加氣灌溉技術對土壤及作物生長影響的研究

汪匯源,汪 春,王 芳,王宏軒,馬國慶,于珍珍

(1.中國熱帶農業科學院 科技信息研究所/海南省熱帶作物信息技術應用研究重點實驗室,海口 570000;2. 中國熱帶農業科學院 南亞熱帶作物研究所,國家土壤質量湛江觀測實驗站,廣東 湛江 524000;3.Department of Agronomy and Horticulture,University of Nebraska-Lincoln,Nebraska 68583)

0 引言

地下滴灌技術是目前應用最為廣泛的田間節水灌溉技術,可以顯著提高水分、養分利用效率,實現精準灌溉與施肥[1-3]。但是,灌溉水分入滲會取替土壤孔隙中的空氣[4],導致土壤出現周期性的滯水[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,對土壤中的水分和養分吸收利用效率下降。如果根系長期處于厭氧環境或得不到足夠的氧氣,根系對水分和營養物質的吸收下降,將改變植物的激素水平和酶活性,阻礙光合作用,限制營養器官的功能,導致植物葉片萎縮[8-9],作物鮮重和干重顯著下降,最終導致作物產量和品質的下降,成為農作物高產的主要限制條件。

“加氣灌溉技術”是在地下滴灌的基礎上[10],利用空氣泵或者羅茨風機等通風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],進而影響到了植株根系對水分與肥料的吸收效率,可有效地促進農作物植株的生長,使農作物豐產增收、農產品質量有所提升[14-15]。

國內外針對加氣灌溉技術的研究正在逐漸深入,不同的地理環境、土壤類型及不同種類的農作物都進行了加氣灌溉試驗研究。然而,目前的研究缺乏系統性,有必要總結和分析近年來加氣灌溉技術研究進展及存在的問題。CiteSpace是一種處理數據和信息可視化的有效方法,它可以用來發現研究前沿和研究熱點,跟蹤一個區域的重大變化,系統探索加氣灌溉技術的發展過程與未來發展重點與熱點方向。CiteSpace是基于java的應用程序,由著名學者Chaomei Chen創建,他專注于信息可視化、知識地圖和科學前沿地圖集。CiteSpace的原理是標記共被引集群,然后使用時間切片快照形成時效性和關鍵點,可以快速系統地了解一個領域。其主要用于解決3個關鍵問題:①識別研究前沿問題;②標記研究專業;③明晰新興趨勢和突變點。

筆者基于CiteSpace文獻分析工具,通過對目前不同土壤加氣灌溉技術參數及加氣灌溉技術對土壤環境、根系生長及作物產量、品質的作用機理進行系統地分析,討論該領域存在的問題,并總結未來加氣灌溉技術研究趨勢,進一步提高農業用水效率,優化農業生產模式,促進高效、節約、可持續發展的現代農業生產技術的研究。

1 低氧脅迫對土壤環境及作物生長的影響

1.1 低氧脅迫對土壤環境的影響

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;固體為根和空中植物結構提供支持,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比例如圖1(a)所示。但是,現實中很難在土壤中達到肥沃三角形的3個成分的最佳平衡,因為傳統的灌溉方法在灌溉期間和灌溉后強加注水循環[見圖1(b)],一側(水)在三角形中占主導地位,大大減少了空氣側并限制了作物對養分的吸收,導致作物產量降低。從理論上講,如果在不同階段之間保持理想的平衡,農作物的單產將繼續上升,如圖1(c)所示。

圖1 土壤組成Fig.1 soil composition

土壤氧氣主要來自于大氣之間進行氣體交換,土壤空氣組成與大氣空氣組成近似,如表1所示。土壤與大氣之間進行氣體擴散和整體交換,使得土壤中保持一定量O2,如圖2(a)所示。大氣環境因素中,Willey和Hall等[10]的實驗中,大氣溫度變化是引起的大氣與土壤氣體交換的主要因素;同時發現,隨著風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,固體為根和空中植物結構提供支持,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擴散到根系表面,但水中溶解氧一般可以忽略不計。氧氣由根系表面擴散到根組織內,用于維持土壤中一切生物化學過程正常進行,如圖2(b)所示。田間灌溉和降雨會使土壤中持續存在飽和濕潤區,導致水分代替空氣存在于土壤中,取替了土壤氧氣,導致土壤氧氣含量降低[見圖2(c)],進而土壤呼吸(壤中各項代謝活動)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(體積分數)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,土壤溫度通過影響土壤呼吸[見圖2(d)],進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水分的調控,從而植株根系的生長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;通過進一步采用關聯系數法發現,較高的土壤水分不但阻礙大氣與土壤之間的氣體交換,直接導致土壤氧氣含量下降,也會抑制土壤氧氣在作物根部周圍運動。

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 作物生長生理特性對低氧脅迫的響應機理

根系呼吸是農作物根系生長所需要吸收的氧氣用于植株的生長并排放出植株產生的二氧化碳。廣義的根系呼吸過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。如果根區土壤滲透性下降,可能會引起缺氧,且根系將處于氧脅迫狀態。根系的呼吸需要消耗大量的O2,若土壤內的氣體與大氣隔絕,其土壤內的氣體含量只能滿足農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含量直接誘導作物根系發酵,導致缺氧代謝的植物毒性產物的形成及抑制根功能和植物生長的過量硫化物和有機酸。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的產生數量,水和離子的滲透性降低,影響到農作物根系對水分與土壤養分的吸收。若沒有足夠的養分輸送到植物的地上部分,葉片中光合色素含量下降,脫落酸的積累會減少植株葉片的氣孔密度,也會導致葉綠素的含量減少,光合作用的速率降低,植株的正常生長也受到了抑制,并根據缺乏的嚴重程度而完全停止,如表2所示。

低氧脅迫還會破壞作物體內激素平衡,Hiron和Wright觀察了缺氧條件下番茄葉片中的氣孔關閉,番茄體內中ABA水平比非淹水對照高6～8倍,表明ABA水平與氣孔關閉之間存在直接關系,氣孔關閉進而影響根系對養分和水分的吸收與傳輸。

表2 影響作物根系生長、發育和活動的土壤各項指標范圍Table 2 The range of soil indicators that affect the growth, development and activity of crop roots

研究還發現,當細胞處于缺氧脅迫時,作物以干物質積累為代價獲得NAD (P)+和ATP,不可避免地會影響作物的產量,因為能量供應不足。孫延軍等研究表明,在根區缺氧脅迫下,甜瓜幼苗的株高、根長、鮮重和干重均有一定程度的降低。李天來等研究也表明,農作物根系附近的土壤CO2濃度的增加,甜瓜植株內部的促進植株生長的激素含量會明顯減少,脫落酸的含量顯著增加,總而甜瓜的生長會受到抑制,減少ATP的產生,導致作物葉水勢降低、凈光合速率下降,農產品的質量降低,產量減少,如圖3所示。

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

2 加氣灌溉技術參數的研究

目前,針對加氣灌溉技術中不同影響因素耦合效應在不同作物應用上開展研究。最初,主要以灌水水平及相關加氣參數開展實驗研究;后期,逐步將“施肥”參數引入研究,以灌水量、施肥量及通氣量為變量開展大田玉米、溫室辣椒、番茄、設置蔬菜的生長及土壤環境的影響規律研究。基于CiteSpace對相關研究進行分析,主要研究進展如表3所示。

表3 不同加氣灌溉參數耦合部分研究進展Table 3 Research progress on coupling of different aerated irrigation parameters

3 土壤環境對加氣灌溉技術的響應機理

早期一些學者通過理論分析與試驗研究,分析得出:對土壤進行通氣具有很多的益處(Bathke et al.1992;Huang et al.1994);但是,由于當時試驗設施并不完善,不具備對土壤通氣的設施,從而導致在田間試驗中難以實施。1949年,Melsted首先開始進行作物根區土壤通氣增氧的試驗研究,后期逐步發展成多元化加氣技術方式(機械通氣、化學加氧、文丘里空氣射流器加氧等),并針對不同的土壤類型及不同作物開展田間或溫室試驗研究。

參與土壤有機質分解過程的主要是真菌和細菌,真菌分泌水解酶成為有機物并加以利用它們生長和繁殖所需的營養物質。通過真菌的生存活動所產生的空隙,便是細菌的生存空間,大分子的有機物便通過真菌與細菌的共同轉化,變成農作物所需的小分子物質。土壤含氧量降低,土壤微生物的數量和活性會下降,有機質的分解也會下降,無法為作物提供足夠的氮、磷和鉀。

采用空壓機為盆栽番茄供氣,設置3級灌溉水平。以土壤孔隙率50%為參考標準,各灌區通風容積系數不同,通風處理土壤過氧化氫酶、脲酶和脫氫酶活性高于不通風處理。當灌溉水平為田間容量的80%、通風系數為0.8時,3種土壤酶活性均達到最大值。結果表明,水分(田間持水量的80%)和通氣系數(0.8)能改善盆栽番茄根區環境,加速土壤酶活性,促進植株生長,提高果實產量與土壤酶活性。加氣灌溉技術可以提高黃瓜土壤含氧量,研究發現:溝槽處理的各種酶活性均高于CK處理,即磷酸酶(18.3%)、轉化酶(20.87%)、脫氫酶(22.52%)活性均高于CK處理;其他指標,如速效氮、磷含量、干物質積累量均有明顯增加。綜上所述,曝氣培養可提高酶活性,提高基質中養分含量,促進作物的生長。基于CiteSpace對相關研究進行分析,關于不同加氧灌溉方式對土壤環境的改善效應部分研究結果如表4所示。

4 作物生長生理特性對加氣灌溉技術的響應特征

為了闡明加氣灌溉技術對水稻幼苗根系氮代謝的影響,在水培條件下,采用增氧泵繼續向根系充入空氣。研究結果表明,與對照組相比,增氧溶液中生長的水稻幼苗根系干物質更高,根系長度更長,根系活力更強,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、谷氨酸草酰乙酸轉氨酶和谷氨酸-丙酮轉氨酶活性均高于對照。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現,管道曝氣每4天進行一次、灌溉量為600mL /盆時,根系活力最高,顯著高于對照組。加氣水滴灌能改善低氧脅迫,克服土壤曝氣不良的負面影響。用Mazzei噴射器對灌溉水加氧,產量顯著提高,結果表明:與對照組相比,其單株總根質量顯著增加17%,其單株須根質量和主根質量分別增加2%和26%。研究發現,加氣灌溉技術可以促進作物根系生長,根系的正常生長保護了冠層的發育,提高光合效率和作物產量。

研究表明,加氣灌溉技術下的單株葉面積比對照組大1.477倍,大豆、鷹嘴豆、南瓜和番茄在加氧處理下的氣孔導度和葉片蒸騰顯著高于對照處理。微氣泡產生系統處理的加氣灌溉延緩了葉片衰老過程,延長了葉片功能活性,增強了籽粒灌漿。

Pendergast指出,加氣灌溉處理可以顯著提高產量和水分利用效率,在2005—2012年的7個季節的棉花種植過程中,采用Mazzei噴射器對灌溉水進行加氧處理,獲得了較高的產量和水分利用效率。7年試驗期間,加氣灌溉處理下的棉花平均產量比對照高出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量,與對照處理相比,2010年和2011年的產量分別增長了37.78%和12.27%,分別增長了38.46%和12.5%。加氣灌溉技術在中等鹽漬化土壤環境下可以提高作物的產量,耐鹽作物的WUE性能和根際通風可能對灌溉農業產生顯著影響,而鹽漬化土壤對作物生產構成了制約,加氣灌溉技術還可以顯著提高IWUE和WUE。基于CiteSpace對相關研究進行分析,關于不同加氧灌溉方式對作物生長及產量影響的部分研究結果如表5所示。

5 結論與展望

關于加氣灌溉能改善土壤通氣性、提高土壤肥力、促進作物生長發育的影響越來越清晰,然而在相關研究中還存在一些弊端和不足,導致加氣灌溉下對土壤-作物之間的調控機理的認知受到一定的限制,具體歸納為以下幾點:

1)加氣灌溉對土壤通氣性的影響,對土壤水分、養分吸收利用的影響,作物同化產物在作物體內輸移分配及其對作物生長建成的影響等基礎理論尚存在一定缺口,如土壤環境及作物生長生理對哪種影響因子響應較為敏感?加氣灌溉技術從土壤環境到作物產量及品質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作物對不同加氣灌溉參數的響應規律尚不清楚,田間智能化控制技術尚未形成體系,這些都成為制約加氣灌溉技術應用和灌溉智能化系統設計及其推廣的重要因素。因此,需要進一步探究作物不同生育時期對加氣灌溉技術的響應特征,明晰加氣灌溉下作物增產的作用路徑和主要推動力,以生育期為單位確定最佳的加氣灌溉技術參數。從全面統籌推進考慮,未來的研究還應針對以下幾個方面實現突破:

(1)加氣灌溉下土壤水、肥、氣多相流在土壤中的輸送規律,對養分循環轉化及土壤養分供應的影響、作物根系空間構型對土壤氧氣動態響應及其對土壤水分、養分吸收利用的影響及作物同化產物的建成機制上存在一定的缺口。同時,加氣灌溉過程中通氣量梯度的調節與定量供給、不同土壤下土壤氧氣賦存動態模型等這些都成為加氣灌溉技術應用和灌溉智能化系統設計及其推廣的重要因素。因此,在地下滴灌基礎上發展起來的加氣灌溉可通過進一步精準調控水肥氣而向可持續灌溉和精準灌溉的方向發展。

(2)開展加氣灌溉對植株表觀形態、產量、品質等向激素調節、過氧化物及抗氧化酶系變化、基因調控、細胞信號轉導等方向轉化,進一步明確加氣灌溉改善作物品質,提高作物產量的生理生化機制,重點研究加氣灌溉對作物根系水肥吸收機制以及作物生理機能變化的影響。