增氧灌溉對(duì)盆栽冬小麥生長(zhǎng)及土壤通氣性的影響

徐建新，臧 明，雷宏軍，潘紅衛(wèi)，劉 歡，褚夢(mèng)圓

(華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院/水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046)

土壤空氣、水分和養(yǎng)分之間的平衡被稱為肥力三角[1]。協(xié)調(diào)土壤水氣環(huán)境以維持根系正常的新陳代謝，是灌溉追求的目標(biāo)[2-3]。實(shí)際上，肥力三角的最佳平衡很少實(shí)現(xiàn)，灌溉水入滲會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙中的空氣被水分驅(qū)替，使得土壤濕潤(rùn)區(qū)出現(xiàn)至少短期的缺氧，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致作物減產(chǎn)[4]。滴灌和地下滴灌因其較高的水分利用效率而備受推崇，但是在灌溉過(guò)程中及之后灌水器的周圍也會(huì)出現(xiàn)短時(shí)性和周期性滯水，在質(zhì)地粘重、土壤緊實(shí)的土壤中情況尤其嚴(yán)重[2]。土壤水分過(guò)多，土壤通氣孔隙度減少，通氣性下降，根系生理代謝受阻，新生根系停止分裂，根系的伸展受到抑制[5]，收益可能大幅下降[6]。

氧氣擴(kuò)散速率(Oxygen diffusion rate, ODR)是衡量土壤通氣性最有效的指標(biāo)之一，可直接反映原位土壤中氧氣的供應(yīng)狀況[7]，通常認(rèn)為ODR低于閾值(40×10-8g·cm-2·min-1)影響作物的正常生長(zhǎng)，低于20×10-8g·cm-2·min-1甚至可能導(dǎo)致作物根系死亡[8]。Lemon等首次利用鉑金電極來(lái)模擬根系對(duì)氧氣的吸收[9]。已有研究表明，ODR與土壤氧氣濃度存在良好的線性關(guān)系[10]，且土壤水分過(guò)多會(huì)造成ODR降低到閾值以下[11]，土壤向根系的供氧能力和ODR密切相關(guān)[9]。氧化還原電位(Oxidation-reduction potential，ORP，亦稱Eh)是表征土壤通氣性的另一重要參數(shù)，可反映土壤的氧化還原狀況[12]，與土壤微生物活動(dòng)有關(guān)，在調(diào)節(jié)土壤微生物環(huán)境方面起著重要作用[13]。Eh在田間條件下受很多條件的影響，存在著較高的變異性，通常情況下認(rèn)為Eh高于414 mV時(shí)土壤氧氣狀況較好，低于120 mV時(shí)為缺氧狀況[14]。ODR和Eh的改善以及由此帶來(lái)的根系吸收和運(yùn)輸功能的改善是作物增產(chǎn)增效的根本所在[15]。

將氧氣或含氧物質(zhì)通過(guò)滴灌或地下滴灌系統(tǒng)向植物根區(qū)輸送的一種新型的灌水技術(shù)被稱為增氧灌溉[2]。增氧灌溉通常分為物理增氧和化學(xué)增氧方式。物理增氧方式可分為文丘里空氣射流器單次曝氣[16]和循環(huán)曝氣兩種[17]。已有研究得出，文丘里空氣射流器曝氣灌溉能提高作物水分利用效率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量[18-19]?；瘜W(xué)增氧方式是將雙氧水(H2O2)摻入灌溉水中進(jìn)行增氧的方法[20]。Bhattarai[20]和Ben-Noah[21]等利用雙氧水進(jìn)行增氧滴灌，改善了根區(qū)缺氧環(huán)境，增強(qiáng)了光合速率，提高了作物產(chǎn)量。

目前關(guān)于增氧灌溉的研究多集中于改善土壤根區(qū)環(huán)境[22]或促進(jìn)作物生長(zhǎng)[16]方面，土壤通氣性改善與作物生長(zhǎng)之間的作用機(jī)制有待深入研究。筆者以冬小麥為供試作物，采用循環(huán)曝氣(VAI)、雙氧水(HP30和HP3K型)3種增氧灌溉處理，以普通地下滴灌作為對(duì)照(CK)，通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)土壤通氣性與作物生長(zhǎng)生理狀況，以期揭示增氧灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)與土壤通氣性改善的響應(yīng)關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水實(shí)驗(yàn)場(chǎng)(34°47′5.91″N，113°47′20.15″E)，該地屬于暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫14.3℃，年均降雨量632 mm，無(wú)霜期220 d，全年日照時(shí)間約2 400 h。試驗(yàn)期間的氣溫變化見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)地日平均氣溫Fig.1 Average daily temperature at the experimental site

1.2 試驗(yàn)材料

以河南省中牟縣黃粘土為供試土壤，土壤機(jī)械組成中砂、粉和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為34.6%、31.9%和33.5%，pH值7.1，土壤有機(jī)質(zhì)14.5 g·kg-1，土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為94.12、14.10 mg·kg-1和172.65 mg·kg-1；供試小麥品種為鄭麥136，全生育期約220 d。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以常規(guī)地下水灌溉為對(duì)照(CK)，地下滴灌為供水方式，設(shè)置3個(gè)增氧處理，分別為文丘里空氣射流器循環(huán)曝氣(VAI)、雙氧水3000型(HP3K)和雙氧水0030型(HP30)，5次重復(fù)，具體如下：

VAI：將文丘里射流器(Mazzei air injector 684，Mazzei Corp，美國(guó))置于水流的干路上，利用偏壓射流器從承壓水箱頂部吸取空氣，使用循環(huán)水泵將灌溉水往復(fù)通過(guò)文丘里射流器進(jìn)行循環(huán)曝氣。每次灌溉前曝氣20 min，然后再進(jìn)行灌溉，灌水壓力為0.1 MPa，此時(shí)摻氣比約15%，溶解氧值約為15 mg·L-1[15]。

HP3K：使用30%濃度的HP3000型農(nóng)用H2O2溶液(Evonik industries AG，德國(guó))配制15 mg·L-1的溶液進(jìn)行灌溉[21]。該雙氧水溶于水中可緩慢釋放氧氣，使灌溉開始時(shí)溶解氧濃度和VAI一致，而后溶解氧開始上升，可較長(zhǎng)時(shí)間保持高濃度水平。

HP30：使用HP0030型30%濃度的農(nóng)用H2O2(Evonik industries AG，德國(guó))配制15 mg·L-1的溶液進(jìn)行灌溉[21]，初始溶解氧濃度和VAI相同。與HP3000型農(nóng)用H2O2溶液相比，HP0030型釋放氧氣的速度較慢，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

HP3K、HP30和CK處理采用20 L容積的儲(chǔ)水桶作為儲(chǔ)水工具，在灌溉前將桶中的灌溉水稀釋成設(shè)計(jì)濃度，而后使用水泵(PLD-1206，中國(guó)石家莊市普蘭迪機(jī)電設(shè)備有限公司)進(jìn)行灌水，以精密壓力表和分流開關(guān)控制壓力。盆栽桶為圓臺(tái)形，高50 cm，上直徑40 cm，下直徑34 cm。桶壁包裹一層遮陽(yáng)布。采用隨機(jī)布置，每盆裝土初始質(zhì)量為80 kg，質(zhì)量含水量25%，干土重64 kg。裝土?xí)r以10 cm為單位分層壓實(shí)，以控制土壤容重為1.2 g·cm-3。采用地下滴灌方式進(jìn)行灌溉，每桶中心位置埋設(shè)一個(gè)滴頭(Netafim，耐特菲姆(廣州)農(nóng)業(yè)科技有限公司)，流量2.2 L·h-1，灌溉壓力為0.1 MPa，滴頭埋深15 cm。

1.4 試驗(yàn)管理

冬小麥2016年10月22日播種，次年5月19日收獲。每盆播種300粒，播種深度為2 cm，播種后出苗整齊后作間苗處理，保留200株。試驗(yàn)布置在移動(dòng)遮雨棚下進(jìn)行，降雨時(shí)用雨棚遮擋，其余時(shí)間打開雨棚。灌水上限為85%田間持水量，初次灌水灌至上限，而后采用稱重法監(jiān)測(cè)土壤含水量，當(dāng)土壤含水量下降到65%田間持水量時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)水至80%田間持水量[23]。灌溉前后稱重計(jì)算每次灌溉水量。

采用了全水溶性肥料施樂(lè)多(N-P2O5-K2O的比例為15%-15%-30%，中國(guó)康拓肥料有限公司)。播種前，基肥用量為20 g·盆-1，均勻攪拌施于表層土體的1/3處。分別于播種后110 d和151 d通過(guò)水肥耦合方式追肥2次，每次10 g·盆-1。

1.5 觀測(cè)內(nèi)容及方法

1.5.1 水源處溶解氧 采用光纖微氧傳感器測(cè)定(OXY4-mini，德國(guó)Presens公司)儲(chǔ)水桶中溶氧值，以開始處理時(shí)間為0，每隔4 h測(cè)量一次，一直持續(xù)到112 h，此時(shí)各處理的溶解氧濃度達(dá)到同一水平。

1.5.2 土壤氧化還原電位/氧氣擴(kuò)散速率 于監(jiān)測(cè)桶中水平埋設(shè)3根鉑金探頭，埋設(shè)深度為10、20 cm和30 cm，探頭位置靠近監(jiān)測(cè)桶的中心位置。使用氧化還原電位測(cè)量?jī)x(中國(guó)上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)對(duì)土壤中氧化還原電位狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)氧氣擴(kuò)散速率[10]。于冬小麥拔節(jié)期(3月7日)、抽穗期(3月27日)和灌漿期(4月20日)的完整灌水周期內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，灌水前測(cè)量一次，灌水結(jié)束后監(jiān)測(cè)一次，而后每天的10∶00和17∶00分別監(jiān)測(cè)一次，持續(xù)到第二次灌水前。

1.5.3 土壤呼吸速率 采用土壤呼吸測(cè)量系統(tǒng)(ADC LCi-SD，英國(guó)Delta-T公司)測(cè)量土壤呼吸。由于生育期盆栽土壤表面生長(zhǎng)有小麥秸稈，測(cè)量土壤呼吸所需的土壤呼吸室底座無(wú)法埋設(shè)于土壤中，于收獲(籽粒和秸稈均收獲)當(dāng)天(5月19日)和第二天進(jìn)行了土壤呼吸速率的測(cè)量，5月19日上午9∶00 之前完成收獲后立即開始監(jiān)測(cè)，每3 h監(jiān)測(cè)一次，持續(xù)到下午18∶00；5月20日測(cè)量時(shí)間相同。為保證測(cè)量時(shí)根系的活性，并且使土壤呼吸速率對(duì)增氧處理的響應(yīng)更顯著，于收獲前一天(5月18日)進(jìn)行了灌溉處理。

1.5.4 根系 采用根鉆鉆取根系樣品，根鉆內(nèi)徑3.9 cm，長(zhǎng)度10 cm，每次取土體積119.46 cm3。將表層30 cm土壤等深度分為3層，每層重復(fù)采樣3次。取樣后洗根，吸干根系表層附著水后，使用根系分析儀(WinRHIZO，加拿大Regent公司)統(tǒng)計(jì)根系根體積、根長(zhǎng)、根尖數(shù)、分叉數(shù)等。

1.5.5 凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度 使用光合測(cè)定儀(Li-6400XT，美國(guó)Li-COR公司)，于拔節(jié)期(3月1日)、抽穗期(3月27日)和灌漿期(4月26日)測(cè)定凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度。測(cè)定時(shí)間選擇晴朗天氣上午的11∶00開始，每桶選3株測(cè)算平均值。

1.5.6 產(chǎn)量及生物量 在生育末期，以桶為單位收獲小麥地上部，脫粒后單獨(dú)計(jì)產(chǎn)，用0.01 g精度天平稱量，統(tǒng)計(jì)其千粒重，水分利用效率為作物產(chǎn)量與灌水量的比值；收獲后的秸稈于105℃殺青30 min后，于70℃烘箱中放置72 h，稱量其干質(zhì)量。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。采用SigmaPlot軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Fisher LSD方法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同增氧處理下灌溉水中溶解氧動(dòng)態(tài)

生物試驗(yàn)開始前，研究了增氧處理灌溉水中溶解氧保持特性。以VAI處理曝氣結(jié)束和HP3K、HP30處理雙氧水溶液配置完成的時(shí)間為0 h，第一天每隔2 h測(cè)量一次水中溶解氧，而后每隔4 h測(cè)量一次，一直持續(xù)到112 h，結(jié)果見(jiàn)圖2。結(jié)果顯示，三種增氧處理水中溶解氧較對(duì)照均有顯著提高。VAI、HP3K和HP30處理在增氧結(jié)束后達(dá)到最高值(15.94、16.12 mg·L-1和15.95 mg·L-1)，較CK(5.21 mg·L-1)分別增大了205.68%、209.13%和205.91%；增氧處理的溶氧值隨著時(shí)間推延開始緩慢下降，VAI、HP3K和HP30處理后溶解氧0～24 h均值為12.30、14.65 mg·L-1和14.35 mg·L-1，較CK(6.38 mg·L-1)仍平均增大了93.25%、130.30%和125.43%。68 h時(shí)VAI溶解氧下降到了8.48 mg·L-1，較CK(8.47 mg·L-1)無(wú)差異，此時(shí)HP3K處理和HP30處理分別為11.18 mg·L-1和11.55 mg·L-1。

圖2 不同處理水源處溶解氧濃度Fig.2 Dissolved oxygen concentration (DO) dynamics in water tank of different treatments

VAI處理溶解氧水平下降較快，HP3K和HP30處理保持特性較好，HP3K處理在88 h下降與CK處理相同，HP30處理在112 h下降至CK同一水平。

2.2 增氧灌溉對(duì)土壤通氣性的影響

2.2.1 土壤呼吸速率 增氧灌溉對(duì)土壤呼吸速率的影響見(jiàn)圖3。圖3顯示，灌溉后第一天(5月19日)VAI處理于16∶00達(dá)到最大值，較CK增大了80.24%；灌溉后第二天(5月20日)9∶00達(dá)到最大值，而后降低，其中VAI處理對(duì)土壤呼吸的增強(qiáng)效果仍較顯著，于中午12∶00差異最大，較CK處理增大了28.62%。HP3K和HP30處理較CK均無(wú)顯著差異。增氧灌溉對(duì)土壤呼吸具有顯著的增強(qiáng)作用，這種效果在灌溉后第一天表現(xiàn)更強(qiáng)烈。

2.2.2 土壤氧氣擴(kuò)散速率 冬小麥不同生育期的土壤氧氣擴(kuò)散速率見(jiàn)圖4。灌溉開始后各處理土壤養(yǎng)氣擴(kuò)散速率(ODR)值開始下降，10 cm和20 cm深度處各處理于灌水結(jié)束后4.6 h達(dá)到最小值，而30 cm深度處VAI處理在4.6 h處達(dá)到最小值后開始回升，其他處理在22 h下降至最小值。20 cm深度各處理ODR值變化最顯著，拔節(jié)期(圖4b)、抽穗期(圖4e)和灌漿期(圖4h)各處理的最低值分別為20.79～23.78×10-8、13.3～21.6×10-8g·cm-2·min-1和7.2～19.1×10-8g·cm-2·min-1，從抽穗期開始，根系缺氧狀況加劇，各處理最低值降至20×10-8g·cm-2·min-1以下，灌漿期甚至降至10×10-8g·cm-2·min-1以下，嚴(yán)重影響了作物正常生長(zhǎng)。

各增氧處理的ODR值于灌水結(jié)束后回升，并在48 h內(nèi)持續(xù)處于較高水平。在效果最為明顯的20 cm深度處，VAI處理在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期的灌后48 h平均ODR值較CK增大了60.45%、73.77%和87.88%(P<0.05)，HP30處理在拔節(jié)期和抽穗期分別增大了21.37%和23.61%(P<0.05)；10 cm

圖3 土壤呼吸速率動(dòng)態(tài)Fig.3 Daily soil respiration dynamics in different treatments

深度也有一定的改善效果，VAI和HP30處理的灌后48 h內(nèi)平均ODR值在拔節(jié)期(圖4a)、抽穗期(圖4d)、灌漿期(圖4g)增大了47.49%和26.18%、62.85%和39.54%、79.28%和44.60%(P<0.05)，而在30 cm深度，VAI處理的灌后48 h內(nèi)平均ODR值在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期較CK增大了60.45%、65.54%和53.41%(P<0.05)。48 h內(nèi)，10 cm和20 cm深度VAI和HP30處理較CK增長(zhǎng)比較明顯，30 cm深度VAI處理增長(zhǎng)明顯。

冬小麥不同生育期的ODR表現(xiàn)有所差異。拔節(jié)期各處理均高于20×10-8g·cm-2·min-1，其中VAI和HP30處理在灌后22～45 h的ODR值均高于40×10-8g·cm-2·min-1，在69 h才回落至灌水前水平；抽穗期的缺氧狀況加劇，各處理最低值降至20×10-8g·cm-2·min-1以下，VAI處理在灌水后48 h的ODR值均保持在40×10-8g·cm-2·min-1以上，HP30處理在24 h后ODR值回升至40×10-8g·cm-2·min-1以上；灌漿期各處理的最低值降至10×10-8g·cm-2·min-1，為三個(gè)時(shí)期最低，此時(shí)作物需氧量較大，對(duì)土壤氧氣環(huán)境要求高，VAI和HP30處理灌后24～48 h各個(gè)深度的ODR值均達(dá)到40×10-8g·cm-2·min-1以上；VAI和HP30處理可顯著改善作物根區(qū)的缺氧環(huán)境。

2.2.3 土壤氧化還原電位 圖5給出了冬小麥不同生育期的土壤氧化還原電位(Eh)動(dòng)態(tài)變化。拔節(jié)期(圖5a～5c)各處理在不同深度的變化趨勢(shì)基本一致，在灌水后均下降至最低值后開始回升，VAI、HP3K、HP30和CK處理3個(gè)深度的最低值基本一致，VAI和HP30處理在灌后22 h回升至最大值，較CK有所增強(qiáng)，VAI處理在10、20 cm和30 cm深度處分別增大了6.73%、7.3%和5.92%，HP30處理在10、20 cm和30 cm深度處分別增大了13.23%、12.97%和9.42%；而后各處理回落至灌前水平。

抽穗期(圖5d～5f)VAI和HP30處理灌后48 h平均值較CK有顯著增加，VAI處理10、20 cm和30 cm深度處平均增大了6.73%、9.01%和8.05%(P<0.05)，HP30處理增大了13.12%、15.80%和8.61%(P<0.05)。灌漿期Eh(圖5g～5i)最大值均晚于前兩個(gè)時(shí)期，其中VAI處理10 cm(圖6g)和20 cm深度(圖5h)的Eh最大值出現(xiàn)在69 h，其余各處理均出現(xiàn)在45 h。10 cm處VAI和HP30的72 h平均值較CK增大了4.01%和10.54%(P<0.05)；20 cm處增大了13.36%和18.20%(P<0.05)；30 cm處增大了10.21%和7.96%(P<0.05)。

圖4 不同處理下土壤氧氣擴(kuò)散速率動(dòng)態(tài)Fig.4 Soil oxygen diffusion rate (ODR) dynamics in different treatments

總的來(lái)說(shuō)，增氧灌溉對(duì)Eh有一定的增強(qiáng)作用，如拔節(jié)期和抽穗期各處理均于灌水后第一天達(dá)到最大值，而灌漿期作物生長(zhǎng)較為旺盛，根系需氧量增大，各處理的Eh最大值出現(xiàn)時(shí)間發(fā)生后移。

圖5 不同處理下土壤氧化還原電位動(dòng)態(tài)Fig.5 Soil oxidation-reduction potential (Eh) dynamics in different treatments

土層/cmSoil depth處理Treatment根系總表面積/cm2Root surface area平均直徑/mmAverage diameter根長(zhǎng)密度/(cm·m-3)Root length density根系總體積/cm3Root volume根尖數(shù)No. of tips0～10VAI230.51±26.30a0.38±0.03a5.31±0.50a1.87±0.44ab5241.60±1301.60aHP3K184.17±13.36bc0.41±0.04a4.03±0.65b1.76±0.40ab5913.60±1895.92aHP30207.27±21.97ac0.39±0.06a4.92±0.68a1.81±0.61a5935.20±1397.32aCK169.45±20.70b0.38±0.03a3.87±0.29b1.57±0.58b3374.40±300.80a10～20VAI34.03±6.34a0.24±0.02a1.13±0.17a0.19±0.05ab2557.80±569.01aHP3K28.99±13.63ab0.27±0.04a1.09±0.24a0.19±0.11a1632.20±365.84bcHP3024.63±7.62b0.24±0.04a1.20±0.21a0.14±0.04b1871.00±587.92cCK26.92±2.65ab0.23±0.02a1.12±0.16a0.18±0.05ab1590.20±303.42b20～30VAI27.30±5.58b0.24±0.02a0.64±0.06a0.16±0.03a1544.80±522.16aHP3K19.19±4.84b0.26±0.03a0.61±0.08ab0.12±0.02a971.60±173.19aHP3030.16±5.66a0.25±0.03a0.55±0.04ab0.13±0.03a1220.40±599.94aCK18.64±3.71b0.24±0.04a0.51±0.08b0.12±0.02a907.00±96.75a

注：同一列相同土層不同字母表示在P<0.05水平下存在顯著性差異。

Note: The different letters in the same column and depth indicate significant differences atP<0.05.

2.3 增氧灌溉對(duì)冬小麥根系的影響

受不同處理通氣性改善效果差異的影響，不同深度的冬小麥根系狀況有了較大的變化(表1)，VAI和HP30處理通氣性改善效果顯著，根系生長(zhǎng)得到增強(qiáng)。0～10 cm土層處根系生長(zhǎng)最為旺盛，VAI處理根系總表面積和根長(zhǎng)密度較CK分別增加了44.18%和37.21%(P<0.05)；HP30處理根長(zhǎng)密度和根系總體積也有顯著改善，較CK分別提高了21.13%和32.69%(P<0.05)；HP3K和CK無(wú)顯著差異(P>0.05)。而在10～20 cm土層，增氧處理根系的改善效果最為明顯，VAI的總表面積和根尖數(shù)較CK分別增大了51.74%和84.86%(P<0.05)；HP30的根尖數(shù)較CK增大了84.12%(P<0.05)；HP3K和CK處理仍無(wú)顯著差異。20～30 cm土層VAI的總表面積、根長(zhǎng)密度和根尖數(shù)較CK提高了38.31%、25.49%和69.02%(P<0.05)；HP30、 HP3K和CK無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.4 增氧灌溉對(duì)冬小麥生理指標(biāo)的影響

拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期的葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2～4。

表2 不同生育期小麥光合速率/(μmol·m-2·s-1)

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平下存在顯著性差異。下同。

Note: The different letters in the same column indicates significant differences at the level ofP<0.05. The same below.

表3 不同生育期小麥氣孔導(dǎo)度/(μmol·m-2·s-1)

表4 不同生育期小麥蒸騰速率/(mmol·m-2·s-1)

增氧處理的光合速率有了顯著改善，灌漿期VAI、HP3K和HP30處理的光合速率較CK處理均有所提高，分別增大了43.41%、26.37%和20.37%(P<0.05)。增氧灌溉處理冬小麥氣孔導(dǎo)度有了顯著增強(qiáng)，蒸騰速率提高。抽穗期VAI處理的氣孔導(dǎo)度較CK處理增大了38.78%，蒸騰速率增大了21.55%；灌漿期VAI和HP30處理的氣孔導(dǎo)度較CK處理增大了23.53%和17.65%(P<0.05)，蒸騰速率增大了11.61%和15.83%(P<0.05)；HP3K的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率較CK均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.5 增氧灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和生物量的影響

冬小麥的產(chǎn)量、水分利用效率和秸稈生物量列于表5。與對(duì)照相比，VAI和HP30處理的產(chǎn)量增大了36.27%和23.37%，HP3K沒(méi)有顯著差異。VAI、HP3K、HP30和CK處理的水分利用效率分別為2.46、2.20、2.15 kg·m-3和1.77 kg·m-3，VAI處理較CK增大了38.98%，HP3K和HP30處理卻沒(méi)有顯著差異。VAI和HP30的秸稈生物量較CK增大了23.57%和9.23%。

表5 不同處理小麥產(chǎn)量、水分利用效率和秸稈生物量

3 討 論

3.1 增氧灌溉對(duì)冬小麥根際土壤通氣性的改善效應(yīng)

作為表征土壤透氣性和土壤中氧含量的綜合指標(biāo)，土壤通氣性反映了土壤氣體的組成及其對(duì)植物的作用、土壤氣體的吸附、產(chǎn)生、交換等各個(gè)方面[24]。土壤通氣性與土壤質(zhì)地和土壤容重關(guān)系密切，砂質(zhì)土壤的通氣性要好于粘質(zhì)土壤，相同質(zhì)地條件下，隨著土壤容重的增大土壤通氣性變差[25]。

增氧灌溉水氣兩相流中微氣泡易附著土壤孔隙中，可持續(xù)向水中供氧，以維持土壤中良好的氧氣環(huán)境[17]，可維持24 h以上[26]。文丘里空氣射流器循環(huán)曝氣將微小氣泡和水混合起來(lái)輸送到作物根區(qū)，雙氧水灌溉于根際土壤中緩慢釋放氧氣[27]，可改善根區(qū)土壤缺氧環(huán)境。本試驗(yàn)中，VAI和HP30處理的ODR值較CK均有顯著提高，改善效果最少持續(xù)了48 h，且VAI處理于10、20、30 cm深度的改善效果均很顯著，HP30處理在10 cm和20 cm處的改善效果顯著；HP30處理對(duì)Eh的改善效果更好，這可能是由于雙氧水本身的強(qiáng)氧化性造成的。

土壤呼吸是表征土壤通氣性的一個(gè)重要指標(biāo)，它是土壤與大氣之間進(jìn)行氣體交換的主要途徑，主要來(lái)自作物根系的自養(yǎng)呼吸作用和土壤微生物的異養(yǎng)呼吸作用，土壤溫度、水分及土壤通氣狀況均對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生重要影響[28]。根系呼吸是植物活性最為敏感的方面，與土壤通氣狀況緊密相關(guān)。土壤通氣不足，首先表現(xiàn)為根系呼吸強(qiáng)度下降，進(jìn)而影響土壤呼吸[29]。已有研究表明增氧灌溉可顯著改善作物根區(qū)的缺氧狀況，根區(qū)土壤氧氣濃度得到了提高，且淺層土壤氧氣濃度要大于深層土壤[30]。這與本試驗(yàn)結(jié)論一致。增氧灌溉將含氧物質(zhì)輸送到作物根區(qū)，改善了土壤中的ODR和Eh，增強(qiáng)了根系的自養(yǎng)呼吸作用[20]，還增強(qiáng)了好氧微生物的增長(zhǎng)以及土壤酶活性[31]，進(jìn)而改善了土壤呼吸，當(dāng)溫度和水分相近時(shí)，灌溉后VAI處理的土壤呼吸速率要大于CK處理。有研究得出，使用雙氧水進(jìn)行增氧灌溉會(huì)對(duì)土壤中的微生物量造成負(fù)面影響[32]， HP30將農(nóng)用雙氧水輸送到作物根區(qū)，改善了土壤的通氣狀況，可增強(qiáng)作物根系的自養(yǎng)呼吸，同時(shí)降低了土壤中的微生物量，影響了微生物的異養(yǎng)呼吸作用，導(dǎo)致其土壤呼吸速率和CK沒(méi)有顯著差異。

3.2 冬小麥根系生長(zhǎng)對(duì)土壤通氣性改善的響應(yīng)

植株根系的生長(zhǎng)對(duì)缺氧的脅迫較為敏感，氧氣缺乏會(huì)抑制根系的生長(zhǎng)[33]。增氧灌溉將氧氣或含氧物質(zhì)輸送到根區(qū)，滿足根系生長(zhǎng)的需求，可促進(jìn)植株的生長(zhǎng)發(fā)育，有效提高植株的生物量積累及產(chǎn)量[16]。在0～10 cm土層，VAI處理總表面積和根長(zhǎng)密度較CK處理有顯著提升；HP30處理根長(zhǎng)密度和根系總體積也有顯著改善；而在10～20 cm土層，增氧處理ODR值改善效果最為顯著，根系受益于這種改善，VAI的總表面積和根尖數(shù)較CK處理增長(zhǎng)顯著，HP30的根尖數(shù)較CK處理顯著增多；20～30 cm土層VAI處理的根長(zhǎng)密度和根尖數(shù)較CK顯著提高。有研究得出，作物根系經(jīng)常處于缺氧的不利生長(zhǎng)環(huán)境中，在灌溉過(guò)程中尤為明顯[18]，增氧灌溉改善了根區(qū)氧氣環(huán)境，促進(jìn)了根系的干物質(zhì)積累，在番茄研究中證明了這一點(diǎn)，增氧灌溉促進(jìn)了植株根系的生長(zhǎng)[29]。本試驗(yàn)中，VAI處理在10、20 cm和30 cm深度對(duì)根系的改善比較顯著，而HP30處理在10 cm和20 cm土層處比較顯著，這與ODR表現(xiàn)相似，VAI和HP30處理對(duì)10 cm和20 cm處土壤ODR的改善較為明顯，而30 cm處VAI處理改善顯著。有研究得出，雙氧水增氧灌溉對(duì)作物根系的改善區(qū)域集中于滴頭附近[18]，HP30處理對(duì)根系的改善集中于滴頭(15 cm深度)處，而VAI處理的改善區(qū)域比較廣泛。

增氧灌溉改善了土壤通氣性，進(jìn)而促進(jìn)根系的生長(zhǎng)，根系的生長(zhǎng)和ODR值呈顯著的線性關(guān)系[10]。這與本試驗(yàn)結(jié)論一致，在效果最為明顯的20 cm深度處，各時(shí)期VAI處理灌后48 h平均ODR值較CK平均增大了74%，根系總表面積受益于這種改善，增大了51.74%；而在10 cm深度，各時(shí)期VAI處理灌后48 h平均ODR值較CK增大了63.2%，根系總表面積增大了44.18%；30 cm深度這兩個(gè)數(shù)據(jù)分別為59.8%和38.31%?？梢钥闯鲈鲅豕喔葘?duì)ODR的改善效果對(duì)根系的生長(zhǎng)有直接影響，改善效果的強(qiáng)弱和根系表面積有一定的正相關(guān)關(guān)系，這證明了增氧灌溉對(duì)土壤通氣性的改善可促進(jìn)根系生長(zhǎng)。

3.3 冬小麥生理活動(dòng)和產(chǎn)量對(duì)土壤通氣性改善的響應(yīng)

增氧灌溉可改善作物根區(qū)的缺氧環(huán)境，促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)，提高了作物的葉綠素含量[17]和光合作用效率[14]。本試驗(yàn)中，光合作用有較大的改善，葉片蒸騰作用也受益于土壤通氣性的改善，VAI和HP30處理的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度有所提高，這同上文土壤通氣性的測(cè)量結(jié)果一致。Sojka[34]的研究得出，根區(qū)的低氧環(huán)境會(huì)導(dǎo)致光合速率的降低，增氧灌溉改善了低氧環(huán)境，光合速率得到增強(qiáng)。水分過(guò)多時(shí)，根區(qū)的低氧環(huán)境會(huì)導(dǎo)致根系吸收水分效率的降低[35]，影響植株的生長(zhǎng)，降低了葉片的蒸騰速率。ODR值與植物的生理反應(yīng)、營(yíng)養(yǎng)特性和植物生長(zhǎng)密切相關(guān)[10]，冬小麥生長(zhǎng)旺盛時(shí)期根系的需氧特征使灌溉造成的缺氧環(huán)境愈發(fā)嚴(yán)重，ODR值也有一定的差異，拔節(jié)期灌水后ODR最低值仍位于20×10-8g·cm-2·min-1以上，抽穗期已降至20×10-8g·cm-2·min-1以下，灌漿期甚至低于10×10-8g·cm-2·min-1，增氧灌溉將含氧物質(zhì)輸送到作物根區(qū)，可有效緩解灌溉造成的缺氧狀況，在缺氧情況嚴(yán)重的生長(zhǎng)旺盛期效果更加顯著，灌漿期VAI處理的光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均有顯著提高，土壤通氣性狀態(tài)對(duì)作物生理反應(yīng)有重要的影響。高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求的主要目標(biāo)，根區(qū)低氧脅迫會(huì)使根向冠層傳遞缺氧信號(hào)，影響水、植物生長(zhǎng)素等生長(zhǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，導(dǎo)致作物減產(chǎn)[36]。從產(chǎn)量可以看出，相對(duì)于CK處理來(lái)說(shuō)，VAI和HP30的產(chǎn)量均有提高，HP3K卻沒(méi)有顯著差異，VAI為最高產(chǎn)量。這與Lei等[26]所研究的在玉米產(chǎn)量受到增氧灌溉的增產(chǎn)效果相一致，辣椒的產(chǎn)量也能從雙氧水地下滴灌中受益[19]。VAI處理的水分利用效率較CK有所提高，而其他處理卻沒(méi)有顯著差異。植株的生物產(chǎn)量和整個(gè)生育期的總蒸發(fā)量成正比[13]，由上文可知，VAI處理的蒸騰速率較CK顯著提高，這與產(chǎn)量數(shù)據(jù)表現(xiàn)一致。

總的來(lái)說(shuō)，與土壤呼吸和Eh相比，ODR值與作物生長(zhǎng)的相關(guān)關(guān)系更為緊密。本試驗(yàn)中，各處理的ODR值與根系指標(biāo)、光合指標(biāo)、蒸騰速率和產(chǎn)量的變化趨勢(shì)相同，ODR的改善對(duì)作物的生長(zhǎng)有一定的影響。有研究指出，土壤通氣性的改善和溫室番茄產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系[37]，這與本試驗(yàn)結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

該文以冬小麥為供試作物，研究了不同增氧方式下土壤通氣性與冬小麥生長(zhǎng)的響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明，增氧灌溉可顯著改善植株根區(qū)的缺氧環(huán)境，對(duì)植株的生長(zhǎng)發(fā)育有顯著的促進(jìn)作用。

1)增氧灌溉可顯著改善土壤通氣性。灌溉后VAI處理土壤呼吸有顯著增強(qiáng)。VAI處理和HP30處理的氧氣擴(kuò)散速率也有顯著增強(qiáng)，且能長(zhǎng)時(shí)間保持在閾值以上，不影響作物的正常生長(zhǎng)。

2)增氧灌溉促進(jìn)了作物的根系生長(zhǎng)。VAI和HP30處理的根系總表面積、根長(zhǎng)密度、根系總體積和根尖數(shù)較CK有顯著提升。

3)增氧灌溉提高了作物的生理指標(biāo)。VAI、HP3K和HP30增氧處理的光合作用、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均有顯著提高。

4)增氧灌溉提高了作物的產(chǎn)量。相對(duì)于對(duì)照，VAI處理和HP30處理的產(chǎn)量有顯著提高，VAI處理的水分利用效率也有顯著提高。