开沟覆膜滴灌条件下土壤水、温变化规律研究

叶建威，刘洪光，何新林，龚 萍，阿尔娜古丽·艾买提，陆华天

(石河子大学水利建筑工程学院，现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

盐碱土是全球广泛分布的一种土壤类型，由于其土地质量差、生产水平低，依然是我国最主要的典型中低产土地类型之一。为了适应我国人口增长和社会经济日益发展的需要，针对盐碱地的类型特点进行合理有效的改良治理调控成为科研工作者重要课题。据资料显示，中国约有盐碱土地9 910 万hm2，占世界盐碱地面积10.38%，近1 730 万hm2土壤有潜在盐渍化威胁[1]，其中干旱-半干旱西北地区是盐渍土主要地带，总面积约1 300 万hm2，大面积耕地需要重点治理[2]。新疆地处西北干旱区，全疆耕地面积411.354 万hm2，因盐渍化影响作物生长面积约100 万hm2[3]，而治理盐碱地重点是要以排盐、隔盐、防盐为主，同时需要积极培肥土壤[4]。膜下滴灌技术将滴灌技术与覆膜技术相结合，发挥各自优点，对干旱区节水和防止次生盐渍化的进一步发展具有双重作用。许多研究表明[5,6]，膜下滴灌技术节水同时能使作物在盐渍化土壤上获得高产，但面对一些土壤表层含盐量大于2%以上的重盐碱地，膜下滴灌技术在解决出苗问题和后续生长问题出现了困难[7,8]，盐分会积累在湿润区边缘，若遇小雨，盐分极有可能会被冲回到作物根部区而引起盐害[9]，为了使之继续有效运行，在膜下滴灌技术上增加开沟技术，形成开沟覆膜滴灌技术。由于覆膜抑制蒸发，裸地蒸发较强烈，开沟形成土埂为盐碱创建一个存在空间, 将盐碱更有效的调节到作物根系区以外, 从而达到盐碱在土壤的局部分离, 满足作物生长需要目的(如图1所示)。

图中：①-滴灌带；②-地膜；③-作物；④-土壤湿润区；⑤-土壤脱盐通道；⑥-土壤盐分累积区；⑦-土壤水分蒸发图1 开沟覆膜滴灌技术示意图

新疆葡萄种植面积和产量均占全国的50%以上，是中国最重要葡萄生产和供应基地，但每年因缺水和盐碱导致葡萄减产超过20%，接近40 万t，损失巨大，而国内外针对盐碱土滴灌水盐分运移过程的研究主要集中在棉花、小麦、番茄等作物上，对葡萄地的水盐养分运移规律与调控系统研究较少。本文在开沟覆膜滴灌技术上，对田间桁架葡萄下水分及温度变化规律进行了基础性研究，为系统制定盐碱地上灌溉制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区选择在新疆生产建设兵团第八师147团6连，该区位于玛纳斯河下游，天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，年降雨量106.1～178.3 mm，年蒸发量1 722.5～2 260.5 mm，地理坐标位置86°00′～86°15′E，44°22′～44°50′N，日照长，霜期短，热量丰富，昼夜温差大，春季风多。试验区整体地形东南高，西北低，南北海拔387.3～350 m，地面坡降1/500～1/700，由东南-西北向玛纳斯河呈带状分布，灌溉采用渠系引水方式，水源矿化度低，灌溉用水矿化度为39 mg/L，对土壤盐分影响较小，种植作物主要为棉花、葡萄等。

1.2 试验区土壤理化性质

试验地为当年开垦的生荒盐碱地，取试验地0～60 cm深度内土壤进行分析，每层30 cm；将土样风干碾碎，过2 mm筛，采用Beckman Coulter公司生产的LS13320-全新纳微米激光粒度分析仪测定砂粒、粉粒和黏粒含量，并且按照国际制土壤质地分类，同时用环刀法测定各层土壤干容重，田间持水率，饱和含水率，经换算，得体积含水率。结果如表1所示。试验用水为当地渠系水，常年平均矿化度在1 g/L以下。

表1 供试土壤主要理化性质表

1.3 试验设计

种植葡萄品种为无核紫葡萄品种，灌溉时间每年4-9月，种植间(行)距3.5 m，株距2 m，行长90 m。滴灌带铺设采用新疆天业公司生产单翼迷宫式滴灌带，规格为φ16，滴头间距0.3 m，流量为3.2 L/h，每行铺设2条毛管带，对垄沟进行覆膜。试验共设6个处理，其中开沟模式设计2个，灌水定额3种，设置1组重复。各处理方案见表2。

表2 试验方案设计

1.4 测定项目与方法

在葡萄果粒膨大期(6月23日)，每个处理安装两套美国Decagon公司生产的EM50数据采集器，设置EM50测量间隔6 h，5个传感器安装深度分别为10、20、30、40、60 cm共5层，安装位置如图2所示，一套EM50安装在两颗葡萄树间距中点位置，另一套EM50安装在开沟覆膜边，两套仪器水平间距60 cm。在监测结束时(葡萄收获期9月23日)，对EM50仪器连续自动采集的土壤含水率、温度数据进行分析。

图2 EM50安装示意图(单位：cm)

2 结果与分析

2.1 葡萄生育期内土壤含水率分布

经种植葡萄果粒膨大期、果粒成熟期、枝条成熟期(6-9月)田间试区连续监测，在各自试验处理下，将0～60 cm深度内监测土壤含水量做均值处理，得覆膜中与膜外边下方土壤体积含水量随监测日期变化规律如图3所示。从图3可以看出，在监测时段期间，田间灌水共进行5次，每次灌水后，无论是覆膜中还是覆膜外土壤含水量均增幅明显，在强烈蒸发外界条件下，覆膜边由于没有覆膜遮盖，水分降低幅度较覆膜中稍快，但随着灌水定额的增加，覆膜中与覆膜边含水量差异在逐渐减小，这是因为灌水定额增加，灌溉水受到重力势和基质势双重作用下，水分入渗加快，水分向四周扩散速度加快，使得覆膜边下方土壤含水量逐渐增大。当开沟模式为20 cm×100 cm，灌水定额为300 m3/hm2，覆膜中灌水前与灌水后土壤体积含水量0.24～0.38，覆膜边灌水前后土壤体积含水量0.22～0.36，均接近土壤田间持水量，基本满足作物根系吸水要求。灌水定额为375、450 m3/hm2时，灌水后覆膜中土壤含水量最大增加至0.41、0.42，覆膜边土壤含水量最大增加至0.36、0.37，说明加大灌水定额有利于滴灌带表面积水区面积增大，使得盐碱土壤在滴头下方形成饱和区增大，入渗速率加快。

图3(d)～(f)显示了种植葡萄开沟模式为20 cm×120 cm时，各生育期间土壤含水量在不同灌水处理下的变化规律。由图3可知，在开沟宽度不变，开沟宽度由100 cm增加至120 cm，灌水定额为300 m3/hm2，覆膜中灌水前与灌水后土壤体积含水量0.21～0.41，覆膜边灌水前后土壤体积含水量0.22～0.26，由此可见，随着开沟宽度的增大，覆膜中土壤含水量变化不明显，但对于覆膜边土壤含水量影响明显，呈下降趋势，这是因为开沟宽度增加，表面覆膜面积也增加，使得土壤蒸发面远离滴灌带，水分向外扩散缓慢。灌水定额为375 、450 m3/hm2时，灌水后覆膜中土壤含水量最大增加至0.42、0.43，覆膜边土壤含水量最大增加至0.35、0.37，说明在开沟宽度增大情形下，加大灌溉定额同样有利于水分向未覆膜区域运移。

图3 葡萄生育期内土壤体积含水量随时间变化图

2.2 葡萄生育期内土壤温度变化

研究表明，覆膜技术具有可明显改善土壤水分状况，增温保墒的功能，同时还能抑制杂草生长，减少不必要水分消耗[10,11]。葡萄属于喜温植物，根据葡萄根系生物学特性显示，土壤水分与土温维持在14-35℃适宜条件下，有利于葡萄根系生长与浆果糖分积累和有机酸分解。将0～60 cm土层温度做均值处理，选取每日12时与24时土壤温度，作各处理土壤温度逐日变化图，如图4、图5所示。从图4可以看出，12时正处于地温上升阶段，温度变化幅度在16～28 ℃，开沟模式为20 cm×100 cm时，监测范围内土层温度在夏季(6-7月)天气炎热时表现为较高，最高达到29 ℃；在葡萄生育期结束时(秋季9月)表现为较低，最低为15 ℃。随着灌水定额增加，覆膜中与覆膜边土温差异逐渐减小，尤其是当灌水定额为450 m3/hm2，两种开沟模式下土壤温度均值膜中与膜边基本一致，这说明加大灌溉用水量，有利于扩大土壤温度稳定的范围。

图4 各处理下12时土温逐日变化图

图5 各处理下24时土温逐日变化图

从图5可以看出，两种开沟模式下，24时土壤温度变化幅度在18～31 ℃间，均大于12时土壤温度，这是由于当夜间大地温度开始向四周散热时，覆膜给土体提供增温保墒作用。在相同灌水定额下，随着开沟宽度增加，膜边温度较膜中温度变化差异大，这是由于水分入渗范围增加，土壤热扩散速度变慢。随着灌水定额加大，水分扩散范围也逐渐增加，土壤温度受水分影响较大，膜中膜边温度差异小。

图4、图5显示，葡萄生育期内(果粒膨大期、果粒成熟期、枝条成熟期)，在覆膜与灌溉水的相互作用下，给葡萄生长提供了一个良好的温度环境，从而有利于葡萄产量与品质的提高。

3 结 论

(1)葡萄果粒膨大期、果粒成熟期、枝条成 熟期(6-9月)土壤水分连续监测显示，在开沟模式为20cm×100cm，灌水定额为300m3/hm2时，无论是膜中还是膜边，灌水前后土壤含水量维持在0.22～0.38，大部分时间土壤含水量保持在田间持水量以上，满足作物根系吸水。加大灌水定额后，在覆膜影响下，滴灌带表面积水区面积增大，使得盐碱土壤在滴头下方形成饱和区增大，入渗速率加快；随着开沟深度的增大，覆膜中土壤含水量变化不明显，但对于覆膜边土壤含水量影响明显，呈下降趋势。

(2)葡萄果粒膨大期、果粒成熟期、枝条成熟期(6-9月)土壤温度连续监测显示，无论是温度上升期(12时)，还是夜间下降期(24时)，土体温度变化幅度均在15～31 ℃，给葡萄生长提供良好的温度环境，利于葡萄产量与品质的提高。

[1] 王遵亲，祝寿泉，愈仁培，等.中国盐渍土[M].北京：科学出版社，1993.

[2] 钱正英.中国水利[M].北京：水利电力出版社，1991.

[3] 李 毅，王文焰，王全九.论膜下滴灌技术在干旱-半干旱地区节水抑盐灌溉中的应用[J].灌溉排水，2001，20(2)：42-46.

[4] 何文义，于 涛，蔡玉梅.盐碱地的治理与利用[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2010，29:158-160.

[5] 李明思，郑旭荣，贾宏伟，等.棉花膜下滴灌灌溉制度试验研究[J].中国农村水利水电,2001，(11):13-15.

[6] 刘新永，田长彦.棉花膜下滴灌盐分动态及平衡研究[J].水土保持学报,2005，19(6):82-85.

[7] 王全九，王文焰，吕殿青，等. 膜下滴灌盐碱地水盐运移特征研究[J].农业工程学报，2000，(4).

[8] 刘洪光，郑旭荣，何新林，等.开沟覆膜滴灌技术对田间盐碱的运移影响研究[J].中国农村水利水电，2010，(12)：1-3.

[9] 王 英，郭沂林，柴金华.兵团膜下滴灌技术推广存在的问题[J].节水灌溉，2008，(2)：53-55.

[10] 王友贞，袁先江，许 浒，等.水稻旱作覆膜的增温保墒效果及其对生育性状影响研究[J].农业工程学报，2002，18 ( 2) : 29-31．

[11] Mohapatra B K，Lenka D，Naik D． Effect of plastic mulching on yield and water use efficiency in maize[J]． Annals of Agric Res，1998，19: 210-211．

[12] 王毅萍，周金龙，郭晓静．我国咸水灌溉对作物生长及产量影响研究进展与展望[J].中国农村水利水电，2009,(5)：10-14.

[13] 张济斌，蒋 静，马娟娟，等. 不同灌水量和矿化度对小麦生长影响的试验研究[J].节水灌溉，2016，(5)：1-5.

[14] 康 静，黄兴法. 膜下滴灌的研究及发展[J].节水灌溉，2013，(9)：71-74.