膜下滴灌對降雨入滲影響研究

宋幽靜，何俊仕，董克寶，付玉娟，李 陽(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，沈陽 110000)

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本次試驗為田間原位觀測試驗，試驗站點設(shè)在內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼中旗腰林毛都鎮(zhèn)的南塔林艾勒村，位于東經(jīng)122°21′03.0″，北緯44°06′28.1″，屬于西遼河平原區(qū)，該地區(qū)多年平均降雨量為339.8 mm，蒸發(fā)量約為降雨量的五至六倍，年平均氣溫為2～6 ℃，年均風(fēng)速為3～4.4 m/s，為半干旱地區(qū)。試驗田全部為普通農(nóng)田，按深度不同，共有3種土質(zhì)，其土壤基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 土壤基本物理參數(shù)

1.2 試驗布設(shè)與安排

試驗區(qū)域共設(shè)4個小區(qū)，分別對應(yīng)平整裸地、無膜滴灌、地面灌及膜下滴灌4種下墊面處理形式，滴灌試驗小區(qū)各設(shè)置3個觀測斷面，地面灌及平整裸地各設(shè)一個觀測斷面，且為減少偶然因素影響，每個觀測斷面均設(shè)置3個重復(fù)；除平整裸地?zé)o農(nóng)作物外，其他3個小區(qū)農(nóng)作物均為同品種玉米，且播種時間基本相同；小區(qū)之間相互獨立，各小區(qū)從地表向下，均有3種土壤組成，且一般為0～50 cm為一層，50～80 cm為第二層，80 cm以下為一層(僅地面灌區(qū)域0～30 cm為一層，30～60 cm為一層，60～80 cm為一層，80 cm以下為一層)。試驗主要觀測指標(biāo)為土壤含水率，觀測時間段為玉米全生育期(5月中旬-10月上旬)，共采用TDR及HOBO U30兩種儀器進(jìn)行觀測；其中TDR為人工觀測儀器，需于Trim管配套使用，在4個試驗小區(qū)中均布設(shè)有Trim管，觀測頻次為降雨前、降雨結(jié)束后一天、兩天、三天各一次；HOBO U30為自動觀測儀器，受傳感器數(shù)量的限制，僅在膜下滴灌及地面灌2個試驗小區(qū)中進(jìn)行布設(shè)，相鄰兩次觀測時間間隔為1 h。此次試驗TDR最大觀測深度均為120 cm，自動觀測深度為110 cm，均每隔10 cm進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集(見圖1～圖4)。

圖1 地面灌觀測區(qū)剖面圖(單位：cm)

圖2 滴灌觀測區(qū)剖面圖(單位：cm)

圖3 地面灌自動觀測布置圖

圖4 膜下滴灌自動觀測布置圖

2 結(jié)果與分析

本次玉米全生育期田間降雨入滲觀測試驗主要得到7組降雨系列觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)各場降雨的雨量及歷時情況，選取具有代表性的5組試驗，進(jìn)行降雨入滲分析，5場降雨前一周均未進(jìn)行灌水處理，雨前表層初始含水率基本維持在30～35 cm3/cm3之間。該5組試驗所對應(yīng)的5次降雨的基本信息如表2所示。根據(jù)實際降雨過程情況，將其分為集中型降雨和分散型降雨兩種情況，其中Ⅰ和Ⅳ為分散型降雨，Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ為集中型降雨。

2.1 降雨入滲百分比分析

為分析不同灌溉形式即觀測位置處累積入滲能量之間的大小關(guān)系及差值關(guān)系，考慮到各場降雨雨量相差較大，累積入滲量在數(shù)值上也有較大差距，直接進(jìn)行大小或差值比較易受雨量本身大小的影響；為消除該影響，此處引入降雨入滲百分比λ，即降雨入滲程度。具體計算公式如下：

λ=I/P

(1)

式中：λ為降雨入滲百分比；I為降雨累積入滲量，mm；P為次降雨總量，mm。

表2 5組試驗基本降雨信息

圖5為5場降雨條件下不同灌溉形式所對應(yīng)的降雨入滲百分比分布圖，從圖5可以看出：第Ⅴ場降雨雖然總降雨量最小，但降雨入滲百分比卻大于第Ⅰ場降雨，可見降雨入滲程度不僅與雨量有關(guān)還與降雨過程有關(guān)，當(dāng)雨量偏小時，分散型降雨條件下，降雨入滲百分比顯著小于集中型降雨。在同一降雨條件下，受植被截流作用的影響，平整裸地條件下的降雨入滲百分比最大，且雨量越小，雨強(qiáng)越弱，截流作用越明顯，僅在高強(qiáng)度大雨量的集中型降雨，如降雨Ⅱ條件下，平整裸地的降雨入滲百分比才小于其他3種農(nóng)田下墊面處理情況。同時，除高強(qiáng)度大降雨外，無膜滴灌降雨入滲百分比僅次于平整裸地，大于地面灌，排第二位，因此壟溝的集雨匯水作用可促進(jìn)降雨入滲，增加降雨入滲百分比。對于膜下滴灌，雖其下墊面也有起壟處理，但降雨入滲百分比卻小于地面灌，排在最后一位，說明地膜覆蓋會阻礙降雨入滲，減少降雨入滲量，從而減低降雨入滲百分比，且在同一降雨條件下，地膜對入滲的阻礙作用效果大于起壟對入滲的促進(jìn)作用。

圖5 不同灌溉形式降雨入滲百分比

5場降雨條件下，無膜滴灌和地面灌降雨入滲百分比的差值分別為0.61%、3.99%、1.74%、0.91%和0.49%。對于同種雨型，降雨Ⅴ、Ⅲ、Ⅱ均為集中型降雨，3.99%>1.74%>0.49%，降雨Ⅰ和Ⅳ為分散型降雨，0.91%>0.61%，即無論集中型降雨還是分散型降雨，雨量越大，無膜滴灌和地面灌降雨入滲百分比的差異越大，兩者之間為正相關(guān)關(guān)系；即增大雨量可促進(jìn)壟溝集雨對降雨入滲的促進(jìn)作用。對于同一雨量，降雨Ⅲ和Ⅰ均為20～30 mm級，1.74%>0.61%，降雨Ⅱ和Ⅳ均為30 mm以上級，3.99%>0.91%，即對于20 mm以上降雨，降雨歷時短，集中性強(qiáng)，無膜滴灌和地面灌降雨入滲百分比之間的差異越大；即降雨集中性越強(qiáng)，壟溝集雨對入滲百分比的增加作用越明顯。

同樣的，5場降雨條件下，膜下滴灌與地面灌降雨入滲百分比的差值分別為9.36%、0.61%、4.96%、6.14%和9.32%，整體來看兩者差值普遍大于無膜滴灌與地面灌之間的差值。對于同種雨型，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間降雨入滲百分比的差值逐漸減小，即膜下滴灌和地面灌降雨入滲百分比的差值與雨量大小成負(fù)相關(guān)關(guān)系，雨量越大，膜下滴灌對降雨入滲的削減越不明顯。對于同一雨量，9.36%>4.96%，6.14%>0.61%，即對于20 mm以上降雨，降雨越集中，膜下滴灌和地面灌降雨入滲百分比之間的差距越小，即降雨越集中，膜下滴灌地膜覆蓋對累積入滲量的減小作用越不明顯。

為進(jìn)一步分析膜下滴灌整體降雨入滲百分比偏小的原因，分別對膜下滴灌不同觀測剖面處的降雨累積入滲量進(jìn)行對比分析，圖6為5場降雨條件下，膜下滴灌不同位置處相應(yīng)的降雨入滲百分比分布圖，從圖6可以看出：膜下滴灌3個觀測位置處的降雨入滲百分比大小關(guān)系為溝中>膜邊>膜中，且溝中>地面灌、膜中<地面灌，可見，膜下滴灌降雨入滲百分比偏低，主要是由3個觀測斷面處入滲程度的不均衡性造成的，尤其是膜中位置。5場降雨溝中和膜邊降雨入滲百分比的差值分別為12.1%、6.3%、9.06%、11.92%和11.08%，溝中和膜中降雨入滲百分比的差值分別為21.31%、16.32%、19.23%、21.11%和22.16%?？梢钥闯?，對于同種雨型，膜邊差值為6.3%<9.06%<11.08(集中型)、11.92<12.1%(分散型)，膜中差值為16.32%<19.23%<22.16%(集中型)、21.11%<21.31%(分散型)，即無論是集中型還是分散型降雨，隨著次降雨量的增加，膜邊、膜中與溝中位置處降雨入滲百分比的差值均會減小，尤其是集中型降雨；可見，增大降雨量，可縮小膜下滴灌3個位置處的降雨入滲量之間的差距，減小入滲的不平衡程度，從而在一定程度上縮小膜下滴灌和地面灌累積入滲量百分比之間的差距。

圖6 膜下滴灌不同位置處降雨入滲百分比

2.2 最大入滲深度對比分析

最大入滲深度是衡量降雨入滲能力的另一指標(biāo)，入滲深度淺則降雨入滲水主要保留在耕層及作物根系層，入滲水主要耗于植物蒸騰及無效蒸發(fā)；入滲深度大則可促進(jìn)深層滲漏，利于地下水補(bǔ)給。研究區(qū)域內(nèi)，50～80 cm深度范圍，土壤質(zhì)地為黏土，飽和導(dǎo)水率??；加之該地區(qū)次降雨量普遍在50 mm以下(以0～20 mm居多)，雨強(qiáng)基本不超過10 mm/h；因此該地區(qū)發(fā)生深層滲漏的概率較小，本次研究的最大深度為120 cm。

圖7為不同觀測位置處各場降雨最大入滲深度統(tǒng)計圖。5組降雨情況下，降雨Ⅰ和降雨Ⅴ的最大入滲深度相對較小，這與降雨Ⅰ的雨強(qiáng)及降雨Ⅴ的雨量偏小有關(guān)；降雨Ⅰ雖雨量為26.6 mm，屬中等水平，但雨強(qiáng)卻不足1 mm/h；降雨Ⅴ雖平均雨強(qiáng)可達(dá)5 mm/h，但雨量卻僅有10 mm。除膜下滴灌膜中及膜邊2個觀測位置外，其他觀測斷面處的降雨入滲最大深度相差不大，若滴灌區(qū)的最大觀測深度均取3個觀測斷面入滲深度的最大值，則4種下墊面處理形式下的降雨最大入滲深度基本一致，可見下墊面形式對最大入滲深度影響不大。覆膜的存在，顯著減小了膜中及膜邊位置的最大入滲深度。此外，雖然起壟或覆膜會增大溝中位置處的入滲水量，理論上會促進(jìn)垂向入滲，增大入滲深度；但從試驗結(jié)果來看，溝中位置的入滲深度較其他觀測位置相比，并未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢；這可能是由于，無膜滴灌及膜下滴灌均存在一定的水平水勢梯度差，入滲過程表現(xiàn)為垂向入滲和側(cè)向入滲的兩種形式，起壟或覆膜對側(cè)向入滲的影響更為明顯。

圖7 不同觀測位置處最大入滲深度

2.3 濕潤鋒運移對比分析

根據(jù)自動檢測數(shù)據(jù)，對濕潤鋒到達(dá)各位置處的時間進(jìn)行統(tǒng)計分析，圖8和圖9分別為集中型降雨條件下和分散型降雨條件下膜下滴灌各觀測剖面處濕潤鋒運移情況與地面灌濕潤鋒運移情況的對比分析圖。

圖8 集中型降雨條件下濕潤鋒運移圖

圖9 分散型降雨條件下濕潤鋒運移圖

膜下滴灌3個觀測位置處，在集中型降雨條件下，淺層0～20 cm 3個位置處濕潤鋒運移速率相差不大，隨深度增加溝中運移速率逐漸大于其他2個觀測斷面。

集中型降雨條件下，雨量在30 mm以上時，膜下滴灌溝中位置0～70 cm深度范圍內(nèi)，濕潤鋒運移速率與地面灌近似相等，70～110 cm深度范圍內(nèi)，溝中位置運移速率大于地面灌；膜下滴灌膜邊位置0～50 cm深度范圍內(nèi)，運移速率和地面灌相同，50～60 cm深度范圍內(nèi)運移速率小于地面灌；膜下滴灌膜中位置濕潤鋒運移速率與地面灌近似相等。雨量為20 mm級時，膜下滴灌溝中位置0～60 cm深度范圍內(nèi)，濕潤鋒運移速率與地面灌近似相等，60～100 cm深度范圍內(nèi)，溝中位置運移速率略大于地面灌；膜下滴灌膜邊位置和膜中位置濕潤鋒運移速率均小于地面灌。雨量為10 mm級時，膜下滴灌溝中位置0～40 cm深度范圍內(nèi)，濕潤鋒運移速率與地面灌基本相等，40～60 cm以下深度范圍內(nèi)，溝中位置運移速率大于地面灌；膜下滴灌膜邊位置和膜中位置20～50 cm深度范圍內(nèi)，濕潤鋒運移速率小于地面灌。

分散型降雨條件下，雨量在30 mm以上時，膜下滴灌溝中位置在0～60 cm深度范圍內(nèi)，濕潤鋒運移速率與地面灌略有差異，且地面灌運移速率大于膜下滴灌，60～110 cm深度范圍內(nèi)，濕潤鋒運移速率和地面灌相等；膜下滴灌膜邊位置和膜中位置濕潤鋒運移速率均小于地面灌。雨量在20 mm級時，膜下滴灌溝中位置濕潤鋒運移速率和地面灌近似相等；膜下滴灌膜邊位置和膜中位置濕潤鋒運移速率均小于地面灌。

總體而言，無論是集中型降雨還是分散型降雨，膜下滴灌膜邊和膜中位置濕潤鋒運移最大深度和運移速率均小于地面灌，且差距較大，尤其是膜中位置；分散型降雨條件下，溝中位置濕潤鋒運移速率與地面灌相似，而集中型降雨條件下，0～50 cm深度范圍內(nèi)，溝中位置與地面灌濕潤鋒運移速率近似相等，50 cm以下，溝中位置濕潤鋒運移速率大于地面灌?？梢?，在集中型降雨條件下，地膜和起壟對雨水的匯聚作用較分散型降雨強(qiáng)，溝中位置地面積水持續(xù)時間長，有利于深層入滲。

3 結(jié) 語

(1)起壟及覆膜處理會影響田間降雨入滲的均衡性，就降雨入滲量而言，起壟可增加次降雨累積入滲量，覆膜則減少次降雨累積入滲量，膜下滴灌3個觀測位置處降雨入滲百分比大小關(guān)系為溝中位置>膜邊位置>膜中位置；且地膜對降雨入滲的削減作用大于起壟對降雨入滲的促進(jìn)作用，整體上，除高強(qiáng)度大降雨外，平整裸地次降雨入滲百分比>無膜滴灌>地面灌>膜下滴灌。此外隨著雨強(qiáng)及雨量的增加，起壟集雨對入滲的促進(jìn)作用越明顯，壟溝積水的增多，促進(jìn)了土壤水分的側(cè)向運移，從而削弱了覆膜對入滲量的減少作用，膜下滴灌方式與地面灌方式之間降雨入滲百分比的差距逐漸減小。

(2)次降雨最大垂向入滲深度主要受降雨條件影響，與下墊面形式關(guān)系不大，增加雨量或雨強(qiáng)，可增加降雨入滲深度。受覆膜的影響，膜下滴灌膜中及膜邊位置處的最大入滲深度均較?。淮送?，起壟及覆膜的匯水作用在一定程度上會促進(jìn)降雨入滲的側(cè)向運移過程，對增加垂向運移深度并無明顯作用。

(3)濕潤鋒運移速率受降雨條件及下墊面條件的雙重影響，壟溝集雨及覆膜匯水作用，均可提高降雨入滲的垂向運移速率，且降雨歷時越短，雨量越大，該作用越明顯。

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