隔溝交替灌溉研究進(jìn)展

梁 超，蘆 倩，吳彥霖，張恒嘉，，肖 讓，李福強(qiáng)，王澤義，周三利

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.河西學(xué)院土木工程學(xué)院，河西走廊水資源保護(hù)利用研究所，甘肅 張掖 734000)

0 引言

水資源匱乏已成為制約全球經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一，實(shí)現(xiàn)在總量約束下的水資源高效利用是社會(huì)持續(xù)發(fā)展的必然要求。對(duì)耗水比例大的農(nóng)業(yè)用水而言，追求灌溉水資源的高效利用及作物高產(chǎn)便顯得尤為重要。眾多學(xué)者基于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉原理提出了調(diào)虧與優(yōu)化水量的有限灌溉、非充分灌溉和調(diào)虧灌溉等思想與方法，以提升作物灌溉水利用率并獲得高產(chǎn)[1]。這些方法的提出豐富了節(jié)水灌溉的內(nèi)容，但是忽略了作物根系功能對(duì)水分高效利用的效果。相關(guān)研究表明，農(nóng)田灌溉水中僅有1%～2%被作物吸收用于器官的形成，其余絕大部分水以植株蒸騰和株間土壤蒸發(fā)的形式流失[2]。因此，利用改進(jìn)地面灌溉技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水為目前主要研究方向之一[3]。

近年以挖掘作物自身節(jié)水潛力并在部分作物上得到一定應(yīng)用的控制性交替灌溉技術(shù)被認(rèn)為是節(jié)水灌溉領(lǐng)域的重大突破之一，在作物大面積灌溉中具有較廣闊的應(yīng)用前景，為干旱區(qū)發(fā)展高效節(jié)水灌溉提供了一種新途徑[4-5]。本文綜述了控制性交替灌溉技術(shù)的研究背景、意義、作用機(jī)理和應(yīng)用效果，旨在為我國(guó)發(fā)展優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)節(jié)水型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供借鑒。

1 發(fā)展概況

1.1 隔溝交替灌溉的提出

國(guó)外學(xué)者在20世紀(jì)60—70年代開(kāi)始嘗試在一些作物節(jié)水方面采用隔行灌溉和隔溝灌溉技術(shù)，并針對(duì)其在作物水分利用效率及蒸騰特性方面進(jìn)行了研究，但這些技術(shù)都沒(méi)有對(duì)作物本身節(jié)水能力進(jìn)行挖掘，僅通過(guò)改變供水方式以減小作物全生育期耗水量[6]。因此，類似試驗(yàn)中隔溝灌溉僅作為一種節(jié)水灌溉措施來(lái)應(yīng)用，并沒(méi)有對(duì)作物生理節(jié)水方面進(jìn)行深入研究?；诖耍嚓P(guān)學(xué)者于20世紀(jì)90年代進(jìn)行的水分脅迫下作物根冠信號(hào)研究為交替灌溉提供了理論依據(jù)[7]。

1.2 研究意義

適當(dāng)?shù)乃痔澣睂?duì)作物產(chǎn)量提高有一定促進(jìn)作用。研究表明，前期合理的水分脅迫可增強(qiáng)作物后期抗旱強(qiáng)度，對(duì)植株及時(shí)復(fù)水可顯著提高作物根系的補(bǔ)償生長(zhǎng)，有利于增加作物生長(zhǎng)速率[8]。隔溝交替灌溉技術(shù)利用根系系統(tǒng)的補(bǔ)償效應(yīng)及根源信號(hào)功能，當(dāng)作物根系感受到一定程度的水分脅迫時(shí)，從生理角度出發(fā)控制水分奢侈蒸散，降低地下深層滲漏量，提高灌溉水利用率，實(shí)現(xiàn)水分高效利用達(dá)到節(jié)水效果。隔溝交替灌溉過(guò)程中，經(jīng)過(guò)干濕交替脅迫鍛煉，作物根部水肥吸收能力和物質(zhì)運(yùn)輸功能得到顯著提高，作物適應(yīng)環(huán)境的能力增強(qiáng)，養(yǎng)分和水分利用率進(jìn)一步提高，更有利于植株生長(zhǎng)。

2 作用機(jī)理

2.1 根系吸收補(bǔ)償功能增強(qiáng)

隔溝交替灌溉通過(guò)影響作物根系對(duì)水分的吸收運(yùn)輸功能和改變土壤濕潤(rùn)方式交替調(diào)控不同根區(qū)土壤水分，讓某個(gè)特定位置根系活動(dòng)層土壤處于干旱狀態(tài)，而僅對(duì)部分土壤進(jìn)行供水，使植物根系一直交替處于濕潤(rùn)與缺水狀態(tài)，從而使不同位置的根系承受一定程度的干旱脅迫鍛煉，根系表面積顯著增大，增加根部的抗旱耐受力，有助于根系吸收能力提高[9]?？到B忠等[10]試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隔溝交替灌溉可以改變作物根區(qū)土壤浸潤(rùn)方式，促使作物根源信號(hào)發(fā)生改變使作物根系進(jìn)行吸收補(bǔ)償反應(yīng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)植株氣孔導(dǎo)度以減少灌溉用水。楊依凡等[11]研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替灌溉能使根系在干旱和濕潤(rùn)之間來(lái)回適應(yīng)，從而激發(fā)根系的生長(zhǎng)，植株根系總量明顯增加，功能更完善，有利于根系從土壤中吸收更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

2.2 農(nóng)田土壤水分消耗減少

隔溝交替灌溉并不似傳統(tǒng)灌溉方式對(duì)所有土壤進(jìn)行灌水，而是僅濕潤(rùn)一半左右的地表面積，頻繁干濕交替促進(jìn)作物根系吸收水分，在不影響光合作用的情況下降低棵間土壤蒸發(fā)，改善土壤通透性，降低農(nóng)田土壤水分消耗[12]。汪明霞等[13]大豆試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隔溝交替灌溉能降低土壤水分深層滲漏，減少表層土壤水分蒸發(fā)，顯著節(jié)省灌溉水量。研究表明，運(yùn)用控制性隔溝交替灌溉技術(shù)作物棵間蒸發(fā)蒸騰量可減少20%～35%，干濕交替降低了地表無(wú)效蒸發(fā)，同時(shí)也減少了奢侈蒸騰，節(jié)水效果顯著[14]。

2.3 水分利用效率提高

隔溝交替灌溉技術(shù)通過(guò)根信號(hào)功能調(diào)整葉片氣孔導(dǎo)度開(kāi)到最優(yōu)，提高農(nóng)田土壤水分利用效率。植物的根系具有一定的信號(hào)調(diào)節(jié)功能，當(dāng)受到一定的水分虧缺時(shí)，作物根部位會(huì)產(chǎn)生一種根源信號(hào)，這種信號(hào)會(huì)傳輸?shù)饺~片部位，葉片會(huì)通過(guò)減小自身氣孔導(dǎo)度來(lái)降低或阻止作物多余的蒸騰耗水，在以不消耗光合產(chǎn)物積累的前提下保持植物體內(nèi)的水分平衡[15]。史文娟等[16]對(duì)玉米進(jìn)行根部垂向交替灌溉，研究其對(duì)盆栽玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，交替灌溉下的玉米節(jié)水量達(dá)20%以上，且在5 d試驗(yàn)處理下，作物的產(chǎn)量最大，水分利用效率最高。李彩霞等[17]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在交替隔溝灌溉下，作物根系為了吸收水分會(huì)刺激根系的生長(zhǎng)，增加根系長(zhǎng)度與下扎深度，有助于根系吸收利用更深層次土壤水分與養(yǎng)分，最終使得作物在非充分供水條件下達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。程銘慧等[18]的試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的灌溉水量和調(diào)虧時(shí)間下，經(jīng)過(guò)分根交替灌溉狀態(tài)下的作物較常規(guī)灌溉明顯省水，可節(jié)約水量7.35%，水分利用效率顯著高于常規(guī)灌溉。

3 應(yīng)用效果

3.1 對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

土壤水分含量與分布對(duì)作物的生長(zhǎng)有重要影響，隔溝交替灌溉能在減少灌水量的同時(shí)促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，有效減少植株生長(zhǎng)冗余，優(yōu)化光合同化產(chǎn)物的分配。王騰飛等[19]試驗(yàn)結(jié)果表明，馬鈴薯株高、莖粗及葉面積指數(shù)受隔溝交替灌溉影響顯著，對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育有明顯促進(jìn)作用。趙娣等[20]對(duì)加工番茄進(jìn)行分根交替灌溉結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比常規(guī)灌溉與固定灌溉，分根交替灌溉加強(qiáng)了番茄根部吸收與合成能力，有利于地下根系分叉生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)吸收，促進(jìn)番茄地上部生長(zhǎng)發(fā)育。楊慧[21]研究表明，分根交替灌溉能夠減小番茄株高與葉面積指數(shù)，促進(jìn)莖粗生長(zhǎng)，有利于作物抗倒伏和優(yōu)化植株形態(tài)。

3.2 對(duì)作物光合生理特性的影響

土壤含水量與作物光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率關(guān)系密切?？刂平惶婀喔葧?huì)通過(guò)減小葉片氣孔開(kāi)度抑制光合作用，從而減少植物奢侈蒸騰以保持體內(nèi)水分平衡。汪順生等[22]試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玉米經(jīng)受一定程度的水分脅迫時(shí)，交替灌溉在不顯著降低光合速率的情況下明顯減少蒸騰耗水，保證作物的正常生長(zhǎng)。杜少卿[23]對(duì)蘋果的隔溝交替灌溉研究結(jié)果表明，隔溝交替灌溉不會(huì)明顯影響作物光合產(chǎn)物合成，光合速率輕微減小會(huì)抑制多余的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，從而提高作物光合效率。陳麗楠等[24]研究發(fā)現(xiàn)，交替灌溉條件下葉片氣孔導(dǎo)度的適度下降，有利于減少奢侈蒸騰。

3.3 對(duì)作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

作物產(chǎn)量不僅與灌水量多少有關(guān)，還受灌水方式的影響。JIA Dianyong等[25]隔溝交替灌溉試驗(yàn)結(jié)果表明，隔溝交替灌溉下的冬小麥籽粒產(chǎn)量、氮素吸收效率顯著大于拔節(jié)和開(kāi)花期每溝灌溉。張慎鳳[26]研究發(fā)現(xiàn)，干-濕交替灌溉可增加作物產(chǎn)量，增幅為10.1%～11.7%，且對(duì)水稻出糙率、精米率等有明顯優(yōu)化作用，根系氧化力和根細(xì)胞分裂素均有明顯增多，有利于作物品質(zhì)提高。孫明德等[27]研究結(jié)果表明，隔溝交替灌溉梨樹(shù)較常規(guī)漫灌種植能有效增加灌溉濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)土壤水分含量，促進(jìn)了梨樹(shù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，并能增大果實(shí)體積，提高產(chǎn)量，其中溝寬30 cm的隔溝交替灌溉可顯著提高產(chǎn)量22.5%。

3.4 對(duì)作物水分利用狀況的影響

隔溝交替灌溉使土壤根部交替處于虧水或濕潤(rùn)狀態(tài)，在不影響光合產(chǎn)物積累前提下通過(guò)調(diào)整葉片氣孔開(kāi)度改善作物水分利用狀況。陸文娟等[28]試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玉米隔溝交替灌溉比常規(guī)灌水節(jié)水18.6%～20.5%。趙娣等[29]通過(guò)不同灌溉方式對(duì)番茄的水分利用效率影響分析得出，隔溝交替灌溉較常規(guī)灌溉水分利用效率顯著提高了50.86%。過(guò)多水量不僅不利于植株生長(zhǎng)，而且造成水資源不合理利用。研究表明，玉米控制性分根交替灌溉效果較為顯著，當(dāng)灌水量為55%～65%田間持水量時(shí)可節(jié)水34.4%～36.8%，水分利用狀況明顯改善[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

隔溝交替灌溉下，作物根系系統(tǒng)交替得到水分脅迫鍛煉，有利于作物吸收深層土壤水分和養(yǎng)分，減少棵間土壤水分蒸發(fā)和深層滲漏量，提高水肥利用效率。在作物根部受到水分脅迫時(shí)，作物根系產(chǎn)生的根源信號(hào)傳到葉片氣孔處，通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度的大小，達(dá)到在不消耗光合產(chǎn)物積累的情況下降低作物奢侈蒸騰，保證了作物正常生理功能。

在我國(guó)干旱地區(qū)，普遍存在降雨量不足，地表蒸發(fā)量大的問(wèn)題，交替隔溝灌溉在該區(qū)農(nóng)業(yè)種植中具有廣闊的應(yīng)用前景。今后可將隔溝交替灌溉技術(shù)、水肥耦合方式、農(nóng)業(yè)耕作模式與田間管理技術(shù)等有機(jī)結(jié)合起來(lái)，建立可操作性強(qiáng)、省時(shí)省工和節(jié)水省肥的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉模式。