韓勝強(qiáng)，王振華，李文昊，賈 浩

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000)

地膜覆蓋可以升溫、保水抗旱、防蟲抑草、增肥增產(chǎn)[1,2]。自1996年以后出現(xiàn)了滴灌與覆膜相結(jié)合的膜下滴灌技術(shù)[3,4]，隨著覆膜技術(shù)的不斷成熟，塑料薄膜的大量應(yīng)用，使得農(nóng)田的“白色污染”更加嚴(yán)重。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示[5]，目前在我國長期使用地膜覆蓋的農(nóng)田中,地膜的殘留量一般在60～90 kg/hm2,最高者可達(dá)到165 kg/hm2。殘存在土壤中的地膜碎片會造成土壤通氣性能的降低[6]，透水性能的減弱，甚至破壞農(nóng)田土壤空氣的正常循環(huán)和交換，最終結(jié)果使土壤的肥力水平降低、土壤板結(jié)[7,8]。從長遠(yuǎn)角度和經(jīng)濟(jì)利益來看，由塑料地膜造成的污染所導(dǎo)致的減產(chǎn)幅度將逐步達(dá)到和超過其保溫、保濕等作用帶來的增產(chǎn)幅度。為了解決農(nóng)用殘膜的危害，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了兩種實(shí)際可行的解決方法，即回收塑料地膜和開發(fā)可降解地膜。研究使用可降解地膜是我國解決普通地膜帶來“白色污染”的有效途徑。

目前對可降解膜田間應(yīng)用的研究主要集中在其對農(nóng)田水分和作物的影響效應(yīng)方面。研究了可降解膜在滴灌[9,10]條件下的應(yīng)用和液體地膜在噴灌[5]條件下的應(yīng)用。雖然張杰等[11]進(jìn)行了生物地膜、液體地膜和普通塑料地膜覆蓋對土壤水分、作物產(chǎn)量影響的研究，然而沒有研究三種地膜覆蓋對西北干旱與半干旱地區(qū)的保溫效應(yīng)，蘭印超[12]等研究結(jié)果表明，可降解地膜覆蓋能夠明顯提高土壤溫度和土壤水分。李仙岳[13、14]等研究結(jié)果表明，兩種地膜在生育前期(6-7月)對地溫?zé)o顯著差異，而在生育后期普通塑料地膜處理的土壤表層(0～20 cm)地溫明顯高于生物地膜覆蓋處理。

目前多項(xiàng)研究表明可降解地膜與塑料地膜具有類似的增溫保濕和增產(chǎn)作用能夠代替普通塑料地膜[15-17]，并且對不同厚度和不同材料可降解地膜也進(jìn)行詳細(xì)研究[18]，但是可降解地膜在強(qiáng)烈蒸發(fā)、稀缺降雨和強(qiáng)紫外線環(huán)境的新疆地區(qū)應(yīng)用研究很少。同時(shí)在土壤縱斷面方向可降解地膜對土壤水分運(yùn)移研究較少，不利于為研發(fā)提供一手資料。

本文主要針對在干旱區(qū)進(jìn)行可降解地膜對一維土壤水分入滲和蒸發(fā)特性影響的研究，為可降解膜覆膜滴灌提供理論基礎(chǔ)，并篩選適合干旱區(qū)綠洲灌區(qū)應(yīng)用完全生物降解類型，為進(jìn)一步推廣應(yīng)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(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與地膜

供試土壤采自石河子市121團(tuán)，采樣深度為0～30 cm，將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(zhì)后，自然風(fēng)干、碾壓過2 mm篩備用)。烘干法測得土壤初始含水率為7.95%。供試可降解地膜采用目前新疆地區(qū)市場銷售的幾種可降解地膜，各個(gè)處理地膜覆蓋采用不同材料：普通聚乙烯塑料地膜(PE厚0.008 mm)，A型完全生物降解地膜(BD1 厚0.010 mm)主要成分PBAT設(shè)計(jì)降解誘導(dǎo)期45 d，覆蓋B型完全生物降解地膜(BD2 厚0.010 mm)主要成分PBAT設(shè)計(jì)降解誘導(dǎo)期60d，覆蓋C型生物降解地膜(BD3 厚0.012 mm)主要成分淀粉可降解地膜降解誘導(dǎo)期60 d，這三種可降解地膜均能在1～2 a內(nèi)完全降解，其中無覆蓋處理為對照試驗(yàn)(CK)。

1.2 試驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)

室內(nèi)土柱試驗(yàn)于2017年9-10月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。土壤水分入滲、蒸發(fā)試驗(yàn)裝置如圖1。其中土壤水分入滲試驗(yàn)裝置圖1(a)由馬氏瓶(高65 cm，容積5 102.5 cm3)、土柱(半徑10 cm，高35 cm)和支架組成。土柱和馬氏瓶均由5 mm厚透明有機(jī)玻璃制作而成，土柱底部設(shè)有微小排氣孔，為土壤水分入滲提供一個(gè)氣流通暢的環(huán)境。土壤水分蒸發(fā)試驗(yàn)裝置圖1(b)由275 W遠(yuǎn)紅外燈、土柱、蒸發(fā)皿(半徑與土柱相同)和型號為FG-30KAM精密臺秤(精度 0.000 1 kg)組成。為消除壁面優(yōu)勢流的影響，入滲裝土前，在土柱內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，灌水入滲之后立即覆蓋防水塑料膜并封口，入滲結(jié)束48 h后，待土壤氣體排放穩(wěn)定，打開紅外線燈作為光源進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，蒸發(fā)試驗(yàn)開始前，揭開防水塑料膜，為縮短試驗(yàn)周期，蒸發(fā)試驗(yàn)中用275 W遠(yuǎn)紅外燈作為增強(qiáng)光源，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，同步測量蒸發(fā)皿的水面蒸發(fā)，蒸發(fā)試驗(yàn)期間室溫在 18 ～ 23 ℃，蒸發(fā)試驗(yàn)期間不進(jìn)行通風(fēng)，日平均相對濕度約為35%，平均水面蒸發(fā)量為1.75 mm/h。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

土壤溫度：使用溫度計(jì)測定不同時(shí)間段的0、5、10、15、20 及 25 cm 深土壤溫度，溫度計(jì)放置情況見圖1b，分別在第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觀測，讀取并記錄土壤溫度。

土壤蒸發(fā)量：采用稱量法測定土柱蒸發(fā)質(zhì)量，測定時(shí)間為蒸發(fā)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。

土壤含水率：入滲結(jié)束取一次土，重分布(48 h)之后再取一下,用烘干法測得含水率。

所有數(shù)據(jù)采用Excel2010、SPSS20、Origin9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜對重分布前后土壤含水率的影響

圖2是反映覆膜前后不同處理對土壤含水率的影響。從圖2(a)中可以看出，入滲剛結(jié)束，重分布前不同土層的土壤含水率隨土層深度增加而遞減，在0～15 cm土層含水率較高，在14%～18%之間變化，隨著時(shí)間的推移，達(dá)到穩(wěn)定，重分布前土壤含水率的變化符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)也跟大多數(shù)學(xué)者研究的結(jié)論相同。

圖2 不同深度含水率對比圖Fig.2 Comparison of moisture content at different depths

從圖2(b)中可以看出入滲結(jié)束，覆膜48 h，重分布之后的土壤含水率變化情況，不同覆膜處理使得不同土層的含水率出現(xiàn)了差異，在0～5 cm的土層含水率較低，在1%左右浮動，在5～15 cm的土層含水率呈現(xiàn)規(guī)律性變化，隨著土層深度的增加含水率逐漸增大，在15～25 cm的土層含水率出現(xiàn)了峰值，不同覆膜處理的峰值不一樣，但均在20 cm左右浮動，隨著深度增加含水率出現(xiàn)了不同程度的降低。從圖2(b)和圖2(a)對比中，覆膜前，土壤水分主要集中在表層土壤，0～5 cm的含水率在17%左右，隨深度逐漸降低，覆膜后，經(jīng)過48 h重分布,水分在重力的作用下入滲，土壤水分集中分布在15～25 cm之間的土壤中，由于入滲深度大，所以含水率較覆膜前小。同時(shí)，從圖2(b)中可以看出，各覆膜處理與對照組相比較，覆膜PE處理下的含水率變化幅度最大，對照組CK處理含水率變化幅度小，三種可降解膜處理BD1、BD2、BD3均對總體土壤含水率有影響，但影響不顯著，在10～25 cm之間的含水率，BD1、BD2、BD3處理下的含水率較CK處理都有所增加，但較PE處理下含水率都要低，這是因?yàn)榈啬じ淖兞舜髿馀c土壤之間的交換界面，從而使得土壤水分保持在土壤中。經(jīng)分析得出BD2的保水性優(yōu)于其他處理。

2.2 覆膜對土壤水分蒸發(fā)的影響

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(dāng)土壤表面覆膜之后不僅阻礙了空氣能量的向下傳輸?shù)耐寥馈盁嵬ǖ馈?，還阻斷了蒸發(fā)水分向上傳輸?shù)摹八ǖ馈?，所以土壤表面的覆膜量不同?dǎo)致土壤的蒸發(fā)量不同，即不同覆膜處理對土壤的不同時(shí)刻的蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量影響不同(圖3)。從圖3(a)中可以看出，不同覆膜處理下不同時(shí)間的蒸發(fā)量呈現(xiàn)顯著差異，在蒸發(fā)前期對照組的蒸發(fā)量高于其他處理，是因?yàn)闊o膜處理不能阻斷蒸發(fā)水分向上的“水通道”，同樣三種可降解膜處理下的蒸發(fā)量，BD2處理要分別低于BD1和BD3處理，隨著蒸發(fā)試驗(yàn)進(jìn)一步開展，蒸發(fā)量出現(xiàn)了不同程度減少，當(dāng)?shù)?6 h，由于外部原因?qū)е聰嚯?，所以出現(xiàn)了較大的浮動，隨著時(shí)間的推移，在蒸發(fā)后期，各處理同一時(shí)間段的蒸發(fā)量降低，可降解膜處理與普通地膜處理對蒸發(fā)量的影響程度降低。從圖3(b)中可以看出：隨著時(shí)間的推移，不同處理的累計(jì)蒸發(fā)量呈現(xiàn)顯著規(guī)律。在第64 h之前，3種可降解膜處理中，BD2的累計(jì)蒸發(fā)量都比其他處理要小，且隨時(shí)間的推進(jìn)，差異性越來越小。隨時(shí)間的推移累積蒸發(fā)量逐漸增大，PE處理下的累計(jì)蒸發(fā)量低于其他的處理，是因?yàn)槠胀ǖ啬つ芨玫匾种扑终舭l(fā)，對“熱通道”和“水通道”的阻礙作用更明顯。

2.3 覆膜對土層溫度的影響

不同的可降解地膜覆蓋表現(xiàn)出不同的保溫效果?？山到獾啬h(yuǎn)紅外燈輻射作用直接反映于土壤熱效應(yīng)的變化。不同覆膜處理下土壤不同深度(0、 5、10、15、20 和 25 cm)土壤溫度變化情況(圖4)可以得出，土壤溫度隨著時(shí)間推移，先出現(xiàn)一段急劇升高階段，隨后各個(gè)處理的溫度起伏波動不大，土壤溫度隨著土層深度增加而降低。在圖4(a)中，對照處理CK在一定的光強(qiáng)下(0～10 cm)的土壤溫度隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸升高后波動幅度變小。

圖3 不同時(shí)間段蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量對比圖Fig.3 Comparison of evaporation and cumulative evaporation in different time periods

0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20和25 cm土層平均溫度分別升高25%、28.3%、36.7%、42%、48.9%。在圖4(b)中，普通地膜(PE)處理下的各土層溫度變化在8 h之內(nèi)逐漸增加，隨后(15～20 cm)土層溫度變化幅度減小，在(0～10 cm)的土壤表層土壤溫度從低升高然后略微降低的過程，0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20和25 cm土層平均溫度分別升高13.4%、29.8%、35.8%、40.2%、47.6%。在圖4(c)中，可降解地膜(BD1)處理下的各土層溫度變化在8 h之內(nèi)逐漸增加， 0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20和25 cm土層平均溫度分別升高22.05%、33.8%、36.3%、47.9%、48.5%。在圖4(d)中，可降解地膜(BD2)處理下的各土層溫度變化趨勢跟BD1處理相似且有上升空間，0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20和25 cm土層平均溫度分別升高23.8%、32.8%、39.3%、46.9%、50.2%。在圖4(e)中，可降解地膜(BD3)處理下0 cm土層的平均溫度較5、10、15、20 和 25 cm土層平均溫度分別升高18.75%、29.6%、35.9%、36.8%、45.5%。從各處理圖中可以看出，各層土壤的溫度隨時(shí)間的推移波動幅度減小，且可降解膜處理升溫幅度高于其他處理。

圖4 不同覆膜處理在不同時(shí)間段的溫度對比圖Fig.4 Temperature comparison chart of different laminating treatments in different time periods

3 討 論

可降解地膜和普通地膜都具有保溫和持水作用，并且在一定程度上，可降解地膜與普通地膜均可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[18]。不同種類的可降解膜對土壤水入滲和蒸發(fā)特性有影響，導(dǎo)致各處理的土壤水水分分布出現(xiàn)差異。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在重分布后的含水率對比過程中，可降解地膜和普通地膜的土壤含水率差異不明顯，都高于無膜覆蓋處理，并且在地下 10～25 cm 處的土壤含水率較地下0～10 cm 處變化明顯，說明可降解地膜和普通地膜具有相同的保水作用，并且三種可降解膜中BD2保水作用較明顯。在土壤水分蒸發(fā)變化過程中，初始時(shí)，隨著溫度升高，蒸發(fā)量急劇變大，但隨著時(shí)間的推進(jìn)，蒸發(fā)量由上升趨勢向下降趨勢變化，但是累積蒸發(fā)量呈現(xiàn)規(guī)律性增長，且趨勢越來越小，可降解膜處理中 BD2處理抑制蒸發(fā)的效果最明顯。在西北干旱區(qū)和半干旱區(qū)，為增溫增產(chǎn)而覆膜耕作。地膜覆蓋后改變了土壤與大氣的接觸面從而改變了土壤的溫度效應(yīng)，地膜阻礙了正常土壤與大氣的水熱交換界面[19,20]。在土壤溫度變化過程中，地下0～10 cm 處土壤溫度升高和降低均較快，溫度變化很明顯，地下15 cm 處的次之，地下20～25 cm 處的不太明顯，大致規(guī)律是土壤溫度隨著深度增加而變化幅度降低。說明隨著土壤深度的增加，地膜對土壤溫度的影響逐漸降低；這是因?yàn)橥寥罒嵬空趶牡乇硐蛏顚油寥纻鬟f?？山到獾啬ず推胀ǖ啬さ臏囟认嗖畈淮?，且均高于無膜處理，說明可降解地膜和普通地膜具有相同的升溫保溫作用，并且三種可降解膜中BD2升溫保溫作用較明顯。

4 結(jié) 語

對可降解膜覆蓋對一維土柱土壤水分入滲蒸發(fā)影響進(jìn)行研究，通過室內(nèi)土柱192 h的試驗(yàn)，結(jié)果表明:入滲結(jié)束后覆膜,經(jīng)48 h的重分布，各處理組均能有效提高地下15～25 cm土壤水分含量,BD2處理的效果優(yōu)于其他兩種可降解膜；BD2覆膜處理對5～15 cm土壤溫度的保溫作用明顯；BD2處理對水分蒸發(fā)作用抑制明顯，綜上，從保水、保溫、抑制蒸發(fā)角度得出：可降解膜BD2處理最優(yōu)?？山到獾啬ぷ鳛橐环N新型環(huán)保材料，其田間應(yīng)用效果正在逐步驗(yàn)證中，以可降解地膜替代普通地膜大面積應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尚需時(shí)日，本研究對于可降解地膜的推廣提供理論支撐。此外，可降解地膜在不同生態(tài)條件下的田間降解狀況還需進(jìn)一步研究。

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