農(nóng)業(yè)活化水灌溉技術(shù)研究進展

陳 強，喻立強

(1.塔城地區(qū)水利局，新疆 塔城 834300； 2.塔城市水利局，新疆 塔城 834300)

隨著全球人口數(shù)量的增加，水資源的消耗量也在遞增，水資源已成為制約干旱地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要因素之一。大力提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，可有效緩解水資源的供需矛盾。目前，我國在工程節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、管理節(jié)水等方面開展了大量研究和技術(shù)推廣工作，并取得了許多重要成果，但農(nóng)業(yè)灌溉用水與城市、工業(yè)、生態(tài)用水供需矛盾仍然突出，因此提高水資源利用效率一直是研究熱點?；罨夹g(shù)是通過物理技術(shù)對水進行處理，改變水的物理、化學性質(zhì)，提高水分子活性。灌溉水活化技術(shù)包括磁化、去電子、增氧等方法，作為一種簡便、低耗能、低投入、無污染且效率高的水處理技術(shù)，受到了學者的廣泛關(guān)注。該技術(shù)有助于深入了解活化水從土壤到作物的傳輸過程，揭示灌溉水-土壤-作物生長體系的內(nèi)在相互作用機制，也有助于明確土壤水、鹽、熱、氣、肥等因子對土地質(zhì)量和作物生長的作用途徑和程度，對于推動節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展、提高水分高效利用效率、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。為了提高灌溉水利用效率，很多學者對土壤理化性質(zhì)、作物生長特性及數(shù)值模擬等做了大量研究，為活化水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐和理論參考。

1 灌溉活化水的理化特性

通過增氧、磁化、去電子等技術(shù)措施改善農(nóng)業(yè)灌溉用水的物理性狀，可增加水土、水與作物的交換傳輸能力，提高灌溉效果。研究表明，液態(tài)水通過磁場作用后，改變原有的部分理化性質(zhì)，使水分子間平均距離增大，部分氫鍵變?nèi)趸驍嗔?，提高了水中自由單體水分子和二聚體水分子數(shù)量[1]。在500 G磁場強度下，水滴表觀接觸角會減小，隨磁場強度的增加，接觸角呈現(xiàn)逐漸減小的線性變化關(guān)系[2]。20世紀70年代，加氧技術(shù)從生物學角度研究了灌溉效果，我國主要將其應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)。歐陽贊等[3]對不同加氣方式下微咸水中溶解氧濃度的變化進行了研究，結(jié)果表明，微納米發(fā)泡器+28氣石頭增氧泵的組合，可做為微咸水加氣灌溉的最佳方式。相同溫度下，淡水中的溶解氧濃度始終低于微咸水中的溶解氧濃度，說明灌溉水經(jīng)活化技術(shù)處理后，本身的理化特性發(fā)生了明顯改變。

圖1 活化水灌溉技術(shù)Fig.1 Activated water irrigation technology

圖2 磁化水作用原理圖Fig.2 Schematic diagram of magnetic water function

2 活化水灌溉對土壤理化性質(zhì)和物質(zhì)傳輸特征的影響

國內(nèi)外學者開展了諸多活化水灌溉技術(shù)對土壤作物體系的影響研究。關(guān)于磁化水對土壤理化性質(zhì)方面的研究，主要集中在對土壤的結(jié)構(gòu)組成、離子濃度、微生物群落結(jié)構(gòu)等方面。磁化技術(shù)研究表明，磁化水不僅有利于提高土壤的固氮功能，還可使土壤有機質(zhì)含量和腐殖化系數(shù)提高，從而改善土壤結(jié)構(gòu)。加氧灌溉技術(shù)方面的研究主要集中在對土壤溶解氧濃度、土壤呼吸速率、土壤溫度等要素的影響方面，如加氣灌溉可增加土壤溶解氧含量，采用地下滴灌技術(shù)向管道注入空氣，可顯著提高表層土壤的氧氣飽和度；通過改變土壤類型、滴頭埋深進行加氣灌溉，可提高42%～100%的棉花根區(qū)土壤呼吸速率，溶解氧增加8.6%～32.6%。采用增氧滴灌，可使根系的代謝速率加快，調(diào)節(jié)作物根區(qū)的氧分狀況，加速對有機質(zhì)的分解，增加土壤中的微生物數(shù)量，使微生物的活動更加旺盛[4-5]。與常規(guī)地表滴灌對比，不同滴頭埋深下加氣灌溉后，土壤的呼吸速率可顯著提高22%～43%，加氣能顯著改善作物根層土壤礦質(zhì)元素的釋放和作物的吸收，可通過氣體交換促進土壤和大氣之間的熱量轉(zhuǎn)換，使土壤溫度保持均勻。黃瓜盆栽增氧試驗表明，增氧灌溉能夠提高黃瓜對土壤中速效氧分的吸收，土壤中有機質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化顯著提高[6]。

3 活化水灌溉對作物生長的影響

活化水技術(shù)在一定程度上改變了灌溉效果，而植物細胞中有大量的水參與新陳代謝，因此利用活化水進行灌溉必然會對作物生長產(chǎn)生一定的影響。磁場能改善植物的生長發(fā)育狀況，有利于提高作物種子發(fā)芽率，促進細胞分裂與生長發(fā)育；發(fā)芽率與灌溉水的磁化時間呈二項式關(guān)系，可顯著提高種子發(fā)芽指數(shù)和作物干物質(zhì)重。對淡水和微咸水進行磁化，分析灌溉后對棗樹生長的影響，發(fā)現(xiàn)其能夠顯著提高葉片葉綠素含量與葉面積[10-11]。采用磁化水灌溉，再生水和含3 000 ppm NaCl的咸水通過磁化處理后，能夠使芹菜產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率分別提高12%～23%和12%～24%；對水稻采用磁化水處理，可有效提高水稻在生育期、孕穗期、灌漿期倒三葉的葉綠素值，使堊白粒降低11.4%和7.7%，膠稠提高6.0 mm和4.0 mm，堿消值提高4.3%～4.8%[12-13]。盡管對于磁化水在作物生長方面的研究較多，但對于磁化灌溉水的增產(chǎn)、促生效果的微觀作用機制仍不清楚，研究表明，采用磁化水灌溉對于作物生長影響并不顯著，邱念偉等[14]試驗結(jié)果顯示，小麥種子發(fā)芽參數(shù)、生長指標等在灌溉水進行磁化和不磁化之間差異并不明顯，在生理參數(shù)如葉片色素含量、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)含量等方面無顯著差異，因此其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用有限。

土壤的透氣性是保證作物生長與發(fā)育的重要影響因素，如果土壤氧氣濃度過低，會造成作物根區(qū)缺氧，從而影響作物代謝與生長。研究表明，作物在不同的生長階段，氧氣濃度脅迫臨界值為3%～0.5%，最大可達到15%[15]。為了保持氧氣濃度來維持土壤的呼吸作用，加氧灌溉技術(shù)得到了推廣應(yīng)用，采用微灌系統(tǒng)和加氣設(shè)備，可增加作物根區(qū)土壤含氧量，從而改善根際土壤的通氣性[16]，使作物的生理生態(tài)特征參數(shù)，如葉面積、光合作用速率、水分利用率等增加，進而改善較大埋深時土壤通氣性對作物生長和水分利用效率的影響[17]。研究表明，溫室甜瓜采用地下滴灌方式和隔天1次的加氣灌溉頻率，可獲得最高的綜合效益[18]，當田間持水量為80%、通氣系數(shù)為0.8時，土壤酶活性最高[19]，與地下滴灌相比，加氣滴灌可顯著提高春小麥氣孔導度、蒸騰速率和凈光合速率等指標[20]。

4 結(jié)語

開展活化水灌溉可提升地力，促進作物生長、土壤與水分及作物之間的互作機制，為水資源的高效利用提供新思路和技術(shù)途徑。活化水灌溉對作物生長的影響可能與水原體、磁化強度、氣象等因素有關(guān)，深入研究活化水作用機制和作用條件，確定關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和指標，可大大提高活化水灌溉效能。但目前對活化水的研究主要集中在對現(xiàn)象的定性描述，少見對其變化特征和影響機制的定量分析和數(shù)學描述，因此結(jié)合活化水灌溉農(nóng)田水分-養(yǎng)分-鹽分-作物耦合作用關(guān)系的研究成果，進一步分析其作用機理和增效機制，對于優(yōu)化農(nóng)田水肥鹽管理、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的實用價值。