模擬降雨條件下壟膜方式對土壤蓄水效應(yīng)影響

李彬　戚迎龍　趙沛義　趙舉　尹春艷　任永峰　高宇　劉虎　丁艷宏

摘要：通過小區(qū)試驗和模擬降雨的方法，分析了旱作區(qū)不同降雨量下不同壟膜覆蓋方式對土壤水蓄積效應(yīng)的影響。結(jié)果表明：隨著模擬降雨量增大，0-50 cm土層的土壤貯水量及其增量增大，表現(xiàn)為壟作全覆膜（QLM）>壟作半覆膜（BLM）傳統(tǒng)平作（CKM）。對于沙壤土，壟作全覆膜較傳統(tǒng)平作貯水量增量增大0.9 - 3.4 mm，產(chǎn)流效率為10.50%一27.50%，蓄墑增加率為36.2l%一95.65%;壟作半覆膜較傳統(tǒng)平作貯水量增量增大0.6-2.1 mm，產(chǎn)流效率為5.00% - 15 .000-10，蓄墑增加率為17.24% - 55.26%。對于壤土，壟作全覆膜較傳統(tǒng)平作貯水量增量增大1.7-6.8 mm，產(chǎn)流效率為3l.OO%一45.83%，蓄墑增加率為75.68% - 95. 77%;壟作半覆膜較傳統(tǒng)平作貯水量增量增大1.4 - 4.2 mm，產(chǎn)流效率為15.00% - 35.00%，蓄墑增加率為75.68% - 95.77%。試驗驗證了不同覆膜方式的集雨效果、土壤蓄水和保墑效應(yīng)，全覆膜和半覆膜壟上溝播模式能夠起到集雨增溫保墑作用，可提高土壤蓄水，實現(xiàn)區(qū)域降水資源的高效利用。

關(guān)鍵詞：模擬降雨;壟膜覆蓋;產(chǎn)流效率;蓄墑;旱作農(nóng)業(yè)

中圖分類號：S157.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.020

內(nèi)蒙古陰山北麓地處我國北方農(nóng)牧交錯帶中段，是生態(tài)極為脆弱和貧困的地區(qū)之一。該區(qū)屬半干旱偏旱區(qū)，年降水量南部地區(qū)為400 mm，大部分地區(qū)在250-300 mm之間，北部地區(qū)不足200 mm.且降水集中于夏季（占全年的2/3左右）。該地區(qū)大部分耕地不具備灌溉條件，農(nóng)作物生長主要依靠天然降水，是典型雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，旱地面積占耕地面積的92.5%.作物產(chǎn)量低且不穩(wěn)定，嚴(yán)重威脅糧食安全，影響農(nóng)牧民增產(chǎn)增收[1]。因此，集蓄天然降水，提高降水的保蓄率，改善作物根域水環(huán)境，采取高效用水措施提高水資源利用率就成為旱作農(nóng)業(yè)開發(fā)技術(shù)的核心內(nèi)容[2-6]。

國內(nèi)外在干旱區(qū)高效利用天然降水方面做了大量研究和推廣工作。降水量為250 - 500 mm的地區(qū)，充分利用天然降水是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑之一。壟膜溝種技術(shù)是基于雨水就地利用的理念，通過改變農(nóng)田地表微地形形成溝壟，壟上覆膜，溝內(nèi)種植，使降雨在農(nóng)田就地實現(xiàn)空間再分配，達(dá)到雨水富集利用的目的。壟膜溝種能夠改善土壤中的水分和養(yǎng)分之間關(guān)系，顯著提高天然降水的利用率，明顯增加作物產(chǎn)量[7-9]。在壟背上覆蓋地膜，氣溫過高時能有效抑制土壤水分的蒸發(fā)：氣溫較低時能夠?qū)⒛?nèi)水汽凝結(jié)成水珠后人滲到土壤中，提高土壤水分利用率，進(jìn)而改變土壤的溫度、濕度及光照等環(huán)境因子，使土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變[10-11]。田間壟膜溝種微型集雨系統(tǒng)可以增大水分的人滲深度，降低產(chǎn)流率，從而達(dá)到蓄水保墑的作用[12-15]。目前，國內(nèi)主要通過田間試驗和模擬降雨相結(jié)合的方式對溝壟集雨的集水效應(yīng).增產(chǎn)效應(yīng)等進(jìn)行研究[16-27].而針對農(nóng)牧交錯帶開展不同壟膜覆蓋方式對土壤水分運(yùn)動等方面的研究較少。筆者結(jié)合內(nèi)蒙古旱作農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)，研究人工模擬降雨條件下不同壟膜覆蓋方式對不同類型的土壤水分積蓄效應(yīng)的影響，對充分利用自然降水及提高糧食產(chǎn)量有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在農(nóng)業(yè)部內(nèi)蒙古耕地保育科學(xué)觀測實驗站（武川）開展。研究區(qū)海拔1 576 m，多年平均降水量350 mm，年水面蒸發(fā)量1 850 mm，多年平均氣溫2.7℃，無霜期110 d，地形以緩坡丘陵為主，土質(zhì)以栗鈣土、灰褐土、石質(zhì)土為主，土壤沙性較重。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2014年8月17-21日和2015年6月27日-7月1日進(jìn)行，兩個時間段外界氣候基本一致，由氣候?qū)е碌脑囼炚`差在允許的范圍之內(nèi)。試驗土壤類型選用沙壤土和壤土，設(shè)計平作（CKM）、壟作半覆膜（ BLM）、壟作全覆膜（QLM）3種覆膜方式，平作（CKM）為對照處理。2014年模擬降雨量設(shè)計為4、8、12、16、20 mm.2015年降雨量設(shè)計為3、6、9、12、15mm，在人工降雨后連續(xù)Sd采用烘干法測定土壤含水率。為了減小試驗中不同覆膜形式下植物生長速度的差異造成的土壤水分變化，各小區(qū)不種植農(nóng)作物。

1.3 觀測指標(biāo)與方法

觀測指標(biāo)主要包括土壤含水率、容重、風(fēng)向、溫度、ETo。

分層取土，取土深度為0 - 50 cm，每10 cm為一層。為了消除覆膜后土壤水分在不同位置的差異，各小區(qū)每層取土點(diǎn)選5處，分別為小區(qū)地塊的各個邊中點(diǎn)（距離邊界30 cm）以及小區(qū)中心點(diǎn)。

小區(qū)集雨壟溝系統(tǒng)的土壤貯水量計算公式為[15]

W= lOhpb

（1）式中：WW為土壤貯水量;h為土層深度;p為土壤容重;b為土壤水分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

產(chǎn)流效率指在微集水種植條件下，降水通過壟面產(chǎn)生徑流使種植溝內(nèi)土壤水分疊加后的蓄水量較對照小區(qū)的增加值占降水量的百分比。計算公式為

Er=（AW處理-AW_CK）/Rx 100%

（2）式中：Er為產(chǎn)流效率，%;AW處理為處理小區(qū)降水后土壤貯水量的增量，mm;△WCK為對照小區(qū)降水后土壤貯水量的增量，mm;R為前后兩次測定時間的降水量，mm。

蓄墑增加率指在一定時間內(nèi)降水通過壟面產(chǎn)生徑流，使種植溝內(nèi)土壤水分疊加后的貯水增量較對照處理貯水增量所提高的百分比。計算公式為

AP=（AW處理-AW_CK）/△W_CK×100%

（3）式中：AP為蓄墑增加率，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 壟膜溝種對土壤貯水量變化的影響

2.1.1 不同土壤類型對土壤貯水量的影響

從表2可知：無論是沙壤土還是壤土，0-50 cm的土壤貯水量及其增量隨著模擬降雨量增大而增大：覆膜量變化引起土壤蒸發(fā)量變化，覆膜越多，蒸發(fā)量越小，從而造成土壤貯水量越大，表現(xiàn)為壟作全覆膜（QLM）>壟作半覆膜（BLM）>傳統(tǒng)平作（CKM）。與沙壤土相比，壤土孔隙小、毛管孔隙多、保水性強(qiáng)，因此壤土的貯水量增量幅度較大。在整個模擬過程中，對于沙壤土，壟作全覆膜貯水量增量為2.0 - 7.9 mm.比對照處理（平作）的貯水量提高1.09% - 4.00%;壟作半覆膜貯水量增量為1.7 - 6.8 mm.比對照處理的提高0.73%- 2.47%。對于壤土，壟作全覆膜貯水量增量為3.6 - 14.1 mm.比對照處理（平作）的貯水量提高2.26%。8.46%：壟作半覆膜貯水量增量為1.9 - 7.9mm.比對照處理（平作）的貯水量提高1.86% -5. 10%。

2.1.2 不同降雨量對土壤貯水量的影響

從圖1可以看出，當(dāng)模擬降雨量為20 mm時，沙壤土和壤土壟作全覆膜、壟作半覆膜土壤貯水量增量變幅都較小，表明降雨初期膜面所接納的雨水集中流人溝內(nèi)，并沿播種孔（人滲孔）下滲到作物根系，土壤含水量達(dá)到飽和后，雨水不再下滲，而在溝內(nèi)積存，部分以蒸發(fā)的形式消耗。

2.1.3 不同覆膜方式對土壤貯水量的影響

由表3可知，在0-10 cm土層，壟膜溝種的覆膜方式對雨后Sd土壤貯水量有顯著影響;在10～ 20、20～ 30cm土層，壟膜溝種的覆膜方式對雨后Sd土壤貯水量有極顯著影響：在30～ 40、40～50 cm土層，壟膜溝種的覆膜方式對雨后5d土壤貯水量沒有顯著影響。

以沙壤土為例，根據(jù)2014年觀測數(shù)據(jù)，對不同覆膜方式、不同降雨量和土壤貯水量進(jìn)行回歸分析，見表4。3種處理方式下，降雨量與土壤貯水量均為顯著相關(guān)，表現(xiàn)為傳統(tǒng)平作（CKM）>壟作半覆膜（BLM）>壟作全覆膜（ QLM）。

2.2 壟膜溝種對土壤剖面含水率動態(tài)變化的影響

2.2.1 覆膜條件下不同土壤對土壤水分動態(tài)的影響

以壟作全覆膜16 mm的模擬降雨量為例，進(jìn)行土壤水分動態(tài)分析。由圖2和圖3可知，不同土壤類型對土壤水分動態(tài)影響顯著。降雨后，隨著歷時的延長，沙壤土0-30 cm土層含水率有規(guī)律地減小，但30 - 50cm土層出現(xiàn)含水率增大的現(xiàn)象：壤土0- 20 cm土層含水率有規(guī)律地減小.20～30 cm土層出現(xiàn)含水率增大的趨勢，30～50 cm土層含水率有規(guī)律地增大。不同土壤類型的含水率增大和減小的臨界面不同，沙壤土的臨界面在壤土的下方，說明土壤類型是影響水分運(yùn)動的主要原因之一。對比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)平作的土壤水分含量變化速度快，全覆膜的阻隔作用使得水分散失量保持在一個較小的范圍，且有較為清晰的臨界面，這和前人的研究結(jié)果一致[28]。

2.2.2 不同降雨量和覆膜方式下土壤水隨時間的動態(tài)分布

由表5可知，降雨后第3天和第5天覆膜方式對土壤含水率具有顯著影響，降雨量對土壤含水率沒有顯著影響。圖4-圖6分別為15、12、9 mm模擬降雨后1-5 d土壤剖面含水率分布。在15 mm降雨量下，BLM處理剖面含水率整體比CKM與QLM的大，淺層土壤含水率QLM處理大于CKM的，覆膜均提升了雨后含水率，較大降雨量下半覆膜含水率更大。在12 mm與9 mm模擬降雨量下，50 cm土層剖面含水率總體趨勢為自淺向深遞減.12 mm降雨量下2-4 d后BLM和QLM處理0-30 cm土壤含水率明顯大于CKM處理的，說明全覆膜和半覆膜均有良好的土壤水保蓄作用。

2.3 壟膜溝種對產(chǎn)流效率與蓄墑增加率的影響

在模擬降雨過程中，對不同覆膜方式的降雨產(chǎn)流效率進(jìn)行了測定。由表6和表2可知，降雨過程使沙壤土壟作全覆膜較傳統(tǒng)平作貯水量增量增加0.9-3.4mm，產(chǎn)流效率為10.5% - 27. 5%;蓄墑增加率為36.21%。95.65%：壟作半覆膜較傳統(tǒng)平作貯水量增量增加0.6-2.1 mm，產(chǎn)流效率為5% - 15%.蓄墑增加率為17. 24% - 55. 26%。壤土壟作全覆膜較傳統(tǒng)平作貯水量增量增加1.7 - 6.8 mm.產(chǎn)流效率為31.00% -45.83%.蓄墑增加率為75.68%。95.77%：壟作半覆膜較傳統(tǒng)平作貯水量增量增加1.4 - 4.2 mm.產(chǎn)流效率為15 .00% - 35.00%，蓄墑增加率為75.68% - 95.77%。可見壟上覆膜確能起到明顯的集雨蓄水的作用，且壟作全覆膜優(yōu)于壟作半覆膜，這與前人的研究結(jié)果一致[29]。

3 討論

水是影響干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極其重要的因素，充分利用天然降水是提高干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的有效途徑。本文通過野外試驗研究初步揭示了農(nóng)牧交錯帶模擬降雨條件下旱作區(qū)壟膜溝種方式對土壤水蓄積效應(yīng)的影響，壟膜覆蓋能夠有效抑制土壤水分的無效蒸發(fā)，尤其是能將微量降水集聚，使其能夠人滲到較深層土壤中，覆膜的阻隔作用使其能夠較長時間保留在土壤中為作物生長所利用，從而促進(jìn)土壤水分的有效利用[12]。不同壟膜覆蓋方式的土壤水分利用效率和蓄墑效果不同，全膜覆蓋和半膜覆蓋壟上溝播具有明顯的集雨保墑效果[9，29-30]。壟膜覆蓋方式能夠降低產(chǎn)流率，提高土壤墑情[31]。因此，為了提高溝壟集雨效果，后續(xù)研究需要結(jié)合各地的降水特征，對不同植被類型確定合適的溝壟寬度比和覆膜措施，并對不同覆膜措施的保溫保墑效果進(jìn)行系統(tǒng)研究。

4 結(jié)論

（1）隨著模擬降雨量增大，0-50 cm土層的貯水量及其增量增大，表現(xiàn)為壟作全覆膜>壟作半覆膜>傳統(tǒng)平作。

（2）0-10 cm土層壟膜溝種的覆膜方式對雨后5d內(nèi)土壤貯水量有顯著影響，10 - 30 cm土層壟膜溝種的覆膜方式對雨后Sd內(nèi)土壤貯水量有極顯著影響，30-50 cm土層壟膜溝種的覆膜方式對雨后5d內(nèi)土壤貯水量沒有顯著影響。

（3）降雨后第3天和第5天覆膜方式對土壤含水率有顯著影響.15 mm降雨量下壟作半覆膜處理剖面含水率整體較傳統(tǒng)平作與壟作全覆膜的大，12 mm與9 mm降雨量下2-4 d后壟作半覆膜和壟作全覆膜處理0-30 cm土層含水率明顯大于傳統(tǒng)平作處理的，全膜覆蓋和半膜覆蓋均有良好的土壤水保蓄作用。

（4）沙壤土壟作全覆膜產(chǎn)流效率為10. 5% -27.5%，蓄墑增加率為36.21%- 95.650-/0，較傳統(tǒng)平作貯水量增量大0.9 - 3.4 mm;壟作半覆膜產(chǎn)流效率為5% -15%.蓄墑增加率為17.24% - 55. 26%.較傳統(tǒng)平作貯水量增量增大0.6-2.1 mm。

（5）壤土壟作全覆膜產(chǎn)流效率為31. 00% -45 .83%，蓄墑增加率為75. 68%- 95. 77%.較傳統(tǒng)平作貯水量增量增大1.7-6.8 mm;壟作半覆膜產(chǎn)流效率為15.00% - 35.00%，蓄墑增加率為75.68% - 95.77%，較傳統(tǒng)平作貯水量增量增大1.4-4.2 mm。

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