扶埂開溝膜下灌對(duì)土壤水分分布的影響

詹漢，白清俊*，董正陽(yáng)，袁瑩，張明智,袁寧寧

(1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048； 2. 安徽省廣德縣水務(wù)局，安徽 廣德 242200)

中國(guó)水資源緊缺，而農(nóng)業(yè)用水占高，達(dá)到70%以上[1]，在農(nóng)業(yè)上實(shí)施節(jié)水措施關(guān)系到中國(guó)水資源安全問(wèn)題.經(jīng)過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)依舊是以地面灌溉為主，90%以上的灌溉面積均為傳統(tǒng)灌溉.傳統(tǒng)灌溉中的溝灌由于前期投資少，后期運(yùn)行費(fèi)用低[2]，操作管理方便[3]，且與漫灌相比其側(cè)向入滲能夠減少地面濕潤(rùn)面積，使表層疏松不板結(jié)，更能保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)完整[4]，在農(nóng)業(yè)灌溉措施中大量運(yùn)用.

然而，傳統(tǒng)溝灌不適于在設(shè)施農(nóng)業(yè)上使用，在設(shè)施農(nóng)業(yè)上使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)大棚內(nèi)溫度過(guò)低且濕度大，導(dǎo)致植物病蟲害頻發(fā)，嚴(yán)重影響農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)與產(chǎn)量[5].且在水資源利用上，傳統(tǒng)溝灌灌水均勻度較差，灌溉水利用效率低[6].因此，一些學(xué)者在溝灌的基礎(chǔ)上提出了膜下溝灌灌溉方式[7].這種灌溉方式對(duì)其灌溝進(jìn)行覆膜處理，可以有效減少水分蒸發(fā)，降低設(shè)施內(nèi)空氣濕度，增加土壤墑值，促進(jìn)農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)[8].通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)溝灌的累計(jì)入滲量與溝距、濕周、側(cè)向影響系數(shù)有關(guān)，與溝距、濕周呈正相關(guān)關(guān)系[9]，與側(cè)向影響系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[10].

但是該方式未能改善傳統(tǒng)溝灌深層滲漏這種缺陷.為解決此問(wèn)題，文中在前人研究基礎(chǔ)上對(duì)溝灌技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提高壟高，降低溝深，增加溝灌側(cè)向入滲.目前，對(duì)于該方式的灌溉研究鮮見.

文中以番茄作為試驗(yàn)材料，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)溝灌與新型溝灌方式(扶埂開溝膜下灌)的灌溉效益，優(yōu)化適用于溫室番茄灌溉制度，進(jìn)一步探索扶埂開溝膜下灌在灌溉中土壤水分運(yùn)移的規(guī)律，為溝灌灌溉提供更加經(jīng)濟(jì)適用的示范樣本.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)開始于2017年3月，同年8月結(jié)束.地點(diǎn)位于西安市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技展示中心(108°88′E，34°07′N)，該地區(qū)年平均氣溫13.33 ℃，無(wú)霜期224 d，最大凍土深度20 cm，年平均降雪日為12 d，全年日照時(shí)間2 230 h，年平均降雨量650 mm，風(fēng)速一般為2～3級(jí)[11].試驗(yàn)溫室內(nèi)供試土壤為沙壤土，對(duì)土壤進(jìn)行粒徑級(jí)配測(cè)試.經(jīng)測(cè)定100 cm土層內(nèi)平均田間土壤容重為1.45 g/cm3，田間持水量θf(wàn)為28.71%(體積含水率)，飽和含水量θs為40.63%.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置了24個(gè)小區(qū)，其中有8組不同處理，3組重復(fù).各小區(qū)面積統(tǒng)一為3.4 m×1.2 m.每個(gè)小區(qū)之間設(shè)有塑料薄膜，薄膜埋深達(dá)0.6 m以上，以防止不同小區(qū)之間水分互滲.

每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)定種植20株番茄苗，番茄苗間株距38 cm.常規(guī)溝灌處理與扶埂開溝膜下灌處理不同的灌溉方案見表1，表中I1為灌水定額，F(xiàn)C1,FC2,FC3分別為苗期、開花坐果期和結(jié)果期的田間持水量,I2為灌溉定額.灌溉定額由灌水次數(shù)決定，每次的灌水定額均為40 mm，當(dāng)處理土壤含水率低于水分控制下限時(shí)，進(jìn)行灌水.

表1 各處理的灌溉方案

2種起壟方式如圖1所示.扶埂開溝膜下灌較常規(guī)溝灌起壟方式，抬高了溝底、減小了灌溝的深度，使植物根際離灌水溝水域濕周距離減小，亦減少了深層滲漏量.

圖1 不同溝灌方式的起壟方式

1.3 土壤含水率測(cè)定

土壤含水率采用時(shí)域反射儀(TRIME-PICO)測(cè)定.在一個(gè)處理中，分別對(duì)該處理的壟溝、壟坡、壟上進(jìn)行水分監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3，土壤水分測(cè)定每10 cm為一層，共測(cè)定8層，深度為80 cm.

圖2 扶埂開溝膜下灌斷面及TDR管布置示意圖

Fig.2 Schematic of arrangement of film-mulched ditch-on-ridge irrigation and TDR tube

2 結(jié)果與分析

2.1 扶埂開溝膜下灌條件下各測(cè)點(diǎn)含水量分布

選擇番茄開花坐果期一次灌水之后(灌水定額為40 mm)的土壤含水量數(shù)據(jù)，分別觀察3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)不同土壤層的含水量.繪制了不同測(cè)量點(diǎn)土壤含水量與時(shí)間的關(guān)系.分析了灌溉后14 d內(nèi)灌溉溝渠和壟中土壤水分的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,如圖3所示，圖中θv為體積含水量，ds為土壤深度.測(cè)量點(diǎn)1和測(cè)量點(diǎn)2之間的土壤含水量變化規(guī)律相似.灌溉4 h后，每層的含水量達(dá)到最大值.隨著植物根系的吸水和蒸發(fā)以及水分在土壤剖面上的重新分布，灌溉后每層水分含量從灌水后4 h一直減少，直到灌水后336 h.灌溉后4～24 h，Z=10～20 cm的土壤含水量高于中深層土壤.但是，灌溉后184～336 h的土壤水分主要集中在中層(40～60 cm).在測(cè)點(diǎn)3，灌溉后184 h，每層的含水量達(dá)到最大值.土壤水分隨時(shí)間緩慢增加.除灌溉和灌溉后4 h，水含量隨深度增加而增加.

表2為各測(cè)點(diǎn)土壤平均含水量變化,表中θ為灌水前含水量，θ4，θ24，θ184，θ336分別為灌水后4,24,184,336 h的含水量.從表中可以看出，灌溉后4 h土壤水分最高，土壤剖面中的水分迅速增加，壟溝與壟坡處增長(zhǎng)最為明顯，分別增長(zhǎng)了47.58%，44.28%.灌水后短期內(nèi)，由于灌水溝土壤處于高含水量的狀態(tài)下，入滲速度較快.在灌水后336 h，壟坡的含水量要高于壟溝，高出5.39%，這可能是由于壟坡是斜坡設(shè)計(jì)，其土壤通透性不如壟溝.

圖3 各測(cè)點(diǎn)不同深度含水量

Fig.3 Water content in different depths at each mea-suring point

表2 各測(cè)點(diǎn)土壤平均含水量變化

Tab.2 Variation of average soil water content at each measuring point

測(cè)點(diǎn)θ/%θ4/%θ24/%θ184/%θ336/%測(cè)點(diǎn)124.85a36.68a31.10a28.16a22.78a測(cè)點(diǎn)223.92a34.51a32.58a26.43a24.01a測(cè)點(diǎn)323.97a24.10b26.86b30.65b27.10b

注：表中數(shù)據(jù)后字母表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),下同

開花坐果期，在灌水后184 h，番茄根際計(jì)劃濕潤(rùn)層平均土壤含水量達(dá)到31.33%.隨著土壤水分的不斷入滲，根區(qū)70～80 cm剖面含水量也逐漸增大，同一土層間無(wú)明顯波動(dòng).以上分析表明，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，作物根際和周圍土壤的含水量趨于平衡，含水量差為2.64%～5.11%.

因?yàn)榉龉￠_溝膜下灌溉也屬于溝灌，水亦在灌溉溝內(nèi)，灌溉后只有20 cm的表層土壤水分得到有效補(bǔ)充.灌溉4 h后，計(jì)劃濕潤(rùn)層與測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2相差較大.隨著剖面深度的增加，土壤含水量逐漸降低，土壤含水量基本處于22%～24%的低水平.

植物的水分狀況隨著土壤水分的變化而變化，導(dǎo)致光合活性的變化[12].與溝灌相比，地膜灌溉技術(shù)可以提高土壤含水量，減少總蒸發(fā)量，有利于節(jié)水和改善作物水分狀況，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育.

2.2 不同處理對(duì)產(chǎn)量以及灌溉水利用效率的影響

表3為不同處理番茄產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響,表中M為產(chǎn)量，IWUE為灌溉水分利用效率.從表中可以看出，在所有處理中，最高FCK產(chǎn)量為141 546.73 kg/hm2.在相同灌溉定額400 mm下，扶埂開溝膜下灌產(chǎn)量比常規(guī)溝灌顯著高出41.31%.在相同灌溉定額440 mm下，扶埂開溝膜下灌產(chǎn)量比常規(guī)溝灌顯著高出16.70%.苗期水分虧缺產(chǎn)量比花果期高11.72%，成熟期高29.38%，比適宜水分處理低1.30%.

表3 不同處理番茄產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響

Tab.3 Tomato yield and irrigation water use efficiency in different treatments

溝灌方式處理I2/mmM /(kg·hm-2)IWUE/(kg·hm-2·mm-1)扶梗開溝膜下灌FL1400139 701.31ab349.25aFL2360125 049.10abc347.36aFL3320107 975.65bc337.42aFCK440141 546.73a321.70a常規(guī)溝灌CL1480134 258.50ab275.66bCL2440121 289.62abc305.13abCL340098 780.56c246.95bCCK520140 662.42ab270.50b

由表3可以看出，在所有處理中，處理FL1的灌溉水分利用效率達(dá)到最高值.在同一灌溉定額400 mm條件下，扶埂開溝膜下灌的水分利用效率較常規(guī)溝灌相比，高出了41.42%；在同一灌溉定額440 mm條件下，扶埂開溝膜下灌的水分利用效率較常規(guī)溝灌相比，高出了5.43%.

苗期缺水灌溉的水分利用效率比花果期提高0.54%，成熟期提高3.51%，適宜水處理提高8.56%.

扶梗開溝膜下灌較常規(guī)溝灌每1 m3水多生產(chǎn)番茄5.12 kg，生產(chǎn)1 kg番茄節(jié)水15.90%，灌溉水分利用效率提高了19.64%，耗水量卻減少了84.45 mm.

在扶埂開溝膜下灌條件下，比較4種灌溉方式的節(jié)水效益.其中FCK產(chǎn)量最高，灌溉水利用效率最高的卻是處理FL1.處理FCK和處理FL1這2種不同的灌溉方式，一種產(chǎn)量最高，一種灌溉水利用效率最高.通過(guò)數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)FL1產(chǎn)量較FCK處理相比，只降低了1.30%，然而灌溉水利用效率卻提高了8.56%.處理FL1通過(guò)損失一點(diǎn)產(chǎn)量，使灌溉水充分有效的利用起來(lái)，顯著提高了灌溉水利用效率.通過(guò)以上分析，認(rèn)為扶埂開溝膜下灌的最佳灌溉制度：在番茄幼苗時(shí)期進(jìn)行水分調(diào)虧處理，苗期1次灌溉、花果期4次灌溉、結(jié)果后期5次灌溉，灌水定額為40 mm，灌溉定額為400 mm.

2.3 不同溝灌方式對(duì)溫室番茄經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比

番茄產(chǎn)量是受灌溉水量影響的，隨著水分脅迫的增加，番茄產(chǎn)量降低.而通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，番茄的果實(shí)商品率卻是隨著水分脅迫的增加而增加的.扶埂開溝膜下灌模式下，4組處理FL1，F(xiàn)L2，F(xiàn)L3和FCK的果實(shí)商品率分別為80.9%，81.7%，83.2%和78.3%；常規(guī)溝灌模式下，4組處理CL1，Cl2，CL3和CCK的果實(shí)商品率分別為75.8%，77.5%，78.9%和74.2%.通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，當(dāng)年番茄商品果和次品果的收購(gòu)價(jià)分別為0.40元/斤和0.25元/斤.

番茄的商品率可直接影響番茄種植最終的經(jīng)濟(jì)效益.處理FL3果實(shí)商品率最高，說(shuō)明在扶埂開溝膜下灌溉條件下，番茄成熟期水分虧缺灌溉最有利于提高番茄商品率.在充分灌溉條件下，扶埂開溝膜下灌的產(chǎn)量與果實(shí)率兩者都高于傳統(tǒng)溝灌.這可能是由于前者覆膜加暗溝處理，土壤硬化得到減少，從而改善了作物根系的呼吸條件.

番茄種植總收入和生產(chǎn)投入決定了種植的凈效益，兩者的差值就是凈效益數(shù)值.在試驗(yàn)中生產(chǎn)投入包括：灌溉水費(fèi)0.4元/m3；化肥、農(nóng)藥、種子統(tǒng)一按5 000元/hm2進(jìn)行估值，而不同處理的1次灌溉所需的人工費(fèi)起壟、種植、灌溉、養(yǎng)護(hù)、采果，由于成壟方式不同，不同處理間的人工成本也不同.本試驗(yàn)凈收益最高的是處理FL1，主要原因是處理FL1果實(shí)產(chǎn)量和商品率高，灌溉水量和次數(shù)少，造成水費(fèi)和人工費(fèi)降低，即成本降低.溝灌處理雖然沒有地膜投入，但灌溉次數(shù)多，水費(fèi)和人工成本高.此外，產(chǎn)量和果實(shí)商品率均低于扶埂開溝膜下灌，凈收益較低.

3 討 論

研究表明扶埂開溝膜下灌灌水模式的壟溝與壟坡土壤含水量分布規(guī)律大致相似，在灌水后4 h，各層次土壤的含水量達(dá)到最大值.隨著植物根系的吸水、蒸發(fā)及水分在土壤剖面上的再分布，灌水后4～336 h土壤各層含水量逐漸減小.在灌水后184～336 h土壤水分含量較大處主要集中在中層(40～60 cm).而壟背在灌水后184 h，各層土壤的含水量達(dá)到最大值.

扶埂開溝膜下灌在設(shè)施內(nèi)使用與常規(guī)溝灌相比，不管是番茄產(chǎn)量還是灌溉水利用效率都有明顯提升.扶埂開溝膜下灌在起壟方式上較常規(guī)溝灌增加了壟高、降低了灌水溝溝深，使灌溉水在溝中更易于向壟坡進(jìn)行側(cè)滲，增加了水分在壟上的運(yùn)移時(shí)間.該模式下水分入滲濕潤(rùn)鋒呈扁平化.與聶衛(wèi)波等[13]的研究結(jié)果相吻合，表明減小灌溉溝渠的水深有利于灌溉溝渠的水平側(cè)向入滲，并可以減少垂直入滲.隨著灌溉溝的變淺，溫室中水的蒸發(fā)會(huì)增加，這不利于室內(nèi)環(huán)境和水的利用.因此，借鑒前人對(duì)膜下灌溉的研究[14]，對(duì)灌水溝進(jìn)行地膜覆蓋，并將灌溉改為暗灌溉.種植番茄后，將薄膜沉積在溝渠上以形成露膜，減少了作物之間的蒸發(fā)量，可有效減少地溫下降，保持地溫，降低空氣濕度，有效減少病蟲害發(fā)生.在扶埂開溝膜下灌條件下，對(duì)溫室番茄幼苗進(jìn)行缺水處理(下限為田持的60%)，是一種較為優(yōu)化的節(jié)水灌溉方式，該方式下番茄的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大.

扶埂開溝膜下灌在實(shí)際推廣中，這種方法具有一定的節(jié)水效果和較高的經(jīng)濟(jì)效益，是對(duì)傳統(tǒng)地面灌溉的改進(jìn)，很容易為人們所接受.

4 結(jié) 論

1) 在扶埂開溝膜下灌條件下，壟背其土壤剖面整體含水量一直呈緩慢增加趨勢(shì)，達(dá)到最大含水量時(shí)間遲于壟溝以及壟坡，壟背剖面觀測(cè)點(diǎn)在灌水后184 h，土壤平均含水量達(dá)到最大值為30.65%.

2) 扶埂開溝膜下灌產(chǎn)量較常規(guī)溝灌提高0.63%，灌溉水分利用效率提高了18.93%;在扶埂開溝膜下灌條件下，溫室番茄在苗期內(nèi)進(jìn)行缺水灌溉的IWUE最大達(dá)到34.925 kg/(hm2·mm-1)，與充分灌溉相比，對(duì)溫室番茄苗期進(jìn)行虧水處理番茄產(chǎn)量只減少了1.30%，而灌溉水利用效率卻提高了8.56%，在不顯著性降低產(chǎn)量的同時(shí)，可顯著提高了灌溉水利用效率.且該灌溉方式的產(chǎn)量與商果率均較高，綜合產(chǎn)生的凈收入最高，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大值.