李 江 潘艷川 繳錫云,2 胡偉鈺 劉 永

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210098; 2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098)

0 引言

作物秸稈含有豐富的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)，施加到農(nóng)田中可以提高土壤養(yǎng)分含量、調(diào)節(jié)土壤酸堿度。合理的秸稈還田方式可以改善土壤的水、肥、氣、熱等狀況，優(yōu)化農(nóng)田環(huán)境、培育地力，提高作物品質(zhì)與產(chǎn)量[1-2]，進(jìn)而帶來(lái)較高的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，利于維持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)我國(guó)大力發(fā)展秸稈還田制度，然而南方水田區(qū)域秸稈還田后田面水發(fā)黑變臭、土壤還原性升高的問(wèn)題頻頻發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)稻田淹水環(huán)境造成的低氧脅迫加之秸稈還田的作用，會(huì)促使土壤中H2S、Fe2+、Mn2+等還原性物質(zhì)累積而引起毒害，造成水稻根系發(fā)黑[3]。土壤還原性物質(zhì)含量反映了土壤的氧化還原狀況，土壤長(zhǎng)期處于較強(qiáng)的氧化還原狀況，作物生長(zhǎng)會(huì)受到危害[4]。在我國(guó)南方稻麥輪作區(qū)，小麥?zhǔn)斋@后其秸稈會(huì)直接翻埋還至田中，而麥秸稈還田會(huì)致使土壤還原性物質(zhì)升高，威脅淹水環(huán)境下的水稻生長(zhǎng)發(fā)育[5]。因此，對(duì)稻麥輪作區(qū)秸稈還田后淹灌水稻開(kāi)展改善土壤還原性研究，對(duì)于維持水稻正常的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。

微納米氣泡水中氣泡的粒徑為納米級(jí)別，能夠長(zhǎng)期滯留于土壤和水體中，增加氣體在水溶液中的溶解度，富集水中的活性氧。其吸附性能強(qiáng)，可以改善水體的淹水嫌氣環(huán)境，為好氧菌落提供生存處所，從而緩解厭氧條件下氮磷物質(zhì)的無(wú)序生成難題[6]。與傳統(tǒng)的加氣技術(shù)相比，微納米氣泡水有利于減小水體的擾動(dòng)進(jìn)而減少不必要的氣體揮發(fā)。近年來(lái)微納米加氣增氧技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于水質(zhì)處理[7]、農(nóng)業(yè)灌溉[8-9]、地下水修復(fù)[10]等方面。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中加氣灌溉可以有效改善土壤的通氣條件，抑制土壤還原性物質(zhì)的積累，為作物生長(zhǎng)提供有益環(huán)境，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)[11-17]。針對(duì)秸稈還田后南方水田出現(xiàn)的土壤還原性物質(zhì)增多、水稻根系呼吸減弱等現(xiàn)象，可以嘗試使用微納米加氣增氧灌溉技術(shù)來(lái)緩解這一問(wèn)題。本研究以稻麥輪作區(qū)小麥秸稈還田后的淹灌水稻為研究對(duì)象，開(kāi)展盆栽試驗(yàn)研究不同進(jìn)氣量的微納米加氣灌溉處理?xiàng)l件下稻田土壤的還原性以及水稻的生長(zhǎng)狀況，探索微納米加氣灌溉技術(shù)對(duì)秸稈還田后水稻的生長(zhǎng)環(huán)境及生長(zhǎng)發(fā)育的影響規(guī)律，為制定適宜的微納米加氣灌溉制度提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料

本試驗(yàn)于2020年6—12月在江蘇省南京市河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)內(nèi)(31°54′57″N、118°46′37″E)開(kāi)展。試驗(yàn)盆采用直徑56 cm、深80 cm的圓桶，圓桶四周密封，底部填有厚度5 cm的砂石反濾層，反濾層側(cè)壁設(shè)有出水口，盆栽示意圖如圖1所示。試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理(CK、ST、SO1、SO2、SO3、SO4)，每個(gè)處理3次重復(fù)，見(jiàn)表1。根據(jù)江蘇省農(nóng)民耕作習(xí)慣，將小麥秸稈以翻埋的形式與土壤進(jìn)行混合施于土壤表層0～20 cm處，秸稈還田后向SO處理的盆栽?xún)?nèi)灌溉經(jīng)微納米加氣設(shè)備處理形成的微納米氣泡水。水稻采用集中育秧后移栽的方式進(jìn)行栽培，泡田期后每盆栽5穴，穴距和行距均為15 cm，每穴3株；泡田水量為12 cm，返青分蘗期保持5 cm的淺水層，泡田期開(kāi)始保證5 mm/d的滲漏水量；泡田期施基肥300 kg/hm2(復(fù)合肥，N、P、K含量為18%、18%、18%)，返青期施尿素150 kg/hm2(CO(NH2)2，含氮量大于等于46.4%)，分蘗期施尿素75 kg/hm2(CO(NH2)2，含氮量大于等于46.4%)和穗肥150 kg/hm2(CO(NH2)2，含氮量大于等于46.4%)。

供試土壤為粉砂壤土，容重1.2 g/cm3，pH值5.92，速效氮質(zhì)量比47.4 mg/kg、速效磷質(zhì)量比10.37 mg/kg、速效鉀質(zhì)量比90 mg/kg。試驗(yàn)采用的秸稈為小麥秸稈，經(jīng)風(fēng)干、粉碎至3～5 cm，其總氮質(zhì)量比3.8 g/kg、總磷質(zhì)量比0.66 g/kg。供試水稻為南粳9108，5月30日育秧、7月10日移栽，其生育期分為泡田期(7月2—10日)、返青期(7月11—29日)、分蘗期(7月30日—8月30日)、拔節(jié)期(8月31日—9月16日)、抽穗期(9月17—26日)、乳熟期(9月27日—10月22日)、黃熟期(10月23日—11月11日)。本試驗(yàn)所使用的微納米加氣設(shè)備為XZCP-K-0.55型超微米氣泡發(fā)生器，其氣泡粒徑在200 nm～4 μm之間，氣泡含率84%～90%，平均氣泡上升速度4～8 mm/s。

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Details of different experiment treatments

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

本試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為土壤還原性物質(zhì)以及作物生長(zhǎng)生理指標(biāo)。土壤還原性物質(zhì)的監(jiān)測(cè)深度為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm；測(cè)定指標(biāo)為：土壤活性還原性物質(zhì)含量、土壤Fe2+含量、土壤Mn2+含量。水稻生長(zhǎng)生理指標(biāo)包括：株高、葉綠素含量(Soil and plant analyzer development, SPAD)、光合參數(shù)、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率、干物質(zhì)量及產(chǎn)量。各測(cè)定項(xiàng)目及其方法見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目與方法Tab.2 Details of experiment measurements

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

利用Microsoft Excel 2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，利用Microsoft Excel 2019、Microsoft PowerPoint 2019與Microsoft Visio 2013軟件進(jìn)行繪圖，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析，采用Duncan方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微納米加氣灌溉對(duì)稻田土壤還原性物質(zhì)的影響

2.1.1活性還原性物質(zhì)

各處理不同土層活性還原性物質(zhì)含量(質(zhì)量摩爾濃度)隨水稻生長(zhǎng)發(fā)育的動(dòng)態(tài)變化如圖2a所示，本盆栽試驗(yàn)土壤活性還原性物質(zhì)含量在0.05～19.55 cmol/kg范圍內(nèi)。不同處理下各土層的活性還原性物質(zhì)含量變化趨勢(shì)總體一致，表現(xiàn)為隨著時(shí)間的推移逐漸增大直至抽穗開(kāi)花期后逐漸減小。水稻生育期內(nèi)小麥秸稈還田不加氣灌溉(ST)條件下的各土層活性還原性物質(zhì)含量均高于相同時(shí)段內(nèi)其他處理的含量，且隨著土層深度的加深，ST與CK處理下的活性還原性物質(zhì)含量最高值差異逐漸減小。可見(jiàn)秸稈還田對(duì)于深層土壤活性還原性物質(zhì)的影響較小，對(duì)增加0～20 cm秸稈還田層土壤的活性還原性物質(zhì)效果較為明顯。微納米加氣灌溉處理(SO)相比于ST處理可降低土壤活性還原性物質(zhì)含量，總體來(lái)看，隨著進(jìn)氣量越大土壤活性還原性物質(zhì)的降低效果越優(yōu)，且各土層上SO3和SO4處理的土壤活性還原性物質(zhì)含量差距較小，說(shuō)明0.7 L/min和0.9 L/min進(jìn)氣量的微納米加氣灌溉對(duì)于麥秸稈還田后稻田土壤活性還原性物質(zhì)的改善效果優(yōu)于0.3 L/min和0.5 L/min，且0.7 L/min和0.9 L/min差別不大。

圖3a(圖中不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)為生育期內(nèi)不同土層上活性還原性物質(zhì)的平均含量，結(jié)果顯示ST處理下各土層的活性還原性物質(zhì)含量均顯著高于CK處理，而加氣灌溉可以顯著降低秸稈還田后土壤活性還原性物質(zhì)含量，并隨著進(jìn)氣量的逐步增大，土壤活性還原性物質(zhì)含量逐步降低，在SO4處理達(dá)到最低。SO4處理下0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層活性還原性物質(zhì)含量較ST處理分別降低47.71%、48.66%、46.17%和37.25%。在0～10 cm和40～60 cm土層下SO1與SO2處理對(duì)土壤活性還原性物質(zhì)的影響差異不顯著；除40～60 cm土層外，SO2與SO3處理下的土壤活性還原性物質(zhì)含量均具有顯著性差異；0～10 cm和20～40 cm下，SO3和SO4處理對(duì)土壤活性還原性物質(zhì)影響的差異較為顯著。

2.1.2土壤Fe2+

各土層Fe2+含量隨水稻生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2b，生育期內(nèi)土壤Fe2+含量(質(zhì)量比)在1～272 μg/kg之間變化。不同處理下各土層Fe2+含量均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，土壤Fe2+含量最高值出現(xiàn)在水稻拔節(jié)期。CK和ST處理對(duì)比顯示，生育期內(nèi)ST處理下0～20 cm土層的土壤Fe2+含量均高于CK處理；20～60 cm土層的土壤Fe2+含量在泡田期、返青期、分蘗期與抽穗期內(nèi)ST處理高于CK處理，而拔節(jié)期CK處理下的土壤Fe2+含量略高于ST處理；可見(jiàn)秸稈還田后還田層的土壤Fe2+含量會(huì)明顯增多。加氣灌溉處理下各土層Fe2+含量均會(huì)明顯低于不加氣灌溉處理，且隨著進(jìn)氣量的不斷增大各層土壤Fe2+含量不斷降低，說(shuō)明進(jìn)氣量越大土壤Fe2+含量越低。生育期內(nèi)各土層Fe2+平均含量如圖3b所示，除20～40 cm外，秸稈還田處理(ST)會(huì)顯著提高土壤Fe2+含量；加氣灌溉處理(SO)下各土層中Fe2+含量均顯著低于不加氣灌溉處理，隨著進(jìn)氣量的逐步增大各層土壤Fe2+平均含量逐步減小；SO4處理較ST處理的Fe2+平均含量在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層分別降低了32.65%、56.11%、41.71%和30.35%。0～10 cm土層Fe2+含量在SO2與SO3處理下的變化不顯著；10～20 cm土層SO3與SO4處理對(duì)土壤Fe2+含量影響的差異不顯著；20～60 cm土層，土壤Fe2+含量在不同加氣處理下的變化均具有顯著性差異。

2.1.3土壤Mn2+

不同處理各土層Mn2+含量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)總體一致(圖2c)，隨著時(shí)間的推移各土層Mn2+含量不斷升高，尤以自水稻分蘗期后增長(zhǎng)較快，各處理生育期內(nèi)土壤Mn2+含量(質(zhì)量比)在8～201 mg/kg范圍。全生育期內(nèi)ST處理?xiàng)l件下秸稈還田層(0～20 cm)的土壤Mn2+含量高于其他處理，加氣處理可以降低該層各生育階段內(nèi)的土壤Mn2+含量；20～40 cm土層內(nèi)，CK處理下土壤Mn2+含量在水稻生育前期低于其他處理，而在水稻生育后期該土層內(nèi)土壤Mn2+含量高于其他處理；40～60 cm土層內(nèi)，CK與ST處理下土壤Mn2+含量的差異不大，SO處理下土壤Mn2+含量低于ST與CK處理。由圖2c可知，加氣灌溉可以降低土壤Mn2+含量，尤其是在水稻生育后期這種降低效果較為顯著。生育期內(nèi)各土層Mn2+平均含量如圖3c所示，除40～60 cm土層CK處理與ST處理對(duì)于土壤Mn2+含量的影響變化不顯著外，同一土層內(nèi)各處理下的土壤Mn2+平均含量均具有顯著性差異。不同處理下，生育期內(nèi)各土層中Mn2+平均含量由大到小依次為ST處理、CK處理、SO1處理、SO2處理、SO3處理、SO4處理。說(shuō)明隨進(jìn)氣量的逐步增大各土層Mn2+含量逐漸降低，SO4處理與ST處理相比，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層中土壤Mn2+平均含量分別降低了39.30%、42.76%、29.67%和28.03%。

2.2 微納米加氣灌溉對(duì)水稻生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

不同時(shí)間段各處理下水稻株高生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖4a，各處理下水稻株高動(dòng)態(tài)表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，均隨著時(shí)間的推移不斷增大，并在后期趨于穩(wěn)定水平。CK處理與ST處理下株高生長(zhǎng)的變化沒(méi)有顯著性差異，整個(gè)生育期內(nèi)SO3和SO4處理會(huì)偶爾對(duì)株高的生長(zhǎng)有抑制作用，但在生育后期各處理下水稻株高并無(wú)顯著性差異，成熟后本試驗(yàn)的水稻株高在86 cm左右。圖4b為水稻莖蘗數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，在水稻生長(zhǎng)前期CK、ST、SO1、SO2、SO3處理下水稻莖蘗數(shù)差異不顯著，水稻生長(zhǎng)后期ST處理下的莖蘗數(shù)顯著低于CK處理，但在水稻生長(zhǎng)末期(乳熟期)SO1、SO2、SO3處理可以提高秸稈還田后的水稻莖蘗數(shù)，SO2處理下最終莖蘗數(shù)最多，但與SO1和SO3處理的差異不顯著；整個(gè)生育期內(nèi)SO4處理下水稻莖蘗數(shù)明顯低于其余處理。SPAD是表示植物葉片葉綠素含量相對(duì)值的一個(gè)無(wú)量綱數(shù)值，SPAD越大表示葉綠素含量越高，圖4c為不同生育階段各處理下水稻劍葉SPAD，生育期內(nèi)本試驗(yàn)中水稻劍葉SPAD在44～52之間，SPAD在水稻抽穗期時(shí)最高、乳熟期時(shí)最低，各處理對(duì)SPAD的影響不顯著。

2.3 微納米加氣灌溉對(duì)水稻光合作用的影響

2.3.1氣孔導(dǎo)度

圖5a為不同處理下水稻在各生育階段的氣孔導(dǎo)度，相較于無(wú)秸稈還田處理(CK)，各個(gè)秸稈還田處理均能增加水稻在所有生育階段內(nèi)的氣孔導(dǎo)度。除灌漿期SO4處理外，各秸稈還田處理在全生育期內(nèi)與CK處理的差異均呈顯著性水平。同時(shí)，ST、SO2、SO3和SO4處理下水稻氣孔導(dǎo)度均隨時(shí)間的推移逐漸降低，而CK與SO1處理下的水稻氣孔導(dǎo)度從分蘗期升高至拔節(jié)期達(dá)到最大后開(kāi)始逐漸降低。秸稈還田條件下，分蘗期與抽穗期SO1處理下的水稻氣孔導(dǎo)度與其他處理下的氣孔導(dǎo)度具有顯著性差異；拔節(jié)期各處理之間沒(méi)有顯著性差異；灌漿期SO4處理與其他處理具有顯著性差異。對(duì)比各加氣灌溉處理可以發(fā)現(xiàn)，在分蘗期和抽穗期進(jìn)氣量自0.3 L/min增大到0.7 L/min時(shí)水稻氣孔導(dǎo)度逐漸增大，0.9 L/min進(jìn)氣量下氣孔導(dǎo)度開(kāi)始降低；拔節(jié)期在0.9 L/min進(jìn)氣量下的水稻氣孔導(dǎo)度最大；灌漿期水稻氣孔導(dǎo)度的最大值出現(xiàn)在進(jìn)氣量為0.5 L/min處理；說(shuō)明不同時(shí)期進(jìn)氣量對(duì)于水稻氣孔導(dǎo)度的影響不一致。

2.3.2蒸騰速率

水稻不同生育階段各處理下的蒸騰速率如圖5b所示，與氣孔導(dǎo)度結(jié)果一致，ST處理下水稻蒸騰速率遠(yuǎn)高于CK處理，說(shuō)明秸稈還田加速了水稻的蒸騰作用。CK處理與ST處理下水稻拔節(jié)期的蒸騰速率最高，而SO處理下水稻分蘗期的蒸騰速率高于其他時(shí)期。除抽穗期外，秸稈還田后加氣灌溉會(huì)降低水稻的蒸騰速率，尤其是在分蘗期各個(gè)加氣灌溉處理(SO)與不加氣處理(ST)的蒸騰速率差異均具有顯著性，可見(jiàn)加氣灌溉降低了分蘗期水稻的蒸騰速率；拔節(jié)期ST處理與SO1處理的水稻蒸騰速率差異顯著；灌漿期ST、SO3、SO4處理之間的水稻蒸騰速率具有顯著性差異。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，雖然微納米加氣灌溉降低了秸稈還田后水稻的蒸騰速率，但仍高于CK處理下的水稻蒸騰速率。

2.3.3凈光合速率

圖5c為不同生育階段各處理下的水稻凈光合速率。秸稈還田后(ST處理)水稻在分蘗期與灌漿期的凈光合速率較CK處理顯著提高，而拔節(jié)期與抽穗期CK處理與ST處理下凈光合速率沒(méi)有顯著性差異。在秸稈還田條件下，加氣灌溉處理(SO)的水稻在分蘗期、拔節(jié)期和抽穗期光合速率均高于不加氣灌溉處理(ST)，且在水稻分蘗期和拔節(jié)期SO3、SO4處理與ST處理的差異呈顯著性水平。隨著進(jìn)氣量從0 L/min增長(zhǎng)至0.7 L/min，水稻在分蘗期、拔節(jié)期和抽穗期光合速率逐漸提高，同時(shí)進(jìn)氣量為0.9 L/min(SO4處理)和0.7 L/min(SO3處理)時(shí)水稻在各個(gè)生育階段的光合速率差異性很小。SO3處理下的水稻在分蘗期、拔節(jié)期和抽穗期光合速率均高于同時(shí)期其他處理下的光合速率，其較ST處理分別高11.2%、11%、23.28%，較CK處理分別高23.54%、11.42%、21.48%；SO2處理下的水稻在灌漿期的光合速率高于其他處理，較ST、CK處理分別高2.89%和36.76%。

2.3.4胞間CO2濃度

不同處理水稻各生育階段胞間CO2濃度如圖5d所示。各時(shí)期ST處理下水稻胞間CO2濃度均高于同時(shí)期其他處理，且均顯著高于CK處理；加氣灌溉(SO處理)下的水稻胞間CO2濃度低于未加氣灌溉(ST處理)，但仍高于秸稈未還田條件(CK處理)。不加氣灌溉處理(CK和ST處理)水稻胞間CO2濃度在拔節(jié)期達(dá)到最大值，而加氣灌溉處理(SO處理)于拔節(jié)期達(dá)到最小值，結(jié)合圖5c可知，加氣灌溉處理下水稻在拔節(jié)期光合作用最為強(qiáng)烈，因此期間的胞間CO2濃度最低。對(duì)比進(jìn)氣量對(duì)水稻胞間CO2濃度的影響，總體來(lái)說(shuō)進(jìn)氣量對(duì)于胞間CO2濃度沒(méi)有顯著性差異，僅在抽穗期各個(gè)加氣灌溉處理間具有顯著性差異，此處理下水稻胞間CO2濃度最高的為SO4處理，較濃度最低的SO1處理高7.94%。

2.4 微納米加氣灌溉對(duì)水稻干物質(zhì)及產(chǎn)量的影響

收獲后水稻地上干物質(zhì)量在47.97～51.8 g/單穴之間，根系干物質(zhì)含量在38.78%～52.12%之間(表3)；CK處理與ST處理下干物質(zhì)量的差異性并不顯著。本試驗(yàn)中SO1、SO2、SO3處理下水稻的地上干物質(zhì)量高于不加氣處理(CK、ST處理)，而SO4處理下的地上干物質(zhì)量最低；SO處理下水稻根系干物質(zhì)含量高于ST處理，并且在SO3、SO4處理下與ST處理的根系干物質(zhì)含量具有顯著性差異。各處理下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成(表3)表明，CK與ST處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響不顯著；SO處理的穗數(shù)低于ST與CK處理；但是SO處理會(huì)提升水稻的穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率以及產(chǎn)量，并且SO2、SO3處理下具有顯著提升作用；本試驗(yàn)中水稻在SO3處理下的產(chǎn)量最高，其較CK、ST處理可分別增產(chǎn)19.7%和19.4%。

表3 不同處理收獲后水稻干物質(zhì)量及產(chǎn)量Tab.3 Dry matter and yield of rice under different experiment treatments

3 討論

稻田土壤長(zhǎng)期處于淹水環(huán)境下會(huì)造成土壤氧氣不足，加之秸稈還田后秸稈在土壤中發(fā)生腐解會(huì)消耗土壤中的氧氣，再度提高土壤的還原性[18]。本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田后水稻各土層的土壤還原性物質(zhì)會(huì)顯著升高，這與WANG等[19]研究結(jié)果一致。而微納米加氣灌溉對(duì)于降低土壤活性還原性物質(zhì)含量具有顯著效果，這是由于加氣灌溉為土壤提供了充足的氧氣，改變了土壤長(zhǎng)期處于厭氧環(huán)境的狀況[20]，從而抑制了土壤活性還原性物質(zhì)的產(chǎn)生。水溶性Fe2+、Mn2+是土壤中活性較高的有毒還原性物質(zhì)[21-22]，本研究結(jié)果顯示秸稈還田會(huì)顯著提高土壤中Fe2+、Mn2+含量，原因可能為秸稈在還田層通過(guò)消耗土壤中的氧氣進(jìn)行分解，造成了土壤長(zhǎng)期處于厭氧條件，給Fe2+、Mn2+的累積創(chuàng)造了條件，且秸稈還田致使稻田土壤氧化還原電位降低，在低氧化還原電位環(huán)境下，土壤中的鐵以二價(jià)態(tài)形式大量溶解于土壤溶液中，致使土壤Fe2+含量增多[23]，而加氣增氧灌溉使得土壤厭氧環(huán)境有所改善，從而抑制土壤Fe2+、Mn2+的累積[24]，進(jìn)而降低了土壤Fe2+、Mn2+含量。

水稻株高以及莖蘗數(shù)受作物基因、激素以及環(huán)境等因素影響[25]，本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田以及加氣灌溉對(duì)水稻株高生長(zhǎng)的影響不大，本盆栽試驗(yàn)的水稻株高在收獲前為84～89 cm，與相同研究區(qū)水稻盆栽試驗(yàn)收獲時(shí)的株高[26]一致。秸稈還田處理下的水稻在其生長(zhǎng)后期莖蘗數(shù)低于CK處理，這是由于秸稈還田會(huì)在一定程度上抑制水稻的分蘗，降低水稻分蘗速度，且產(chǎn)生無(wú)效分蘗[27]。0.3～0.7 L/min的微納米加氣灌溉可以改善秸稈還田耕作方式下水稻生長(zhǎng)后期分蘗受抑制的現(xiàn)象，而在進(jìn)氣量0.9 L/min的加氣灌溉條件下水稻分蘗也會(huì)因秸稈還田而造成抑制，可見(jiàn)進(jìn)氣量過(guò)高時(shí)對(duì)水稻進(jìn)行加氣灌溉會(huì)使得莖蘗數(shù)在一定程度上減少，原因可能是為水稻輸送的化學(xué)氧過(guò)多而達(dá)到氧飽和，對(duì)作物造成了氧傷害從而降低了分蘗速度和莖蘗數(shù)。秸稈還田以及加氣灌溉對(duì)于水稻SPAD的影響不大，這是因?yàn)槿~綠素的載體葉綠體，其數(shù)量、形狀和大小主要與植物種類(lèi)以及生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)[28]，而秸稈還田以及加氣灌溉并不影響水稻的葉綠體。

光合作用是植物形成干物質(zhì)的基礎(chǔ)[29]，水稻產(chǎn)量90%來(lái)自葉片的光合作用[30]，光照、水分和養(yǎng)分是影響作物光合速率的重要因素。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田條件下水稻的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、凈光合速率、胞間CO2濃度都會(huì)有所提高，說(shuō)明秸稈還田至土壤中對(duì)于作物光合作用具有正面效應(yīng)，這與前人研究結(jié)論[31-32]一致。而加氣灌溉條件下水稻的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、凈光合速率、胞間CO2濃度相對(duì)于沒(méi)有加氣灌溉的秸稈還田作用下略有降低，但各指標(biāo)值仍高于無(wú)秸稈還田處理。可以發(fā)現(xiàn)秸稈還田有利于水稻蒸騰速率的提升，利于水稻蒸騰作用的發(fā)生。本研究結(jié)果顯示，水稻生育期內(nèi)氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和蒸騰速率隨時(shí)間變化規(guī)律整體一致，均為生育前期較高，抽穗、灌漿期較低。秸稈還田條件下不同加氣處理對(duì)于水稻光合作用的影響在水稻各生育期表現(xiàn)不一致，但是整體來(lái)看進(jìn)氣量0.5、0.7 L/min下的微納米灌溉對(duì)于水稻光合作用具有正面效應(yīng)。

根系是作物與外界環(huán)境發(fā)生物質(zhì)、能量與信息交換的重要器官，而土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性以及施肥等因素均可直接影響根系生長(zhǎng)、分布與功能，從而影響植株地上器官的生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)組成，最終影響作物產(chǎn)量[33]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，微納米加氣灌溉可以促進(jìn)水稻根系干物質(zhì)的累積，這是由于加氣灌溉優(yōu)化了水稻根際土壤的通氣環(huán)境，促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)。然而進(jìn)氣量過(guò)大亦會(huì)導(dǎo)致土體環(huán)境的氧含量過(guò)高，對(duì)水稻根系細(xì)胞產(chǎn)生一定程度的氧傷害；如進(jìn)氣量達(dá)到0.9 L/min時(shí)水稻根系干物質(zhì)含量會(huì)有所降低，說(shuō)明過(guò)高的進(jìn)氣量對(duì)于水稻根系干物質(zhì)累積無(wú)法達(dá)到最佳的效果。受根系的影響，本試驗(yàn)中水稻地上干物質(zhì)累積的結(jié)果與地下干物質(zhì)結(jié)果一致，均為進(jìn)氣量0.7 L/min對(duì)于其累積效果最佳，而進(jìn)氣量0.9 L/min相對(duì)于0.7 L/min容易造成輕微的氧傷害使得地上干物質(zhì)量降低，但是加氣灌溉條件下干物質(zhì)量整體高于沒(méi)有加氣灌溉處理。

作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的主要考慮因素[34]，本研究結(jié)果顯示秸稈還田有利于提升水稻產(chǎn)量，這與何艷等[35]研究結(jié)論一致。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)適宜進(jìn)氣量的加氣灌溉能夠使得秸稈還田帶來(lái)的增產(chǎn)效果更優(yōu)，也與SANG等[36]的研究結(jié)果一致。加氣灌溉使得水稻穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率及產(chǎn)量得到提高，且進(jìn)氣量自0.3 L/min增大至0.7 L/min水稻產(chǎn)量也逐步增加；而進(jìn)氣量達(dá)到0.9 L/min時(shí)，水稻產(chǎn)量有所降低，其產(chǎn)量在加氣灌溉處理之間為最低，說(shuō)明0.9 L/min進(jìn)氣量對(duì)于提升水稻產(chǎn)量的效果有限，其原因可能是0.9 L/min進(jìn)氣量提供給水稻生長(zhǎng)的氧氣量超過(guò)了水稻的負(fù)荷，削弱了加氣灌溉的增產(chǎn)效果，這也與本研究得到的0.9 L/min進(jìn)氣量對(duì)于水稻分蘗、光合作用及干物質(zhì)積累的效果不佳的結(jié)論一致。

由以上討論分析可知，秸稈還田后土壤還原性升高，可以利用微納米加氣灌溉來(lái)降低土壤的還原性，并且水稻也可以充分利用微納米氣泡水中的氧氣促進(jìn)其根系生長(zhǎng)與光合作用，進(jìn)而提升干物質(zhì)與產(chǎn)量的累積；但進(jìn)氣量過(guò)大亦會(huì)造成氧氣質(zhì)量濃度過(guò)高，而抑制水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，這與周云鵬等[37]對(duì)微納米加氣灌溉條件下水培蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的研究結(jié)論一致。因此，本研究綜合考慮秸稈還田條件下水稻土壤的還原性以及作物生長(zhǎng)，建議所使用的最佳微納米進(jìn)氣量為0.7 L/min(溶解氧質(zhì)量濃度為8.06 mg/L)。值得注意的是，本文結(jié)論是基于2020年一季水稻生長(zhǎng)數(shù)據(jù)所得，年際間氣象因素的變化可能會(huì)對(duì)水稻生長(zhǎng)造成影響，但是盆栽試驗(yàn)為探索性基礎(chǔ)試驗(yàn)，本文的試驗(yàn)結(jié)論可作為后續(xù)相關(guān)研究的參考。后續(xù)可將研究尺度從盆栽拓展為大田試驗(yàn)，以便為微納米加氣灌溉技術(shù)應(yīng)用于稻麥輪作區(qū)小麥秸稈還田后水稻生長(zhǎng)提供實(shí)踐支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

加氣灌溉能夠顯著改善秸稈還田后稻田土壤的還原環(huán)境，且隨著進(jìn)氣量的逐步增大，土壤活性還原性物質(zhì)含量、Fe2+含量、Mn2+含量逐漸降低；適宜進(jìn)氣量的微納米加氣灌溉能夠促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，緩解秸稈還田帶來(lái)的水稻生長(zhǎng)前期生長(zhǎng)受到抑制的問(wèn)題，促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)，利于水稻干物質(zhì)積累及光合作用，從而提高水稻產(chǎn)量；本試驗(yàn)條件下，進(jìn)氣量0.7 L/min的微納米加氣灌溉(溶解氧質(zhì)量濃度為8.06 mg/L的微納米氣泡水)對(duì)于稻麥輪作區(qū)小麥秸稈還田后，農(nóng)田土壤的還原性狀況以及水稻生長(zhǎng)發(fā)育的改善效果最優(yōu)。