農(nóng)田下墊面處理對降雨入滲的影響

付玉娟, 祝陳夢媛, 張旭東, 寇爾丹, 劉環(huán)玉

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽 110866; 2.沈陽渾河管理中心, 沈陽 110015)

田間壟溝集雨栽培能夠在溝內(nèi)聚集雨水，壟上產(chǎn)生微流，形成田間微型產(chǎn)匯流系統(tǒng)，它通過田間地表微地形的改變，增加其在地面的滯留時間，使降水經(jīng)壟臺向溝中聚集下滲，土壤中的降水得到有效蓄存，達(dá)到增加田間水分下滲的目的[1-2]。覆蓋技術(shù)是旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要措施之一，具有保墑蓄水、防止蒸發(fā)、減少徑流、保持水土的功能，此外還有保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)地溫、抑制雜草、提高水分利用效率和增加產(chǎn)量等作用[3]。各種地面覆蓋材料的應(yīng)用改變了土壤水分的蒸發(fā)和入滲界面，影響土壤水分運移特征。目前關(guān)于覆膜條件下的水分運移規(guī)律的研究多集中在膜下滴灌條件下的水分或者水鹽運移規(guī)律中[4]，探討覆膜對降雨入滲影響的相關(guān)研究較少。肖繼兵等[5]在遼西北半干旱區(qū)通過7 a的試驗研究表明，溝壟覆蓋集雨技術(shù)增加降雨入滲深度，蓄墑率提高72%，水分利用效率比對照增加了24.66%～36.07%；但試驗結(jié)果也表明在降雨多的年份，壟上覆膜在集雨的同時阻隔降雨的入滲，進(jìn)而造成處理土壤水分低于對照；如玉米生育期間降雨量較少，可集雨水少，壟溝覆膜的增墑效果也不明顯。任小龍等[6]研究表明，壟膜溝種微集水種植增產(chǎn)幅度隨玉米生育期降雨量的增加而降低，其適宜的雨量上限可能在全生育期降雨量440 mm左右。靳曉輝等[7]在覆膜和起壟對降雨入滲深度影響的研究中發(fā)現(xiàn)，在玉米苗期階段，覆膜起壟處理的入滲深度大于平整地面；而在玉米主要生長階段，平整地面的入滲深度大于覆膜起壟處理。在降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈的新疆瑪納斯河流域，明廣輝等[8]通過試驗表明覆膜寬度和膜間寬度比例越大，集雨效果越明顯，而壟膜的集雨效果不明顯。降雨量、降雨過程、土壤質(zhì)地、下墊面處理、初始土壤含水率、作物等都會影響降雨入滲過程[9]，而壟溝及地膜覆蓋技術(shù)等農(nóng)田下墊面的改變對降雨入滲量及入滲過程的影響規(guī)律尚需進(jìn)一步明確。

本文從農(nóng)田水循環(huán)角度出發(fā)，以降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈的氣候背景的遼西玉米農(nóng)田為研究對象，分析大壟雙行種植條件下壟溝和覆膜對降雨入滲過程的影響規(guī)律。以豐富膜下滴灌理論，對農(nóng)田水分調(diào)控和雨水資源優(yōu)化利用等具有重要的理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年5—9月在內(nèi)蒙古通遼市開魯縣進(jìn)行。開魯縣位于內(nèi)蒙古通遼市西部，地處松遼平原，屬西遼河沖積平原的一部分，海拔241 m。試驗區(qū)位于開魯縣公興當(dāng)村，北緯43°37′，東經(jīng)121°23′，屬典型的半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱，雨熱同季。年均氣溫6.6℃，降水量約320 mm，蒸發(fā)量1 184.5 mm，全年盛行西北風(fēng)，風(fēng)速4.1 m/s。

1.2 試驗材料

試驗區(qū)的土壤以砂壤土和砂土為主，試驗區(qū)各層土壤特性見表1。

表1 開魯試縣驗觀測區(qū)土質(zhì)情況

試驗為大田試驗，種植作物為玉米，生育期從5月7日播種開始，10月1日收割。種植方式為當(dāng)?shù)氐湫偷拇髩烹p行種植模式，壟寬60 cm，壟高3～5 cm，壟上鋪設(shè)塑料薄膜；溝寬60 cm；玉米種植在壟上，行距40 cm，株距30 cm；在兩行玉米中間布設(shè)滴灌帶，用于補(bǔ)水灌溉。

試驗區(qū)2016年5—9月累計降雨量264.8 mm，扣除小于5 mm的無效降雨，有效降雨為251 mm，能夠監(jiān)測到土壤含水量有明顯變化的降雨5次，各次降雨雨量及歷時見表2。

表2 試驗監(jiān)測各次降雨的雨量及歷時

1.3 試驗設(shè)計

試驗一共設(shè)置了4個處理，分別是平整裸地(PL)、平整地面(PZ)、不覆膜起壟(QL)和覆膜起壟(ML)，其中PL不種植作物，后2個處理按大壟雙行模式種植玉米，PZ為平地種植玉米，株距行距同大壟雙行。每個處理試驗小區(qū)面積為6 m×50 m。4個處理均設(shè)置3個重復(fù)。

本試驗主要監(jiān)測在作物生育期內(nèi)每次降雨的土壤水分變化情況。采用TRIME進(jìn)行原位觀測，PL及PZ每個處理各布設(shè)1根TRIME管，PL的TRIME管埋設(shè)在小區(qū)的中心，PZ處理TRIME管埋設(shè)位置如圖1所示。QL，ML兩個處理每個小區(qū)設(shè)置3個監(jiān)測剖面埋設(shè)TRIME管，分別為膜中(臺中)、膜邊(臺邊)及溝中，布設(shè)位置及距離如圖2所示。

圖1 PZ處理測管埋設(shè)位置示意圖

1.4 試驗方法

試驗為田間天然降雨試驗，利用時域反射儀(TDR)監(jiān)測土壤含水率，試驗TRIME管長120 cm，最大監(jiān)測深度90 cm，每10 cm深度監(jiān)測1次。觀測從2016年5月初開始，到當(dāng)年的9月底結(jié)束。監(jiān)測時間安排在每次有效降雨之前及降雨后1，2，3，5 d，利用各剖面的土壤含水率的變化情況分析降雨的入滲過程及運移特征。降雨數(shù)據(jù)由開魯國家氣象站獲取，該氣象站位置為北緯43°36′，東經(jīng)121°17′，海拔241 m。

圖2 ML，QL處理測管埋設(shè)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 土壤含水率分布變化分析

選取7月21日及7月31日兩次典型降雨過程監(jiān)測的土壤含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明。

2.1.1 雨量較小時 7月31日試驗區(qū)降雨量17.5 mm，分析該次降雨前后各下墊面處理土壤含水率變化情況。將PL和PZ處理的土壤含水率數(shù)據(jù)繪制散點圖(圖3)。PL處理為平整裸地，其含水率變化過程如圖3A所示。其土壤含水率由表層開始逐漸增加及減少消退的過程可以作為參照。與PL處理相比，有玉米種植的PZ處理水分向下運移速度較慢，保留在表層的水分更多，這與植株的截留、保水蓄水作用有一定的關(guān)系。

圖3 7月31日PZ和PL處理各剖面土壤含水率的變化

QL處理溝中、臺邊及臺中3個剖面監(jiān)測到的土壤含水率的動態(tài)變化如圖4所示。該處理3個剖面降雨影響深度均在40 cm以內(nèi)，但土壤含水率的變化過程有一定的差異。其中溝中剖面由于初始土壤含水率較高，增幅較小，但土壤含水率絕對值最大；臺中剖面由于初始土壤含水量最低，增幅較大；臺邊剖面因為有一定的坡度，降雨時超過入滲能力的部分雨量會向溝中匯集，因此含水率增幅及絕對值都小于臺中及溝中。因此，下墊面的起壟對降雨入滲再分配有一定的影響，壟溝的集雨匯流作用在17.5 mm的降雨下有一定體現(xiàn)。

ML處理3個剖面土壤含水率變化過程如圖5所示。ML處理溝中、膜邊和膜中3個剖面雨前、雨后的土壤含水率分布有明顯的不同。降雨之前溝中剖面表層土壤含水率較大，膜邊和膜中的較小，20 cm以下部分差異較小。雨后1 d膜邊及溝中的土壤含水率增加顯著，其中膜邊表層土壤含水率增幅最大，膜中最小。溝中和膜邊兩個剖面雨后1 d影響深度都在40 cm以內(nèi)，此范圍的土壤含水率有明顯的增加。因此，覆膜及起壟對降雨的入滲及水分再分布有一定的影響，與QL和PZ處理相比，覆膜明顯減少了膜中剖面的入滲量，但溝中剖面的入滲量明顯增加。

圖4 QL處理各剖面土壤含水率的變化

2.1.2 雨量較大時 該次降雨發(fā)生在7月21日的4：00—21：00，降雨量35.9 mm。針對此次降雨，分別監(jiān)測了雨前及雨后3 d各處理不同剖面的土壤含水率，對各處理土壤含水率的變化情況進(jìn)行分析。

圖5 ML處理各剖面土壤含水率的變化

PL和PZ處理的土壤含水量變化如圖6所示。受初始土壤含水率的影響，PL處理各層土壤含水率增幅較大；PZ處理的入滲過程有明顯的滯后作用且消退較快。在時間進(jìn)程上，兩個剖面都是雨后2 d土壤含水率達(dá)到最大。

圖6 PZ和PL處理土壤含水率的變化

QL處理3個剖面的土壤含水率變化過程如圖7所示。在降雨35.9 mm的情況下，壟溝的集雨作用顯著，溝內(nèi)土壤含水率及其增幅都是最大；而臺邊由于地形坡度的影響有相當(dāng)一部分通過地表微徑流到達(dá)溝中，因此增幅最小，臺中次之。臺邊和臺中兩個剖面的水分都是在雨后1 d達(dá)到最大，溝中剖面則是在雨后2～3 d才達(dá)到最大。與7月31日17.5 mm的降雨入滲過程相比，壟溝的集雨作用更加顯著。

覆膜起壟下墊面ML處理下降雨前后3個剖面的土壤含水率變化情況如圖8所示。溝中位置表層土壤含水率增幅及絕對值都最大，且由表層向下各層土壤含水率及其增幅逐漸減少。在時間進(jìn)程上，30 cm以上區(qū)域的土壤含水率在雨后第2天達(dá)到最大，30—50 cm深的土壤含水率在雨后3 d達(dá)到最大，有明顯的垂向運移過程，70 cm以下土層土壤含水率變化不明顯。膜邊剖面各層土壤含水率都是在雨后1 d達(dá)到最大，且土壤含水量(除表層10 cm處外)大于其他剖面，主要因為該剖面20 cm以下深度的初始土壤含水率較高，這與土壤質(zhì)地及初始土壤含水率分布有關(guān)；60 cm深度以下部分的土壤含水率沒有受到本次降雨的影響。對于膜中剖面，最大含水率出現(xiàn)在30—40 cm深度范圍內(nèi)，同樣是在雨后第1天達(dá)到最大，降雨入滲影響深度與膜邊剖面基本相同，但土壤含水率的增幅相對較小；該剖面的水分補(bǔ)充來源主要有植株膜孔的雨水入滲及膜邊剖面水分的側(cè)向運移。

與7月31日降雨的入滲過程相比，降雨量增加了18.4 mm，壟溝的集雨作用更加顯著；而膜的不透水作用導(dǎo)致覆膜區(qū)域的降雨入滲量明顯少于其他兩個剖面。

圖7 QL處理各剖面土壤含水率的變化情況

圖8 ML處理各剖面土壤含水率的變化

2.2 降雨入滲影響深度分析

為了減少棵間蒸發(fā)、根系吸水以及不同場次降雨的疊加作用等對土壤水分的影響，選用雨后1天監(jiān)測的入滲深度進(jìn)行分析。從10 cm處開始，逐層對比降雨后1天與雨前的土壤含水率，以土壤含水率有明顯增加的最大深度為降雨入滲影響深度。5次降雨每個剖面的降雨入滲深度見圖9。

從圖9可以看出，7月31日和8月24日雨量較小時，8個剖面的入滲深度差異不明顯，而在其他3次雨量大于25 mm的降雨后，各剖面的入滲深度顯示出一定的差異，其中PL，PZ，QL這3個處理表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致，PZ最小，PL次之，其中QL處理的臺中剖面的入滲深度較大，其他兩個剖面沒有明顯差異。ML處理3次降雨各剖面的入滲深度差異較大，其中7月21日和8月31日雨后膜下滴灌膜中剖面的入滲深度最大，而7月25日降雨過程中該剖面的入滲深度反而最小，其原因主要有：其一是該次降雨前4 d覆膜起壟處理剛進(jìn)行了滴灌；其二是此次降雨雖然總歷時比較長，但雨量主要集中在1 h內(nèi)，降雨強(qiáng)度超過了土壤入滲能力，能夠進(jìn)入的膜中剖面的雨量減少，更多的雨量聚集到地勢相對較低的壟溝內(nèi)。

圖9 降雨不同剖面的雨后1天入滲深度

總體來講，覆膜和起壟在雨量較小時對降雨入滲深度沒有明顯影響；但雨量較大時，覆膜和起壟都會使水分向地勢低的地方匯集，增加入滲深度。覆膜區(qū)域表層土壤的含水率增加較小，更多的雨量會通過壟溝向下運移，入滲深度反而會增加。在前述分析的2次降雨過程中，該剖面入滲深度增加范圍為10～30 cm。

2.3 各下墊面降雨入滲量分析

分析各處理雨后1天的入滲量，結(jié)果見表3。

對比PL和PZ兩個處理的降雨入滲量并結(jié)合降雨量可以看出，一般情況下PL的入滲量較大；在雨量較大且集中的時候PZ的入滲量較大，這與植株的截留蓄水作用有一定的關(guān)系。QL處理由于增加了壟溝，在雨量達(dá)到25.4 mm時溝內(nèi)的入滲雨量有明顯的增加。前述分析的7月21日和7月31日兩次典型降雨過程中，溝中剖面與PZ處理相比入滲量增加了44%，120%；QL處理3個剖面的平均入滲量與PZ相比增幅分別為33%，76%。ML處理中由于膜的不透水性，導(dǎo)致在雨量大于25.4 mm時的入滲小于QL處理，但大于PL和PZ處理；同樣與PZ相比，該處理3個剖面的平均入滲量在兩次降雨過程中分別增加了11%，39%。

表3 雨后1天各下墊面處理的降雨入滲量mm

計算各處理在不同降雨量下的平均入滲量，繪制降雨量與各處理平均入滲量的關(guān)系曲線(圖10)。由圖10可知，在本試驗條件下，在降雨量達(dá)到18 mm左右時，壟溝可以增加降雨入滲量并且增幅隨著雨量的增加而增加，而增加覆膜措施以后則會減弱壟溝集雨蓄水的作用，但入滲量仍然大于PZ處理。雨量達(dá)到33 mm左右以上時，該地區(qū)的降雨類型一般為短時強(qiáng)降雨，超過土壤入滲能力的雨量增加，入滲雨量反而有所減少。

圖10 各處理降雨量與入滲量的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 在雨量較小時，壟溝和覆膜對降雨的入滲過程影響不明顯，在降雨量達(dá)到18 mm以上時，壟溝的集雨增滲作用開始顯現(xiàn)，QL和ML處理的入滲量及入滲深度都有明顯的增加；雨量達(dá)到33 mm左右以上時，由于監(jiān)測到的降雨類型是短時強(qiáng)降雨，降雨強(qiáng)度較大，超過土壤入滲能力的雨量增加，入滲雨量并沒有隨著降雨量的增加而增加。

(2) 各處理對降水入滲影響程度各不相同，其中QL處理因為壟溝匯集雨水的作用會增加降雨的入滲量及入滲深度，溝中剖面的入滲量大幅增加，比PZ處理最多可增加入滲量76%；ML處理的塑料薄膜在一定程度上削弱了壟溝的集雨作用，比PZ處理最多可增加入滲量39%；但由于膜的不透水作用使保留在表層土壤的水量相對減少，有更多的雨水向下運移，ML處理增加了降雨的入滲深度，比PZ處理的入滲深度增加約30 cm。