膜下滴灌对降雨入渗影响研究

宋幽静，何俊仕，董克宝，付玉娟，李 阳(沈阳农业大学，沈阳 110000)

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本次试验为田间原位观测试验，试验站点设在内蒙古通辽市科尔沁左翼中旗腰林毛都镇的南塔林艾勒村，位于东经122°21′03.0″，北纬44°06′28.1″，属于西辽河平原区，该地区多年平均降雨量为339.8 mm，蒸发量约为降雨量的五至六倍，年平均气温为2～6 ℃，年均风速为3～4.4 m/s，为半干旱地区。试验田全部为普通农田，按深度不同，共有3种土质，其土壤基本物理参数如表1所示。

表1 土壤基本物理参数

1.2 试验布设与安排

试验区域共设4个小区，分别对应平整裸地、无膜滴灌、地面灌及膜下滴灌4种下垫面处理形式，滴灌试验小区各设置3个观测断面，地面灌及平整裸地各设一个观测断面，且为减少偶然因素影响，每个观测断面均设置3个重复；除平整裸地无农作物外，其他3个小区农作物均为同品种玉米，且播种时间基本相同；小区之间相互独立，各小区从地表向下，均有3种土壤组成，且一般为0～50 cm为一层，50～80 cm为第二层，80 cm以下为一层(仅地面灌区域0～30 cm为一层，30～60 cm为一层，60～80 cm为一层，80 cm以下为一层)。试验主要观测指标为土壤含水率，观测时间段为玉米全生育期(5月中旬-10月上旬)，共采用TDR及HOBO U30两种仪器进行观测；其中TDR为人工观测仪器，需于Trim管配套使用，在4个试验小区中均布设有Trim管，观测频次为降雨前、降雨结束后一天、两天、三天各一次；HOBO U30为自动观测仪器，受传感器数量的限制，仅在膜下滴灌及地面灌2个试验小区中进行布设，相邻两次观测时间间隔为1 h。此次试验TDR最大观测深度均为120 cm，自动观测深度为110 cm，均每隔10 cm进行一次数据采集(见图1～图4)。

图1 地面灌观测区剖面图(单位：cm)

图2 滴灌观测区剖面图(单位：cm)

图3 地面灌自动观测布置图

图4 膜下滴灌自动观测布置图

2 结果与分析

本次玉米全生育期田间降雨入渗观测试验主要得到7组降雨系列观测数据，根据各场降雨的雨量及历时情况，选取具有代表性的5组试验，进行降雨入渗分析，5场降雨前一周均未进行灌水处理，雨前表层初始含水率基本维持在30～35 cm3/cm3之间。该5组试验所对应的5次降雨的基本信息如表2所示。根据实际降雨过程情况，将其分为集中型降雨和分散型降雨两种情况，其中Ⅰ和Ⅳ为分散型降雨，Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ为集中型降雨。

2.1 降雨入渗百分比分析

为分析不同灌溉形式即观测位置处累积入渗能量之间的大小关系及差值关系，考虑到各场降雨雨量相差较大，累积入渗量在数值上也有较大差距，直接进行大小或差值比较易受雨量本身大小的影响；为消除该影响，此处引入降雨入渗百分比λ，即降雨入渗程度。具体计算公式如下：

λ=I/P

(1)

式中：λ为降雨入渗百分比；I为降雨累积入渗量，mm；P为次降雨总量，mm。

表2 5组试验基本降雨信息

图5为5场降雨条件下不同灌溉形式所对应的降雨入渗百分比分布图，从图5可以看出：第Ⅴ场降雨虽然总降雨量最小，但降雨入渗百分比却大于第Ⅰ场降雨，可见降雨入渗程度不仅与雨量有关还与降雨过程有关，当雨量偏小时，分散型降雨条件下，降雨入渗百分比显著小于集中型降雨。在同一降雨条件下，受植被截流作用的影响，平整裸地条件下的降雨入渗百分比最大，且雨量越小，雨强越弱，截流作用越明显，仅在高强度大雨量的集中型降雨，如降雨Ⅱ条件下，平整裸地的降雨入渗百分比才小于其他3种农田下垫面处理情况。同时，除高强度大降雨外，无膜滴灌降雨入渗百分比仅次于平整裸地，大于地面灌，排第二位，因此垄沟的集雨汇水作用可促进降雨入渗，增加降雨入渗百分比。对于膜下滴灌，虽其下垫面也有起垄处理，但降雨入渗百分比却小于地面灌，排在最后一位，说明地膜覆盖会阻碍降雨入渗，减少降雨入渗量，从而减低降雨入渗百分比，且在同一降雨条件下，地膜对入渗的阻碍作用效果大于起垄对入渗的促进作用。

图5 不同灌溉形式降雨入渗百分比

5场降雨条件下，无膜滴灌和地面灌降雨入渗百分比的差值分别为0.61%、3.99%、1.74%、0.91%和0.49%。对于同种雨型，降雨Ⅴ、Ⅲ、Ⅱ均为集中型降雨，3.99%>1.74%>0.49%，降雨Ⅰ和Ⅳ为分散型降雨，0.91%>0.61%，即无论集中型降雨还是分散型降雨，雨量越大，无膜滴灌和地面灌降雨入渗百分比的差异越大，两者之间为正相关关系；即增大雨量可促进垄沟集雨对降雨入渗的促进作用。对于同一雨量，降雨Ⅲ和Ⅰ均为20～30 mm级，1.74%>0.61%，降雨Ⅱ和Ⅳ均为30 mm以上级，3.99%>0.91%，即对于20 mm以上降雨，降雨历时短，集中性强，无膜滴灌和地面灌降雨入渗百分比之间的差异越大；即降雨集中性越强，垄沟集雨对入渗百分比的增加作用越明显。

同样的，5场降雨条件下，膜下滴灌与地面灌降雨入渗百分比的差值分别为9.36%、0.61%、4.96%、6.14%和9.32%，整体来看两者差值普遍大于无膜滴灌与地面灌之间的差值。对于同种雨型，9.32%>4.96%>0.61%，9.36%>6.14%，雨量依次增大，膜下滴灌和地面灌之间降雨入渗百分比的差值逐渐减小，即膜下滴灌和地面灌降雨入渗百分比的差值与雨量大小成负相关关系，雨量越大，膜下滴灌对降雨入渗的削减越不明显。对于同一雨量，9.36%>4.96%，6.14%>0.61%，即对于20 mm以上降雨，降雨越集中，膜下滴灌和地面灌降雨入渗百分比之间的差距越小，即降雨越集中，膜下滴灌地膜覆盖对累积入渗量的减小作用越不明显。

为进一步分析膜下滴灌整体降雨入渗百分比偏小的原因，分别对膜下滴灌不同观测剖面处的降雨累积入渗量进行对比分析，图6为5场降雨条件下，膜下滴灌不同位置处相应的降雨入渗百分比分布图，从图6可以看出：膜下滴灌3个观测位置处的降雨入渗百分比大小关系为沟中>膜边>膜中，且沟中>地面灌、膜中<地面灌，可见，膜下滴灌降雨入渗百分比偏低，主要是由3个观测断面处入渗程度的不均衡性造成的，尤其是膜中位置。5场降雨沟中和膜边降雨入渗百分比的差值分别为12.1%、6.3%、9.06%、11.92%和11.08%，沟中和膜中降雨入渗百分比的差值分别为21.31%、16.32%、19.23%、21.11%和22.16%。可以看出，对于同种雨型，膜边差值为6.3%<9.06%<11.08(集中型)、11.92<12.1%(分散型)，膜中差值为16.32%<19.23%<22.16%(集中型)、21.11%<21.31%(分散型)，即无论是集中型还是分散型降雨，随着次降雨量的增加，膜边、膜中与沟中位置处降雨入渗百分比的差值均会减小，尤其是集中型降雨；可见，增大降雨量，可缩小膜下滴灌3个位置处的降雨入渗量之间的差距，减小入渗的不平衡程度，从而在一定程度上缩小膜下滴灌和地面灌累积入渗量百分比之间的差距。

图6 膜下滴灌不同位置处降雨入渗百分比

2.2 最大入渗深度对比分析

最大入渗深度是衡量降雨入渗能力的另一指标，入渗深度浅则降雨入渗水主要保留在耕层及作物根系层，入渗水主要耗于植物蒸腾及无效蒸发；入渗深度大则可促进深层渗漏，利于地下水补给。研究区域内，50～80 cm深度范围，土壤质地为黏土，饱和导水率小；加之该地区次降雨量普遍在50 mm以下(以0～20 mm居多)，雨强基本不超过10 mm/h；因此该地区发生深层渗漏的概率较小，本次研究的最大深度为120 cm。

图7为不同观测位置处各场降雨最大入渗深度统计图。5组降雨情况下，降雨Ⅰ和降雨Ⅴ的最大入渗深度相对较小，这与降雨Ⅰ的雨强及降雨Ⅴ的雨量偏小有关；降雨Ⅰ虽雨量为26.6 mm，属中等水平，但雨强却不足1 mm/h；降雨Ⅴ虽平均雨强可达5 mm/h，但雨量却仅有10 mm。除膜下滴灌膜中及膜边2个观测位置外，其他观测断面处的降雨入渗最大深度相差不大，若滴灌区的最大观测深度均取3个观测断面入渗深度的最大值，则4种下垫面处理形式下的降雨最大入渗深度基本一致，可见下垫面形式对最大入渗深度影响不大。覆膜的存在，显著减小了膜中及膜边位置的最大入渗深度。此外，虽然起垄或覆膜会增大沟中位置处的入渗水量，理论上会促进垂向入渗，增大入渗深度；但从试验结果来看，沟中位置的入渗深度较其他观测位置相比，并未表现出明显优势；这可能是由于，无膜滴灌及膜下滴灌均存在一定的水平水势梯度差，入渗过程表现为垂向入渗和侧向入渗的两种形式，起垄或覆膜对侧向入渗的影响更为明显。

图7 不同观测位置处最大入渗深度

2.3 湿润锋运移对比分析

根据自动检测数据，对湿润锋到达各位置处的时间进行统计分析，图8和图9分别为集中型降雨条件下和分散型降雨条件下膜下滴灌各观测剖面处湿润锋运移情况与地面灌湿润锋运移情况的对比分析图。

图8 集中型降雨条件下湿润锋运移图

图9 分散型降雨条件下湿润锋运移图

膜下滴灌3个观测位置处，在集中型降雨条件下，浅层0～20 cm 3个位置处湿润锋运移速率相差不大，随深度增加沟中运移速率逐渐大于其他2个观测断面。

集中型降雨条件下，雨量在30 mm以上时，膜下滴灌沟中位置0～70 cm深度范围内，湿润锋运移速率与地面灌近似相等，70～110 cm深度范围内，沟中位置运移速率大于地面灌；膜下滴灌膜边位置0～50 cm深度范围内，运移速率和地面灌相同，50～60 cm深度范围内运移速率小于地面灌；膜下滴灌膜中位置湿润锋运移速率与地面灌近似相等。雨量为20 mm级时，膜下滴灌沟中位置0～60 cm深度范围内，湿润锋运移速率与地面灌近似相等，60～100 cm深度范围内，沟中位置运移速率略大于地面灌；膜下滴灌膜边位置和膜中位置湿润锋运移速率均小于地面灌。雨量为10 mm级时，膜下滴灌沟中位置0～40 cm深度范围内，湿润锋运移速率与地面灌基本相等，40～60 cm以下深度范围内，沟中位置运移速率大于地面灌；膜下滴灌膜边位置和膜中位置20～50 cm深度范围内，湿润锋运移速率小于地面灌。

分散型降雨条件下，雨量在30 mm以上时，膜下滴灌沟中位置在0～60 cm深度范围内，湿润锋运移速率与地面灌略有差异，且地面灌运移速率大于膜下滴灌，60～110 cm深度范围内，湿润锋运移速率和地面灌相等；膜下滴灌膜边位置和膜中位置湿润锋运移速率均小于地面灌。雨量在20 mm级时，膜下滴灌沟中位置湿润锋运移速率和地面灌近似相等；膜下滴灌膜边位置和膜中位置湿润锋运移速率均小于地面灌。

总体而言，无论是集中型降雨还是分散型降雨，膜下滴灌膜边和膜中位置湿润锋运移最大深度和运移速率均小于地面灌，且差距较大，尤其是膜中位置；分散型降雨条件下，沟中位置湿润锋运移速率与地面灌相似，而集中型降雨条件下，0～50 cm深度范围内，沟中位置与地面灌湿润锋运移速率近似相等，50 cm以下，沟中位置湿润锋运移速率大于地面灌。可见，在集中型降雨条件下，地膜和起垄对雨水的汇聚作用较分散型降雨强，沟中位置地面积水持续时间长，有利于深层入渗。

3 结 语

(1)起垄及覆膜处理会影响田间降雨入渗的均衡性，就降雨入渗量而言，起垄可增加次降雨累积入渗量，覆膜则减少次降雨累积入渗量，膜下滴灌3个观测位置处降雨入渗百分比大小关系为沟中位置>膜边位置>膜中位置；且地膜对降雨入渗的削减作用大于起垄对降雨入渗的促进作用，整体上，除高强度大降雨外，平整裸地次降雨入渗百分比>无膜滴灌>地面灌>膜下滴灌。此外随着雨强及雨量的增加，起垄集雨对入渗的促进作用越明显，垄沟积水的增多，促进了土壤水分的侧向运移，从而削弱了覆膜对入渗量的减少作用，膜下滴灌方式与地面灌方式之间降雨入渗百分比的差距逐渐减小。

(2)次降雨最大垂向入渗深度主要受降雨条件影响，与下垫面形式关系不大，增加雨量或雨强，可增加降雨入渗深度。受覆膜的影响，膜下滴灌膜中及膜边位置处的最大入渗深度均较小；此外，起垄及覆膜的汇水作用在一定程度上会促进降雨入渗的侧向运移过程，对增加垂向运移深度并无明显作用。

(3)湿润锋运移速率受降雨条件及下垫面条件的双重影响，垄沟集雨及覆膜汇水作用，均可提高降雨入渗的垂向运移速率，且降雨历时越短，雨量越大，该作用越明显。

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