覆膜與補(bǔ)充灌溉對根際土壤微生物量和土壤酶活性的影響研究*

張正安，李曉曉

（大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，天津 300000）

1 灌溉技術(shù)概述

1.1 膜下滴灌技術(shù)

膜下滴灌是國內(nèi)覆膜種植技術(shù)與以色列滴灌節(jié)水技術(shù)相融合的一種新型灌溉模式，具有覆膜種植技術(shù)的保墑增溫作用，同樣具備滴灌可減少株間蒸發(fā)、防止土壤水分深層滲漏、節(jié)水增產(chǎn)的特點(diǎn)。較常規(guī)灌溉節(jié)水達(dá)50%，省肥20%，增產(chǎn)10%以上［1］。

滴灌系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)始于1913年，由美國克羅拉多州立大學(xué)的House成功研發(fā)并嘗試應(yīng)用。直到1960年，以色列Blass將滴灌技術(shù)應(yīng)用于戶外作物，使滴灌技術(shù)在全世界得到推廣和使用。隨后，該技術(shù)迅速引入南非、北美及澳大利亞等地區(qū)，并廣泛應(yīng)用于草莓、甘蔗及棉花等大田作物的灌溉。我國滴灌技術(shù)于1974年從墨西哥引入，據(jù)1996年統(tǒng)計(jì)，我國滴灌推廣種植面積已達(dá)7.3萬hm2［2］，2010年，我國滴灌技術(shù)步入穩(wěn)定普及階段，滴灌面積為120萬hm2［3］，基本可以滿足溫室大棚，果樹，棉花，小麥及沙漠綠化等需要。近年來，我國甘肅、寧夏、內(nèi)蒙、新疆等西北地區(qū)建立膜下滴灌試驗(yàn)示范區(qū)，多種作物諸如馬鈴薯、甜瓜、小麥、玉米等開始使用膜下滴灌技術(shù)并取得成功，截止2017年，國內(nèi)膜下滴灌推廣面積達(dá)466.9萬hm2［4］，成為全球膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用面積最大的國家。

1.2 壟膜溝灌技術(shù)

起壟覆膜溝灌技術(shù)指通過人工或機(jī)械改變農(nóng)田地型，修整成壟臺、壟溝后，覆膜在壟或全部覆膜的一種集成灌溉節(jié)水技術(shù)，具有改善土壤水、氣、熱、光小氣候環(huán)境，從而促進(jìn)作物生長的作用。2008～2009年，該技術(shù)由甘肅省農(nóng)牧廳在實(shí)施“全省灌區(qū)農(nóng)田節(jié)水技術(shù)示范推廣”項(xiàng)目中將覆膜方式與溝灌技術(shù)結(jié)合改進(jìn)形成新的節(jié)水灌溉技術(shù)，且在甘肅范圍內(nèi)得到大面積的推廣。據(jù)相關(guān)報(bào)道顯示，2010年甘肅壟膜溝灌種植面積達(dá)13.03萬hm2，2011年增至21.22萬hm2，到2012年該技術(shù)推廣縣（區(qū)）達(dá)42個(gè)，播種面積為37.49萬hm2，三年累計(jì)節(jié)水13.88億m3，農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收入12.06億元，壟膜溝灌技術(shù)節(jié)水增產(chǎn)效益顯著［5］。此外，壟膜溝灌技術(shù)下灌溉水的入滲特性、不同作物生長情況亦為研究熱點(diǎn)。

1.3 覆膜畦灌技術(shù)

畦灌是我國北方傳統(tǒng)的灌水方式，具有設(shè)備簡單、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于花生、小麥等密植作物。畦田灌溉主要依靠灌溉水的重力及農(nóng)田土壤吸附作用達(dá)到浸濕耕地的目的，但該技術(shù)需水量較大，易造成灌溉水深層滲漏，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。針對畦灌耗水量較大，浪費(fèi)水資源嚴(yán)重等實(shí)際問題，闞常慶［6］等從畦灌流動模擬、水平畦灌技術(shù)、技術(shù)要素3個(gè)方面研究分析，指出畦灌技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)是優(yōu)化畦灌流動模擬、改進(jìn)畦灌入滲機(jī)理及建立完整的畦灌技術(shù)評價(jià)體系。特別的，為探求田間夏玉米最優(yōu)畦灌液施方式，有學(xué)者選擇不同的畦寬、改水成數(shù)、施肥時(shí)期進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為不同畦灌處理對水氮均勻度影響顯著，但對土壤水氮存儲效率無顯著影響；畦寬為1.5 m、灌水達(dá)1/2畦長、改水成數(shù)為95%的畦田灌水施肥模式可顯著提高夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率［7］。近年來，隨著覆膜技術(shù)的發(fā)展，覆膜與畦灌技術(shù)相結(jié)合的灌溉方式逐漸成為畦灌技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

2 植物根際系統(tǒng)概念及研究進(jìn)展

根際（Rhizosphere），是指受植物根系活動影響，在物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)上不同于原土體的那部分特殊土壤微區(qū)域［8］，由于植物種類、生長階段，根系年齡、生存環(huán)境和土壤性質(zhì)的差異，根際范圍并沒有一個(gè)固定的界面（但通常是指土壤中距離植物根表面數(shù)毫米（黏質(zhì)土壤）或1~2 cm內(nèi)（沙質(zhì)土壤）理化性質(zhì)與生物學(xué)性質(zhì)均不同于原土體的微型區(qū)域）［9］，反之根際變化是一個(gè)雙向復(fù)雜的動態(tài)變化過程。

植物根際系統(tǒng)是植物—植物根際土壤環(huán)境—土壤微生物互相作用的核心微區(qū)，是土壤生態(tài)環(huán)境和植物體自身進(jìn)行各種物理、生化反應(yīng)，能量流動的微域，是各種養(yǎng)分、水分、微生物、有益、有害物質(zhì)進(jìn)入植物根系參與物質(zhì)循環(huán)的門戶，決定著土壤養(yǎng)分在植物根系表面累積的多少［10］。環(huán)境脅迫下的根際動態(tài)是植物對環(huán)境刺激內(nèi)應(yīng)的集中表現(xiàn)，植物根系分泌物是對根際動態(tài)的主要響應(yīng)，能夠積極參與并很大程度改變根際的生化反應(yīng)過程，不僅可以改善土壤質(zhì)量、促進(jìn)土壤健康，構(gòu)建植物與土壤微生物間的信號傳導(dǎo)，同時(shí)植物釋放根系分泌物來抵御各種非生物因素的干擾與生物脅迫。因此，對于根際和根際微生物的研究歷年來備受國際各方專家重視。目前，對根際動態(tài)的研究已經(jīng)涉及到土壤學(xué)、植物學(xué)、植物生理學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)，生物化學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容，是國際具有重要意義的熱門研究領(lǐng)域。

“Rhizosphere-2004”根際研究國際學(xué)術(shù)研討會指出，經(jīng)過近100年的研究，在根際生態(tài)調(diào)控、根際管理、根際對話、根分泌物作用機(jī)制、根系分子生物學(xué)、微生物與病原菌的相互作用、根際研究方法等方面都取得了重要進(jìn)展。植物根際環(huán)境作為植物與土壤相互作用的微區(qū)域，將是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域重要研究對象。

3 覆膜與補(bǔ)充灌溉對根際土壤微生物量和土壤酶活性的影響

3.1 覆膜與補(bǔ)充灌溉對根際土壤微生物量的影響

土壤微生物量（MB）作為土壤有機(jī)質(zhì)的活性組分，參與土壤有機(jī)質(zhì)的合成和分解，是土壤自然肥力的重要指標(biāo)之一。MBC是土壤有機(jī)碳庫的一部分，占比僅為有機(jī)質(zhì)的1%～4%［11］，但是在土壤養(yǎng)分提供與轉(zhuǎn)化、質(zhì)量監(jiān)測、能量儲存中起主導(dǎo)作用，與土壤中的N，C，S，P等成分密切相關(guān)。研究表明，MBN是土壤有效氮的主要來源，其含量的大小決定土壤氮素肥力的高低［12］。灌溉通過改變農(nóng)田土壤水分狀況，進(jìn)而影響土壤微生物生長。已有研究表明不同灌溉方式對微生物功能多樣性、微生物數(shù)量均有不同的影響［13］，并指出相比溝灌和滲灌，膜下滴灌技術(shù)可使土壤微生物活性處于更高水平。

3.2 覆膜與補(bǔ)充灌溉對根際土壤酶活性的影響

土壤酶（Soil enzyme）來源于土壤微生物、植物根系及動植物殘?bào)w腐蝕等，是土壤能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)的催化劑，直接參與動植物殘?bào)w的分解及其轉(zhuǎn)化、土壤腐殖質(zhì)的分解等生化反應(yīng)過程。為進(jìn)一步研究土壤酶的生態(tài)效應(yīng)，國際酶學(xué)委員會（International Enzyme Committee）于1961年將已知的酶分為水解酶、氧化還原酶、裂合酶、轉(zhuǎn)移酶、異構(gòu)酶及連接酶等6類，目前關(guān)于土壤酶的研究主要集中在氧化還原酶（A）和水解酶（B）兩大類，常見的過氧化氫酶、脫氫酶、過氧化氫物屬于A類，此類酶在催化反應(yīng)過程中伴有能量的吸收和釋放；B類酶包括與土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮、磷的養(yǎng)分循環(huán)密切相關(guān)的脲酶、磷酸酶及蛋白酶等。研究發(fā)現(xiàn)脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶、蔗糖酶與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀、速效磷的相關(guān)性達(dá)到顯著水平，說明土壤酶活性可以評價(jià)土壤肥力以及作物生長環(huán)境，用土壤酶活性來表征土壤健康狀況是可行的。

眾所周知，灌溉可以直接改變土壤水分狀況。土壤酶活性對土壤水分響應(yīng)敏感，適宜的土壤水分條件能提高土壤酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶及脲酶活性。陳寧等［14］設(shè)置不同灌溉處理，進(jìn)行膜下滴灌和常規(guī)畦灌對比研究，在不同生育期，膜下滴灌可以不同程度提高土壤酶活性。賀偉等［15］認(rèn)為滴灌處理下土壤酶活性均顯著高于傳統(tǒng)灌溉和不灌溉。此外，亦有學(xué)者認(rèn)為土壤酶中除過氧化氫酶及淀粉酶不受水分變化外，其他酶活性均可隨著土壤水分增加而升高；一般土壤表層（0～5 cm）土壤酶活性較高，隨著土壤深度的增加酶活性逐漸減少。土地利用及管理模式不同，也可使土壤酶活性存在差異。目前對土壤酶活性的研究主要涉及土壤耕作、施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)管理領(lǐng)域，而不同補(bǔ)充灌水方式對土壤酶活性影響研究結(jié)論差異較大。

4 展望

覆膜與灌溉方式下的根際動態(tài)是植物對環(huán)境刺激內(nèi)應(yīng)的集中表現(xiàn)，植物根系分泌物是對根際動態(tài)的主要響應(yīng)，能夠積極參與并很大程度改變根際的生化反應(yīng)過程，不僅可以改善土壤質(zhì)量、促進(jìn)土壤健康，構(gòu)建植物與土壤微生物間的信號傳導(dǎo)，同時(shí)植物釋放根系分泌物來抵御各種非生物因素的干擾與生物脅迫。然而，在全球水資源緊缺且諸多地區(qū)仍缺乏合理灌溉制度背景下，覆膜與補(bǔ)充灌溉對植物根際環(huán)境影響機(jī)理的研究卻相對較少，缺少覆膜與補(bǔ)充灌溉方式對土壤微生態(tài)環(huán)境潛在作用機(jī)理、作用過程等方面的深入研究。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，今后可望在以下幾個(gè)方面做更深入的系統(tǒng)研究：

（1）我國水資源極度緊缺，用于農(nóng)田灌溉的水資源亦更加匱乏，為保證全球糧食安全，提升作物對干旱災(zāi)害的應(yīng)對能力、改善作物的土壤生態(tài)環(huán)境，補(bǔ)充灌溉要結(jié)合高效新型灌溉技術(shù)，例如滴灌、微灌等，同時(shí)準(zhǔn)確的掌握作物需水時(shí)間、需水量，最大限度的挖掘節(jié)水潛力，開展極限節(jié)水研究。同時(shí)通過多組學(xué)技術(shù)手段進(jìn)行全方位研究，深入研究水分脅迫改善土壤生態(tài)環(huán)境的原因，最大限度的挖掘作物耐旱潛力。

（2）隨著高通量測序技術(shù)等先進(jìn)測序方法的不斷完善，對于土壤微生物方面的研究也在不斷的深入和擴(kuò)展。后續(xù)研究應(yīng)借助新的先進(jìn)技術(shù)和研究方法，植物根際重要信號物質(zhì)類型、釋放特征，對根際養(yǎng)分供應(yīng)與吸收作用機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方面進(jìn)行研究，以從細(xì)微尺度上豐富和推進(jìn)植物對水分脅迫逆境的適應(yīng)與響應(yīng)機(jī)理性的認(rèn)識。