不同灌溉模式與新型覆蓋材料對農(nóng)田土壤環(huán)境的影響

魏鵬程， 張 芮， 馬永保， 張真榮

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省引大入秦水資源利用中心，甘肅 蘭州 730300）

0 引言

水是構(gòu)成并維持生命體存活與運動所必不可少的物質(zhì)，而且還承擔生命體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的“運輸官”與生命體內(nèi)部環(huán)境的“調(diào)劑師”等重要角色。然而我國水資源的情況不容樂觀，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國水資源人均擁有量僅為2 200 m3，而世界人均水資源占有率達9 000 m3，2030 年時，預計我國人口將增加到16 億，接踵而來的水資源缺口量將增加到400 億～600 億m3，到時我國所面臨的缺水情況將更加嚴峻[1]。在工業(yè)用水、城市用水、生活用水、生態(tài)用水、農(nóng)業(yè)用水的供需調(diào)節(jié)中，我國的農(nóng)業(yè)用水量占全國用水量的60%以上，然而根據(jù)《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015?2030 年）》，2020 年，農(nóng)田灌溉用水量應(yīng)保持在3.720億m3左右[2]。因此，作為農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展高效節(jié)水型生態(tài)農(nóng)業(yè)，開展高效節(jié)水灌溉技術(shù)，改善種植模式，提高作物高產(chǎn)高質(zhì)刻不容緩。

大水漫灌不僅造成水資源的大量流失，還會造成土壤表面板結(jié)，破壞土壤結(jié)構(gòu)與土壤環(huán)境，而且土壤鹽分下移會使地下水遭到破壞，在蒸發(fā)量大的地方會造成土壤鹽堿化，不利于農(nóng)作物的生長。農(nóng)作物在不同生育時期所需的水量是不同的，大水漫灌時不宜控制進入田間的水量，會造成作物需水期的“旱澇不調(diào)”。因此大水漫灌不宜給農(nóng)作物營造一個適宜的生長環(huán)境。

農(nóng)作物的發(fā)育需要適宜的溫度、濕度等條件，而在我國大部分干旱地區(qū)，由于氣候條件的影響，土壤在作物的最佳發(fā)芽期間不能同時滿足發(fā)芽所需的條件。這使得農(nóng)作物的出苗率大大降低，并且農(nóng)作物生長受到較大程度的影響。使用新型的高分子材料作為覆蓋材料，在土壤表面與大氣之間形成致密的隔離層，使土壤與覆蓋材料之間形成一個微小的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，不僅能提高土壤水分利用率，同時還起到了保溫保墑、抑制雜草、防治病蟲害等作用，能更好地為農(nóng)作物的生長發(fā)育提供良好的環(huán)境。

目前，研究與應(yīng)用較多的覆蓋材料為普通白色地膜和生物可降解地膜，灌溉模式多為滴灌、溝灌、畦灌，并且關(guān)于灌溉模式、新型覆蓋材料對農(nóng)田土壤環(huán)境影響的研究已取得大量成果。本文敘述不同灌溉模式、新型覆蓋材料等對農(nóng)田土壤環(huán)境方面的研究進展，并分析灌溉模式、農(nóng)田覆蓋中存在的問題，旨在充分發(fā)揮不同灌溉模式、農(nóng)田覆蓋在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的積極效應(yīng)，為不同灌溉模式、農(nóng)田覆蓋的相關(guān)研究提供參考。

1 不同灌溉模式對農(nóng)田土壤環(huán)境的影響

1.1 土壤水熱特性

土壤水熱環(huán)境在影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量中扮演著不同尋常的角色，也是近些年來灌溉調(diào)控和管理研究方面的熱點問題[3]。土壤溫度的變化是氣溫、海拔、緯度等因素共同作用的結(jié)果，而且土壤溫度是影響作物生長、土壤水鹽運移、土壤微生物活性及數(shù)量、土壤碳儲量的重要因素，同時不同灌溉方式及不同灌溉水源均可改變地表熱量平衡[4]。李超[5]在對溫室草莓的研究中發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌的溫室草莓在果實膨大期土壤溫度平均為14.28 °C，盛果期最高土壤溫度達18.59 °C，尾果期土壤溫度為22.71 °C，在整個生育期膜下滴灌的土壤溫度較高，平均溫度18.37 °C，相對提升1.94%～19.48%。馬筱建[6]的研究表明，不同的地下滴灌沒有引起土壤溫度與土壤水分的明顯變化，但是在0～10 cm土層，采用常規(guī)地下滴灌比地表滴灌土壤溫度增加了3.24%，而在10～20 cm 土層，溫度卻反而降低了1.3%。賈詠霖[4]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌中的高頻次灌水是影響土壤溫度變化的主要原因，畦灌由于灌水間隔長，利于土壤積溫，而且利用黃河水進行畦灌的土壤積溫效果優(yōu)于利用地下水進行畦灌。

水分是限制作物生長發(fā)育的主要因素，也是調(diào)節(jié)植物體內(nèi)部環(huán)境與土壤環(huán)境的重要因子。而水資源的有效利用率對農(nóng)業(yè)種植工藝與種植模式的發(fā)展有評判性作用，這也是高標準農(nóng)田、節(jié)水型農(nóng)業(yè)的重要評判指標。土壤含水率也是影響地溫的重要一環(huán)，畦溝分灌模式能有效提高農(nóng)作物生長前期的耕層溫度，進而有利于加速農(nóng)作物的生長進程，同時使土壤相對干燥，能夠使作物根系得到抗旱鍛煉，讓根系發(fā)育更發(fā)達。倪東寧[7]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)哇灌相比，畦溝分灌顯著提高了作物水分利用效率，既能高效節(jié)水，又有效提高了作物產(chǎn)量。郭安安等[8]在微咸水滴灌對土壤水運移的研究中發(fā)現(xiàn)，滴灌的布置形式、灌溉水的礦化度、滴頭流量均對土壤含水率有不同程度的影響。李東陽[9]研究發(fā)現(xiàn)，不同灌溉強度會引起土壤含水率的變化，在0～2、3～5、6～10 cm 土 壤 含 水 率 分 別 為9.51%、9.34%、10.18%，此時在灌溉水量為600、900 和1 200 m3/hm2時，土壤中含水率分別會達到18%、21%和23%。楊培嶺等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在不同水質(zhì)與交替灌溉相耦合條件下，同一土層的土壤含水率隨著灌溉水礦化度的升高而增加，但是隨著灌溉水礦化度的提高，鹽分脅迫也會越嚴重，進而導致農(nóng)作物難以有效吸收水分，從而使得土壤含水率增高。

1.2 土壤環(huán)境

1.2.1 土壤養(yǎng)分

作為土壤養(yǎng)分中主要的營養(yǎng)元素，氮、磷、鉀等礦質(zhì)元素在農(nóng)作物的整個生長階段中發(fā)揮十分重要的作用，并且這些元素通過參與農(nóng)作物的光合、呼吸作用等生理過程，間接參與并影響農(nóng)作物質(zhì)量的提高[11-12]。土壤中氮、磷等礦質(zhì)營養(yǎng)元素的養(yǎng)分供給效率對農(nóng)作物養(yǎng)分元素的吸收累積效率影響十分明顯，此外，農(nóng)作物各生育期汲取土壤礦質(zhì)營養(yǎng)元素的變化也會影響土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分的含量[13]。張敬禹等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在負壓灌溉下農(nóng)田中的土壤堿解氮、有效磷含量會隨著茄子生長發(fā)育的進程而呈現(xiàn)前期增加后期減小的趨勢，而土壤速效鉀含量則是隨著生育期的進展而逐漸降低，但土壤有效磷含量隨負壓供水的壓力降低而降低。龐建新[15]研究3 種灌溉方式在夏花生地灌水1、5 和7 d 后土壤0～10 cm土層的速效磷、速效鉀、堿解氮含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溝灌最高，噴灌次之，滴灌最差。亓沛沛等[16]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌能夠有效保持土壤耕層的銨態(tài)氮質(zhì)量濃度，然而漫灌容易使土壤耕層的銨態(tài)氮流失，從而降低氮肥的利用率，灌溉方式能顯著影響土壤耕作層的平均速效磷質(zhì)量濃度；相對于銨態(tài)氮和速效磷來說，速效鉀的物理化學性狀相對比較穩(wěn)定，所以受灌溉方式的影響并不顯著。

1.2.2 土壤酶活性

土壤酶來源于土壤微生物、植物根系及動植物殘體腐蝕等，是土壤能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)的催化劑，直接參與動植物殘體和土壤腐殖質(zhì)的分解及其轉(zhuǎn)化等生化反應(yīng)過程，而土壤酶的活性直接決定作物品質(zhì)，同時也是一項評價土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標[17-18]。張敬禹等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在茄子的生育期，與澆灌相比，負壓灌溉后土壤脲酶活性更高且差異性顯著，土壤磷酸酶活性隨茄子生育期的逐步發(fā)展而先升后降，而土壤蔗糖酶活性則是與灌水壓力的變化有關(guān)，而且與灌水壓力的變化趨勢一致，同時，負壓灌溉時對提高土壤酶活性最有利的情況是壓力保持在?3 kPa 時，而當供水壓力低于此值時，土壤酶活性會逐漸出現(xiàn)酶活性被抑制的情況。楊寧等[19]在研究黃瓜種植時發(fā)現(xiàn)，滴灌相比于溝灌土壤蔗糖酶活性顯著提高，而且在前30 cm 土層土壤蔗糖酶效果提高最為顯著，同時在該范圍內(nèi)的脲酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶的活性均有顯著提升。而陳寧等[20]研究茄子種植過程中也有同樣的發(fā)現(xiàn)，相比于畦灌，在0～20、20～40 和40～60 cm 土層，膜下滴灌的蔗糖酶活性分別高58.18%、42.30%、40.66%，說明膜下滴灌比畦灌能有效提高土壤蔗糖酶活性，但其提高效果隨土層的深入而減弱，且膜下滴灌還能在0～20 cm 土壤耕作層內(nèi)更顯著提升土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶的活性。龐建新[15]在研究不同灌溉方式對夏花生土壤性質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，土壤0～10 cm的過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性表現(xiàn)為滴灌>噴灌>溝灌。

2 新型覆蓋材料對農(nóng)田土壤環(huán)境的影響

2.1 土壤水熱特性

地膜覆蓋種植模式是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的一種種植方式，它能有效起到保溫保水的作用，特殊的地膜還有除草抑草的效果。劉長源[21]研究發(fā)現(xiàn)，在春玉米種植中，生物可降解地膜覆蓋的土壤耕作層保溫性能良好，且保溫效果與普通PE 地膜相近，與沒進行地膜覆蓋的土壤相比，明顯提高了土壤溫度，而且土層深度5 cm與15 cm 相比，覆膜的土壤溫度變化幅度明顯，其中普通PE 地膜覆蓋變化幅度最大，在15 cm 土層時普通PE 地膜和生物可降解地膜的增溫效果不如5 cm 土層。通過對不同時期10 cm 處土壤平均溫度的調(diào)查，陸信娟等[22]研究發(fā)現(xiàn)，大蒜在苗期至返青期，紅色地膜的保溫蓄熱效果略高于透明地膜，且顯著高于綠色地膜。隨著溫度的進一步升高，抽薹期不同顏色地膜平均地溫無顯著差異，膨大期透明地膜平均地溫升至最高水平，且與其他同顏色地膜相比呈顯著差異（P<0.05）。該項研究表明，與透明膜相比，覆蓋有色地膜可以顯著降低大蒜生育后期土壤溫度。地膜覆蓋后土層溫度會受到當?shù)靥鞖庥绊?，當?shù)孛娓采w后耕作層溫度與外界氣溫變化規(guī)律一致時，起到的增溫效果則與當?shù)氐臅r間和天氣有直接性關(guān)聯(lián)。王琪等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在玉米播種前后及玉米營養(yǎng)生長前期，不同的天氣與生長時期的地膜增溫效果不同，而在持續(xù)降水天氣情況下，地膜覆蓋基本無增溫效果，但地膜覆蓋產(chǎn)生的積溫增加效果顯著。

地膜覆蓋除了能減少農(nóng)田無效耗水、抗旱外，還能在多雨季節(jié)起到疏通農(nóng)田水運輸，保護農(nóng)田水環(huán)境的作用。王琪等[23]發(fā)現(xiàn)土壤濕度隨時間變化主要是由天氣條件決定，在持續(xù)的極端陰雨天氣條件下，地膜覆蓋的表層土壤含水量明顯小于裸地，幅度為2%～3% 。地膜覆蓋也因地膜的顏色不同會產(chǎn)生不同的效果，羅興錄[24]在研究銀黑雙色、黑色、白色地膜覆蓋對木薯的生長影響時發(fā)現(xiàn)，與黑色、白色地膜覆蓋和裸地相比，銀黑雙色地膜覆蓋具有更強的保水力，土壤含水量也更高，且與裸地相比差異性顯著。地膜的不同材質(zhì)也會對其產(chǎn)生的效果有不同的影響，在提高土壤含水量作用方面，普通地膜要高于降解地膜，但是對土壤后期環(huán)境而言，降解地膜更有利于保護環(huán)境[25-26]。

2.2 土壤環(huán)境

2.2.1 土壤養(yǎng)分

覆膜對農(nóng)田土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）影響較小，胡志娥等[27]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜后顯著提高S2[有機肥45.0，復合肥12.0（氮肥3.1、磷肥1.2、鉀肥1.8）]和 S4[復合肥14.3（氮肥3.9、磷肥1.0、鉀肥1.6）]土壤總氮（total Nitrogen，TN）含量，全磷（total Phosphorus，TP）含量差異不顯著；S1[復合肥14.3（氮肥3.9、磷肥1.0、鉀肥1.6）]和S3[有機肥36.0，復合肥 12.0（氮肥3.7、磷肥1.2、鉀肥1.4）]中TP 含量增加而 TN 含量無明顯差異。同時還發(fā)現(xiàn)，覆膜對土壤溶解性有機碳（dissolved organic carbon，DOC）和土壤有效磷（Olsen-P）有顯著影響，其中，覆膜之后土壤中DOC 是不覆膜土壤的1.2～2.1 倍，S1 和S4的Olsen-P 在覆膜土壤中分別為不覆膜土壤的48.2%和62.3%；而在S2 和S3 樣中，覆膜土壤中的Olsen-P 比不覆膜土壤分別提高了203%和144%，各樣地中NO3?-N均高于NH4+-N，其中NO3?-N 在S1 和S4 樣地的覆膜土壤分別降低至不覆膜土壤的24%和16%；S2 和S3 的覆膜處理使NO3?-N 提高了5.1 倍和1.9 倍，而且覆膜降低土壤中SOC∶TN，尤其在S2 和S3 中分別降低了25.8%和6.6%；然而SOC∶TP 和TN∶TP 分別增加了16.4% ～ 90.7%和56.8%～104.0%。地膜覆蓋還有利于保墑，羅興錄[24]研究發(fā)現(xiàn)，在木薯生長過程中銀黑雙色地膜覆蓋的耕作層中土壤速效氮、磷、鉀含量都是最高，銀黑雙色地膜覆蓋的耕作層能有效防止和減少土壤養(yǎng)分淋溶和無效的揮發(fā)損失。

2.2.2 土壤酶活性

土壤酶活性的強弱代表了土壤中各營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化供植物吸收利用的能力。地膜覆蓋使土壤脲酶和過氧化氫酶活性降低，而土壤蔗糖酶活性有所升高[28]。劉長源等[29]研究發(fā)現(xiàn)，土壤脲酶活性在土壤0～10 cm 土層中，普通PE 地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋分別較裸地不覆蓋高58.73%、33.65%；10～20 cm 土層，2 種不同覆蓋材料相比裸地不覆蓋提高26.19%、50.98%，在0～20 cm 土層范圍內(nèi)，2 種不同的覆蓋材料均能夠促進尿素的水解，改善土壤的氮素狀況，同時也發(fā)現(xiàn)普通地膜覆蓋和生物可降解地膜覆蓋都能提高土壤過氧化氫酶活性，并以生物可降解地膜覆蓋的效果最為顯著。楊鑫等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在黑色地膜覆蓋下，冬作馬鈴薯在塊莖膨大期的土壤蔗糖酶、過氧化氫酶活性相比裸地下種植分別提高158.32%、45.54%。由此可見，覆蓋材料能在短時間內(nèi)很好地起到提高土壤酶活性并改善土壤活力，然而不同材質(zhì)、顏色的覆蓋材料起到的效果也各有差異。

3 存在的問題與發(fā)展方向

3.1 存在的問題

3.1.1 白色污染

地膜覆蓋技術(shù)是一種有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的種植技術(shù)，然而它的雙面性也需值得關(guān)注。地膜覆蓋種植技術(shù)在帶來友好效益的同時，地膜殘留也在深深影響土壤呼吸、污染土壤質(zhì)地，進而造成更大的農(nóng)田“白色污染”。僅山東省的地膜年使用量就超過10 萬t，覆蓋面積達到了187 萬hm2左右[31]?？梢姷啬ひ呀?jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色，但從“白色革命”到“白色污染”的改變使得土壤環(huán)境遭到破壞，嚴重破壞了土壤中微生物的生態(tài)環(huán)境平衡，進而破壞土壤肥力運移系統(tǒng)，影響土壤肥力轉(zhuǎn)換效率，甚至造成土壤發(fā)生致命性病變，殘膜會阻礙農(nóng)作物幼苗根系對土壤水分和養(yǎng)分的吸收，從而容易造成種子腐壞、根系發(fā)生腐爛等，甚至造成作物幼苗直接死亡，降低農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重影響農(nóng)村農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[32]。因此農(nóng)田的“白色污染”成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需重視與解決的問題。

3.1.2 新型覆蓋材料推廣受阻

目前大部分使用的還是普通白色地膜，這種地膜雖然效果好，但是地膜殘渣不易收集，也不宜自然降解，因此造成的危害也是長久性的。而近幾年新型材質(zhì)的生物可降解地膜等，不僅有著跟普通地膜類似的效果，而且該類型的地膜殘渣可在較短時間內(nèi)自然分解轉(zhuǎn)化為對農(nóng)田土壤環(huán)境無害甚至有利的物質(zhì)，不影響農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，但由于成本的原因?qū)е率蹆r較貴，使用戶的成本增加，進而在推廣過程中存在較大困難。

3.1.3 研究模式單一

有關(guān)灌溉方式與覆蓋材料的研究雖然取得了大量的可實用性與理論性的成果，研究體系也相對完善，但是研究內(nèi)容過于單一，且大多數(shù)研究成果是以單因素為準，這樣導致研究的全面性和實用性有所降低。在同一作物的不同覆蓋材料之間沒有灌溉模式形成最優(yōu)組合，進而形成特定農(nóng)作物在一定區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)覆膜種植模式。因此，研究內(nèi)容的豐富化、研究因素的多元化對農(nóng)業(yè)覆膜種植技術(shù)的發(fā)展與灌溉方式的高效搭配有重要作用。

3.2 解決措施

3.2.1 科技創(chuàng)新，致力農(nóng)業(yè)“第一生產(chǎn)力”

新型環(huán)保地膜目前主要種類包括光降解、生物降解和光?生物雙降解地膜、液態(tài)地膜和紙地膜，但是由于新型環(huán)保地膜在生產(chǎn)工藝及原材料種類等多方面限制，其成本較高，在使用推廣方面存在較大阻礙[33]。應(yīng)全力、大膽地進行科技創(chuàng)新，利用科技的力量使地膜的研發(fā)達到全新的高度，為我國的地膜覆蓋種植技術(shù)提供全新的集科技、材料、環(huán)保、高產(chǎn)、低成本的新型環(huán)保地膜，致力于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展，為我國的高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科技力量支持。

3.2.2 “雙手”推動農(nóng)業(yè)健康發(fā)展

地膜的使用有利于提高農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，但應(yīng)該重視“白色污染”。我國制定了一系列規(guī)范標準來應(yīng)對農(nóng)田“白色污染”，2016 年國務(wù)院頒布《土壤污染防治行動計劃》及其考核辦法，2020 年9 月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、工業(yè)和信息化部等相關(guān)4 部門聯(lián)合發(fā)布《農(nóng)用薄膜管理辦法》并開始實施[31,34]。同時切實做好農(nóng)業(yè)殘膜的回收工作，強化監(jiān)督，做好殘膜污染源頭管控，加快殘膜回收體制機制建設(shè)[35]。政策的實施使農(nóng)用薄膜的使用更加規(guī)范、更加合理，但由于農(nóng)戶的種植意識只注重產(chǎn)生的經(jīng)濟效果，環(huán)?？沙掷m(xù)利用發(fā)展觀念較差，因此，對農(nóng)用薄膜的大規(guī)模使用戶進行意識教育和環(huán)保可持續(xù)理念的培養(yǎng)尤為重要。在“政策”和“意識”的“雙手”把控、實施下，地膜覆蓋種植技術(shù)將更加完善。為打造“綠水青山”的社會環(huán)境，走“綠色、生態(tài)、可持續(xù)”農(nóng)業(yè)發(fā)展道路奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3.2.3 “雙模式、多因素”研究

農(nóng)作物的生長與種植環(huán)境是相互依存、相互影響的，且農(nóng)作物在生長過程中會在土壤表面、土層與作物群體之間進行一系列的物理生物過程進而形成獨特的小范圍農(nóng)田氣候環(huán)境，而作物同時還會受到穩(wěn)定性相對較強的大氣環(huán)境影響。在全球氣候的影響下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的水熱等基本物質(zhì)資源受到時空變化的影響[36]。然而農(nóng)業(yè)種植環(huán)境主要分為作物生長環(huán)境和作物周圍的非作物生長環(huán)境兩部分[37]。因此，研究內(nèi)容的單一，不利于農(nóng)業(yè)的長久發(fā)展。研究時應(yīng)采用“雙模式、多因素”的策略，把不同的灌溉模式與灌溉材料進行耦合，全方位、多層次、多領(lǐng)域的進行研究和對比，進而得出一個系統(tǒng)化、實用化的種植模式，致力于發(fā)展節(jié)水灌溉的高效現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。

4 結(jié)束語

總結(jié)了不同材料與灌溉模式對土壤水熱特性、養(yǎng)分及酶活性的影響。研究結(jié)果表明，地膜覆蓋能有效提高土壤溫度和保持土壤水分，并且不同的覆蓋材料對土壤養(yǎng)分和酶活性的影響不同。灌溉對土壤水熱特性、養(yǎng)分及酶活性的影響由不同的灌溉水質(zhì)、水壓和灌溉方式來實現(xiàn)，而覆蓋材料的推廣和農(nóng)業(yè)的健康高效發(fā)展需要各方面的協(xié)作努力。