膜下滴灌對玉米生長及土壤影響的研究進展

曹 巍，劉宏權(quán)，2，陳任強，王鑫鑫，薛寶松，商振清

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，河北 保定 071001；3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071001；4.國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071001；5.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)河北省山區(qū)研究所，河北 保定 071001；6.河北潤農(nóng)節(jié)水科技股份有限公司，河北 唐山 064100）

0 引 言

我國水資源總量大但人均占有量少，是最缺水的國家之一，水資源的合理分配與利用極為迫切[1]。農(nóng)業(yè)用水作為全國用水大戶，2013年之前一直左右著全國用水總量的變化趨勢，但在之后農(nóng)業(yè)用水量有所下降[2]，這與農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用密切相關(guān)，在保證有效灌溉面積的同時，提高了單位面積的用水效率。而中國農(nóng)業(yè)的用水效率特征在空間格局上呈東高西低、南高北低的總體分布態(tài)勢，北部及西北部地區(qū)不僅是缺水的重災(zāi)區(qū)，還面臨著用水效率較低的難題[3]。特別是華北地區(qū)作為我國農(nóng)產(chǎn)品和糧食生產(chǎn)的重地，擁有數(shù)億畝的耕地良田，占全國耕地面積的18%，但卻僅用全國6%的水資源產(chǎn)出了全國23%的糧食[4]。以上種種現(xiàn)狀都是水土資源嚴重不匹配的表現(xiàn)——20%的水資源卻要服務(wù)超過77%的潛在可開墾土地[5]。此外，土地鹽漬化問題是世界農(nóng)業(yè)旱作區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境問題，我國的鹽堿地分布廣、面積大，在西北、華北、東北和沿海地區(qū)都有分布[6]，土地鹽漬化不僅會導(dǎo)致作物生長不良，制約作物對水分、養(yǎng)分的吸收利用，而且容易讓其受到病蟲的侵害，不但影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，最終還會影響人類的生命健康[7]。

膜下滴灌技術(shù)在很大程度上緩解了以上矛盾，并進一步提升糧食生產(chǎn)力、節(jié)約水資源和提高水生產(chǎn)力。膜下滴灌是在膜下應(yīng)用滴灌技術(shù)，它充分結(jié)合了以色列滴灌技術(shù)和國內(nèi)覆膜技術(shù)的優(yōu)勢，是一種應(yīng)用廣泛的節(jié)水技術(shù)。這種技術(shù)通過可控管道供水，將加壓過的清水和水溶性肥料充分融合形成水肥溶液，經(jīng)過濾系統(tǒng)再通過膜下的灌溉帶，定時定量且均勻的滴在作物的根系發(fā)育區(qū)。研究表明，膜下滴灌技術(shù)不僅可以有效緩解農(nóng)業(yè)用水效率低下和土地鹽堿化的問題，還能提高土壤溫度，減少土壤水分蒸發(fā)；蓄水保墑保肥，同時還能有效控制雜草生長；改善近地面氣層的光熱條件，促進土壤中微生物活動；加快有機質(zhì)分解，改善土壤結(jié)構(gòu)，為農(nóng)作物的生長創(chuàng)造適宜的生態(tài)環(huán)境[8,9]。

近年來人們在種植玉米（Zea maysL.）、水稻（Oryza sativaL.）、大豆（Glycinemax (L.) Merr.）、棉花（Gossypium spp）、花生（Arachis hypogaeaL.）等作物時應(yīng)用了膜下滴灌技術(shù)，從不同角度進行了研究和討論[10-14]。例如，在灌溉方式的研究中玉米并不同于棉花，對棉花而言膜下滴灌已成為了最理想的灌溉方式，但對玉米而言，灌溉方式并不像棉花那樣確定，需要根據(jù)周圍環(huán)境和目標(biāo)收益進行確定。而且隨著國內(nèi)玉米生產(chǎn)空間布局“北移”[15]，側(cè)面突出了節(jié)水高產(chǎn)灌溉技術(shù)的必要性，研究者們也為此做了大量的試驗以選取合適的灌溉方式。因此，本文結(jié)合膜下滴灌技術(shù)下玉米產(chǎn)量、品質(zhì)及其土壤性質(zhì)的響應(yīng)規(guī)律，對膜下滴灌技術(shù)進行評價，以期優(yōu)化玉米膜下滴灌技術(shù)。

1 膜下滴灌與其他不同灌溉方式對比

膜下滴灌對玉米生長有著明顯的優(yōu)勢。就滴灌而言，在我國北方灌溉區(qū)域（35°～45°N，100°～125°E）能夠?qū)τ衩讓崿F(xiàn)增產(chǎn)節(jié)水的目的[16]。而地膜覆蓋無論是平作還是壟膜溝種等種植方式，均能明顯改善旱地玉米水熱條件，促進玉米生長發(fā)育，提高其產(chǎn)量和水分利用效率[17-19]。

1.1 膜下滴灌與傳統(tǒng)灌溉方式對比

膜下滴灌相對于傳統(tǒng)的漫灌，在產(chǎn)量、肥料利用、水分利用等方面擁有明顯的優(yōu)勢。陳偉[20]研究了3種不同的灌溉方式，發(fā)現(xiàn)膜下滴灌在得到更高產(chǎn)量的同時，比畦灌和溝灌節(jié)約30%多的用水，提高50%的水分利用效率。劉洋[21]等人的研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌為玉米生長創(chuàng)造了有利的土壤水熱環(huán)境，比不覆膜滴灌和地面灌處理的平均產(chǎn)量分別提高11%和21%，水分利用效率分別提高9%和18%。黃金鑫[22]等人將膜下滴灌和傳統(tǒng)施肥作比較，發(fā)現(xiàn)膜下滴灌顯著提高玉米產(chǎn)量及磷素積累量、磷肥利用效率。任中生[23]等人同樣發(fā)現(xiàn)，在河套灌區(qū)膜下滴灌能比地下水畦灌、黃河水畦灌分別提高玉米產(chǎn)量11.68%、15.60%，提高氮肥利用效率41.03%、77.19%。膜下滴灌“少量多次”的灌水施肥方式是提高水分利用效率、氮回收效率的關(guān)鍵，促進氮肥吸收并向籽粒分配，有效協(xié)調(diào)玉米籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率的關(guān)系[23]。同樣在河套灌區(qū)，高紅艷[24]等人研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌較多的灌溉次數(shù)維持了膜下土壤含水率波動不超過10%，使其產(chǎn)量比畦灌提高了60%。QIN[25]等人在充分灌溉下將膜下滴灌（DI）對比膜下畦灌（BI），試驗發(fā)現(xiàn)膜下滴灌處理可縮短玉米生長天數(shù)，此狀態(tài)下玉米田間蒸發(fā)蒸騰量（ET）較低。這一切都離不開膜下滴灌穩(wěn)定提供的灌水和營養(yǎng)。WANG[26]等人的試驗可以佐證這一觀點，在DI替代BI后，DI處理在4 a試驗內(nèi)每年減少9%的ET消耗量，平均每年增加約28%的水分利用效率（WUE）和39%的氮素利用效率（NUE），可利用的水和營養(yǎng)得到了充分補給。相較于傳統(tǒng)灌溉模式，膜下滴灌對玉米生長各方面均起到了積極作用，在北方干旱半干旱地區(qū)玉米種植具有很強的競爭優(yōu)勢。

雖然膜下滴灌理論與技術(shù)取得了長足進步，但傳統(tǒng)灌溉模式結(jié)合自身特點，也有其獨特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)漫灌可增大根系在深層土壤中所占比例，根系分布范圍變廣，有利于增加根系與土壤養(yǎng)分的接觸機會，從而會提高玉米的養(yǎng)分吸收利用效率[27]。而且膜下滴灌可能會存有積鹽現(xiàn)象，在干旱地區(qū)需建立適當(dāng)頻率的傳統(tǒng)漫灌洗淋制度，以確保膜下滴灌的長期發(fā)展[24]。實際應(yīng)用中適當(dāng)將2者相結(jié)合，保證區(qū)域性玉米種植的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 膜下滴灌與其他滴灌方式對比

1.2.1 膜下滴灌與淺埋滴灌對比

近年來，淺埋滴灌被廣泛應(yīng)用于中國北方小麥、玉米生產(chǎn)。膜下滴灌和淺埋滴灌2者具有節(jié)水增產(chǎn)和環(huán)境友好的特點，被視為高效節(jié)水的典范，但2者優(yōu)勢的發(fā)揮會隨著外界條件不同而有差異。

膜下滴灌有著更加穩(wěn)定的土壤環(huán)境，為玉米的生長起到保駕護航的作用。GENG[10]等人對比了淺埋滴灌和膜下滴灌對春玉米的影響，發(fā)現(xiàn)膜下滴灌春玉米的氮磷鉀吸收、產(chǎn)量和水分利用效率顯著高于淺埋滴灌。WU[28]等人在玉米產(chǎn)量、水分利用效率和氮利用效率方面也有相同的發(fā)現(xiàn)，其研究還表明覆膜滴灌可使玉米在生殖階段擁有較高的土壤溫度。賈瓊[29]等人的研究表明，膜下滴灌在帶來更高平均葉面積指數(shù)的同時其總耗水量較淺埋滴灌低9%，且平水偏枯年的產(chǎn)量會高于淺埋滴灌7%～15%，節(jié)水效果明顯，在年降雨量小于268.32 mm的地方使用膜下滴灌將會是更佳的選擇。

淺埋滴灌技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了膜下滴灌地膜污染和回收成本高的難題，隨著技術(shù)的不斷革新和完善，其優(yōu)勢愈加明顯，取得了較好的效果。陳江魯[30]等人對比了2種滴灌技術(shù)對不同品種玉米的影響，試驗發(fā)現(xiàn)淺埋滴灌能提高中晚熟玉米穗粒數(shù)和產(chǎn)量，并提高經(jīng)濟效益和產(chǎn)投比。賈瓊[29]等人報道了淺埋滴灌根系分布會比膜下滴灌深10 cm，在平水年份膜下滴灌的玉米產(chǎn)量會低于淺埋滴灌6%～19%，在降雨量大于268.32 mm的地方更推薦使用淺埋滴灌。王建東[31]等人對覆膜淺埋滴灌技術(shù)模式進行探究，發(fā)現(xiàn)覆膜后淺埋滴灌的產(chǎn)量和水分利用率會略高于膜下滴灌3.9%和5.9%，差異性并不顯著。覆膜后淺埋滴灌有較高設(shè)施成本，其技術(shù)主要凸現(xiàn)了工程節(jié)水措施與農(nóng)藝措施相結(jié)合的重要性，可著重解決膜下滴灌系統(tǒng)滴灌帶易被灼傷等問題[31]。

膜下滴灌和淺埋滴灌在作物產(chǎn)量和節(jié)水效率等方面，受作物品種、土壤、氣象、農(nóng)藝措施等因素影響而呈現(xiàn)不盡相同的表現(xiàn)，造成2者差異的原因與土壤水肥氣熱條件有關(guān)，這方面的機理還需要進一步探索。

1.2.2 膜下滴灌與不覆膜滴灌對比

無膜滴灌可以減少成本和避免地膜污染，但對玉米生長等方面的影響無膜滴灌不如膜下滴灌。有研究表明，地膜覆蓋可有效提高光合能力，促進玉米生長[32]；保墑灌溉措施能夠提高玉米的葉片葉綠素含量、有效蒸騰和光合速率，各指標(biāo)基本以地膜覆蓋最佳[33]。SUI[34]等人研究發(fā)現(xiàn)覆膜滴灌比不覆膜滴灌玉米攔截了更多的凈輻射，這是其增產(chǎn)的主要原因之一。祁鳴笛[35]等人對比了不覆膜滴灌下玉米田間耗水，發(fā)現(xiàn)覆膜滴灌下玉米全生育期的耗水量顯著減少了10.21%，生育期內(nèi)平均作物系數(shù)顯著降低7.42%。JIA[36]等人分析了玉米覆膜滴灌與不覆膜滴灌對土壤蒸散發(fā)的影響，玉米在膜下滴灌條件下全生育期的蒸發(fā)量僅為0.67 mm，遠遠小于無膜滴灌的84.59 mm。薄膜的保濕作用將更多水分儲存在地膜下的土壤中，導(dǎo)致膜下滴灌的蒸發(fā)量要遠小于無膜滴灌。玉米種植選擇覆膜與否，還需要權(quán)衡分析地膜類型、厚度、經(jīng)濟效益以及對環(huán)境的影響后進行選擇。

1.3 膜下滴灌與其他節(jié)水灌溉方式對比

魏子涵[37]等人探究了低壓管灌、膜下滴灌和噴灌這3種節(jié)水灌溉方式對玉米生長參數(shù)及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明膜下滴灌下玉米生物量和實際產(chǎn)量最佳。李鐵男[38]等人在半干旱區(qū)開展玉米膜下滴灌與覆膜漫灌、噴灌、不覆膜不灌對玉米生物學(xué)效應(yīng)的影響，試驗發(fā)現(xiàn)膜下滴灌玉米生物學(xué)優(yōu)勢效應(yīng)顯著，比其他灌溉方式節(jié)水50%以上，與傳統(tǒng)種植相比單產(chǎn)可提高1倍以上。干旱、少雨、低溫等不利氣象條件年份，玉米膜下滴灌將凸顯節(jié)水、增產(chǎn)、增效的優(yōu)勢。

膜下滴灌在促進玉米生長方面并不總是存在優(yōu)勢。邵明星[39]研究了不同灌溉水量下微潤灌溉和膜下滴灌對玉米生長和產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在風(fēng)沙土地區(qū)灌溉水量在25%～75%ET時適合采用微潤灌溉。薛新偉[27]等人對西遼河平原地區(qū)玉米不同灌溉模式進行探究，淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌的產(chǎn)量均高于膜下滴灌，且膜下滴灌生育后期玉米根系超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性低于淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌，此時膜下滴灌玉米根系抗衰老能力較弱，衰老較快。

上述研究說明膜下滴灌和其他灌溉方式對玉米的影響出現(xiàn)了差異性，可能與不同灌溉方式相匹配的灌溉制度有關(guān)，差異性出現(xiàn)的原因還需要結(jié)合地域性和試驗?zāi)康倪M行進一步的探究。

2 膜下滴灌對玉米生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

膜下滴灌在各個方面對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響，例如，滴灌時的水質(zhì)、水量，施肥量以及施肥方式，水肥耦合方式等不同組合都能在膜下滴灌的方式下發(fā)揮出更好的作用。但無論試驗設(shè)計、方法如何改變，研究者的初衷都是模擬現(xiàn)實中可能發(fā)生的條件下，通過膜下滴灌的方式實現(xiàn)節(jié)水、省肥、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的目的。

2.1 膜下滴灌施肥制度對玉米的影響

適時適量施肥可以給玉米的生長發(fā)育提供養(yǎng)分保障，受常見磷肥、鉀肥較難溶于水或價格較高等影響，對膜下滴灌施肥的研究集中在氮肥上。宋金鑫[40]等人發(fā)現(xiàn)，氮肥有助于玉米在膜下滴灌條件下生長，合適的施氮量顯著影響葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量形成。朱金龍[41]等人探究了不同氮肥水平對春玉米膜下滴灌地上部和根系干物質(zhì)及氮磷鉀累積的影響，發(fā)現(xiàn)施氮增加了春玉米地上部和根系的干物質(zhì)積累和養(yǎng)分積累，但過量施氮抑制了地上部和地下部的生長和氮素積累，不利于磷鉀養(yǎng)分的吸收。翟娟[42]的研究同樣發(fā)現(xiàn)，施氮量會顯著影響玉米的千粒重和穗粒數(shù)進而影響玉米的產(chǎn)量，但當(dāng)施氮肥超過適宜施氮量時葉面積和干物質(zhì)不再繼續(xù)增加。WANG[43]等人設(shè)置了6個不同施氮量水平，進一步探究施氮量對膜下滴灌作物的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施氮量在0～240 kg∕hm2的范圍內(nèi)時，每增加50 kg∕hm2施氮量，玉米總氮平均提高了16.7%。在中國東北平原地區(qū)，膜下滴灌施氮230 kg∕hm2下的玉米產(chǎn)量、WUE和NUE比當(dāng)?shù)胤N植分別提高10%～29%、10%～31%和57%～84%，但施氮量從230 kg∕hm2增加到330 kg∕hm2，產(chǎn)量并沒有顯著增加[34]。同樣在東北地區(qū)，劉洋[44]等人發(fā)現(xiàn)施氮次數(shù)對玉米產(chǎn)量的影響大于施氮量，建議在黑土區(qū)玉米膜下滴灌采用3次施氮（拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期）、總施氮量150～200 kg∕hm2的施氮管理措施。張鵬飛[45]等人還對玉米膜下滴灌的氮肥分期追施量進行了研究，最佳氮肥分期追施方式為在30%、60%、100%葉齡指數(shù)時期，按照3∶5∶2的分配方式將120 kg∕hm2氮肥追施，這將會有效提高籽粒產(chǎn)量和氮素吸收與利用效率。

以上研究的施氮量和施氮時間在對膜下滴灌時玉米的影響規(guī)律上表現(xiàn)出了一致性，為適時適量高效施氮提供了參考。研究表明，玉米的產(chǎn)量主要由吐絲期至乳熟期群體葉片光合性能，以及中上部葉片的光合能力和高光效所持續(xù)的時間共同決定[46,47]，而適時適量施肥正好能顯著提高玉米葉片葉綠素含量、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度值，進而提高葉片的凈光合速率[48]。玉米生育期內(nèi)對氮肥的需求是極大的，膜下滴灌很大程度上解決了肥料損失嚴重、利用率較低的問題，加上合適的施肥頻率和灌溉施肥方式，能夠適時適量地將水分和養(yǎng)分供給玉米根區(qū)，調(diào)控土壤中氮素運移分布和吸收利用過程，從而達到提高玉米產(chǎn)量，改善玉米品質(zhì)的目的。隨著新型水溶肥的問世和推廣，磷肥、鉀肥和中微量元素對膜下滴灌玉米生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的研究將成為研究熱點。

2.2 膜下滴灌灌水制度對玉米的影響

合理高效的灌溉制度同樣發(fā)揮著重要的作用。劉一龍[49]等人發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌玉米產(chǎn)量相較于傳統(tǒng)種植增產(chǎn)顯著，在最佳灌溉定額和灌溉次數(shù)的加持下可達到產(chǎn)量翻倍的結(jié)果，且在生育期內(nèi)適當(dāng)減少灌溉定額和灌水次數(shù)可以達到節(jié)水增產(chǎn)的效果。合理進行灌水量主動調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)節(jié)水和產(chǎn)量的雙贏。ZHANG[50]等人在優(yōu)化新疆地區(qū)玉米膜下滴灌時發(fā)現(xiàn)，相比充分灌溉條件（600 mm），灌溉量降低10%后，籽粒產(chǎn)量和經(jīng)濟效益沒有顯著變化，卻帶來蒸散量減少、水分利用效率增加的好處。張芮[51]等人采用膜下調(diào)虧滴灌在制種玉米不同生育期進行水分脅迫，拔節(jié)抽穗期缺水會抑制葉面擴展，使植株矮小，抽穗灌漿期脅迫影響玉米庫容建立，最終都會導(dǎo)致響產(chǎn)量降低；膜下滴灌制種玉米合適的水分調(diào)控模式是苗期輕微水分虧缺、拔節(jié)到灌漿期充分供水、灌漿后期到成熟期適度虧水。劉戰(zhàn)東[52]等人以不同灌水方案處理膜下滴灌玉米，發(fā)現(xiàn)玉米的株高、莖節(jié)數(shù)和產(chǎn)量構(gòu)成因素均隨著灌水量的增加呈現(xiàn)上升趨勢。張昊[53]等人同樣發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌玉米產(chǎn)量和全生育期耗水量隨著灌水定額的增大而增大，但水分利用效率卻隨之下降。過高的灌水量會抑制玉米根系呼吸、降低根系活力，過低的灌水量造成玉米光合能力下降、根系吸水困難，因此玉米膜下滴灌時的灌水量過高或過低都會降低玉米產(chǎn)量[54]。

2.3 膜下滴灌水肥耦合對玉米的影響

高效的水肥運籌使玉米膜下滴灌更加合理。水、氮在一定范圍內(nèi)配合表現(xiàn)出明顯的正向交互作用，促進玉米的生長發(fā)育；而施氮量超過一定范圍將產(chǎn)生負效應(yīng)，對玉米的生長發(fā)育及產(chǎn)量起到一定的抑制作用[55]。尚文彬[56]揭示了玉米膜下滴灌氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)與灌水量之間的關(guān)系，當(dāng)灌水量處于較低水平時，施氮肥越多越有可能造成減產(chǎn)；灌水量適宜時，氮肥的增產(chǎn)效果明顯；灌水量過高時，氮肥增產(chǎn)效果不再明顯。

任中生[57]等人探討不同滴灌施氮策略對玉米生長、產(chǎn)量和水肥利用效率的影響，施氮對玉米株高與葉面積指數(shù)促進作用顯著，灌水與施氮均可顯著增加玉米籽粒產(chǎn)量、百粒重、穗行數(shù)和行粒數(shù)，在施氮0～262.5 kg∕hm2范圍內(nèi)氮肥利用率隨施氮量的增加而升高，水分利用效率和灌溉水利用效率均隨施氮量升高而增加。孟翔燕[58]構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型對膜下滴灌水肥耦合對玉米性狀的影響進行分析，發(fā)現(xiàn)灌水量、氮肥、鉀肥和磷肥對玉米產(chǎn)量均有顯著的影響，各因素的影響順序為氮肥＞磷肥＞灌水量＞鉀肥，且存在交互作用。水肥耦合存在閾值：低于閾值時，增加灌水量和施肥量都能顯著增加產(chǎn)量；但高于閾值后，則增產(chǎn)效果不明顯，甚至?xí)?dǎo)致減產(chǎn)[59]。因此，應(yīng)該綜合考慮產(chǎn)量、經(jīng)濟效益和肥料利用率等因素選擇適宜的水肥耦合管理模式。

以目前的研究來看，膜下滴灌在干旱和半干旱地區(qū)玉米的生長、產(chǎn)量和水肥利用效率發(fā)揮著積極的作用。其中的差異主要受玉米品種、灌溉制度、施肥量以及區(qū)域條件差異等因素影響，因此在不同的生態(tài)區(qū)條件下探索水肥耦合規(guī)律和適合該區(qū)域經(jīng)濟高效的灌溉施肥方式是十分有意義的。

3 膜下滴灌對土壤的影響

膜下滴灌直接、快速、頻繁地影響土壤環(huán)境，再輔以微咸水、作物間作和化肥施用等方式，對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響則又呈現(xiàn)出了多樣性，這種影響過程是復(fù)雜的但值得我們深究。而且土壤表面覆膜以后，將土壤和外界大氣隔離，使外界環(huán)境不會直接作用于土壤，從而維持土壤內(nèi)部穩(wěn)定，起到維穩(wěn)增產(chǎn)的效果，這種情況在半干旱或干旱地區(qū)尤為明顯。因此，分析不同模式下的膜下滴灌方式，對提高土壤肥力、減少養(yǎng)分流失有著重要意義。

3.1 膜下滴灌對玉米土壤物理性質(zhì)的影響

土壤含水率主要受到土壤條件、灌溉制度和氣象要素的影響。劉戰(zhàn)東[52]等人在玉米膜下滴灌設(shè)置了不同灌水方案，發(fā)現(xiàn)土壤水多分布在0～60 cm的土層，以0～30 cm的變化最為活躍，在整個生育期內(nèi)灌溉定額越多，土壤含水率就越大。這與張昊[53]等人的研究結(jié)果一致。劉庭瑞[60]等人發(fā)現(xiàn)，玉米膜下滴灌的土壤含水率在上部耕作層較高，中間層減少，在下層又升高。胡建強[61]等人在多礫石砂土中的研究發(fā)現(xiàn)卻有所不同，垂直方向土壤含水率表現(xiàn)呈現(xiàn)：中部＞下部＞上部，土壤表面25 cm含水率會明顯小于灌溉時含水率。這是礫石沙土土壤表面水分流失更快導(dǎo)致的，其年均蒸發(fā)量可達到年均降雨量的15倍之多[62]。李金剛[63]等人研究發(fā)現(xiàn)，滴頭下橢圓濕潤層的土壤含水率會隨著土壤基質(zhì)勢的增大而增大。焦艷平[64]等人的研究還表明，糯玉米的生理性狀也隨著土壤基質(zhì)勢的升高而增加且在-5 kPa時產(chǎn)量達到最大，在土壤基質(zhì)勢-10～-15 kPa時有較高的灌溉水利用效率。而丁運韜[65]的研究發(fā)現(xiàn)，控制灌水下限為-30 kPa，可獲得較高的玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率，又具有較好的根系活力，能有效利用深層土壤水分。這與雙方試驗大田土壤、玉米品種和氣象等不同有關(guān)。

土壤含水率也會受到其他因素的影響。QIN[25]等人試驗發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌比膜下畦灌有更高的灌溉頻率，所以土壤滲漏損失較小，有著更高的土壤含水率。此外，土壤含水率又會受到地下水深度的影響。WANG[66]等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)叵滤惠^淺（小于1.9 m）時，膜下滴灌對土壤含水率幾乎沒有影響，當(dāng)?shù)叵滤惠^深（大于4.2 m）時，隨著灌溉周期的增加，土壤含水率逐漸增加。

地膜覆蓋可以減少土壤體積密度[67]，ANIKWE[68]等人也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，這是因為地膜覆蓋可以改善土壤環(huán)境，促進根系生長，在微觀尺度上有利于增加土壤中孔隙。采用塑料覆蓋的滴灌顯著增加了土壤水分和溫度[69]。楊建房[70]等人研究了覆膜玉米的水熱狀況，在10 cm深度覆膜處理的土壤含水率會低于不覆膜處理，而20和40 cm深度則相反；在10 cm深度覆膜處理的地溫高于不覆膜，在40和60 cm深度2處理差異較小。對土壤含水率而言，覆膜促進根系生長吸收更多土壤水分，從而降低了表層土壤含水率；覆膜還使地溫升高，在更強的毛管力作用下使下層土壤水分向上運輸。SUI[34]等人研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)雨養(yǎng)相比，膜下滴灌不僅使壟上總土壤貯水量（SWS）顯著增加80 mm，而且還使得表層土壤積溫（TC）增加353 ℃；與無膜地面滴灌相比，膜下滴灌的總SWS和TC分別增加了9 mm和245～314 ℃。祁鳴笛[35]等人研究了覆膜滴灌對玉米田間水熱傳輸?shù)挠绊?，試驗發(fā)現(xiàn)全生育期覆膜使0～80 cm的土層平均地溫和土壤積溫分別提高了1.13 ℃和149.68 ℃。這是由于土壤表面覆膜之后，地表凈輻射收入下降，顯熱交換減弱，潛熱交換趨于零造成的[71]。孫貫芳[72]等人發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌時土壤溫度也會受到灌水、土壤含水率、氣溫和玉米葉面積指數(shù)共同影響，在灌水下限為-30 kPa時的土壤積溫將有利于玉米生長。高利華[73]等人還發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌時適當(dāng)使用生物炭可有效提高耕層土壤含水率和土壤溫度。

膜下滴灌對土壤物理性質(zhì)的影響主要集中在土壤水熱傳輸，持續(xù)滴灌能夠讓土壤含水率只存在于一個較小的區(qū)間內(nèi)波動，維持相對穩(wěn)定的土壤環(huán)境。但在滴灌和覆膜對土壤水力性能、土壤孔隙度、土壤空氣組分和土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)等方面的研究較少且不夠深入。因此，膜下滴灌對土壤物理性質(zhì)的影響仍需進一步的研究。

3.2 膜下滴灌對玉米土壤的化學(xué)性質(zhì)的影響

灌溉水質(zhì)會影響土壤的化學(xué)性質(zhì)，不管是水肥溶液還是有礦化度的水，都會使得土壤的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，并改變土壤中化學(xué)性質(zhì)的分布，影響作物的生長。膜下滴灌為干旱半干旱地區(qū)利用微咸水資源和鹽堿地開發(fā)提供了合理方式和有益探索。李金剛[63]等人在鹽堿地使用微咸水膜下滴灌玉米，在灌水下限為-20 kPa和-30 kPa時，能充分淋洗膜下表層的土壤鹽分且未導(dǎo)致土壤鹽分積累，但玉米收獲后100 cm內(nèi)土體均有積鹽，需要進行秋澆或春匯。王若水[74]等人的研究發(fā)現(xiàn)，不同灌溉制度下土壤基質(zhì)勢越高其中Na+與Cl-被淋洗的效果越好，而SO4

2-與HCO3-的淋洗效果主要受離子濃度影響，Mg2+與Ca2+不易隨水移動則在淋洗后無明顯差別。孫貫芳[72]等人用膜下滴灌對玉米土壤鹽分調(diào)控進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同灌溉制度下土壤鹽分均會從內(nèi)膜向外膜擴散，在灌水下限為-10 kPa時可有效淋濾土壤鹽分，同時在非生育期通過秋澆進行洗鹽灌溉能有效控制干旱半干旱地區(qū)膜下滴灌的土壤鹽分。

膜下滴灌在不同灌溉制度下會對玉米土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。譚軍利[75]等人研究了長期覆膜滴灌對土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的影響，當(dāng)土壤基質(zhì)勢為-10 kPa時，土壤鹽分含量、各種鹽分離子、土壤酸堿度、Cl-∕SO42-和鈉吸附比隨滴灌種植年限的增加而降低。而且WAN[76]等人的研究進一步說明，當(dāng)土壤基質(zhì)勢維持在較高水平時，膜下滴灌會在根區(qū)形成并維持高水分、低鹽分區(qū)域，為糯玉米生長創(chuàng)造了有利的土壤條件，經(jīng)過多年的耕作和滴灌淋濾可將高鹽分土壤逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹械塞}分土壤。但DONG[77]等人研究發(fā)現(xiàn)，土壤基質(zhì)勢與鹽淋分數(shù)（LF）相關(guān)，處于-20 kPa和-15 kPa之間的土壤基質(zhì)勢對于維持LF、浸出鹽和滿足ET起到重要的作用。李明思[78]等人探究長期膜下滴灌對農(nóng)田土壤鹽分演變的影響，膜下滴灌技術(shù)的使用會讓田間的土壤鹽分含量有明顯的下降，長期使用后會使土壤含鹽量穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。WANG[66]等人經(jīng)過長期試驗發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌降低了土壤中可溶鹽離子（Na+、K+和Cl-）的濃度，增加了Ca2+和SO42-的濃度。雖說膜下滴灌會對土壤的含鹽量有一定降低作用，但僅是對較淺的土層起到作用，這是由于淺層土壤受灌溉影響將易溶于水的鹽分淋洗至下層土壤。FENG[79]等人研究了膜下滴灌結(jié)合非生長期冬季定期灌溉對土壤的影響，第2次冬季灌溉后不同土壤的脫鹽率均超過60%，第4次冬季灌溉后不同土壤的脫鹽率均超過63.52%。通過選取適宜的灌溉方式來降低土壤的含鹽量是較為有效的。滴灌交替使用淡水和微咸水是一種很好的灌溉策略，可以克服微咸水引起的鹽脅迫問題[80]。ZHANG[81]等人對交替使用淡水和微咸水的膜下滴灌進行了評估，發(fā)現(xiàn)微咸水灌溉頻次越高越容易造成鹽脅迫，從而降低作物產(chǎn)量，最佳策略是交替使用2次微咸水灌溉和1次淡水灌溉。

3.3 膜下滴灌對玉米土壤酶、土壤生物的影響

土壤酶主要通過土壤中的動植物和微生物分泌或者通過分解動植物殘體形成的，其活性是評價土壤生態(tài)功能的重要指標(biāo)[82]，能夠反映土壤轉(zhuǎn)化、積累和分解等生物化學(xué)過程的運動和強度[83]，而薄膜覆蓋和灌溉管理可以最大限度地提高土壤中相關(guān)酶活性，從而促進土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化[84]。

膜下滴灌有高頻的灌溉次數(shù)，能保證作物全生育期內(nèi)土壤含水率處于一個穩(wěn)定的區(qū)間，且膜下環(huán)境中水分和養(yǎng)分不易向外界流失，這些有利條件都讓土壤生物的生存空間得到了極大地改善[85,86]。地膜覆蓋有利于養(yǎng)分循環(huán)和維護土壤微環(huán)境穩(wěn)定，覆蓋材料在生長季節(jié)維持時間越長越有益于土壤微生物量積累[87]。

李全勝[88]等人在玉米膜下滴灌時增施微生物肥，發(fā)現(xiàn)玉米抽雄期窄行、根際土壤細菌和放線菌數(shù)量顯著增加，土壤有機質(zhì)含量和脲酶活性顯著提高，表明增施微生物肥改善了玉米根區(qū)土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)，提高了土壤酶活性。由于滴灌時隨水施用生物菌肥的特點[89]，養(yǎng)分和土壤細菌群落也集中分布在滴水形成的濕潤體內(nèi)。MA[90]等人研究咸水滴灌對反硝化細菌群落的影響，發(fā)現(xiàn)使用鹽水滴灌降低了未施肥地塊中反硝化酶的活性和反硝化細菌的多樣性，并且可以改變反硝化細菌的群落結(jié)構(gòu)，并促進優(yōu)勢物種的生長。尹松旭[91]試驗發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌在玉米全生育期顯著地提高土壤過氧化氫酶活性、脲酶活性、土壤微生物生物量碳。但目前有關(guān)膜下滴灌對玉米土壤微生物、酶活性和養(yǎng)分的研究，以及這些指標(biāo)對玉米生長、產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究較少，如何整體評價土壤生態(tài)系統(tǒng)對玉米的作用過程，還有待進一步研究。

4 膜下滴灌可能引發(fā)的問題

4.1 地膜污染

地膜污染是膜下滴灌技術(shù)無法回避的問題和挑戰(zhàn)，地膜本身是一種人工合成高分子化合物，地膜容易因老化和田間管理活動而破損殘留在土壤中，但在自然條件下不易分解或降解。加之近年來生產(chǎn)廠家降低成本，使地膜變薄容易破碎，在使用之后難以回收，這不僅嚴重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且對農(nóng)業(yè)環(huán)境的安全和健康構(gòu)成了極大的威脅[92]。結(jié)合以上研究，殘留在土壤中的地膜必然在不同方面改變了土壤的理化性質(zhì)從而降低土壤肥力，導(dǎo)致玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)有所下滑，而且殘留在土壤里的地膜可能會阻礙玉米根部對養(yǎng)分的吸收，進一步限制玉米的生長發(fā)育。在面對塑料殘膜造成的危害要做到：①要施行高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，規(guī)范地膜產(chǎn)品質(zhì)量。目前我國還存在部分0.006 mm厚度地膜，存在不耐老化和強度低的問題，國家相關(guān)部門要定期開展市場督查，根據(jù)國家發(fā)改委與生態(tài)環(huán)境部于2020年1月聯(lián)合發(fā)文《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》，嚴格限制生產(chǎn)和銷售厚度小于0.1 mm的地膜，農(nóng)民也要開展相關(guān)知識的科普宣傳，不能盲目購買薄型地膜[93]。②加強對地膜回收技術(shù)的研究，提高殘膜回收率。根據(jù)不同種類不同地區(qū)，得出合理的揭膜時間和揭膜方式，提高殘膜的回收利用率，并且加快對殘膜回收機具的研究[92]。③加快對新型可降解地膜的研究，這是解決地膜污染最為有效的方式之一[94]。對于作物而言，可降解地膜能夠在作物生長前期起到和普通地膜相當(dāng)?shù)谋Ｗo作用，在水氮利用和干旱脅迫下具有穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢，一些液體地膜甚至可以起到增產(chǎn)的效果；于土壤而言，新型地膜均能有效提高土壤溫度，且對土壤環(huán)境無不良影響[95]。

4.2 地下水補給降低

大規(guī)模實施膜下滴灌后，土壤水分運動出現(xiàn)新的特征。從以上研究來看，滴灌的灌水量一般少于傳統(tǒng)灌溉，膜下滴灌的土壤水更多活躍在較為淺的耕作層，且在覆膜的保護下有了更低的蒸發(fā)量，提高了灌溉水利用效率。但滴灌也使土壤水豎直方向上分布不均勻和深層土壤水分得不到補給，對土壤總生物量以及土壤的長效利用和發(fā)展會帶來什么樣的影響還需要進一步的研究發(fā)掘。

已有學(xué)者對區(qū)域地下水補給進行了評估。HU[96]等人指出，隨著膜下滴灌技術(shù)的普及和節(jié)水技術(shù)的使用，灌溉回流從20世紀90年代的594.01 mm下降到2010年的164.62 mm。JIN[97]等人對比膜下滴灌和淹灌發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌在一定程度上降低了西遼河平原的入滲深度和地下水補給量。這種現(xiàn)象最終會降低地下水位，從而威脅區(qū)域地下水的穩(wěn)定性。此外還應(yīng)注意，地下水位下降將加劇灌溉區(qū)周圍自然植被的生態(tài)系統(tǒng)退化[98]，并增加土地荒漠化的風(fēng)險。對于地下水埋深較深的區(qū)域，建議年際間采取淹灌和膜下滴灌相交替的灌溉方式，提高地下水的穩(wěn)定性。

4.3 覆膜和滴灌的缺點

滴灌技術(shù)、覆膜技術(shù)的缺點共存于膜下滴灌技術(shù)。灌水器容易阻塞是滴灌最常見的問題。一些溶解性不好的肥料或過濾系統(tǒng)不達標(biāo)，容易造成滴頭阻塞，導(dǎo)致隨水施肥效果不佳[99]。滴灌條件下容水器內(nèi)長期充水容易滋生細菌，用再生水進行膜下滴灌時會讓細菌在滴灌系統(tǒng)中大量繁殖，形成的附生生物膜會阻塞滴灌系統(tǒng)[100]。目前很多人對不同阻塞的方式提出了相應(yīng)的控制方法[101,102]。地膜覆蓋和殘膜處理的成本不容小視?？紤]到地膜覆蓋的成本，膜下滴灌和淺埋滴灌之間的經(jīng)濟效益可能沒有顯著差異[10]。雖然膜下滴灌具有較大的生產(chǎn)優(yōu)勢，但在施肥技術(shù)進一步優(yōu)化和膜污染問題得到解決之前，淺埋滴灌可能是一種更生態(tài)環(huán)保的灌溉方式。

5 展 望

膜下滴灌技術(shù)的應(yīng)用與諸多因素有關(guān)。這部分的闡述是希望相關(guān)研究人員在應(yīng)用這項技術(shù)之前，能對周圍環(huán)境進行全面的調(diào)研，對比其他技術(shù)來選取使用，進而更好發(fā)揮其優(yōu)勢：

（1）地下水埋深對作物的生長發(fā)育起著重要的作用，膜下滴灌同時也會影響著地下水埋深的深淺。2者的關(guān)系還需進行進一步探究，根據(jù)不同地方的需求達到相應(yīng)的動態(tài)平衡。適當(dāng)?shù)叵滤豢梢愿纳仆寥浪汁h(huán)境，增強根系活力改善根冠關(guān)系，進一步促進作物生長發(fā)育，提高水分利用效率，最終達到節(jié)水增產(chǎn)的目的。因此，合理利用淺層地下水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必須考慮的一個問題。孫仕軍[103]等人研究地下水的埋深對膜下滴灌玉米產(chǎn)生的影響，淺埋地下水（1.0～2.5 m）會縮短玉米的生育期，提高玉米的生長指標(biāo)，進而達到增產(chǎn)的效果。明廣輝[104]等人探究了不同埋深地下水對膜下滴灌棉田的水鹽運移規(guī)律，試驗發(fā)現(xiàn)，隨著滴灌期的地下水埋深增大，會讓苗期和非生育期土壤的反鹽程度降低，讓收獲期鹽分顯著下降；且將地下水埋深控制在3.5 m時，膜下滴灌結(jié)合冬春灌淋洗能有效抑制土壤層鹽分的增加。而楊鵬年[105]等人使用Hydrus軟件對不同地下水埋深下膜下滴灌棉花生育期耗水量進行了模擬，發(fā)現(xiàn)地下水埋深越淺，會讓棉花的灌水定額越小，但考慮到較高的潛在蒸發(fā)勢會導(dǎo)致土壤鹽漬化，1.5～3.0 m的地下水埋深是灌區(qū)內(nèi)較理想的水位區(qū)間[106]。2者間存在差異可能是由于其研究目的不同導(dǎo)致的，在3.5 m的地下水埋深對抑制土壤鹽分有效，1.5～3.0 m的地下水埋深將會有利于減少灌區(qū)的灌溉定額。

（2）膜下滴灌與其他灌溉方式相結(jié)合，可相輔相成、達到更好的使用效果。膜下滴灌會存有積鹽現(xiàn)象，需建立適當(dāng)頻率的傳統(tǒng)漫灌淋洗制度，以確保膜下滴灌的長期發(fā)展[24]。如果干旱年份不進行灌溉，膜下滴灌較低的水分可用性可能會增加產(chǎn)量下降的風(fēng)險，提前澆地或者在關(guān)鍵生育期進行灌水使更深的土壤層中儲存足夠的水分，以促進玉米根系向下生長并保持高產(chǎn)[107]。特別是在已經(jīng)存在次生鹽堿化的土地上可采用“播前溝灌+滴灌”的灌溉模式，可避免次生鹽堿化造成的不良影響[108]。在枯水年或者降雨量小于268.32 mm的地方使用膜下滴灌將會是更佳的選擇，在平水年或者降雨量大于268.32 mm的地方更佳推薦使用淺埋滴灌[29]。膜下滴灌系統(tǒng)的滴灌帶存在易被灼傷的問題，在覆膜的基礎(chǔ)上進行淺埋可有效解決這一問題[31]。

（3）通過數(shù)學(xué)模型對作物生長進行合理預(yù)測。從試驗中得出的結(jié)果具有較強的局限性，可以通過構(gòu)建作物生長模擬模型對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的過程進行定量且動態(tài)地描述[109]，使用數(shù)學(xué)方程對作物、土壤、氣象、灌溉、施肥的函數(shù)進行模擬[110]，這方面雖比較成熟但仍有應(yīng)用受限或精度不高的問題。LI[111]等人將遙感信息與水文—作物耦合模型相結(jié)合，對干旱地區(qū)的玉米產(chǎn)量進行估計，結(jié)果表明該研究和相關(guān)模型可用于評估灌溉、肥料和田間管理對區(qū)域范圍內(nèi)作物產(chǎn)量的影響。但由于模型開發(fā)目標(biāo)和環(huán)境不同，模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)存在顯著差異[112]。因此，需對作物生長模型進一步優(yōu)化改進，細化不同條件下（作物品種、土壤類型、灌溉管理方式）適當(dāng)參數(shù)的選擇，即參數(shù)本地化；另一方面，結(jié)合新型監(jiān)測技術(shù)、精準(zhǔn)灌溉施肥、加強作物表型方面的研究，最終實現(xiàn)實際觀測和模型模擬相結(jié)合的目標(biāo)。

（4）膜下滴灌對玉米品質(zhì)和生態(tài)問題相關(guān)方面的研究仍然較少。目前水肥耦合對玉米品質(zhì)的研究還較少，大多為通過膜下滴灌的灌溉施肥方式對于玉米品質(zhì)產(chǎn)生的影響[113]，并未比較不同灌溉方式之間玉米品質(zhì)的差異性。如何通過水肥投入—產(chǎn)量—品質(zhì)—效益關(guān)系，對玉米生產(chǎn)進行科學(xué)指導(dǎo)仍是值得進一步深究的問題。目前大量研究表明膜下滴灌對于土壤微生物特征、土壤有機質(zhì)含量及其酶活性等方面有著積極地促進作用[114-116]，但這方面內(nèi)容在玉米上的研究卻并不多見，膜下滴灌對土壤微生物活動及碳排放過程的影響是否也表現(xiàn)出一致性，這都值得研究者進一步探究。

（5）膜下滴灌的使用存在一定局限性。當(dāng)降雨較多時膜下滴灌并不能發(fā)揮節(jié)水作用，李前[117]等人試驗發(fā)現(xiàn)，在多雨年份玉米膜下滴灌處理的耗水量不僅多于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理，而且水分利用效率僅高出9%，結(jié)果與干旱年間相比差異較大。當(dāng)?shù)叵滤裆钶^大時不適合使用膜下滴灌。地下水的補給有一部分來自于農(nóng)田灌溉，而膜下滴灌對于地下水的補給微乎其微，在地下水埋深較大時使用膜下滴灌，會進一步降低地下水位，既不利于作物的生長發(fā)育，還會形成大面積的降落漏斗。在西遼河地區(qū)，播種期多風(fēng)沙氣候條件，不平整的地面難以滿足膜下滴灌的布置條件[118]。對于發(fā)展較為落后，生態(tài)環(huán)境脆弱的地方同樣不適合用膜下滴灌，膜下滴灌的農(nóng)業(yè)配套技術(shù)不僅復(fù)雜，而且前期投入較大，其薄膜難以回收的特點會加重生態(tài)環(huán)境負擔(dān)。灌溉節(jié)水技術(shù)的使用還需根據(jù)不同地方、不同條件進行酌情選擇。