微灌加氣技術研究進展

南 茜，黃修橋，韓啟彪，李 文，李宏燕

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學院研究生院，北京 100081)

作物根區(qū)土壤適宜的氣體含量及組分對作物生長極為重要，根區(qū)缺氧會減弱根系的呼吸作用，影響水分和營養(yǎng)物質(zhì)的運送，抑制作物生長。為改善土壤氣體狀況，根區(qū)通氣作為一項土壤改良技術措施，早已有一定研究[1]。近年來，在節(jié)水灌溉領域，地下滴灌技術有了較大的推廣應用，這種封閉的管網(wǎng)灌溉模式使得如今可以運用合適的加氣設備將氣體和水通過灌溉運送至作物根區(qū)來改變根部土壤水氣環(huán)境，這是微灌技術集成化發(fā)展趨勢的體現(xiàn)[2,3]，具有改善土壤質(zhì)量和促進作物增產(chǎn)增效等優(yōu)點，已成為目前微灌研究熱點之一，很多學者對其進行了探討。在此背景下，筆者總結歸納了微灌加氣技術的研究進展，分析了微灌加氣技術研究的不足及未來發(fā)展趨勢，以期為微灌加氣技術的應用提供一定的技術支撐。

1 研究進展

1.1 微灌加氣對作物影響研究

研究者們首先關注的是微灌加氣對作物產(chǎn)量的影響。2000～2007年，Goorahoo等人[4]陸續(xù)考察了加氣灌溉對甜椒、香瓜、哈密瓜等多種蔬果產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，結果表明加氣灌溉可以使甜椒數(shù)量增加33%，鮮重增重39%；使香瓜數(shù)量增加13%，鮮重增重18%；使哈密瓜數(shù)量增加14%，鮮重增重16%。Bhattarai等[5]在重黏土中種植棉花和大豆，結果顯示加氣處理的兩種作物在產(chǎn)量和水分利用效率上較不加氣處理均有不同程度的增加。Bhattarai等還對重黏土和鹽漬土條件下的番茄進行了通氣試驗[6]，發(fā)現(xiàn)在重黏土多水條件下，加氣處理的番茄鮮重相比不加氣增加了21%，水分利用效率提高11%，引起該變化的原因是曝氣使土壤水溶解氧濃度增加，有助于避免重黏土多水條件下的缺氧狀況，從而提高了番茄植株的性能；同時，研究發(fā)現(xiàn)鹽漬土加氣處理的番茄鮮重增加了38%，水分利用效率提高77%。因此該研究認為通氣提升了作物對于缺氧土壤的耐受性，對提高重黏土和鹽漬土的土壤生產(chǎn)力的作用尤為明顯。在國內(nèi)，劉杰和蔡煥杰等[7]研究了溫室小型西瓜加氣灌溉效果，試驗結果顯示不同的加氣頻率均使西瓜產(chǎn)量增加，3種加氣頻率(1次/d、1次/2d和1次/4d)處理的西瓜在產(chǎn)量上比對照組分別提高了7.3%、18.6%、4.5%。溫改娟和蔡煥杰等[8]的番茄微灌加氣試驗也顯示在相同的滴頭埋深和灌溉頻率下，加氣灌溉較不加氣灌溉產(chǎn)量可增加44.96%。其他一批學者也得到了類似的產(chǎn)量與加氣關系結論[9-11]。然而，也有部分結論認為通氣對產(chǎn)量無顯著影響。比如Heuberger等[12]關于花椰菜的研究表明，加氣灌溉處理與僅灌溉處理兩者的鮮重未出現(xiàn)顯著差異，推斷這可能與采用土壤的性質(zhì)有關，實驗選用的粉質(zhì)黏壤土自身即具有良好的通氣性，因此造成加氣效果不明顯?？梢姡⒐嗉託獾男Ч芎芏嘁蛩赜绊?，如：作物種類、土壤質(zhì)地、土壤水分狀況等。但總體來說，合理的微灌加氣措施能夠保障作物的產(chǎn)量，研究結論整體上呈積極趨勢。

在考察加氣對作物產(chǎn)量造成影響的同時，作物品質(zhì)如何改變也是研究的重點。理論上分析，加氣灌溉改善了作物根區(qū)的氣體環(huán)境，使整個植株正常的生命活動得以順利進行，在一定程度上應該可以提升作物品質(zhì)。目前的試驗結果也支持了這一猜測。Heuberger等[12]有關甜玉米的研究表明，與灌溉處理相比，加氣施肥灌溉處理對甜玉米的品質(zhì)產(chǎn)生積極影響。與此同時，李元、張敏等[7,8,13,14]的加氣灌溉試驗，考察了影響品質(zhì)的不同指標，如Vc含量、可溶性總糖含量、可溶性固形物含量等，發(fā)現(xiàn)各指標均在加氣情況下提高顯著。Shahien等[15]通過對馬鈴薯進行試驗發(fā)現(xiàn)，通氣處理相比另外兩個不通氣處理的根系可溶性糖含量有不同程度的增加。

也有學者同時對加氣灌溉條件下作物生長過程進行了監(jiān)測分析，如肖元松等[16]，整體認為加氣能有效促進作物對水分和養(yǎng)分吸收代謝能力，利于自身干物質(zhì)積累和生長發(fā)育。還有一些學者發(fā)現(xiàn)[17,18]，通氣對植株生長前期影響較小，對后期影響較為明顯。這可能是因為前期植株較小從而對氧氣的需求低，根際氣體對植株的影響不占主導地位；隨著植株生長，需氧量提高，此階段根區(qū)處于缺氧狀況則會導致作物生長受到抑制，所以在植株后期保障根系土壤的通氣性尤為重要。

1.2 微灌加氣對土體環(huán)境影響研究

對土壤根區(qū)通氣可以改善土壤理化特性，緩解水氣矛盾，促進微生物活動和提高酶活性，使土壤環(huán)境發(fā)生變化。有研究表明，土壤過氧化氫酶在一定程度上較靈敏地反映了土壤微生物學過程和作物代謝過程的強度, 是較好的土壤微生態(tài)環(huán)境指示因子[19]。脫氫酶活性(DHA)也與微生物活動密切相關[20-23]。因此目前通氣改善土壤環(huán)境主要圍繞對酶活性的影響研究展開。Brzezińska等[24]研究表明土壤通氣的改善可以刺激過氧化氫酶活性，活性隨充氣孔隙度、氧擴散率、氧化還原電位的增加而提高。Brzezińska等[25]通過研究黑小麥盆栽試驗缺氧狀況下對土壤脫氫酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)土壤脫氫酶活性與土壤通氣參數(shù)有顯著相關關系，活性隨水分供應的增加而增加，在淹水條件下活性最高。還有研究表明根際通氣能夠提高基質(zhì)酶活性，利于根系代謝，促進植株生長[26, 27]。

1.3 微灌加氣方式與設備研究

目前，作物根區(qū)通氣方式已有很多，主要是通過物理方式改善土壤通氣性。如有學者向土壤加砂加蛭石[28-30]。20世紀初，英國中洛錫安郡蘇格蘭樹公司即曾提供過超級根系通氣盆，他們在容器側(cè)壁打上一系列小孔來使更多空氣進入栽培介質(zhì)[31]。也有針對營養(yǎng)液加氣等的研究，如邢書慧[32]采用通氣泵對營養(yǎng)液通氣研究了水培通氣對于蘆薈、山海帶、小天使、金琥等植物的作用。

然而，不同于傳統(tǒng)的根區(qū)通氣，微灌加氣技術借助了微灌管網(wǎng)，以灌溉的方式實現(xiàn)了對氣體和水的傳輸。合適的加氣方式及設備是決定微灌加氣好壞的重點之一，目前微灌加氣上應用較多的加氣方式有文丘里、空氣壓縮機等。

國外的Goorahoo等[33]、國內(nèi)的張敏等[14]均采用了特制的文丘里管對作物進行微灌通氣，這也是目前實現(xiàn)水氣結合灌溉的常用方法。文丘里管的工作原理是依據(jù)伯努利方程，水在壓力下進入文丘里，經(jīng)過喉管時水流流速增大，裝置內(nèi)部形成真空，在內(nèi)外壓差的作用下，外界空氣被吸入到水流中，在向出口移動的過程中，水流速度再次減小，動能轉(zhuǎn)化為壓能，加氣灌溉水就是通過以上過程被運送到滴灌系統(tǒng)，這與文丘里施肥器類似，也是目前有生產(chǎn)報道的微灌加氣設備，據(jù)稱Toro公司已有專用產(chǎn)品。

相應于文丘里這種無需外源動力裝置，也有學者采用了機械加氣方式，即通過機械動力(空氣壓縮機)或人力(打氣筒)向土壤加氣，是較為直接的加氣方式[1]，被大量采用[7,13]。張文萍[34]等在試驗中運用了此種加氣方式，并取得了不錯的效果。劉小剛等人[35]發(fā)明的地下水肥氣一體化灌溉系統(tǒng)，利用空氣壓縮機將空氣壓縮并和水肥混合后通過運輸管道輸送至植物根部，使地下滴灌多樣化，優(yōu)化了根部缺氧的問題。除了空氣壓縮機外，張運濤[30]借助了鼓風機，還有一些學者[16,18,36]采用普通打氣筒對作物供氣。

由于一些化學試劑在水中可分解產(chǎn)生氧氣，因此部分學者也研究了化學加氣方法?；瘜W加氣是把化學試劑按照一定比例加入灌溉水。國外的Bhattarai等[37]把過氧化氫通過地下滴灌系統(tǒng)加入到南瓜根際，國內(nèi)學者張文萍等[34]、程峰等[38]按照特定的比例(3.5%H2O2∶H2O=1∶100)分別加入煙草和香芹根際進行試驗。適量地增氧可促進作物生長，但不可忽視運用此法時雙氧水的腐蝕性對作物造成的不良影響，因此需要進一步研究尋求合適的根際氧質(zhì)量濃度，同時由于氧濃度變化對作物造成影響的相關研究也有待進一步展開。

隨著一些地下滴灌新裝置的出現(xiàn)和推廣，各種加氣裝置設備性能更加完善。翟國亮等人[39]發(fā)明了可移動插入式地下滴灌裝置，組件精簡，使得土壤加氣、加熱及施加土壤改良劑等工作簡單易行，具有較高的市場實用價值。門旗[40]等為解決傳統(tǒng)增氧裝置有效氧儲存時間和數(shù)量有限的問題，發(fā)明了地下滴灌灌溉微納米氣裝置，該裝置產(chǎn)生的氣泡尺寸小、溶解效率高、上升速度慢，能夠達到較理想的加氣效果，具有很大的推廣應用前景。

學者們對不同加氣方式、加氣頻率和加氣時間的效果進行了研究以期提高加氣效率[7，13，14]。孫周平等[41]采用槽栽方法研究了根際自然擴散通氣處理、根際管通氣處理和根際兩端通氣處理相比根際全基質(zhì)栽培對大田馬鈴薯植株生長造成的影響。為提高微灌加氣效率，改善加氣效果，雷宏軍等探討了循環(huán)曝氣相關方法[42]，并展開了溫室[43,44]及田間小區(qū)[45]試驗。謝恒星等[46]研究得出：一定頻率的加氧灌溉可以提高溫室甜瓜的綜合效益，其中2天1次的加氧頻率處理綜合效益最優(yōu)，不同加氧灌溉模式均對溫室甜瓜有促進作用。

2 存在問題與發(fā)展趨勢

由上可知，關于微灌加氣技術的研究主要集中在對作物影響的考察上，包括產(chǎn)量、品質(zhì)、生長過程等，還有小部分圍繞著土壤環(huán)境影響等方面展開。同時，不同灌溉加氣設備及不同微灌加氣運行模式下作物生長情況也開始受到國內(nèi)學者的關注。這些研究成果一定程度上促進了微灌加氣技術的發(fā)展。

然而，總體來說，雖然微灌施肥、微灌加氣均為微灌集成技術，但與微灌水肥一體化相比，微灌加氣技術的研究起步較晚，科研力量投入較少，研究尚淺，尤其在國內(nèi)，相關報道多集中在西北農(nóng)林科技大學及其后續(xù)衍生出的魯東大學、華北水利水電大學等研究團隊，中國水利水電科學研究院、西安理工大學、中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所等研究人員也有一定的探討，但研究仍有待繼續(xù)深入?！笆濉逼陂g，隨著滴灌相關課題的立項，通過協(xié)同創(chuàng)新交流，相信會使國內(nèi)微灌加氣技術實現(xiàn)快速發(fā)展。

再者，目前微灌加氣技術多是考察加氣對作物影響的研究，研究面窄，而且很多研究還僅僅停留在小范圍試驗規(guī)模，基本采用盆栽、溫室小區(qū)等，大田或者大范圍試驗開展不多，樹木等多年生作物開展較少，這距離微灌加氣技術的推廣應用仍有一定差距，難以服務于生產(chǎn)實際。而且已有研究發(fā)現(xiàn)，土質(zhì)等條件對微灌加氣效果存在一定影響，即意味著微灌加氣可能有地域適應性等限制。由此，針對不同地域、不同土壤、不同作物及不同種植規(guī)模，仍需深入開展微灌加氣技術研究，探索出有效的加氣方法、適宜的加氣頻率及加氣量等，為微灌加氣技術的規(guī)?；瘧锰峁┘夹g儲備。

與此同時，就設備選型研發(fā)上看，對加氣設備及加氣方式的選擇欠缺成型的理論指導。專門的微灌加氣設備少，現(xiàn)有報道的專門用于微灌加氣的產(chǎn)品可能僅有Toro公司生產(chǎn)的文丘里加氣設備(Toro Mazzei? AirJection? Rainbow A-Series)，其余的均是借用其他行業(yè)設備將其利用改造，如空氣壓縮機、來自水處理領域的納米機等。事實上，我們對于這些外領域的設備性能并不了解，對其操作規(guī)程及在微灌管網(wǎng)上的適用性等尚不明確，因此，如何在微灌上實施并加以有效改進，如何有效控制這些設備的運行穩(wěn)定性，如何判斷水氣分離和水氣結合等灌溉模式的適用性，以上問題均需進一步研究，形成合適的理論指導意見，進而研發(fā)集成出性能穩(wěn)定、實用性強、專業(yè)的微灌加氣設備及系統(tǒng)，這也是未來研究的重要方面。

進一步，系統(tǒng)上講，關于加氣的研究仍需全面系統(tǒng)地推進。目前國內(nèi)微灌加氣的研究僅單單就微灌加氣這一方向進行探討，實際上，水肥氣熱是土壤的主要環(huán)境因子，它們之間必然存在交互影響，比如說，適當?shù)乃疁乜砷g接提高溶氧量，氣體的存在又可能改變灌溉水流入滲特征等。那么，今后應該嘗試綜合水肥氣熱等多方面要素來進行系統(tǒng)性研究，而如果以地下滴灌管網(wǎng)為載體，實現(xiàn)對水肥氣熱的集成輸送，那么這一集成技術在機理上該怎樣闡述表達，應用何種模型模擬整個系統(tǒng)過程，施肥、灌水、加氣、加熱這些農(nóng)田管理措施怎樣才能有效集成，最終提供作物一個最適宜的根區(qū)土壤環(huán)境，這些都可成為將來微灌加氣技術的發(fā)展方向。

而且，從研究手段上看，目前的研究也比較單調(diào)，絕大多數(shù)研究是以試驗方式進行，理論分析及模型模擬等手段應用較少，這可能是由于水氣灌施條件復雜，分析或模擬起來較為困難造成的，同時這可能也需要進行學科交叉，引入土壤學、灌溉、農(nóng)學等相關專業(yè)知識進行協(xié)同分析。最后，僅就試驗方法來看，需要特別指出的是，類似于土壤理化性質(zhì)分析，溶解氧、空氣含量等的測定方法及儀器選用等問題也需要引起重視，現(xiàn)有的溶氧量等精密測試儀器仍相對昂貴?？傊?，拓展微灌加氣技術研究方法、增添微灌加氣試驗手段等，也可作為將來一個重要的發(fā)展方向。

3 結 語

毋庸置疑，無論是在設施農(nóng)業(yè)上還是在鹽堿土改良等其他方面，微灌加氣技術確實有著一定的應用前景。通過對微灌加氣技術進行深入研究，探討水氣分布機理，集成微灌加氣系統(tǒng)裝備，對促進微灌技術尤其是地下滴灌技術的進一步發(fā)展，有著巨大作用。

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