加氣灌溉技術(shù)對(duì)土壤及作物生長(zhǎng)影響的研究

汪匯源,汪 春,王 芳,王宏軒,馬國(guó)慶,于珍珍

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 科技信息研究所/海南省熱帶作物信息技術(shù)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,?？?570000;2. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 南亞熱帶作物研究所,國(guó)家土壤質(zhì)量湛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,廣東 湛江 524000;3.Department of Agronomy and Horticulture,University of Nebraska-Lincoln,Nebraska 68583)

0 引言

地下滴灌技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的田間節(jié)水灌溉技術(shù),可以顯著提高水分、養(yǎng)分利用效率,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉與施肥[1-3]。但是,灌溉水分入滲會(huì)取替土壤孔隙中的空氣[4],導(dǎo)致土壤出現(xiàn)周期性的滯水[5-6],造成土壤通氣性下降、土壤氧氣含量降低[7],作物有氧呼吸受到影響,根系呼吸速率降低,對(duì)土壤中的水分和養(yǎng)分吸收利用效率下降。如果根系長(zhǎng)期處于厭氧環(huán)境或得不到足夠的氧氣,根系對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收下降,將改變植物的激素水平和酶活性,阻礙光合作用,限制營(yíng)養(yǎng)器官的功能,導(dǎo)致植物葉片萎縮[8-9],作物鮮重和干重顯著下降,最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)的下降,成為農(nóng)作物高產(chǎn)的主要限制條件。

“加氣灌溉技術(shù)”是在地下滴灌的基礎(chǔ)上[10],利用空氣泵或者羅茨風(fēng)機(jī)等通風(fēng)裝置向作物根部土壤增加空氣,或者采用文丘里裝置將空氣以微氣泡的形式摻入灌溉水中,從而提高灌溉水中O2含量及土壤中植株根系的呼吸速率[11-13],進(jìn)而影響到了植株根系對(duì)水分與肥料的吸收效率,可有效地促進(jìn)農(nóng)作物植株的生長(zhǎng),使農(nóng)作物豐產(chǎn)增收、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有所提升[14-15]。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)加氣灌溉技術(shù)的研究正在逐漸深入,不同的地理環(huán)境、土壤類(lèi)型及不同種類(lèi)的農(nóng)作物都進(jìn)行了加氣灌溉試驗(yàn)研究。然而,目前的研究缺乏系統(tǒng)性,有必要總結(jié)和分析近年來(lái)加氣灌溉技術(shù)研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題。CiteSpace是一種處理數(shù)據(jù)和信息可視化的有效方法,它可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)研究前沿和研究熱點(diǎn),跟蹤一個(gè)區(qū)域的重大變化,系統(tǒng)探索加氣灌溉技術(shù)的發(fā)展過(guò)程與未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)與熱點(diǎn)方向。CiteSpace是基于java的應(yīng)用程序,由著名學(xué)者Chaomei Chen創(chuàng)建,他專(zhuān)注于信息可視化、知識(shí)地圖和科學(xué)前沿地圖集。CiteSpace的原理是標(biāo)記共被引集群,然后使用時(shí)間切片快照形成時(shí)效性和關(guān)鍵點(diǎn),可以快速系統(tǒng)地了解一個(gè)領(lǐng)域。其主要用于解決3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:①識(shí)別研究前沿問(wèn)題;②標(biāo)記研究專(zhuān)業(yè);③明晰新興趨勢(shì)和突變點(diǎn)。

筆者基于CiteSpace文獻(xiàn)分析工具,通過(guò)對(duì)目前不同土壤加氣灌溉技術(shù)參數(shù)及加氣灌溉技術(shù)對(duì)土壤環(huán)境、根系生長(zhǎng)及作物產(chǎn)量、品質(zhì)的作用機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)地分析,討論該領(lǐng)域存在的問(wèn)題,并總結(jié)未來(lái)加氣灌溉技術(shù)研究趨勢(shì),進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)用水效率,優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,促進(jìn)高效、節(jié)約、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的研究。

1 低氧脅迫對(duì)土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)的影響

1.1 低氧脅迫對(duì)土壤環(huán)境的影響

土壤主要由固體、液體及土壤孔隙組成。土壤孔隙主要是容納各種液體及氣體物質(zhì);固體為根和空中植物結(jié)構(gòu)提供支持,水分滿足作物蒸騰需求,空氣為作物根系(和微生物)呼吸提供氧氣。理想的土壤混合物由50%的固體,25%的水和25%的空氣組成(Wolf 1999)[16],被稱為“三角形平衡”。理想土壤組成及相關(guān)比例如圖1(a)所示。但是,現(xiàn)實(shí)中很難在土壤中達(dá)到肥沃三角形的3個(gè)成分的最佳平衡,因?yàn)閭鹘y(tǒng)的灌溉方法在灌溉期間和灌溉后強(qiáng)加注水循環(huán)[見(jiàn)圖1(b)],一側(cè)(水)在三角形中占主導(dǎo)地位,大大減少了空氣側(cè)并限制了作物對(duì)養(yǎng)分的吸收,導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。從理論上講,如果在不同階段之間保持理想的平衡,農(nóng)作物的單產(chǎn)將繼續(xù)上升,如圖1(c)所示。

圖1 土壤組成Fig.1 soil composition

土壤氧氣主要來(lái)自于大氣之間進(jìn)行氣體交換,土壤空氣組成與大氣空氣組成近似,如表1所示。土壤與大氣之間進(jìn)行氣體擴(kuò)散和整體交換,使得土壤中保持一定量O2,如圖2(a)所示。大氣環(huán)境因素中,Willey和Hall等[10]的實(shí)驗(yàn)中,大氣溫度變化是引起的大氣與土壤氣體交換的主要因素;同時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著風(fēng)速和大氣濕度的升高,土壤氧氣含量也逐漸提高。

土壤中存在孔隙,是作物根系與大氣進(jìn)行連接的重要通道[17]。土壤充氣孔隙度充滿了空氣或水及溶解的物質(zhì),固體為根和空中植物結(jié)構(gòu)提供支持,水分滿足作物蒸騰需求,空氣為作物根系(和微生物)呼吸提供氧氣。其中,O2以溶解氧方式隨著水分?jǐn)U散到根系表面,但水中溶解氧一般可以忽略不計(jì)。氧氣由根系表面擴(kuò)散到根組織內(nèi),用于維持土壤中一切生物化學(xué)過(guò)程正常進(jìn)行,如圖2(b)所示。田間灌溉和降雨會(huì)使土壤中持續(xù)存在飽和濕潤(rùn)區(qū),導(dǎo)致水分代替空氣存在于土壤中,取替了土壤氧氣,導(dǎo)致土壤氧氣含量降低[見(jiàn)圖2(c)],進(jìn)而土壤呼吸(壤中各項(xiàng)代謝活動(dòng))將受到限制,如圖2(d)所示。

表1 土壤空氣與大氣空氣組成成分比較(體積分?jǐn)?shù))Table 1 Comparison of composition of soil air and atmospheric air (volume fraction) %

土壤溫度以多種方式影響土壤含氧量的移動(dòng)性與利用率:首先,氧氣在水中的溶解度與溶液溫度呈反比;其次,土壤溫度通過(guò)影響土壤呼吸[見(jiàn)圖2(d)],進(jìn)而影響土壤氧氣含量的變化[18]。土壤中的水分含量是影響土壤氣體變化的關(guān)鍵因子。Thongbai[19]等和Bhattarai[20]等的研究均表明:土壤中水分的變化明顯影響到植株內(nèi)水分的調(diào)控,從而植株根系的生長(zhǎng)與土壤中微生物的活躍性都受到影響,最終改變土壤含氧量;通過(guò)進(jìn)一步采用關(guān)聯(lián)系數(shù)法發(fā)現(xiàn),較高的土壤水分不但阻礙大氣與土壤之間的氣體交換,直接導(dǎo)致土壤氧氣含量下降,也會(huì)抑制土壤氧氣在作物根部周?chē)\(yùn)動(dòng)。

圖2 大氣-土壤-作物之間氧氣交換示意圖Fig.2 Schematic diagram of oxygen exchange between atmosphere-soil-crop

1.2 作物生長(zhǎng)生理特性對(duì)低氧脅迫的響應(yīng)機(jī)理

根系呼吸是農(nóng)作物根系生長(zhǎng)所需要吸收的氧氣用于植株的生長(zhǎng)并排放出植株產(chǎn)生的二氧化碳。廣義的根系呼吸過(guò)程主要包括作物根系的呼吸、微生物的呼吸和參與死根分泌物與組織分解過(guò)程的微生物呼吸,即土壤中的氧氣供給根系和各種微生物。如果根區(qū)土壤滲透性下降,可能會(huì)引起缺氧,且根系將處于氧脅迫狀態(tài)。根系的呼吸需要消耗大量的O2,若土壤內(nèi)的氣體與大氣隔絕,其土壤內(nèi)的氣體含量只能滿足農(nóng)作物根系短短幾天的正常呼吸。2003年,Alonso等研究表明,由于根系處于淹水、高CO2和低O2的條件下,根系呼吸減弱,3%的O2含量直接誘導(dǎo)作物根系發(fā)酵,導(dǎo)致缺氧代謝的植物毒性產(chǎn)物的形成及抑制根功能和植物生長(zhǎng)的過(guò)量硫化物和有機(jī)酸。低氧脅迫下根系呼吸為正常情況下的1/3,根系呼吸降低,從而降低了ATP的產(chǎn)生數(shù)量,水和離子的滲透性降低,影響到農(nóng)作物根系對(duì)水分與土壤養(yǎng)分的吸收。若沒(méi)有足夠的養(yǎng)分輸送到植物的地上部分,葉片中光合色素含量下降,脫落酸的積累會(huì)減少植株葉片的氣孔密度,也會(huì)導(dǎo)致葉綠素的含量減少,光合作用的速率降低,植株的正常生長(zhǎng)也受到了抑制,并根據(jù)缺乏的嚴(yán)重程度而完全停止,如表2所示。

低氧脅迫還會(huì)破壞作物體內(nèi)激素平衡,Hiron和Wright觀察了缺氧條件下番茄葉片中的氣孔關(guān)閉,番茄體內(nèi)中ABA水平比非淹水對(duì)照高6～8倍,表明ABA水平與氣孔關(guān)閉之間存在直接關(guān)系,氣孔關(guān)閉進(jìn)而影響根系對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收與傳輸。

表2 影響作物根系生長(zhǎng)、發(fā)育和活動(dòng)的土壤各項(xiàng)指標(biāo)范圍Table 2 The range of soil indicators that affect the growth, development and activity of crop roots

研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)胞處于缺氧脅迫時(shí),作物以干物質(zhì)積累為代價(jià)獲得NAD (P)+和ATP,不可避免地會(huì)影響作物的產(chǎn)量,因?yàn)槟芰抗?yīng)不足。孫延軍等研究表明,在根區(qū)缺氧脅迫下,甜瓜幼苗的株高、根長(zhǎng)、鮮重和干重均有一定程度的降低。李天來(lái)等研究也表明,農(nóng)作物根系附近的土壤CO2濃度的增加,甜瓜植株內(nèi)部的促進(jìn)植株生長(zhǎng)的激素含量會(huì)明顯減少,脫落酸的含量顯著增加,總而甜瓜的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制,減少ATP的產(chǎn)生,導(dǎo)致作物葉水勢(shì)降低、凈光合速率下降,農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量降低,產(chǎn)量減少,如圖3所示。

圖3 低氧脅迫下根系低氧對(duì)作物生長(zhǎng)和生理代謝的影響Fig.3 The effect of root hypoxia on crop growth and physiological metabolism under hypoxia stress

2 加氣灌溉技術(shù)參數(shù)的研究

目前,針對(duì)加氣灌溉技術(shù)中不同影響因素耦合效應(yīng)在不同作物應(yīng)用上開(kāi)展研究。最初,主要以灌水水平及相關(guān)加氣參數(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究;后期,逐步將“施肥”參數(shù)引入研究,以灌水量、施肥量及通氣量為變量開(kāi)展大田玉米、溫室辣椒、番茄、設(shè)置蔬菜的生長(zhǎng)及土壤環(huán)境的影響規(guī)律研究?；贑iteSpace對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行分析,主要研究進(jìn)展如表3所示。

表3 不同加氣灌溉參數(shù)耦合部分研究進(jìn)展Table 3 Research progress on coupling of different aerated irrigation parameters

3 土壤環(huán)境對(duì)加氣灌溉技術(shù)的響應(yīng)機(jī)理

早期一些學(xué)者通過(guò)理論分析與試驗(yàn)研究,分析得出:對(duì)土壤進(jìn)行通氣具有很多的益處(Bathke et al.1992;Huang et al.1994);但是,由于當(dāng)時(shí)試驗(yàn)設(shè)施并不完善,不具備對(duì)土壤通氣的設(shè)施,從而導(dǎo)致在田間試驗(yàn)中難以實(shí)施。1949年,Melsted首先開(kāi)始進(jìn)行作物根區(qū)土壤通氣增氧的試驗(yàn)研究,后期逐步發(fā)展成多元化加氣技術(shù)方式(機(jī)械通氣、化學(xué)加氧、文丘里空氣射流器加氧等),并針對(duì)不同的土壤類(lèi)型及不同作物開(kāi)展田間或溫室試驗(yàn)研究。

參與土壤有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程的主要是真菌和細(xì)菌,真菌分泌水解酶成為有機(jī)物并加以利用它們生長(zhǎng)和繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。通過(guò)真菌的生存活動(dòng)所產(chǎn)生的空隙,便是細(xì)菌的生存空間,大分子的有機(jī)物便通過(guò)真菌與細(xì)菌的共同轉(zhuǎn)化,變成農(nóng)作物所需的小分子物質(zhì)。土壤含氧量降低,土壤微生物的數(shù)量和活性會(huì)下降,有機(jī)質(zhì)的分解也會(huì)下降,無(wú)法為作物提供足夠的氮、磷和鉀。

采用空壓機(jī)為盆栽番茄供氣,設(shè)置3級(jí)灌溉水平。以土壤孔隙率50%為參考標(biāo)準(zhǔn),各灌區(qū)通風(fēng)容積系數(shù)不同,通風(fēng)處理土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和脫氫酶活性高于不通風(fēng)處理。當(dāng)灌溉水平為田間容量的80%、通風(fēng)系數(shù)為0.8時(shí),3種土壤酶活性均達(dá)到最大值。結(jié)果表明,水分(田間持水量的80%)和通氣系數(shù)(0.8)能改善盆栽番茄根區(qū)環(huán)境,加速土壤酶活性,促進(jìn)植株生長(zhǎng),提高果實(shí)產(chǎn)量與土壤酶活性。加氣灌溉技術(shù)可以提高黃瓜土壤含氧量,研究發(fā)現(xiàn):溝槽處理的各種酶活性均高于CK處理,即磷酸酶(18.3%)、轉(zhuǎn)化酶(20.87%)、脫氫酶(22.52%)活性均高于CK處理;其他指標(biāo),如速效氮、磷含量、干物質(zhì)積累量均有明顯增加。綜上所述,曝氣培養(yǎng)可提高酶活性,提高基質(zhì)中養(yǎng)分含量,促進(jìn)作物的生長(zhǎng)?；贑iteSpace對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行分析,關(guān)于不同加氧灌溉方式對(duì)土壤環(huán)境的改善效應(yīng)部分研究結(jié)果如表4所示。

4 作物生長(zhǎng)生理特性對(duì)加氣灌溉技術(shù)的響應(yīng)特征

為了闡明加氣灌溉技術(shù)對(duì)水稻幼苗根系氮代謝的影響,在水培條件下,采用增氧泵繼續(xù)向根系充入空氣。研究結(jié)果表明,與對(duì)照組相比,增氧溶液中生長(zhǎng)的水稻幼苗根系干物質(zhì)更高,根系長(zhǎng)度更長(zhǎng),根系活力更強(qiáng),根系吸收面積更大;另一方面,加氣溶液中可溶性糖含量、根系活力及谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸-丙酮轉(zhuǎn)氨酶活性均高于對(duì)照。加氣灌溉提高了“秀水09”的根系氮代謝活性。盆栽玉米灌后曝氣的研究發(fā)現(xiàn),管道曝氣每4天進(jìn)行一次、灌溉量為600mL /盆時(shí),根系活力最高,顯著高于對(duì)照組。加氣水滴灌能改善低氧脅迫,克服土壤曝氣不良的負(fù)面影響。用Mazzei噴射器對(duì)灌溉水加氧,產(chǎn)量顯著提高,結(jié)果表明:與對(duì)照組相比,其單株總根質(zhì)量顯著增加17%,其單株須根質(zhì)量和主根質(zhì)量分別增加2%和26%。研究發(fā)現(xiàn),加氣灌溉技術(shù)可以促進(jìn)作物根系生長(zhǎng),根系的正常生長(zhǎng)保護(hù)了冠層的發(fā)育,提高光合效率和作物產(chǎn)量。

研究表明,加氣灌溉技術(shù)下的單株葉面積比對(duì)照組大1.477倍,大豆、鷹嘴豆、南瓜和番茄在加氧處理下的氣孔導(dǎo)度和葉片蒸騰顯著高于對(duì)照處理。微氣泡產(chǎn)生系統(tǒng)處理的加氣灌溉延緩了葉片衰老過(guò)程,延長(zhǎng)了葉片功能活性,增強(qiáng)了籽粒灌漿。

Pendergast指出,加氣灌溉處理可以顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率,在2005—2012年的7個(gè)季節(jié)的棉花種植過(guò)程中,采用Mazzei噴射器對(duì)灌溉水進(jìn)行加氧處理,獲得了較高的產(chǎn)量和水分利用效率。7年試驗(yàn)期間,加氣灌溉處理下的棉花平均產(chǎn)量比對(duì)照高出10%。此外,中等(鷹嘴豆+11%)和深根作物(南瓜+15%)加氣灌溉處理可以獲得更高的產(chǎn)量,與對(duì)照處理相比,2010年和2011年的產(chǎn)量分別增長(zhǎng)了37.78%和12.27%,分別增長(zhǎng)了38.46%和12.5%。加氣灌溉技術(shù)在中等鹽漬化土壤環(huán)境下可以提高作物的產(chǎn)量,耐鹽作物的WUE性能和根際通風(fēng)可能對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)產(chǎn)生顯著影響,而鹽漬化土壤對(duì)作物生產(chǎn)構(gòu)成了制約,加氣灌溉技術(shù)還可以顯著提高IWUE和WUE?；贑iteSpace對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行分析,關(guān)于不同加氧灌溉方式對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量影響的部分研究結(jié)果如表5所示。

5 結(jié)論與展望

關(guān)于加氣灌溉能改善土壤通氣性、提高土壤肥力、促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響越來(lái)越清晰,然而在相關(guān)研究中還存在一些弊端和不足,導(dǎo)致加氣灌溉下對(duì)土壤-作物之間的調(diào)控機(jī)理的認(rèn)知受到一定的限制,具體歸納為以下幾點(diǎn):

1)加氣灌溉對(duì)土壤通氣性的影響,對(duì)土壤水分、養(yǎng)分吸收利用的影響,作物同化產(chǎn)物在作物體內(nèi)輸移分配及其對(duì)作物生長(zhǎng)建成的影響等基礎(chǔ)理論尚存在一定缺口,如土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)生理對(duì)哪種影響因子響應(yīng)較為敏感?加氣灌溉技術(shù)從土壤環(huán)境到作物產(chǎn)量及品質(zhì)之間的作用路徑尚不明確。

2)不同作物/相同作物不同生育期時(shí)作物對(duì)不同加氣灌溉參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律尚不清楚,田間智能化控制技術(shù)尚未形成體系,這些都成為制約加氣灌溉技術(shù)應(yīng)用和灌溉智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其推廣的重要因素。因此,需要進(jìn)一步探究作物不同生育時(shí)期對(duì)加氣灌溉技術(shù)的響應(yīng)特征,明晰加氣灌溉下作物增產(chǎn)的作用路徑和主要推動(dòng)力,以生育期為單位確定最佳的加氣灌溉技術(shù)參數(shù)。從全面統(tǒng)籌推進(jìn)考慮,未來(lái)的研究還應(yīng)針對(duì)以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破:

(1)加氣灌溉下土壤水、肥、氣多相流在土壤中的輸送規(guī)律,對(duì)養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化及土壤養(yǎng)分供應(yīng)的影響、作物根系空間構(gòu)型對(duì)土壤氧氣動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其對(duì)土壤水分、養(yǎng)分吸收利用的影響及作物同化產(chǎn)物的建成機(jī)制上存在一定的缺口。同時(shí),加氣灌溉過(guò)程中通氣量梯度的調(diào)節(jié)與定量供給、不同土壤下土壤氧氣賦存動(dòng)態(tài)模型等這些都成為加氣灌溉技術(shù)應(yīng)用和灌溉智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其推廣的重要因素。因此,在地下滴灌基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的加氣灌溉可通過(guò)進(jìn)一步精準(zhǔn)調(diào)控水肥氣而向可持續(xù)灌溉和精準(zhǔn)灌溉的方向發(fā)展。

(2)開(kāi)展加氣灌溉對(duì)植株表觀形態(tài)、產(chǎn)量、品質(zhì)等向激素調(diào)節(jié)、過(guò)氧化物及抗氧化酶系變化、基因調(diào)控、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等方向轉(zhuǎn)化,進(jìn)一步明確加氣灌溉改善作物品質(zhì),提高作物產(chǎn)量的生理生化機(jī)制,重點(diǎn)研究加氣灌溉對(duì)作物根系水肥吸收機(jī)制以及作物生理機(jī)能變化的影響。