扶埂开沟膜下灌对土壤水分分布的影响

詹汉，白清俊*，董正阳，袁莹，张明智,袁宁宁

(1. 西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 710048； 2. 安徽省广德县水务局，安徽 广德 242200)

中国水资源紧缺，而农业用水占高，达到70%以上[1]，在农业上实施节水措施关系到中国水资源安全问题.经过调查研究发现，在中国依旧是以地面灌溉为主，90%以上的灌溉面积均为传统灌溉.传统灌溉中的沟灌由于前期投资少，后期运行费用低[2]，操作管理方便[3]，且与漫灌相比其侧向入渗能够减少地面湿润面积，使表层疏松不板结，更能保护土壤结构完整[4]，在农业灌溉措施中大量运用.

然而，传统沟灌不适于在设施农业上使用，在设施农业上使用时会出现大棚内温度过低且湿度大，导致植物病虫害频发，严重影响农产品的品质与产量[5].且在水资源利用上，传统沟灌灌水均匀度较差，灌溉水利用效率低[6].因此，一些学者在沟灌的基础上提出了膜下沟灌灌溉方式[7].这种灌溉方式对其灌沟进行覆膜处理，可以有效减少水分蒸发，降低设施内空气湿度，增加土壤墒值，促进农作物的正常生长[8].通过研究发现沟灌的累计入渗量与沟距、湿周、侧向影响系数有关，与沟距、湿周呈正相关关系[9]，与侧向影响系数呈负相关关系[10].

但是该方式未能改善传统沟灌深层渗漏这种缺陷.为解决此问题，文中在前人研究基础上对沟灌技术进行改进，提高垄高，降低沟深，增加沟灌侧向入渗.目前，对于该方式的灌溉研究鲜见.

文中以番茄作为试验材料，通过对比传统沟灌与新型沟灌方式(扶埂开沟膜下灌)的灌溉效益，优化适用于温室番茄灌溉制度，进一步探索扶埂开沟膜下灌在灌溉中土壤水分运移的规律，为沟灌灌溉提供更加经济适用的示范样本.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验开始于2017年3月，同年8月结束.地点位于西安市现代农业科技展示中心(108°88′E，34°07′N)，该地区年平均气温13.33 ℃，无霜期224 d，最大冻土深度20 cm，年平均降雪日为12 d，全年日照时间2 230 h，年平均降雨量650 mm，风速一般为2～3级[11].试验温室内供试土壤为沙壤土，对土壤进行粒径级配测试.经测定100 cm土层内平均田间土壤容重为1.45 g/cm3，田间持水量θf为28.71%(体积含水率)，饱和含水量θs为40.63%.

1.2 试验设计

试验共设置了24个小区，其中有8组不同处理，3组重复.各小区面积统一为3.4 m×1.2 m.每个小区之间设有塑料薄膜，薄膜埋深达0.6 m以上，以防止不同小区之间水分互渗.

每个小区内设定种植20株番茄苗，番茄苗间株距38 cm.常规沟灌处理与扶埂开沟膜下灌处理不同的灌溉方案见表1，表中I1为灌水定额，FC1,FC2,FC3分别为苗期、开花坐果期和结果期的田间持水量,I2为灌溉定额.灌溉定额由灌水次数决定，每次的灌水定额均为40 mm，当处理土壤含水率低于水分控制下限时，进行灌水.

表1 各处理的灌溉方案

2种起垄方式如图1所示.扶埂开沟膜下灌较常规沟灌起垄方式，抬高了沟底、减小了灌沟的深度，使植物根际离灌水沟水域湿周距离减小，亦减少了深层渗漏量.

图1 不同沟灌方式的起垄方式

1.3 土壤含水率测定

土壤含水率采用时域反射仪(TRIME-PICO)测定.在一个处理中，分别对该处理的垄沟、垄坡、垄上进行水分监测，对应测点1、测点2、测点3，土壤水分测定每10 cm为一层，共测定8层，深度为80 cm.

图2 扶埂开沟膜下灌断面及TDR管布置示意图

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

2 结果与分析

2.1 扶埂开沟膜下灌条件下各测点含水量分布

选择番茄开花坐果期一次灌水之后(灌水定额为40 mm)的土壤含水量数据，分别观察3个观测点不同土壤层的含水量.绘制了不同测量点土壤含水量与时间的关系.分析了灌溉后14 d内灌溉沟渠和垄中土壤水分的运动过程,如图3所示，图中θv为体积含水量，ds为土壤深度.测量点1和测量点2之间的土壤含水量变化规律相似.灌溉4 h后，每层的含水量达到最大值.随着植物根系的吸水和蒸发以及水分在土壤剖面上的重新分布，灌溉后每层水分含量从灌水后4 h一直减少，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层土壤.但是，灌溉后184～336 h的土壤水分主要集中在中层(40～60 cm).在测点3，灌溉后184 h，每层的含水量达到最大值.土壤水分随时间缓慢增加.除灌溉和灌溉后4 h，水含量随深度增加而增加.

表2为各测点土壤平均含水量变化,表中θ为灌水前含水量，θ4，θ24，θ184，θ336分别为灌水后4,24,184,336 h的含水量.从表中可以看出，灌溉后4 h土壤水分最高，土壤剖面中的水分迅速增加，垄沟与垄坡处增长最为明显，分别增长了47.58%，44.28%.灌水后短期内，由于灌水沟土壤处于高含水量的状态下，入渗速度较快.在灌水后336 h，垄坡的含水量要高于垄沟，高出5.39%，这可能是由于垄坡是斜坡设计，其土壤通透性不如垄沟.

图3 各测点不同深度含水量

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

表2 各测点土壤平均含水量变化

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

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

注：表中数据后字母表示差异具有统计学意义(P<0.05),下同

开花坐果期，在灌水后184 h，番茄根际计划湿润层平均土壤含水量达到31.33%.随着土壤水分的不断入渗，根区70～80 cm剖面含水量也逐渐增大，同一土层间无明显波动.以上分析表明，经过一段时间后，作物根际和周围土壤的含水量趋于平衡，含水量差为2.64%～5.11%.

因为扶埂开沟膜下灌溉也属于沟灌，水亦在灌溉沟内，灌溉后只有20 cm的表层土壤水分得到有效补充.灌溉4 h后，计划湿润层与测点1、测点2相差较大.随着剖面深度的增加，土壤含水量逐渐降低，土壤含水量基本处于22%～24%的低水平.

植物的水分状况随着土壤水分的变化而变化，导致光合活性的变化[12].与沟灌相比，地膜灌溉技术可以提高土壤含水量，减少总蒸发量，有利于节水和改善作物水分状况，促进作物生长发育.

2.2 不同处理对产量以及灌溉水利用效率的影响

表3为不同处理番茄产量和灌溉水利用效率的影响,表中M为产量，IWUE为灌溉水分利用效率.从表中可以看出，在所有处理中，最高FCK产量为141 546.73 kg/hm2.在相同灌溉定额400 mm下，扶埂开沟膜下灌产量比常规沟灌显著高出41.31%.在相同灌溉定额440 mm下，扶埂开沟膜下灌产量比常规沟灌显著高出16.70%.苗期水分亏缺产量比花果期高11.72%，成熟期高29.38%，比适宜水分处理低1.30%.

表3 不同处理番茄产量和灌溉水利用效率的影响

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

沟灌方式处理I2/mmM /(kg·hm-2)IWUE/(kg·hm-2·mm-1)扶梗开沟膜下灌FL1400139 701.31ab349.25aFL2360125 049.10abc347.36aFL3320107 975.65bc337.42aFCK440141 546.73a321.70a常规沟灌CL1480134 258.50ab275.66bCL2440121 289.62abc305.13abCL340098 780.56c246.95bCCK520140 662.42ab270.50b

由表3可以看出，在所有处理中，处理FL1的灌溉水分利用效率达到最高值.在同一灌溉定额400 mm条件下，扶埂开沟膜下灌的水分利用效率较常规沟灌相比，高出了41.42%；在同一灌溉定额440 mm条件下，扶埂开沟膜下灌的水分利用效率较常规沟灌相比，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%，适宜水处理提高8.56%.

扶梗开沟膜下灌较常规沟灌每1 m3水多生产番茄5.12 kg，生产1 kg番茄节水15.90%，灌溉水分利用效率提高了19.64%，耗水量却减少了84.45 mm.

在扶埂开沟膜下灌条件下，比较4种灌溉方式的节水效益.其中FCK产量最高，灌溉水利用效率最高的却是处理FL1.处理FCK和处理FL1这2种不同的灌溉方式，一种产量最高，一种灌溉水利用效率最高.通过数据比较，发现FL1产量较FCK处理相比，只降低了1.30%，然而灌溉水利用效率却提高了8.56%.处理FL1通过损失一点产量，使灌溉水充分有效的利用起来，显著提高了灌溉水利用效率.通过以上分析，认为扶埂开沟膜下灌的最佳灌溉制度：在番茄幼苗时期进行水分调亏处理，苗期1次灌溉、花果期4次灌溉、结果后期5次灌溉，灌水定额为40 mm，灌溉定额为400 mm.

2.3 不同沟灌方式对温室番茄经济效益的对比

番茄产量是受灌溉水量影响的，随着水分胁迫的增加，番茄产量降低.而通过试验发现，番茄的果实商品率却是随着水分胁迫的增加而增加的.扶埂开沟膜下灌模式下，4组处理FL1，FL2，FL3和FCK的果实商品率分别为80.9%，81.7%，83.2%和78.3%；常规沟灌模式下，4组处理CL1，Cl2，CL3和CCK的果实商品率分别为75.8%，77.5%，78.9%和74.2%.通过市场调研，当年番茄商品果和次品果的收购价分别为0.40元/斤和0.25元/斤.

番茄的商品率可直接影响番茄种植最终的经济效益.处理FL3果实商品率最高，说明在扶埂开沟膜下灌溉条件下，番茄成熟期水分亏缺灌溉最有利于提高番茄商品率.在充分灌溉条件下，扶埂开沟膜下灌的产量与果实率两者都高于传统沟灌.这可能是由于前者覆膜加暗沟处理，土壤硬化得到减少，从而改善了作物根系的呼吸条件.

番茄种植总收入和生产投入决定了种植的净效益，两者的差值就是净效益数值.在试验中生产投入包括：灌溉水费0.4元/m3；化肥、农药、种子统一按5 000元/hm2进行估值，而不同处理的1次灌溉所需的人工费起垄、种植、灌溉、养护、采果，由于成垄方式不同，不同处理间的人工成本也不同.本试验净收益最高的是处理FL1，主要原因是处理FL1果实产量和商品率高，灌溉水量和次数少，造成水费和人工费降低，即成本降低.沟灌处理虽然没有地膜投入，但灌溉次数多，水费和人工成本高.此外，产量和果实商品率均低于扶埂开沟膜下灌，净收益较低.

3 讨 论

研究表明扶埂开沟膜下灌灌水模式的垄沟与垄坡土壤含水量分布规律大致相似，在灌水后4 h，各层次土壤的含水量达到最大值.随着植物根系的吸水、蒸发及水分在土壤剖面上的再分布，灌水后4～336 h土壤各层含水量逐渐减小.在灌水后184～336 h土壤水分含量较大处主要集中在中层(40～60 cm).而垄背在灌水后184 h，各层土壤的含水量达到最大值.

扶埂开沟膜下灌在设施内使用与常规沟灌相比，不管是番茄产量还是灌溉水利用效率都有明显提升.扶埂开沟膜下灌在起垄方式上较常规沟灌增加了垄高、降低了灌水沟沟深，使灌溉水在沟中更易于向垄坡进行侧渗，增加了水分在垄上的运移时间.该模式下水分入渗湿润锋呈扁平化.与聂卫波等[13]的研究结果相吻合，表明减小灌溉沟渠的水深有利于灌溉沟渠的水平侧向入渗，并可以减少垂直入渗.随着灌溉沟的变浅，温室中水的蒸发会增加，这不利于室内环境和水的利用.因此，借鉴前人对膜下灌溉的研究[14]，对灌水沟进行地膜覆盖，并将灌溉改为暗灌溉.种植番茄后，将薄膜沉积在沟渠上以形成露膜，减少了作物之间的蒸发量，可有效减少地温下降，保持地温，降低空气湿度，有效减少病虫害发生.在扶埂开沟膜下灌条件下，对温室番茄幼苗进行缺水处理(下限为田持的60%)，是一种较为优化的节水灌溉方式，该方式下番茄的经济效益达到最大.

扶埂开沟膜下灌在实际推广中，这种方法具有一定的节水效果和较高的经济效益，是对传统地面灌溉的改进，很容易为人们所接受.

4 结 论

1) 在扶埂开沟膜下灌条件下，垄背其土壤剖面整体含水量一直呈缓慢增加趋势，达到最大含水量时间迟于垄沟以及垄坡，垄背剖面观测点在灌水后184 h，土壤平均含水量达到最大值为30.65%.

2) 扶埂开沟膜下灌产量较常规沟灌提高0.63%，灌溉水分利用效率提高了18.93%;在扶埂开沟膜下灌条件下，温室番茄在苗期内进行缺水灌溉的IWUE最大达到34.925 kg/(hm2·mm-1)，与充分灌溉相比，对温室番茄苗期进行亏水处理番茄产量只减少了1.30%，而灌溉水利用效率却提高了8.56%，在不显著性降低产量的同时，可显著提高了灌溉水利用效率.且该灌溉方式的产量与商果率均较高，综合产生的净收入最高，经济效益达到最大值.