瓶内水位和土样高度，开始入渗水头高度保持在2 cm，并根据入渗速率变化设置读数间隔和梯度，在设置的时间点读取记录马氏瓶和湿润锋读数，至湿润锋移动到11.5 cm，保持供水，直至发生渗透，且土柱下端出水口出水稳定时停止供水.

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2016进行数据初步整理分析，并使用Origin作图，以及模型参数拟合，利用标准误差Standard Error、剩余卡方Reduced Chi-Sqr和决定系数R2作为拟合结果的评价指标，采用SPSS24进行方差分析和显著性检验.

2 结果与分析

水分入渗过程同时受到单片残膜面积和残膜片数的影响，且在不同残膜密度和面积处理下，对照土壤(不加膜)的平均运移时间始终大于各个不同加膜处理土壤.

2.1 不同残膜密度下残膜大小对湿润锋的影响

表2为不同残膜密度水平下各残膜面积处理湿润锋运移时间，其中t为入渗历时.图2为不同残膜密度水平下各残膜面积处理湿润锋随时间变化,其中d为深度.

表2 不同残膜密度水平下各残膜面积处理湿润锋运移时间

分析图2、表2发现残膜密度水平对湿润锋的影响如下：

图2 不同残膜密度水平下各残膜面积处理湿润锋随时间变化

1) 残膜密度水平为60 kg/hm2时，整个入渗时段内，残膜面积处理与对照处理的湿润锋运移距离差异具有统计学意义(P<0.05)，当不同处理土样的湿润锋运移至11.5 cm时，对照处理的湿润锋平均运移时间是历时最短的残膜面积处理B的296.1%，是历时最长的残膜面积处理C的137.1%.而不同残膜面积处理间，在入渗初期，湿润锋面的水势梯度大，入渗前5 min湿润锋运移距离差异不具有统计学意义(P>0.05)，5 min后不同残膜面积处理间湿润锋运移的差异性，随着土壤水分入渗速率的减小逐渐显现，残膜面积处理A(0.25 cm2)、B(0.50 cm2)、C(1.00 cm2)、D(2.00 cm2)间差异具有统计学意义，D,E(4.00 cm2)、F(8.00 cm2)处理间差异不具有统计学意义，且有显著性差异的处理间入渗历时从小到大依次为B，D，A，C，W.即残膜密度在水平60 kg/hm2时，当单片残膜面积小于2.00 cm2(D)时，不同残膜面积处理的入渗时长随单片残膜面积的增大呈波浪状变化；单片残膜面积大于2.00 cm2(D)后，入渗时长趋于稳定.

2) 残膜密度水平为180 kg/hm2时，与水平60 kg/hm2类似，对照处理与不同残膜面积处理土样的湿润锋运移过程差异具有统计学意义，运移时间分别是历时最短处理A的185.3%、历时最长处理E的125.1%.不同面积处理间，入渗开始后的17 min湿润锋运移过程差异不具有统计学意义，与水平60 kg/hm2相比该时段增加了12 min，有明显的增长.随后不同处理间开始逐渐呈现不同的差异性，残膜面积处理A,B,E间平均湿润锋运移时间差异具有统计学意义，其中从小到大依次为A，B，E，W，同时A，F；B，C，D；D，E处理间差异不具有统计学意义.残膜密度水平180 kg/hm2中，面积处理F与处理E比较，其湿润锋平均运移时间降低了31.2%，降低幅度较大，可能是由于试验仪器尺寸小，造成单片残膜面积越大，加入土样中的残膜片数极少，入渗时少量的大片残膜在小土柱中形成较大的优势流.

3) 残膜密度水平为300 kg/hm2时，不同残膜面积处理的湿润锋运移随时间的变化向无膜处理趋近，且入渗初期2 min，不同处理间的湿润锋运移差异不具有统计学意义.入渗结束，处理F，A，C平均运移时间差异具有统计学意义，从小到大依次为C，A，F，同时W，F；F，E，B；E，B，A；A，D处理间差异不具有统计学意义.在同一密度水平下，土柱中加入的残膜总量是确定的，随着单片残膜的面积增加，残膜的总片数减少，湿润锋运移过程同时受到单片残膜面积和残膜片数的影响.该密度水平下，随着单片残膜面积的增大，湿润锋运移时间总体上呈现先减小后增大的趋势，在处理C(1.00 cm2)处达到最小值，在处理F(8.00 cm2)处与无膜处理最接近，即当残膜面积大于1.00 cm2时，随着残膜面积的增加，残膜对湿润锋的阻滞效果越明显.

4) 残膜密度水平为420 kg/hm2时，不同残膜面积处理的湿润锋随时间运移过程进一步向无膜处理靠近，在入渗的前25 min各处理湿润锋随时间变化曲线几乎重合，差异不具有统计学意义.入渗结束，只有处理A，D间差异具有统计学意义，从小到大依次为D，A，其他处理W，A，F，E；A，F，E，B，C；B，C，D间差异不具有统计学意义.该密度水平下，与水平“3”类似，随单片残膜面积的增大，平均湿润锋运移时间先减小后增大，但最低点后移，在处理D(2.00 cm2)处达到最小值.

根据不同残膜密度水平下湿润锋运移时间随单片残膜面积的变化情况(见表3)，可发现在容重为1.53 g/cm3的黏壤土中掺入一定量的残膜提高了土壤的孔隙率，从而加快土壤入渗过程.且随着残膜密度的增加，不同残膜面积处理入渗历时的最低值和最高值逐渐增大，差值减小，范围缩小，残膜在土样中的促渗效应逐渐减弱，即随着残膜密度的增加，入渗时间最小值：35.8<57.2<62.8<83.3，入渗时间最大值：77.3<84.7<97.3<100.3.同时，同一残膜密度水平中入渗历时的最大值和最小值对应的残膜面积处理，随着密度水平的增长而增大，且随着残膜密度水平的增大中，湿润锋运移时间在单片残膜面积达到一定值之前总是呈减小趋势，尤其是在水平3(300 kg/hm2)和水平4(420 kg/hm2)中，分别在面积处理C(1.00 cm2)和D(2.00 cm2)处达到最小值，然后随单片残膜面积的增大入渗历时增加，并呈现逐渐稳定的趋势.

表3 不同残膜面积水平下各残膜密度处理湿润锋运移时间

对于不同的面积处理，处理A(0.25 cm2)的单片残膜面积极小，数量较大，均匀掺入土壤中，形成类似于在土壤中掺入粗砂粒或石砾新构土壤，新构土壤的孔隙度大于原土样，从而加快土壤入渗，而不是通过形成较大的裂隙加快土壤入渗，而残膜的特性与粗砂粒和石砾不同，决定了掺有残膜的新构土壤与掺有砂石粒的土体渗透性有差异；处理F(8.00 cm2)单片残膜面积较大，密度较小时能够在土样中形成明显的裂隙，形成优势流，密度较大时由于残膜的不透水性且单片面积较大，较其他面积处理出现明显的阻水效应，入渗时间增长.

2.2 不同残膜面积下密度处理对湿润锋的影响

图3为不同残膜面积水平下各残膜密度处理湿润锋随时间变化图，表3为不同残膜面积水平下各残膜密度处理湿润锋运移时间.分析图3、表3发现不同残膜面积水平对湿润锋的影响如下：

图3 不同残膜面积水平下各残膜密度处理湿润锋随时间变化图

1) 残膜面积水平为A(0.25 cm2)时，残膜密度处理1，2，3之间，以及和无膜处理间的湿润锋运移时间差异具有统计学意义，处理间从小到大依次为2，1，3，W，处理4与无膜处理间差异不具有统计学意义.针对土壤中均匀掺入单片残膜面积极小(0.25 cm2)的新构土壤，当残膜密度小于180 kg/hm2(处理2)时，该新构土壤的湿润锋运移时间特点与掺入粗砂粒或石砾的土壤类似，随着掺入量的增大，新构土壤的孔隙度增大，入渗用时缩减；但残膜密度大于180 kg/hm2后，由于残膜的轻薄特点、不透水性和在土壤中性状的不确定性等物理特性与砂石粒(砾)不同，导致随着残膜密度的增加，湿润锋运移时间增长，相对出现阻水效应.

2) 残膜面积水平为B(0.50 cm2)时，残膜密度处理1，2，3之间，以及和无膜处理之间的入渗历时差异具有统计学意义，处理间从小到大依次为1，2，3，W，处理4，3之间差异不具有统计学意义.即单片残膜面积为0.50 cm2时，随着残膜密度的增大，湿润锋运移时间变长，且最终趋于稳定.

3) 残膜面积水平为C(1.00 cm2)时，残膜密度处理1，3，4之间，以及和无膜处理之间差异具有统计学意义，处理间从小到大依次为3,1,4,W，处理1和2，2和4之间差异不具有统计学意义.即单片残膜面积为1 cm2时，随着残膜密度的增大，湿润锋运移时间先减小后增大，并在残膜密度为300 kg/hm2时达到最小值，入渗历时最短.

4) 残膜面积水平≥D(2.00 cm2)时：当残膜面积水平为F(2.00 cm2)时残膜密度处理1，2之间，以及和无膜处理之间差异具有统计学意义，处理间从小到大依次为1，2，W，处理2，3，4之间差异不具有统计学意义；残膜面积水平为E(4.00 cm2)时，残膜密度处理1，2，4之间差异具有统计学意义，处理间从小到大依次为1，2，4，处理2和3，3和4，4和W之间差异不具有统计学意义；残膜面积水平为F(8.00 cm2)时，残膜密度处理1，2，3之间，以及和无膜处理之间差异具有统计学意义，处理间从小到大依次为1，2，3，W，处理3和4，4和W之间差异不具有统计学意义.可见单片残膜面积大于等于2.00 cm2时，随着残膜密度的增大，湿润锋运移时间先减小后增大，并趋于稳定.

根据不同残膜面积水平下湿润锋运移时间随残膜密度的变化情况(见表3)，可以进一步确定当残膜面积水平处于水平D及以上(单片残膜面积≥2.00 cm2)时，湿润锋运移时间随残膜密度的增加先减小后增大并趋于稳定，并都在残膜密度为处理1(60 kg/hm2)时湿润锋运移时间最短，密度为处理4(420 kg/hm2)时运移时间最长，同时湿润锋运移时间最小值随着单片残膜面积的增加而减小，最大值随之增大.因此，单片残膜面积大于等于2.00 cm2，残膜密度较小时单片残膜面积越大，在土柱中形成的裂隙越明显，而残膜密度较大时单片残膜面积越大，在土柱中的相对阻水效果越明显.残膜面积水平B，C的湿润锋运移时间随残膜密度处理的变化，在处理1之后变化趋势相反.观察整体发现，当残膜密度为420 kg/hm2时，湿润锋运移时间随着残膜面积水平的增大先减小后增大，在水平A，F处最大为100.3 min.

2.3 不同残膜处理的湿润锋拟合结果

湿润锋随时间的变化曲线如图2所示，通过观察，采用Kostiakov入渗模型的类似形式(见式(1))拟合曲线.所有拟合结果的剩余卡方Reduced Chi-Sqr<0.02趋近0，决定系数R2>0.99趋近1，拟合参数α的标准误差Standard Error<0.02趋近0，β的标准误差Standard Error<0.005趋近0，说明该幂函数能够高度准确地拟合湿润锋随时间的变化曲线，拟合参数见表4.

表4 各处理湿润锋拟合参数

L(t)=α·tβ，

(1)

式中：L(t)为湿润锋随时间的变化；α，β为拟合参数.

2.4 不同残膜处理对湿润锋的交互作用

根据拟合结果发现，指数模型可以较为准确地拟合湿润锋随时间变化曲线，因此采用该模型的拟合参数结果，预测入渗结束后各处理的湿润锋运移距离，并根据不同时间下湿润锋运移距离，分析残膜密度和残膜面积交互作用下对湿润锋影响，如图4所示.

分析图4发现，随着入渗时间的推移，残膜密度、面积双因素对湿润锋运移深度影响的差异性逐渐增强.且同一时间下当残膜面积大于60 kg/hm2时，随着残膜密度的增加，湿润锋运移深度大致呈现逐渐减小趋势；同时发现当残膜密度小于200 kg/hm2时，湿润锋深度的变化可根据残膜面积分为3个区间，分别是[0.25,1]，(1,5]和(5,8] cm2，在前2个区间内湿润锋深度总是随残膜面积的增大呈先深后浅的趋势，而当残膜面积大于5.00 cm2时，随着残膜面积的增大，湿润锋运移距离增大，且3个区间内湿润锋深度的最大值和变化坡度逐渐减小；当残膜密度大于200 kg/hm2时，随着残膜面积的增加，湿润锋深度先增加后减小，在残膜面积为1～2 cm2中达到最大值，同时发现残膜面积大于2.00 cm2时，湿润锋运移深度较浅且较为稳定.综合分析发现，土壤中残膜密度较低时(<200 kg/hm2)，残膜面积对湿润锋运移深度的影响程度大于残膜密度；残膜密度较高时(>200 kg/hm2)，残膜密度的影响力大于残膜面积，且残膜面积大于2.00 cm2时该现象更为明显.

图4 不同残膜密度、面积处理对湿润锋的交互影响

3 讨 论

文中试验发现，土壤中加入残膜加快了湿润锋的运移速度，起到促渗作用，这与李仙岳等[8]的研究结果不同，分析认为造成该结果的原因：① 研究区域不同，所使用的供试土壤和装填容重不同，研究的供试土壤为黏壤土，装填容重为1.53 g/cm3，造成对照土壤中的孔隙率较小，孔隙直径较小，而均匀混入的残膜增加了土壤的大孔隙量、孔隙率，从而加快了土壤入渗；② 试验方法不同，该试验采用定水头供水的方式研究残膜对短历时入渗的湿润锋的影响.

同时文中研究发现，随着残膜密度的增加(≥60 kg/hm2)，湿润锋运移距离降低，运移速度减缓，这与大部分学者[4-5,8-9]的研究成果相同，残膜对土壤入渗的影响，主要通过改变土壤孔隙及其连贯程度、过水能力实现的[11]，残膜密度较大时由于其不透水性，降低了孔隙连贯程度，截断水流通道，减弱过水能力.

文中研究认为，在土壤中均匀混入残膜面积为0.25 cm2的残膜后，形成了新构土壤，结合显著性分析发现，随着残膜密度的增加，其湿润锋运移速度与入渗历时变化不同于其他残膜面积处理，残膜密度较小时，类似于均匀混入石砾或粗砂粒等物质，增强了土壤的过水能力[14]，残膜密度较大时，由于残膜不透水、轻薄等特性，不同于粗砂粒等物质，入渗特征发生改变.因此认为，土壤中均匀混入0.25 cm2残膜时，土壤具有其独特的入渗特征，形成新构土壤，但该土壤其他理化特征需要进一步研究确定.

4 结 论

研究了不同残膜密度和残膜大小对土壤水分渗吸过程中的影响，分析了不同残膜密度、尺寸对湿润锋的运移以及入渗历时的影响，发现在容重为1.53 g/cm3的黏壤土中掺入一定量的残膜加快土壤入渗过程.得到如下结论：

1) 随着残膜密度的增加，不同残膜面积处理入渗历时的最小值和最大值逐渐增大，且差值减小，残膜在土样中的促渗效应逐渐减弱，入渗历时最小值：35.8<57.2<62.8<83.3，入渗历时最大值：77.3<84.7<97.3<100.3.同一残膜密度水平中，入渗历时的最大值和最小值对应的残膜面积，随着密度水平的增长而增大.

2) 土壤中残膜密度较低时(<200 kg/hm2)，残膜面积对湿润锋运移深度的影响程度大于残膜密度；残膜密度较高时(>200 kg/hm2)，残膜密度的影响力大于残膜面积.

3) 在土壤中均匀混入单片面积小于等于0.25 cm2的残膜后，形成了新构土壤，具有独特的物理性质，同时随着光解膜的应用、地膜回收机的进一步创新推广及连年耕作，该种新构土壤会成为现阶段长时间进行覆膜耕作土地的主要类型之一，因此研究其理化性质对农业和种植业的发展有决定性作用.

致谢：感谢“石河子大学大学生创新创业训练项目：基于土壤物理性质变化的残膜限值研究(SRP2019177)”成员金嫣婧、黄新月、常玉荣、梁永辉、陈涛的帮助.