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渗水地膜与旱地农业* |
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（山西省农业科学院农业资源综合考察研究所 太原 030006）
地膜覆盖是设施农业中的一种形式，但不能使小雨进入膜下。针对这一问题以及我国北方干旱与半干旱地区水分不足和作物生长前期温度偏低等限制因子，进行旱地农业研究以此为突破口是行之有效的。 1 渗水地膜的研究背景、机理及特性 1.1 渗水地膜研究背景 土壤—植物—大气连续体 (SPAC) 是近代水科学、实验地理学、土壤物理学、农田生态学与农业气象学的前沿研究领域[4]。虽然国内外对 SPAC 的多个环节已有深入研究，但目前未见对干旱与半干旱地区小于 10mm/次降水有效利用的连续体界面调控途径研究报导。我们从提高旱地水资源利用率入手，以系统控调论[5]思想为指导，以膜科学知识为基础，充分运用多学科的理论知识，创造性地提出了渗水地膜一词和单向渗水原理，经过 PE 膜的配料与加工研究[6]，设计并研制发明了“渗水地膜”。渗水地膜克服了常规地膜覆盖存在小雨不能入渗、膜下过于密闭和盛夏季节膜下温度过高以及秸秆覆盖存在低温季节降温负效应等问题的缺陷，使水分正效应与温度正效应叠加在一起。渗水地膜技术已申报了国家发明专利，专利号为 97115761.8。 1.2 渗水地膜研制机理 渗水地膜的研制应用了“黑洞原理”，创造性地提出了“微孔自调节原理”和“变形小孔（不）扩散原理”等新理论，这 3 个原理统称为渗水地膜的“单向渗水原理”。①将黑洞原理引入膜的结构设计，使水分借助重力作用穿过地膜进入膜下，当这个穿过地膜的通道面积与非通道面积的比值足够小时，水分的入渗与蒸发具有明显的瞬时不平衡性，即 dv 入》dv 出；②利用高分子材料固有的弹力特性，使膜具有了自调节活性，即对膜两侧的物质和能量的“流”进行有条件的自动反馈控制；③将小孔扩散原理进行了修正，提出了变形小孔（不）扩散原理，当小孔的孔形发生线性改变，边缘线性收缩到闭合状态的多孔膜置于自由水表面时，会明显抑制自由水面的蒸发速度，即变形小孔（不）扩散原理、或称线性小孔不扩散原理。 根据上述原理，采用特定的方法实现了地膜的单向渗水功能。渗水地膜的单向渗水性主要是依据膜上水分的重力作用、地面水势梯度力对膜上水的拉力作用以及膜上通道线性变化和自封口的理化弹力作用形成的，其入渗势大于蒸发势。渗水地膜单向渗水的唯象理论公式归纳为： 入渗势Ψ1=F1[(h,p0,p(t2-t1))/(p2，p1)] 蒸发势Ψ2=F2[p2/(p0,h,p1,(t2-t1))] 式中：h——膜上水深度；p0——地面拉力（表面张力、扩散力、土壤水势、土壤亲水力）；p——雨滴冲击力；p1——微通道弹力；t2——膜下温度；t1——膜上温度；p2——膜下蒸汽压；F1 和 F2——函数符号。 1.3 渗水地膜的重要特性 渗水性：可将天然降水以每 10min2～7mm 的速度渗入膜下，对不同强度的小雨的截获非常有效。保水性：可将入渗到膜下的水分保住，控制逆渗蒸发。据测定，一年期间的膜下水面蒸发量小于 20mm。调温性：在春季或气温较低的季节，渗水地膜与常规地膜有相同的保温增温效应。但在盛夏和高温季节（气温>35℃），渗水地膜下的地温低于常规地膜下的地温。微通气性：渗水地膜具有使水分下渗的通道，故有一定的微通气性，利于作物根系及土壤微生物呼吸。长效性：由于渗水地膜的微通气和自动调温特性，使其具有了抗老化的功效。经试验，在玉米等作物收获期，渗水地膜仍具有较大的弹性，很容易从地面取走，土壤污染很小。易用性：渗水地膜的纵向抗拉强度与常规地膜的纵向抗拉强度基本相同，不影响正常的人工覆膜或机械覆膜过程。经济性：渗水地膜批量生产后将会与常规地膜造价相同，而渗水地膜的增产幅度明显比常规地膜大，因此，渗水地膜的经济前景好。 2 渗水地膜旱地覆盖试验效果 1996 年下半年起，在研制渗水地膜的同时，分别进行了冬小麦、玉米、烟草、蔬菜、棉花、谷子、高梁等多种作物的田间覆盖试验。1997 年山西省境内干旱异常严重，降水量较常年减少了 40%～50%，而渗水地膜覆盖示范农田获得丰收，试验效果明显。 2.1 提高了小雨利用率，增加了产量 在晋西南旱塬区隰县旱地试验点，玉米播种后 3 个月共降水 14 次，均为小雨。1997-06-23 的调查，渗水地膜覆盖的玉米生物量是常规地膜的 2.6 倍，是无覆盖的 7 倍，是秸秆覆盖的 27 倍。1996 年 10 月初至 1997 年 9 月底总降水量 335.6mm，其中 4 月 18 日至 9 月 17 日玉米生育期总降水量为 219.7mm，其中小于 10mm 降水频率为 72%，降水总量为 57.7mm，占到同期降水总量的 26.3%。试验小区的玉米单产达到 7792.5kg/hm2，比常规地膜增产 38.3%，比秸秆覆盖增产 133.5%，比无覆盖增产 103.0%；水分生产效率渗水地膜覆盖的玉米为 1.55kg，常规地膜覆盖的玉米为 1.12kg，无覆盖的为 0.76kg，秸秆覆盖的为 0.66kg。0.7hm2 渗水地膜覆盖的玉米示范田平均单产达到 7000.5/hm2，而无覆盖的对照田玉米产量仅 3396kg/hm2，增产 106.1%。0.3hm2 烟草示范田比常规地膜覆盖的增产 1 倍以上，品质增加一个等级。 在晋中盆地太原试验点，旱地冬小麦渗水地膜覆盖比常规地膜增产 15.7%，比无覆盖增产 102.2%。 在晋东榆次旱塬区试验点，1～10 月份总降水 192.9mm，比历史上大旱的光绪三年模拟降水量还要少。1997 年 4 月 23 日至 7 月 9 日共降水 16 次，降水量为 46.7mm，其中小于 10mm/次的 15 次，降水量为 28.6mm，占此期间降水量的 61.2%。据 7 月 10 日调查，渗水地膜的株高比常规地膜的增加 20cm，叶片增加 1 枚；比无覆盖的株高增加 105cm，叶片增加 5 枚；比秸秆覆盖的株高增加 130cm，叶片增加 9 枚。渗水地膜覆盖的产量平均达到 8226kg/hm2，比常规地膜增产 13.8%，比秸秆覆盖增产 43.7%，比无覆盖增产 46.5%。1.33hm2 玉米示范田平均单产达到 8419.5kg。 在晋北风沙区的阳高旱地试验点，1～9 月份共降水 297.5mm，渗水地膜覆盖的 2hm2 示范田平均单产 7500kg，而常规地膜覆盖的大田玉米平均为 5625kg/hm2，无覆盖的大田玉米平均仅 1875kg/hm2。 2.2 调节了地温 当气温在 35℃以下时，两种地膜的增温效应观测值变幅为±2℃，当气温在 35℃以上时，渗水地膜膜下比常规地膜低 2～10℃，利于作物生长。 2.3 提高了土壤含水量 1997 年在隰县试验点渗水地膜覆盖条件下，从 4 月播种到 9 月中旬对 0～100cm 土层进行 7 次观测，其土壤含水量比常规地膜覆盖条件下的土壤含水量均有不同程度的提高：0～10cm 为＋4.5 个百分点，10～20cm 为＋2.9 个百分点，20～40cm 为＋1.7 个百分点，40～60cm 为＋1.6 个百分点，60～80cm 为＋0.7 个百分点，80～100cm 为＋0.3 个百分点。4 月 18 日埋设的渗水地膜覆盖桶积水试验，9 月 18 日观测，膜下桶内积水深度达到 200mm，而同期降水量为 219mm，膜下渗水保水率达 90% 左右。 2.4 提早成熟期，不早衰 试验小麦提早成熟 7～10d，玉米提早 15d 以上，未发生早衰，利于提高复种指数。 3 讨论 渗水地膜是一种新开发的产品，其生产工艺正在进一步完善研究。同时也需要进行多年多点的重复试验，以进一步证实渗水地膜的增产效果、适用范围和研究渗水地膜覆盖下的土壤微生态资源的运行机理。 单向渗水理论的提出及渗水地膜的研制成功，不但在旱农地区具有显著的经济效益、明显的生态效益及社会效益，而且还具有重要的理论价值，对进一步探讨旱地水分的生产潜力，研究 SPAC 的界面控制原理，研究土壤微生态环境改变对作物的增产机理，研究生态系统中以水资源带动光、热资源利用率提高的协同利用原理与潜力具有科学意义。 参考文献
作者简介 姚建民，男，1956 年 9 月出生，副研究员、农学学士、在职硕士、赴加拿大访问学者，从事旱地农业及农业综合研究，获国家发明专利 1 项，获省部级科研成果 10 余项，在国内外学术刊物上发表论文 40 余篇。
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