微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿土壤酶活性與根系脯氨酸的影響

曹雪松，鄭和祥，佟長福，李和平，劉瑞春，郝語新

(1.水利部牧區水利科學研究所, 內蒙古 呼和浩特 010020; 2.內蒙古自治區鄂爾多斯市杭錦旗防汛抗旱辦公室，內蒙古 鄂爾多斯 017400;3.蒙晟建設有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

地下滴灌作為近些年新興的灌溉方式，由于其提高了灌溉用水效率，在干旱和半干旱地區的農業生產中備受關注[1-2]。經過3～4 a地下滴灌后，作物根區滴灌帶滴頭附近土壤的水力學特性及土壤結構等會受到不同程度的影響，加之作物根區土壤多年缺乏翻耕，導致作物根系區土壤板結，限制土壤孔隙中O2的擴散與流動性，不利于作物根區土壤與大氣之間的氣體交換[3-4]，從而造成作物根區缺氧，根系出現不同程度的黑根現象，甚至死亡。因此，如何提高作物根區土壤O2含量，改善作物根區土壤微環境成為當下研究的熱點。

作物根系的正常生長離不開O2，只有根系土壤保持一定的O2環境，作物根系才能維持正常的呼吸作用，發揮其吸收水分和養分的功能[5]。微納米氣泡水地下滴灌是在原有地下滴灌系統的基礎上，在滴灌系統首部安裝特定的微納米氣泡發生器，將空氣以微納米級氣泡的形式摻入灌溉水中隨地下滴灌系統直接輸送到作物根區土壤，向根區通氣，從而解決作物根區土壤通透性不足導致的作物根系缺氧，進而影響根區土壤與根系的正常呼吸。國內外學者對加氣灌溉已有初步研究，研究成果均表明作物根區通氣有利于改善作物根區土壤O2環境，進而保障根系區土壤及微生物呼吸作用，改善根系區土壤微環境，促進作物根系有氧呼吸的順利進行，保障作物根系對土壤養分與水分的吸收，促進作物生長、提高作物品質，有效緩解作物根區缺氧的實際問題[6-12]。陳慧等[13]研究表明加氣灌溉增加了平均2.1%的土壤硝化細菌數量，減少了平均9.7%的土壤反硝化細菌數量；雷宏軍等[14-15]研究表明曝氣地下滴灌能促進紫茄對養分的吸收，提高水分利用效率與產量，并且可以促進N2O的排放，較不加氣處理增加35.16%；Du等[16-17]研究表明加氣灌溉對土壤生物環境產生積極影響的同時可提高土壤N利用率。土壤酶作為土壤生態系統的組分之一，為土壤有機體的代謝提供動力，也是生態系統的生物催化劑，其活性的大小在一定程度上反映了所處土壤的理化性質與土壤肥力，在土壤物質循環和能量轉化過程中具有重要作用[18-19]。

作為氧化還原酶類的過氧化氫酶參與土壤腐殖質組分的合成與土壤形成過程，是表征土壤肥力的重要指標之一；作為水解酶類的脲酶主要功能是水解蛋白質、多糖等大分子物質為易被植物根系吸收的小分子物質，對土壤生態系統中的碳、氮循環具有重要作用，是植物氮素營養的直接來源，可用來表征土壤的氮素狀況[20]；脯氨酸作為植物體內最重要的滲透調節物質，當植物體受到不同類型的脅迫時，植物體便會通過滲透調節物質的積累達到對逆境的適應反應。已有報道表明，作物根際土壤中過氧化氫酶和脲酶的活性明顯高于非根際土壤[21]，且過氧化氫酶和脲酶的活性隨土壤深度的增加而逐漸降低[22-23]。朱愛民等[24]研究了秋末刈割對紫花苜蓿根頸游離脯氨酸的影響，建議不在秋末敏感期對紫花苜蓿進行刈割。

國內外學者針對加氣灌溉研究的加氣方式大多集中在傳統加氣(文丘里加氣)，即利用偏壓射流器吸收天然空氣，再使用循環水泵將水往復流經文丘里射流器進行循環曝氣，傳統的文丘里加氣溶解于灌溉水的氣泡直徑多為毫米級，并且微納米氣泡水地下滴灌條件對紫花苜蓿土壤酶活性和根系游離脯氨酸的影響少見報道。本文將空氣通過微納米氣泡快速發生裝置后，使溶解于灌溉水的氣泡直徑介于微米級和納米級之間，由于微納米氣泡的比表面積大、自身增壓溶解、上升速度慢、吸附性強、穩定性好、表面帶電等特性[25-28]，使灌溉水溶解氧濃度大幅度升高，更加高效地緩解了根區土壤缺氧。因此，為緩解長時間地下滴灌導致的作物根區土壤板結、土壤濕潤體通透性減弱及作物出現黑根現象的現實問題，筆者開展了紫花苜蓿微納米氣泡水地下滴灌試驗研究，通過對紫花苜蓿根區土壤酶活性與根系脯氨酸等指標的觀測，分析微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿土壤酶活性與根系脯氨酸的影響，旨在為多年生牧草微納米氣泡水地下滴灌提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于鄂托克前旗(106°31′～108°30′ E，37°37′～38°45′ N)，多年平均風速2.7 m·s-1；多年平均日照時數2 957 h；平均相對濕度49.7%；多年平均氣溫8.0℃；多年平均降水與蒸發量分別為261.0、2 498.1 mm；無霜期平均為170 d，最大凍土層深1.55 m。試驗區100 cm深土壤類型為砂土，土壤機械組成詳見表1。

1.2 試驗材料及種植方法

滴灌系統：滴灌帶采用內鑲貼片式，壁厚0.4 mm，滴頭間距0.3 m，額定流量2.0 L·h-1，4行紫花苜蓿由1條滴灌帶進行灌水控制，滴灌帶埋深20 cm，行距60 cm。

供試苜蓿品種：紫花苜蓿為4 a生草原2號。

種植方法：紫花苜蓿的種植方法為人工條播，行距設置為15 cm，于每茬紫花苜蓿初花期(開花約30%)進行刈割。該地區第一茬苜蓿于每年4月中旬開始返青，第三茬苜蓿于每年9月底收割并儲存。

1.3 試驗設計

2018年4—10月在鄂托克前旗開展了紫花苜蓿微納米氣泡水地下滴灌田間試驗。試驗設3個不同加氣水平處理和1個常規不加氣灌溉處理(CK)作為對照。每個試驗處理小區的長和寬分別為50.0 m和8.0 m，為了保證試驗數據的可重復性，每個試驗處理均采取3次重復。試驗小區間隔1 m，相鄰試驗處理間設隔離帶，寬度為2 m，試驗區總面積1 900 m2，試驗布置見圖1。

表1 試驗區0～100 cm土層土壤機械組成

根據前期的研究結果[29]，每個試驗小區的灌水定額均為22.5 mm，灌水日期和灌水次數相同。灌水日期根據WA-2處理的適宜含水率下限確定。全年紫花苜蓿第一茬、第二茬、第三茬分別灌水5、4、5次，整個紫花苜蓿生長季共灌水14次，灌溉定額為315 mm。由于空氣曝氣條件下微納米氣泡水溶解氧質量濃度的低氧、飽和狀態分別為1.8、8.2 mg·L-1，故本研究微納米氣泡水溶解氧質量濃度設低、中、高3個水平，分別為處理WA-1(1.8 mg·L-1)、處理WA-2(5.0 mg·L-1)、處理WA-3(8.2 mg·L-1)，每個處理微納米氣泡水地下滴灌時間均相同，地下滴灌周期為5～7 d，遇降雨順延。每個處理和對照均于返青期第一次灌水時施尿素30 kg·hm-2，尿素在滴灌首部的施肥罐里均勻溶于水后隨滴灌水流直接作用于苜蓿根區。

1.4 觀測指標與方法

試驗區設置有小型農田氣象站，主要觀測指標有降雨量、相對濕度、日照、氣溫、風速與風向、氣壓等氣象數據。

地下水觀測：利用環刀在試驗區取原狀土，進行田間持水量室內測定，并與田間的測定結果進行對比，確定了試驗區0～60 cm土層的田間持水量為22.86%。采用HOBO地下水位自動測定儀(美國)測定試驗區地下水水位變化，確定試驗區地下水埋深在1.2～2.0 m。

土壤含水率：每個試驗處理地塊安裝有土壤濕度計，采用烘干法和儀器測定法計算土壤含水率。烘干法使用土鉆取土，烘箱烘干；儀器測定采用HH2型TDR土壤水分測定儀，每根TDR管測3次，取平均值代表試驗小區的土壤含水率。

注：→代表滴灌帶，其中箭頭表示水流方向。Note: → represents the drip irrigation belt, where the arrows indicate the direction of flow.圖1 試驗小區布置Fig.1 Experimental plot layout

紫花苜蓿根系特征：(1)利用Marquez-Ortiz法確定根頸直徑和分枝數，根頸直徑使用游標卡尺測量，分枝數是指從根頸直接長出的分枝數；(2)利用Johnson法確定根形態特征：主根直徑是指根莖1 cm處直徑，主根長度是指根莖以下主根至根直徑≥0.1 cm處的長度；側根直徑是指靠近主根處的直徑，側根數是指離主根0.5 cm處的側根數量，當直徑≥0.1 cm時計入，當直徑<0.1 cm時不計入；根系生物量是指根系的干重。

微納米氣泡水溶解氧質量濃度采用溶解氧測量儀(美國維賽YSIPro20)測量。于每茬紫花苜蓿返青期、拔節期、分枝期、開花期取其根際土壤測定土壤酶活性(過氧化氫酶、脲酶)與根系脯氨酸含量，以紫花苜蓿根系為中心選取土樣，土樣面積400 cm2(20 cm× 20 cm)，土樣深度60 cm，混合均勻后作為一個土樣。

土壤酶活性與根系脯氨酸測定方法：過氧化氫酶活性測定采用滴定法，其酶活性用每克干土消耗的0.1 mol·L-1的KMnO4溶液數量表示，單位為ml·g-1；脲酶活性的測定方法為苯酚-次氯酸鈉比色法，其酶活性用每克土1 d后生成的NH3-N質量表示，單位為mg·g-1·d-1；脯氨酸的測定方法采用茚三酮法，單位為μmol·g-1。

1.5 數據分析

試驗數據的分析與繪圖軟件包括Excel 2013、OriginPro 8.5和SPSS 19.0。

2 結果與分析

2.1 微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿根區土壤過氧化氫酶活性的影響

注：不同字母表示在P<0.05水平下各處理差異顯著,下同。Note: Different letters indicate the significant difference under the level of P<0.05, the same below.圖2 微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿土壤過氧化氫酶活性的影響Fig.2 Effect of subsurface drip irrigation with micro-nanobubbled water on alfalfa soil catalase activity

過氧化氫是伴隨著土壤微生物與有機物的呼吸作用及生物化學氧化反應的產物，對土壤及其微生物具有一定的毒害作用。過氧化氫酶能促進過氧化氫的分解與氧化，從而降低對土壤和生物體的不利影響。圖2為不同微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿各生育階段土壤過氧化氫酶活性的影響。從圖中可以看出，微納米氣泡水地下滴灌處理土壤中過氧化氫酶活性明顯高于處理CK，處理WA-3、WA-2和WA-1的4個生育期的過氧化氫酶活性均值分別為19.72、18.67、16.40 ml·g-1，相較于處理CK的13.35 ml·g-1，分別增加47.72%、39.85%和22.85%，并且在紫花苜蓿不同生長期，隨著微納米氣泡水溶解氧質量濃度的增加，土壤中過氧化氫酶活性呈增大的趨勢。

同一試驗處理條件下，土壤中過氧化氫酶活性隨著微納米氣泡水地下滴灌次數的增加呈先升后降的趨勢，在紫花苜蓿分枝期達到最大，處理WA-3、WA-2和WA-1的土壤過氧化氫酶活性分別為20.28、19.19、16.92 ml·g-1，相較于處理CK(13.82 ml·g-1)，分別高出46.74%、38.86%和22.43%，這是因為紫花苜蓿需在開花初期進行刈割，在分枝期末已經不需要進行灌溉，所以土壤中過氧化氫酶活性在開花期略低于分枝期。

2.2 微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿根區土壤脲酶活性的影響

脲酶存在于作物根區土壤大多數細菌及真菌體內，主要作用是分解尿素，產物為氨和二氧化碳，利于作物根系對土壤養分的吸收和利用，所以農業生產中常被用來表征土壤的氮素營養狀況。圖3為微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿根區土壤脲酶活性的影響，由圖3可知，微納米氣泡水地下滴灌處理土壤中脲酶活性明顯高于處理CK，處理WA-3、WA-2和WA-1的4個生育期的過氧化氫酶活性均值分別為13.56、12.61、11.61 mg·g-1·d-1，相較于處理CK(9.03 mg·g-1·d-1)，分別增加50.17%、39.65%和28.57%。并且在紫花苜蓿不同的生長期，隨著微納米氣泡水溶解氧質量濃度的增加，土壤中脲酶活性呈增大的趨勢。

同一試驗處理條件下，土壤中脲酶活性隨著微納米氣泡水地下滴灌次數的增加呈先升后降的趨勢，在紫花苜蓿分枝期達到最大，處理WA-3、WA-2和WA-1的脲酶活性分別為13.98、13.17、12.07 mg·g-1·d-1，相較于處理CK(9.63 mg·g-1·d-1)，分別高出45.17%、36.76%和25.34%，這是因為紫花苜蓿需在開花初期進行刈割，在分枝期末已經不需要進行灌溉，所以土壤中脲酶活性在開花期略低于分枝期。

圖3 微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿土壤脲酶活性的影響Fig.3 Effect of subsurface drip irrigation with micro-nanobubbled water on alfalfa soil urease activity

2.3 微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿根系特征的影響

根系是植物吸收水分和養分的主要器官，同時具有合成有機物、支持和固定植株、改變土壤的物理、化學和生物特性以及固持水土等功能。根系特征是牧草水分和養分管理、刈割和放牧利用的基本依據，亦與土壤耕作及作物種植制度等密切相關。表2為微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿根系特征的影響。從表2可知，相同灌溉定額條件下，使用不同灌溉水溶解氧質量濃度的水進行灌溉，紫花苜蓿表現出不同的根系特征。處理CK、WA-1、WA-2和WA-3的根頸直徑分別為0.937、0.941、0.975 cm和0.958 cm，相較于處理CK，處理WA-1、WA-2和WA-3分別增大0.43%、4.06%和2.24%，微納米氣泡水地下滴灌對根頸直徑的影響在p<0.05水平下顯著。微納米氣泡水地下滴灌對分枝數的影響不顯著。微納米氣泡水地下滴灌對主根直徑、主根長度、側根數和根系生物量的影響表現出相似的規律，均是處理WA-2最大，處理CK的最小，處理CK與WA-1、處理WA-2與WA-3之間的差異不顯著，處理CK、WA-1與WA-2、WA-3之間在p<0.05水平下差異顯著；微納米氣泡水地下滴灌對側根直徑的影響為處理WA-2的最大，為0.267 cm，分別比處理CK、WA-1和WA-3增加6.07%、5.65%和4.38%，且與處理CK、WA-1和WA-3的差異在p<0.05水平下顯著。以上數據表明，微納米氣泡水地下滴灌能在一定程度上緩解紫花苜蓿根系缺氧的狀況，使滴灌帶滴頭附近的根系生長旺盛，從而根系比較發達，更利于根系對水肥的高效吸收與利用。

表2 微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿根系特征的影響

2.4 微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿根系脯氨酸含量的影響

脯氨酸廣泛在植物體內以游離態存在，主要作用是維持細胞正常的結構以及完成細胞內與細胞間的運輸。當植物受到缺氧脅迫時，植物體內蛋白質的合成受到抑制，分解反而被促進，導致植物體通過游離脯氨酸含量的升高來維持其正常的新陳代謝作用。圖4為微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿不同生育期根系游離脯氨酸含量的影響。從圖中可以看出，對于處理CK，隨著紫花苜蓿生育期的推進，根系脯氨酸含量呈增大趨勢，說明植物體內蛋白質分解被促進，植物根系受到了一定的低氧脅迫，限制了根系有氧呼吸。微納米氣泡水地下滴灌條件下，紫花苜蓿不同生育期根系游離脯氨酸的含量明顯低于處理CK，說明微納米氣泡水地下滴灌能夠緩解因長時間地下滴灌導致的土壤通氣性減弱的現象，一定程度上促進了蛋白質的合成與根系的有氧呼吸作用，而且隨著生育期的推進，同一處理的紫花苜蓿根系脯氨酸含量呈降低趨勢，并且同一灌水水平條件下，紫花苜蓿根系脯氨酸含量表現為處理WA-1>WA-3>WA-2。處理WA-2紫花苜蓿根系脯氨酸含量返青期為61.33 μmol·g-1，開花期為51.01 μmol·g-1，減少16.83%，而相較于處理CK開花期的92 μmol·g-1，則減少44.55%，說明微納米氣泡水地下滴灌能夠一定程度上改善長時間地下滴灌造成的根區缺氧的狀況，促進根系的呼吸作用。但微納米氣泡水溶解氧質量濃度不宜過大，當超過適宜的微納米氣泡水溶解氧質量濃度后，反而會抑制根系的生長發育，脯氨酸含量增加，說明此時微納米氣泡水溶解氧質量濃度已非限制根系生長發育的主要因素。

圖4 微納米氣泡水地下滴灌對紫花苜蓿根系脯氨酸含量的影響Fig.4 Effects of subsurface drip irrigation with micro-nanobubbled water on alfalfa root proline content

3 討 論

土壤是作物生長的基質，作物能否正常生長主要取決于土壤環境。土壤環境因子主要有土壤類型、土壤微環境水分、養分及酶活性等。土壤與土壤微生物的異氧呼吸作用以及作物根系的自養呼吸作用是作物根系和土壤與外界大氣進行交換的主要途徑[30]，而作物根區土壤的微環境及其通氣狀況共同影響著土壤呼吸[31]，土壤通氣狀況不佳直接導致作物根系呼吸作用減弱[32]，進而影響作物根系對土壤微環境養分與水分的吸收與利用，外觀表現為作物品質與產量的降低[33]。國內外研究表明，在灌溉過程中通入空氣、氧氣或含氧物質，能夠有效緩解灌水過程中出現的根際土壤缺氧問題，提高土壤氧氣擴散速率[34]，改善土壤通透性，有利于作物根際土壤呼吸，提高土壤酶活性，從而促進作物根系的生長發育，促進植株的光合作物，改善作物長不高、結果少、品質差等現狀[35-36]。Greenway等[37]研究結果表明加氣灌溉能顯著提高土壤微生物活性；朱艷等[38]研究表明加氣灌溉能有效改善土壤通氣性，促進根系的呼吸作用。本試驗中，微納米氣泡水地下滴灌能夠有效提高紫花苜蓿根區土壤過氧化氫酶和脲酶活性，促進了根區土壤及微生物的呼吸作用，這與李元等[39]研究得出加氣灌溉提高土壤酶活性和微生物數量的結論一致。

自然界中諸多逆境因子均能影響或限制植物體的正常生長發育，例如高溫、低溫、鹽漬、干旱、環境污染等。通常情況下，植物遇到脅迫后都會有一個抵御機制，遇到的脅迫不同，植物便產生不同的反應來調節，把脅迫產生的不利影響降到最低。作為植物體內最重要的滲透調節物質，脯氨酸在對抗脅迫時發揮著關鍵的作用。Nolte等[40]研究表明在細胞質內積累的脯氨酸可作為滲透調節劑或抗冷劑；Voetberg等[41]研究表明低水勢下脯氨酸積累引起的滲透調節對維持玉米幼根伸長有重要作用；Alia等[42]硏究表明當綠豆和芥菜受鋅脅迫時，植物體內脯氨酸的積累量隨自由基的增加而增加；蔣明義等[43]研究表明氨基酸的積累有利于提高植物抗氧化能力與逆境適應性。本試驗中，微納米氣泡水地下滴灌條件下脯氨酸含量明顯低于不加氣常規處理，說明微納米氣泡水地下滴灌能夠緩解長時間地下滴灌造成的根區缺氧的狀況，改善土壤通透性，促進根系的呼吸作用，解除根區低氧脅迫，游離脯氨酸含量降低。但微納米氣泡水溶解氧質量濃度不宜過大，當超過適宜的濃度后，反而會抑制根系的生長發育，不利于紫花苜蓿的生長發育。

4 結 論

1)微納米氣泡水地下滴灌能明顯提高紫花苜蓿根區土壤過氧化氫酶和脲酶活性；在紫花苜蓿不同的生長期，隨著微納米氣泡水溶解氧質量濃度的增加，土壤過氧化氫酶和脲酶活性呈增大的趨勢；相同試驗處理條件下，土壤過氧化氫酶和脲酶活性隨著微納米氣泡水地下滴灌次數的增加呈先升后降的趨勢。

2)微納米氣泡水地下滴灌能夠緩解因長時間地下滴灌導致的土壤通氣性減弱的現象，使紫花苜蓿免受低氧脅迫的危害，根系游離脯氨酸含量明顯低于不加氣常規灌溉處理，從而促進根系的有氧呼吸作用；但微納米氣泡水溶解氧質量濃度不宜過大，當超過適宜的濃度后，反而會抑制根系的生長發育，不利用紫花苜蓿的生長發育。