嚴程明，安東升，劉亞男，馬海洋，竇美安*

（1.中國熱帶農業(yè)科學院 湛江實驗站，廣東 湛江524091；2.中國熱帶農業(yè)科學院 南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江524091；3.廣東省省級現代農業(yè)（耕地保育與節(jié)水農業(yè)）產業(yè)技術研發(fā)中心，廣東 湛江524091；4.廣東省旱作節(jié)水農業(yè)工程技術研究中心，廣東 湛江524091）

0 引 言

【研究意義】地膜覆蓋是旱作農業(yè)生產最重要措施之一，具有減少蒸散發(fā)、保墑蓄水、調節(jié)地溫、抑制雜草、提高水分利用效率和增加產量等作用[1]，常與滴灌相結合，進一步提高灌溉施肥管理水平。從1991年到2015年，我國的農膜消費量翻了2 番，地膜覆蓋面積以每年6.6%的速度增長[2]。目前關于滴灌覆膜主要關注的是產量、灌溉水利用效率的增益效應和水分運移規(guī)律等[1]，但地膜的不透水性也會改變降水的入滲，增加降水徑流量[3]，限制降水入滲[4]，降低自然降水的利用率。【研究進展】在遼西北半干旱區(qū)，降水多的年份，壟上覆膜會阻隔降水的入滲[5]，并且覆膜會削弱壟溝的集雨作用。地膜的不透水性會使保留在表層土壤的水量減少，雨水會向下遷移，增加降水的入滲深度[6]。除此之外，降水強度[6]、下墊面處理[6-7]、土壤質地[8]、初始土壤含水率[4-9]等都會影響降水入滲過程。劉汗等[10]在黏黃土上的研究表明，土壤入滲性能隨著降水強度的增加而降低，隨著初始含水率的增加而降低。劉戰(zhàn)東等[7]在小麥上的研究表明，在相同覆蓋條件下，60 mm/h 降水強度條件下的降水入滲量和入滲深度要明顯高于40 mm/h 時。呂凱等[11]指出，降水強度是坡耕地影響降水入滲的關鍵因素。

【切入點】菠蘿是重要的熱帶水果，也是典型的熱帶旱地作物。近年來，在規(guī)?；N植企業(yè)的帶動下，滴灌已經成為菠蘿高產高效生產的重要管理措施，同時在滴灌的基礎上，地膜覆蓋也在菠蘿生產中逐漸普及。但相比干旱和半干旱地區(qū)，熱帶亞熱帶季節(jié)性干旱區(qū)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，強度大[12]，地膜覆蓋對雨季自然降水的利用可能存在更為凸出的限制作用，可具體影響程度以及對土壤水分特征、作物節(jié)水效應產生何種影響目前均尚不清楚?！緮M解決的關鍵問題】本研究從節(jié)水效應的角度考慮，探究季節(jié)性干旱區(qū)滴灌覆膜對菠蘿園降水入滲的影響及規(guī)律，評估滴灌菠蘿園進行地膜覆蓋的節(jié)水效應。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于廣東省湛江市麻章區(qū)南亞熱帶作物研究所試驗基地（21.1628 N，110.267 E；海拔22 m），屬典型的季節(jié)性干旱區(qū)，土壤為磚紅壤，地形為緩坡地，坡度3°。

表1 試驗區(qū)土壤物理性質Table 1 Soil physical properties of experimental

由表2 可知，每年10月至翌年4月為旱季，4—10月為雨季。2019年10月—2020年9月，試驗區(qū)降水分布于2020年1—9月，主要集中于4—9月，累計降水2 047 mm，扣除小于5 mm 的無效降水，有效降水51 d，共27 次，總計1 963 mm，其中旱季降水量160 mm，占有效降水量的8.1%，參考作物騰發(fā)量（ET0）累計519 mm，自然水分虧缺嚴重。

表2 試驗區(qū)2019年10月—2020年9月有效降水量情況Table 2 Effective rainfall from October 2019 to September 2020

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

2019年10月—2020年9月期間有效降水按照降水量及降水時長劃分為中雨（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個等級，其中中雨9 次，大雨11 次，暴雨6 次。

1.2 試驗設計

試驗于2019年10月15日布置，設置3 個處理，分別為常規(guī)雨養(yǎng)型處理（CK）、滴灌無覆蓋處理（DF）、覆膜滴灌處理（MF），每個處理3 個重復。試驗地總面積625 m2（25 m×25 m），每個小區(qū)30 m2（6 m×5 m），種植密度48 000 株/hm2，微壟種植，壟高5 cm，壟寬70 cm，壟間距70 cm，株距30 cm，每個小區(qū)種植菠蘿150 株（10 行，每行15 株），小區(qū)之間間隔1.5 m。各處理施肥總量保持一致，CK 土壤水分主要來源于降水，DF 處理和MF 處理土壤水分主要來源于降水和補充灌溉，補充灌溉按照土壤相對含水率下限60%，上限80%實施，灌溉濕潤層根據不同時期根系分布而定，緩慢生長期（移栽后0～6 個月）濕潤層為20 cm，旺長期及以后按照30 cm 灌溉，田間濕潤比例按照50%計算。滴灌帶單壟單行布置，滴頭間距30 cm，實際流量1.65 L/h，MF 處理壟上采用聚乙烯薄膜覆蓋。

本試驗主要監(jiān)測菠蘿生育期內降水前后土壤含水率變化情況，土壤含水率采用FDR 水分監(jiān)測儀（東方智感（科技股份有限公司開發(fā)的智墑系統(tǒng)）浙江進行原位持續(xù)監(jiān)測，數據讀取頻率為1 h，每10 cm 設置一個監(jiān)測位點，最大測量深度為100 cm，FDR 水分監(jiān)測儀布置于菠蘿種植壟上，取代其中1 株菠蘿的位置。

1.3 試驗方法

降水量利用基地農田小型氣象站進行監(jiān)測，數據讀取頻率為1 h/次。ΔR=∑

菠蘿種植壟降水入滲量計算式為：

式中：ΔR為1 個干濕周期內（2019年10月—2020年9月）菠蘿種植壟0～100 cm 土層中的降水入滲總量（mm）；n為降雨次數編號；Sn2為第n次降雨后24 h 種植壟0～100 cm 土層儲水量（mm）；Sn1為第n次降雨前1 h 種植壟0～100 cm 土層儲水量（mm）。

菠蘿生育期耗水量計算式為：

式中：ET為1 個干濕周期內（2019年10月—2020年9月）菠蘿耗水量（mm）；I為灌溉總量（mm）；ΔS為1 個干濕周期內（2019年10月—2020年9月）菠蘿種植壟0～100 cm 土層儲水量變化（mm）。

水分農藝生產力公式為：

式中：WG為水分農藝生產力（kg/m3）；DW為菠蘿營養(yǎng)生長末期植株的干質量（t/hm2）。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2010和SPSS 20統(tǒng)計軟件進行數據分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 雨季菠蘿種植壟土壤剖面水分特征

表3 為菠蘿種植壟不同土層1—9月平均體積含水率。由表3 可知，不同處理0～80 cm 土層的體積含水率存在顯著差異，其中0～20 cm 土層體積含水率MF 處理和DF 處理顯著高于CK，20～60 cm 土層體積含水率表現為DF 處理>CK>MF 處理，60～80 cm土層體積含水率DF 處理>MF 處理>CK，80～100 cm土層含水率無明顯差異。

表3 菠蘿種植壟不同土層1—9月平均體積含水率Table 3 Average volumetric moisture content of different soil layers in pineapple planting ridges %

隨土壤深度的增加，各處理不同土層的土壤體積含水率總體呈上升趨勢，CK 0～60 cm 土壤剖面中各土層存在顯著差異，且隨土壤深度的增加而上升；DF 處理0～60 cm 土壤剖面中的變化趨勢與CK 基本一致；但MF 處理20～50 cm 土壤剖面中各土層的體積含水率變化不顯著。各處理70～90 cm 土層的含水率分布較為均勻，差異不顯著。

圖2 為菠蘿種植壟不同土層體積含水率變化特征。在時間尺度上，CK 0～30 cm 土層的土壤體積含水率隨時間的變化波動較大，30～100 cm 土層的土壤含水率變化不明顯；DF 處理土壤體積含水率變化波動較大的土層為0～20 cm；MF 處理土壤體積含水率變化波動較大的土層主要為0～10 cm，MF 處理土壤含水率更穩(wěn)定。

圖2 菠蘿種植壟不同土層體積含水率變化特征Fig.2 The soil volumetric moisture content Variation characteristics of pineapple planting ridges

2.2 菠蘿種植壟次降水入滲量變化規(guī)律

為探索菠蘿種植壟次降水入滲量的變化規(guī)律，將2019年10月—2020年9月一個完整干濕周期內的有效降雨分為中雨、大雨和暴雨3 個降雨等級，并進一步按照降雨量梯度分別從不同降雨等級中篩選出20 次有效降雨，其中中雨8 次，大雨6 次，暴雨6 次，研究不同降雨強度下，次降水入滲量與降雨量的關系。圖3 為不同降雨量級下菠蘿種植壟降水入滲量的變化特征。從圖3 可見，0～100 cm 土層降水入滲量隨次降雨量的變化而形成一定的變化趨勢。中雨時，MF 處理和DF 處理0～100 cm 土層降水入滲量明顯低于CK，且各處理隨次降雨量的增加，降水入滲量呈先增加后下降的趨勢，在本試驗條件下，當有效降雨量為13.9 mm 時，CK、DF 處理和MF 處理0～100 cm 土層降水入滲量最大，分別為11.6、4.8 mm 和5.6 mm；大雨時，各處理的降水入滲量表現為CK>DF處理>MF 處理，CK、DF 處理和MF 處理0～100 cm土層降水入滲量總體也呈先增加后下降的趨勢，當有效降雨量為59.8 mm 時，而CK 0～100 cm 土層降水入滲量最大，可達28.3 mm，DF 處理和MF 處理有效降雨量為73.0 mm 時，入滲量達到最大，分別為14.9 mm 和10.4 mm；暴雨時，各處理0～100 cm 土層降水入滲量同樣表現為CK>DF 處理>MF 處理，入滲量隨降雨量的增加呈增加-下降-增加的趨勢，CK 于降雨量為138.0 mm 時達到最大入滲量，為30.6 mm，DF處理和MF 處理則提前至122.0 mm 時達到最大入滲量，分別為13.9 mm 和10.4 mm。

圖3 不同降水量級下菠蘿種植壟0～100 cm 降水入滲量的變化特征Fig.3 Rainfall infiltration variation characteristics of pineapple planting ridges under different rainfall levels

不同降水量級下，相同處理各土壤層級之間的降水入滲量也存在明顯差異。如表4 所示，中雨時，CK和DF 處理降水入滲量主要集中于0～40 cm 土層，其中又以0～20 cm 土層為主，MF 處理降水入滲同樣以0～60 cm 土層為主；大雨時，CK 和DF 處理降水入滲量主要集中于0～60 cm 土層，MF 處理降水入滲比例在60～100 cm 土層達20.50%。暴雨時，3 個處理降水入滲均可抵達80～100 cm 土層，但MF 處理在深層的入滲比例更高，CK、DF 處理和MF 處理在深層（40～100 cm）入滲比例分別為30.28%、31.46%和42.98%。

表4 不同土層降雨入滲量占總降水入滲量的平均比例Table 4 The proportion of different soil layers rainfall infiltration to the total rainfall infiltration %

菠蘿種植壟0～100 cm 土層總降水入滲量表現為CK>DF 處理>MF 處理，但在深層（40～100 cm）入滲比例則是MF 處理>DF 處理>CK。中雨、大雨和暴雨下深層入滲比例分別為CK 3.5%、15.8%和30.3%，DF 處理2.5%、16.7%和31.5%，MF 處理15.7%、39.7%和43.0%。說明，與常規(guī)雨養(yǎng)管理相比，采用滴灌進行補充灌溉會限制菠蘿種植壟降水的入滲，而滴灌進行覆膜以后，在大雨和暴雨時也會在一定程度上限制菠蘿種植壟的降水入滲，但滴灌和滴灌覆膜會提高降雨的深層入滲比例。

2.3 菠蘿種植壟土壤含水率變化

由表3 可知，不同處理之間的土壤含水率，尤其是0～20 cm 土層中的土壤含水率差異顯著，并且隨時間的波動幅度較大（圖2）。為充分研究不同處理條件下菠蘿種植壟土壤降水入滲的變化規(guī)律，選擇降雨前后均無明顯降水和灌溉，且前期0～20 cm 土層含水率與年平均含水率較一致的3 場降雨，分別是中雨（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 和降雨結束后1 d 土壤含水率的變化。

圖4 為降水前后菠蘿種植壟土壤含水率的變化特征。在相同降雨條件下，各處理土壤含水率變化幅度具有明顯差異。中雨時，CK 下0～30 cm 土層含水率發(fā)生明顯變化，10、20 和30 cm 點含水率分別由雨前的11.66%、21.26%和26.68%上升至雨后1 d 的16.28%、22.68%和27.25%，變化幅度分別為39.62%、6.68%和2.14%；DF 處理土壤含水率在0～20 cm 土層發(fā)生小幅度變化，10 cm 和20 cm 含水率分別由雨前的18.16%、26.48%上升至雨后1 d 的19.24%和27.03%，變化幅度分別為5.94%和2.08%；MF 處理10 cm 的土壤含水率變化幅度為4%，其他則不超2%。

圖4 降雨前后菠蘿種植壟土壤含水率的變化特征Fig.4 The soil moisture content variation characteristics of pineapple planting ridges before and after rainfall

大雨時，CK 0～100 cm 各土層均發(fā)生不同程度的變化，尤其是10 cm 測定點含水率變化幅度達74.90%，20～70 cm 各測定點均超5%，70～90 cm 各測定點超過4%；DF 處理土壤含水率變化幅度較大的區(qū)域主要位于0～30 cm 各測定點，10、20 cm 和30 cm 測定點含水率變化幅度分別為51.39%、12.32%和4.28%。MF處理降水入滲深度較DF 處理大，0～50 cm 各測定點的含水率均超4%，但整體變化幅度不高，最高為10 cm測定點的10.21%。

暴雨時，CK 土壤含水率變化幅度較大的區(qū)域主要位于0～30 cm 各測定點，尤其是表層土壤，10 cm由雨前的7.45%上升至雨后1 d 的17.40%，20 cm 測定點含水率上升13.62%；DF 處理土壤含水率變化幅度較大的區(qū)域主要位于0～20 cm 各測定點，10 cm 和20 cm 測定點變化幅度分別為29.76%和5.09%；MF處理變化幅度也主要位于0～20 cm 各測定點，但變化幅度較小，10 cm 和20 cm 測定點變化幅度分別為12.54%和2.88%。

綜上，中雨、大雨和暴雨對菠蘿種植壟土壤水分變化幅度≥4%的最深土層為CK 30、90 cm 和30 cm，DF 處理20、30 cm 和20 cm，MF 處理10、50 cm和20 cm，其中以大雨時的影響深度和幅度最大，相應土層平均土壤含水率變化幅度為CK>DF 處理>MF處理；說明中雨、大雨和暴雨對土壤水分的影響（增幅>4%）深度分別為CK 30、90 cm 和30 cm，DF 處理20、30 cm 和20 cm，MF 處理10、50 cm 和20 cm，其中以大雨時的影響深度和幅度最大。

2.4 干-濕二季內菠蘿水分利用效率

圖5 為菠蘿種植壟灌溉量（b）和0～100 cm 土層次降水入滲量，表5 為菠蘿干濕周期內水分利用效率。CK 菠蘿種植壟0～100 cm 土層次降水入滲量和干-濕二季降雨總入滲量（ΔR）均要明顯高于DF 處理和MF處理，滴灌處理比CK ΔR分別降低48.4%和60.8%。而在滴灌條件下，菠蘿種植壟覆膜與不覆膜也存在一定差異，覆膜后干-濕2 季降雨總入滲量下降24.0%。說明采用滴灌進行補充灌溉會限制菠蘿種植壟降雨的入滲，而滴灌進行覆膜以后，會進一步限制菠蘿種植壟的降水入滲。但滴灌條件下覆膜與不覆膜的差異較小，這可能與滴灌補水和磚紅壤持水特性二者疊加效應有關，這值得進一步研究和討論。CK、DF 處理和MF 處理平均降水入滲率分別為17.9%、9.2%和7.0%，在磚紅壤上降水入滲率均偏低，這可能與磚紅壤特性和降雨特性有關。

圖5 2019年10月—2020年10月菠蘿種植壟灌溉量和0～100 cm 土層次降水入滲量Fig.5 Irrigation amount and rainfall infiltration amount in 0～100 cm soil layer of pineapple planting ridge

如表5 所示，覆膜滴灌雖然會限制自然降雨利用，但并不會影響菠蘿的節(jié)水效應。與滴灌相比，在1 個干-濕周期內節(jié)約灌水量11.9%的基礎上，水分農藝生產力（WG）提高了37.5%，田間干物質提高13.8%；與常規(guī)雨養(yǎng)栽培相比水分農藝生產力、田間干物質方面分別提高了13.8%和52.2%。覆膜滴灌能夠提高菠蘿園水分利用效率。

表5 菠蘿干濕周期內水分利用效率Table 5 Water use efficiency of pineapple

3 討論

3.1 雨季菠蘿種植壟土壤水分特征

在相同土壤類型、土壤結構、海拔、氣候和地形條件下，土壤水分特征受灌溉方式和覆膜的直接影響。覆膜處理可使表層土壤水分維持在較高水平[13]，本試驗研究也同樣發(fā)現，降水季節(jié)覆膜滴灌處理土壤含水率顯著高于常規(guī)雨養(yǎng)栽培。同時，地膜覆蓋能夠使較深土層（50 cm 左右）的水分向上移動，并聚集于上層土壤中[14]。本研究表明，降雨季節(jié)，在土壤水分增加量高于CK 的情況下（CK 降水入滲量353.2 mm，MF 處理灌溉量和降雨入滲量總計388.6 mm），MF 處理在20～60 cm 土層平均體積含水率均要低于DF 處理和CK，在一定程度上進一步證實了地膜覆蓋有助于耕作層下方的水分上移。

相同處理不同土層之間土壤體積含水率隨土壤深度的增加而呈上升趨勢，這主要與根系水分吸收和表層土壤水分蒸發(fā)有關。除此之外，本研究發(fā)現，CK、DF 處理和MF 處理土壤體積含水率隨時間的變化波動較大的土層分別是0～30、0～20 cm 和0～10 cm，MF處理土壤含水率相對更平穩(wěn)，這與灌溉和覆膜有關。滴灌和覆膜滴灌則可精準調控土壤濕度，且地膜覆蓋還具有減少土壤蒸發(fā)的作用[15]。

3.2 菠蘿種植壟次降水入滲量

劉戰(zhàn)東等[4]指出平均入滲量和入滲率隨土壤初始含水率的增大而減小。同時，地膜覆蓋不透水性會增加降雨徑流量[3]，不利于降水入滲[4]。DF 處理和MF 處理土壤初始含水率，尤其是表層土壤含水率顯著高于CK，結果顯示，菠蘿種植壟0～100 cm 土層總降水入滲量表現為CK>DF 處理>MF 處理，且在不同降雨量級條件下，降水入滲量也表現為CK>DF 處理>MF 處理。這與劉戰(zhàn)東等[4]研究結果較為吻合。

楊秋珍等[16]指出，在積水期，降水入滲強度隨降雨強度增大而增大，而小雨的降水入滲系數比大雨時大。Huang 等[17]則指出，雨強越大降水入滲量越大的規(guī)律僅在一定范圍內是正確的，當雨強達到某一值時，降水入滲量與降雨強度成反比。且降水入滲與土壤質地、結構等物理性質有關，大孔隙越多，入滲能力越強[18]，隨著土壤緊實度增大，入滲能力也將有所下降[19]。試驗地土壤質地黏重，且南方季節(jié)性干旱區(qū)雨季降雨普遍強度較大，按照降雨等級劃分，本年度均處于中等降雨強度以上，易積水。本試驗條件下的研究結果顯示，不同降雨強度之間，以大雨的平均降水入滲量最大。這與楊秋珍等[16]和Huang 等[17]的研究結果在理論上大體能夠達成一致，但在趨勢變化上，存在一定差異。局部降雨強度范圍內，降水入滲量會呈現一定的變化趨勢。如中雨和大雨時各處理隨次降雨量的增加，降水入滲量分別呈先增加后下降的趨勢；在暴雨時，呈增加-下降-增加的趨勢。這其中可能還涉及到降雨時長、降雨量、土壤初始含水率和土壤持水能力等綜合因素的影響，值得進一步研究。

除此之外，本試驗條件下，以大雨的影響深度和幅度最大，同時，相同降雨條件下，以CK 各土層土壤水分對降雨的響應較為明顯。徐露等[20]對金沙江下游季節(jié)性干旱區(qū)紫色土坡耕地的研究發(fā)現，小雨只對10 cm 土層土壤水分產生影響，中雨對30 cm 以上土層土壤水分產生影響，大雨和暴雨均可60 cm 以上；李新樂等[21]對烏蘭布和沙漠典型白刺沙包土壤水分研究也發(fā)現相似規(guī)律，低于10 mm 的降雨只能對10 cm 以上土層的土壤水分生影響，20～30 cm 降雨可對30 cm 以上土層的土壤水分產生影響，30 mm 以上的降雨則可影響到50 cm 以上的土層土壤水分。試驗研究結果中常規(guī)雨養(yǎng)栽培與徐露[20]和李新樂等[21]的研究結果基本吻合，但暴雨的影響深度與前人的研究存在一定的差異，可能與降雨的特性（降雨時長、降雨量等）有一定的關系?？λ固氐貐^(qū)降雨量大、歷時長且雨強適中的降雨過程對土壤水分有充分補給作用，而短時的暴雨條件下對土壤水分虧缺的補償作用較小[22-23]。DF 處理和MF 處理降雨對土壤水分的影響土層更淺，則可能與地膜覆蓋和雨前較高的土壤含水率限制了降雨的入滲有關。

本研究還發(fā)現，不同降水強度下，菠蘿種植壟淺層（0～40 cm）入滲比例均為CK>DF 處理>MF 處理，深層（40～100 cm）入滲比例則為MF 處理>DF 處理>CK，這可能與表層土壤初始含水率有關。CK 和DF 處理表層土壤初始含水率低于MF 處理，且波動較大，導致大部分降雨被表層土壤吸收，MF 處理降水入滲量雖最少，但表層土壤含水率長時間穩(wěn)定的保持在較高水平，表層土壤吸收的降雨比例相對較少。

4 結論

覆膜滴灌會限制菠蘿種植壟降水的入滲，降低降水入滲量，并提高降雨的深層（40～100 cm）入滲比例，但可有效提高菠蘿的水分農藝生產力，從菠蘿生長和水分利用效率角度考慮，覆膜滴灌技術值得推廣應用。