残膜对土壤水分水平运动的阻滞作用.DOC

1、残膜对土壤水分水平运动的阻滞作用邹小阳 1,3，牛文全 1,2，刘晶晶 4，许健 2，张明智 4，李元 2（1.中科院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100；3.中国科学院大学，北京 100049；4.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100）摘要：为探明不同残膜量对土壤水分水平运动过程的影响规律，设置了 6 个残膜量水平，分别为0，80，160，320，640 和 1280kg/hm2，采用室内水平土柱吸渗法，分析了残膜对水平湿润锋运移、累积入渗量、Boltzmann 系数和土壤水分扩散率的影响。结果表明：水平湿

2、润锋运移速率、土壤含水率和累积入渗量均随残膜量增加而减小，残膜量 160 kg/hm2 时，水平湿润锋运移速率和累积入渗量大幅降低；残膜对土壤水分水平运动的阻滞系数与残膜量呈正相关关系，残膜阻滞系数的最大增长率出现在 80160 kg/hm2 残膜量区间，增长率达 251.15%；随残膜量的增加，阻滞作用较强区域距离入渗点的距离增大，Boltzmann 系数和水分扩散率则逐渐减小，土壤基质势对水分水平运动的驱动作用和土壤持水能力逐渐减弱；但混有残膜的土壤水分水平运动过程仍符合土壤水分扩散率单一参数模型和 Kostiakov 入渗模型。残膜是一种难降解持续性污染物，会降低水平湿润锋运移速率、累积

3、入渗量和土壤水分扩散率，残膜对土壤水分水平运动的阻滞作用随残膜增多而增强。关键词：残膜；土壤水分水平运动；湿润锋运移速率；Boltzmann 系数；阻滞作用中图分类号： S152.7 文献标识码：A 文章编号：Ability of Retarding Water Horizontal movement for Residual Plastic Film Mixed in SoilZOU Xiaoyang1,3 , NIU Wenquan1,2* , LIU Jingjing4,XU Jian2 , ZHANG Mingzhi4 , LI Yuan2(1.Institute of Soil an

4、d Water Conservation, CAS2. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A F University， Yangling, Shaanxi 712100,China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. College of Water Conservancy and Architectural Engineering， Northwest A F University， Yangling, Shaanx

5、i 712100,China )Abstract: In this study, we aimed to investigate the effect of different amounts of residual plastic film on soil water horizontal diffusion process. By using the horizontal soil column simulation investigation, Six kinds of residual plastic film(0,80,160,320,640 and 1280kg/hm2) were

6、 designed with triplicate. The water wetting front transport distance, the accumulative infiltration amount and soil water content were determined, then we could calculate the Boltzmann coefficient and water diffusivity by using iterative method. The results showed that the migration rate of horizon

7、tal wetting front, the accumulative infiltration amount and volumetric soil water content gradually declined with the increase of residual plastic film amount. When residual plastic film amount was more than 160 kg/hm2, the migration rate of horizontal wetting front and the accumulative infiltration

8、 amount would dramatically reduce. There were extremely significant 收稿日期：2016-01-08 基金项目：国家支撑计划课题（2015BAD24B01） ；国家自然科学基金项目（51379024） 作者简介：邹小阳（1993-） ，男，在读硕士，主要从事土壤水分运动研究。Email：通讯作者：牛文全（1972-） ，男，研究员，博士生导师，主要从事灌溉理论与节水技术研究。Email：positive correlation relationship between the amount of residual plastic

9、 film and retardation coefficient. When the amount of residual plastic film ranges from 80 kg/hm2to160kg/hm2, increase rate of retardation coefficient reached up to 251.15%. The distance from stronger retardation region to infiltration point was enlarged with increase of residual plastic film. Howev

10、er, Boltzmann coefficient and water diffusivity were gradually declined, driving force of soil matric potential on soil water diffusion and soil water holding ability wore off. The horizontal diffusion process of soil mixed with residual plastic film still conforms to single parameter model of soil

11、water diffusivity. Our results suggest that the residual plastic film as soil pollutant would reduce migration rate of horizontal wetting front, accumulative infiltration amount and soil water diffusivity, the retardation effect of residual film on soil water diffusion will enhance with residual pla

12、stic film amount increasing. Keywords: residual plastic film; soil water horizontal movement; transport velocity of wetting front; Boltzmann coefficient; retardation effect地膜具有增温保墒和防治病虫害等效果，是现代农业重要的生产资料 1，我国地膜覆盖栽培面积达 1330 万 hm2 ，地膜年用量约 124.5 万 t，年均增长率约为 12%，并继续逐年上升 2。但普遍使用的地膜厚度一般为 0.008mm，拉伸负荷较低，易破碎

13、，残膜机械回收率低，使田间残膜量随覆膜年限延长而增加 3，残膜对土壤 -作物生态系统的负面效应日益凸显。农业部在 2015 年印发的关于打好农业面源污染防治攻坚战实施意见中明确要求各级政府应高度重视残膜对农业生产的危害 4，因此研究残膜对土壤水分运移的影响规律具有重要意义。目前，含残膜土壤的水动力学研究主要集中于残膜量、残膜埋深对水分垂直入渗过程和土壤理化性质的影响研究，如李仙岳等 5研究认为湿润锋运移距离和湿润体随残膜量增加而减小。王志超等 6-7研究发现随着残膜埋深增加，土体内含水率增加，湿润体面积缩小，孔隙堵塞面积增大并趋于集中，饱和导水率随残膜量的增加呈指数下降趋势。李元桥等 8研究认

14、为随着残膜量的增加，土壤湿润比和稳定入渗率逐渐增大，而土壤湿润体变小，残膜量高于 720 kg/hm2 区域的优势流现象明显。在现实灌溉过程中，灌溉初期水分以垂直向下运移为主，灌溉结束后，土壤水分运移方向逐渐以水平为主，使土壤水分趋于均匀分布，而现有研究较少关注残膜对土壤水分水平运动的影响。本文以 0，80，160，320，640 和 1280 kg/hm26 种残膜量土壤为研究对象，通过水平土柱吸渗法，研究残膜对土壤水分水平运动过程和土壤水分扩散率的影响，为残膜污染区及时采取清理措施和合理灌溉制度及种植密度的确定提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验材料与装置试验在西北农林科技大学中国旱区

15、节水农业研究院科研温室中（10824E、3420N）进行，试验时间为 2015 年 10 月 2 日-2015 年 11 月 10 日。供试土壤取自陕西省杨凌区渭河三阶地，取表土作为试验用土。土样去除根系枯枝落叶及大粒径杂质后，自然风干、碾压、过 2mm 筛备用。土壤颗粒组成采用 MS2000 型激光分析粒度仪（英国产）测定，粘粒（d 0.001mm）15.3% ，粉砂粒（0.001mm0，t=0 时， ，当 x=0，t0 时， 0=；D（ ）为土壤水分扩散率（cm 2/min） ；t 为入渗时间（min ） ； 0 为土壤初始含水率b= （cm 3/cm3） ； b为进水端土壤含水率，接近于

16、饱和含水率（cm 3/cm3） ；x 为湿润锋水平运动距离（cm） 。对式（2）进行 Boltzmann 变换，转换为：（3）b0）/（21-）（ ddD=式中： 为 Boltzmann 变换系数。试验中记录湿润锋每运移 2cm 所需时间，用于t/x计算 Boltzmann 变换系数。为便于计算，将式（ 3）变换为差分形式：（4） 021-）（ =D根据 - 关系图，用迭代法计算 D（ ）值。1.4 数据分析所有试验数据均为 3 次重复的平均值，用 SPSS 19.0 软件进行函数拟合和差异显著性分析（LSD 法） ，Excel 2010 进行迭代法计算和图形绘制。2 结果与分析2.1 残膜对

17、土壤水平湿润锋运移和水分分布的影响水平湿润锋为水平土柱湿润区前端与干土层形成的明显交界面，是表征水分水平运动状态的指标之一。土壤水分分布状况间接反映了残膜对水分水平运动的阻滞作用。田间残膜堵塞土壤水分运动孔隙，造成土壤过水能力下降，影响水平湿润锋运移和水分分布。图2 为不同残膜量土壤水分水平运动过程中湿润锋运移速率变化情况和试验结束时土壤水分分布状况。0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 6400.511.522.5T0T1T2T3T4T5入 渗 距 离/cm水平湿润锋运移速率/(cmmin-1)0 4 8 12 16 20 24 28 32

18、 36 40 44 48 52 56 60 6400.10.20.30.40.5T0T1T2T3T4T5入 渗 距 离/cm土壤含水率/（cm3cm-3）图 2 不同残膜量土壤水平湿润锋运移速率和土壤含水率从图 2 可知，残膜量对水平湿润锋运移速率的整体变化趋势无显著影响，均呈先迅速下降后缓慢趋于稳定的变化趋势，当湿润锋运移至 8cm 时，不同残膜量的湿润锋运移速率变化幅度不同，含残膜土壤的湿润锋运移速率递减率大于无残膜土壤，较 T0 分别增加了0.71%， 1.34%，3.63% ，3.91% 和 4.03%。可见湿润锋运移速率降低幅度随残膜量的增加而增大，这是因为残膜堵塞了毛管水运移路径，

19、阻隔水分运移通道，阻断土壤孔隙连续性，降低土壤过水能力 10。水平湿润锋运移距离大于 8cm 后，湿润锋运移速率逐渐减缓，并出现波动现象，且随残膜量的增加，波动频率逐渐增加，这是因为残膜增强了土壤孔隙结构的多重分形特征，增大了土壤孔隙复杂程度，且入渗水分在残膜前端形成一个狭窄的湿润区，湿润区内水分短时间内不能与其他不受残膜影响区域保持水量平衡，湿润区数量与残膜量呈正相关关系，使湿润锋运移速率曲线波动频率随残膜量增多增大 11。湿润锋运移至60cm 时，含残膜土壤水平湿润锋运移速率比无残膜土壤分别降低了20.30%，24.39%，32.57% ，46.38%和 67.71%，差异显著（F=37.

20、82 ，p0.05） ，而残膜量高于 160 kg/hm2 处理的土壤含水率相比无残膜 T0分别减小了 18.63%，23.68%和 78.01%，T5（残膜量 1280 kg/hm2）处理的土壤含水率明显低于其他处理（F=4.466，p0.05） ，可能是因为土壤中对水分入渗贡献率较高的中、大孔隙数量随残膜增多而减少，减小了土壤水分的过水断面积，当残膜达到一定量时，土壤中残膜易形成较大面积的致密隔离层，水分只能绕过残膜，沿残膜边缘渗透 5,7。为定量分析残膜对水平湿润锋运移和水分分布的影响，对水平湿润锋运移速率、土壤含水率与入渗距离之间的关系进行拟合，发现水平湿润锋运移速率 V（cm/min

21、）与入渗距离 Zf（cm）之间用幂函数 拟合效果最佳，土壤含水率 （cm 3/cm3）与入渗距离bfaZV=Zf（cm ）之间可用生长函数 拟合，不同处理拟合参数见表 1。 +dcfe表 1 水平湿润锋运移速率、土壤含水率与入渗距离的拟合参数 bfaZV= +dcZfe处理a b R2 RMSE（%）c d R2 SRRC2T0 2.827c -0.840a 0.995 18.90 -0.521a -0.030a 0.993 0.9506T1 3.255a -0.890b 0.993 21.05 -0.548a -0.030a 0.969 0.9526T2 2.832b -0.906bc 0.

22、989 25.37 -0.584b -0.031a 0.967 0.9663T3 2.935a -0.945c 0.973 34.31 -0.663c -0.033a 0.965 0.9801T4 3.065a -1.010d 0.957 57.20 -0.665c -0.035a 0.952 0.9801T5 2.907a -1.128e 0.939 76.08 -0.914d -0.036a 0.950 0.9940注：同一列字母不同表示参数差异显著（p0.05） ，下同。由表 1 可知，水平湿润锋运移速率 V 与入渗距离 Zf 用幂函数拟合的决定系数 R2 大于0.939，决定系数 R2

23、 随残膜量增加而减小，而均方根误差 RMSE 逐渐增大，V 和 Zf 的相关性下降。参数 b 为负数，其绝对值随残膜量增加而增大，说明湿润锋运移速率的衰减程度加大，而参数 a 变化无明显规律，即掺加残膜增强了湿润锋运移速率变化的不确定性，湿润锋运移速率曲线波动变化现象增强。土壤含水率与入渗距离之间存在较好的生长函数关系（R 2 0.950） ，标准回归系数 SRRC2 随残膜量增大而增大，说明残膜量越大，土壤水分分布的不确定性增大。参数 c 可表征土壤含水率的降低速率，其绝对值随残膜量增加而增大，表明土壤含水率降低速率随残膜量增加而加快，当残膜量大于 80 kg/hm2 和 160 kg/hm

24、2 时，c 值绝对值均明显增大，可能是因为残膜量达到 80-160 kg/hm2 时，土壤孔隙成圆率大幅降低，增加了水分运输过程的动能损失，降低了土壤水分扩散能力 12。参数 d 可反映水分水平运动初期土壤含水率的大小，d 值为负数，其值随残膜量增加而减小，说明土壤水分运动初期的土壤含水率随残膜量增多而降低，主要因为各处理设置的残膜量成倍增大，随着残膜大幅增多，土壤孔隙的连通性破坏程度加剧，水分运动的过水断面下降，使进入土壤的水分减少，从而降低了水分水平运动初期的土壤含水率。参数 c 与残膜量Mf（ kg/hm2）之间符合较好的幂函数关系，各处理参数 d 无显著差异，可将参数 d 固定为各处理

25、的平均值 0.0325，得到土壤含水率关于残膜量 Mf 和入渗距离 Zf 的函数关系式，即，该经验公式建立了土壤含水率与残膜量、湿润距离之间0325.）521.006.（-89+=ff Ze的函数关系，可为残膜污染区灌溉制度的确定提供参考。2.2 残膜对土壤水分累积入渗量的影响累积入渗量指入渗开始后一定时间段内通过单位面积地表入渗至土壤中的总水量，可间接反映残膜对土壤水分水平运动的阻滞程度。图 3 反映了残膜量的不同对累积入渗量的影响，从图中可知，土壤水分水平运动过程的累积入渗量因掺入残膜量的不同而存在差异，残膜对土壤水分水平运动存在阻滞作用。含残膜处理入渗结束时的累积入渗量比无残膜 T0分别

26、降低了 0.73%，3.44%，16.14%，29.91%和 31.72%，残膜量超过 160 kg/hm2 时，累积入渗量大幅降低。各处理入渗至 60cm 处耗时随残膜量增加而增大，含残膜处理的耗时分别为无残膜 T0 的 1.07，1.22，1.43，1.73 和 2.71 倍，土壤水分在水平方向上的运动速率随残膜增多而减小，残膜对土壤水分水平运动存在明显的阻滞作用，残膜量高于 80 kg/hm2时，土壤水分水平运动明显放缓，这与赵永敢等 13关于掺加秸秆对土壤水分累积入渗量的影响规律研究结果类似。0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100001020

27、30405060T0T1T2T3T4T5水 分 运 动 时 间/min累积入渗量/cm图 3 不同处理的累积入渗量变化过程根据实测结果，土壤水分累积入渗量 （cm）与入渗时间 T(min)之间符合 KostiakovI入渗模型： ，其中 K 和 均为经验系数，且累积入渗量 （cm）与湿润锋运移距TI= I离 Zf（cm）之间存在线性关系 ，累积入渗量 I 与入渗时间 T、湿润锋运移距nmZIf+=离 Zf 拟合结果见表 2。表 2 累积入渗量与入渗时间、湿润锋运移距离的拟合参数I=K I=mZf+n处理K R2 RMSE(%) m n R2 RMSE(%)T0 0.766a 0.716c 0.

28、994 19.06 2.753a 0.030e 0.997 17.48T1 0.733a 0.723bc 0.993 20.89 2.685a 3.006a 0.996 18.98T2 0.525b 0.745abc 0.985 30.72 2.410a 1.873b 0.989 25.22T3 0.393c 0.753ab 0.970 41.05 1.992b 0.516d 0.979 31.83T4 0.308d 0.764a 0.952 62.37 1.664bc 0.570d 0.962 44.43T5 0.207e 0.771a 0.947 69.08 1.405cd 0.955c

29、0.955 58.95从表 2 可看出，累积入渗量与入渗时间之间通过 Kostiakov 入渗模型拟合效果较好（R 2 0.947） ，采用均方根误差 RMSE 指标定量评价 Kostiakov 入渗模型的拟合效果，RMSE 值随残膜量增加而增大，表明土壤中混有残膜越多，Kostiakov 入渗模型模拟水分水平运动过程的效果减弱。参数 K 可表征首次计时的累积入渗量，K 值随残膜量增加而递减，表明随着残膜量增加，土壤水分水平运动初期的入渗水量逐渐减少，残膜量超过 80 kg/hm2 处理的参数 K 值存在显著差异（p0.001） 。参数 可表示累积入渗量的衰减程度， 值与残膜量呈负相关关系，说

30、明随土壤中残膜增多，水分流通孔径减少，土壤过水能力大幅下降，从而引起累积入渗量衰减程度的增大。累积入渗量与湿润锋运移距离呈良好的线性关系（表 2） ，R 2 不低于 0.955。累积入渗量随残膜量增大而减小，说明混入残膜增加了土壤孔隙的复杂程度，降低了土壤实际过水断面，且水分易在残膜前端形成滞水区，阻滞水分向外运移。 2.3 残膜对土壤水分水平运动的阻滞效应随田间残膜增多，土壤大孔隙被阻断的几率增大，对土壤水分水平运动的阻滞效应增强。本文采用残膜阻滞系数 定量表征残膜对土壤水分运动的阻滞作用，残膜阻滞系数 的 计算公式如下：（i=1,2,3,4,5 ） （5）10Vi式中： 为残膜阻滞系数（%

31、） ；V i 为 Ti 处理入渗至某一位置的湿润锋平均运移速率（cm/min） ；V 0 为 T0 处理入渗至对应位置的湿润锋平均运移速率（ cm/min） 。图 4 反映了各处理残膜阻滞系数的变化情况。T1 T2 T3 T4 T5010203040506070800-10cm入 渗 距 离10-20cm入 渗 距 离20-30cm入 渗 距 离30-40cm入 渗 距 离40-50cm入 渗 距 离50-60cm入 渗 距 离不 同 处 理残膜阻滞系数/%DdEc FbFaCaCbBdDeAeAdDbEaEeBeCeCdBd BdAc AcEbBb AbDaBa AaBcCcDcDe（注：图

32、中大写字母为同一处理不同入渗距离组间差异性分析，小写字母为同一入渗距离不同处理间差异性分析，显著性水平均为 0.05，相同字母表示差异不显著。 ）80 160 320 640 128001020304050607080阻 滞 系 数 均 值地 膜 残 留 量/(kg hm-2)残膜阻滞系数/%abcde图 4 残膜阻滞系数的变化情况从图 4 可知，不同残膜量引起的阻滞效应强弱不同，且阻滞作用强弱区域的位置发生变化。同一入渗距离的残膜阻滞系数均随残膜量增加而增大，当残膜量低于 160 kg/hm2 时，残膜对 1020cm 区域阻滞作用最强，T1 和 T2 处理该区域的阻滞系数高达 10.65%

33、和 19.36%；而残膜量高于 160 kg/hm2 处理，阻滞系数最高区域出现在 50-60cm，这可能是因为随残膜增多，残膜形成的连续隔层面积增大，使入渗至远距离的水量减少，从而加剧了残膜对远距离土壤的阻滞作用。图 4 还反应了残膜阻滞系数随残膜量增加而增大的过程，当残膜处于 80160 kg/hm2 之间时，残膜阻滞系数迅速增大，增长率达 251.15%，这是因为残膜破坏土壤原有稳定结构，使水分运移通道曲折复杂，削弱机械弥散作用，从而限制土壤水分的水平运动 14。残膜量位于 160-320、320-640 和 640-1280 kg/hm2 区间时，残膜阻滞系数的增长率分别为 72.22

34、%，37.47%和 50.93%，增长率均低于 80160 kg/hm2 残膜量区间。各处理的残膜阻滞系数均值 （% ）与残膜量 （kg/hm 2）之间符合较好的指数函数关系fM（R 2=0.915） ，可通过分析残膜阻滞系数均值 指标，确定不同地区的残fMe59.063= 膜清理临界值，为残膜清理工作提供理论依据。2.4 残膜对 Boltzmann 系数 的影响Boltzmann 系数表征水平湿润锋运移速率，可作为残膜阻滞作用的一个间接评价指标，其主要受土壤容重、孔隙度及孔隙类型等因素影响。图 5 为由公式 计算得到的tx/Boltzmann 系数与土壤含水率之间的关系图。0 0.05 0.

35、1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50246810T0T1T2T3T4T5土 壤 含 水 率/(cm3cm -3)Boltzmann系数/(cmmin-0.5)图 5 土壤含水率与 Boltzmann 系数关系曲线由图 5 可知， 与残膜量存在负相关关系，T0 和 T1 之间无显著差异（F =1.139，p=0.29 ） ， T2T5 之间差异显著（F=10.840，p0.001） ，T5 的 Boltzmann 系数远小于其他处理，且各处理 Boltzmann 系数曲线存在快速下降的转折点，土壤含水率转折点可间接表示土壤持水能力的强弱，不同处理的土壤含水率转折点分别为0.4658，0.4593，0.4562，0.4308，0.4244 和 0.3188cm3/cm3，转折点值随残膜量增加而减小，说明土壤持水能力随残膜增多而下降，这可能是因为残膜阻塞土壤大孔隙，降低土壤孔隙连通性，削弱土壤持水能力。