加气灌溉技术对土壤及作物生长影响的研究

汪汇源,汪 春,王 芳,王宏轩,马国庆,于珍珍

(1.中国热带农业科学院 科技信息研究所/海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室,海口 570000;2. 中国热带农业科学院 南亚热带作物研究所,国家土壤质量湛江观测实验站,广东 湛江 524000;3.Department of Agronomy and Horticulture,University of Nebraska-Lincoln,Nebraska 68583)

0 引言

地下滴灌技术是目前应用最为广泛的田间节水灌溉技术,可以显著提高水分、养分利用效率,实现精准灌溉与施肥[1-3]。但是,灌溉水分入渗会取替土壤孔隙中的空气[4],导致土壤出现周期性的滞水[5-6],造成土壤通气性下降、土壤氧气含量降低[7],作物有氧呼吸受到影响,根系呼吸速率降低,对土壤中的水分和养分吸收利用效率下降。如果根系长期处于厌氧环境或得不到足够的氧气,根系对水分和营养物质的吸收下降,将改变植物的激素水平和酶活性,阻碍光合作用,限制营养器官的功能,导致植物叶片萎缩[8-9],作物鲜重和干重显著下降,最终导致作物产量和品质的下降,成为农作物高产的主要限制条件。

“加气灌溉技术”是在地下滴灌的基础上[10],利用空气泵或者罗茨风机等通风装置向作物根部土壤增加空气,或者采用文丘里装置将空气以微气泡的形式掺入灌溉水中,从而提高灌溉水中O2含量及土壤中植株根系的呼吸速率[11-13],进而影响到了植株根系对水分与肥料的吸收效率,可有效地促进农作物植株的生长,使农作物丰产增收、农产品质量有所提升[14-15]。

国内外针对加气灌溉技术的研究正在逐渐深入,不同的地理环境、土壤类型及不同种类的农作物都进行了加气灌溉试验研究。然而,目前的研究缺乏系统性,有必要总结和分析近年来加气灌溉技术研究进展及存在的问题。CiteSpace是一种处理数据和信息可视化的有效方法,它可以用来发现研究前沿和研究热点,跟踪一个区域的重大变化,系统探索加气灌溉技术的发展过程与未来发展重点与热点方向。CiteSpace是基于java的应用程序,由著名学者Chaomei Chen创建,他专注于信息可视化、知识地图和科学前沿地图集。CiteSpace的原理是标记共被引集群,然后使用时间切片快照形成时效性和关键点,可以快速系统地了解一个领域。其主要用于解决3个关键问题:①识别研究前沿问题;②标记研究专业;③明晰新兴趋势和突变点。

笔者基于CiteSpace文献分析工具,通过对目前不同土壤加气灌溉技术参数及加气灌溉技术对土壤环境、根系生长及作物产量、品质的作用机理进行系统地分析,讨论该领域存在的问题,并总结未来加气灌溉技术研究趋势,进一步提高农业用水效率,优化农业生产模式,促进高效、节约、可持续发展的现代农业生产技术的研究。

1 低氧胁迫对土壤环境及作物生长的影响

1.1 低氧胁迫对土壤环境的影响

土壤主要由固体、液体及土壤孔隙组成。土壤孔隙主要是容纳各种液体及气体物质;固体为根和空中植物结构提供支持,水分满足作物蒸腾需求,空气为作物根系(和微生物)呼吸提供氧气。理想的土壤混合物由50%的固体,25%的水和25%的空气组成(Wolf 1999)[16],被称为“三角形平衡”。理想土壤组成及相关比例如图1(a)所示。但是,现实中很难在土壤中达到肥沃三角形的3个成分的最佳平衡,因为传统的灌溉方法在灌溉期间和灌溉后强加注水循环[见图1(b)],一侧(水)在三角形中占主导地位,大大减少了空气侧并限制了作物对养分的吸收,导致作物产量降低。从理论上讲,如果在不同阶段之间保持理想的平衡,农作物的单产将继续上升,如图1(c)所示。

图1 土壤组成Fig.1 soil composition

土壤氧气主要来自于大气之间进行气体交换,土壤空气组成与大气空气组成近似,如表1所示。土壤与大气之间进行气体扩散和整体交换,使得土壤中保持一定量O2,如图2(a)所示。大气环境因素中,Willey和Hall等[10]的实验中,大气温度变化是引起的大气与土壤气体交换的主要因素;同时发现,随着风速和大气湿度的升高,土壤氧气含量也逐渐提高。

土壤中存在孔隙,是作物根系与大气进行连接的重要通道[17]。土壤充气孔隙度充满了空气或水及溶解的物质,固体为根和空中植物结构提供支持,水分满足作物蒸腾需求,空气为作物根系(和微生物)呼吸提供氧气。其中,O2以溶解氧方式随着水分扩散到根系表面,但水中溶解氧一般可以忽略不计。氧气由根系表面扩散到根组织内,用于维持土壤中一切生物化学过程正常进行,如图2(b)所示。田间灌溉和降雨会使土壤中持续存在饱和湿润区,导致水分代替空气存在于土壤中,取替了土壤氧气,导致土壤氧气含量降低[见图2(c)],进而土壤呼吸(壤中各项代谢活动)将受到限制,如图2(d)所示。

表1 土壤空气与大气空气组成成分比较(体积分数)Table 1 Comparison of composition of soil air and atmospheric air (volume fraction) %

土壤温度以多种方式影响土壤含氧量的移动性与利用率:首先,氧气在水中的溶解度与溶液温度呈反比;其次,土壤温度通过影响土壤呼吸[见图2(d)],进而影响土壤氧气含量的变化[18]。土壤中的水分含量是影响土壤气体变化的关键因子。Thongbai[19]等和Bhattarai[20]等的研究均表明:土壤中水分的变化明显影响到植株内水分的调控,从而植株根系的生长与土壤中微生物的活跃性都受到影响,最终改变土壤含氧量;通过进一步采用关联系数法发现,较高的土壤水分不但阻碍大气与土壤之间的气体交换,直接导致土壤氧气含量下降,也会抑制土壤氧气在作物根部周围运动。

图2 大气-土壤-作物之间氧气交换示意图Fig.2 Schematic diagram of oxygen exchange between atmosphere-soil-crop

1.2 作物生长生理特性对低氧胁迫的响应机理

根系呼吸是农作物根系生长所需要吸收的氧气用于植株的生长并排放出植株产生的二氧化碳。广义的根系呼吸过程主要包括作物根系的呼吸、微生物的呼吸和参与死根分泌物与组织分解过程的微生物呼吸,即土壤中的氧气供给根系和各种微生物。如果根区土壤渗透性下降,可能会引起缺氧,且根系将处于氧胁迫状态。根系的呼吸需要消耗大量的O2,若土壤内的气体与大气隔绝,其土壤内的气体含量只能满足农作物根系短短几天的正常呼吸。2003年,Alonso等研究表明,由于根系处于淹水、高CO2和低O2的条件下,根系呼吸减弱,3%的O2含量直接诱导作物根系发酵,导致缺氧代谢的植物毒性产物的形成及抑制根功能和植物生长的过量硫化物和有机酸。低氧胁迫下根系呼吸为正常情况下的1/3,根系呼吸降低,从而降低了ATP的产生数量,水和离子的渗透性降低,影响到农作物根系对水分与土壤养分的吸收。若没有足够的养分输送到植物的地上部分,叶片中光合色素含量下降,脱落酸的积累会减少植株叶片的气孔密度,也会导致叶绿素的含量减少,光合作用的速率降低,植株的正常生长也受到了抑制,并根据缺乏的严重程度而完全停止,如表2所示。

低氧胁迫还会破坏作物体内激素平衡,Hiron和Wright观察了缺氧条件下番茄叶片中的气孔关闭,番茄体内中ABA水平比非淹水对照高6～8倍,表明ABA水平与气孔关闭之间存在直接关系,气孔关闭进而影响根系对养分和水分的吸收与传输。

表2 影响作物根系生长、发育和活动的土壤各项指标范围Table 2 The range of soil indicators that affect the growth, development and activity of crop roots

研究还发现,当细胞处于缺氧胁迫时,作物以干物质积累为代价获得NAD (P)+和ATP,不可避免地会影响作物的产量,因为能量供应不足。孙延军等研究表明,在根区缺氧胁迫下,甜瓜幼苗的株高、根长、鲜重和干重均有一定程度的降低。李天来等研究也表明,农作物根系附近的土壤CO2浓度的增加,甜瓜植株内部的促进植株生长的激素含量会明显减少,脱落酸的含量显著增加,总而甜瓜的生长会受到抑制,减少ATP的产生,导致作物叶水势降低、净光合速率下降,农产品的质量降低,产量减少,如图3所示。

图3 低氧胁迫下根系低氧对作物生长和生理代谢的影响Fig.3 The effect of root hypoxia on crop growth and physiological metabolism under hypoxia stress

2 加气灌溉技术参数的研究

目前,针对加气灌溉技术中不同影响因素耦合效应在不同作物应用上开展研究。最初,主要以灌水水平及相关加气参数开展实验研究;后期,逐步将“施肥”参数引入研究,以灌水量、施肥量及通气量为变量开展大田玉米、温室辣椒、番茄、设置蔬菜的生长及土壤环境的影响规律研究。基于CiteSpace对相关研究进行分析,主要研究进展如表3所示。

表3 不同加气灌溉参数耦合部分研究进展Table 3 Research progress on coupling of different aerated irrigation parameters

3 土壤环境对加气灌溉技术的响应机理

早期一些学者通过理论分析与试验研究,分析得出:对土壤进行通气具有很多的益处(Bathke et al.1992;Huang et al.1994);但是,由于当时试验设施并不完善,不具备对土壤通气的设施,从而导致在田间试验中难以实施。1949年,Melsted首先开始进行作物根区土壤通气增氧的试验研究,后期逐步发展成多元化加气技术方式(机械通气、化学加氧、文丘里空气射流器加氧等),并针对不同的土壤类型及不同作物开展田间或温室试验研究。

参与土壤有机质分解过程的主要是真菌和细菌,真菌分泌水解酶成为有机物并加以利用它们生长和繁殖所需的营养物质。通过真菌的生存活动所产生的空隙,便是细菌的生存空间,大分子的有机物便通过真菌与细菌的共同转化,变成农作物所需的小分子物质。土壤含氧量降低,土壤微生物的数量和活性会下降,有机质的分解也会下降,无法为作物提供足够的氮、磷和钾。

采用空压机为盆栽番茄供气,设置3级灌溉水平。以土壤孔隙率50%为参考标准,各灌区通风容积系数不同,通风处理土壤过氧化氢酶、脲酶和脱氢酶活性高于不通风处理。当灌溉水平为田间容量的80%、通风系数为0.8时,3种土壤酶活性均达到最大值。结果表明,水分(田间持水量的80%)和通气系数(0.8)能改善盆栽番茄根区环境,加速土壤酶活性,促进植株生长,提高果实产量与土壤酶活性。加气灌溉技术可以提高黄瓜土壤含氧量,研究发现:沟槽处理的各种酶活性均高于CK处理,即磷酸酶(18.3%)、转化酶(20.87%)、脱氢酶(22.52%)活性均高于CK处理;其他指标,如速效氮、磷含量、干物质积累量均有明显增加。综上所述,曝气培养可提高酶活性,提高基质中养分含量,促进作物的生长。基于CiteSpace对相关研究进行分析,关于不同加氧灌溉方式对土壤环境的改善效应部分研究结果如表4所示。

4 作物生长生理特性对加气灌溉技术的响应特征

为了阐明加气灌溉技术对水稻幼苗根系氮代谢的影响,在水培条件下,采用增氧泵继续向根系充入空气。研究结果表明,与对照组相比,增氧溶液中生长的水稻幼苗根系干物质更高,根系长度更长,根系活力更强,根系吸收面积更大;另一方面,加气溶液中可溶性糖含量、根系活力及谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸-丙酮转氨酶活性均高于对照。加气灌溉提高了“秀水09”的根系氮代谢活性。盆栽玉米灌后曝气的研究发现,管道曝气每4天进行一次、灌溉量为600mL /盆时,根系活力最高,显著高于对照组。加气水滴灌能改善低氧胁迫,克服土壤曝气不良的负面影响。用Mazzei喷射器对灌溉水加氧,产量显著提高,结果表明:与对照组相比,其单株总根质量显著增加17%,其单株须根质量和主根质量分别增加2%和26%。研究发现,加气灌溉技术可以促进作物根系生长,根系的正常生长保护了冠层的发育,提高光合效率和作物产量。

研究表明,加气灌溉技术下的单株叶面积比对照组大1.477倍,大豆、鹰嘴豆、南瓜和番茄在加氧处理下的气孔导度和叶片蒸腾显著高于对照处理。微气泡产生系统处理的加气灌溉延缓了叶片衰老过程,延长了叶片功能活性,增强了籽粒灌浆。

Pendergast指出,加气灌溉处理可以显著提高产量和水分利用效率,在2005—2012年的7个季节的棉花种植过程中,采用Mazzei喷射器对灌溉水进行加氧处理,获得了较高的产量和水分利用效率。7年试验期间,加气灌溉处理下的棉花平均产量比对照高出10%。此外,中等(鹰嘴豆+11%)和深根作物(南瓜+15%)加气灌溉处理可以获得更高的产量,与对照处理相比,2010年和2011年的产量分别增长了37.78%和12.27%,分别增长了38.46%和12.5%。加气灌溉技术在中等盐渍化土壤环境下可以提高作物的产量,耐盐作物的WUE性能和根际通风可能对灌溉农业产生显著影响,而盐渍化土壤对作物生产构成了制约,加气灌溉技术还可以显著提高IWUE和WUE。基于CiteSpace对相关研究进行分析,关于不同加氧灌溉方式对作物生长及产量影响的部分研究结果如表5所示。

5 结论与展望

关于加气灌溉能改善土壤通气性、提高土壤肥力、促进作物生长发育的影响越来越清晰,然而在相关研究中还存在一些弊端和不足,导致加气灌溉下对土壤-作物之间的调控机理的认知受到一定的限制,具体归纳为以下几点:

1)加气灌溉对土壤通气性的影响,对土壤水分、养分吸收利用的影响,作物同化产物在作物体内输移分配及其对作物生长建成的影响等基础理论尚存在一定缺口,如土壤环境及作物生长生理对哪种影响因子响应较为敏感?加气灌溉技术从土壤环境到作物产量及品质之间的作用路径尚不明确。

2)不同作物/相同作物不同生育期时作物对不同加气灌溉参数的响应规律尚不清楚,田间智能化控制技术尚未形成体系,这些都成为制约加气灌溉技术应用和灌溉智能化系统设计及其推广的重要因素。因此,需要进一步探究作物不同生育时期对加气灌溉技术的响应特征,明晰加气灌溉下作物增产的作用路径和主要推动力,以生育期为单位确定最佳的加气灌溉技术参数。从全面统筹推进考虑,未来的研究还应针对以下几个方面实现突破:

(1)加气灌溉下土壤水、肥、气多相流在土壤中的输送规律,对养分循环转化及土壤养分供应的影响、作物根系空间构型对土壤氧气动态响应及其对土壤水分、养分吸收利用的影响及作物同化产物的建成机制上存在一定的缺口。同时,加气灌溉过程中通气量梯度的调节与定量供给、不同土壤下土壤氧气赋存动态模型等这些都成为加气灌溉技术应用和灌溉智能化系统设计及其推广的重要因素。因此,在地下滴灌基础上发展起来的加气灌溉可通过进一步精准调控水肥气而向可持续灌溉和精准灌溉的方向发展。

(2)开展加气灌溉对植株表观形态、产量、品质等向激素调节、过氧化物及抗氧化酶系变化、基因调控、细胞信号转导等方向转化,进一步明确加气灌溉改善作物品质,提高作物产量的生理生化机制,重点研究加气灌溉对作物根系水肥吸收机制以及作物生理机能变化的影响。