加气灌溉对土壤、作物生长和水肥利用的影响综述

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　　 摘要：随着我国农业现代化、产业化和标准化的不断发展，滴灌技术作为一种新型的节水灌溉技术在农业生产中逐步取代传统灌溉技术，成为实现农业水分高效利用的有效途径。目前滴灌技术呈现多样化发展并在此基础上不断进行完善与创新，多种节水高效的灌水技术，如纳米灌气滴灌技术、膜下滴灌技术等被广泛推广和应用。而加气滴灌是近年来出现的水肥气一体化滴灌方法，通过地下加气解决滴灌造成的根系缺氧问题，实现根域气体环境的优化，不仅促进作物生长和提高农作物的产量，而且还能达到节水、节能的效果。基于近20年我国加气滴灌技术的研究，系统论述加气滴灌技术对土壤生理生化性质和微生物活动、植物生长发育和农作物品质以及农田水肥利用的影响，以期为我国农业水资源高效利用和农业可持续发展提供理论参考。
　　 关键词：加气滴灌;生理生化性质;生长发育;农田水肥利用;旱区节水农业;高效节水技术;研究展望
　　 中图分类号： S275.4  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）07-0024-04
　　加气灌溉是近年来出现的新型滴灌方式，是对地下滴灌技术的完善和改进。地下滴灌是主要指在灌溉过程中，水分通过在耕作层布设滴灌毛细管利用毛细作用或重力作用扩散到整个植物根系区域的高效灌溉技术[1]。虽然地下滴灌可以通过减少蒸发损失和增大降水捕获量来提高灌溉水利用效率，但是在灌溉过程中和灌溉后容易降低植物根际土壤空气含量[2-3]。对于植物来说，根系需要充足的氧气通过有氧呼吸满足植物养分摄取和水分吸收，维持自身新陈代谢需要[4]。但是植物根系生长对土壤中的气体，特别是氧气的浓度特别敏感[5-7]，长时间进行地下滴灌会影响滴头附近的土壤物理结构和水力学特性，形成一个持续的湿润锋，使根际水分长时间接近饱和状态，造成土壤缺氧[8-9]。土壤中氧气不足从而影响到根系和土壤呼吸，造成根系呼吸作用受限，影响植物根系水分养分的吸收和向地上部分的传输过程，进而限制整个植株的生长，严重者甚至导致死亡[10-12]。因而，如何改变地下滴灌中根系土壤气体环境对于植物生长具有重要意义。
　　21世纪初，美国在农业发展过程中形成了一种新型节水节能灌溉技术——加气灌溉（aeration underground drip irrigation，简称AUDI）技術[13]。它可以通过直接向植物根系输氧的措施来实现根域气体环境的优化，作物产量的提高，水分利用效率的改善，土壤中固、液、气三相比例方面的平衡[14-15]。其基本原理是依靠文丘里管注射器将空气直接吸入水流中或通过过氧化氢溶液溶解的方法，通过地下滴灌系统将空气和水流按一定比例混合后，利用重力作用和毛细作用将水滴缓慢入渗到作物根部的一种灌溉方法[15]。加气灌溉技术是对地下滴灌系统的改进和发展，只须在现有的地下灌溉系统上增加文丘里管注射器等设备就可实现，具有节水、高效和快速的特点。随后澳大利亚、加拿大、意大利等国对加气灌溉技术进行了深入研究和推广，取得了巨大的经济效益和社会效益[16-17]。
　　我国是农业大国，只有加快发展现代农业，才能提高我国大国农业竞争力，为经济发展转型升级提供坚实基础和有力保障。农业现代化和产业化是发展现代农业，提高农业竞争力的有力保障。随着国家对农业的逐步重视，我国在农业生产中不断引进国外先进技术，发展设施农业，特别是加气滴灌技术的引进和应用，一方面解决了制约我国农业发展的水资源短缺问题，能够实现水分高效利用，推动节水农业技术的发展，另一方面能迅速提高土壤渗透性，使土壤微生物具有较高的活性，提高土地生产力。最终达到节水、增产、提高作物品质的目的。国内对于加气滴灌的研究起步较晚，但是我国加气滴灌技术推广发展迅速，拥有广阔的应用前景。目前研究内容主要集中在土壤水分运移动态、灌溉模式等方面[18-20]，而加气滴灌对于土壤通气性，作物根系生长发育以及植物生理生态特征的影响研究较少，最近几年才引起人们的关注。
　　本文对近20年来国内加气滴灌技术的研究及其进展进行系统性归纳总结，主要探讨加气滴灌对于土壤理化性质和微生物活动、作物生长发育和农作物品质以及农田水肥利用等3个方面的影响，旨在为我国农业水资源高效利用和旱区节水农业可持续发展提供理论依据。
　　1 加气滴灌对土壤理化性质与微生物活动的影响
　　农业生产中，作物生长所需要的大部分养分和水分都是通过土壤获得的，作物的根系从土壤中吸收无机离子合成叶绿素，保证作物光合作用需要[13，21-22]。加气滴灌技术的应用改变了传统灌溉模式漫灌、沟灌造成的水资源浪费，同时对于土壤的理化性质和微生物活动产生积极影响。
　　1.1 对土壤理化性质的影响
　　作物的根系是植物进行养分和水分吸取的重要场所，加气滴灌对植物最直接的影响就是影响根部土壤的生境因子，改变了土壤的通气性和养分利用能力[23]。传统灌溉模式降低了土壤的通气性，容易造成根系缺氧，影响作物正常的呼吸作用及生长发育[24]。通过基质通气栽培方法研究不同通气方式对基质气体的影响发现，进行基质通气能显著改善根际CO2和O2的体积分数[25]。同时加氧灌溉不仅改善了土壤通气性，也改变了土壤性质。土壤通气条件良好，有利于土壤有机质快速分解，有利于作物的吸收利用[26]。在温室小区种植番茄，进行加气滴灌对土壤生境因子的影响研究发现，与传统灌溉方法相比，加气滴灌处理的平均土壤含水量降低4.0%、平均土壤O2含量增加1.5%、平均土壤温度增加3.4%、平均土壤硝态氮含量增加3.7%、平均土壤NH4+-N含量增加10%[27]。通气处理还能显著提高基质速效养分的质量分数，采用基质通气栽培黄瓜发现，与未通气处理相比，碱解氮含量提高12.95%～28.87%，速效磷含量提高12.02%～20.46%[28]。
　　土壤生境因子的变化会引起土壤中土壤酶活性和微生物活动的巨大改变，从而影响农田作物的呼吸过程和光合作用[29]。土壤酶是土壤中各种生化反应的催化剂，其活性大小是表征土壤熟化程度和肥力水平高低的重要指标[30]。土壤酶主要由土壤中微生物和植物根系分泌，植物残体和土壤动物区系分解产物也可产生少量土壤酶[31]。土壤中大部分生化反应都是在微生物和酶的共同作用下完成的。然而由于设施农业的发展导致土壤孔隙度减小，土壤紧实度增加，低氧胁迫下引起根系氧供应不足，好氧性土壤微生物、土壤动物活动减缓，进而降低土壤酶活性，间接影响到土壤养分循环和作物对养分的利用[32]。过氧化氢酶是表征土壤生物特性的重要酶，其活性与土壤呼吸强度和土壤微生物活动密切相关[33]。脲酶也广泛存在于土壤中，能促进尿素水解为氨和二氧化碳，是反映土壤供氮能力与水平的重要指标。同时提高土壤脲酶活性，可为植物提供更多的有效氮源，对促进土壤氮循环、提高土壤肥力、保障植株正常生长具有重要意义[34]。土壤酶是土壤质量的生物活性指标，可以用来评价土壤肥力[35]。同时土壤酶活性是土壤生物活性的总体表现之一，可以反映出土壤养分转化能力的强弱[36]。李元分别研究了加气滴灌对盆栽番茄和大棚甜瓜土壤酶活性与微生物数量的影响，结果表明过氧化氢酶、脲酶和脱氢酶的活性对环境特别敏感，加气灌溉对土壤脲酶、过氧化氢酶活性均有显著影响，能够提高土壤脲酶、过氧化氢酶的活性[37]。 　　1.2 对土壤微生物的影响
　　土壤微生物是土壤中物质转化的驱动力，直接影响着土壤氧化、硝化、氨化、固氮等过程，促进土壤中有机质的分解和物质的转化[38]。长时间进行地下滴灌易造成根部缺氧，导致根际好氧性土壤微生物和土壤动物活动减缓，是限制作物产量的主要因素之一[39]。土壤肥力与微生物数量有密切关系。通常土壤微生物数量越多，微生物活性越高，土壤越肥沃。通过利用空气压缩机为大棚甜瓜根系供气，研究不同加气滴灌模式对大棚甜瓜土壤微生物数量的影响，发现不同加气频率、灌水上限、滴灌带埋深对土壤细菌、真菌和放线菌数量均具有显著影响，适当提高加气频率能够增加土壤细菌、真菌和放线菌的数量[39]。土壤呼吸作用是由土壤微生物异养呼吸和根系自养呼吸综合产生的[40]。因此有研究人员提出未来土壤呼吸研究应注重于土壤微生物呼吸作用和根系呼吸作用的相互作用[41]。朱艳等研究加气灌溉对温室条件下种植番茄土壤中主要微生物数量的影响，结果都表明，加气灌溉下的土壤环境更适宜土壤微生物的生命活动，可以显著提高土壤中细菌、真菌的数量[42-43]。
　　2 加气滴灌对植物生长发育和农作物品质的影响
　　光合作用是指绿色植物利用光能，把二氧化碳和水合成为贮存能量的有机物，同时释放出氧气的过程。影响光合作用的因素包括光照、二氧化碳浓度、温度、水分、矿质营养等。任何一种或几种因素的改变都将影响植物的光合作用过程[44]。根系是植物进行矿质营养吸收的主要区域，同时其呼吸作用是根代谢活动的主要驱动力，直接控制了矿物质的吸收效率和植物光合作用中有机质的积累过程[28]。水肥气热是作物生长的主要环境要素，通过滴灌系统可实现直接向作物根区传递肥料、气体和热量，精确调控作物根区微环境，对于植物生长发育和作物品质也产生正反馈作用。
　　2.1 加气滴灌对植物生长发育的影响
　　植物根系生长与其地上部分的生长发育保持密切联系，二者之间相互促进，相互影响。通过加气滴灌技术对植物根际进行适量通气增氧，能有效促进植株地上部分的生长发育[44]。韩勃研究发现，适量通气不仅可以促进水稻根系生长，而且可以促进植株分蘖和生物量的积累[45]。李元等以番茄为研究对象，研究了不同土壤加气量与加气深度组合对番茄光合作用、叶绿素含量、干物质积累的影响，发现加气处理下叶片净光合速率高于不加气处理[46]。赵旭等通过研究番茄基质通气栽培模式的效果发现，加气栽培可以显著改善番茄根系通气环境，提高植株的净光合速率、根系活力和吸收能力[47]。在温室进行蓝莓栽培，加气滴灌条件下其叶片净光合速率和气孔导度明显增大，叶片胞间CO2摩尔分数大幅减小[48]。实施加气滴灌一方面可以提高叶片叶绿素含量和气孔导度;另一方面进行地下加气滴灌有助于增强有氧呼吸，减弱无氧呼吸过程，提高根的呼吸效率，有利于矿质营养的吸收和光合速率的提高[48]。同时大量研究通过对甜瓜、番茄和黄瓜等进行加气滴灌试验，结果表明，向植物根部通气后其形态指标变化显著，株高生长速率提高，单叶扩展面积增大，叶绿素含量也相应地提高，显著促进作物的生长发育，提高植株的生长速率[11，16，49-50]。
　　2.2 加气滴灌对农作物产量和品质的影响
　　2.2.1 加气滴灌对作物产量的影响 作物产量会受到光照、温度、水分、肥料等多种因素的影响，加气滴灌可以通过改善根系通气性来增强植物根系有氧呼吸过程，提高果实产量和品质[39，45]。通过加气滴灌对温室番茄产量和品质的影响研究发现，向根区通气后番茄单株果实质量均高于相同情况下的不加气处理[51]。此外，刘杰等以小型西瓜为研究对象进行加气滴灌试验，结果表明根区加气处理对提高温室小型西瓜单果质量效果显著，3种加气频率处理下平均单果质量与不加气滴灌相比，得到显著提高[52]。在温室条件下种植辣椒，利用加气滴灌可明显改善粉质黏壤土和黏壤土的环境状况，提高辣椒产量[53-54]。
　　2.2.2 加气滴灌对作物品质的影响 可溶性固形物是糖、酸、维生素、矿物质等多种成分的混合物，反映了果实总营养物质含量，决定了果实的品质。目前加气滴灌对植物果实品质影响得到了初步研究，取得了一定的成果。研究人員以甜瓜为对象，研究加气频率和滴灌带埋深等对甜瓜品质的影响，发现加气处理能够增加甜瓜果肉厚度、果实横径、果实纵径，提高可溶性固形物含量、维生素C和可溶性总糖含量[55]。温改娟等通过研究加气滴灌频率和滴头埋深对温室番茄品质的影响，发现与不加气处理相比，加气处理的维生素C含量平均增加1.47%，可溶性固形物含量平均增加1.51%[56]。各研究结果均表明，加气滴灌可以改善植物果实的品质，提高维生素C、可溶性固形物和可溶性糖的含量，有利于提高作物品质，增加经济效益。
　　3 加气滴灌对于农业水肥利用的影响
　　加气滴灌通过地下滴灌系统将氧气或含氧物质输送到作物的根区，既改善土壤通气性，满足根系生长发育的需要，又协调了土壤水、肥、气、热条件，促进作物生长发育、提高作物产量和品质，在农业水肥高效利用和降低土壤面源污染中发挥重要作用[57-59]。
　　3.1 降低水耗，实现肥料的精确投放
　　水分利用效率的研究也已成为国内外干旱和半干旱地区农业研究的一个热点。采用加气滴灌技术通过管道输水可以减少输水损失[60]。灌水器埋在地表以下，延缓管材老化速度，除杂、施肥、耕地等日常田间管理更为简便。地埋配水设施还能够减轻地表径流，有效防止水分下移，最大限度地降低了表层土壤的含水量，减少了地表的蒸发损失。同时通过加气处理，能够促进植物根系的有氧呼吸作用，提高水分利用效率[61]。
　　进行灌溉和施肥是农业生产实现增产增收的2种基本措施，农业生产中一直把增加肥料用量、保证灌溉水量作为农业增产的重要手段。但是过量灌水和施肥不仅造成水肥资源的浪费，而且容易造成土壤板结和盐碱化。加气滴灌进行靶向传输可以定时定量地将植物生长所需的营养元素和农药精确而迅速地输送到作物根区。与传统灌溉方式相比，地下加气滴灌可以将水肥一起灌施于作物根区，实现作物的快速吸收利用，提高肥料的利用效率[62]。 　　3.2 提高水肥的利用效率，降低面源污染
　　 加气滴灌可以安全有效地将肥料或农药直接输送到作物根区附近，由于植物根区以下区域几乎没有深层渗漏和可溶性盐类，因而减少了对土壤和地下水的污染。相比于传统的灌溉方式，加气滴灌对肥料和农药的控制更加精确，大大降低了由于施用农药化肥不当造成面源污染的可能性。
　　4 研究展望
　　近年来，我国在地下加气滴灌方面有着突飞猛进的进展，研究人员通过不断地调试试验设备，完善和改进试验方法，针对不同的作物不同土壤类型开展相应的加气滴灌试验研究，逐步了解和掌握了地下加气滴灌对作物影响的机制，使我国在加气滴灌研究和应用处于世界领先水平。加气灌溉通过向作物根区加气，可以有效地解决根区的缺氧问题，能够促进作物吸收土壤养分，增强根系活力，促进植株的生长发育。同时加气滴灌处理下的作物生长情况、产量及品质明显优于不加气的常规灌溉，充分说明了地下加气滴灌是一种高效的节水灌溉模式，适合在盐碱地、黏壤土区域进行大面积农业推广和应用。
　　加气滴灌适用于设施农业、精确农业，更适合在大棚和温室中采用，因此应在花卉种植、反季节蔬菜、药材等精细种植方面推广。目前在加气滴灌试验中，人们加入的气体仅限于空气和氧气，这样容易造成作物的营养吸收失衡，因此未来研究可以尝试通入混合气体，如H2S、N2、CO2等气体，同时在水流中添加微量元素，为植物生长发育创造最佳环境。如何将灌水加气技术与最优的滴头埋深和灌水频率相结合，是加气滴灌技术亟待解决的关键技术，而加气滴灌对根部土壤环境的调控、土壤生理生化特性和作物生理指标的影响是今后农业现代化滴灌技术研究的一个重要方向。
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