季节性干旱区覆膜滴灌对菠萝园降水入渗的影响

2021-11-09严程明安东升刘亚男马海洋窦美安

灌溉排水学报 2021年10期

严程明，安东升，刘亚男，马海洋，窦美安*

（1.中国热带农业科学院湛江实验站，广东湛江524091；2.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，广东湛江524091；3.广东省省级现代农业（耕地保育与节水农业）产业技术研发中心，广东湛江524091；4.广东省旱作节水农业工程技术研究中心，广东湛江524091）

0 引言

【研究意义】地膜覆盖是旱作农业生产最重要措施之一，具有减少蒸散发、保墒蓄水、调节地温、抑制杂草、提高水分利用效率和增加产量等作用[1]，常与滴灌相结合，进一步提高灌溉施肥管理水平。从1991年到2015年，我国的农膜消费量翻了2 番，地膜覆盖面积以每年6.6%的速度增长[2]。目前关于滴灌覆膜主要关注的是产量、灌溉水利用效率的增益效应和水分运移规律等[1]，但地膜的不透水性也会改变降水的入渗，增加降水径流量[3]，限制降水入渗[4]，降低自然降水的利用率。【研究进展】在辽西北半干旱区，降水多的年份，垄上覆膜会阻隔降水的入渗[5]，并且覆膜会削弱垄沟的集雨作用。地膜的不透水性会使保留在表层土壤的水量减少，雨水会向下迁移，增加降水的入渗深度[6]。除此之外，降水强度[6]、下垫面处理[6-7]、土壤质地[8]、初始土壤含水率[4-9]等都会影响降水入渗过程。刘汗等[10]在黏黄土上的研究表明，土壤入渗性能随着降水强度的增加而降低，随着初始含水率的增加而降低。刘战东等[7]在小麦上的研究表明，在相同覆盖条件下，60 mm/h 降水强度条件下的降水入渗量和入渗深度要明显高于40 mm/h 时。吕凯等[11]指出，降水强度是坡耕地影响降水入渗的关键因素。

【切入点】菠萝是重要的热带水果，也是典型的热带旱地作物。近年来，在规模化种植企业的带动下，滴灌已经成为菠萝高产高效生产的重要管理措施，同时在滴灌的基础上，地膜覆盖也在菠萝生产中逐渐普及。但相比干旱和半干旱地区，热带亚热带季节性干旱区年均降水量在1 600 mm 以上，80%以上集中于雨季，雨季降水量多，强度大[12]，地膜覆盖对雨季自然降水的利用可能存在更为凸出的限制作用，可具体影响程度以及对土壤水分特征、作物节水效应产生何种影响目前均尚不清楚。【拟解决的关键问题】本研究从节水效应的角度考虑，探究季节性干旱区滴灌覆膜对菠萝园降水入渗的影响及规律，评估滴灌菠萝园进行地膜覆盖的节水效应。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于广东省湛江市麻章区南亚热带作物研究所试验基地（21.1628 N，110.267 E；海拔22 m），属典型的季节性干旱区，土壤为砖红壤，地形为缓坡地，坡度3°。

表1 试验区土壤物理性质Table 1 Soil physical properties of experimental

由表2 可知，每年10月至翌年4月为旱季，4—10月为雨季。2019年10月—2020年9月，试验区降水分布于2020年1—9月，主要集中于4—9月，累计降水2 047 mm，扣除小于5 mm 的无效降水，有效降水51 d，共27 次，总计1 963 mm，其中旱季降水量160 mm，占有效降水量的8.1%，参考作物腾发量（ET0）累计519 mm，自然水分亏缺严重。

表2 试验区2019年10月—2020年9月有效降水量情况Table 2 Effective rainfall from October 2019 to September 2020

图1 2019年10月—2020年9月次降水量情况Fig.1 Rainfall from October 2019 to September 2020

2019年10月—2020年9月期间有效降水按照降水量及降水时长划分为中雨（12 h 降水量5.0～14.9 mm 或日降水量10.0～24.9 mm）、大雨（12 h 降水量15.0～29.9 mm 或日降水量25.0～49.9 mm）、暴雨（12 h降水量30.0～69.9 mm 或日降水量50.0～99.9 mm）3个等级，其中中雨9 次，大雨11 次，暴雨6 次。

1.2 试验设计

试验于2019年10月15日布置，设置3 个处理，分别为常规雨养型处理（CK）、滴灌无覆盖处理（DF）、覆膜滴灌处理（MF），每个处理3 个重复。试验地总面积625 m2（25 m×25 m），每个小区30 m2（6 m×5 m），种植密度48 000 株/hm2，微垄种植，垄高5 cm，垄宽70 cm，垄间距70 cm，株距30 cm，每个小区种植菠萝150 株（10 行，每行15 株），小区之间间隔1.5 m。各处理施肥总量保持一致，CK 土壤水分主要来源于降水，DF 处理和MF 处理土壤水分主要来源于降水和补充灌溉，补充灌溉按照土壤相对含水率下限60%，上限80%实施，灌溉湿润层根据不同时期根系分布而定，缓慢生长期（移栽后0～6 个月）湿润层为20 cm，旺长期及以后按照30 cm 灌溉，田间湿润比例按照50%计算。滴灌带单垄单行布置，滴头间距30 cm，实际流量1.65 L/h，MF 处理垄上采用聚乙烯薄膜覆盖。

本试验主要监测菠萝生育期内降水前后土壤含水率变化情况，土壤含水率采用FDR 水分监测仪（东方智感（科技股份有限公司开发的智墒系统）浙江进行原位持续监测，数据读取频率为1 h，每10 cm 设置一个监测位点，最大测量深度为100 cm，FDR 水分监测仪布置于菠萝种植垄上，取代其中1 株菠萝的位置。

1.3 试验方法

降水量利用基地农田小型气象站进行监测，数据读取频率为1 h/次。ΔR=∑

菠萝种植垄降水入渗量计算式为：

式中：ΔR为1 个干湿周期内（2019年10月—2020年9月）菠萝种植垄0～100 cm 土层中的降水入渗总量（mm）；n为降雨次数编号；Sn2为第n次降雨后24 h 种植垄0～100 cm 土层储水量（mm）；Sn1为第n次降雨前1 h 种植垄0～100 cm 土层储水量（mm）。

菠萝生育期耗水量计算式为：

式中：ET为1 个干湿周期内（2019年10月—2020年9月）菠萝耗水量（mm）；I为灌溉总量（mm）；ΔS为1 个干湿周期内（2019年10月—2020年9月）菠萝种植垄0～100 cm 土层储水量变化（mm）。

水分农艺生产力公式为：

式中：WG为水分农艺生产力（kg/m3）；DW为菠萝营养生长末期植株的干质量（t/hm2）。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010和SPSS 20统计软件进行数据分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 雨季菠萝种植垄土壤剖面水分特征

表3 为菠萝种植垄不同土层1—9月平均体积含水率。由表3 可知，不同处理0～80 cm 土层的体积含水率存在显著差异，其中0～20 cm 土层体积含水率MF 处理和DF 处理显著高于CK，20～60 cm 土层体积含水率表现为DF 处理>CK>MF 处理，60～80 cm土层体积含水率DF 处理>MF 处理>CK，80～100 cm土层含水率无明显差异。

表3 菠萝种植垄不同土层1—9月平均体积含水率Table 3 Average volumetric moisture content of different soil layers in pineapple planting ridges %

随土壤深度的增加，各处理不同土层的土壤体积含水率总体呈上升趋势，CK 0～60 cm 土壤剖面中各土层存在显著差异，且随土壤深度的增加而上升；DF 处理0～60 cm 土壤剖面中的变化趋势与CK 基本一致；但MF 处理20～50 cm 土壤剖面中各土层的体积含水率变化不显著。各处理70～90 cm 土层的含水率分布较为均匀，差异不显著。

图2 为菠萝种植垄不同土层体积含水率变化特征。在时间尺度上，CK 0～30 cm 土层的土壤体积含水率随时间的变化波动较大，30～100 cm 土层的土壤含水率变化不明显；DF 处理土壤体积含水率变化波动较大的土层为0～20 cm；MF 处理土壤体积含水率变化波动较大的土层主要为0～10 cm，MF 处理土壤含水率更稳定。

图2 菠萝种植垄不同土层体积含水率变化特征Fig.2 The soil volumetric moisture content Variation characteristics of pineapple planting ridges

2.2 菠萝种植垄次降水入渗量变化规律

为探索菠萝种植垄次降水入渗量的变化规律，将2019年10月—2020年9月一个完整干湿周期内的有效降雨分为中雨、大雨和暴雨3 个降雨等级，并进一步按照降雨量梯度分别从不同降雨等级中筛选出20 次有效降雨，其中中雨8 次，大雨6 次，暴雨6 次，研究不同降雨强度下，次降水入渗量与降雨量的关系。图3 为不同降雨量级下菠萝种植垄降水入渗量的变化特征。从图3 可见，0～100 cm 土层降水入渗量随次降雨量的变化而形成一定的变化趋势。中雨时，MF 处理和DF 处理0～100 cm 土层降水入渗量明显低于CK，且各处理随次降雨量的增加，降水入渗量呈先增加后下降的趋势，在本试验条件下，当有效降雨量为13.9 mm 时，CK、DF 处理和MF 处理0～100 cm 土层降水入渗量最大，分别为11.6、4.8 mm 和5.6 mm；大雨时，各处理的降水入渗量表现为CK>DF处理>MF 处理，CK、DF 处理和MF 处理0～100 cm土层降水入渗量总体也呈先增加后下降的趋势，当有效降雨量为59.8 mm 时，而CK 0～100 cm 土层降水入渗量最大，可达28.3 mm，DF 处理和MF 处理有效降雨量为73.0 mm 时，入渗量达到最大，分别为14.9 mm 和10.4 mm；暴雨时，各处理0～100 cm 土层降水入渗量同样表现为CK>DF 处理>MF 处理，入渗量随降雨量的增加呈增加-下降-增加的趋势，CK 于降雨量为138.0 mm 时达到最大入渗量，为30.6 mm，DF处理和MF 处理则提前至122.0 mm 时达到最大入渗量，分别为13.9 mm 和10.4 mm。

图3 不同降水量级下菠萝种植垄0～100 cm 降水入渗量的变化特征Fig.3 Rainfall infiltration variation characteristics of pineapple planting ridges under different rainfall levels

不同降水量级下，相同处理各土壤层级之间的降水入渗量也存在明显差异。如表4 所示，中雨时，CK和DF 处理降水入渗量主要集中于0～40 cm 土层，其中又以0～20 cm 土层为主，MF 处理降水入渗同样以0～60 cm 土层为主；大雨时，CK 和DF 处理降水入渗量主要集中于0～60 cm 土层，MF 处理降水入渗比例在60～100 cm 土层达20.50%。暴雨时，3 个处理降水入渗均可抵达80～100 cm 土层，但MF 处理在深层的入渗比例更高，CK、DF 处理和MF 处理在深层（40～100 cm）入渗比例分别为30.28%、31.46%和42.98%。

表4 不同土层降雨入渗量占总降水入渗量的平均比例Table 4 The proportion of different soil layers rainfall infiltration to the total rainfall infiltration %

菠萝种植垄0～100 cm 土层总降水入渗量表现为CK>DF 处理>MF 处理，但在深层（40～100 cm）入渗比例则是MF 处理>DF 处理>CK。中雨、大雨和暴雨下深层入渗比例分别为CK 3.5%、15.8%和30.3%，DF 处理2.5%、16.7%和31.5%，MF 处理15.7%、39.7%和43.0%。说明，与常规雨养管理相比，采用滴灌进行补充灌溉会限制菠萝种植垄降水的入渗，而滴灌进行覆膜以后，在大雨和暴雨时也会在一定程度上限制菠萝种植垄的降水入渗，但滴灌和滴灌覆膜会提高降雨的深层入渗比例。

2.3 菠萝种植垄土壤含水率变化

由表3 可知，不同处理之间的土壤含水率，尤其是0～20 cm 土层中的土壤含水率差异显著，并且随时间的波动幅度较大（图2）。为充分研究不同处理条件下菠萝种植垄土壤降水入渗的变化规律，选择降雨前后均无明显降水和灌溉，且前期0～20 cm 土层含水率与年平均含水率较一致的3 场降雨，分别是中雨（8月30日，16.0 mm）、大雨（2月13日，73.0 mm）和暴雨（8月13日，193.2 mm），分析降雨前1 h 和降雨结束后1 d 土壤含水率的变化。

图4 为降水前后菠萝种植垄土壤含水率的变化特征。在相同降雨条件下，各处理土壤含水率变化幅度具有明显差异。中雨时，CK 下0～30 cm 土层含水率发生明显变化，10、20 和30 cm 点含水率分别由雨前的11.66%、21.26%和26.68%上升至雨后1 d 的16.28%、22.68%和27.25%，变化幅度分别为39.62%、6.68%和2.14%；DF 处理土壤含水率在0～20 cm 土层发生小幅度变化，10 cm 和20 cm 含水率分别由雨前的18.16%、26.48%上升至雨后1 d 的19.24%和27.03%，变化幅度分别为5.94%和2.08%；MF 处理10 cm 的土壤含水率变化幅度为4%，其他则不超2%。

图4 降雨前后菠萝种植垄土壤含水率的变化特征Fig.4 The soil moisture content variation characteristics of pineapple planting ridges before and after rainfall

大雨时，CK 0～100 cm 各土层均发生不同程度的变化，尤其是10 cm 测定点含水率变化幅度达74.90%，20～70 cm 各测定点均超5%，70～90 cm 各测定点超过4%；DF 处理土壤含水率变化幅度较大的区域主要位于0～30 cm 各测定点，10、20 cm 和30 cm 测定点含水率变化幅度分别为51.39%、12.32%和4.28%。MF处理降水入渗深度较DF 处理大，0～50 cm 各测定点的含水率均超4%，但整体变化幅度不高，最高为10 cm测定点的10.21%。

暴雨时，CK 土壤含水率变化幅度较大的区域主要位于0～30 cm 各测定点，尤其是表层土壤，10 cm由雨前的7.45%上升至雨后1 d 的17.40%，20 cm 测定点含水率上升13.62%；DF 处理土壤含水率变化幅度较大的区域主要位于0～20 cm 各测定点，10 cm 和20 cm 测定点变化幅度分别为29.76%和5.09%；MF处理变化幅度也主要位于0～20 cm 各测定点，但变化幅度较小，10 cm 和20 cm 测定点变化幅度分别为12.54%和2.88%。

综上，中雨、大雨和暴雨对菠萝种植垄土壤水分变化幅度≥4%的最深土层为CK 30、90 cm 和30 cm，DF 处理20、30 cm 和20 cm，MF 处理10、50 cm和20 cm，其中以大雨时的影响深度和幅度最大，相应土层平均土壤含水率变化幅度为CK>DF 处理>MF处理；说明中雨、大雨和暴雨对土壤水分的影响（增幅>4%）深度分别为CK 30、90 cm 和30 cm，DF 处理20、30 cm 和20 cm，MF 处理10、50 cm 和20 cm，其中以大雨时的影响深度和幅度最大。

2.4 干-湿二季内菠萝水分利用效率

图5 为菠萝种植垄灌溉量（b）和0～100 cm 土层次降水入渗量，表5 为菠萝干湿周期内水分利用效率。CK 菠萝种植垄0～100 cm 土层次降水入渗量和干-湿二季降雨总入渗量（ΔR）均要明显高于DF 处理和MF处理，滴灌处理比CK ΔR分别降低48.4%和60.8%。而在滴灌条件下，菠萝种植垄覆膜与不覆膜也存在一定差异，覆膜后干-湿2 季降雨总入渗量下降24.0%。说明采用滴灌进行补充灌溉会限制菠萝种植垄降雨的入渗，而滴灌进行覆膜以后，会进一步限制菠萝种植垄的降水入渗。但滴灌条件下覆膜与不覆膜的差异较小，这可能与滴灌补水和砖红壤持水特性二者叠加效应有关，这值得进一步研究和讨论。CK、DF 处理和MF 处理平均降水入渗率分别为17.9%、9.2%和7.0%，在砖红壤上降水入渗率均偏低，这可能与砖红壤特性和降雨特性有关。

图5 2019年10月—2020年10月菠萝种植垄灌溉量和0～100 cm 土层次降水入渗量Fig.5 Irrigation amount and rainfall infiltration amount in 0～100 cm soil layer of pineapple planting ridge

如表5 所示，覆膜滴灌虽然会限制自然降雨利用，但并不会影响菠萝的节水效应。与滴灌相比，在1 个干-湿周期内节约灌水量11.9%的基础上，水分农艺生产力（WG）提高了37.5%，田间干物质提高13.8%；与常规雨养栽培相比水分农艺生产力、田间干物质方面分别提高了13.8%和52.2%。覆膜滴灌能够提高菠萝园水分利用效率。

表5 菠萝干湿周期内水分利用效率Table 5 Water use efficiency of pineapple

3 讨论

3.1 雨季菠萝种植垄土壤水分特征

在相同土壤类型、土壤结构、海拔、气候和地形条件下，土壤水分特征受灌溉方式和覆膜的直接影响。覆膜处理可使表层土壤水分维持在较高水平[13]，本试验研究也同样发现，降水季节覆膜滴灌处理土壤含水率显著高于常规雨养栽培。同时，地膜覆盖能够使较深土层（50 cm 左右）的水分向上移动，并聚集于上层土壤中[14]。本研究表明，降雨季节，在土壤水分增加量高于CK 的情况下（CK 降水入渗量353.2 mm，MF 处理灌溉量和降雨入渗量总计388.6 mm），MF 处理在20～60 cm 土层平均体积含水率均要低于DF 处理和CK，在一定程度上进一步证实了地膜覆盖有助于耕作层下方的水分上移。

相同处理不同土层之间土壤体积含水率随土壤深度的增加而呈上升趋势，这主要与根系水分吸收和表层土壤水分蒸发有关。除此之外，本研究发现，CK、DF 处理和MF 处理土壤体积含水率随时间的变化波动较大的土层分别是0～30、0～20 cm 和0～10 cm，MF处理土壤含水率相对更平稳，这与灌溉和覆膜有关。滴灌和覆膜滴灌则可精准调控土壤湿度，且地膜覆盖还具有减少土壤蒸发的作用[15]。

3.2 菠萝种植垄次降水入渗量

刘战东等[4]指出平均入渗量和入渗率随土壤初始含水率的增大而减小。同时，地膜覆盖不透水性会增加降雨径流量[3]，不利于降水入渗[4]。DF 处理和MF 处理土壤初始含水率，尤其是表层土壤含水率显著高于CK，结果显示，菠萝种植垄0～100 cm 土层总降水入渗量表现为CK>DF 处理>MF 处理，且在不同降雨量级条件下，降水入渗量也表现为CK>DF 处理>MF 处理。这与刘战东等[4]研究结果较为吻合。

杨秋珍等[16]指出，在积水期，降水入渗强度随降雨强度增大而增大，而小雨的降水入渗系数比大雨时大。Huang 等[17]则指出，雨强越大降水入渗量越大的规律仅在一定范围内是正确的，当雨强达到某一值时，降水入渗量与降雨强度成反比。且降水入渗与土壤质地、结构等物理性质有关，大孔隙越多，入渗能力越强[18]，随着土壤紧实度增大，入渗能力也将有所下降[19]。试验地土壤质地黏重，且南方季节性干旱区雨季降雨普遍强度较大，按照降雨等级划分，本年度均处于中等降雨强度以上，易积水。本试验条件下的研究结果显示，不同降雨强度之间，以大雨的平均降水入渗量最大。这与杨秋珍等[16]和Huang 等[17]的研究结果在理论上大体能够达成一致，但在趋势变化上，存在一定差异。局部降雨强度范围内，降水入渗量会呈现一定的变化趋势。如中雨和大雨时各处理随次降雨量的增加，降水入渗量分别呈先增加后下降的趋势；在暴雨时，呈增加-下降-增加的趋势。这其中可能还涉及到降雨时长、降雨量、土壤初始含水率和土壤持水能力等综合因素的影响，值得进一步研究。

除此之外，本试验条件下，以大雨的影响深度和幅度最大，同时，相同降雨条件下，以CK 各土层土壤水分对降雨的响应较为明显。徐露等[20]对金沙江下游季节性干旱区紫色土坡耕地的研究发现，小雨只对10 cm 土层土壤水分产生影响，中雨对30 cm 以上土层土壤水分产生影响，大雨和暴雨均可60 cm 以上；李新乐等[21]对乌兰布和沙漠典型白刺沙包土壤水分研究也发现相似规律，低于10 mm 的降雨只能对10 cm 以上土层的土壤水分生影响，20～30 cm 降雨可对30 cm 以上土层的土壤水分产生影响，30 mm 以上的降雨则可影响到50 cm 以上的土层土壤水分。试验研究结果中常规雨养栽培与徐露[20]和李新乐等[21]的研究结果基本吻合，但暴雨的影响深度与前人的研究存在一定的差异，可能与降雨的特性（降雨时长、降雨量等）有一定的关系。喀斯特地区降雨量大、历时长且雨强适中的降雨过程对土壤水分有充分补给作用，而短时的暴雨条件下对土壤水分亏缺的补偿作用较小[22-23]。DF 处理和MF 处理降雨对土壤水分的影响土层更浅，则可能与地膜覆盖和雨前较高的土壤含水率限制了降雨的入渗有关。

本研究还发现，不同降水强度下，菠萝种植垄浅层（0～40 cm）入渗比例均为CK>DF 处理>MF 处理，深层（40～100 cm）入渗比例则为MF 处理>DF 处理>CK，这可能与表层土壤初始含水率有关。CK 和DF 处理表层土壤初始含水率低于MF 处理，且波动较大，导致大部分降雨被表层土壤吸收，MF 处理降水入渗量虽最少，但表层土壤含水率长时间稳定的保持在较高水平，表层土壤吸收的降雨比例相对较少。