全 文 ：第26卷 第2期 作　物　学　报 V o l. 26, N o. 2
2000 年3月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA M ar. , 2000
渗水地膜研制及其应用X
姚建民
(山西省农业科学院农业资源综合考察研究所, 山西太原, 030006)
提　要　根据旱地农业生态系统特征, 提出了小雨资源有效化是旱地农业增产的突破口; 同时提出了
“微孔自调节原理”和“线性小孔 (不) 扩散原理”组成的“单向渗水原理”, 并研究发明了“渗水地膜”。通
过在山西省以及北京、河北、宁夏、甘肃等不同生态区渗水地膜覆盖试验, 结果表明: 渗水地膜具有渗
水、保水、调温、微通气、提高表土层肥料利用率等多种功能, 比普通地膜覆盖增产20%～ 40% , 增产
效果显著。渗水地膜开发应用前景广阔。
关键词　渗水地膜; 小雨; 微孔; 旱地
The Inven tion and Appl ica tion of W a ter-perm eabil ity Pla stic M em -
bra-
ne (W PPM )
YAO J ian2M in
( Institu te of A g ricu ltu ra l R esou rces of S hanx i A g ri2acad emy , T aiy uan, 030006)
Abstract　T h roughou t the con tro llab le ana lysis of ra in resou rce in sem i2arid reg ion, a k ind
of new w ater2perm eab ility p last ic m em b rane w as inven ted, based on valida t ing sm all ra infa ll
(≤10 mm ö d). It can im p rove ra infa ll penetra t ion in to so il vert ica lly, m odify m ax im um so il
tem pera tu re, and ven t ila te so il, w h ile it a lso can increase so il tem pera tu re and b lock evapo2
ra t ion as if conven t iona lm em b rane does. T he paten t num bers are 97115761. 8 and 98119892.
9. A set of p rincip le of w ater2perm eab ility in sing le d irect ion , w h ich includes the p rinci2
p le au tom aticly open ing2clo sing of sho rt crack and the p rincip le of d iffu sion clo sed of sho rt
linear crack as w ell as b lack ho le theo ry. T he annual frequency of sm all ra infa ll w as 70%
in sem i2arid reg ion in Ch ina and the w ater of sm all ra infa ll w as equal to 150 mm , w h ich had
grea t po ten t ia lity of 4. 5t per hacta re land fo r m aize. T he tests covered w ith w ater2perm e2
ab ility p last ic m em b rane in Shanx i p rovince in 1997 show ed tha t: 1. T here w as 38. 3% in2
crease in m aize yield and 1～ 4. 5 percen t po in ts increase in so il w ater than conven t iona lm em 2
b rane and 103% increase in yield than no2cover. 2. T here w as sim ila r so il tem pera tu re be2
tw een the w ater2perm eab ility m em b rane and no rm al m em b rane (PEM ). 3. T here w as m in i2
ven t ila t ion under the w ater perm eab le m em b rane. In o rder fo r va lida t ing sm all ra infa ll and
p reven t ing w ater from evap ra t ing in top so il as w ell as increasing yields of d ifferen t crop s in
dry and sem i2arid land, a t last, the p ro spects of w ater2perm eab ility m em b rane w ere po in ted
ou t.
Key words　W ater2perm eab ility p last ic m em b rane; Sm all ra infa ll; Sho rt crack; A rid2land
X 本项研究是山西省“八五”重大科技攻关项目 (963197)、山西省留学回国人员资助项目、国家科委地方重大项目
(98D 016)。
收稿日期: 1998202210, 接收日期: 1998210218

1　旱作农业区小雨资源有效化分析
干旱与半干旱地区农业生产中最根本的问题不是总降水量少, 而是水分利用率低[ 1～ 3 ]。
如山西省年均降水量在400～ 500 mm 之间, 试验调查结果水分利用率仅有20%～ 40% [ 4 ]。造
成水分利用率低的原因, 主要有3个方面: 一是表土层水分蒸发快; 二是小雨量资源得不到利
用, 多为无效降水; 三是春季和初夏温度较低, 减慢了作物对水分的吸收。对地处半干旱地
区山西省隰县试验点多年观测的降水分布的分析得知, 小雨 (小于10 mm ) 发生频率占到70%
以上, 雨量占到25%～ 30%。这些降水只能停留于极易被蒸发掉的10 cm 的风干土层之内,
多为无效降水。而采取秸秆覆盖技术保水效果明显, 但减慢作物的前期生长发育进程[ 5 ]; 采
用地膜覆盖技术增温效果明显, 可加快作物生长发育进程, 但小雨不能入渗。要提高旱作农
业区小雨资源的利用率, 使年累计量在100 mm 以上的小雨资源有效化, 可利用渗水地膜将
中雨或大雨滞留于土壤表层的雨水资源有效化, 增产潜力大[ 6 ]。旱作农业应从: 截留小雨、
抑制表层土水分蒸发和提高地温入手, 开发能同时具有保存小雨资源、抑制表土层水分蒸
发、提高地温和微通气等功能的界面控制材料或技术, 结合平衡施肥, 为旱地作物创造出水、
温、气、肥高度协调[ 7 ]了的根际微生态环境, 才能大幅度提高旱地农作物产量水平。因此, 开
发与推广渗水地膜可成为解决旱作农业小雨资源有效化的重要对策。
2　渗水地膜研制原理
基于小雨资源有效化开展的“渗水地膜研制及应用”研究, 列入山西省科技攻关项目
(963197)。土壤—植物—大气连续体 (SPA C)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[ 7 ]。虽然, 国内、外对 SPA C 的多个环节已有深入研究,
但经过国际查新检索对干旱与半干旱地区小于10 mm ö 次降水有效利用的连续体界面调控途
径的研究, 无专门研究报道。为此, 我们从提高旱地水资源利用率入手, 以系统调控论[ 8 ]思
想为指导, 以膜成型科学[ 9 ]知识为基础, 充分运用多学科的理论知识, 提出了渗水地膜一词
开展了渗水地膜研制。应用了类“黑洞原理”、提出了“微孔自调节原理”和“线性小孔 (不) 扩
散原理”等新观点, 进一步丰富了膜科学的理论内涵, 提出的上述两种原理可以看作是对黑
洞原理的补充和完善, 这三个原理统称为渗水地膜的“单向渗水原理”。
渗水地膜单向渗水特性设计的理论基础是黑洞原理、微孔自调节原理和线性小孔 (不) 扩
散原理。① 将黑洞原理引入膜的结构设计: 使渗水地膜具有使水分借助重力作用穿过地膜进
入膜下土壤中的通道, 当这个通道面积与非通道面积的比值足够小时, 水分再从这个通道散
发回大气中的机会变得非常少, 犹如只有入水口的水窖, 灌入水的速度可以很快, 但从入水
口散发走水分的速度却很慢, 水分的入渗与蒸发具有明显的不平衡性, 即 dv入> > dv出。农田
地膜覆盖本身又是一个半封闭系统, 物质与能量的流动具有一定的可分离性, 在地膜上增加
一定程度的微米级微孔的水分通道, 可以使雨水进入土壤, 但膜下截获的能量却不完全以水
分蒸发散热的形式来维持能量平衡, 所以对原系统不会带来明显的负作用, 反而增加了新的
功能; ② 微孔的自调节原理: 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。渗水地膜制造的主要原料是聚乙
烯塑料, 聚乙烯塑料膜具有一定的弹力, 当狭窄的水分通道受到水的重力作用时, 通道变大,
膜面雨水顺利入渗; 当膜面雨水入渗完毕时, 狭窄的水分通道受 PE 膜的弹力作用而闭合,
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阻止了膜下水分蒸发。由于弹力的可恢复特性, 赋予渗水地膜有单向渗水的自调节活性。当
膜下地温过高时, 膜下形成了较高的蒸汽压, 可将通道自动打开, 利于散热与内外气体交换;
当膜下地温下降到一定程度时, 由于弹力作用通道又自动闭合。③ 将小孔扩散原理进行了修
正, 提出了线性小孔 (不) 扩散原理。小孔扩散原理认为: 当自由水面放置多孔膜时, 由于多
孔膜的孔边缘降低了自由水面的表面张力, 使水分子脱离水面的机率增大, 蒸发速度 (V ) 与
边缘长度 (L ) 成正比, 比值 Q= V ö L , 由此推论出: 当多孔膜置于自由水表面时, 随着小孔边
缘长度的增加会明显加快自由水面的蒸发速度。这一理论的明显缺陷是没有考虑到小孔边缘
的间距的影响。提出的线性小孔 (不) 扩散原理认为: 当自由水面放置的多孔膜孔形发生由圆
孔拉长的线性改变、小孔的边缘线性收缩到闭合状态时, 尽管多孔膜单位面积的孔边缘长度
没有变化, 但是, 水分子脱离水面的通道受到抑制, 水面的蒸发速度就会变得非常小, 因此
蒸发速度 (V ) 与边缘长度 (L ) 的关系发生变化, 比值 Q3 < < Q。由此推论出: 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: 线性小孔不扩散原理。依据这一原理, 即使单位面积上线性小孔的数量成
倍增加, 自由水面的蒸发速度也会受到明显抑制。
根据上述原理, 在保持普通地膜理化特性基本不变的前提下, 采用化学 (在选用的低密
度聚乙烯吹塑料中加入一定比例的渗水助剂) 加机械的方法, 吹制出了具有单向渗水性特性
的渗水地膜产品。经山西省技术监督局测定; 渗水地膜渗水速率> 12 mm ö (cm 2ı 5 cmı 23℃ı
hı 101. 3 kPa) , 覆盖自由水面的保水量> 40% ö (100℃ı 30 m inı 101. 3 kPa)。单向渗水性具体
地讲, 是依据膜上水分的重力作用、表土水势梯度力对膜上水的拉力作用, 使渗水过程发生,
同时依据膜上通道线性变化和自封口的理化弹力作用控制水分的蒸发而形成的。当膜上有重
力水存在时, 在土壤水势梯度拉力的协同作用下, 打开通道, 此时入渗量过程占主导地位;
当膜上无重力水存在时, 通道受弹力作用处于封闭状态, 蒸发过程受到明显抑制。此外, 随
膜上与膜下温度梯度差异, 其水分的入渗与蒸发过程也受到不同影响; 经过上述分析, 渗水
地膜的单向渗水的理论表达可归纳为:
入渗势 7 1= F 1 [ (h, p 0, p ( t2- t1) ) ö (p 2, p 1) ]
蒸发势 7 2= F 2 [p 2 ö (p 0, h , p 1, ( t2- t1) ) ]
式中: h—膜上水深度; 　p 0—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; 　p 1—微通道弹力; 　t2—膜下温度; 　t1—膜上温度; 　p 2—膜下蒸汽压。
膜面的宽度和膜的使用寿命等因素对入渗和蒸发也有一定影响。根据吹塑挤出机的成膜
最大直径和农艺操作的实用性, 建议的渗水膜适宜宽度为1400 mm。因保水效果与膜的寿命
成正相关, 所以渗水地膜有较长的完好时间。
3　渗水地膜田间覆盖试验
3. 1　渗水地膜覆盖旱地农作物增产效果　　1996年以来应用渗水地膜分别在晋西南隰县旱
塬地、晋中盆地太原市旱川地、晋东榆次市山庄头旱塬地、晋南盆地旱川地和晋北风沙区阳
高县旱塬地进行了玉米、小麦、谷子、棉花、烟草、蔬菜等作物的覆盖试验与示范, 1997年试
验示范面积5 hm 2 (1998年在山西及周边省份示范面积70 hm 2) , 各试验点均获得了明显的增
产效果。1997年山西全省干旱严重, 多数地区的降水量只有常年平均降水量的40%～ 50% ,
其中, 隰县试验点1997年1～ 9月份降水量为219. 7 mm , 仅为1996年同 期 降 水量500. 5 mm
7812期　　　　　　　　　　　　　　姚建民: 渗水地膜研制及其应用　　　　　　　　　　　　　　　　

　表1　隰县试验点渗水地膜覆盖玉米产量情况 (1997年)
　Table 1　The y ields of ma ize covered by permeable plastic membrane (W PPM )
覆盖方式
M odes of covering
单产
Yields (kg ö hm 2)
水分生产率
W ater p roductivity
(kg ö mm. a)
生育期水分生产率
W ater p roductivity
during grow th
(kg ö mm )
①渗水地膜覆盖
Covered by W PPM
7793
　
1. 55
　
2. 36
　
②普通地膜覆盖
Covered by PEM
5634
　
1. 12
　
1. 71
　
③无覆盖
N o covering
3839
　
0. 76
　
1. 16
　
渗水膜比普通膜
1003 (①—②) ö ②
+ 38. 3%
　 　 　
渗水膜比无盖盖
1003 (①—③) ö ③
+ 103. 0%
　 　 　
的43. 9% , 渗水地膜覆
盖的玉米单产较普通地
膜覆盖增加了38. 3% ,
较无覆盖增产 103% ,
详见表1。榆次试验点
1997年是百年不遇的干
旱年, 在1～ 9月份仅降
水 191. 9 mm 的情况
下, 1. 4 hm 2渗水地膜
覆盖的示范田单位面积
产量达到了 9000 kg ö
hm 2, 比 无 覆 盖 的
5610 kg ö hm 2 增 产
60. 4% , 比当地普通地膜覆盖的增产20%～ 30%。阳高试验点1997年1～ 9月份降水297. 5
mm , 2 hm 2渗水地膜覆盖的示范田单位面积产量达到了7500 kg ö hm 2, 比当地无覆盖的3000
kg ö hm 2和普通地膜覆盖的6000 kg ö hm 2分别增产150% 和25%。在隰县试验点渗水地膜覆盖
的0. 3 hm 2烟草示范田比普通地膜覆盖的单产平均提高了1倍以上。在太原试验点渗水地膜覆
盖的冬小麦比普通地膜覆盖的单产提高了15%。
3. 2　渗水地膜增产原因分析　　分析增产的原因, 主要是渗水地膜覆盖后土壤水分和温度
同时得到了改善的缘故。渗水地膜覆盖从4月18日播种到9月下旬对0～ 100 cm 土层7次观测
的土壤含水量, 比普通地膜平均提高了2. 0个百分点, 其中, 0～ 10 cm 提高3. 17个百分
点 , 1 0～ 2 0cm 提高了2. 5个百分点 , 2 0～ 4 0cm 提高了1. 9个百分点 , 4 0～ 6 0 cm 提高了
1. 67个百分点, 60～ 80 cm 提高了1. 21个百分点, 80～ 100 cm 提高了1. 44个百分点。4月18日
埋设的渗水膜覆盖桶积水试验, 9月18日观测膜下桶内积水深度达到200 mm , 而同期降水量
为219 mm , 150天内渗水膜下保水率达90% 以上, 详见表2。
从表2中可以看出: ① 渗水地膜覆盖的0～ 100 cm 土层的含水量在玉米的整个生育期间
均比普通地膜覆盖的土壤含水量高; ② 在玉米生育前期, 渗水地膜覆盖接纳了较多的小雨使
土壤含水量增加的幅度在土壤表层最大, 并随着土层深度的增加土壤含水量增加的幅度在减
小; ③ 在玉米生育后期, 渗水地膜覆盖的深层土壤含水量比对照增加的幅度明显加快; ④ 在
7月17日和18日大雨之后的第5天观测, 渗水地膜与普通地膜覆盖的土壤含水量基本相同; ⑤
大雨之后的干旱又使得渗水地膜覆盖的土壤含水量明显高于普通地膜的含水量。
表2　隰县试验点玉米渗水地膜覆盖比普通地膜覆盖土壤含水量增加情况
Table 2　The incremen ts of so il water covered by water-permeabil ity plastic membrane in Xix ian
深度
D ep th
4月21日
21st ö A p ril
5月9日
9th ö M ay
6月23日
23 rd ö June
7月9日
9th ö Ju ly
7月23日
23rd ö Ju ly
8月22日
22nd ö A ug.
9月21日
21st ö Sep t.
0～ 10 cm 　　　2. 7 　　　7 　　 2. 5 　　 5. 7 　　- 0. 2 　　 3. 7 　　　0. 8
10～ 20 cm 0. 1 4. 5 2. 8 4. 1 0 1. 7 4. 3
20～ 40 cm 0. 7 3. 3 1. 8 1. 1 1. 2 1 4. 2
40～ 60 cm 1. 8 0. 4 3. 6 0. 5 1. 1 1. 5 2. 8
60～ 80 cm - 0. 1 0. 1 1. 8 1. 1 0 2. 4 3. 2
80～ 100 cm - 0. 1 - 0. 2 0. 3 1. 3 1. 1 2. 4 5. 3
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　　为了分析渗水地膜的温度效应, 通过4月22日、4月23日、5月10日、5月12日、5月14日和6
月13日对不同覆盖方式下的5 cm、10 cm、15 cm、20 cm 和25 cm 以及膜下地表极端最高温度
的观测, 结果表明: 当气温在35℃以下时, 渗水地膜与普通微膜具有相同的增温效果或略低0
～ 2℃, 见表3。
　表3　隰县玉米覆盖试验10 cm 土层14时地温观测值 (单位: ℃)
　Table 3　The var iation s of so il temperature in 10 cm depth at 14 ÷ 00
　 4月22日
22nd ö A p ril
5月10日
10th ö M ay
5月12日
12nd ö M ay
5月14日
14 th ö M ay
6月13日膜下
13rd ö June
渗水地膜W PPM 14 19. 5 27 31 43
普通地膜 PEM 14 20. 8 26 30 55
秸秆覆盖
Straw covering
11
　
14. 6
　
21
　
25
　 　
气温
T emperature
12
　
17
　
23
　
30
　
37
　
　　当气温接近或
大于35℃时, 渗水
地膜覆盖的土壤温
度明显低于普通地
膜覆盖的土壤温
度。6月23日气温
35℃时测得前者比
后者的地表温度低
10℃以上, 从而认
为渗水地膜具有降低极端最高温度的调温功能, 这是普通地膜所不及的。
通过对水分和温度这两个旱农增产限制因子的观测与分析, 从而证明了渗水地膜设计的
合理性和增产效果的必然性。
4　渗水地膜开发应用前景
渗水地膜在年降水量在300～ 500 mm 的广大干旱与半干旱地区的旱地及水浇地推广应
用最适宜。对年降水量少于300 mm 的地区, 也具适宜性。对于积温条件较差的农业边缘地
区, 结合一定的灌溉条件也具有一定的适用性, 可在防止荒漠化和生态环境恢复中起到重要
作用。在年降水量大于500 mm 地区的干旱缺水季节也具有适宜性。在城郊区蔬菜生产基地
推广渗水地膜, 可起到缓解城乡用水矛盾的作用。渗水地膜还可用于旱地蔬菜栽培, 生产优
质无公害蔬菜, 增加旱农地区菜农的经济收入。由于渗水地膜覆盖比普通地膜的水分利用率
高、风险性小, 每年累计在100 mm 以上的小雨 (每次降水小于10 mm 的小雨) 可充分利用,
单位面积作物产量可大幅度提高。渗水地膜技术可作为一项重大的工程措施推广, 能缓解我
国人地矛盾, 利于实现21世纪的持续发展战略。利用渗水地膜还可进一步开发出旱地育苗、
旱地栽培、膜下栽培、旱地渗水袋苗木移栽、膜上滴灌等多种多样的新技术体系。渗水地膜
与降解地膜生产技术结合, 可减轻对土壤的污染。
参　考　文　献
1　丁永齐, 辛建军, 张涛等. 山西旱地农业. 太原: 山西科学技术出版社, 1992. 1～ 9
2　V ernon W. Ruttan. A g ricu ltu re E nv ironm en t & H ealth2S usta inable D evelopm en t in the 21 st Cen tu ry. M inneapo lis: U ni2
versity of M inneso ta P ress, 1994. 4～ 6
3　姚建民, 聂宏声, 桑选民. 生态学研究进展. 北京: 科学技术出版社, 1991. 82～ 83
4　姚建民, 王海存, 殷海善. 山西农业科学, 1998, 26 (1) : 7～ 10
5　姚建民. 自然资源学报, 1994, 9 (2) : 185～ 192
6　萧复兴. 华北农学报, 1995, 10 (增刊) , 109～ 116
7　康绍忠, 刘晓明, 熊运章. 土壤—植物—大气连续体水分传输理论及其应用. 北京: 水利电力出版社, 1994. 1～ 5
8　姚建民, 马蓉丽. 生态学杂志, 1993, 12 (4) : 58～ 60
9　邓舜扬, 王强, 朱普坤. 新型塑料薄膜. 北京: 中国轻工业出版社, 1994. 454～ 456
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