殘留地膜對粉壤土水鹽氮運移與再分布的影響

于永剛,孫池濤,2*,程金杰,劉月巖,呂鵬超,張明明

(1. 山東農業大學水利土木工程學院,山東 泰安 271018;2. 農業農村部農膜應用重點實驗室,山東 泰安 271018;3. 山東省農業生態與資源保護總站,山東 濟南 250131;4.威海市農業農村事務服務中心,山東 威海 264200)

地膜覆蓋技術具有保溫保墑、抑制雜草等功效,在生產中起到了節水增產等作用,是中國農業生產中不可或缺的一項重要栽培增產技術[1].然而,農業生產中覆蓋地膜“重使用,輕回收”的現象嚴重,且農田土壤殘膜回收機制并不健全,導致每年有大量殘膜滯留于土壤中[2].長期以來,殘留在土壤中的地膜造成了嚴重的白色污染問題,土壤生產潛力逐年下降[3].風化破碎的農田地膜埋深于土壤中,破壞了土壤的孔隙結構,改變了土壤原有理化性質[4],同時由于殘膜具有不透水、不透氣性,殘膜存在于土壤中使得土壤通透性下降,土壤中水分和溶質的入滲與再分布過程發生變化,土壤肥力水平降低.現階段關于殘膜對土壤水分入滲分布過程影響的研究較多,牛文全等[5]發現殘膜對土壤水分入滲與蒸發過程起阻礙作用,并增加了土壤水分分布的變異程度.李元橋等[6]發現當殘膜量超過360 kg/hm2時,土壤優勢流明顯,且會滯留部分硝態氮并增加其分布的不均勻程度.劉大有等[7]通過土箱試驗發現,殘膜阻礙肥液入滲并減少了水肥分布的均勻性.關于農田殘膜對入滲條件下水分、溶質等單一因素影響方面的研究較多,但通常忽略了入滲結束后水、肥、鹽等多因素再分布的影響.文中設置不同殘膜量土壤入滲-蒸發模擬試驗,旨在探究殘留地膜對土壤水、鹽、氮的運移與再分布規律,為殘膜污染農田土壤水、肥、鹽綜合調控提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 供試土壤與地膜

供試土壤取自山東省農科院現代農業綜合試驗示范基地0～40 cm土層,土壤初始容重為1.35 g/cm3.土壤取回后經風干碾壓后過2 mm篩備用,土壤粒級通過BT-9300S激光粒度分布儀測定,其中,黏粒(<0.002 mm)為9.23%,粉粒[0.002,0.020] mm為46.35%,砂粒(>0.020 mm)為44.42%,根據美國農業部的地質三角形圖確定土壤為粉壤土,試驗使用當年農田回收殘膜,將殘膜清洗晾干,剪切為2 cm×2 cm的方形薄片備用.

1.2 試驗設計

采用一維定水頭垂直入滲系統進行試驗,所用有機玻璃柱內徑9.4 cm,高40.0 cm,設置6.0 cm底座用于排水排氣.按殘膜含量不同設置1個對照和3個處理,分別為CK(0 kg/hm2),T1(100 kg/hm2),T2(200 kg/hm2),T3(400 kg/hm2),每個處理6次重復.試驗前,將殘膜與土壤混合均勻,并按1.45 g/cm3容重分層裝入土柱中,每層高度為4 cm,共分7層,層間打毛,裝土高度為28 cm.為模擬田間殘膜分布情況,所有處理(0,10] cm土層放置殘膜總量的70%,(10,20] cm土層放置剩余殘膜,(20,28] cm土層不摻膜[8].有機玻璃柱底座上鋪設1層濾紙和2 cm厚的石英砂(粒級1～2 mm)作為反濾層,柱頂預留10 cm空隙,試驗裝置如圖1所示.

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Diagram of experimental setup

用去離子水配制600 mg/L的氮肥(尿素CH4N2O)溶液進行灌溉入滲試驗,試驗采用馬氏瓶供水,水頭高度設置為5 cm,控制各處理灌水量為0.7 L,記錄土柱濕潤鋒運移距離與累積入滲量.入滲24 h水分分布穩定后,每個處理選擇1個重復按(0,4],(4,8],(8,12],(12,16],(16,20],(20,24]和(24,28] cm分7層用土鉆破壞性取樣,每個土柱取3個樣本,樣品用于測定各個土柱不同土層土壤的硝態氮含量和銨態氮含量.其余土柱繼續開展蒸發試驗,每日定時稱量土柱重量變化取得水分蒸發量,并在蒸發的第15,30,45,60,85 d破壞土柱取樣,測定土壤各個土層的硝態氮含量和銨態氮含量.試驗期間實驗室的室內溫度為17～22 ℃,空氣相對濕度為60%～85%.

1.3 測定項目與方法

1.3.1濕潤鋒運移距離

入滲試驗開始后,用秒表計時,通過記錄土柱側面的刻度獲取濕潤鋒運移距離.讀數間隔根據入滲速率按前密后疏的原則進行調整.

1.3.2累積入滲量

記錄濕潤鋒的同時觀測馬氏瓶的水位變化,獲取累積入滲量.

1.3.3土壤質量含水率

土壤質量含水率采用烘干法測定.取一份土壤置于已知重量的鋁盒中,稱量其總質量,將鋁盒放入105 ℃的烘箱中烘干12 h,取出并稱量烘干后總質量,計算土壤質量含水率公式為

(1)

式中:θ為土壤質量含水率,%;M1為鋁盒質量,g;M2為濕土和鋁盒質量,g;M3為干土和鋁盒質量,g.

1.3.4土壤電導率

土壤電導率采用浸提法測定.取一份土壤風干、粉碎并過2 mm篩,稱取10 g處理好的土壤,按土水比1∶5進行混合,充分振蕩后靜置,待溶液分層后用電導率儀(上海雷磁 DDS-307A)測上層清液的電導率.

1.3.5土壤硝態氮與銨態氮質量比

取樣完成后稱取鮮土5 g,裝入100 mL錐形瓶中,加入25 mL去離子水,保持土水比1∶5振蕩30 min后過濾,用連續流動分析儀(荷蘭,SKALAR)測定濾液的銨態氮與硝態氮質量比.

1.3.6蒸發強度與累積蒸發量

累積蒸發量采用稱重法確定.定時稱量土柱的質量變化,計算并記錄各個處理的蒸發強度e和累積蒸發量E.其計算公式為

(2)

(3)

式中:M為2次測量土柱質量的差值,即土柱損失的水的質量,g;r為土柱內半徑,mm;Δt為前后2次測定的時間差,d.

1.3.7變異系數

變異系數CV又稱為離散系數,可反映不同處理數據的離散程度,其計算公式為

(4)

1.4 數據分析與處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0進行數據處理和統計分析,采用單因素方差分析及LSD多重比較確定不同處理間差異,采用Origin 2018作圖.

2 試驗結果分析

2.1 土壤入滲性能變化

圖2為不同殘膜含量處理對濕潤鋒運移與累積入滲量的影響.圖中d為土壤濕潤鋒運移距離,t為入滲時間,I為累積入滲量.

由圖2a可知,隨著入滲時間的增加,不同殘膜量處理土壤濕潤鋒運移曲線均變平緩且逐漸分層.當入滲時間為900 min時,處理CK,T1,T2,T3的濕潤鋒運移距離分別為23.63,23.58,24.32,22.78 cm,濕潤鋒運移距離隨殘膜量的增加呈先增加后減小趨勢,且處理T3較CK的d值降低了3.59%.圖2b為不同處理土壤入滲14 h后累積入滲量I的變化情況,由圖可知,相同入滲時間內,殘膜量對累積入滲量的影響顯著(P<0.05).當入滲時長為14 h,處理CK,T1,T2和T3的累積入滲量分別為596.52,613.86,648.54和572.24 mL,累積入滲量隨殘膜量的增加呈先增加后減小的趨勢,且處理T3較CK的I值降低了4.07%.

2.2 土壤水分運移與再分布變化

圖3為不同處理土壤剖面質量含水率θ的變化情況,圖中h為土層深度.由圖可知,入滲結束后,處理CK,T1,T2,T3的(0,12] cm土層土壤剖面平均質量含水率分別為30.65%,30.79%,31.04%,31.10%,隨殘膜量增加而增加,說明隨殘膜含量增加有更多水分殘留在上層土壤;當蒸發時長為30 d,處理CK,T1,T2,T3土層土壤剖面平均質量含水率分別為23.35%,22.99%,22.91%,22.63%,土壤剖面平均質量含水率隨殘膜量增加而減少;當蒸發時長超過45 d,不同處理土壤剖面平均質量含水率關系發生變化,隨殘膜量的增加呈先增加后減少的變化趨勢;蒸發試驗結束時,處理CK,T1,T2,T3土層土壤剖面平均質量含水率分別為11.48%,11.76%,11.74%,11.37%,從試驗的最終結果來看,隨殘膜含量增加,殘膜對土壤水分蒸發的阻礙作用逐漸轉變為促進作用.

圖3 不同時刻各殘膜處理土壤剖面質量含水率變化Fig.3 Changes in mass moisture content of soil profile treated with various residual films at different times

表1為不同殘膜含量對土壤各土層質量含水率變異系數的影響.表中CVθ為土層質量含水率CV值.由表可知,不同處理土壤質量含水率均未出現弱變異性,處理CK,T1,T2,T3質量含水率呈強變異性的土層個數分別為3,2,4,5個;中等變異性土層個數分別為4,5,3,2個;(0,28] cm土層,處理CK,T1,T2,T3的質量含水率變異系數分別為7.78,7.28,7.90,8.57.隨殘膜量增加,土壤質量含水率變異程度有增加的趨勢,其中,處理T3較CK的CVθ,增加了10.15%,由此可知殘膜增大了土壤質量含水率的變異程度,減少了水分分布的均勻性.

表1 不同殘膜含量土壤各土層質量含水率CV值Tab.1 CV values of soil mass moisture content of each soil layer with different residual film contents

試驗期間不同處理土壤累積蒸發量E與蒸發強度e隨時間t的變化如圖4所示.

圖4 不同殘膜含量對累積蒸發量和蒸發強度的影響Fig.4 Effects of different residual film contents on cumulative evaporation and evaporation intensity

蒸發25 d時,處理CK,T1,T2,T3的累積蒸發量分別為22.67,21.44,21.55,22.79 mm,蒸發強度分別為0.914,0.883,0.897,0.952 mm/d,累積蒸發量和蒸發強度按處理從大到小排序均為T3,CK,T2,T1;當蒸發62 d時,處理CK,T1,T2,T3的累積蒸發量分別為56.11,55.13,55.51,56.49 mm,處理T1,T2,T3的累積蒸發量與處理CK相比僅相差1.76%,1.08%,0.68%,說明隨蒸發時長的增加,處理T1和T2的蒸發強度逐漸大于處理CK和T3,累積蒸發量的差距逐漸縮小.累積蒸發量的變化結果與土壤質量含水率變化結果相符.

2.3 土壤鹽分運移與再分布變化

圖5為不同處理土壤剖面電導率EC的變化情況,由圖可知,各處理土壤剖面電導率均隨土層深度的增加而增加.水分入滲結束后,處理CK,T1,T2,T3的土層平均電導率分別為4.84,5.93,6.41,5.86 mS/cm,處理T1,T2和T3土層平均電導率相較于處理CK分別增加了22.52%,32.44%,21.07%.蒸發時長為30 d時,各殘膜量處理不同土層土壤剖面電導率差異顯著,處理CK,T1,T2,T3的土層平均電導率分別為6.02,6.38,6.76,6.91 mS/cm,土壤剖面平均電導率隨殘膜量增加呈遞增趨勢,與同時刻殘膜對質量含水率的影響規律相反.蒸發時長大于45 d時,處理CK和T3的上層土壤電導率明顯高于處理T1和T2.試驗結束時,處理CK,T1,T2,T3的土壤表層電導率分別為7.97,7.38,7.49,8.02 mS/cm,土壤底層電導率分別為8.87,9.22,9.24,8.90 mS/cm.相較于處理T1和T2,處理CK和T3表層電導率更高,而底層電導率更低.從蒸發試驗的最終電導率變化結果來看,殘膜對土壤鹽分的向上運移有一定阻礙作用,隨殘膜量的增加,阻礙效果先增加后減小.

圖5 不同時刻各殘膜處理土壤剖面電導率變化Fig.5 Changes in electrical conductivity of soil profile treated with various residual films at different times

表2為殘膜含量對土壤各土層電導率變異系數的影響.表中CVEC為電導率CV值.

表2 不同殘膜含量土壤各土層電導率CV值Tab.2 CV values of conductivity of each soil layer with different residual film contents

由表可知,不同殘膜量處理土壤各土層電導率均未出現弱變異性,處理CK,T1,T2,T3電導率為強變異性土層的數量分別為7,4,7,5個,無明顯規律.0～28 cm土層,處理T1,T2,T3的電導率變異系數分別為19.89,21.60,20.11,比處理CK分別增加5.35%,14.41%,6.51%.與CK相比,含殘膜處理的變異系數均有增大,說明殘膜對單個土層電導率變異程度影響并無明顯規律,但會增加不同土層間電導率差值,導致整個土柱范圍電導率變異程度增加.

2.4 土壤硝態氮和銨態氮運移與再分布變化

圖6 不同時刻各殘膜處理土壤剖面硝態氮質量比變化Fig.6 Changes in mass ratio of nitrate nitrogen in soil profile treated with various residual films at different times

圖7 不同時刻各殘膜處理土壤剖面銨態氮質量比變化Fig.7 Changes in mass ratio of ammonium nitrogen in soil profile treated with residual films at different times

表3為殘膜含量對土壤各土層硝態氮與銨態氮質量比變異系數的影響.表中CVw為質量比的CV值.

表3 不同殘膜含量土壤各土層硝態氮與銨態氮質量比CV值Tab.3 CV values of mass ratio of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in each soil layer with different residual film contents

由表可知,隨著殘膜量增加,土壤硝態氮質量比呈強變異性的土層數量逐漸減少.處理CK,T1,T2,T3呈強變異性土層數量分別為6,1,0,0個;中等變異性土層數量分別為1,6,4,3個;弱變異性土層數量分別為0,0,3,4個.(0,28] cm土層,處理CK,T1,T2,T3的硝態氮質量比變異系數分別為2.81,0.94,0.44,0.41,隨土壤中殘膜量增加,土壤各土層硝態氮質量比的變異程度降低,土壤中硝態氮分布趨于均勻.相較于硝態氮,不同處理土壤銨態氮質量比變異系數較高,變異程度均為強變異性,且不同處理相同土層土壤銨態氮質量比變異系數差異較大,說明殘膜改變了銨態氮的分布,導致不同處理土壤相同深度土層銨態氮質量比變異系數差異增大,(0,28] cm土層,土壤銨態氮質量比變異系數分別為129.11,134.07,125.14,128.70,殘膜對銨態氮質量比變異程度的影響差異不具有統計學意義.

3 討 論

3.1 殘膜對土壤水分運移與再分布的影響

殘膜改變土壤的理化性質進而影響水分入滲過程.文中發現,隨殘膜含量增加,濕潤鋒運移距離與累積入滲量均呈先增加后減小趨勢,與李玥等[9]的研究結果一致,原因是殘膜與土壤間的孔隙過水能力更強,含膜土層易產生優勢流,增加水分運移速率[10];當殘膜過多時,破壞了土壤的孔隙連續性,阻斷水分的下滲通道,且殘膜與土壤間形成“孔隙差異界面”,填充空氣后水分入滲阻力增加,使土壤入滲性能降低.入滲結果表明,隨殘膜量的增加,土壤質量含水率變異系數有增大的趨勢,與吳鳳全等[11]的研究結果一致,原因是殘膜的滯水作用改變了土壤水分入滲過程,使水分分布不均勻.蒸發試驗結束時,隨土壤中殘膜含量增多,殘膜對土壤水分蒸發由阻礙作用轉變為促進作用,原因是蒸發后期上層土壤毛管水蒸發完成,表土質量含水率低于臨界質量含水率,蒸發進入水汽擴散階段,土壤水分在土柱內部汽化,通過水汽擴散方式向上運移,殘膜與土壤間的孔隙失水后,形成過水能力較差的阻隔層,減緩了蒸發速率,高殘膜量處理殘膜與土壤接觸形成大孔隙[12],易形成底部土壤與空氣的通路,減少了阻礙作用的影響,使蒸發速率有一定提升.不同蒸發階段,殘膜對水分再分布的作用效果發生改變,原因是殘膜含量不同導致各處理土壤質量含水率及水分分布隨時間增加逐漸產生差異,最終對水分再分布過程產生影響.

3.2 殘膜對土壤鹽分運移與再分布的影響

土壤鹽分變化與水分運移息息相關[13].文中發現,殘留在土壤中的地膜降低了鹽分淋洗效果,這與吳鳳全等[11]的研究結果一致,原因是殘膜減少了入滲水量,且殘膜阻礙了水分與土壤的接觸,導致鹽分淋洗不充分,上層土壤鹽分增多.地膜殘留降低了土壤鹽分分布的均勻性,土壤鹽分變異系數隨殘膜量的增加而增加,這與徐陽等[14]的研究結果相同.不同土層電導率變異系數結構表明,殘膜對單個土層電導率變異系數影響差異不具有統計意義.但隨著殘膜含量的增加,不同土層間電導率差異具有統計學意義,導致整個土柱垂直向電導率變異系數增加,分析認為殘膜阻礙水分對鹽分的淋洗導致不同處理土壤初始含鹽量產生差異,同時由于殘膜改變了土壤結構,影響了水鹽分布的均勻性,二者共同作用導致了這種現象.

3.3 殘膜對土壤氮素運移與再分布的影響

文中發現土壤中的殘膜促進了土壤中硝態氮與銨態氮的淋洗,當土壤中存在殘膜時,膜與土壤接觸形成了大孔隙作為水流的通道[13],同時殘膜減少了水流與土壤的接觸,氮肥與土壤膠體之間的吸附量減少,促進了氮素向下運移.水分再分布過程中,殘膜對硝態氮的向上運移起阻礙作用,對銨態氮向上運移由阻礙作用轉變為促進作用,原因是溶質質量比對氮素運移造成了影響,土壤中硝態氮含量由于酰銨態氮含水解與銨態氮硝化的補充一直處于較高水平[15],而堿性土壤環境下銨態氮質量比迅速下降[16].當土壤中無機氮含量充足時,殘膜由于不透水特性阻礙了硝態氮與銨態氮的向上運移.當蒸發進入水汽擴散階段,銨態氮質量比下降至較低水平,少量銨態氮揮發后通過殘膜在土壤中形成的非毛管孔隙向上運移,同時殘膜減少了銨態氮與土壤的接觸,土壤膠體吸附銨態氮減少,此時殘膜可促進銨態氮的流失.殘膜的存在降低了土壤硝態氮質量比變異系數,對銨態氮質量比變異系數影響不大,原因是殘膜降低了土壤底層的硝態氮向上運移速度,相較于處理CK,整體土壤與各個土層硝態氮質量比相近,變異程度降低.銨態氮處于堿性土壤中揮發速度較快,同一殘膜量處理不同土層銨態氮質量比差異具有統計學意義,不同土層銨態氮質量比CV值均較高,因為揮發效果對變異系數的影響遠大于殘膜的影響,因此不同殘膜含量下銨態氮質量比變異系數并無明顯規律.

4 結 論

1) 殘膜含量對土壤入滲性能的影響具有統計學意義.隨殘膜量增加,土壤水分入滲速率先增加后減小;水分蒸發過程中,隨殘膜量增加,土壤蒸發速率先減小后增加;不同蒸發階段,殘膜對水分再分布的作用效果發生改變;隨殘膜量增加,土壤質量含水率變異系數增加.

2) 殘膜阻礙鹽分的淋洗;水分再分布過程中,殘膜對鹽分向上運移起阻礙作用;殘膜增加了土壤電導率變異系數.

3) 殘膜促進了硝態氮與銨態氮的淋洗;水分再分布過程中,殘膜對土壤硝態氮向上運移起阻礙作用,對土壤銨態氮向上運移由阻礙作用轉變為促進作用;殘膜減少了土壤硝態氮質量比變異系數,對土壤銨態氮質量比變異系數的影響不具有統計學意義.