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不同残膜含量对淡灰钙土水分入渗过程的影响

文章来源: 未知   发布时间:2019-03-20   

地膜覆盖具有增温保墒、增产控盐、防治杂草等优点,被广泛应用于农业生产。我国现有农膜生产企业近千家,总产能超过500 万t,年农膜总产量近280 万t,覆盖面积达17 657.0 万hm2,并以12% 的速度逐年增长。我国农田覆膜后平均残膜量为50~260 kg·hm-2,且主要分布在土壤耕层(0~20 cm)。目前残膜机械回收率低,在土壤中难以降解,随使用年限增加土壤中残膜量越来越高。农用残膜已成为农业环境污染的一个重点问题。2015年《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战实施意见》中提出要着力解决农田残膜污染。
残膜会破坏土壤团聚体结构、阻断孔隙连续性,导致土壤容重增大、孔隙度减小及入渗阻力增加,严重影响水和溶质在土壤中的运移过程,阻碍农作物根系发育,最终造成农作物品质和产量下降。因此近些年国内外专家学者关于残膜对土壤水分入渗影响方面做了大量研究。李仙岳等研究认为滴灌条件下土壤中残膜含量增加,使湿润锋进程明显变缓且湿润体呈缩小趋势。解红娥等发现土壤入渗率与残膜含量呈对数关系,当残膜量达到360 kg·hm-2时,入渗率显著降低。Jiang等发现残膜显著改变了土壤物理性质,使得玉米根区水分运动受阻。王志超等研究残膜量对沙壤土和砂土水分入渗过程的影响发现残膜量越高、湿润锋运移距离越短,其入渗速率也逐渐减缓,残膜量对沙壤土入渗的影响更为明显,Philip 入渗模型能准确描述土壤水分入渗过程。李元桥等发现残膜的存在对湿润锋横向距离影响显著,残膜区土壤湿润体变小,Kostiakov入渗模型能较好地拟合残膜土壤入渗过程。通过已有研究可以看出,残膜对不同土壤类型入渗过程有明显影响,且对入渗模型的选择和拟合结果有一定差异。
目前关于银川平原不同残膜含量对土壤水分入渗影响的研究较少,特别是入渗模型适用性评价方面的研究尤为缺乏。银川平原地处干旱、半干旱地区,气候高寒冷凉,年均蒸发量是降水量10余倍,低温、干旱及盐渍化是影响该区域农业生产的主要问题。地膜覆盖具有增温、保墒和控盐等作用,是该区域主要的农业耕作模式,现已应用于40多种农作物的种植栽培,并呈现持续增长的趋势,但目前缺乏有效回收措施,土壤中残膜量逐年增加,造成耕地质量下降和农业面源污染等问题。因此,本文选取银川平原淡灰钙土,通过室内土柱模拟试验,研究不同残膜含量条件下土壤水分入渗过程,分析评价模型适用性,揭示残膜含量对土壤水分入渗特征和湿润锋运移的影响,为残膜污染区水分入渗模型的选择提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

供试土壤取自银川市滩南庄农田(106°08′E,38°31′N),土壤类型为淡灰钙土,将供试土壤过2mm筛。土壤黏粒含量4.3%,粉粒含量7.9%,沙粒含量87.8%,全氮含量0.43g·kg-1,全磷含量0.51g·kg-1,全钾含量20.11 g·kg-1,全盐量1.92g·kg-1,pH8.6,容重1.45g·cm-3。试验残膜选用当前市场上较为常见的农膜(厚度0.008 mm)。采用室内模拟土柱法,探讨不同残膜含量对于土壤水分入渗过程的影响。试验装置由土柱、马氏瓶、支架组成。其中土柱高70cm,内径15cm,由5mm厚的有机玻璃制成。柱体底部布设微小排气孔,为入渗提供气流通畅的环境。马氏瓶由型号统一的玻璃瓶改装,其内径19cm,高50cm,截面积283.53cm2

1.2 试验设计与方法

由于残膜70% 分布在土层0~10 cm 处,30% 在10~20 cm 土层中,同时随着残膜在土壤中年限的增加,残留在土壤中的农膜会逐渐破碎,最终碎片面积主要3~5cm2。基于此,将农膜裁剪为2 cm×2 cm的正方形,埋设在土壤表层0~20 cm 范围内,其中残膜总量的70%埋设在土壤表层0~10 cm处,10~20 cm埋设残膜总量的30%。根据已有研究,当不进行机械清理残膜时,残膜量Qf(kg·hm-2)与覆膜年限T(a)之间存在线性关系Qf=5.546T+47.840(R2=0.871),根据该方程,为预测长期覆膜对土壤水分入渗影响,设置5组残膜量处理:0(T0)、100(T1)、200(T2)、400(T3)、800 kg·hm-2(T4),分别对应不覆膜、覆膜9年、覆膜27年、覆膜63年和覆膜136年。每个处理重复3次。
装土前,在土柱内壁均匀涂抹凡士林以消除壁面优势流的影响。按照土壤容重1.35 g·cm-3分层(每层5 cm)填装土柱,填装高度60 cm。为避免土壤非均质性分布及优先流产生,将层间打毛且土柱装好后自然沉降24 h。采用一维垂直定水头法测定土壤入渗过程,入渗时马氏瓶控制供水水头高度为5 cm。用秒表记录数据,需要记录的指标为各个处理的湿润锋进程、入渗所需时间及马氏瓶水位变化。前5 min每10s记录一次数据,5~12 min每30 s记录一次数据,12~30 min每1 min记录一次数据,30~90 min每5 min记录一次数据,90~300 min 每15 min 记录一次数据,300 min以后每30 min记录一次数据,直到湿润锋在土柱中完成运移为止,同时记录对应时间的湿润锋位置。为了保证试验精度,每次记录湿润锋运移位置时,沿土柱四周测量5个深度,取其均值。

1.3 入渗模型

为了进一步说明残膜含量对土壤水分入渗过程的影响,选取Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型和通用经验模型对不同残膜含量土壤入渗过程进行拟合。

Kostiakov模型:i (t)=at-b (1)

式中:i(t)为土壤入渗速率,mm·min-1;t 为入渗时间,min;a、b 为根据试验求得的模型参数。

Philip模型:i(t)=0.5st-0.5+A (2)

式中:s 为土壤吸渗率,mm·min-0.5;t 为入渗时间,min;A 为稳定入渗速率,mm·min-1

Horton模型:i(t)=ic+(i0-ic)e-kt (3)

式中:ic为稳定入渗速率,mm·min-1;i0为初始入渗速率,mm·min-1;t 为入渗时间,min;k 为试验求得的模型参数。

通用经验模型:i(t)=a+bt-n (4)

式中:a、b、-n 为根据试验求得的模型参数;t 为入渗时间,min。

利用均方根误差(RMSE)、平均偏差(MBE)及决定系数(R2)作为模型的评价指标。

1.4 数据处理
利用Excel 2003、SPSS18.0软件进行数据处理和分析,采用单因素方差分析及LSD多重比较来确定各处理入渗速率均值的差异,采用独立样本T 检验比较入渗模型模拟值和实测值的差异,土壤入渗模型拟合使用Origin8软件。