可降解膜覆蓋對土壤水分蒸發特性的影響

賈 浩，李文昊，王振華，丁宏偉，許 虎

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子832000;2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子832000)

干旱半干旱地區的土壤蒸發導致了大量水分的損失，從而限制了旱作農業的作物產量［1］。在這種環境條件下，人們采用農業措施來減少土壤水分的損失。覆膜保墑技術與節水灌溉技術的有機結合在我國北方干旱區廣泛應用，不僅提高了灌溉水利用效率，還可實現農業高效用水［2-3］。農膜覆蓋耕作具有明顯的節水、保溫、增產、控鹽等特點［4-5］，但覆膜保墑技術的廣泛應用，使得我國地膜使用量和覆膜面積不斷增加［6］，目前我國農膜使用量累計達 1.362×106t，覆膜面積已達 17 657.0 萬 hm2［7］。農膜殘留回收機制不健全，每年農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［8］。多年農膜覆蓋耕作將導致土壤中農膜殘留不斷累積，會致使土壤過水孔隙堵塞，土壤總孔隙度減小，土壤團聚體結構破壞，土壤入滲阻力增加［9-12］，也會使土壤密度降低、田間蓄水量減少［13］，最終導致作物減產［14］。從長遠角度看，由塑料地膜造成的污染所導致的減產幅度將逐步達到和超過其保溫、保濕等作用帶來的增產幅度。

使用可降解地膜是解決普通地膜“白色污染”的一種有效途徑。目前大量研究結果表明，可降解膜覆蓋具有普通地膜覆蓋的相同效果，比如減少土壤蒸發、保墑蓄水、平衡地溫等［15-18］，亦有改善土壤結構、提高土壤肥力、減輕土壤鹽漬化等綜合效應［15，19-21］。而國內外專家學者主要對光解膜、生物/光降解地膜和生物降解地膜等3種類型地膜進行研究，其中光降解地膜最早進行研究應用［22-23］。趙巖等［24］認為可降解地膜最終會代替普通不可降解地膜，但目前可降解地膜和普通塑料地膜會長期共存。對不同厚度和不同材料可降解地膜以及其土壤水分入滲蒸發特性進行了研究［25-26］，發現塑料地膜更易于阻斷水流入滲通道，降低土壤導水率，改變土壤過水能力，試驗結果顯示水分下滲速度與土壤中地膜殘留量呈對數關系，當殘留量達到一定量時，水分運移速度將明顯減慢［23］，將導致水分入滲速率顯著降低［27］。另外，不同殘膜埋深對土壤水分入滲也產生一定影響，總體上農膜殘留會阻滯土壤水分遷移［28］。但隨著土壤中殘膜持續增加，也可能導致殘膜區土壤大孔隙比例增加，產生優勢流，如李元橋等［29］研究發現，當殘膜達到720 kg·hm-2時，殘膜區產生優勢流。

目前對于農膜殘留影響土壤水遷移的機理研究較多，對于可降解地膜的研究則主要涉及可降解膜增產、增效以及不同種類和厚度等方面，對于可降解地膜覆蓋對土壤蒸發速率與蒸發量以及蒸發過程中水分再分布的研究相對有限，更缺乏可降解地膜在強烈蒸發、稀缺降雨和強紫外線環境的新疆地區的應用研究。本文通過室內土柱進行可降解地膜對土壤水分蒸發特性影響的研究，設置紅外燈光連續和間斷照射來模擬持續高溫和晝夜交替狀況下的裸地土壤水分蒸發，探索可降解膜覆蓋對土壤水分蒸發的影響，研究可降解膜覆蓋下土壤水分蒸發的機理，為可降解膜覆膜滴灌技術的應用提供理論基礎，并篩選適合干旱區、綠洲灌區應用的完全生物降解地膜類型，為進一步推廣應用可降解地膜提供參考，以期解決殘膜污染問題，保障綠洲灌區農業生態和經濟可持續發展。

1 材料與方法

室內土柱試驗于2017年5-11月在現代節水灌溉兵團重點實驗室暨石河子大學節水灌溉試驗站進行。土柱試驗所需的材料為采自石河子市121團的土壤，其土壤物理參數見表1。試驗所用馬氏瓶高65 cm，容積5 102.5 cm3;土柱為5 mm厚有機玻璃管制作而成，半徑10 cm，高35 cm;遠紅外燈為275 W;蒸發皿半徑與土柱相同;精密臺秤型號為FG-30KAM(精度0.0001 kg);供試完全生物降解地膜(廣州金發科技股份有限公司)均已在新疆地區市場銷售且大面積應用，聚乙烯普通塑料地膜由新疆天業公司生產。

表1 供試土壤物理參數Table 1 Physical parameters of the tested soil

為使土壤中的水分減少散失，通過一些措施阻斷土壤與大氣的“熱通道”，比如在土壤表面覆蓋薄膜、秸稈，覆蓋層材料通過阻隔太陽的輻射來抑制土壤水分蒸發［30］。本文設計 5種覆蓋層:無膜、PE、3種可降解膜，見表2;同時設計2種輻射方式(連續輻射和間斷輻射)，在該兩種輻射方式下，各設計3種光照高度(20 cm近光照、40 cm中間光照和60 cm遠光照)，研究各種膜覆蓋的土壤在不同光照環境下的水分蒸發特性。試驗共30個處理，每個處理重復3次，共計90個土柱。

將供試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后，自然風干、碾壓并過2 mm篩備用)，裝土完成后在土柱土面覆蓋濾紙，在土面分別進行滴水入滲和蒸發試驗。其入滲試驗裝置如圖1(a)所示，利用馬氏瓶穩壓供水，灌水量均為4.8 L，平均滴頭流量0.48 L·h-1，入滲結束重分布48 h，立即覆蓋供試地膜，打開紅外線燈作為光源進行蒸發試驗，其試驗裝置如圖1(b)所示。蒸發試驗中用275 W遠紅外燈作為增強光源，為隔斷土柱與外界環境間溫度交換，在土柱外圍包有一層2 cm厚橡塑海綿，再加一層反射膜。采用稱量法測定土柱蒸發質量，測定時間分別為蒸發開始后的第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。同步測量蒸發皿的水面蒸發，蒸發試驗期間室溫在18～23℃且不進行通風，日平均相對濕度約為35%，平均水面蒸發量為1.75 mm·h-1。所有數據采用MATLAB、SPSS20.0、Origin 9.0進行數據統計分析，對不同處理的土柱累積蒸發量進行方差分析，并采用Rose蒸發模型進行擬合。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

式中，E為土壤水分累積蒸發量(mm);α為水分擴散參數;β為穩定蒸發參數;t為蒸發時間(h)。

2 結果與分析

2.1 紅外燈光連續輻射方式下的蒸發過程

以紅外燈為熱源加快蒸發，采用紅外燈光連續照射來模擬持續高溫狀況下的裸地土壤水分蒸發，同時通過紅外燈距土柱的距離，來模擬不同的高溫環境，研究其蒸發特性，分析其土壤水分分布情況，探究覆蓋不同可降解膜對土壤水分蒸發過程的影響。

2.1.1 蒸發時間對連續輻射下累積蒸發量的影響

經過分析，對連續輻射不同光照強度、不同可降解膜覆膜處理的累積蒸發量采用Rose蒸發模型［31］進行擬合(表3)，可見各試驗方案的R2均在0.97以上，說明用Rose蒸發模型擬合效果較好。

2.1.2 可降解膜覆蓋對土壤水分蒸發量與累積蒸發量的影響 地膜覆蓋改變了土壤與大氣之間的交換界面，阻斷了空氣能量向下的“熱通道”和蒸發水分向上傳輸的“水通道”，地膜減緩了外加熱源的熱量向膜下傳遞，所以土壤表面的覆膜種類不同對“熱交換”的阻礙作用就不同，即不同覆膜對土壤水分不同時刻的蒸發量和累積蒸發量影響不同，日蒸發量、累積蒸發量都是衡量土壤水分蒸發強弱的重要指標，因此對不同覆膜處理下的蒸發量、累積蒸發量進行對比分析。

表2 供試地膜的特性Table 2 Characteristics of test film

表3 連續輻射下各處理Rose蒸發模型擬合參數Table 3 Rose evaporation model fitting parameters of each treatment under continuous radiation

不同可降解膜覆膜處理對土壤水分蒸發量和累積蒸發量的影響見圖2，由此可知，各個覆膜處理下，隨時間的推移，土壤水分蒸發量和累積蒸發量存在很大差異。由圖2(a)CK處理可知，隨著時間的推移，蒸發量總體呈下降趨勢，其中在蒸發前期近光輻射下蒸發量變化幅度較大;在遠光輻射條件下蒸發量隨時間的推移出現了較大波動。無覆蓋處理的累積蒸發量隨時間的推移總體呈上升趨勢，在蒸發試驗的36 h之前，3種輻射條件下的累積蒸發量曲線幾乎處于相互平行狀態，隨著時間的推移，3條累積蒸發量曲線之間的差異越來越小，并且曲線上升的趨勢變緩，但是整個試驗周期不同條件下的累積蒸發量表現為:近光輻射＞中間光輻射＞遠光輻射。由圖2(b)PE處理可知，覆蓋普通塑料地膜使得此處理與CK組明顯不同，但是與其他可降解膜覆膜處理具有相同點，各輻射條件下累積蒸發量都呈現上升趨勢，且之間的差異隨時間的推移越來越明顯，近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高72%、50%;而蒸發量曲線的變化則是先高后降低之后升高，總體呈現“V”型趨勢。PE處理中隨著時間的推進，其各種光照下累積蒸發量的增長趨勢是近光輻射＞中間光輻射＞遠光輻射;針對每段時間的蒸發量曲線，近光輻射曲線在中間光輻射曲線之上，遠光輻射在最下部。由圖2(c)BD1、(d)BD2、(e)BD3處理可知，累積蒸發量曲線在蒸發試驗初期，中間光輻射與遠光輻射曲線有交叉，這說明蒸發4～8 h之內，由于覆膜的作用，遠光輻射條件下的土柱土壤水分的蒸發強度大于中間光輻射下的蒸發強度。其3種可降解膜覆膜處理累積蒸發量曲線與PE處理中各輻射條件下趨勢相同，但也有不同，可降解膜處理的近光輻射下的累積蒸發量曲線大致呈對數形式，同時這與CK對照組中累積蒸發量曲線完全不同。在同一輻射條件下，圖2(d)BD2處理中的3條累積蒸發量曲線的增長趨勢明顯弱于其他兩種可降解膜處理。累積蒸發量曲線對應時間的點的切線代表此時刻的蒸發速率，所以切線斜率越大此刻的蒸發速率就越大。由圖2(c)BD1處理中可知，近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高63.6%、56.5%;圖2(d)BD2處理可知，近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高64.3%、50%;圖2(e)BD3處理可知，近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高37.9%、28%。

2.1.3 光照輻射對土壤水分累積蒸發量的影響

由圖3可知，在連續近光輻射下，各個處理的累積蒸發量都隨時間的推移逐漸增加，其趨勢幾乎相同，但是PE處理累積蒸發曲線與其他處理有差距，整個蒸發過程中，平均累積蒸發量較其他處理低5 mm，這主要是普通塑料地膜對強光的反射作用強，導致吸收的光熱略少，土柱溫度低，蒸發不太強烈;在連續中間光和遠光輻射條件下，各個處理的累積蒸發量曲線變化趨勢大致相同，其中遠光輻射下的各覆膜處理蒸發強度低于中間光輻射。由于對照組未進行覆膜，所以其蒸發曲線增長速度大于其他處理。

2.2 紅外燈光間斷輻射方式下的蒸發過程

以紅外燈為熱源加快蒸發，采用紅外燈光間斷照射來模擬晝夜交替狀況下的裸地土壤水分蒸發，同時通過紅外燈距土柱的距離來模擬不同的溫度環境，研究其蒸發特性，分析其土壤水分分布情況，探究覆蓋不同可降解膜對土壤水分蒸發過程的影響。

2.2.1 蒸發時間對間斷輻射下累積蒸發量的影響

圖2 各處理土壤水分蒸發量(虛線)和累積蒸發量(實線)隨時間變化曲線Fig.2 Changes in soil water evaporation(dotted line)and cumulative evaporation(solid line)with time under different treatments

經過分析，對間斷輻射下不同光照強度、不同可降解膜覆膜處理的累積蒸發量同樣采用Rose蒸發模型進行擬合(表4)，可見各試驗方案的R2均在0.97以上，說明用Rose蒸發模型擬合效果較好。2.2.2 可降解膜覆蓋對土壤水分蒸發量與累積蒸發量的影響 不同覆膜處理、不同光照環境下的土壤水分蒸發量和累積蒸發量變化趨勢如圖4。由圖4(a)CK處理可知，隨著蒸發時間的推移，各種光照輻射條件下的累積蒸發量曲線以波形(震蕩)呈遞增趨勢增大，且累積蒸發量曲線的斜率幾乎同步變化，但曲線斜率由陡變緩，近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高17.8%、11.5%;而各時間段的蒸發量總體呈現下降趨勢，且各曲線之間的交叉明顯、波動較大。由圖4(b)PE處理可知，此處理的累積蒸發量與未覆蓋塑料地膜處理對照組對比明顯，在近光輻射條件下，其累積蒸發量曲線以波形(震蕩)逐漸上升，到蒸發后期曲線斜率幾乎為零;在中間光輻射條件下，累積蒸發量曲線的增長趨勢明顯弱于近光輻射條件，且此曲線的“波形”增長趨勢不太明顯;在遠光輻射條件下，其累積蒸發量小于5 mm，這是因為覆膜對熱量的傳遞有阻礙作用，同時間斷照射使得熱量不能夠持續向土壤中傳遞。整個試驗周期的各階段蒸發量的變化關系是近光輻射＞中間光輻射＞遠光輻射，近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高70.5%、48.9%。圖4(c)BD1、(d)BD2、(e)BD3處理所得的累積蒸發量曲線增長趨勢相同，但是也有差異，同一處理下不同光照輻射下的累積蒸發量曲線以不同幅度的“波形”增長，BD1處理與BD2處理很相似，總體上是近光輻射＞中間光輻射＞遠光輻射，近光輻射和中間光輻射下的蒸發量增長幅度相差不大。隨著試驗的進行，3種可降解膜處理在各時間段的蒸發量逐漸趨于穩定，且在3種光照環境下差異減小。這可能是由于溫度勢作用，土壤水分向上運移并散失的總量減少，同時覆膜破壞了土壤毛管的連續性，下層水分很難上移。由圖4(c)BD1處理可知，近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高61.5%、53.2%;由圖4(d)BD2處理可知，近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高62.6%、48.6%;由圖4(e)BD3處理可知，近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高35.7%、28.0%。

圖3 連續輻射下光照環境對各處理土壤水分累積蒸發量的影響Fig.3 Effects of light environment on soil moisture accumulated evaporation under continuous radiation for each treatment

表4 間斷輻射下各處理Rose蒸發模型擬合參數Table 4 Rose evaporation model fitting parameters of each treatment under intermittent radiation

2.2.3 間斷光照輻射對土壤水分累積蒸發量的影響 由圖5可知，在間斷近光輻射下各個處理的累積蒸發量曲線都以“波型”增長，且增長幅度與連續近光輻射條件下大致相同，3種可降解膜覆膜處理的累積蒸發量隨光照的減弱增長趨勢降低，可見隨著光照輻射降低，不同覆膜處理的蒸發能力下降。雖然紅外燈供熱不連續，但蒸發的整體趨勢與紅外燈連續供熱方式的趨勢相似。隨著紅外燈輻射降低，土柱表層的土壤孔隙被不同種類地膜覆蓋，從而阻斷熱量的傳輸通道，土壤蒸發減弱，土壤水分散失較慢。

圖4 各處理不同光照環境下土壤水分蒸發量(虛線)和累積蒸發量(實線)隨時間變化曲線Fig.4 Changes in soil water evaporation(dotted line)and cumulated evaporation(solid line)under different light conditions for each treatment

3 討論

外界溫度對土柱的水分蒸發具有重要影響，持續升溫和間斷升溫都對土壤水分蒸發具有顯著影響。采用紅外燈光連續、間斷照射來模擬持續高溫、晝夜交替狀況下的土壤水分蒸發，同時通過紅外燈距土柱的距離來模擬不同的高溫環境，得出累積蒸發量的變化規律。土壤蒸發除了受氣象因素和土壤水分影響外，不同的覆蓋層也影響土面蒸發，主要是覆蓋層改變土壤表面熱量和能量交換，土壤累積蒸發量隨覆蓋層不同而變化，由此可見，覆膜處理對累積蒸發量有顯著影響，尤其是當土柱覆蓋可降解膜時，在近光照條件下其累積蒸發量與無膜對照處理很接近。不同的輻射方式和光照條件下其累積蒸發量不同。不同覆膜處理的累積蒸發量與時間擬合符合Rose蒸發模型。各擬合方程決定系數R2均大于0.97，且對方程和參數α、β的檢驗均達極顯著水平(P＜0.01)。穩定蒸發參數β隨著覆膜種類、光照環境、輻射方式的變化而變化，總體變現為:βPE＞βCK＞βBD3＞βBD1＞βBD2。同時水分子通過覆蓋層受覆蓋阻力影響，當蒸發試驗持續進行時，土壤主要以水汽擴散為主，通過模擬可以看出土壤水分擴散參數α的變化規律，也是隨著覆膜種類、光照環境、輻射方式的變化而變化，總體表現為αCK＞αBD3＞αBD1＞αBD2＞αPE，3 種可降解膜的誘導期和厚度影響了累積蒸發量的變化，隨著光強減弱，其變化幅度逐漸增大。

同時，顧文蘭［32］指出，紅外燈光連續照射方式下累積蒸發量呈遞增的趨勢，而紅外燈間斷照射方式下累積蒸發量呈波形遞增的趨勢;間斷照射下的土壤含水率大于連續照射下的土壤含水率。本試驗也證明了此規律。王慧等［33］根據模擬試驗監測資料對土壤累積蒸發量、白天與夜晚累積蒸發量、日蒸發量差值、單位膜孔面積蒸發量等進行比較分析，結果表明:累積蒸發量與蒸發時間平方根之間存在一定線性關系，符合Gardner理論。張金珠等［30］指出，不同的表層覆蓋層能明顯抑制水分蒸發，不同覆蓋層厚度處理間累積蒸發量差異顯著。王春霞等［34］指出，各覆膜開孔率下累積蒸發量與蒸發時間的開平方呈線性關系，累積蒸發量的增量與開孔率呈冪函數關系。李毅等［35］也指出，覆膜開孔率越大，蒸發水量損失越大，累積蒸發量隨時間變化曲線整體越高，冪函數和對數模型描述覆蓋層的累積蒸發量與時間關系較好。累積蒸發量曲線對應時間的點的切線代表此時刻的蒸發速率，所以切線斜率越大此刻的蒸發速率就越大。本試驗得出，隨著蒸發時間增加，累積蒸發量在蒸發前期曲線斜率較大，后期變化逐漸平穩，說明后期蒸發不明顯。李瑞平等［36］指出，根據雙作物系數模型SIM Dual-Kc模擬了滴灌玉米棵間蒸發量占作物蒸散發的比例，覆膜滴灌較無膜滴灌少，說明覆膜能有效降低作物棵間蒸發量，具有降低作物耗水量的潛在優勢。本試驗也證明了覆膜對累積蒸發量的影響。

4 結 論

1)地膜覆蓋對土壤蒸發影響顯著，3種可降解膜處理對比發現，不同輻射方式、不同光照環境對累積蒸發量的影響不同，兩種輻射方式下各階段蒸發量的變化關系都是近光＞中間光＞遠光，且近光、中間光條件下的累積蒸發量較遠光條件下分別高72%、50%(連續輻射)和 70.5%、48.9%(間斷輻射)。同樣，連續和間斷輻射方式下，與 CK相比PE、BD1、BD2、BD3 處理的抑蒸率分別高 32.5%、16.51%、14.34%、16.35% 和 26.74%、16.69%、15.74%、17.18%;3種可降解膜中主要成分為PBAT設計降解誘導期60 d的B型完全生物降解地膜相對A、C型完全生物降解地膜更能有效抑制水分蒸發散失。

2)紅外燈光連續照射方式下的累積蒸發量呈對數形逐漸增大的曲線，而間斷照射方式下的累積蒸發量呈震蕩(波形)遞增的曲線。紅外燈光連續照射方式下各時段的累積蒸發量大于紅外燈光間斷照射方式。兩種照射方式下，主要成分為PBAT設計降解誘導期60 d的B型完全生物降解地膜相對A、C型完全生物降解地膜更能有效抑制水分蒸發散失。