加气灌溉对土壤中主要微生物数量的影响

朱 艳，蔡焕杰，陈 慧，徐家屯，王云霏(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

与漫灌、沟灌、喷灌、地面滴灌等灌水方法相比，地下滴灌技术能更好地提高灌溉水分利用效率，且能减小对环境的不利影响[1]。地下滴灌使表层土壤的蒸发减小，水分流失因此可忽略[2,3]，而且滴头附近的根部优先生长，提高了作物的水分可利用性[4]。但是，长时间进行地下滴灌有可能会影响滴头附近的土壤结构和水力学特性[5,6]，进而限制作物根区氧气扩散。而且在灌水期间，地下滴灌灌水器附近会形成一个持续的湿润锋，作物根区在灌水期间的一定时间内维持在水分接近饱和的状态，使得土壤缺氧。若是在排水条件比较差的土壤中，在灌水后的一定时间内，水继续代替空气存在于土壤中，因此降低了土壤孔隙中氧气的可利用性和移动性，更加加剧了作物根区土壤氧气含量降低的趋势[7]。

氧气扩散速率(ODR)、水分含量和土壤强度是影响作物根部生长的最主要的土壤性质。但是，灌水量过多，尤其是在重黏土中，根区生长很大程度上受限于氧气扩散速率，而不是土壤水分和土壤强度[8]，地下滴灌灌水时产生的根区持续的湿润锋会限制根区氧气扩散，使作物根区缺氧。作物根区需要充足的氧气来进行根系呼吸和作物新陈代谢。缺氧引起根系呼吸降低进而导致蒸发蒸腾速率降低，无差别的离子流动增大，使盐分进入作物最终严重限制作物生长[9]。

甚至是传统的灌水方法，依土壤类型和排水特性，也会产生短暂或长期的土壤氧气缺乏的现象。在亚热带地区，由降雨和灌溉来共同满足水分需求，但是在广泛种植甘泽、棉花等作物的重黏土中，因此在降雨较多的夏季，灌水有可能会影响到作物生长、降低产量[10]。

本文中的加气灌溉是指在地下滴灌的基础上，在灌溉水进入灌水毛管和滴头之前，利用文丘里加气设备将空气吸入灌溉水中形成水气混合液输送到作物根区土壤。加气灌溉允许在灌水时将空气和水同时加入到作物根区，可以有效减弱地下滴灌造成的根区土壤氧气缺乏带来的不利影响，进而促进作物生长。

加气灌溉对改善地下滴灌造成的缺氧的土壤环境有很好的改善作用，能够有效地解决根区缺氧，进而促进作物生长，提高作物产量。因此探究加气灌溉对根区土壤环境(土壤氧气含量、土壤呼吸、土壤温度、土壤水分、土壤微生物的数量和呼吸)、作物生长和产量的影响至关重要。

最近的一些研究结果已表明加气灌溉能显著提高作物根区土壤呼吸速率，促进作物的生长，有效提高作物产量和水分利用效率等，显示出其在解决因灌水、土壤紧实等导致的根区缺氧问题方面的潜力[11-15]。

但是却鲜有研究加气灌溉对作物根区土壤中的微生物的影响。土壤中含有各种各样的有机和无机营养物，它是微生物生长和繁殖的天然培养基。土壤的条件是十分复杂且多变的，土壤中的微生物种类是极其丰富的。但是土壤中的主要微生物包括土壤细菌、土壤真菌和土壤放线菌。加气灌溉既然改变了土壤环境，那么加气灌溉可能也会对土壤微生物产生影响且可能也可以通过研究土壤主要微生物的变化来研究加气灌溉与地下滴灌的差异。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2013年8月-2014年1月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室(北纬34°20′，东经108°24′，海拔高度为521 m)的日光温室内进行。温室内试验区60 cm土层内平均土壤干密度为1.40 g/cm3，田间持水量为23.8%。试验番茄品种为金鹏10号，属中早熟品种。株距30 cm，垄距为80 cm。垄与垄之间用埋深100 cm的塑料膜隔开，防止侧渗。每一垄作为一个试验小区。

1.2 试验设计与方法

试验中，Mazzei287型文丘里加气设备安装在灌水毛管的首端，在其两侧均装有压力表，进口压力为0.1 MPa，出口压力为0.02 MPa，由排气法测得进气量占灌溉水量的17%，灌溉毛管中多余的水可回流。滴头埋深为15 cm，距离作物茎秆10 cm。

试验中通过放置在番茄冠层20 cm处的E601标准蒸发皿测得的蒸发量控制灌水量，计算方程为公式(1)：

W=AEpankcp

(1)

式中：W为灌溉水量，L；A为单个灌水器控制的小区面积，m2。

本试验中取0.12 m2(0.3 m×0.4 m)；Epan为两次灌水时间间隔内的蒸发量，mm；kcp为作物皿系数，本试验中各生育期加气处理取1.0，各灌水水平下加气处理分别取为0.75,1.0,1.25(表1)。

灌水周期为2 d一次，在08∶00到12∶00之间进行，灌水量以每天早08∶00测定的蒸发量为标准。

试验共8个处理，每个处理3个重复，所以共24个垄。试验共分为两部分。试验设计方案(表1)如下。

表1 试验设计方案Tab.1 The project of experiment design

注：√表示该生育期加气。

一是：在番茄单一生育期加气，分别为：苗期加气处理O1，开花坐果期加气处理O2，果实膨大期加气处理O3，成熟期加气处理O4，全生育期加气处理O5，对照为全生育期不加气处理CK，这6个处理灌水水平相同，均为kcp=1.0。二是：不同灌水水平下加气，分别为：灌水处理W1，kcp=1.0；灌水处理W2，kcp=0.75；灌水处理W3，kcp=1.25。3个灌水水平均为全生育期加气。具体生育期划分为：开始时间为2013年8月22日，缓苗时间为7 d，苗期为8月30日-9月18日，开花坐果期为9月19日-10月15日，果实膨大期为10月16日-11月22日，成熟期为11月23日-2014年1月2日，结束时间为2014年1月2日。

1.3 试验观测内容

采用稀释平板计数法测定土壤中主要微生物的数量。其基本原理是土壤微生物经分散处理成为单个细胞后，在特殊的培养基上生长并形成一个菌落，根据形成的菌落数来计算微生物的数量。本试验中细菌、真菌和放线菌的测定方法参照尹晓霞等[16]。

每垄采用蛇形取样法取土，每垄取5个点，每个点用土钻取深度20 cm的土壤，去除掉表层5 cm的土壤，将5个点中取出的土混合均匀，剔除掉植株根系、石子、未溶解的肥料等杂物，装入两个自封袋中，放入4 ℃的冰箱中以待测量。每个处理共取6袋土，约在1～2 d进行测样，避免长时间土样污染变质。

1.4 数据处理

采用SPSS17.0统计软件进行显著性差异分析。用Sigmplot12.0绘图分析。

2 结果与分析

由图1可看出，在全生育期内细菌菌落总数的变化不大。在苗期，O1和O5处理的细菌菌落总数较大，与其他处理存在显著性差异(P<0.05)，而其他加气处理与对照均较小，没有显著性差异。在开花坐果期，O2和O5处理细菌菌落总数较大，与其他处理间存在显著性差异，而其他加气处理与对照没有显著性差异。果实膨大期，O2、O3和O5处理细菌菌落总数较大，与其他处理存在显著性差异，而其他加气处理与对照间没有显著性差异。在成熟期，仅全生育期加气处理最大与对照间存在显著性差异，其他加气处理与对照没有显著性差异。

图1 不同生育期加气处理土壤中细菌菌落数量Fig.1 Variations of soil bacterial under aerated irrigation at different growth stages of tomato

由此可知，除成熟期加气处理外，在哪个生育期加气则对应生育期的细菌菌落总数会有所增大。在苗期，苗期加气处理的细菌菌落总数就较大。同理可知，在开花坐果期，开花坐果期加气处理的细菌菌落总数较大；在果实膨大期，果实膨大期加气处理的细菌菌落总数较大。而全生育期加气处理，在番茄生长的全生育期内细菌菌落总数均较高，均与不加气处理存在显著性差异。由相关数据算得，各生育期加气处理在番茄生长的全生育期内细菌菌落平均值为O5(0.439亿cfu/g)>O2(0.372亿cfu/g)>O1(0.360亿cfu/g)>O3(0.357亿cfu/g)>O4(0.341亿cfu/g)>CK(0.311亿cfu/g)。

由图2可看出，番茄生长的全生育期内对照处理的细菌菌落数均较小且除果实膨大期外，其他生育期均与中水和高水灌水水平下加气处理间存在显著性差异，与低水灌水水平下加气处理间没有显著性差异。由相关数据算得，不同灌水水平下加气处理土壤中细菌菌落数均值为W3(0.457亿cfu/g)>W1(0.439亿cfu/g)>W2(0.388亿cfu/g)>CK(0.311亿cfu/g)。

图2 不同灌水水平下加气处理土壤中细菌菌落数量Fig.2 Variations of soil bacterial under aerated irrigation at different irrigation levels

图3 不同生育期加气处理土壤中真菌菌落数Fig.3 Variations of soil fungi under aerated irrigation at different growth stages of tomato

在苗期，O1和O5处理间没有显著性差异且真菌菌落数均较高，而其他加气处理与对照间没有显著性差异(图3)。在开花坐果期，除O5处理与对照没有显著性差异，其他加气处理与对照没有显著性差异，而其他各生育期加气处理与全生育期加气处理也没有显著性差异。在果实膨大期，除O3与O5处理没有显著性差异且均较大外，其他处理与O5处理均存在显著性差异，且除O3、O5外其他加气处理与对照没有显著性差异。在成熟期，O4和O5之间没有显著性差异且均较大，其他加气处理与对照间没有显著性且均较小。

由图3相关数据算得，不同生育期加气处理全生育期真菌菌落数平均值为O5(2.318×102cfu/g)>O3(1.845×102cfu/g)>O1(1.779×102cfu/g)>O4(1.778×102cfu/g)>O2(1.762×102cfu/g)>CK(1.642×102cfu/g)，由此可知在各生育期加气均能提高真菌菌落数。因此，由真菌菌落数的大小可以反映出在各生育期加气均能改善到土壤通气状况。

由图4可知，在番茄生长的各个生育期内，高水水平下加气处理与中水水平下加气处理间没有显著性差异，而低水水平下加气处理与对照间没有显著性差异，由图4 相关数据算得，不同灌水水平下加气处理全生育期内真菌菌落数的平均值为W3(2.540×102cfu/g)>W1(2.318×102cfu/g)>W2(2.107×102cfu/g)>CK(1.642×102cfu/g)。由此也可看出，高水和中水水平下加气处理土壤真菌数较大，而低水水平下和对照处理土壤真菌菌落数较小。

在番茄生长的全生育期内各生育期加气处理的放线菌菌落数基本上没有显著性差异(图5)。由相关数据算得，各生育期加气处理的放线菌菌落数平均值为O5(22.72 cfu/g)>O1(19.94 cfu/g)>O3(19.70 cfu /g)>O2(18.79 cfu /g)>O4(18.73 cfu/g)>CK(18.13 cfu/g)。由此也可看出，各生育期加气处理下放线菌菌落数相比于对照会有所提高。全生育期加气处理的放线菌菌落数最大，其次是苗期加气处理、果实膨大期加气处理和开花坐果期加气处理。

在番茄生长的全生育期内各生育期加气处理的放线菌菌落数基本上没有显著性差异(图5)。由相关数据算得，各生育期加气处理的放线菌菌落数平均值为O5(22.72 cfu/g)>O1(19.94 cfu/g)>O3(19.70 cfu/g)>O2(18.79 cfu/g)>O4(18.73 cfu/g)>CK(18.13 cfu/g)。由此也可看出，各生育期加气处理下放线菌菌落数相比于对照会有所提高。全生育期加气处理的放线菌菌落数最大，其次是苗期加气处理、果实膨大期加气处理和开花坐果期加气处理。

图5 不同生育期加气处理土壤中放线菌菌落数Fig.5 Variations of soil actinomycetes under aerated irrigation at different growth stages of tomato

在开花坐果期，W3和CK放线菌菌落数存在显著性差异，而各水分水平下加气处理间没有显著性差异，在果实膨大期，W2和W3与对照间存在显著性差异(图6)。在苗期和成熟期，各灌水水平下加气处理与对照间没有显著性差异。由相关数据算得，不同灌水水平下加气处理全生育期放线菌菌落数为W3(24.66 cfu/g)>W1(22.72 cfu/g)>W2(21.32 cfu/g)>CK(1.816×102cfu /g)。

图6 不同灌水水平下加气处理土壤中放线菌菌落数Fig.6 Variations of soil actinomycetes under aerated irrigation at different irrigation levels

3 讨论与结论

土壤微生物包括原核微生物和真核生物，原核微生物主要包括细菌、蓝细菌、放线菌及超显微结构微生物，真核生物主要包括真菌、藻类 (蓝藻除外)、地衣等[17]。土壤微生物是土壤有机质和土壤养分(C、N、 P等)的转化和循环的主要推动力，土壤微生物也参与腐殖质形成等生物化学过程。因此土壤微生物在土壤生态系统中发挥着非常重要的作用[18]。

土壤中 CO2浓度的升高会明显增加植物根系生物量和根际沉积物，同时根系分泌物的化学组成也会受到影响，因此土壤的CO2浓度会进而影响到土壤微生物群落和微生物调控的多个土壤过程。土壤微生物在陆地生态系统的元素循环中起着基础作用，因此当CO2的浓度升高时，土壤微生物在陆地生态系统结构和功能的变化中也发挥着作用[19]。因为加气灌溉会影响土壤呼吸，即加气灌溉会影响土壤中CO2的浓度和排放，因此加气灌溉也有可能会影响到土壤微生物数量和土壤微生物的呼吸。

土壤中的三大菌类分别为细菌、真菌和放线菌。本文以不加气灌溉为对照，主要研究了番茄不同生育期加气灌溉和不同灌水水平下加气灌溉对土壤中的这三大菌的数量的影响。

细菌是土壤微生物中数量最多的一个类群，占土壤微生物总数的70%到90%，土壤中的细菌菌落数约每克土壤中含为几亿到百亿。本文中主要研究的是好氧性细菌，即只能在含氧环境中生存和繁殖的细菌，在缺氧环境中其生长和繁殖受到明显的限制，则其菌落数量会明显的下降。

由以上结果可知，与对照相比，全生育期加气能够明显促进细菌的生长和繁殖，增加细菌菌落总数，其次是开花坐果期加气处理和苗期加气处理，这主要是因为秋冬茬随着番茄的生长外界温度在逐渐下降，而苗期还处于高温阶段，所以苗期加气即保证了土壤中充足的氧气含量，又保证了适宜微生物生长的温度，因此苗期加气细菌菌落数的平均值也较大，开花坐果期时虽然外界温度有所下降，但是，开花坐果期却是番茄生长的关键生育期，番茄的各类生命活动均较旺盛，因此土壤中细菌菌落数的均值也较高。

加气处理下土壤中细菌菌落数较大主要是因为加气处理向土壤中加入了空气，有效改善了土壤通气状况，在水(kcp=1.0)和空气(加气)均充足的条件下，土壤微生物的活动便不再受限，因此土壤微生物的生存和繁殖活动均较旺盛，由此在氧气充足的条件下，会有效促进细菌的生长和繁殖活动。

由研究结果可知，不加气处理的细菌菌落数最低，加气处理中随着灌水水平的提高细菌菌落数也增大，这主要是因为加气灌溉保证了良好的土壤环境，充足的氧气含量下，随着水分的增多，微生物活动也会变得更加旺盛，生长和繁殖条件也更加有利，因此细菌菌落数会随着灌水量的增大而增大。

真菌在土壤中的数量比细菌少但是菌体远比细菌大，因此真菌在生物量上占极其重要的地位。且丝状真菌数量的多少可反映土壤肥力及土壤通气状况。研究结果表明，真菌菌落总数的变化与细菌菌落数的变化规律基本一致，即与对照相比，在哪个生育期加气，对应生育期的真菌菌落数会明显增大。这主要可能是因为加气灌溉向土壤中输入氧气，明显改善了土壤通气状况。而真菌数量的多少可以反映土壤通气状况，所以当土壤通气状况得到改善后真菌菌落数会明显提高。因此当某生育期加气时对应生育期的真菌菌落数会明显增大。

理论上讲，当土壤水分较多时，土壤氧气含量会有所降低，当水分较多氧气较少时土壤通气性会明显降低，土壤孔隙中被水充满则土壤空气的可利用性和可移动性会明显降低。但是，加气灌溉下，向土壤中输水的同时也会向土壤中输入空气，就会有效地避免灌水过多降低土壤通气性的问题。因此，在加气灌溉下，高水水平和中水水平下真菌菌落数没有低于对照和低水水平下加气灌溉的真菌菌落数，而是与低水水平下加气处理和对照处理存在显著性差异，即W3和W1真菌菌落数明显高于W2和对照。

放线菌在土壤中分布很广，数量也仅次于细菌，通常放线菌数量是细菌数量的1%～10%，且放线菌生物量与细菌生物量接近。放线菌的数量大约为每克土壤中含10万个以上，约占土壤微生物总数的5%～30%。放线菌的多少与土壤肥力、土壤有机质的转化和植物病害的防治有着密切的关系。全生育期加气处理的放线菌菌落数最大，其次是苗期加气处理、果实膨大期加气处理和开花坐果期加气处理。全生育期加气处理真菌菌落数最高是因为加气灌溉明显改善了土壤环境，促进了土壤微生物活动。且放线菌菌落数随着灌水水平的增大而增大。加气灌溉下，土壤通气状况得到明显的改善，那么随着灌水水平的提高，促进了放线菌的生长和繁殖。因此相较于对照，加气灌溉下放线菌菌落数有所提高。且加气灌溉下适宜灌水水量下放线菌菌落数会进一步提高。而放线菌菌落数与土壤肥力和有机质转化相关，由此可知，加气灌溉有可能会提高土壤肥力、促进有机质转化。

[1] Bhattarai S P, Midmore D J, Pendergast L. Yield, water-use efficiencies and root distribution of soybean, chickpea and pumpkin under different subsurface drip irrigation depths and oxygation treatments in vertisols [J]. Irrigation Science, 2008,26(5):439-450.

[2] Phene C J, Davis K R, Hutmacher R B, et al. Effect of high frequency surface and subsurface drip irrigation on root distribution of sweet corn [J]. Irrigation Science, 1991,12(3):135-140.

[3] Phene C J, Hutmacher R B, Ayars J E, Davis K R, et al. Maximizing water use efficiency with subsurface drip irrigation [J]. Paper-American Society of Agricultural Engineers (USA),1992.

[4] Machado R M, Rosario M D, Oliveira G, et al. Tomato root distribution, yield and fruit quality under subsurface drip irrigation[J]. Plant & Soil, 2003,255(1):333-341.

[5] Loch R J, Grant C G, Mckenzie D C, et al. Improving plants' water use efficiency and potential impacts from soil structure change-research investment opportunities [J]. Land & Water Avstrodia, 2005.

[6] Barber S A, Katupitiya A, Hickey M. Effects of long-term subsurface drip irrigation on soil structure[C]∥Czrql Pty Ltd, 2001.

[7] Meek B D, Ehlig C F, Stolzy L H, et al. Furrow and trickle irrigation: Effects on soil oxygen and ethylene and tomato yield [J]. Soil Science Society of America Journal, 1983,47(4):631-635.

[8] Klepper B. Crop root system response to irrigation [J]. Irrigation Science, 1991,12(3):105-108.

[9] Kuzyakov Y, Cheng W. Photosynthesis controls of rhizosphere respiration and organic matter decomposition [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2001,33(14):1 915-1 925.

[10] Thongbai P, Milroy S, Bange M, et al. Agronomic responses of cotton to low soil oxygen during water logging[C]∥ “Proceedings of the 10th Australian Agronomy Conference”, The Regional Network, Hobart, Australia,2001.

[11] Bhattarai S P, Su N H, Midmore D J. Oxygation unlocks yield potentials of crops in oxygen-limited soil environments [J]. Advances in Agronomy, 2005,88:313-377.

[12] Goorahoo D, Carstensen G, Zoldoske D F, et al. Using air in sub-surface drip irrigation(SDI) to increase yields in bell peppers [J]. Int Water Irrig, 2002,22(2):39-42.

[13] Su N h, Midmore D J. Two-phase flow of water and air during aerated subsurface drip irrigation [J]. Journal of hydrology, 2005,313(3):158-165.

[14] Abuarab M, Mostafa E, Ibrahim M. Effect of air injection under subsurface drip irrigation on yield and water use efficiency of corn in a sandy clay loam soil [J]. Journal of Advanced Research, 2013,4(6):493-499.

[15] Huber S. New uses for drip irrigation: partial root zone drying and forced aeration[J]. Technische Universitat Munchen, 2000, MSc 90p.

[16] 尹晓霞.加气灌溉对温室番茄根区土壤环境及产量的影响研究[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学，2014.

[17] Jenkinson DS, Ladd JN. Microbial biomass in soil: measurement and turnover in Paul[J]. Soil Biochemistry, 1981,5:415-471.

[18] 胡亚林，汪思龙，颜绍馗. 影响土壤微生物活性与群落结构因素研究进展, 土壤通报, 2006, 37(1):170-176.

[19] 胡君利, 林先贵, 褚海燕,等. 土壤微生物对大气CO2浓度升高的响应研究, 土壤通报, 2006,37(3):601-605.