加气灌溉模式下稻田土壤水溶解氧的变化规律

刘锦涛等

摘要：基于小区试验资料研究了加气控制灌溉模式下稻田土壤水溶解氧的变化规律，结果表明：加气灌溉均能够提高不同灌溉稻田土壤的水溶解氧（DO），灌水后根区较高的土壤水溶解氧含量一般能够持续5 d左右，72 h内控灌+高加气量处理的土壤水溶解氧均值与其他处理差异明显；稻田土壤水溶解氧含量随土壤深度的增加而减少，表明加气灌溉对0～20 cm土层土壤水溶解氧含量影响显著，对深层土壤影响较小。因此可知，制定合理的水稻加气控制灌溉制度，可为水稻生长提供有利的根区供氧条件，对促进水稻生长、提高水稻产量有重要意义。

关键词：水稻田；控制灌溉；加气灌溉；土壤水；溶解氧；水稻；根区供氧

中图分类号： S275文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0389-04

收稿日期：2014-10-15

基金项目：国家自然科学基金（编号：51211411）；江苏省高校优秀科技创新团队项目。

作者简介：刘锦涛（1989—），男，山西长治人，硕士研究生，从事节水灌溉理论及其农田生态效应研究。E-mail：ljtpenny@163.com。

通信作者：徐俊增，博士，教授，主要从事节水灌溉理论及其农田生态效应的研究。E-mail：xjz481@hhu.edu.com。水稻长期处于淹水或接近饱和的水分状态，使得根区土壤多处于还原状态，会导致还原性物质的富集，虽然水稻根系有泌氧作用，但也会出现黑根等现象，从而影响水稻根系生长。加气灌溉最先被提出用在滴管等管道系统为根区供气，目前已取得很好的效果，可改善土壤通透性，保证微生物的活性和根系活性，保障根系水分和养分吸收，以满足作物生长与高产的需要[1-3]。陈新明等采用Mazeei（空气注射器）给地下灌溉系统加入空气，通过大田试验研究了加氧灌溉对菠萝根区土壤呼吸作用、生理特性、生物量积累、果实产量、品质和水分利用效率的影响，认为加气灌溉使得土壤呼吸增加了100%，菠萝的果实鲜质量、生物量鲜质量、干物质质量和收获指数明显增大，与对照相比差异有统计学意义（P<0.05）[4]。李胜利等在关于不同根际通气环境对盆栽黄瓜生长初期及根际CO2含量影响的研究中表明：不同通气水平均能不同程度改善黄瓜植株根系和地上部的生长，通气最多的黄瓜根际CO2含量为0.309%，比对照降低了29.4%[5]。郭超等研究了根际通气对盆栽玉米生长及对玉米根系活力的影响，结果表明，加气灌溉能够提高玉米株高、叶面积、叶绿素含量，并可促进地上、地下部分干物质的积累，同时通气处理还能够促进作物的养分吸收[6]。孙周平等研究了根际通气性对马铃薯光合生理指标的影响，结果表明，改善根际通气条件能够促进马铃薯光合作用与光合代谢产物的转运和积累，其中根际管通气处理下马铃薯植株的生长效果比根际自然扩散通气处理要好[7]。胡德勇等研究了增氧灌溉对大棚秋黄瓜生长特性的影响，结果表明，输气灌溉促进了秋黄瓜植株的生长，增强了植株根茎叶的整体功能，提高了结实率，最终使得秋黄瓜的产量得到显著增加，并且在不同生育阶段叶片的叶绿素、可溶性蛋白质和可溶性糖的质量分数均有不同程度的增加，叶片的光合速率得到显著增强[8]。刘杰等研究了根区加气对温室小型西瓜形态指标、产量、品质的影响，结果表明根区加气处理对地下滴灌条件下日光温室小型西瓜形态指标、产量、品质产生了明显影响，加气频率采用1次/2 d处理优于其他加气处理[9]。

控制灌溉是在水稻大部分生育期内采用无水层管理，已有研究认为，在控制灌溉下，田面长时间不建立水层可以改善耕层土壤的通气状况，促进稻根的生长发育，改善根系对养分的吸收，保障水稻正常的水肥需求[10-12]。在不同灌溉条件下，加气灌溉对于稻田土壤水中溶解氧的含量及水稻生长的影响会存在差异，相关研究还有待开展。本研究基于小区试验，分别针对稻田在淹水和控制灌溉条件下进行加气灌溉试验，并采用不同灌溉方式和加气浓度结合的方式，以揭示稻田土壤水溶解氧随时间的变化规律和垂直分布规律，为制定合理的水稻加气控制灌溉制度提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验设计

试验于2013年在河海大学国家重点实验室昆山试验基地（地理位置31°15′15″N，120°57′43″E）的6个田间试验小区开展。该区域属亚热带南部季风气候，年平均气温15.5 ℃，年降水量1 097.1mm，年蒸发量1 365.9 mm。土壤类型为潴育型黄泥土，耕层土壤为重壤土，0～18 cm土层土壤有机质含量21.88 g/kg，全氮含量1.08 g/kg，全磷含量1.35 g/kg，全钾含量20.86 g/kg，pH值7.4，0～30 cm土壤容重为 1.32 g/cm3。试验中考虑不同灌溉方式和不同加气量的组合，共设6种处理：常规灌溉（简称CKT）、控制灌溉（简称CKC）、控制灌溉+低加气量（简称C+LGQ）、控制灌溉+中加气量（简称C+MGQ）、控制灌溉+高加气量（简称C+HGQ）、常规灌溉+高加气量（简称T+HGQ）。试验采用控制灌溉和常规灌溉2种模式，控制灌溉在秧苗移栽后，田面保留10～30 mm薄水层返青，返青以后各个生育阶段田面不建立灌溉水层，以根层土壤水分为控制指标，确定灌水时间和灌水定额。按当地水稻种植习惯进行常规灌溉管理，分蘖后期排水晒田，其余各生育阶段田间均保留浅薄水层，黄熟期水分自然落干。以田间水层和根层土壤水分作为日常灌溉控制指标，确定灌水时间和灌水定额，各生育阶段具体控制指标见表1。试验采用物理加气法，通过一种气泡发生器（图1）实现，当田间需要灌水时，同步打开气泵，往灌溉管网中注入气泡。表1控制灌溉水稻不同生育阶段根层土壤水分控制指标

生育期阶段灌水上限灌水下限控制百分比（%）含水量控制百分比（%）含水量饱和含水量θs

根层观测深度

（cm）分蘖期前期100θs17070%θs146.59%θs10～20中期100θs16565%θs1后期100θs16060%θs1拔节孕穗期前期100θs27070%θs246.59%θs20～30后期100θs27575%θs2抽穗开花期100θs38080%θs345.78%θs30～40乳熟期100θs37070%θs3注：返青期水层为田间水层深度，控制在10～30 mm；黄熟期末不再灌水，使田间水分自然落干；表中所列含水量均指体积含量，为根层观测深度内土壤含水量平均值，θs1、θs2、θs3、θs4指各阶段饱和含水量；灌水上、下限含水量由饱和含水量（θs）与各生育阶段设定的控制百分比相乘得到。endprint

1.2观测方法

水稻插秧前在各处理的对应小区埋置土壤溶液取样器，埋置深度为10、20、40 cm，取样器为直径5.0 cm的PVC管，管底密封，各处理在管底端基本一致的深度处均匀钻孔，再用土工膜包裹严实，取样器周围土壤尽可能压实以防止贴壁的水分下渗影响。每次灌水前，均抽空土壤溶液取样器中的土壤水，灌水后1 d开始，于每天08：00采用美国YSI ProODO光学溶解氧测量仪测量取样器中土壤水溶解氧（DO）含量，持续观测至下次灌水。

2结果与分析

2.1灌水后稻田表层土壤水溶解氧含量

各生育期典型日灌水后稻田表层土壤水溶解氧含量见表2，各生育期典型日各处理均按照试验期间稻田灌水控制指标和加气要求进行灌溉。由表2数据可见，在控灌模式下，不同加气处理的稻田表层土壤水溶解氧含量差异显著，且部分与对照控灌的差异显著；同等加气模式下的C+HGQ、T+HGQ 2种处理方式的土壤水溶解氧含量无显著性差异。

2.2稻田土壤水溶解氧含量随时间的变化规律

对图2、图3、图4分析可知，各生育期典型日各不同处理下，各土层土壤水溶解氧含量基本上均随时间推移呈下降趋势。

节孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度达61%，抽穗开花期土壤水溶解氧含量降低幅度达75%；C+MGQ处理下，分蘖期土壤水溶解氧含量降低幅度达57%，拔节孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度达78%，抽穗开花期土壤水溶解氧含量降低幅度达80%；C+HGQ处理下，分蘖期土壤水溶解氧含量降低幅度达25%，拔节孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度达66%，抽穗开花期土壤水溶解氧含量降低幅度达82%；T+HGQ处理下，分蘖期土壤水溶解氧含量降低幅度达16%，拔节孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度达70%，抽穗开花期土壤水溶解氧含量降低幅度达77%；作为对照的常规灌溉和控制灌溉，土壤水溶解氧含量减少幅度在50%～70%之间。由图2、图4的0～10、20～40 cm土层的土壤水溶解氧含量表现出的规律也可看出，稻田土壤水溶解氧含量总体上表现出随时间推移而下降的趋势；而从总体上看，加气灌溉条件下稻田各层土壤水的溶解氧含量一般能够维持5 d左右，其中拔节孕期土壤水溶解氧消耗得最快，总体降低幅度最大，这是因为经过分蘖末期晒田，稻田土壤孔隙率变大，拔节孕穗期灌溉水下渗量增大，入渗水中含有的微气泡增多，从而增大了消耗。

土壤水溶解氧含量总体表现出随时间推移而下降的趋势，但不同深度之间存在差异。由图2可见，对于0～10 cm土层，随着时间推移，土壤水溶解氧含量会逐渐降低，但因最接近土层表面，随水分蒸发和被植物吸收利用，土壤水与空气接触，使土壤水含量有所回升。由图3可知，10～20 cm层土壤水溶解氧含量规律表现为，灌溉后3 d内，除分蘖期各处理的土壤水溶解氧值逐渐下降，此后2 d则基本保持不变，原因是对于较深层土壤水而言，难以接触到空气，而加气灌溉的气泡也基本消耗殆尽，土壤水中溶解氧得不到补充；而对于太低浓度的溶解氧，水稻植株根系难以吸收利用；各处理在灌溉后的下降趋势基本相同，无太大差异。由图4可以看出，40 cm土层处，由于稻田渗漏较慢，灌溉水进入深层土壤中较少，且与外界空气接触困难，导致加气灌溉效果对深层土壤水溶解氧含量的影响并不显著，处理间的差异很小，表明通过加气灌溉改变稻田深层土壤环境的效果比表层弱，若能够改进灌水方式，效果将提高。

此外，不同处理之间土壤水溶解氧含量下降也存在差异，控制灌溉下土壤水溶解氧含量会在后期出现回升，如分蘖期（图2-a、图3-a、图4-a），加气灌溉各处理溶解氧含量均随时间逐渐减小，但是从灌水第4天后部分控制灌溉土壤水溶解氧含量有所回升，其原因是灌水后田面一般保持有 3.0 cm 的水层，在最初几天，土壤不能和空气接触，水稻根系又不断消耗土壤水中的氧气，所以基本均处于下降趋势，到第4天，稻田土壤孔隙水被植株消耗或者蒸发，空气能够随土壤孔隙进入深层土壤与土壤水接触，使得溶解氧含量有所上升；C+HGQ处理下，各土层土壤水溶解氧大部分都高于其他处理方式。拔节孕穗期（图2-b、图3-b、图4-b）和抽穗开花期（图2-c、图3-c、图4-c）与分蘖期稻田土壤水溶解氧含量表现的规律基本相同，同时也可以看出，控制灌溉+高加气量（C+HGQ）处理下，各土层土壤水溶解氧含量大部分都高于其他处理方式。分蘖期C+HGQ处理5 d内溶解氧含量平均值为2.80 mg/L，是不加气控制灌溉处理的1.85倍；拔节孕穗期，C+HGQ的溶解氧平均值为2.41 mg/L，是不加气控制灌溉处理的1.75倍；抽穗开花期，C+HGQ的溶解氧平均值为1.78 mg/L，是不加气控制灌溉处理的1.5倍。

2.3稻田土壤水溶解氧垂直分布规律

灌溉后24 h全生育期各处理土壤水溶解氧均值变化均表现为随土层深度增加而逐渐降低（表3）。显著性分析表明，3种控灌加气处理土壤水溶解氧值在各土层间的差异表现相同，与其他3层比较，C+LGQ、C+MGQ、C+HGQ处理田面全生育期土壤水溶解氧均值差异达到显著水平，对照处理表现类似。10 cm与20 cm土层存在差异，但溶解氧均值相差较小，仅T+HGQ、CKT、CKC处理差异显著。40 cm土层土壤水溶解氧均值最低，与0～20 cm土层差异较大，表明在控灌条件下进行加气灌溉，对稻田0～20 cm土层土壤水溶解氧的含量提升效果最为显著。常灌对照各土层间土壤水溶解氧均值与控灌对照大致相同，0～20 cm各土层间差异显著，20～40 cm 差异较小；加气处理各土层差异均较大，表明加气灌溉对改善常灌稻田土壤水溶解氧效果显著。

规律时，土层深度设为10～40 cm。除分蘖前期外，各时期均呈现出随着土层深度的加深，溶解氧浓度减小。全生育期内，灌溉后96 h各土层土壤水溶解氧均值与24 h相比，表现出土层间的差异减小。控制灌溉模式下，C+HGQ、C+MGQ与控灌对照处理的各土层间土壤水溶解氧值表现相同，10 cm土层与其他2层间差异较大，达到显著水平，20与40 cm土层间存在差异，但差异较小；C+LGQ处理各土层间差异均不显著，表明在控灌模式下，灌水后4 d加气灌溉对各土层稻田土壤水溶解氧的影响随时间逐渐减小，且效果显著的仍为0～20 cm土层，深层土壤的加气效果不明显。常灌模式下，加气与不加气处理各土层间表现规律与控灌相似，10 cm土层与其他土层差异显著，40 cm土壤水溶解氧最低，但与20 cm土层差异较小，可见常灌模式下加气灌溉对10 cm土层土壤水溶解氧提高效果明显。endprint

3结论

（1）控制灌溉模式下，加气灌溉均能够明显提高稻田土壤水溶解氧，其中控灌+高加气量（C+HGQ）处理的效果最佳。（2）不同生育期，加气灌溉条件下稻田各层土壤水中较高的溶解氧含量一般持续5d左右，拔节孕穗期土壤水溶解氧消耗最快。 （3）土壤水溶解氧含量随土层深度增大而降低。控灌条件下的加气灌溉对稻田0～20 cm土层土壤水溶解氧提高效果最为显著，对深层土壤效果不明显；同时，加气灌溉对改善常灌稻田土壤水溶解氧含量效果显著，其中对10 cm土层土壤水溶解氧含量的提高效果最为明显。

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