楊海軍 仵峰 方海平? 胡鈞 侯錚遲??

1)(中國科學院上海應(yīng)用物理研究所,水科學與技術(shù)研究室,中國科學院微觀界面物理與探測重點實驗室,上海 201800)

2)(華北水利水電大學水利學院,鄭州 450046)

(2018年7月15日收到;2018年12月26日收到修改稿)

土壤是糧食安全、水安全和更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)安全的基礎(chǔ).我國水資源貧乏,且分布不均.傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)采用的大水漫灌方式用水量大,還會破壞土壤團粒結(jié)構(gòu),造成土壤板結(jié)、土地鹽堿化等土壤退化現(xiàn)象.地下滴灌技術(shù)節(jié)水效果明顯,水的有效利用率超過95%;但也會在一定程度上破壞土壤結(jié)構(gòu).研究表明,使用加氣水滴灌不但能增加作物產(chǎn)量,還能提高作物品質(zhì).本文綜述了滴頭埋深、加氣滴灌頻率、灌水量、植物生育期、加氣方式與設(shè)備等幾個因素對加氣水滴灌效果的影響,總結(jié)了加氣水滴灌對土壤水環(huán)境、氣環(huán)境、微生物環(huán)境、營養(yǎng)環(huán)境和礦物環(huán)境的影響規(guī)律,并提出加氣水滴灌對土壤環(huán)境的調(diào)節(jié)機理.加氣水滴灌會改變土壤結(jié)構(gòu),其水、氣、微生物、營養(yǎng)和礦物質(zhì)等土壤環(huán)境的變化一方面是土壤結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果,另一方面又會促進土壤結(jié)構(gòu)的變化.同步輻射X射線計算機斷層掃描的原位實驗結(jié)果也證實了加氣水滴灌能改變土壤的結(jié)構(gòu).

1 引 言

土壤是地球表面的一層疏松的物質(zhì),由各種顆粒狀礦物質(zhì)、有機物質(zhì)、水分、空氣、土壤生物等組成.土壤中的固(土壤顆粒)、液(土壤水)、氣(土壤氣體)三相構(gòu)成了一個矛盾的統(tǒng)一體.它們互相聯(lián)系,互相制約,為作物提供必需的生活條件,是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ).現(xiàn)在,越來越多的有識之士認為:土壤是糧食安全、水安全和更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)[1,2].因此,聯(lián)合國將每年的12月5日定為世界土壤日,將2015年定為國際土壤年,以期引起國際社會關(guān)注土壤問題.

我國水資源貧乏,且分布不均.農(nóng)業(yè)是用水大戶,用水量約占經(jīng)濟社會用水總量的6%,部分地區(qū)高達90%以上[3].傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)多采用大水漫灌方式進行灌溉.由于大部分水通過蒸發(fā)和深層滲漏等形式流失,其用水量大,畝次灌水量高達120多噸,直接導致井灌區(qū)地下水儲存量減少,華北平原因為超采造成的淺層地下水漏斗超過20000 km2,深層地下水漏斗70000 km2,已經(jīng)成為世界上最大的地下水漏斗區(qū)[4](見圖1(a)).同時,大水漫灌還會破壞土壤團粒結(jié)構(gòu),造成土壤板結(jié)、土地鹽堿化等土壤退化現(xiàn)象.傳統(tǒng)耕作采取多次耕翻耙耱,為作物生長營造疏松的土壤耕層環(huán)境,但不穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)極易被侵蝕,導致土壤品質(zhì)下降[5].由于耕作改變了土地的原有狀態(tài),也會破壞對地面的保護,導致土壤風吹水蝕加劇,使土壤失去活力.耕作強度愈大,自然本身的保護和營養(yǎng)恢復功能喪失得就愈多.近幾十年來,我國機械耕作活動增強,農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量大幅度上升,但河流泛濫、沙塵暴狂獗、土壤退化、作業(yè)成本上升也是不爭的事實[6].以土壤退化為例,長期過度耕種導致支撐全國糧食產(chǎn)量1/4的東北黑土區(qū)以1 cm/a的速度持續(xù)退化,土層厚度較開墾初期下降60—70 cm[7](見圖1(b));不合理的大水漫灌措施導致黃淮海平原次生鹽漬化嚴重;中南地區(qū)紅壤貧瘠、酸化等,嚴重影響我國的糧食安全.目前,我國耕地退化面積占耕地總面積的40%以上[8],而且水資源已成為制約農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸,尋求在當?shù)厮Y源環(huán)境容量內(nèi)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展之路已成為國人關(guān)注的焦點.國務(wù)院先后頒布“水十條”和“土十條”應(yīng)對我國日益嚴峻的環(huán)境問題.要實現(xiàn)國家新增5×1010kg糧食生產(chǎn)能力,關(guān)鍵在水,最根本的出路在于節(jié)水[9].發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)正成為國家戰(zhàn)略[3].

圖1 (a)利用GRACE衛(wèi)星測量的華北地區(qū)地下水儲量變化示意圖[10]和(b)退化中的東北黑土[7]Fig.1.(a)Schematic map of groundwater reserves change in North China measured by GRACE satellite[10];(b)the degrading black soil in Northeaster China[7].

目前,地下滴灌技術(shù)被認為是最節(jié)水的灌溉技術(shù)之一.通過塑料管道和滴頭將水直接輸送到植物根部,有效避免了漫灌中的無效水蒸發(fā)和過度灌溉的問題,節(jié)水效果明顯,水的有效利用率超過95%;而且還能促進農(nóng)作物生長;節(jié)肥、省工.該技術(shù)可以追溯到公元前1世紀(西漢末年),我國現(xiàn)存最早的一部農(nóng)學專著《氾勝之書》記載用埋在土里的陶罐進行灌溉.直到1964年,以色列Simcha Blass父子采用塑料滴頭進行灌溉,現(xiàn)代滴灌系統(tǒng)基本成型.采用滴灌技術(shù)以后,以色列農(nóng)業(yè)用水總量30年來一直穩(wěn)定在13×108m3,農(nóng)業(yè)產(chǎn)出卻翻了5番,灌溉面積從16.5×108m2增加到(22—25)×108m2,耕地從16.5×108m2增加到44×108m2[11].近20年來滴灌技術(shù)在全世界范圍內(nèi)以平均每年33%的速度增長,總面積已達到3.77×104hm2[12].我國滴灌面積現(xiàn)已達到近百萬公頃,增長速度已經(jīng)位于世界前列,主要分布在新疆和內(nèi)蒙古等缺水地區(qū),預計到2020年完全有可能達到或接近16×105hm2[13].

以往人們認為地下滴灌能較好地保持土壤結(jié)構(gòu),因此,研究方向主要集中在滴頭設(shè)計、毛管埋深與間距以及灌溉制度等技術(shù)方面[14].但是越來越多的研究發(fā)現(xiàn):滴頭附近的土壤會產(chǎn)生空穴、土壤強度(抗穿透性)增加以及通透性降低等現(xiàn)象[15,16],如圖2所示.這些土壤物理性質(zhì)的變化會導致滴頭附近產(chǎn)生水澇,并限制作物根系進入滴灌濕球獲取水和養(yǎng)分的能力,影響作物生長[16].這說明地下滴灌會改變土壤環(huán)境,需要對其進行深入研究并改良,以解決滴灌引起的土壤退化問題.同時,由于地下排布的滴灌管線的影響,無法使用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的耕作方法疏松土壤結(jié)構(gòu).因此,如何原位修復地下滴灌引起的土壤退化是目前急需解決的問題之一.

在滴灌中使用加氣水可能修復因滴灌引起的土壤退化.當灌溉水中存在空氣泡時,土壤孔隙中部分水被空氣代替,從而改善土壤中的氧氣水平,抑制了土壤厭氧呼吸,有利于作物根系生長和好氧土壤生物的繁殖.此外,由于空氣的存在,孔隙中的流體(水和氣)平均密度降低,有利于減小流體對孔隙周圍土壤顆粒的擾動,保持土壤原來的三相結(jié)構(gòu).當灌溉水中有氣泡時,由于氣泡的密度比水低,灌溉時會從下到上移動,促進水中溶解和分散的營養(yǎng)物質(zhì)、微生物和土壤顆粒等物質(zhì)和能量在垂直方向上的運動和交換,(部分)消除普通滴灌中濕球邊界處的土壤在干濕循環(huán)時因重力和毛細作用引起的密度和強度增加的現(xiàn)象,大大增加了土壤的透氣性[17].加氣水滴灌的好處更能在通透性不良(堿化土、重黏土等)的土壤中得以體現(xiàn)[18].在鹽堿土中,加氣水滴灌的西紅柿產(chǎn)量增加了38%.它還能調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長,提高產(chǎn)量,并改善作物品質(zhì).例如,加氣水滴灌能使番茄的開花期提前,產(chǎn)量是普通滴灌的1.5倍,標準果率提升近一倍[19];能使西瓜的產(chǎn)量增加40%,而且西瓜中的維生素C的含量和蛋白質(zhì)含量也分別提高了50%和20%[20];能促使植物的根更快地吸收養(yǎng)分,使洋蔥的生長速度增加27%[21].這與加氣水滴灌改善土壤中植物根系缺氧問題有關(guān).當土壤中的O2水平相對低并且CO2水平相對高時,有氧呼吸被抑制,從而對植物生長產(chǎn)生不利影響[22,23].此外,加氣滴灌下的土壤環(huán)境更適宜土壤微生物的生命活動,細菌、真菌、放線菌的數(shù)量顯著高于不加氣滴灌.而放線菌菌落數(shù)與土壤肥力和有機質(zhì)轉(zhuǎn)化相關(guān).因此,加氣水滴灌還有可能提高土壤肥力、促進有機質(zhì)轉(zhuǎn)化[23].

圖2 滴灌產(chǎn)生的(a)濕球、(b)裂縫和空穴[15];有無滴灌的土壤(c)地表穩(wěn)態(tài)入滲速率和(d)抗穿透性能比較[16]Fig.2.(a)Wet balls,(b)cracks and holes produced by drip irrigation[15];comparison of soil surface steady in filtration rate(c)and penetration resistance(d)of drip irrigated Soil[16].

2 影響加氣滴灌效果的因素

2.1 滴頭埋深

作為從普通滴灌發(fā)展起來的一種新技術(shù),滴頭埋深等因素也同樣影響加氣滴灌的效果.滴頭埋深直接影響水分、養(yǎng)分在土壤中的運移,而水分、養(yǎng)分在土壤中的分布狀況可極大地影響植物根系的生長與分布及其對水分養(yǎng)分的吸收,從而影響植物整體的生長發(fā)育,最終影響到產(chǎn)量.除此之外,地下滴灌滴頭的埋深,直接影響水分在土壤深層滲漏,并將養(yǎng)分淋移至深層土壤,既造成損失,又可能導致污染[24].

滴頭埋深通常由以下幾個因素綜合決定:一是田間耕作深度,避免因犁翻泥土造成損壞;二是土壤質(zhì)地,由于不同土壤質(zhì)地對土壤水分吸力不同,即使在灌溉定額相同的情況下,水分在土壤中運動也不一樣,形成的濕潤體形狀也各有差異,如沙性土壤中,潤濕體呈豎橢圓狀,黏性土壤中呈現(xiàn)扁平狀,這些不同的潤濕體影響著滴灌帶的埋深和間距;三是作物根系的生長發(fā)育,如果毛管埋深太大則不利于作物幼苗生長,但埋深太小又會影響作物生育后期對水分的需求.

李元等[25]發(fā)現(xiàn),在15和40 cm的埋深下,標準加氣量(49.4 L/m2)時,2次測定大棚番茄的凈光合速率平均較不加氣處理升高21.4%和65.0%.埋深為15 cm時,葉綠素含量、干物質(zhì)積累量及產(chǎn)量隨加氣量的升高呈先升高后降低的趨勢,標準加氣量下較不加氣處理分別提升38.0%,55.4%和59.0%.埋深為40 cm時,葉綠素含量、干物質(zhì)積累量及產(chǎn)量隨加氣量的升高呈持續(xù)升高趨勢,1.5倍標準加氣量(74.2 L/m2)處理較不加氣處理分別提升33.7%,36.2%和105.4%.他們還研究了鋁滴頭埋深對大棚甜瓜(陜甜一號)果實形態(tài)、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)當埋深為25 cm,每天加氣1次品質(zhì)及果實形態(tài)指標最好,產(chǎn)量最高[26].蔡煥杰等[27,28]研究了滴頭埋深對溫室番茄生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)在灌水頻率相同的情況下,滴頭埋深對番茄生長的影響不大.但相對而言,15 cm的滴頭埋深更有利于提高作物的生長量、產(chǎn)量和品質(zhì).他們還研究了滴頭埋深對番茄植株生長、產(chǎn)量和果實品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)埋深15 cm和25 cm對番茄株高、莖粗和葉面積的影響沒有顯著性差異(P<0.05).

2.2 加氣滴灌頻率

滴灌水頻率越低,以滴頭為中心形成的干燥范圍越大,根系受到水分脅迫時間越長.當土體中水分缺乏時,可能會錯過作物需水高峰,從而影響到作物的生長和養(yǎng)分吸收.滴灌水頻率越高,滴頭附近土壤中飽和水的區(qū)域越大,可能導致淋洗滲漏,一方面不利于節(jié)水,另一方面導致土壤營養(yǎng)成分流失,污染地下水源.因此,滴灌頻率需根據(jù)作物生長特點和土壤質(zhì)地等因素加以調(diào)節(jié).

蔡煥杰等在日光溫室地下滴灌條件下,采用相同的灌水量,研究不同加氣頻率(1天1次、2天1次、4天1次)對西瓜全生育期生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響.結(jié)果表明:3種加氣頻率在產(chǎn)量上與對照組相比分別提高了7.3%,18.6%,4.5%,可溶性總糖和可溶性固形物含量提高顯著;從西瓜株高、葉面積、葉綠素、總生物量和產(chǎn)量等綜合分析,加氣頻率采用2天1次最優(yōu)[29].他們還采用溫室小區(qū)對照試驗,比較加氣灌水頻率(3天1次、6天1次)對番茄植株生長及果實產(chǎn)量和品質(zhì)的影響.發(fā)現(xiàn):6天1次加氣灌溉番茄株高、莖粗、產(chǎn)量均大于3天1次加氣灌溉處理[27].加氣灌溉有利于溫室番茄莖粗、株高的生長,并且對番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)均有利.在相同的灌水量條件下,6天1次較3天1次的加氣灌水頻率,株高增加了8.08%,莖粗增加了6.33%,產(chǎn)量增加了26.01%[30].喬建磊等[31]發(fā)現(xiàn)加氣滴灌可以提高藍莓葉片PSII反應(yīng)中心最大熒光產(chǎn)量(Fm),且不同加氣頻率對葉片最大熒光Fm值具有顯著影響(P<0.05);加氣滴灌有利于提高藍莓葉片PSII光能俘獲效率(Fv′/Fm′),同時提高了葉片實際光化學效率(yield)和光化學猝滅系數(shù)(qP),且加氣頻率不同,葉片PSII電子傳遞活性表現(xiàn)出較大的差異.加氣滴灌可以有效提高藍莓葉片葉綠素a和葉綠素b的含量,且加氣頻率不同其作用效果也有所不同;但加氣處理對藍莓葉片中葉綠素a與葉綠素b含量的比值影響不大,在整個試驗期間均無顯著差異(P>0.05)[32].姚幫松等[33]發(fā)現(xiàn),在試驗設(shè)計范圍內(nèi),水稻單穴最大分蘗數(shù)隨增氧灌溉頻率的降低而增加,但是單穴有效穗數(shù)和成穗率卻大致隨著增氧灌溉頻率的增加而提高.Wang等[34]在2001年和2002年的地表田間試驗中,研究了灌溉頻率對土壤水分分布、馬鈴薯根系分布、馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和水分利用效率的影響.他們發(fā)現(xiàn)滴灌頻率對土壤水分分布有一定的影響,這取決于馬鈴薯生長階段、土壤深度和灌水器距離.滴灌頻率對馬鈴薯根系生長也有一定影響:頻率越高,0—60 cm土層根長密度越高,0—10 cm土層根長密度越低.另一方面,即使在作物以最高頻率灌溉時,馬鈴薯根系也不受濕潤土壤體積的限制.高頻灌溉提高馬鈴薯塊莖生長和水分利用效率.在2001年和2002年將灌溉頻率從1天1次減少到8天1次,分別顯著導致33.4%和29.1%的減產(chǎn)量[34].

2.3 灌水量

灌水量對作物產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率的影響不及加氣頻率和滴灌帶埋深[35].研究表明,對甜瓜的果實形態(tài)、品質(zhì)及產(chǎn)量影響的大小順序依次為加氣頻率、滴灌帶埋深和灌水控制上限.灌水量控制在田間持水量的80%時,果實可溶性固形物含量最高,但灌水量為70%田間持水量時,可溶性總糖、產(chǎn)量、水分利用效率最高[26].加氣灌溉可以對番茄開花時間產(chǎn)生影響.如圖3所示,第一層花中,高水加氣處理(T1)平均比對照組提前2 d開花;第二層花與第三層花的幾種加氣處理與對照組差別不大.在不同的灌溉水平下,中水更利于提前開花時間;如果灌水量過低,反而延后開花時間[36].他們進一步系統(tǒng)考察了灌水量對溫室番茄生長、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)Kcp為1.0的灌水量處理對番茄的生長、產(chǎn)量、水分利用效率和品質(zhì)最優(yōu)[30].

加氣滴灌的灌水量還會影響土壤的N2O和CO2的排放[37],并影響土壤中的微生物[38].但它對土壤中細菌、放線菌數(shù)量以及過氧化氫酶和脲酶活性、真菌數(shù)量的影響也不及加氣頻率和滴灌帶埋深.當灌水至田間持水量的80%,過氧化氫酶活性最高,放線菌數(shù)量最多;灌水至田間持水量的90%,脲酶活性最高,細菌及真菌數(shù)量最多[35].

圖3 加氣滴灌對番茄開花時間對影響 T1,T2,T3分別為高水、低水、中水加氣處理,其蒸發(fā)皿(作物皿)系數(shù)Kcp分別為1.2,1.0,0.4;CK為對照組,其Kcp為1.2[36]Fig.3.Effect of drip irrigation on the blossom time of tomato.T1,T2 and T3 were respectively treated with high water,low water and medium water.The Kcpof evaporation dish(crop dish)was 1.2,1.0 and 0.4 respectively.CK was the control group with its Kcpof 1.2[36].

2.4 植物生育期

植物在不同的生育期對土壤水分的需求不同.苗期需水量稍少,隨著作物的生長而增加,到生長旺期需水量最大,成熟期逐漸減少.因此,在不同的生育期進行加氣滴灌的效果理應(yīng)不同.

目前,大部分研究是對植物的全生育期進行加氣滴灌處理.例如,在日光溫室地下滴灌條件下,在西瓜全生育期內(nèi)向溫室小型西瓜根區(qū)加氣,3種加氣頻率(1天1次,2天1次,4天1次)在產(chǎn)量上與普通滴灌相比分別提高了7.3%,18.6%,4.5%,可溶性總糖和可溶性固形物含量提高顯著[29].溫室小區(qū)試驗中,番茄全生育期單株總灌水量為18.28 L的條件下,加氣滴灌對植株生長量及果實產(chǎn)量和品質(zhì)的影響明顯優(yōu)于普通滴灌[27].在番茄生長后期加氣和整個生育期加氣均能明顯改善番茄的品質(zhì),提高果實中的番茄紅素、VC、有機酸和可溶性糖的含量,降低硝酸鹽的含量[39].

蔡煥杰等[40]研究表明,番茄在不同生育時期對根際加氣的響應(yīng)不同,且加氣效果不具有疊加性,即單獨生育時期加氣效果較全生育時期加氣處理明顯.苗期加氣處理可提前首層開花時間;全生育時期加氣處理可以提高葉綠素含量11.1%;開花后加氣處理也可提前二、三層開花時間,并增高14.8%;坐果期加氣處理可以促進干物質(zhì)累積,提高根冠比(見表1),增粗5.6%,獲得最大產(chǎn)量.

姚幫松等[41]研究發(fā)現(xiàn),在不同生育期對根區(qū)通氣增氧處理可促進根系生長,提高根系活力.根區(qū)加氣滴灌處理的雜交水稻根總長、根總體積、根總表面積、平均根系直徑、根干重和根尖數(shù)等特征指標都明顯優(yōu)于對照組,且表征根系活力的氯化三苯基四氮唑(TTC)還原強度隨著增氧頻率的降低而減弱.

表1 不同生育時期加氣處理對番茄干物質(zhì)積累量和根冠比對的影響[40]Table 1.Effects of rhizosphere ventilation at different growth stages on dry matter weights and root/shoot ration of tomato.

2.5 加氣方式與設(shè)備

加氣方式與設(shè)備決定了灌溉水中氧氣的存在形式和氣泡大小及分布,從而影響加氣灌溉的效果.研究表明,文丘里、空氣壓縮機等加氣設(shè)備均可用于微灌加氣技術(shù),但不同的加氣設(shè)備及其加氣運行模式可產(chǎn)生不同效果[42].機械加氣滴灌和化學溶氧滴灌可在旺長期和現(xiàn)蕾期提高煙草根干重、總根數(shù)、主根數(shù).機械加氣滴灌根冠比隨著煙草的生長呈現(xiàn)接近并遞增的趨勢;而化學溶氧加氣滴灌和常規(guī)滴灌煙草根冠比隨著煙草的發(fā)育呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢.機械加氣滴灌方式可使煙草根系活力達到最優(yōu),根系體積擴大,不定根及細根量增多,根系活力增強[43].機械加氧灌溉比化學加氧灌溉更有利于煙草根系的扎深,化學加氧灌溉比機械加氧灌溉更有利于營養(yǎng)物質(zhì)向地面植株的分配[44].但化學溶氧滴灌方式總節(jié)水效果和增產(chǎn)效果均比機械加氣滴灌好.機械加氣滴灌可使煙草根系活力達到最優(yōu),根系體積擴大,不定根及細根量增多,總耗水量增加;而化學溶氧加氣滴灌根系的發(fā)育要比冠部的發(fā)育慢,可節(jié)約部分水[45].加氣灌溉能夠明顯提高溫室番茄產(chǎn)量,且文丘里加氣法和水氣分離加氣法處理的溫室番茄產(chǎn)量分別比未通氣灌溉增加了30%和5%左右.高水且采用文丘里加氣的水分利用效率以及干物質(zhì)累積量均最大.溫室番茄以高水且采用文丘里加氣灌溉為宜[46].

3 土壤環(huán)境調(diào)節(jié)機理

3.1 加氣水滴灌與土壤水環(huán)境調(diào)節(jié)

水分既是植物光合作用形成碳水化合物不可或缺的物質(zhì),也是構(gòu)成植物體本身不可缺少的物質(zhì),同時也是植物體內(nèi)輸送養(yǎng)分的載體,是農(nóng)作物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子.植物所需水分主要來自土壤水,植物吸收土壤水受土壤水氣狀況的影響.以棉花為例,75%的田間持水量下棉花產(chǎn)量最高;過高的土壤水分含量不利于棉花根系生長和棉花質(zhì)量[47].

滴灌最先需要解決的就是土壤缺水問題.因此,加氣水滴灌對土壤的水環(huán)境調(diào)節(jié)至關(guān)重要.與普通滴灌不同的是,加氣滴灌中,水中加入的氣體與土壤之間的相互作用會進一步提高水分利用率,改善作物的產(chǎn)量和品質(zhì).雷宏軍等[48]以溫室番茄為研究對象,研究循環(huán)曝氣地下滴灌對番茄生理及品質(zhì)的影響.結(jié)果表明,與普通地下滴灌相比,曝氣處理后番茄的水分利用效率提高了20.72%;番茄最大根長增加了16.75%,根冠質(zhì)量之比提高了25.81%;番茄果實前5次產(chǎn)量提高了29.15%;維生素C含量提高了13.25%;可溶性固形物含量提高了8.62%;糖酸比提高了22.05%;而總酸含量和硬度分別下降了15.50%和11.19%.姚幫松等[49]研究了加氣水滴灌對盆栽馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響,發(fā)現(xiàn):1天3次和1天1次的加氣滴灌使馬鈴薯的產(chǎn)量分別增加了16.05%和11.23%;株高平均增長了6.83%;莖粗平均增長了12.78%;水分利用效率分別提高了16.07%和11.22%.

3.2 加氣水滴灌與土壤氣環(huán)境調(diào)節(jié)

水、肥、氣、熱是保障土壤肥力的四大要素,傳統(tǒng)的灌溉方式往往忽視了氣這一重要因素.良好的土壤通氣性是作物正常生長發(fā)育的保證.加氧灌溉通過采用合理的方法改善土壤通氣狀況,協(xié)調(diào)土壤四大要素之間的關(guān)系,提高土壤肥力,滿足作物生長的需要;可提高作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)[50].氧是植物生命活動所必需的營養(yǎng)因子,充足的氧供應(yīng)才能滿足植物正常生長發(fā)育的需求[51].土壤氧氣含量是影響土壤呼吸變化的重要因子.研究表明,加氣灌溉下土壤含水率略有下降,土壤呼吸速率和土壤氧氣含量分別比對照提高了33.16%和16.61%.而且加氣灌溉明顯改善了根區(qū)土壤環(huán)境,減少了限制土壤呼吸的其他因素[52].番茄生長前期,土壤呼吸與充氣孔隙度和氧氣含量顯著正相關(guān);番茄生長后期,土壤和土壤微生物呼吸與土壤氧氣含量顯著負相關(guān)(P<0.05)[53].加氣灌溉條件下,溫室番茄根區(qū)土壤氧氣含量、土壤呼吸、溫度和植物根系呼吸均有所增大.與不加氣相比,土壤和植物根系呼吸顯著增大了25.5%和38.8%(P<0.05),加氣滴灌促進了土壤、土壤微生物和植物根系呼吸,有效改善了土壤通氣性[53].

以大棚立體種植油麥菜為例,油麥菜株高、葉片數(shù)和莖粗與灌溉水中溶氧量正相關(guān).溶氧量為8 mg/L時,單株鮮質(zhì)量和干質(zhì)量最大,分別為56.25,10.71 g;溶氧量為1.2 mg/L時,株鮮質(zhì)量和干質(zhì)量最小,分別為42.64,3.52 g[54].土壤水溶解氧也能顯著影響水稻的生長.灌水后根區(qū)較高的土壤水溶解氧含量一般能夠持續(xù)5天左右,加氣灌溉對0—20 cm土層土壤水溶解氧含量影響顯著,對深層土壤影響較小[55].已有研究表明,增氧可以提升棉花生長潛力.持續(xù)性增氧的水培棉花的根體積、根系總吸收面積、根活性面積、根系生物量、株高、地上部生物量、氮和鉀的吸收量的促進作用均達到顯著水平,分別比不增氧增加了194.62%,261.89%,301.73%,57.15%,22.76%,38.03%,35.27%,84.78%,間歇性增氧對根系生物量、株高、地上部分生物量的促進作用顯著,分別比不增氧高30.83%,15.65%,21.19%[47].

加氣灌溉引起的土壤中氧氣含量改變勢必會影響土壤微生物活動和作物根系生長,進而影響土壤CO2和N2O的產(chǎn)生和排放.其中,CO2是大氣中最重要的溫室氣體,對全球變暖起到重要作用.不同灌溉水平下,夏玉米地土壤CO2排放通量與土壤充水孔隙率呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性達顯著水平(P<0.05).虧缺灌溉在一定程度上抑制了土壤CO2的排放,土壤充水孔隙率低于50%時,CO2排放通量維持在較低水平;但當土壤充水孔隙率高于50%時,CO2排放通量隨著土壤充水孔隙率的增加而有大幅度增加[56].溫室小區(qū)試驗中,在番茄的整個生育期,不同加氣灌溉模式下土壤CO2排放通量隨移植后天數(shù)增加總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,峰值均出現(xiàn)在番茄開花坐果期.加氣和充分灌溉處理較對應(yīng)的不加氣和虧缺灌溉處理增加了番茄整個生育期土壤CO2平均排放通量和排放量,但差異不顯著(P>0.05).土壤CO2排放通量與土壤充水孔隙率呈負相關(guān),但相關(guān)性不顯著(P>0.05)[57].不同加氣灌溉模式下,加氣和充分供水處理均增加了秋冬茬溫室番茄整個生育期的土壤N2O排放量,以加氣充分灌溉最大(120.34 mg/m2),分別是加氣虧缺灌溉和不加氣虧缺灌溉的1.89和4.21倍(P<0.01).可見,加氣灌溉增加了溫室番茄地土壤N2O排放,且在虧缺灌溉條件下,加氣灌溉對溫室番茄地土壤N2O排放的影響顯著[37].充分灌水溫室芹菜地N2O排放顯著(P<0.05)高于虧缺灌溉;施氮顯著(P<0.05)增加了土壤N2O排放,施氮量150,200和250 kg/hm2的N2O累積排放量分別是不施氮的2.30,4.14和7.15倍.灌水和施氮提高芹菜產(chǎn)量的同時,顯著增強了土壤N2O排放[58].

3.3 加氣水滴灌與土壤微生物環(huán)境調(diào)節(jié)

土壤微生物在土壤中進行氧化、硝化、氨化、固氮、硫化等過程,促進土壤有機質(zhì)的分解和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化.它們是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的動力,土壤酶與微生物細胞一起推動物質(zhì)轉(zhuǎn)化.由于加氣水滴灌改變了土壤的水、氣、熱等環(huán)境條件,對土壤微生物的數(shù)量和菌落將產(chǎn)生無法避免的影響.加氣灌溉下的土壤環(huán)境更適宜土壤好氧微生物的生命活動.番茄在各生育期加氣時的根區(qū)土壤中細菌、真菌數(shù)量均明顯提高;高水水平和中水水平下加氣灌溉處理的細菌、真菌、放線菌的數(shù)量也顯著高于普通滴灌[59].

在日光溫室內(nèi),加氣滴灌增加了番茄全生育期的土壤硝化細菌數(shù)量,平均增加了2.1%;同時降低了約9.7%(P>0.05)的土壤反硝化細菌數(shù)量.增加灌水量,土壤硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量均逐漸增加(P>0.05)[38].牛文全等[35]發(fā)現(xiàn),加氣灌溉對大棚甜瓜根系土壤酶活性、土壤微生物數(shù)量均有顯著影響.對細菌、放線菌數(shù)量的影響由大到小依次為加氣頻率、滴灌帶埋深和灌水上限;對過氧化氫酶和脲酶活性、真菌數(shù)量的影響由大到小依次為滴灌帶埋深、加氣頻率和灌水上限.每天加氣1次土壤脲酶活性最高,細菌數(shù)量也最多;每兩天加氣1次土壤過氧化氫酶活性最高,真菌數(shù)量最多.灌水至田間持水量的80%過氧化氫酶活性最高,放線菌數(shù)量最多;灌水至田間持水量的90%脲酶活性最高,細菌及真菌數(shù)量最多.

于坤等[60]研究了單純根際注氣對土壤細菌群落結(jié)構(gòu)的影響.根際注氣即可促進與硝化作用相關(guān)的亞硝化螺菌屬,磷鉀代謝相關(guān)的假單胞菌屬、芽孢桿菌屬,抑制與反硝化相關(guān)的羅爾斯通菌屬,表明加氣灌溉能促進植株對氮磷鉀的吸收與提高硝化作用、解磷解鉀相關(guān)菌群數(shù)量有關(guān).根際注氣可有效改變細菌群落豐度,但對細菌群落多樣性影響較小.注氣處理增加了放線菌門和硝化螺旋菌門的豐度,其中在40—50 cm土層注氣處理放線菌門和硝化螺旋菌門分別比未注氣高16.7%與22.7%,達到極顯著水平.

即便是普通滴灌也能恢復鹽堿地土壤酶活性.Kang等[61]研究發(fā)現(xiàn),滴灌條件下鹽堿地土壤的堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性隨栽培年限的增加而增加,分別為4.5,1.39,19.39和20.25,3.17,61.33 μg·g-1·h-1. 堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性均隨滴頭水平距離和垂直距離的增加而降低.滴灌3年后,土壤酶活性與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)性大于未墾地;4—6年后,土壤酶活性應(yīng)達到天然羊草草原的水平.

3.4 加氣水滴灌與土壤營養(yǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)

加氣滴灌可以改善作物的根系生長環(huán)境,從而促進根系對養(yǎng)分的吸收[31].雷宏軍等[62]研究發(fā)現(xiàn),循環(huán)曝氣滴灌有效提高了作物氮、磷、鉀的吸收效率.其中,鄭州黏土和洛陽粉壤土氮素吸收量較常規(guī)滴灌分別顯著提高了23.68%和27.72%(P<0.05).不同土壤作物磷、鉀吸收效率均有顯著提高(P<0.05),其中鄭州黏土分別增加了27.54%和62.81%,洛陽粉壤土增加了25.20%和63.26%,駐馬店砂壤土增加了26.86%和23.97%.于坤等[63]通過氮同位素示蹤標記表明:注氣處理可顯著促進葡萄新生部位對硝態(tài)氮的吸收,抑制銨態(tài)氮的吸收利用.但根際注氣并未影響葡萄根系對硝態(tài)氮的偏好,宜選擇硝態(tài)氮作為氮肥來源.

3.5 加氣水滴灌與土壤礦物環(huán)境調(diào)節(jié)

土壤礦物占土壤固相物質(zhì)的絕大多數(shù),一般約占干土重的95%以上,是土壤最基本的物質(zhì)成分.土壤礦物質(zhì)是營養(yǎng)元素的重要來源,構(gòu)成了土壤的骨骼,影響土壤的質(zhì)地、孔隙、通氣性、透水保水性、供肥保肥性等一系列肥力性狀.其中,可溶性礦物在灌溉時能全部或部分溶解淋失,影響電導率和pH分布,從而影響滴灌局域的土壤礦物環(huán)境.

Kang等[64]采用田間試驗研究了中國東北松嫩平原鹽堿地土壤滴灌對種子萌發(fā)和星星草生長的影響.結(jié)果表明,滴灌對土壤含水量、飽和土壤提取物的電導率(ECe)和pH分布有一定的影響,抑制了根區(qū)鹽分的積累,使種子萌發(fā).整個土壤剖面的ECe和pH隨著土壤基質(zhì)勢的增加而降低.試驗兩年后,分蘗數(shù)、株高、穗數(shù)、長度、地上生物量和覆蓋度均顯著增加,土壤基質(zhì)勢為15—20 kPa的生長效果優(yōu)于其他處理.

4 總結(jié)與展望

土壤是糧食安全、水安全和更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)安全的基礎(chǔ).受水土資源的制約,發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)正成為國家戰(zhàn)略.傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)采用大水漫灌方式進行灌溉,用水量大.而且不合理的灌溉和耕作會破壞土壤環(huán)境,直接導致華北平原地下水漏斗、東北黑土區(qū)持續(xù)退化、黃淮平原次生鹽漬化嚴重等問題.地下滴灌技術(shù)是最節(jié)水的灌溉技術(shù)之一,但是它在一定程度上也影響土壤環(huán)境.加氣水滴灌一方面能改善滴灌時作物根系缺氧情況,另一方面能促進土壤微生物生長,提高土壤肥力;而且還能改善土壤結(jié)構(gòu),修復土壤.

加氣滴灌對作物生長、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響因素主要有:滴頭埋深、滴灌頻率、灌水量、作物生育期以及加氣設(shè)備和方式等.其中,灌水量對作物產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率的影響不及加氣頻率和滴頭埋深.雖然目前大部分研究采用全生育期加氣,但是不同生育時期對加氣的響應(yīng)不同,且加氣效果不具有疊加性.不同的加氣設(shè)備及其加氣運行模式可產(chǎn)生不同效果.機械加氣滴灌可使煙草根系活力達到最優(yōu);化學溶氧加氣滴灌根系的發(fā)育要比冠部的發(fā)育慢,可節(jié)約部分用水.而溫室番茄以高水且采用文丘里加氣灌溉為宜.孫景生等[65]研究發(fā)現(xiàn),地下滲灌較地下滴灌顯著提高灌溉水生產(chǎn)效率,且以地下滲灌加氣灌溉的水分生產(chǎn)效率最高.加氣灌溉結(jié)合地下滲灌可以實現(xiàn)溫室芹菜節(jié)水高產(chǎn),可能成為加氣灌溉的一種新方式.

近年來,微納米氣泡也被嘗試用于加氣滴灌中.呂謀超等研究發(fā)現(xiàn),微納米加氣灌溉模式下番茄株高、莖粗、單株葉面積增長速度較常規(guī)灌溉得到顯著提高,表現(xiàn)為苗期、開花期、坐果期番茄生長優(yōu)勢明顯.微納米加氣灌溉可改變番茄的產(chǎn)量分布特征,促進番茄提早成熟從而獲得更大的經(jīng)濟效益.微納米加氣灌溉對番茄VC量、可溶性固形物和蛋白質(zhì)均有不同程度提高,有機酸呈降低趨勢,對糖酸比的影響不大[66].微納米氣泡加氧質(zhì)量濃度對水培蔬菜的生長與品質(zhì)指標影響差異顯著.油麥菜、小白菜、小油菜的干質(zhì)量隨加氧質(zhì)量濃度的升高呈先增加后減少的趨勢,而根長隨加氧質(zhì)量濃度的升高呈遞增趨勢;加氧質(zhì)量濃度為10 mg/L時,蔬菜VC量較高;加氧質(zhì)量濃度為15 mg/L時,干質(zhì)量和葉片長度均能達到較高水平;加氧質(zhì)量濃度為20 mg/L時,蔬菜可溶性糖量較高;加氧質(zhì)量濃度為30 mg/L時,蔬菜根系較發(fā)達[67].

污水和微咸水也能用于加氣水滴灌,微咸水中的NaCl介質(zhì)對氧總傳質(zhì)系數(shù)的增幅顯著.Hassanli等在伊朗南部用城市污水進行了為期25個月的滴灌.統(tǒng)計結(jié)果表明,0,30,60和60—90 cm土層的鹽分分別從8.2,6.8和7 dS/m降低到1.07,1.12和3.5 dS/m.土壤pH值在0—30和30—60 cm土層中分別提高0.8和0.6.25個月的污水灌溉導致土壤容重略有增加,平均滲透率略有下降[68].微咸水中NaCl的存在及活性劑添加對提高曝氣灌溉的氧傳質(zhì)效率,實現(xiàn)節(jié)能高效的灌溉有重要作用.生物降解活性劑BS1000(醇烷氧基化物質(zhì)量濃度、1,2,4 mg/L)的添加促進氧傳質(zhì)過程的發(fā)生,提高了曝氣水中的溶氧飽和度.隨著BS1000濃度增加,氧總傳質(zhì)系數(shù)逐漸增加,而溶氧飽和度呈現(xiàn)下降的趨勢.BS1000質(zhì)量濃度在2 mg/L及以上時,NaCl介質(zhì)對氧總傳質(zhì)系數(shù)的增幅顯著;NaCl介質(zhì)對曝氣水中的溶氧飽和度起到抑制作用.添加活性劑BS1000可使氧總傳質(zhì)系數(shù)平均提高18.85%以上(P<0.05)[69].

滴灌還是一種有效的鹽堿地復墾方法.Kang等[70]將滴灌技術(shù)用于鹽堿地復墾中.結(jié)果表明,在玉米栽培和滴灌后,土壤物理環(huán)境和養(yǎng)分狀況均得到改善,有利于微生物的活性和植物的生長.若能采用加氣水滴灌,將有可能提高鹽堿地土壤修復效率.

在加氣水滴灌的土壤環(huán)境調(diào)節(jié)機理方面,研究人員大多考慮了加氣水滴灌對土壤肥力的四大因素(水、肥、氣、熱)以及營養(yǎng)和礦物質(zhì)等的影響,并認為,通氣提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的機理是促進作物地上部分光合作用及光合產(chǎn)物的積累運轉(zhuǎn)、促進根系生長發(fā)育及對土壤礦質(zhì)元素吸收和增加土壤微生物群落多樣性及酶活性[71].也有研究表明,加氣水滴灌效果與土質(zhì)有關(guān),在黏壤土和粉質(zhì)黏壤土中效果明顯,而在砂壤土中效果不明顯.在黏質(zhì)型土壤中,0.1 MPa加氣滴灌對作物生長有較好的促進作用[72].甚至有人在溫室小區(qū)試驗中發(fā)現(xiàn)加氣灌溉對試驗中觀測的土壤生境因子的影響不顯著(p>0.05).但他們認為土壤生境因子的微小改變可能會大幅改變土壤的環(huán)境效應(yīng)和作物產(chǎn)量及品質(zhì)[73].

我們認為,加氣水滴灌能改善土壤結(jié)構(gòu).而土壤結(jié)構(gòu)的改良會調(diào)節(jié)土壤的環(huán)境,它們相互促進,進一步提高土壤肥力.已有研究表明,灌溉時水分子自上而下滲流過程中,黃土層中微小顆粒、可溶物也隨之下遷,形成坡頂至坡腳黃土顆粒粒度、結(jié)構(gòu)特征、可溶物含量截然不同的特征[74].短時間曝氣能很快提高土壤的透氣性[69].曝氣后10 min內(nèi)棕壤林地土壤的透氣性水平分別為3.7,2和1.5倍,婁土壤分別為3,2.5和2倍[75].滴頭附近的土壤會產(chǎn)生空穴、土壤強度(抗穿透性)增加以及通透性降低等現(xiàn)象[15,16].這些證據(jù)都表明(加氣水)滴灌會改變土壤結(jié)構(gòu).

但由于實驗條件的限制,目前絕大部分研究都聚焦在加氣水滴灌的效果上,加氣水滴灌對土壤結(jié)構(gòu)的改變少有報道.顯微成像技術(shù),尤其是計算機斷層掃描技術(shù)為研究土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了保障,它能分辨出土壤中的孔隙結(jié)構(gòu)及其連通性[76-79],甚至能分辨出土壤孔隙中空氣、水和有機質(zhì)的空間分布[80,81].這些結(jié)構(gòu)信息將為分析土壤的含水量及分布[82-84]、孔隙率和透氣性[85-87]、土壤強度[88,89]、土壤中營養(yǎng)物質(zhì)與礦物質(zhì)的流動[90-92]、土壤微生物的活動[93-97]提供有利的幫助[98-100].近年來,隨著研究條件的改善,國內(nèi)越來越多的研究人員利用該方法研究了各種土壤結(jié)構(gòu)以及長期耕種對土壤結(jié)構(gòu)的影響[101-108].

我們的前期研究結(jié)果也表明,加氣水滴灌能改善土壤的結(jié)構(gòu).利用上海光源X射線成像線站,我們對土壤進行斷層掃描并數(shù)字重構(gòu),原位研究加氣水滴灌前后土壤的結(jié)構(gòu)及其變化情況后發(fā)現(xiàn):加氣水滴灌后,大孔(紅色)的數(shù)量明顯變少;小孔(藍色)的密度明顯增加,土壤孔隙的連通性增加,如圖4所示.這些結(jié)構(gòu)變化將有利于增加土壤的透氣性,促進植物的生長.

圖4 加氣滴灌前后土壤中孔隙的分布情況 (a)加氣滴灌前;(b)加氣滴灌后Fig.4.The connectivity of pores in soil before(a)and after(b)aerated drip irrigation.

我們也注意到,土壤的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系已經(jīng)引起了土壤學界的關(guān)注.在今年的土壤科學領(lǐng)域國際知名期刊《Geoderma》上發(fā)表了一篇題為“Soil structure as an indicator of soil functions:A review”的綜述文章詳細討論了各種土壤的性狀與土壤結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[109].正如文中指出,土壤的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系尚不明確.孔隙度、大孔隙度、孔隙距離和孔隙的連通性是幾個相關(guān)土壤功能的主要指標.成像儀器似乎是最可靠的工具來表征它們,但是我們無法得出這些土壤結(jié)構(gòu)指標與土壤功能之間的確切關(guān)系的任何結(jié)論.這需要研究大量不同土壤類型和管理實踐,以跨越這些性質(zhì)的整個范圍,并得出可靠的結(jié)論;應(yīng)努力通過一個“土壤結(jié)構(gòu)庫”產(chǎn)生大量的土壤類型的知識,以便表征和推導類似功能的土壤的關(guān)系.作者認為,應(yīng)該大量采用原位成像的實驗方法減少影響土壤結(jié)構(gòu)的因素,促進土壤結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的研究.

因此,基于加氣水滴灌的土壤環(huán)境調(diào)節(jié)機理的研究應(yīng)該立足于加氣水滴灌對土壤結(jié)構(gòu)的改變,分析和總結(jié)出加氣水滴灌改變土壤結(jié)構(gòu)的規(guī)律,在此基礎(chǔ)上結(jié)合加氣水對土壤微生物、土壤宏觀性能以及農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響規(guī)律,深入理解加氣水滴灌時土壤中固、液、氣三相之間的相互作用機理,為確定固-液-氣三相的最佳平衡點以及土壤環(huán)境調(diào)節(jié)和修復機理提供實驗支持.未來滴灌應(yīng)用范圍會更廣闊[110].加氣水滴灌的土壤環(huán)境調(diào)節(jié)機理的研究將促進地下滴灌技術(shù)的發(fā)展,有利于降低地下滴灌的成本并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,為我國的節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展和推廣、土壤的修復和改良提供有力的理論和實驗指導,推動我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展.