加氣灌溉對土壤、作物生長和水肥利用的影響綜述

王森 唐蛟 王曉森

摘要：隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化和標準化的不斷發(fā)展，滴灌技術(shù)作為一種新型的節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐步取代傳統(tǒng)灌溉技術(shù)，成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水分高效利用的有效途徑。目前滴灌技術(shù)呈現(xiàn)多樣化發(fā)展并在此基礎(chǔ)上不斷進行完善與創(chuàng)新，多種節(jié)水高效的灌水技術(shù)，如納米灌氣滴灌技術(shù)、膜下滴灌技術(shù)等被廣泛推廣和應(yīng)用。而加氣滴灌是近年來出現(xiàn)的水肥氣一體化滴灌方法，通過地下加氣解決滴灌造成的根系缺氧問題，實現(xiàn)根域氣體環(huán)境的優(yōu)化，不僅促進作物生長和提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，而且還能達到節(jié)水、節(jié)能的效果?；诮?0年我國加氣滴灌技術(shù)的研究，系統(tǒng)論述加氣滴灌技術(shù)對土壤生理生化性質(zhì)和微生物活動、植物生長發(fā)育和農(nóng)作物品質(zhì)以及農(nóng)田水肥利用的影響，以期為我國農(nóng)業(yè)水資源高效利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

關(guān)鍵詞：加氣滴灌;生理生化性質(zhì);生長發(fā)育;農(nóng)田水肥利用;旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè);高效節(jié)水技術(shù);研究展望

中圖分類號： S275.4 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0024-04

加氣灌溉是近年來出現(xiàn)的新型滴灌方式，是對地下滴灌技術(shù)的完善和改進。地下滴灌是主要指在灌溉過程中，水分通過在耕作層布設(shè)滴灌毛細管利用毛細作用或重力作用擴散到整個植物根系區(qū)域的高效灌溉技術(shù)[1]。雖然地下滴灌可以通過減少蒸發(fā)損失和增大降水捕獲量來提高灌溉水利用效率，但是在灌溉過程中和灌溉后容易降低植物根際土壤空氣含量[2-3]。對于植物來說，根系需要充足的氧氣通過有氧呼吸滿足植物養(yǎng)分攝取和水分吸收，維持自身新陳代謝需要[4]。但是植物根系生長對土壤中的氣體，特別是氧氣的濃度特別敏感[5-7]，長時間進行地下滴灌會影響滴頭附近的土壤物理結(jié)構(gòu)和水力學(xué)特性，形成一個持續(xù)的濕潤鋒，使根際水分長時間接近飽和狀態(tài)，造成土壤缺氧[8-9]。土壤中氧氣不足從而影響到根系和土壤呼吸，造成根系呼吸作用受限，影響植物根系水分養(yǎng)分的吸收和向地上部分的傳輸過程，進而限制整個植株的生長，嚴重者甚至導(dǎo)致死亡[10-12]。因而，如何改變地下滴灌中根系土壤氣體環(huán)境對于植物生長具有重要意義。

21世紀初，美國在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中形成了一種新型節(jié)水節(jié)能灌溉技術(shù)——加氣灌溉（aeration underground drip irrigation，簡稱AUDI）技術(shù)[13]。它可以通過直接向植物根系輸氧的措施來實現(xiàn)根域氣體環(huán)境的優(yōu)化，作物產(chǎn)量的提高，水分利用效率的改善，土壤中固、液、氣三相比例方面的平衡[14-15]。其基本原理是依靠文丘里管注射器將空氣直接吸入水流中或通過過氧化氫溶液溶解的方法，通過地下滴灌系統(tǒng)將空氣和水流按一定比例混合后，利用重力作用和毛細作用將水滴緩慢入滲到作物根部的一種灌溉方法[15]。加氣灌溉技術(shù)是對地下滴灌系統(tǒng)的改進和發(fā)展，只須在現(xiàn)有的地下灌溉系統(tǒng)上增加文丘里管注射器等設(shè)備就可實現(xiàn)，具有節(jié)水、高效和快速的特點。隨后澳大利亞、加拿大、意大利等國對加氣灌溉技術(shù)進行了深入研究和推廣，取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[16-17]。

我國是農(nóng)業(yè)大國，只有加快發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，才能提高我國大國農(nóng)業(yè)競爭力，為經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)型升級提供堅實基礎(chǔ)和有力保障。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和產(chǎn)業(yè)化是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)競爭力的有力保障。隨著國家對農(nóng)業(yè)的逐步重視，我國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不斷引進國外先進技術(shù)，發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，特別是加氣滴灌技術(shù)的引進和應(yīng)用，一方面解決了制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的水資源短缺問題，能夠?qū)崿F(xiàn)水分高效利用，推動節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，另一方面能迅速提高土壤滲透性，使土壤微生物具有較高的活性，提高土地生產(chǎn)力。最終達到節(jié)水、增產(chǎn)、提高作物品質(zhì)的目的。國內(nèi)對于加氣滴灌的研究起步較晚，但是我國加氣滴灌技術(shù)推廣發(fā)展迅速，擁有廣闊的應(yīng)用前景。目前研究內(nèi)容主要集中在土壤水分運移動態(tài)、灌溉模式等方面[18-20]，而加氣滴灌對于土壤通氣性，作物根系生長發(fā)育以及植物生理生態(tài)特征的影響研究較少，最近幾年才引起人們的關(guān)注。

本文對近20年來國內(nèi)加氣滴灌技術(shù)的研究及其進展進行系統(tǒng)性歸納總結(jié)，主要探討加氣滴灌對于土壤理化性質(zhì)和微生物活動、作物生長發(fā)育和農(nóng)作物品質(zhì)以及農(nóng)田水肥利用等3個方面的影響，旨在為我國農(nóng)業(yè)水資源高效利用和旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 加氣滴灌對土壤理化性質(zhì)與微生物活動的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物生長所需要的大部分養(yǎng)分和水分都是通過土壤獲得的，作物的根系從土壤中吸收無機離子合成葉綠素，保證作物光合作用需要[13，21-22]。加氣滴灌技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)灌溉模式漫灌、溝灌造成的水資源浪費，同時對于土壤的理化性質(zhì)和微生物活動產(chǎn)生積極影響。

1.1 對土壤理化性質(zhì)的影響

作物的根系是植物進行養(yǎng)分和水分吸取的重要場所，加氣滴灌對植物最直接的影響就是影響根部土壤的生境因子，改變了土壤的通氣性和養(yǎng)分利用能力[23]。傳統(tǒng)灌溉模式降低了土壤的通氣性，容易造成根系缺氧，影響作物正常的呼吸作用及生長發(fā)育[24]。通過基質(zhì)通氣栽培方法研究不同通氣方式對基質(zhì)氣體的影響發(fā)現(xiàn)，進行基質(zhì)通氣能顯著改善根際CO2和O2的體積分數(shù)[25]。同時加氧灌溉不僅改善了土壤通氣性，也改變了土壤性質(zhì)。土壤通氣條件良好，有利于土壤有機質(zhì)快速分解，有利于作物的吸收利用[26]。在溫室小區(qū)種植番茄，進行加氣滴灌對土壤生境因子的影響研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)灌溉方法相比，加氣滴灌處理的平均土壤含水量降低4.0%、平均土壤O2含量增加1.5%、平均土壤溫度增加3.4%、平均土壤硝態(tài)氮含量增加3.7%、平均土壤NH4+-N含量增加10%[27]。通氣處理還能顯著提高基質(zhì)速效養(yǎng)分的質(zhì)量分數(shù)，采用基質(zhì)通氣栽培黃瓜發(fā)現(xiàn)，與未通氣處理相比，堿解氮含量提高12.95%～28.87%，速效磷含量提高12.02%～20.46%[28]。

土壤生境因子的變化會引起土壤中土壤酶活性和微生物活動的巨大改變，從而影響農(nóng)田作物的呼吸過程和光合作用[29]。土壤酶是土壤中各種生化反應(yīng)的催化劑，其活性大小是表征土壤熟化程度和肥力水平高低的重要指標[30]。土壤酶主要由土壤中微生物和植物根系分泌，植物殘體和土壤動物區(qū)系分解產(chǎn)物也可產(chǎn)生少量土壤酶[31]。土壤中大部分生化反應(yīng)都是在微生物和酶的共同作用下完成的。然而由于設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致土壤孔隙度減小，土壤緊實度增加，低氧脅迫下引起根系氧供應(yīng)不足，好氧性土壤微生物、土壤動物活動減緩，進而降低土壤酶活性，間接影響到土壤養(yǎng)分循環(huán)和作物對養(yǎng)分的利用[32]。過氧化氫酶是表征土壤生物特性的重要酶，其活性與土壤呼吸強度和土壤微生物活動密切相關(guān)[33]。脲酶也廣泛存在于土壤中，能促進尿素水解為氨和二氧化碳，是反映土壤供氮能力與水平的重要指標。同時提高土壤脲酶活性，可為植物提供更多的有效氮源，對促進土壤氮循環(huán)、提高土壤肥力、保障植株正常生長具有重要意義[34]。土壤酶是土壤質(zhì)量的生物活性指標，可以用來評價土壤肥力[35]。同時土壤酶活性是土壤生物活性的總體表現(xiàn)之一，可以反映出土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力的強弱[36]。李元分別研究了加氣滴灌對盆栽番茄和大棚甜瓜土壤酶活性與微生物數(shù)量的影響，結(jié)果表明過氧化氫酶、脲酶和脫氫酶的活性對環(huán)境特別敏感，加氣灌溉對土壤脲酶、過氧化氫酶活性均有顯著影響，能夠提高土壤脲酶、過氧化氫酶的活性[37]。

1.2 對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力，直接影響著土壤氧化、硝化、氨化、固氮等過程，促進土壤中有機質(zhì)的分解和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化[38]。長時間進行地下滴灌易造成根部缺氧，導(dǎo)致根際好氧性土壤微生物和土壤動物活動減緩，是限制作物產(chǎn)量的主要因素之一[39]。土壤肥力與微生物數(shù)量有密切關(guān)系。通常土壤微生物數(shù)量越多，微生物活性越高，土壤越肥沃。通過利用空氣壓縮機為大棚甜瓜根系供氣，研究不同加氣滴灌模式對大棚甜瓜土壤微生物數(shù)量的影響，發(fā)現(xiàn)不同加氣頻率、灌水上限、滴灌帶埋深對土壤細菌、真菌和放線菌數(shù)量均具有顯著影響，適當(dāng)提高加氣頻率能夠增加土壤細菌、真菌和放線菌的數(shù)量[39]。土壤呼吸作用是由土壤微生物異養(yǎng)呼吸和根系自養(yǎng)呼吸綜合產(chǎn)生的[40]。因此有研究人員提出未來土壤呼吸研究應(yīng)注重于土壤微生物呼吸作用和根系呼吸作用的相互作用[41]。朱艷等研究加氣灌溉對溫室條件下種植番茄土壤中主要微生物數(shù)量的影響，結(jié)果都表明，加氣灌溉下的土壤環(huán)境更適宜土壤微生物的生命活動，可以顯著提高土壤中細菌、真菌的數(shù)量[42-43]。

2 加氣滴灌對植物生長發(fā)育和農(nóng)作物品質(zhì)的影響

光合作用是指綠色植物利用光能，把二氧化碳和水合成為貯存能量的有機物，同時釋放出氧氣的過程。影響光合作用的因素包括光照、二氧化碳濃度、溫度、水分、礦質(zhì)營養(yǎng)等。任何一種或幾種因素的改變都將影響植物的光合作用過程[44]。根系是植物進行礦質(zhì)營養(yǎng)吸收的主要區(qū)域，同時其呼吸作用是根代謝活動的主要驅(qū)動力，直接控制了礦物質(zhì)的吸收效率和植物光合作用中有機質(zhì)的積累過程[28]。水肥氣熱是作物生長的主要環(huán)境要素，通過滴灌系統(tǒng)可實現(xiàn)直接向作物根區(qū)傳遞肥料、氣體和熱量，精確調(diào)控作物根區(qū)微環(huán)境，對于植物生長發(fā)育和作物品質(zhì)也產(chǎn)生正反饋作用。

2.1 加氣滴灌對植物生長發(fā)育的影響

植物根系生長與其地上部分的生長發(fā)育保持密切聯(lián)系，二者之間相互促進，相互影響。通過加氣滴灌技術(shù)對植物根際進行適量通氣增氧，能有效促進植株地上部分的生長發(fā)育[44]。韓勃研究發(fā)現(xiàn)，適量通氣不僅可以促進水稻根系生長，而且可以促進植株分蘗和生物量的積累[45]。李元等以番茄為研究對象，研究了不同土壤加氣量與加氣深度組合對番茄光合作用、葉綠素含量、干物質(zhì)積累的影響，發(fā)現(xiàn)加氣處理下葉片凈光合速率高于不加氣處理[46]。趙旭等通過研究番茄基質(zhì)通氣栽培模式的效果發(fā)現(xiàn)，加氣栽培可以顯著改善番茄根系通氣環(huán)境，提高植株的凈光合速率、根系活力和吸收能力[47]。在溫室進行藍莓栽培，加氣滴灌條件下其葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度明顯增大，葉片胞間CO2摩爾分數(shù)大幅減小[48]。實施加氣滴灌一方面可以提高葉片葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度;另一方面進行地下加氣滴灌有助于增強有氧呼吸，減弱無氧呼吸過程，提高根的呼吸效率，有利于礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和光合速率的提高[48]。同時大量研究通過對甜瓜、番茄和黃瓜等進行加氣滴灌試驗，結(jié)果表明，向植物根部通氣后其形態(tài)指標變化顯著，株高生長速率提高，單葉擴展面積增大，葉綠素含量也相應(yīng)地提高，顯著促進作物的生長發(fā)育，提高植株的生長速率[11，16，49-50]。

2.2 加氣滴灌對農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.2.1 加氣滴灌對作物產(chǎn)量的影響 作物產(chǎn)量會受到光照、溫度、水分、肥料等多種因素的影響，加氣滴灌可以通過改善根系通氣性來增強植物根系有氧呼吸過程，提高果實產(chǎn)量和品質(zhì)[39，45]。通過加氣滴灌對溫室番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響研究發(fā)現(xiàn)，向根區(qū)通氣后番茄單株果實質(zhì)量均高于相同情況下的不加氣處理[51]。此外，劉杰等以小型西瓜為研究對象進行加氣滴灌試驗，結(jié)果表明根區(qū)加氣處理對提高溫室小型西瓜單果質(zhì)量效果顯著，3種加氣頻率處理下平均單果質(zhì)量與不加氣滴灌相比，得到顯著提高[52]。在溫室條件下種植辣椒，利用加氣滴灌可明顯改善粉質(zhì)黏壤土和黏壤土的環(huán)境狀況，提高辣椒產(chǎn)量[53-54]。

2.2.2 加氣滴灌對作物品質(zhì)的影響 可溶性固形物是糖、酸、維生素、礦物質(zhì)等多種成分的混合物，反映了果實總營養(yǎng)物質(zhì)含量，決定了果實的品質(zhì)。目前加氣滴灌對植物果實品質(zhì)影響得到了初步研究，取得了一定的成果。研究人員以甜瓜為對象，研究加氣頻率和滴灌帶埋深等對甜瓜品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)加氣處理能夠增加甜瓜果肉厚度、果實橫徑、果實縱徑，提高可溶性固形物含量、維生素C和可溶性總糖含量[55]。溫改娟等通過研究加氣滴灌頻率和滴頭埋深對溫室番茄品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)與不加氣處理相比，加氣處理的維生素C含量平均增加1.47%，可溶性固形物含量平均增加1.51%[56]。各研究結(jié)果均表明，加氣滴灌可以改善植物果實的品質(zhì)，提高維生素C、可溶性固形物和可溶性糖的含量，有利于提高作物品質(zhì)，增加經(jīng)濟效益。

3 加氣滴灌對于農(nóng)業(yè)水肥利用的影響

加氣滴灌通過地下滴灌系統(tǒng)將氧氣或含氧物質(zhì)輸送到作物的根區(qū)，既改善土壤通氣性，滿足根系生長發(fā)育的需要，又協(xié)調(diào)了土壤水、肥、氣、熱條件，促進作物生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，在農(nóng)業(yè)水肥高效利用和降低土壤面源污染中發(fā)揮重要作用[57-59]。

3.1 降低水耗，實現(xiàn)肥料的精確投放

水分利用效率的研究也已成為國內(nèi)外干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究的一個熱點。采用加氣滴灌技術(shù)通過管道輸水可以減少輸水損失[60]。灌水器埋在地表以下，延緩管材老化速度，除雜、施肥、耕地等日常田間管理更為簡便。地埋配水設(shè)施還能夠減輕地表徑流，有效防止水分下移，最大限度地降低了表層土壤的含水量，減少了地表的蒸發(fā)損失。同時通過加氣處理，能夠促進植物根系的有氧呼吸作用，提高水分利用效率[61]。

進行灌溉和施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)增產(chǎn)增收的2種基本措施，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一直把增加肥料用量、保證灌溉水量作為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要手段。但是過量灌水和施肥不僅造成水肥資源的浪費，而且容易造成土壤板結(jié)和鹽堿化。加氣滴灌進行靶向傳輸可以定時定量地將植物生長所需的營養(yǎng)元素和農(nóng)藥精確而迅速地輸送到作物根區(qū)。與傳統(tǒng)灌溉方式相比，地下加氣滴灌可以將水肥一起灌施于作物根區(qū)，實現(xiàn)作物的快速吸收利用，提高肥料的利用效率[62]。

3.2 提高水肥的利用效率，降低面源污染

加氣滴灌可以安全有效地將肥料或農(nóng)藥直接輸送到作物根區(qū)附近，由于植物根區(qū)以下區(qū)域幾乎沒有深層滲漏和可溶性鹽類，因而減少了對土壤和地下水的污染。相比于傳統(tǒng)的灌溉方式，加氣滴灌對肥料和農(nóng)藥的控制更加精確，大大降低了由于施用農(nóng)藥化肥不當(dāng)造成面源污染的可能性。

4 研究展望

近年來，我國在地下加氣滴灌方面有著突飛猛進的進展，研究人員通過不斷地調(diào)試試驗設(shè)備，完善和改進試驗方法，針對不同的作物不同土壤類型開展相應(yīng)的加氣滴灌試驗研究，逐步了解和掌握了地下加氣滴灌對作物影響的機制，使我國在加氣滴灌研究和應(yīng)用處于世界領(lǐng)先水平。加氣灌溉通過向作物根區(qū)加氣，可以有效地解決根區(qū)的缺氧問題，能夠促進作物吸收土壤養(yǎng)分，增強根系活力，促進植株的生長發(fā)育。同時加氣滴灌處理下的作物生長情況、產(chǎn)量及品質(zhì)明顯優(yōu)于不加氣的常規(guī)灌溉，充分說明了地下加氣滴灌是一種高效的節(jié)水灌溉模式，適合在鹽堿地、黏壤土區(qū)域進行大面積農(nóng)業(yè)推廣和應(yīng)用。

加氣滴灌適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)，更適合在大棚和溫室中采用，因此應(yīng)在花卉種植、反季節(jié)蔬菜、藥材等精細種植方面推廣。目前在加氣滴灌試驗中，人們加入的氣體僅限于空氣和氧氣，這樣容易造成作物的營養(yǎng)吸收失衡，因此未來研究可以嘗試通入混合氣體，如H2S、N2、CO2等氣體，同時在水流中添加微量元素，為植物生長發(fā)育創(chuàng)造最佳環(huán)境。如何將灌水加氣技術(shù)與最優(yōu)的滴頭埋深和灌水頻率相結(jié)合，是加氣滴灌技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，而加氣滴灌對根部土壤環(huán)境的調(diào)控、土壤生理生化特性和作物生理指標的影響是今后農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化滴灌技術(shù)研究的一個重要方向。

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