农田下垫面处理对降雨入渗的影响

付玉娟, 祝陈梦媛, 张旭东, 寇尔丹, 刘环玉

(1.沈阳农业大学 水利学院, 沈阳 110866; 2.沈阳浑河管理中心, 沈阳 110015)

田间垄沟集雨栽培能够在沟内聚集雨水，垄上产生微流，形成田间微型产汇流系统，它通过田间地表微地形的改变，增加其在地面的滞留时间，使降水经垄台向沟中聚集下渗，土壤中的降水得到有效蓄存，达到增加田间水分下渗的目的[1-2]。覆盖技术是旱作区农业生产的重要措施之一，具有保墒蓄水、防止蒸发、减少径流、保持水土的功能，此外还有保护土壤结构、调节地温、抑制杂草、提高水分利用效率和增加产量等作用[3]。各种地面覆盖材料的应用改变了土壤水分的蒸发和入渗界面，影响土壤水分运移特征。目前关于覆膜条件下的水分运移规律的研究多集中在膜下滴灌条件下的水分或者水盐运移规律中[4]，探讨覆膜对降雨入渗影响的相关研究较少。肖继兵等[5]在辽西北半干旱区通过7 a的试验研究表明，沟垄覆盖集雨技术增加降雨入渗深度，蓄墒率提高72%，水分利用效率比对照增加了24.66%～36.07%；但试验结果也表明在降雨多的年份，垄上覆膜在集雨的同时阻隔降雨的入渗，进而造成处理土壤水分低于对照；如玉米生育期间降雨量较少，可集雨水少，垄沟覆膜的增墒效果也不明显。任小龙等[6]研究表明，垄膜沟种微集水种植增产幅度随玉米生育期降雨量的增加而降低，其适宜的雨量上限可能在全生育期降雨量440 mm左右。靳晓辉等[7]在覆膜和起垄对降雨入渗深度影响的研究中发现，在玉米苗期阶段，覆膜起垄处理的入渗深度大于平整地面；而在玉米主要生长阶段，平整地面的入渗深度大于覆膜起垄处理。在降雨稀少，蒸发强烈的新疆玛纳斯河流域，明广辉等[8]通过试验表明覆膜宽度和膜间宽度比例越大，集雨效果越明显，而垄膜的集雨效果不明显。降雨量、降雨过程、土壤质地、下垫面处理、初始土壤含水率、作物等都会影响降雨入渗过程[9]，而垄沟及地膜覆盖技术等农田下垫面的改变对降雨入渗量及入渗过程的影响规律尚需进一步明确。

本文从农田水循环角度出发，以降雨稀少、蒸发强烈的气候背景的辽西玉米农田为研究对象，分析大垄双行种植条件下垄沟和覆膜对降雨入渗过程的影响规律。以丰富膜下滴灌理论，对农田水分调控和雨水资源优化利用等具有重要的理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年5—9月在内蒙古通辽市开鲁县进行。开鲁县位于内蒙古通辽市西部，地处松辽平原，属西辽河冲积平原的一部分，海拔241 m。试验区位于开鲁县公兴当村，北纬43°37′，东经121°23′，属典型的半干旱大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热，雨热同季。年均气温6.6℃，降水量约320 mm，蒸发量1 184.5 mm，全年盛行西北风，风速4.1 m/s。

1.2 试验材料

试验区的土壤以砂壤土和砂土为主，试验区各层土壤特性见表1。

表1 开鲁试县验观测区土质情况

试验为大田试验，种植作物为玉米，生育期从5月7日播种开始，10月1日收割。种植方式为当地典型的大垄双行种植模式，垄宽60 cm，垄高3～5 cm，垄上铺设塑料薄膜；沟宽60 cm；玉米种植在垄上，行距40 cm，株距30 cm；在两行玉米中间布设滴灌带，用于补水灌溉。

试验区2016年5—9月累计降雨量264.8 mm，扣除小于5 mm的无效降雨，有效降雨为251 mm，能够监测到土壤含水量有明显变化的降雨5次，各次降雨雨量及历时见表2。

表2 试验监测各次降雨的雨量及历时

1.3 试验设计

试验一共设置了4个处理，分别是平整裸地(PL)、平整地面(PZ)、不覆膜起垄(QL)和覆膜起垄(ML)，其中PL不种植作物，后2个处理按大垄双行模式种植玉米，PZ为平地种植玉米，株距行距同大垄双行。每个处理试验小区面积为6 m×50 m。4个处理均设置3个重复。

本试验主要监测在作物生育期内每次降雨的土壤水分变化情况。采用TRIME进行原位观测，PL及PZ每个处理各布设1根TRIME管，PL的TRIME管埋设在小区的中心，PZ处理TRIME管埋设位置如图1所示。QL，ML两个处理每个小区设置3个监测剖面埋设TRIME管，分别为膜中(台中)、膜边(台边)及沟中，布设位置及距离如图2所示。

图1 PZ处理测管埋设位置示意图

1.4 试验方法

试验为田间天然降雨试验，利用时域反射仪(TDR)监测土壤含水率，试验TRIME管长120 cm，最大监测深度90 cm，每10 cm深度监测1次。观测从2016年5月初开始，到当年的9月底结束。监测时间安排在每次有效降雨之前及降雨后1，2，3，5 d，利用各剖面的土壤含水率的变化情况分析降雨的入渗过程及运移特征。降雨数据由开鲁国家气象站获取，该气象站位置为北纬43°36′，东经121°17′，海拔241 m。

图2 ML，QL处理测管埋设位置示意图

2 数据分析

2.1 土壤含水率分布变化分析

选取7月21日及7月31日两次典型降雨过程监测的土壤含水率数据进行分析说明。

2.1.1 雨量较小时 7月31日试验区降雨量17.5 mm，分析该次降雨前后各下垫面处理土壤含水率变化情况。将PL和PZ处理的土壤含水率数据绘制散点图(图3)。PL处理为平整裸地，其含水率变化过程如图3A所示。其土壤含水率由表层开始逐渐增加及减少消退的过程可以作为参照。与PL处理相比，有玉米种植的PZ处理水分向下运移速度较慢，保留在表层的水分更多，这与植株的截留、保水蓄水作用有一定的关系。

图3 7月31日PZ和PL处理各剖面土壤含水率的变化

QL处理沟中、台边及台中3个剖面监测到的土壤含水率的动态变化如图4所示。该处理3个剖面降雨影响深度均在40 cm以内，但土壤含水率的变化过程有一定的差异。其中沟中剖面由于初始土壤含水率较高，增幅较小，但土壤含水率绝对值最大；台中剖面由于初始土壤含水量最低，增幅较大；台边剖面因为有一定的坡度，降雨时超过入渗能力的部分雨量会向沟中汇集，因此含水率增幅及绝对值都小于台中及沟中。因此，下垫面的起垄对降雨入渗再分配有一定的影响，垄沟的集雨汇流作用在17.5 mm的降雨下有一定体现。

ML处理3个剖面土壤含水率变化过程如图5所示。ML处理沟中、膜边和膜中3个剖面雨前、雨后的土壤含水率分布有明显的不同。降雨之前沟中剖面表层土壤含水率较大，膜边和膜中的较小，20 cm以下部分差异较小。雨后1 d膜边及沟中的土壤含水率增加显著，其中膜边表层土壤含水率增幅最大，膜中最小。沟中和膜边两个剖面雨后1 d影响深度都在40 cm以内，此范围的土壤含水率有明显的增加。因此，覆膜及起垄对降雨的入渗及水分再分布有一定的影响，与QL和PZ处理相比，覆膜明显减少了膜中剖面的入渗量，但沟中剖面的入渗量明显增加。

图4 QL处理各剖面土壤含水率的变化

2.1.2 雨量较大时 该次降雨发生在7月21日的4：00—21：00，降雨量35.9 mm。针对此次降雨，分别监测了雨前及雨后3 d各处理不同剖面的土壤含水率，对各处理土壤含水率的变化情况进行分析。

图5 ML处理各剖面土壤含水率的变化

PL和PZ处理的土壤含水量变化如图6所示。受初始土壤含水率的影响，PL处理各层土壤含水率增幅较大；PZ处理的入渗过程有明显的滞后作用且消退较快。在时间进程上，两个剖面都是雨后2 d土壤含水率达到最大。

图6 PZ和PL处理土壤含水率的变化

QL处理3个剖面的土壤含水率变化过程如图7所示。在降雨35.9 mm的情况下，垄沟的集雨作用显著，沟内土壤含水率及其增幅都是最大；而台边由于地形坡度的影响有相当一部分通过地表微径流到达沟中，因此增幅最小，台中次之。台边和台中两个剖面的水分都是在雨后1 d达到最大，沟中剖面则是在雨后2～3 d才达到最大。与7月31日17.5 mm的降雨入渗过程相比，垄沟的集雨作用更加显著。

覆膜起垄下垫面ML处理下降雨前后3个剖面的土壤含水率变化情况如图8所示。沟中位置表层土壤含水率增幅及绝对值都最大，且由表层向下各层土壤含水率及其增幅逐渐减少。在时间进程上，30 cm以上区域的土壤含水率在雨后第2天达到最大，30—50 cm深的土壤含水率在雨后3 d达到最大，有明显的垂向运移过程，70 cm以下土层土壤含水率变化不明显。膜边剖面各层土壤含水率都是在雨后1 d达到最大，且土壤含水量(除表层10 cm处外)大于其他剖面，主要因为该剖面20 cm以下深度的初始土壤含水率较高，这与土壤质地及初始土壤含水率分布有关；60 cm深度以下部分的土壤含水率没有受到本次降雨的影响。对于膜中剖面，最大含水率出现在30—40 cm深度范围内，同样是在雨后第1天达到最大，降雨入渗影响深度与膜边剖面基本相同，但土壤含水率的增幅相对较小；该剖面的水分补充来源主要有植株膜孔的雨水入渗及膜边剖面水分的侧向运移。

与7月31日降雨的入渗过程相比，降雨量增加了18.4 mm，垄沟的集雨作用更加显著；而膜的不透水作用导致覆膜区域的降雨入渗量明显少于其他两个剖面。

图7 QL处理各剖面土壤含水率的变化情况

图8 ML处理各剖面土壤含水率的变化

2.2 降雨入渗影响深度分析

为了减少棵间蒸发、根系吸水以及不同场次降雨的叠加作用等对土壤水分的影响，选用雨后1天监测的入渗深度进行分析。从10 cm处开始，逐层对比降雨后1天与雨前的土壤含水率，以土壤含水率有明显增加的最大深度为降雨入渗影响深度。5次降雨每个剖面的降雨入渗深度见图9。

从图9可以看出，7月31日和8月24日雨量较小时，8个剖面的入渗深度差异不明显，而在其他3次雨量大于25 mm的降雨后，各剖面的入渗深度显示出一定的差异，其中PL，PZ，QL这3个处理表现出的规律基本一致，PZ最小，PL次之，其中QL处理的台中剖面的入渗深度较大，其他两个剖面没有明显差异。ML处理3次降雨各剖面的入渗深度差异较大，其中7月21日和8月31日雨后膜下滴灌膜中剖面的入渗深度最大，而7月25日降雨过程中该剖面的入渗深度反而最小，其原因主要有：其一是该次降雨前4 d覆膜起垄处理刚进行了滴灌；其二是此次降雨虽然总历时比较长，但雨量主要集中在1 h内，降雨强度超过了土壤入渗能力，能够进入的膜中剖面的雨量减少，更多的雨量聚集到地势相对较低的垄沟内。

图9 降雨不同剖面的雨后1天入渗深度

总体来讲，覆膜和起垄在雨量较小时对降雨入渗深度没有明显影响；但雨量较大时，覆膜和起垄都会使水分向地势低的地方汇集，增加入渗深度。覆膜区域表层土壤的含水率增加较小，更多的雨量会通过垄沟向下运移，入渗深度反而会增加。在前述分析的2次降雨过程中，该剖面入渗深度增加范围为10～30 cm。

2.3 各下垫面降雨入渗量分析

分析各处理雨后1天的入渗量，结果见表3。

对比PL和PZ两个处理的降雨入渗量并结合降雨量可以看出，一般情况下PL的入渗量较大；在雨量较大且集中的时候PZ的入渗量较大，这与植株的截留蓄水作用有一定的关系。QL处理由于增加了垄沟，在雨量达到25.4 mm时沟内的入渗雨量有明显的增加。前述分析的7月21日和7月31日两次典型降雨过程中，沟中剖面与PZ处理相比入渗量增加了44%，120%；QL处理3个剖面的平均入渗量与PZ相比增幅分别为33%，76%。ML处理中由于膜的不透水性，导致在雨量大于25.4 mm时的入渗小于QL处理，但大于PL和PZ处理；同样与PZ相比，该处理3个剖面的平均入渗量在两次降雨过程中分别增加了11%，39%。

表3 雨后1天各下垫面处理的降雨入渗量mm

计算各处理在不同降雨量下的平均入渗量，绘制降雨量与各处理平均入渗量的关系曲线(图10)。由图10可知，在本试验条件下，在降雨量达到18 mm左右时，垄沟可以增加降雨入渗量并且增幅随着雨量的增加而增加，而增加覆膜措施以后则会减弱垄沟集雨蓄水的作用，但入渗量仍然大于PZ处理。雨量达到33 mm左右以上时，该地区的降雨类型一般为短时强降雨，超过土壤入渗能力的雨量增加，入渗雨量反而有所减少。

图10 各处理降雨量与入渗量的关系

3 结 论

(1) 在雨量较小时，垄沟和覆膜对降雨的入渗过程影响不明显，在降雨量达到18 mm以上时，垄沟的集雨增渗作用开始显现，QL和ML处理的入渗量及入渗深度都有明显的增加；雨量达到33 mm左右以上时，由于监测到的降雨类型是短时强降雨，降雨强度较大，超过土壤入渗能力的雨量增加，入渗雨量并没有随着降雨量的增加而增加。

(2) 各处理对降水入渗影响程度各不相同，其中QL处理因为垄沟汇集雨水的作用会增加降雨的入渗量及入渗深度，沟中剖面的入渗量大幅增加，比PZ处理最多可增加入渗量76%；ML处理的塑料薄膜在一定程度上削弱了垄沟的集雨作用，比PZ处理最多可增加入渗量39%；但由于膜的不透水作用使保留在表层土壤的水量相对减少，有更多的雨水向下运移，ML处理增加了降雨的入渗深度，比PZ处理的入渗深度增加约30 cm。