旱地农田壤中防渗对灌溉水水分利用率的影响

朱浩勇，方竹玲，梁沥方，李宏昌，王延平，

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学富平现代农业综合试验示范站，陕西富平 711700）

0 引 言

西北地区是我国重要粮食生产地区之一，总面积约为369万hm2，2020年粮食产量达4 547 万t。然而，该地区降雨量小（200～750 mm），且分布不均匀，时段干旱频繁发生，严重影响作物生长发育[1,2]。节水灌溉是改善农田水分供应、提高粮食产量的有效策略[3-5]。但传统的节水灌溉措施忽视了灌溉水进入土壤后水分再分布对水分利用产生的影响，导致灌溉水资源无效损失较大，水分利用效率低下。壤中防渗是指在作物根区铺设防渗层减少水分下渗，将更多的土壤水分保持在根区，为作物生长发育及时供应水分，从而实现节水增产。胡治强等[6]在新疆石河子地区棉花田地下40 cm 和60 cm 铺设聚乙烯防渗膜，发现在低灌溉量条件下，0～100 cm 土壤含水量分别比对照增加11%和20%，中灌溉量条件下增加5%和20%。Guo F 等[7]在陕西米脂苹果园发现地下压实防渗能降低或阻断土壤水分深层下渗，使有限的雨水资源长时间集中在果树根部周围，改善土壤水分调控能力，0～60 cm 土层含水量较对照提高24.0%～43.9%。索改弟等[8]在陕西长武发现果树株间地下布设压实防渗可有效提高0～100 cm 土壤含水量，产量提高21.8%。相较于雨水而言，过量灌溉水更易发生渗漏而损失，但目前关于壤中防渗措施对于灌溉水利用效率的研究还未见报道。此外，壤中防渗措施在蒸散、作物根系生长和不同防渗措施的横向比较研究方面也尚不够深入。

为评估壤中防渗措施对灌溉水的应用效果，本文探究了两种防渗措施对旱作地区冬小麦灌溉水的水分利用效率和作物生长的影响，利用大型称重式蒸渗仪评估了农田水分平衡与蒸腾-蒸散比，并量化了小麦根系与产量对土壤水分变化的响应。本研究旨在为节水灌溉技术提供新的研究思路和更多理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在陕西省富平县淡村镇西北农林科技大学现代农业综合试验站（108°57′E，34°42′N）进行。试验地地处关中平原和陕北高原的过渡地带，属暖温带半干旱型气候，四季干湿冷暖分明，年平均气温12.5 ℃，≥10 ℃的积温为4 400.4 ℃，无霜期为222 d，年降水量为460～685 mm，主要集中在7-9月，年蒸发量为1 826.7 mm，属于典型的旱作农业区。该区土壤质地为粉砂质土壤，土壤类型为灰塿土，属塿土亚类塿黄土土属，地下水深度在50 m 以下。试验前耕层土壤容重1.35 g/cm3，pH 值为8.34，田间持水量20%，萎蔫系数为10.4%。含有机质11.40 g/kg，全氮0.58 g/kg，全磷0.41 g/kg，全钾12.02 g/kg。试验地2021年和2022年的温度和光照强度如图1所示。

图1 冬小麦生育期内的温度和光照强度Fig.1 Temperature and light intensity during winter wheat growth

1.2 试验设计

试验在称重式蒸渗仪内进行，各蒸渗仪体积均为8 m3（2 m×2 m×2 m），内部土壤层次、干湿度和当地大田土壤保持一致，在蒸渗仪上方有遮雨棚，降雨时会自动遮挡，灌溉水是作物整个生育期水分的唯一来源。

试验设3 种处理：Ⅰ，对照（CK），无防渗处理。Ⅱ，行间压实防渗（C），如图2所示，小麦播种之前，用挖沟机将土壤挖至40 cm 深（由于小麦根系主要集中于0～40 cm 的土层中[9,10]，故将防渗层布设在40 cm 深处，为了减小防渗层对小麦根系呼吸的影响，故只在行间布设防渗层），宽度为25 cm，然后用机械将沟底夯实，并按原土层回填土壤，每隔15 cm 进行一次处理；夯实层厚度约为5 cm，土壤容重在夯实前为1.44 g/cm3，夯实后为1.62 g/cm3。Ⅲ，行间塑膜防渗（P），用挖沟机将土壤挖至40 cm 深，宽度为25 cm，沟底铺设聚乙烯塑料膜，并按原土层回填土壤，每隔15 cm进行一次处理。

图2 试验布设图Fig.2 Test layout

每个处理重复3 次，共9 个蒸渗仪小区。每个小区灌水量和灌溉时间一致，灌水量和灌水时间根据土壤墒情和小麦生育期一般需水量确定（土壤含水量保持在田间持水量的80%以上），灌溉方式为漫灌。作物生育期内及时清除杂草，期间不施肥。冬小麦品种为西农100 号，于2021年10月20 号用播种机将种子播种在不同处理沟与沟之间。

1.3 测定内容与方法

（1）土壤水分：①各处理蒸渗仪中的土壤水分利用蒸渗仪内壁安装的Em 50 水分探针进行测定，深度为10 cm、30 cm、50 cm、70 cm 和95 cm，每3 天收集1 次数据进行绘图。②在所有实验小区的中心，小麦行间和株间位置不同深度分别安置有Em 50 水分探头测定0～100 cm 土壤含水量，其中0～40 cm 土层每隔10 cm 可测定1 个数值，40～100 cm 每隔20 cm 可测定1 个数值，每3 d 测定1 次。土壤贮水量计算公式为：

式中：S为土壤贮水量，mm；θv为土壤体积含水量；h为土层厚度，cm。

（2）土壤蒸散（ET）：各处理每日的土壤水分蒸散量由蒸渗仪自动测定并记录，每3 d 取一次数据进行绘图。校准方程将电压信号（mV）转换为质量（kg），每日ET为24 h重量差，计算公式如下：

式中：ET为土壤蒸散量，mm；ΔG为蒸渗仪的质量变化，g；S为蒸渗仪的面积，m2；α为蒸渗仪杠杆系数；f为集水桶测得的水分渗漏量，mm。

（3）土壤蒸发（E）：用微型蒸发皿测定。微型蒸发皿布置在小麦行间，每个处理安置3 个，取平均值，每3 d 测定一次。

（4）小麦蒸腾（T）：

式中：T为小麦蒸腾量，mm；ET为土壤蒸散量，mm；E为土壤蒸发量，mm。

小麦蒸腾速率（Tr）：采用便携式光合仪测定。每天上午9:00-11:00 进行测定，每种处理的每个小区测定3 株小麦叶片的Tr，每种处理测定的9 株小麦叶片Tr数值的平均值作为日蒸腾速率。

（5）作物根系：采用根系分析仪测定。小麦下种后，在种植行边缘用土钻（特制，钻头直径为75 mm）打深1 m 的孔，将直径为70 mm，高度1 m 的透明树脂玻璃管（微根管）垂直插入孔中，然后用土填满空隙。测定时将根系分析仪伸入到微根管内，进行360°扫描成像。本文中小麦根系参数为2022年4月28日观察到小麦根系停止生长后的扫描数据。

（6）小麦产量（Y）：2022年6月7日，每个小区全部人工收割，自然晒干后，人工脱粒，记录麦穗数量、穗粒数量、千粒重，测定产量。

（7）水分利用率(WUE)：

式中：ET总为小麦生育期内土壤水分蒸散总量，mm；Y为小麦产量，kg/hm2。

（8）温度和光照强度：用蒸渗仪所带的小型气象站监测。

1.4 数据处理

采用Excel 2019 进行数据处理和分析，结果用3 次重复的平均值±标准误差表示；运用SPSS 20.0 软件中的Duncan’s 法进行显著性检验。Origin 2018和Auto CAD软件绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤水分

2.1.1 不同防渗处理的根区土壤贮水量差异

图3 显示了2021年10月20日至2022年6月7日冬小麦生长期0～40 cm 土层土壤贮水量的变化。不难看出，在整个生长季3 种处理贮水量的高低次序始终是P＞C＞CK，CK、C、P 处理的平均土壤贮水量分别为89.85 mm、95.95 mm 和98.85 mm。第1 次灌水54 mm 后（2021年10月20日），C 与P 比较，0～40 cm 土层贮水量无显著差异（P＞0.05），但均高于CK（P＜0.05）。第2 次灌水65 mm 和第3 次灌水90 mm 后（2021年12月25日至2022年5月15日），由于灌水量较大和防渗层的不同，P处理的土壤贮水量显著高于C 处理（P＜0.05）。C、P处理的平均土壤贮水量分别比CK 高8.1%和12.2%。第4 次灌溉30 mm 后（2022年5月17日至6月7日），由于灌水量较少，且成熟前小麦耗水量降低，3 种处理的土壤贮水量差异较小（P＞0.05）。

图3 冬小麦0～40 cm土层土壤贮水量Fig.3 Soil water storage in 0～40 cm soil layer of winter wheat

从冬小麦生长期40～100 cm土层土壤贮水量的变化（图4）可以看出，3 种处理贮水量的高低次序始终是CK＞C＞P，CK、C、P 处理的平均土壤贮水量分别为148.13 mm、145.75 mm 和144.76 mm。第1 次和第4 次灌溉后，由于灌水量较少，C、P处理土壤贮水量之间无显著差异（P＞0.05），但均显著低于CK（P＜0.05）。第2 次和第3 次灌溉后，由于灌水量较大，CK、C、P 3 种处理之间土壤贮水量均存在显著差异（P＜0.05）。综合图4 和图5 分析结果，C、P 两种处理均能有效地阻止灌溉水下渗，使较多的灌溉水长时间集中在冬小麦根系集中分布层（0～40 cm）。

图4 冬小麦40～100 cm土层土壤贮水量Fig.4 Soil water storage in the 40～100 cm layer of winter wheat

图5 灌水90 mm后0～100 cm土壤剖面含水量变化Fig.5 Variation of soil water content in 0～100 cm soil profile after 90 mm irrigation

2.1.2 不同防渗处理对水分再分布的影响

灌水90 mm 和30 mm 后0～100 cm 土壤剖面含水量的变化（图5和图6）结果表明，壤中防渗对灌溉水的再分布有明显的影响。

图6 灌水30 mm后0～100 cm土壤剖面含水量变化Fig.6 Variation of soil water content in 0～100 cm soil profile after 30 mm irrigation

在0～40 cm 土层，处理C 和P 小麦株间和行间的含水量都随土层的加深而增加，而CK 则表现为先增加后减小的趋势，CK 处理的最大值出现在30 cm 处，C 和P 处理的最大值出现在40 cm 处，这是截留灌溉水下渗和灌溉水侧渗共同作用引起的。灌水90 mm 后，无论株间还是行间（图5），随着时间的推移，C 与P 处理之间土壤含水量差异逐渐减小，但均高于CK（P＜0.05），但是灌水30 mm 后，3 种处理株间的含水量[图6（a）～图6（c）]差异不显著，行间含水量[图6（d）～图6（f）]呈现出P 处理显著高于CK（P＜0.05），而C 处理与CK 差异不显著（P＞0.05）。所有处理行间0～40 cm 土层平均含水量均高于株间，一方面是因为防渗层布设在小麦行间，难以阻止株间水分的下渗；另一方面是因为小麦根系优先吸收根区附近水分，使株间土层水分消耗快于行间。

由于防渗层的影响，C和P处理40～50 cm 土层的土壤含水量急剧下降，在40 cm 处，株间和行间的含水量都呈现出P＞C＞CK，至50 cm 处株间和行间的含水量高低次序则变化为CK＞C＞P。

在40～100 cm 土层中，CK 处理的株间含水量低于行间，相反，C 和P 处理株间含水量高于行间含水量；不同处理株间的含水量[图5（a）～图5（c）]差异较小，而行间的含水量由于防渗层不同，表现出明显的差异[图5（d）～图5（f）]，灌水量较小时[图6（d）～图6（f）]，P处理行间的含水量显著低于C 和CK，C 和CK 行间的含水量接近。以上结果说明P 处理的防渗保水效果好于C处理。

2.2 蒸散与作物蒸腾

图7 显示了冬小麦生育期内3 种处理ET的变化。总体看来，3 种处理ET变化趋势大致相同。2021年10月20日至12月22日期间，小麦处于幼苗时期，耗水量相对较少，加之气温较低土壤蒸发量较小，故ET较低。2021年12月25日至2022年2月17日期间，由于气温和光照强度较低，ET处于最低水平，且变幅较小。2022年3月7日之后，随着气温的升高和小麦返青，ET呈现出逐渐上升的趋势。小麦整个生育期内CK、C 和P 处理总ET分别为335.67 mm、338.94 mm 和345.23 mm，这与土壤水分高低结果一致。不难发现，灌水后对不同处理ET的影响较大，每次灌水后一段时间内（5～10 d），3 种处理之间ET差异较大，表现为P＞C＞CK。

图7 冬小麦生育期不同处理蒸散量（ET）的变化Fig.7 Variation of evapotranspiration (ET) in different treatments during winter wheat growth period

在干旱半干旱地区，土壤水分是作物蒸腾速率的主要影响因子，但当日测定时间的不同会引起光照、气温、大气湿度、风速等环境条件的差异，导致测定结果产生误差。图8显示了2022年3月10日至5月26日不同处理冬小麦日平均蒸腾速率（Tr）的差异。不难看出，在绝大多数测定日，P 和C 处理的日平均蒸腾速率高于CK，但3月25日P 处理低于CK，4月5日C 处理低于CK。这与P 和C 处理0～40 cm 土层贮水量相对较高有关。

图8 不同处理冬小麦蒸腾速率（Tr）的差异Fig.8 Difference in transpiration rate (Tr) of winter wheat under different treatments

表1 结果表明，壤中防渗处理对冬小麦地ET和T有显著影响，C 处理和P 处理3-5月的ET、T值均显著高于CK（P＜0.05）；P 处理3-5月的ET值略高于C 处理，差异不显著（P＞0.05）；从T值来看，P 处理3月的T值显著高于C 处理，4、5月份的T值无显著差异。3 种处理之间E值差异不显著。3 种处理的T/ET值的大小顺序始终为：P＞C＞CK。这一结果说明，壤中防渗促进了冬小麦对灌溉水分的吸收利用。3月份灌水后，由于土壤含水量较高，加之作物返青，小麦对水分的利用率较高，T/ET值达到30.90%～34.29%，高于4、5月份；进入4、5月份，随着气温的升高，大部分土壤水分都被土壤蒸发所消耗，尽管作物蒸腾也增强了，但T/ET值有所降低。3种处理的E值始终显著大于T值，故防止土壤水分蒸发在当地农业生产中非常重要。

表1 不同处理的蒸散、蒸发、蒸腾和T/ET比较Tab.1 Comparison of evapotranspiration, evaporation, transpiration and T/E among different treatments

2.3 冬小麦根系

表2 所示，在0～40 cm 土壤剖面，CK、C 和P 处理的小麦根系数量（标准差小数位是根据根系存活率计算得出，均值结果取整数）分别为20、24和35。在直径0.5～3.5 mm范围内，P 处理的根系数量都明显高于C 和CK 处理，C 与CK 处理的根系数量接近。在40～100 cm 土壤剖面中，CK、C 和P 处理小麦根系数量分别为7、9 和9。其中，在直径0.5～1.0 mm 范围内，P 处理的根系数量明显高于CK 和C 处理，在1.0～3.5 mm 范围内3 种处理的根系数量接近。在0～40 cm 和40～100 cm 两个土层，直径0～0.5 mm 范围内C 处理的根系数量均高于CK 和P 处理。从表2 中还可以看出，在0～40 cm 土层所统计的根系总长度、表面积参数中，C 处理较CK 处理分别提高18.0%和10.8%。P 处理较CK 处理分别提高29.7%和40.1%。在40～100 cm 土层所统计的根系总长度和表面积参数中，C 处理较CK 处理分别提高16.5%和8.1%。P 处理较CK 处理分别提高25.2%和38.3%。总体看来，两种防渗处理均能促进0～100 cm 土层内小麦根系的生长，且对0～40 cm 土层根系的影响要高于40～100 cm土层。

表2 不同处理冬小麦根系参数统计Tab.2 Root parameters statistics of winter wheat under different treatments

为了进一步探讨防渗处理对根系分布的影响，本文研究了冬小麦0～100 cm 地下生物量随土壤深度的变化情况（图9）。 CK、 C 和P 处理0～100 cm 地下生物总量为32 922.7 mm3、36 349.6 mm3、42 135.7 mm3。在0～40 cm 土层，C 和P 处理的生物量分别比CK 高12.91%和42.7%，且CK、C 和P 处理生物量分别占生物总量的58.0%、59.3%和64.7%，C、P 处理显著提高了0～40 cm 冬小麦地下生物量。在防渗层上下10 cm 土层范围内，P 处理的生物量相差3 296.9 mm3，高于CK 和C 处理，可能是防渗膜的存在对根系的侧向生长有一定的影响。在40～100 cm 土层，C 和P处理的生物量分别比CK 高7.1%和7.6%，原因在于，虽然C、P 处理40～100 cm 土层土壤贮水量低于CK，可能由于根系附近土层（0～40 cm）含水量高，促进了冬小麦根系向下生长。

图9 不同处理冬小麦地下生物量的分布Fig.9 Distribution of underground biomass of winter wheat under different treatments

2.4 冬小麦产量及水分利用率

从表3 可以看出，壤中防渗处理能够显著提高西北旱地农田冬小麦的产量。C 和P 处理的产量分别比CK 处理提高5.4%和18.3%，水分利用效率分别提高0.94 和3.19 个百分点。小麦穗粒数、千粒重、地上部干重的大小顺序都表现为P＞C＞CK。其中，C 和P 处理小麦穗粒数、千粒重显著高于CK 处理。但3 种处理的地上部干重没有显著差异。冬小麦产量与根系表面积、长度以及数量的回归分析表明，产量与根系总表面积、总长度及数量呈正相关（图10）。

表3 不同处理冬小麦的穗粒数、千粒重、地上部干重、产量及水分利用率Tab.3 Grain number per spike, 1 000-grain weight, aboveground dry weight, yield and water use efficiency of winter wheat in different treatments

图10 冬小麦产量与根系表面积、长度以及数量的回归分析Fig.10 Regression analysis of yield and root surface area, length and quantity of winter wheat

3 讨 论

水分在土壤中的分布、运移是植物生长的决定性因素[11]。土壤压实作为防渗层能够改变土壤结构，降低土壤孔隙度，减少水分的入渗[12-14]。在黄土高原苹果园采用壤中压实能提高防渗层以上土层的土壤含水量[7,15]。国外Kavdir[16]和Smucker[17]的研究结果也表明壤中防渗具有一定的节水效果。本研究中，壤中铺膜和压实两种防渗措施均对灌溉水的分布和运移产生了较大影响。由于防渗层布设在40 cm 土层，所以使较多的灌溉水长时间集中于小麦根系主要分布层（0～40 cm），提高了灌溉水利用效率。灌水量大小对0～40 cm 土层的含水量高低有明显影响，灌水90 mm 后，C 和P 处理冬小麦株间和行间的含水量均显著高于CK（P＜0.05），灌水30 mm 后，C和P处理株间的含水量也都高于CK，但差异不显著，P 处理行间含水量显著高于CK（P＜0.05），而C 处理与CK 差异不显著（P＞0.05）。这一结论与金波[15]和索改弟[8]的研究结论类似。说明在陕西关中平原和陕北高原过渡地区的旱地农田，采用壤中压实防渗和铺膜防渗均能减少灌溉水的损失，实现节水，降低灌溉成本，但节水率需要进一步研究。

在农业系统中，土壤蒸发（E）和作物蒸腾（T）对土壤蒸散（ET）的贡献度是作物水分利用效率的指标[18-20]，T/ET高，作物对灌溉水吸收利用率高。本研究中，不同防渗处理对灌溉水水分利用率高低有明显影响。在3-5月份，P 处理的T/ET值始终最大，C 处理次之，CK 最小。说明P 处理能更有效地提高灌溉水的利用效率。这与WUE计算结果一致。灌溉水水分利用率的高低与小麦生长阶段、土壤蒸发密切相关。3月份，小麦返青，作物蒸腾和土壤蒸发量均较小，但T/ET值远大于4、5月份。防渗处理对T/ET值的影响也最大，C 和P处理的T/ET值分别比CK 增大了2.34 和3.39 个百分点。4月和5月，气温升高，作物蒸腾和土壤蒸发量均增大，但T/ET值变小，防渗处理对T/ET值的影响相对较小，C 和P 处理的T/ET值分别比CK 增大了0.88～2.09 和0.97～2.47 个百分点。这里需要指出的是，本研究中3-5月份小麦地土壤蒸发占比较大，达65.71%～81.91%，因此，如能在壤中防渗的基础上采取地面保墒措施，降低土壤蒸发占比，必将进一步提高灌溉水的利用效率，获得更好的节水效果。

在干旱、半干旱地区，土壤含水量往往是制约根系生长的主要因素[21,22]，根系的趋水性使得作物更多的根系集中于土壤含水量较高的土层中[23]。本研究中，灌水后壤中压实和铺膜处理0～40 cm 土层的根系总长度较CK 提高了18.0%和29.7%，根系表面积提高了10.8%和40.1%（表2）。当土壤缺水时，小麦会向深处扎根寻找水分[24]，尽管壤中压实和铺膜处理40～100 cm 土壤含水量低于对照处理，但根系长度、表面积及生物量仍高于对照，这一结果与张伟等[24]的研究结果不一致，有待进一步证实。

对这两种防渗处理方式进行综合分析，土壤压实可以就地取材，因此成本较低，且与其他防渗材料相比，没有污染性[25]。塑料薄膜保水效果好，在农业中被广泛应用[26,27]。但市面上大多塑料膜为聚乙烯材质，在土壤中残留对农业的可持续发展和粮食安全构成威胁[28]，即使塑料膜为可降解材料，在深埋无氧条件下也很难降解。本研究中，壤中铺膜防渗处理的冬小麦产量和灌溉水分利用效率显著高于壤中压实和对照处理，能够产生较好的经济效益。但由于塑料薄膜需要深埋地下，且不能回收利用，在考虑环境因素的前提下，没有找到合适的替代品之前，壤中压实防渗处理更适用于在西北旱地农业生产中应用。

4 结 论

在陕西关中平原和陕北高原过渡地区的旱地农田，采用壤中防渗技术能够显著提高冬小麦生育期内0～40 cm 土层灌溉水的聚集量，在防渗层周围形成较大含水量区域，平均贮水量提高6.8%～10.0%。对冬小麦生育期内的总蒸散发影响不大，但蒸腾在蒸散中的占比明显提高。能够促进冬小麦根系生长发育，0～100 cm 根系生物量增加10.4%～28.0%。能够显著提高农田冬小麦的产量。壤中压实和铺膜防渗的产量分别比CK提高5.4%和18.3%，水分利用效率分别比CK 提高0.94 和3.19个百分点。但在综合考虑环境因素和投入成本的前提下，壤中压实防渗处理更适用于在西北旱地农业生产中应用。