黃土高原旱作區雨水就地富集利用土壤水滲蓄規律

張育斌，張麗娜，王軍德，趙小潔，秦 力

(甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

雨水就地富集利用實質上是一個對天然降水在空間范圍內的富集疊加過程，膜料的防蒸發作用及膜面產生的徑流必然會改變土壤水滲蓄規律[4-5]，進而影響農田土壤水分的橫向及縱向分布，形成空間差異性。目前，關于雨水就地富集利用的土壤滲蓄規律研究多集中在對比不同農田下墊面處理、不同溝壟比條件下的降水入滲過程，以選取最佳種植模式[6-9]。降水-土壤水滲蓄過程復雜，影響因素多[10-13]，故還需進一步系統揭示覆膜溝壟種植模式對初期降水入滲及后期土壤水分運移再分布的影響規律。付玉娟等[14]在松遼平原研究降水入滲過程表明，降水量達18mm以上時，壟溝的集雨增滲作用顯現，入滲量及入滲深度增加，且覆膜會削弱壟溝的集雨作用，相對不覆膜起壟可增加入滲量減少。李堯等[15]利用Hydrus-2D模擬分析了不同覆膜寬度的降雨入滲特征，指出覆膜和壟溝的設置都會增加降雨入滲，濕潤鋒的垂向運移距離與降雨量、覆膜寬度呈正相關關系，但這種促進入滲的作用會隨著雨量的增加而減小，在降雨量為30mm時，壟溝促進入滲的作用已經很小。由于不同地區土壤質地及農田下墊面處理存在差異性，且現有降水入滲研究大多在土箱試驗或者模型模擬的條件下開展的[16-17]，大田作物種植條件下連續的降水滲蓄過程研究較少，對壟溝滲蓄過程中包括土壤水分再分配的空間差異變化還需進一步揭示。因此，本研究以馬鈴薯覆壟膜高壟種植模式為依托，研究不同降水過程中土壤水分的滲蓄規律及分布特征，對比壟溝位置降水入滲情況進一步揭示黃土高原旱作區雨水就地富集利用規律，以期為旱作農業技術體系的完善提供理論支撐，為農田水分調控和雨水資源高效利用提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2020年在甘肅省定西市安定區大坪村進行，海拔2087m。該地區屬黃土高原丘陵溝壑區和干旱半干旱地區，大陸性季風氣候顯著。年均氣溫6.3℃，無霜期140d，年均日照時數2500h。全區多年平均降水量398.5mm左右，多集中在夏秋季節，最大4個月(6—9月)降水量占全年降水量的67.2%，蒸發量高達1500mm以上，為降水量的3～4倍，是典型的旱作雨養農業區。該地區地帶性土壤類型為黃綿土，經分土層取樣測定，其物理特性見表1。

表1 研究區土壤物理特性

表2 不同降水量條件下降水后不同歷時壟溝0～40cm層入滲量變化 單位：mm

1.2 試驗方案

本文選取當地特色作物馬鈴薯為研究對象，供試作物品種為冀張薯8號。采用起高壟雙行種植，壟面覆膜，溝內部分覆膜，膜寬120cm，壟高20cm，壟面寬60cm，溝上口寬40cm，溝底寬20cm(如圖1所示)。馬鈴薯種植時1膜2行，行距50cm，株距45cm。試驗小區長15m，寬1m。利用土壤墑情儀測定不同土層土壤水分隨時間的動態變化過程，以次降水量<10mm、10～20mm、>20mm三個雨量級選取典型次降水量，分別為4.8、7.4、11.2、17.6、21.4、25.8mm，降水歷時為375、61、579、593、626、625min，對應降水強度為0.013、0.121、0.019、0.030、0.034、0.041mm/min。

圖1 馬鈴薯雨水富集利用種植模式

1.3 觀測項目和方法

在試驗區布設一個HOBO RG3-M自計式雨量筒，監測獲取降水量及氣溫數據；在壟上及溝中各埋設一個土壤墑情儀(智墑+)，整個生育期每隔1h對土壤水分進行連續、動態監測，每10cm土層測定1次，測定土壤深度共1m。

通過雨后0、3、6、12、24h的土壤含水率和雨前初始土壤含水量之差分析不同時段內的壟溝降水入滲量變化。入滲量占降水量的比例可反映下墊面對降水利用的有效性，因此按下式計算有效降雨系數(K)：

ΔW=h1SWCa-h1SWCc

(1)

K=ΔW/P

(2)

式中，h1—模型中土層的深度，cm；SWCa—雨后0、3、6、12、24h的土壤含水量；SWCc—初始的土壤含水量，cm3/cm3；P—次降水量，mm；ΔW—降水入滲量，mm。

1.4 數據處理

利用Excel和Origin進行數據分析和圖表制作，采用SPSS軟件進行差異顯著性分析和相關分析。

蘭德對電子郵件的興趣并不限于此。在20世紀90年代中期，研究人員提出了建立一個全國性通用電子郵件系統的構想，為每個美國居民提供一個電子郵件地址，并為那些上不起網的人提供計算機公共接入和經濟援助。

2 結果與分析

2.1 不同降水過程中壟溝入滲深度變化

降水過程中壟溝下滲差異可由降水前后土壤含水量的變化得知。故選取降水前、降水結束及降水后(6h)3個時間節點，對不同次降水量條件下壟溝土壤水分縱向分布進行分析。小雨量(<10mm)選取了4.8mm和7.4mm兩場降水，對比可知7.4mm降水集中，歷時短，強度大，降水過程中土壤水分變化更為劇烈，降水結束時壟中土壤水分僅滲入表層0～10cm，而溝中土壤水分已下滲至10～20cm，降水后土壤水分在水勢梯度的影響下繼續運移，壟中下滲至10～20cm，溝中下滲至20～30cm，與4.8mm降水條件下下滲深度基本一致。從雨水在土層的主要蓄集區來看，小雨量降水后壟中入滲主要蓄集在表層，溝中主要蓄集在0～20cm，總體表現為溝中下滲量大，下滲深度深。4.8mm降水表現更突出，降水結束時，溝中表層土壤含水量大幅提升，增加了14.7%，增幅是壟中(3.8%)的3倍以上；且降水后，溝中表層土壤水分經蒸發和向下層運移，土壤含水量已呈現小幅回落，而壟中仍小幅增加，此時壟溝含水量相對降水結束增幅差距拉近，接近兩倍。7.4mm降水結束時，壟溝表層含水量增幅相當，但溝中雨水已下滲至10～20cm，土壤含水量增加了2.5%，降水后增加至13.6%。

中雨量(10～20mm)選取了11.2mm和17.6mm兩場降水，兩場降水下滲規律基本一致，土壤水分下滲深度均保持在40～50cm，降水結束時壟溝下滲仍呈現較大差異，主要體現在0～20cm深度，隨著入滲壟溝差異減小，表現為壟和溝土壤水分下滲深度相同，且雨水主要蓄集在同一土層。11.2mm降水壟溝都蓄集在0～20cm，隨著雨量增加，17.6mm降水主要蓄集區有所下移，集中在0～30cm。兩場降水結束時，表層和10～20cm土層溝中土壤含水量增幅高于壟中，尤其是11.2mm降水，壟溝土壤含水量增幅差異達7.3%；降水后，溝中表層和10～20cm土層含水量的回落程度相對較快，壟中表層含水量略有下降，下滲趨勢開始顯現，下層仍呈現正增長。

大雨量(>20mm)選取了21.4mm和25.8mm兩場降水，25.8mm降水下滲至更深土層，雨水在土層的主要蓄集區縱向分布更廣，集中在0～40cm。兩場降水過程中壟溝下滲差異顯著，溝中下滲速率更快，下滲量大，主要蓄集區厚度更大。壟溝下滲深度差異如圖2所示：在21.4mm降水條件下，降水后溝中土壤水分下滲至更深土層40～50cm，壟中僅下滲至30～40cm；25.8mm降水條件下，壟溝土壤水分下滲深度均為50～60cm。兩場降水結束時，21.4mm降水溝中雨水已下滲至40～50cm，即最大下滲深度，隨著土層加深，溝中含水量增幅漸小，但各土層含水量增幅均高于壟中；25.8mm降水結束時，溝中雨水已下滲至40～50cm，壟中才下滲至30～40cm，且該層含水量增幅(2.9%)遠低于溝中含水量增幅(16.9%)。降水后，壟溝的土壤水分含量均呈現回落趨勢，壟中僅表層含水量略有下降，而溝中回落范圍更大。兩場降水表現不一致，21.4mm降水，溝中0～20cm呈現回落趨勢；25.8mm降水，溝中0～30cm土層含水量回落，且隨著土層加深回落幅度越小。

圖2 不同次降水量條件下壟溝土壤水分縱向分布

2.2 不同降水過程中壟溝土壤含水量變化

經上述分析，土壤水分的變化基本集中在0～60cm深度，考慮到40～60cm變化相對較小，故僅分析0～40cm壟溝的土層含水量變化。圖3—8整體表現為溝中土壤水分波動更為劇烈，對降水的響應更及時。

圖3 4.8mm降水過程中不同土層土壤含水量的響應變化

圖3—4同時表明了小雨量條件下，降水量達到一定程度時，土壤含水量才顯著提升，且隨著降水分布呈現波動。4.8mm降水，壟溝表層土壤含水量從10h開始明顯抬升，此時累計降水量為1.4mm，后期溝中變化幅度較大，受雙峰型降水影響呈波動增長，在15h達到峰值，土壤含水量提升了12.8%，隨后緩慢下降，10～20cm土層含水量在15h后有所提升，即表層含水量下降時才開始提升；壟中各土層均表現為緩慢上升后保持平穩，表層僅提升6.0%，壟溝差異顯著。7.4mm降水集中，壟溝表層土壤含水量在3～5h陡增，溝在5h(降水結束時)達到峰值，土壤含水量增加了16.4%；而壟在降水結束后仍保持緩慢增加，在9h達到峰值，一方面是因為降水通過種植孔局部入滲擴散較為緩慢，另一方面是因為植物截流的一部分雨水又順著枝葉進入種植孔。后期溝中隨著水分橫向縱向運動和蒸發損失，土壤含水量持續下降，相比峰值減少了9.0%，而壟中略有下降后保持穩定。10～20cm土層，僅溝中土壤含水量對降水響應強烈，在4h之后土壤含水量大幅抬升，相對表層響應時間有所滯后，直至14h保持穩定，土壤含水量增加了19.9%。

中雨量條件下，壟溝土壤水分變化的響應時間差異顯著。如圖5—6所見在同一土層中，壟中土壤含水量變化滯后于溝中。11.2mm降水，溝中表層土壤含水量在4～6h陡增，土壤含水量增加了25.0%，在9h達到峰值；而壟中土壤含水量變化滯后，在6h后才有明顯抬升，滯后2h，此時累計降水量為6.4mm，直至15h達到峰值；壟溝含水量變化趨勢與小雨量降水基本一致，溝含水量后期出現下降趨勢，而壟保持穩定。10～20cm土層，土壤水分相對表層響應時間滯后，溝中表層趨于緩慢變化時，該層土壤含水量才開始抬升，在11h達到峰值，土壤含水量增加了10.7%；壟中土壤含水量變化平緩，同樣是在表層變化緩慢時才開始上升，且相對溝也呈現滯后，含水量增加了7.3%。

圖5 11.2mm降水過程中不同土層土壤含水量的響應變化

圖6 17.6mm降水過程中不同土層土壤含水量的響應變化

17.6mm降水，壟溝表層土壤水分變化趨勢基本一致，隨著降水的持續，土壤含水量先大幅增加，然后緩慢下降，下滲進入下層土壤，其中在7h集中降水5mm，土壤含水量增幅變陡。14h溝中土壤含水量達到峰值，土壤含水量增加了33.2%；壟中土壤含水量在7h才開始增加，相比溝中滯后2h，在15h達到峰值，滯后1h，土壤含水量增加了28.2%。10～20cm土層，溝中土壤含水量已呈現下降趨勢時，壟中土壤含水量仍緩慢上升，隨后保持平穩。20～40cm土層，溝壟均呈現先上升后平穩趨勢，且受土壤水橫向運動影響，壟溝含水量差異減小。

如圖7—8所示大雨量條件下，雨水不能及時入滲會在溝中產生積水，且壟面覆膜產生的徑流增加，壟溝土壤水分變化差異凸顯。21.4mm降水各土層均呈現溝中土壤含水量波動劇烈，且增加幅度隨著雨強的變化而變化，壟中則較為平緩，且壟中表層土壤含水量變化滯后溝中1h，隨土層加深，滯后時長增加。由于10～20cm土層，壟中初始含水量低，僅為14.9%，雨水下滲多集中蓄集在該層，從5h起土壤含水量呈持續上升趨勢，增加了30.1%，故下層20～40cm土層壟土壤含水量在后期增幅較小。25.8mm降水，土壤含水量變化趨勢與17.6mm降水條件下基本一致，但壟中土壤水分變化滯后效應更為顯著，尤其是10～40cm土層。說明降水強度越大，產生的積水促進了溝中雨水的垂直入滲補給，加強了土壤水分的縱向運動，使得溝中水分響應更為強烈。

圖7 21.4mm降水過程中不同土層土壤含水量的響應變化

2.3 不同降水過程中壟溝入滲量及有效降水系數變化

降水入滲后，各典型降水條件下溝中最大入滲量均高于壟中，但隨著降水后歷時增加，壟溝的入滲量差異逐漸減小。除7.4mm降水之外，壟最大入滲量出現時間均相對于溝有所滯后，且隨著降水量增加，滯后時間延長，其中小雨量4.8mm降水滯后時間9h，中雨量條件下滯后時間達12h，大雨量條件下滯后時間達24h；7.4mm降水由于降水歷時短，強度大，壟溝降水入滲的滯后效應不明顯，均在降水后6h入滲量達到最大。對比同一時段壟溝入滲量可以看出，降水結束壟溝入滲量差異達到最大，大雨量條件下尤為凸顯，壟溝入滲量分別相差6.9、5.44mm；降水后24h，各雨量條件下壟溝差異均顯著減小，其他時段，小雨量、大雨量條件下壟溝差異仍較大，中雨量條件下壟溝差異較小，且壟中入滲量逐漸超過溝中入滲量，此時降水強度仍低于土壤入滲能力，雨水直接進入土層，未形成積水，壟中入滲量增加主要源自土體水分橫向補給和植物截流，側滲效應顯著，該降水量級下，雨水在土壤中蓄集的空間變異性較小。

通過降水量、壟溝位置以及降水歷時對入滲量和有效降水系數影響的方差分析，結果表明，壟溝位置、降水歷時對入滲量的影響并未達到顯著水平(P>0.05)，但降水量對入滲量的影響達到了極顯著水平(P<0.01)，同樣降水歷時對有效降水系數的影響不顯著(P>0.05)，但降水量、壟溝位置對有效降水系數的影響達到了極顯著水平(P<0.01)。對比不同次降水量與壟溝入滲量、有效降水系數的變化情況，可以看出隨著次降水量的增加，入滲量雖整體呈增加趨勢，但雨水的損失量也相應增加，溝中有效降水系數整體呈下降趨勢，壟中有效降水系數呈現中間高兩邊低的趨勢。小雨量條件下，溝中能最大化的留貯雨水，有效降水系數平均達0.75，但壟中在覆膜作用下貯水較少，有效降水系數平均低至0.51；中等雨量條件下，溝中有效降水系數有小幅度降低，降至0.72，但壟中有效降水系數平均提升至0.65，壟溝貯水差異縮小；大雨量條件下，由于徑流損失的影響，壟溝有效降水系數均處于較低水平，分別為0.49和0.56，雨水富集利用效率較低。不同降水量條件下壟溝有效降水系數變化如圖9所示。可見，覆膜溝壟種植在小雨量及大雨量條件下空間差異性相對較大，能夠在溝中蓄集更多雨水，優勢更為凸顯；對于小雨量，植物截流作用下水分損失較多，溝中能形成匯流，使得壟溝差異凸顯，隨著雨量增加，差異有所減小；而對于中雨量，由于土壤水分在土體中的再分布，隨著降水量增加，土壤水分運動加強，雨水向壟中的側滲作用也會增強，使得溝壟土壤水分空間差異變小；對于大雨量，由于表層土壤水分飽和，雨水來不及下滲產生積水，加之壟面形成徑流流入溝中，使得壟溝空間差異性變大。

圖9 不同降水量條件下壟溝有效降水系數變化

3 討論

覆膜壟溝系統在田間微地形和膜料防滲抑蒸的共同作用下，形成了集雨、蓄水、保墑一體的農田水分調控技術，旱作農業有限的水資源得以高效配置，降水生產潛力得以大幅增進，其關鍵在于降水、土壤水分在壟溝間的入滲、運移和再分布。隨著次降水量的增加，壟溝土壤水分下滲深度總體呈增加趨勢，但非線性增長，說明影響下滲深度的因素不是單一的。土壤水在重力作用下向下運移，且由土水勢高的地方流向低的地方，這就決定了水分運移需先滿足上層土壤的持水能力，故初始土壤含水量是影響下滲深度的另一重要因素。如21.4mm降水前，壟中0～20cm初始土壤含水量僅為18.7%和14.9%，降水后，雨水多蓄集在該深度，未向深層下滲，最大下滲深度小于17.6mm降水條件下的下滲深度。

壟溝下滲深度的差異性和水量分布的不均衡性均在小雨量(<10mm)和大雨量(>20mm)條件下表現更為突出，表現為同等降水條件下，溝中土壤水分下滲深度大于壟中，且溝中雨水的入滲更深，降水后溝中入滲量高于壟中。小雨量條件下，包括通常所說的無效降水(<5mm)，壟面覆膜和作物生長覆蓋會截留一部分降水，進入壟面種植孔的水量減少，截流效應占主導，在膜面匯集徑流的加持下，進入溝中水量增加，使得兩者下滲深度及下滲量產生差異。大雨量條件下，雨水來不及下滲，產流快，在微地形的作用下，溝內的積水增多，下滲量增加，同時促進了土壤水分的二維入滲，橫向側滲雖能平衡一部分壟溝差異，但垂直入滲作用更強，致使溝中下滲深度深。

壟溝水分變化時間的滯后性取決于入滲速率的快慢，即土壤下滲能力，其影響因素包括降水強度和土壤初始含水量[18]。小雨量條件下，壟溝水分對降雨的響應差異性不顯著，但壟中水分達到峰值的時間有所滯后，一定程度上說明壟中入滲速率相對緩慢。隨著雨量的增加，時間上的滯后效應越發凸顯，中等雨量條件下，壟中表層水分變化時間較溝中滯后2h，達到峰值時間滯后1h，滯后效應最強烈；大雨量條件下，壟中表層土壤含水量變化滯后溝中1h，滯后效應次之，且隨土層加深，滯后時長增加。田間植被及膜料覆蓋阻隔了降水在土體的直接入滲，使得土壤水分的響應有所滯后，對于中等雨量，在截流作用下，降水初期進入壟面種植孔的雨量有限，土壤水分的響應不大，而溝中疊加了一部分膜面匯集雨量，入滲速率加快，土壤水分響應及時，壟溝響應時間差異凸顯。對于大雨量，降水量及降水強度是主導因素，截流效應弱化，壟溝入滲速率加快，響應時間差異減小。包含等[15]通過室內模擬降水入滲研究表明，淺層對濕潤鋒運移起主導作用的是降水強度，深層降水強度和土壤初始含水量對濕潤鋒運移有同樣重要的影響，雨強越大，含水量越高，越有利于濕潤鋒運移。這與本文結論有一致性，考慮到田間試驗的外界環境因子及作物種植，故實際影響土壤水分變化的因素要相對復雜。

壟溝入滲量對有效降水系數、降水量的響應關系有所不同，隨著次降水量的增加，毋庸置疑壟溝入滲量相應增加，但有效降水系數并未呈現持續提升趨勢，溝中有逐漸小幅下降趨勢，壟中呈現先上升后下降趨勢。岳德成等[19]通過全膜雙壟溝播玉米試驗研究表明，降水入滲效果在61.44%～80.06%之間，匯集水分入滲過程中無效損失率低于28.49%。李堯等[15]提出設置覆膜和壟溝都大幅提高了有效降雨系數，隨著降雨量的增加，這種促進作用明顯降低，在降雨量達到30mm時，這種增加已經不明顯。這與本文結論類似，本文中降水量在20mm以上時，有效降水系數已經呈現下降趨勢，主要是由于壟溝位置入滲差異和區域氣候土壤的差異。

4 結論

覆膜壟溝系統對土壤水滲蓄規律的影響體現在空間的差異性、時間的滯后性以及水量分布的不均衡性3個方面。小雨量(<10mm)和大雨量(>20mm)條件下壟溝空間差異性和水量分布的不均衡性較為顯著，具體為小雨量降水入滲后主要蓄集在0～10cm土層，壟溝土壤水分下滲深度呈現差異，溝中土壤水分下滲深度深，為20～30cm，壟中為10～20cm，且溝中土壤水分增幅大，各時段降水入滲量均高于壟中，尤其是4.8mm降水；大雨量雨水未及時下滲產生的積水和膜面匯集的徑流加重了壟溝的空間差異性，整體表現為溝中土壤水分下滲至更深土層，且雨水的主要蓄集區縱向分布更廣，溝中下滲速率快，降水后上層土壤水分的回落趨勢更為顯著，且隨著土層加深回落幅度越小，能夠將水分更多的蓄集在深層土壤，壟溝入滲量差異達到最大，尤其是21.4mm降水，降水結束入滲量相差6.6mm。中等雨量(10～20mm)條件下，壟溝土壤水分下滲差異較小，下滲深度相同均保持在40～50cm且雨水主要蓄集在同一土層，除降水結束時，降水后各時段壟溝下滲量差異不大，由此可得：

(1)各雨量級條件下，壟溝土壤水分變化對降水的響應過程均呈現差異，整體表現為溝中土壤水分波動更為劇烈，對降水的響應更及時。中等雨量(10～20mm)和大雨量(>20mm)條件下壟溝土壤水分變化對降水的響應過程差異更為顯著，同一土層壟中土壤含水量變化滯后于溝中，隨著土層加深，滯后時長增加，滯后效應更為突出。小雨量(<10mm)條件下，降水量達到一定程度時，土壤含水量才顯著提升，且隨著降水分布呈現波動，壟溝土壤水分的前期響應都較為強烈，相對同步，但后期溝中土壤水分出現明顯下降趨勢時，壟中仍保持緩慢增加，達到峰值時間有所滯后。

(2)隨著雨量級的變化，壟溝有效降水系數響應程度也不一致，溝中有效降水系數整體呈下降趨勢，壟中有效降水系數呈現中間高兩邊低的趨勢，且小雨量(<10mm)條件下壟溝有效降水系數差異較大，溝中有效降水系數平均達0.75，能夠在溝中蓄集更多雨水，但相應壟中雨水損失量也較大，大雨量(>20mm)條件下壟溝有效降水系數均處于較低水平，雨水富集利用效率較低，就整體而言，中等雨量(10～20mm)條件下，壟溝有效降水系數差異較小且均在0.6以上，該雨量級條件下雨水富集利用效率達到最高。

(3)雨水就地富集利用能夠高效調控旱作區雨水在田間的分配，同時需結合作物需水特性和生理特性作出種植模式調整，溝中土壤水分波動劇烈，相比壟中各時期墑情條件較好，尤其是在上層土壤(0～20cm)，對于馬鈴薯而言，塊莖生長在土壤里，過濕的水分環境會泡爛塊莖，采用溝播反而不利于生產；采用高壟壟作，溝中土壤水分側滲補充壟水，在壟溝交界處因地膜覆蓋存貯起來，形成后備水庫，在保證馬鈴薯生長適宜水分環境的同時，避免了塊莖泡爛的風險。雨水就地富集利用的優勢不僅僅體現在“雨量增值”上，雨水入滲后土壤水分的再分布，即壟溝之間的水分運移更是旱作農業水分利用和增產增效的關鍵點。