地下滴灌土壤水分分布對作物根系構型影響的研究現狀與展望

摘要：

地下滴灌土壤水分分布對作物根系生長與構型的影響，是國內外學者研究的熱點課題之一。依次從地下滴灌技術的基本原理與類型，影響地下滴灌性能的主要因素，地下滴灌土壤水分分布對不同作物根系構型的影響與重塑等方面進行系統文獻研究。隨著新型地下滴灌技術的不斷涌現，節水潛力的挖掘不斷提升。因此，地下滴灌技術創新以及探究環境、作業、材質等多因素耦合影響機制，是提升地下滴灌技術應用與推廣程度的重要課題。地下滴灌的灌水器可通過靈活布設，使得土壤水分更精準分布在作物根區周圍。因此，以地下滴灌土壤水分為關鍵因子，開展作物根系構型的重塑研究是國內外學者應進一步關注的方向。提出以作物根系構型為出發點，探究新型空間多點源地下滴灌技術重塑根系構型的研究思路；并針對云南土壤與氣候特點，提出新型根區微灌技術——空間多點源地下滴灌，利用根區不同方位滴頭靶點重塑根系構型提升作物環境抗性，為解決云南高原山地季節性干旱問題提供參考。

關鍵詞：地下滴灌技術；土壤水分分布；根系構型；根系重塑

中圖分類號：S152.7； S275.4； S275.6

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0227-09

Research status and prospect of the effect of subsurface drip irrigation soil

water distribution on crop root architecture

Qian Zhiyong， Wang Dongbo， Wang Dong， Huang Guoliang， Yang Zhenjie， Zhang Yijie

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Yunnan Agricultural University， Kunming， 650201， China）

Abstract：

The effect of subsurface drip irrigation soil water distribution on crop root growth and conformation is one of the hot topics researched by scholars at home and abroad. The systematic literature research is carried out in order from the basic principles and types of subsurface drip irrigation technology， the main factors affecting the performance of subsurface drip irrigation， and the influence and remodelling of subsurface drip irrigation soil water distribution on the root system configuration of different crops. With the continuous emergence of new subsurface drip irrigation technologies， the exploitation of water-saving potential has been continuously improved. Therefore， the innovation of subsurface drip irrigation technology and the investigation of the coupling influence mechanism of environment， operation， material and other factors are important issues to enhance the application and promotion of subsurface drip irrigation technology. The waterers of subsurface drip irrigation can be flexibly deployed to make the soil moisture more accurately distributed around the root zone of crops. Therefore， taking soil moisture of subsurface drip irrigation as the key factor， the research on remodelling of crop root system configuration is a direction that scholars at home and abroad should pay more attention to. It is proposed to take crop root system configuration as the starting point to explore the research idea of remodelling root system configuration by new spatial multi-point source subsurface drip irrigation technology， and in view of the characteristics of the soil and climate of Yunnan， it is proposed that a new type of micro-irrigation technology in the root zone—spatial multi-point source subsurface drip irrigation—spatial multi-point source subsurface drip irrigation technology. In addition， a new root zone micro-irrigation technology-spatial multi-point source subsurface drip irrigation-is proposed for Yunnan soil and climate characteristics， which uses different orientation target points to remodel the root system configuration to enhance the environmental resistance of crops， and provides a reference for solving the problem of seasonal drought in the mountainous areas of the Yunnan Plateau.

Keywords：

underground drip irrigation technology; soil water distribution; root system configuration; root remodeling

0"引言

近些年來，人們對水資源的利用尤為重視，聯合國環境規劃署等部門在調查中發現，農業用水量占據人類用水量的70%左右^［1］，由于水量不足、分布不均，因而需要節水，而農業節水問題已經不單單是維持我國經濟可持續發展的重要措施，同時還是改善農田環境、探索符合我國國情的現代節水體系的重大舉措^［2］。節水離不開水分的高效利用，而水分的高效利用離不開科學合理的灌溉技術方法，大量國內外研究表明，地下滴灌是一種高效的節水灌溉技術，而作物吸收水分的關鍵器官又是根系，作物根系的分布直接影響到根系對水分的吸收和利用^［3］，因此，直接將水分灌溉至根區附近，將是最為高效的灌溉技術方法之一。此外，不同土壤下的地下滴灌水分分布對不同作物根系的影響效應研究，也是國內外學者研究的熱點課題。基于此，本文在地下滴灌研究現狀和進展的論述基礎上，詳細分析地下滴灌土壤水分分布對作物根系的影響研究現狀，并指出研究存在問題以及提出今后研究的建議與展望，為灌溉技術與根系生態交叉學科的研究學者提供相關文獻研究參考。

1"地下滴灌技術概述

1.1"基本原理

地下滴灌技術是在滴灌基礎上而形成的一種高效且更節水的灌溉技術，是將水或水肥通過地埋毛管上的灌水器均勻、緩慢出流滴入作物根區土壤區域的灌溉方法^［4］，如圖1所示。另外，與地表灌溉相比，其避免了地表水分的蒸發，此灌溉方式是使水分以微量、多次方式滲入到作物的根區土壤中，再逐步使水分滲透擴散到作物的整個根系區域，實現對水分的高效利用，為干旱或半干旱地區作物生長創造良好的生長環境。

1.2"地下滴灌的組成及類型介紹

現代地下滴灌系統已實現智能控制，可對農作物進行精準灌溉，如圖2所示。隨著地下滴灌技術的發展，涌現出多種新型地下滴灌技術方法，各類型的優缺點也存在較大差異^［5］，如表1所示。

1.3"地下滴灌的研究現狀與應用情況

1.3.1"研究現狀

1913年，美國的House對地下滴灌進行了最初的研究，但得出的結論是此灌溉技術并沒有使作物根區土壤水分增加，并且其應用的成本太高^［6］，最終以失敗告之。直到1920年，由美國加利福尼亞州的Charle Lee申請的一個多孔灌溉瓦罐技術專利^［7］，才開始了對地下滴灌的研究，在20世紀40年代以后，塑料工業的興起才使滴灌技術發展有了新的機遇。滴灌技術首先在英國開始得到發展，緊接著是在以色列和美國，自1960年開始以來，地下滴灌一直是美國滴灌發展的一部分，在20世紀70年代，此灌溉系統的安裝設備已經開發出來，自20世紀80年代以來，地下滴灌技術已經成為有效的灌溉系統。1981—1995年的14年間，美國采用地下滴灌灌溉作物從185khm²增加到了1000khm²，占據了總灌溉面積的5％^［8］。目前，以色列的耐特菲姆現代灌溉和農業系統公司的地下滴灌技術比較成熟。

與國外相比較，我國地下滴灌技術的發展比較晚。在1974年，我國引進并開始對滴灌技術研究，在一系列的試驗研究下并未將其推廣，但這成為我國地下滴灌技術發展的開端。而地下滴灌的研究與應用大約開始于1980年，但研究應用主要集中在林果樹作物和苜蓿牧草上^［9］。“九五”期間，在北京昌平13.3hm²試驗示范區對地下滴灌技術進行試驗研究，成效顯著^［10］。21世紀初，在新疆對棉花運用地下滴灌技術進行種植，也取得了可觀的經濟效益。

1.3.2"應用情況

地下滴灌的應用主要分為室內試驗應用和室外試驗應用。（1）地下滴灌室內試驗是指利用盆栽作物為試驗對象，在實驗室、溫室大棚等可控的環境下開展作物根區灌溉效果試驗。Zhang等^［11］溫室實驗室內試驗研究根區微灌對辣椒的水分利用效果，發現在云南紅壤土條件下，其平均水分利用率比地表灌溉高20.2％左右。肖讓等^［12］在溫室大棚內研究地下加氣灌溉對辣椒生長影響，發現加氣灌溉下辣椒葉片的光合速率增強，且促進了作物生長。陳新明等^［13］研究了無壓地下灌溉對黃瓜、番茄產量和品質的試驗，試驗結果表明，無壓灌溉提高了溫室的地溫、作物對水分的利用率和水分生產率。（2）地下滴灌田間試驗是指在田間實際環境下，開展地下滴灌與傳統灌溉的效果對比試驗。如Martinez等^［14］采用地下灌溉對油橄欖進行了試驗研究，發現其用水量比地表滴灌節約了20％，并且作物的產量也提高了8.3％。劉威宏等^［15］研究了根區滴灌對山地蘋果樹的生長發育的影響，結果表明，灌水量比傳統滴灌節約了8.09％，水分利用率提高了10.62～15.30％，同時還提高了果樹的果實發育。張計峰等^［16］研究了根區孔下滴灌施肥對紅棗產量的影響，發現與地表滴灌施肥相對比，紅棗產量平均提高了6.9％，并且單果質量也平均增加了8.4％。任小通等^［17］研究了根區灌溉對葡萄產量的影響，發現在相同田間持水量下的根區灌溉和溝灌中，前者比后者灌水量低了21.84％，但產量提高了18.68％。

大量地下滴灌室內/室外評估試驗表明，地下滴灌技術具有巨大的發展潛力，但地下滴灌技術的產業化水平有待進一步提高。此外，與傳統灌溉技術相比，地下滴灌是一種高效的節水灌溉技術，如表2所示。

1.4"影響地下滴灌工作性能的主要因素

1.4.1"環境因素

環境因素包括土壤類型、灌水溫度、蟲鼠破壞以及根系入侵等，由于地下滴灌灌溉管（滴頭）直接作業在土壤中，因此環境因素是影響地下滴灌性能、壽命的重要因素。目前，環境因素主要影響灌溉的堵塞問題，常發生的主要有物理、生物、化學堵塞，如表3所示。仵峰等^［18］對地下灌溉不同灌水器的堵塞問題進行了研究，如表4所示。

劉璐等^［19］發現水肥一體化滴灌灌水溫度較低時，適當增加灌水時長，減少灌溉次數。地下滴灌管（帶）易受蟲鼠破壞。保功輝等^［20］發明了一種地埋式滴灌防鼠蟲裝置，避免了滴灌管（帶）的破壞，提高了裝置使用壽命，增加了農民收益。根系入侵滴頭是一個棘手的問題，為避免根系入侵造成的影響，人們采取了一系列的措施^［21］，如表5所示。

1.4.2"作業因素

地下滴灌技術的作業因素包括滴灌管（滴頭）埋深、灌溉量、不同水質及灌溉速率等。張子卓等^［22］研究了微潤帶埋深對番茄生長影響，發現埋深為15cm時，番茄對水分利用率達到最大，且產量最多。焦炳忠等^［23］發現地下滲灌在不同的埋深與灌溉量下，棗樹的產量和水分利用率存在差異，而適宜的埋深和灌溉量分別為28～33cm、370～410mm。賈帥等^［24］研究不同滲灌埋深與灌水量對馬鈴薯水氮分布的影響，發現埋深15cm，灌溉量1950m³/hm²條件下，可以提高作物水氮利用率和產量。王慧蕓等^［25］研究了不同水質（微咸水、肥水、微咸水加肥）對不同灌水器（陶瓷和迷宮流道灌水器）堵塞的影響，發現不同灌水器流量隨時間推移而出現不同程度的下降。

1.4.3"其他因素

其他因素包括地下滴灌灌水器的材質、類型及制備工藝等，其他因素也是影響地下滴灌效果的重要因素之一。蔡耀輝等^［26］在微孔陶瓷灌水器制備的研究發現，硅藻土的摻入可以優化灌水器的性能。蒲文輝等^［27］研究了制備工藝對微孔陶瓷性能的影響，發現原料（石英砂、滑石粉為主）配比不同，導致灌水器材料的孔徑、流量不同。對于選擇不同類型的滴頭，表現出的土壤水分分布也存在一定差異。

研究表明，地下滴灌的性能受環境因素、工作因素和其他因素的共同影響，而各因素之間的關聯與耦合影響需進一步深入研究。

2"地下滴灌土壤水分分布情況

相比傳統灌溉，地下滴灌條件下土壤水分分布的優勢更為突出，其水分分布更均勻，土壤濕潤體含水量更多，大量學者對比傳統灌溉方式，對地下滴灌的水分分布進行了一系列研究。如楊明達等^［28］利用不同的滴灌模式對土壤水分分布進行了研究，發現在相同灌溉量下，地下滴灌下的垂直濕潤土體范圍要比地表滴灌的更廣。楊明達等^［29］利用地下滴灌對砂壤土夏玉米的土壤水分進行了試驗研究，發現相比于地表滴灌，地下滴灌（埋深30cm，間距60cm）能夠增加土壤深層的體積含水率，使作物產量明顯提高8.6％。朱珠等^［30］采用插入式地下滴灌，在砂壤土中進行了試驗研究，試驗表明，在相同灌溉時間和滴頭流量下，地下滴灌的土壤持水效率、濕潤面積和濕潤體土壤平均含水量都要好于地表滴灌。

然而，在地下滴灌條件下，不同土壤類型也會導致水分分布的差異性，如表6所示。

研究表明，土壤水分分布的差異性與土壤類型密切相關，但不同的地下灌溉方式也是導致水分分布存在差異性的關鍵。

3"土壤水分對作物根系構型的影響

3.1"土壤水分對根系重塑的影響

土壤含水量是土壤的一個關鍵物理因素，它對植物的生長發育具有重要意義，土壤水分虧缺或高于作物需水上限都會影響到其根系數量和土壤中的根系分布，土壤中的水分含量也是作物根系構型的關鍵因素，作物根系是表現出向水性來控制其根系在土壤中不同方位的生長^［35］。此外，土壤水分直接或間接影響到作物根系在土壤中的生長與發育，土壤水分在較大程度上影響著作物根系在土壤中的分布狀況。呂謀超等^［36］采用地下滴灌對夏玉米研究表明，玉米根量主要集中在滴頭附近的土壤中，愈靠近滴頭根系發育愈多，根量越多，根系吸水能力愈強。灌溉方式的不同也導致作物根系分布的差異性，在不同灌溉方式（淺埋滴灌、膜下滴灌、傳統畦灌）處理下玉米根系分布差異較大^［37］，主要由于不同的灌溉方式使土壤水分的分布產生差異，進而使得同種作物的根系分布出現各異性。

因此，采用地下滴灌灌溉方式可以使土壤中水分分布更均勻，土壤濕度保持時間更久，更有利于對作物根系構型進行重塑。

3.2"土壤水分分布對根系養分獲取的影響

土壤水分分布以關鍵載體運送養分，從而間接地影響根系形態構型。土壤中的養分對作物根系的生產量、死亡量起到關鍵作用^［38］，特別是磷元素對作物根系構型的重塑起關鍵作用。良好的土壤水分分布更有助于促進作物對磷的吸收，一系列學者研究表明，地下滴灌下養分對根系形態構型的重要性。如Wang等^［39］利用番茄研究了地下灌溉對土壤磷酸酶活性的影響，研究表明，地下灌溉能夠提高土壤中磷酸酶的活性，從而增強土壤磷素有效性，增加土壤中的有效磷。Wang等^［40］研究了地下滴灌對番茄氮磷代謝的影響，發現地下滴灌（滴灌管埋深20cm）有利于促進番茄根區對氮、磷等元素的代謝和吸收，并且相比于地表滴灌，作物根系氮、磷含量提高1.18倍和1.47倍。張計峰等^［16］采用根區孔下滴灌施肥研究了紅棗對氮、磷、鉀的利用率，發現該灌溉方式相比與地表滴灌，顯著提高作物各器官對養分的吸收。

因此，在作物根系構型的重塑過程中，土壤養分（尤其是磷元素）起重要作用，而土壤中良好的水分分布可避免磷的流失，進而更利于作物對磷的吸收，地下滴灌灌溉方式下使根系構型重塑得到進一步保證。

4"地下滴灌對作物根系構型的重塑

植物表型可塑性是指同一基因受到外界不同環境的影響而表現出不同的形態特征^［41］，是植物為適應生長發育環境，在自身的外在形態上做出系列積極或消極響應，來達到獲取充足生長資源、供自身生長的目的^［42］。地下滴灌技術是將地表滴灌管或滴頭埋設在作物土壤下一定深度的深層灌溉方式，并由于作物根系的向水性，可以通過地下滴灌技術向作物根區進行微灌，來影響作物根系的分布。作物根系初始發育生長受其遺傳特征影響，但隨著其根系所在土壤環境的變化，這種模式也就發生改變，同時植物根系在面對不同的生物與非生物因素影響時會表現出驚人的可塑性^［43］，其中，土壤的含水量、水勢、養分及土壤強度的時空變化都會在一定程度上影響作物根系的結構與分布。有學者試驗研究表明，在地下滴灌條件下對番茄^［44］、玉米^［45］進行試驗分析，發現它們的根系優先在地下滴灌管附近生長，即在土壤濕潤區域分布較多。Romero等^［46］研究發現，地下灌溉除了可以對土壤中根系的垂直分布調節外，還可以誘導作物根系在土壤中下扎。與地表灌溉相比，地下灌溉除了可以使深層土壤（大于20cm）中根系比例增加外^［47］，還可以使作物根系在土壤中分布范圍更廣^［48］。

4.1"淺根系作物根系重塑

淺根系作物多為須根系，它們的主根并不發達，其不定向根或側根向土壤四周伸展，長度也遠超過主根，其根系主要分布在土壤淺層，使得這類作物只能在土壤的淺層中吸收水分。有研究指出，作物的根系分布與自身抗旱性有一定的關聯，一般抗旱性強的作物根系分布更發達，對小麥的研究中表明，抗旱品種的根系比較發達，根系向深層土層下扎，且根系在深層土壤中占比更大^［49］。為改變淺根系作物在土壤中下扎深度淺，抗旱性、抗倒伏能力相對較弱的問題，國內外學者對此進行一系列的試驗研究，證明了采用地下滴灌技術對淺根系作物根系重塑的可行性，如圖3所示。

早在1976年，Phene等^［50］研究發現增加淺根作物甜玉米根長，可以通過頻繁的淺層根區灌溉技術來實現。20世紀90年代初，Phene等^［51］用高頻地表灌溉（S）和地下滴灌技術（SS）對玉米的根系分布進行了試驗研究，結果表明，S灌溉方式對淺層土壤（小于30cm）的玉米根長密度影響較大，而SS灌溉方式對深層土壤（大于30cm）的玉米根長影響比較大。Bhattara等^［52］采用增氧地下灌溉技術將毛豆種植在盆栽中進行試驗研究，有氧和無氧試驗組形成對照，試驗表明，隨著土壤深度增加作物的根長密度降低，造成這一結果的主要原因是根際區域氧分減少，試驗也說明加氧的試驗組土壤根長密度提高了9％；采用地下滴灌技術可以增加作物的根系，而深層土壤作物根長密度降低的主要原因是土壤中氧氣含量下降。

在我國，孫三民等^［53］對棗樹進行地表滴灌和間接地下滴灌（埋深設20cm、27cm、35cm三個位置）的試驗研究，發現地表滴灌處理下，作物的細根和粗根主要分布在淺層土壤，間接地下滴灌處理下，根系向深層土土層下扎，且根系分布均勻。蔣敏等^［54］對南疆的駿棗進行了不同深度的地下灌溉試驗研究，發現灌溉深度的增加，使作物根系向深層土壤中下扎，并且使作物水平方向的根系更加集中。孔清華等^［55］對青椒進行不同灌溉（畦灌、地表滴灌、地下滴灌）的對比研究中發現，地下滴灌不僅可以明顯促進作物根系生長，還可以使根系更多的扎入較深的土層中，并且地下滴灌下作物根長分別是畦灌和地表灌溉的2.44倍和1.46倍。

4.2"深根系作物根系重塑

深根系作物主要是直根系，其主根在土壤中扎根深，側根并不像淺根系作物發達，僅是主根從屬部位，深根系的作物根系發達，相較于淺根系作物更加抗旱。對于深根系作物采用地下滴灌技術可以激發根系向深層土壤吸水的潛能，從而使作物在干旱期能夠更好的生長，如圖4所示。

Ma等^［56］對葡萄用直接根區灌溉（DRZ）和地表滴灌（SD）進行試驗比較，各灌溉方式用3種不同的灌溉速率（高灌水速率、中灌水速率、低灌水速率），通過CI-600對葡萄根區進行拍攝，并用RootSnap對圖像進行分析，結果說明，淺層土壤DRZ在不同灌溉速率下根數總量和根長密度與SD相比都有所減少，但DRZ卻提高了葡萄產量，研究推測在深層土壤下可能發育了一個根系系統。同樣，Ma等^［57］在華盛頓本頓市運用根區直接灌溉對赤霞珠進行試驗研究，并用原位根成像系統對其作物根部進行觀測，表明了此灌溉技術激勵了作物深入生根的潛力，有助于作物在更深的土壤中獲取水分，以此來增加作物在干旱季節的抗旱能力。Miyazak等^［58］運用根箱試驗對旱稻進行地表下灌溉來觀測其根系發育與生長的變化，在距地面不同的深度（0cm、5cm、10cm和20cm）進行獨立灌溉，試驗結果表明，各個試驗組在灌溉量相同條件下，地下灌溉可以增加作物根系長度，并提高土壤深層分枝數量，誘導作物深層根系在土壤中的深入。

在我國，陳新明等^［59］將無壓地下灌溉與溝灌進行對比試驗發現，在前者處理下番茄的根系體積、最長根隨著供水壓力、灌水器孔徑和埋深發生變化，作物最長根始終顯著長于后者處理下的。何華等^［60］在溫室中自制供水箱對冬小麥進行不同深度的灌溉（0cm埋深、20cm埋深、40cm埋深），發現采用地下根灌對冬小麥來說，避免其過多的根系對同化產物造成浪費，其中40cm的根灌方式最為顯著。

由大量國內外學者對根系重塑研究表明，在地下滴灌條件下，重塑作物根系可提高作物根系的吸水能力，還可激勵作物深層根系的發育，對淺根系作物的根系改變尤其顯著，但目前針對作物根系重塑的研究相對較少，亟需相關課題的深入研究。

5"存在問題與展望

1） 地下滴灌土壤水分分布研究大多集中在作物水分利用效率的潛力挖掘，以及不同地下滴灌型式下濕潤體分布特性的研究方面。然而，作物的根系形態構型復雜多樣，圍繞根系不同功能區間需求的土壤水分分布特性的研究還十分匱乏。因此，以作物根系形態構型為切入點，探究地下滴灌條件下的土壤水分與根系構型的互作機理，從而摸索挖掘作物水分利用效率提升的新路徑，將是一項重要的研究課題。

2） 地下滴灌土壤水分分布的試驗研究中，大多采用平面點源布設方式，這種平面布設方式下的土壤水分分布較為單一，不能在空間維度形成濕潤體差異化分布，從而無法有效滿足根系本身不同生理區間對水分的需求。因此，探索針對特定土壤的空間多點源新型地下滴灌技術與方法將具有重要研究價值。以云南紅壤為例，其土質黏重，局部水分不易下滲，水分能較長時間駐留在灌水器出口周圍，這種土壤特質為空間多點源水分誘導根系構型提供了前提。

3） 根系重塑一直是植物生態學領域的熱點與難點課題。大多學者主要從作物生理學和營養學角度開展根系重塑研究，而以土壤水分這一關鍵因子，借助地下滴灌工程技術手段開展的相關研究還不充分，尤其是針對干旱、半干旱地區作物環境抗性提升方面的研究還有待深入。以地處西南山區的云南省為例，氣候特征屬于典型的季風氣候，隨著全球氣候變暖，季節性干旱日趨嚴重，而新型空間多點源地下滴灌技術能在節水的同時，通過重塑根系構型提升作物環境抗性。因此，未來可面向云南稀植型經濟作物的根系，開展空間多點源根區微灌根系構型重塑方面的研究，以期更好地實現精準微量灌溉，提升作物的質量和產量。

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