摘 要: 增氧灌溉技術(shù)在改善土壤環(huán)境和提高作物產(chǎn)量等方面具有巨大的潛力和應(yīng)用前景,是未來(lái)綠色農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨。 為此,總結(jié)了不同土壤增氧方式及設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀,系統(tǒng)論述了增氧灌溉技術(shù)目前的應(yīng)用現(xiàn)狀,深入分析了增氧灌溉技術(shù)在改善土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)等方面取得的成效和存在的問(wèn)題,并提出多元化增氧灌溉技術(shù)與智能化精準(zhǔn)增氧技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。 最后,提出未來(lái)應(yīng)著重于研究多元化增氧灌溉技術(shù)的發(fā)展、提高增氧灌溉技術(shù)生產(chǎn)效率及建立田間智能化增氧調(diào)控系統(tǒng),以此作為未來(lái)增氧灌溉技術(shù)發(fā)展的參考。

　　關(guān)鍵詞: 增氧灌溉; 技術(shù)體系; 多元化發(fā)展; 智能調(diào)控

　　0 引言

　　水資源已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸[1 - 2],面對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水與工業(yè)、生活、環(huán)境用水競(jìng)爭(zhēng)日趨緊張的現(xiàn)狀,為提高水資源利用率,地下滴灌技術(shù)已在干旱和半干旱地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[ 3 ]。 地下滴灌技術(shù)將液體肥料與水分混合后直接輸送到作物根部,可以更加精準(zhǔn)地為作物根系提供水分及養(yǎng)分,減少化肥流失造成的環(huán)境污染。 管道埋設(shè)在地表以下,還可以減少地表水分的無(wú)效蒸發(fā),且地表干燥可減少雜草的生長(zhǎng)。 因在進(jìn)行地下滴灌時(shí),在土壤水分濕潤(rùn)鋒線區(qū)域,土壤氧氣含量降低[ 4 ],無(wú)法滿足作物根系呼吸所需要的 O2 含量,土壤缺氧會(huì)造成作物氣孔關(guān) 閉、 葉 水 勢(shì) 降 低, 影 響 作 物 正 常 的 生 理 功能[ 5 - 6 ],成為農(nóng)作物高產(chǎn)的主要限制條件。

　　“增氧灌溉技術(shù)”是在地下滴灌的基礎(chǔ)上[ 7 ],利用空氣泵或者羅茨風(fēng)機(jī)等通風(fēng)裝置向作物根部土壤增加空氣,或者采用文丘里裝置將空氣以微氣泡的形式摻入灌溉水中,以此提高土壤環(huán)境中 O2 含量,緩解作物根部的缺氧癥狀[ 8-10 ],改善作物根際土壤微環(huán)境和土壤酶活性,維持作物根系正常的新陳代謝和呼吸功能,提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[1 1 ]。為此,筆者對(duì)土壤增氧方式、增氧灌溉技術(shù)對(duì)土壤環(huán)境、根系生長(zhǎng)及作物產(chǎn)量、品質(zhì)的作用機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)分析,并提出未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展多元化增氧灌溉技術(shù)、再生水增氧灌溉及智能調(diào)控增氧灌溉技術(shù),為進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)用水效率、優(yōu)化農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)及促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的奠定理論基礎(chǔ)。

　　1 不同增氧灌溉方式應(yīng)用現(xiàn)狀

　　國(guó)外增氧灌溉技術(shù)始于 20 世紀(jì) 70 年代末,我國(guó)在增氧灌溉技術(shù)綜合利用方面起步較晚,目前對(duì)作物根區(qū)土壤進(jìn)行增氧的方法主要分為工程法、作物法、化學(xué)法及物理法。

　　1. 1 工程法

　　工程法是指利用農(nóng)業(yè)水土技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程技術(shù)等措施,改變了土壤微觀結(jié)構(gòu)。 由于土壤孔隙度得到了改善,大氣與土壤氣體擴(kuò)散性能得到增強(qiáng),提高土壤通氣性[1 2 ]。1980 年,Kurtz 及 Kneebone 通過(guò)刺穿土壤剖面或移除小塊土壤,增加了土壤總孔隙空間,提高了土壤根系與大氣的氣體交換能力,但該方法下的土壤孔隙持續(xù)時(shí)間較短,且操作時(shí)容易損傷作物根系。 1997年,蘇格蘭公司研發(fā)一種作物根系通氣盆,通過(guò)在花盆側(cè)壁進(jìn)行打孔,促進(jìn)大氣與花盆內(nèi)土體的氣體交換,提高了土壤中 O2 含量[1 3 ],以達(dá)到提高作物產(chǎn)量的目的,但對(duì)花盆側(cè)壁打孔較費(fèi)工,應(yīng)用成本高。

　　20世紀(jì)初,逐漸發(fā)展一些土壤疏散物質(zhì),如聚乙烯、石膏、蛭石、堆肥、有機(jī)覆蓋物、巖石和珍珠巖等合成材料來(lái)增加土壤孔隙度, 保持土壤通氣性。 1999 年,Brandsma 利用聚乙烯加入土壤內(nèi)部,由于土壤絮凝化成分含有離子膠合體,可以改變土壤顆粒的電荷聚集。 在此基礎(chǔ)上,Wild 進(jìn)行棉花種植試驗(yàn)時(shí),通過(guò)將石膏深埋,因土壤溶液中的碳酸鈉和重碳酸鈉作用,生成易溶于水的硫酸鈉,消除耕層土壤的堿性,提高土壤孔隙度,對(duì)棉花產(chǎn)量的提高有一定促進(jìn)作用[1 4 ]。2003 年,孫周平等在馬鈴薯種植前,通過(guò)在土壤底部埋設(shè)一個(gè)拱形網(wǎng),拱形網(wǎng)下端為空氣層通過(guò)空氣滲透到作物根系周?chē)?但槽栽法需要進(jìn)行土體改造,費(fèi)時(shí)費(fèi)工,勞動(dòng)強(qiáng)度大,難以進(jìn)行大面積的推廣應(yīng)用。后期,通過(guò)工程技術(shù)措施建立地下滴灌排水系統(tǒng),在灌溉、降雨后及時(shí)排水,通過(guò)改變土壤的固、液、氣三相比例來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu),用以提高作物根區(qū)土壤O2 含量。

　　1. 2 作物法不同

　　作物類(lèi)型和相同作物類(lèi)型下的不同品種之間,對(duì)根區(qū)缺氧的適應(yīng)能力存在明顯的差異性[1 5 ]。探索適應(yīng)低氧條件的作物基因型是提高缺氧土壤生產(chǎn)力的方法之一。 有研究表明,西紅柿幼苗與水稻幼苗同時(shí)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液栽培,水稻幼苗的根系會(huì)緩慢釋放O2 進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)液,西紅柿幼苗通過(guò)吸收 O2 來(lái)改善自身生長(zhǎng)狀態(tài);但是,在土壤中是否會(huì)有類(lèi)似的現(xiàn)象還未可知。

　　1. 3 化學(xué)法

　　化學(xué)法是將一些含氧化合物按一定比例加入土壤中,通過(guò)含氧化合物在土壤中分解產(chǎn)生 O2 ,進(jìn)而達(dá)到提高土壤 O2 含量的目的,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)化學(xué)法在田間應(yīng)用做了大量研究。常見(jiàn)的含氧化合物主要包括過(guò)氧化鈣(CaO2 )、過(guò)氧化 鈉 ( Na2O2 )、 過(guò) 氧 化 鎂 ( MgO2 ) 及 過(guò) 氧 化 氫(H2O2 )等。 其中,CaO2 具有成本低和效果好的特點(diǎn),與水反應(yīng)緩慢釋放氧氣,與土壤混合使用一次,土壤一周內(nèi)都可以維持較高的 O2 含量,緩解作物根系低氧脅迫,同時(shí)釋放熱量以提高土壤溫度( BICONET,1972)。 1980 年,Herr 利用 CaO2 為土壤提供氧氣,但收效甚微。

　　這是由于土壤對(duì) O2 的需求量較大,而這些化合物只能提供少量而短暫的 O2 供應(yīng),且作用部位有限,持續(xù)時(shí)間較短[1 6 ]。在田間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中,將低濃度的過(guò)氧化氫(H2O2 )溶液與灌溉用水混合,來(lái)達(dá)到提高作物根區(qū)土壤的 O2 含量的目的。 1982 年,Hodgson and Chan 通過(guò)地下 滴 灌 技 術(shù), 在 每 次 灌 水 結(jié) 束 后 注 入 過(guò) 氧 化 氫(H2O2 )25min,與普通地下滴灌相比,西葫蘆的產(chǎn)量提高了 25%,這是通過(guò)地下滴灌向作物根區(qū)加入過(guò)氧化氫(H2O2 )第一個(gè)發(fā)表的成功研究。過(guò)氧化氫(H2O2 )針對(duì)不同作物、不同類(lèi)型的土壤上的應(yīng)用效果也表現(xiàn)出大的差異性。

　　在重粘土、鹽漬土等障礙性土壤中,實(shí)施根區(qū)增氧后效果更明顯。 相反,過(guò)氧化氫無(wú)限地溶于水,可能使溶解氧濃度達(dá)到1000×10-6,但在高溫下對(duì)微生物有毒。 因此,過(guò)氧化氫(H2O2 ) 必須以足以達(dá)到通氣目的的低濃度引入(Raifai 和 Newell,1994)。 由過(guò)氧化氫對(duì)土壤微生物的影響的初步評(píng)估表明:以 0. 001%的溶液進(jìn)行增氧,在蔬菜大豆作物灌溉期間連續(xù)施用不會(huì)對(duì)可測(cè)量的土壤細(xì)菌數(shù)量產(chǎn)生負(fù)面影響,但未評(píng)估微生物組之間的差異性影響沒(méi)有進(jìn)行研究。在化學(xué)增氧方法中,過(guò)氧化氫(H2O2 )的氧化效果更好,使用方便,但由于過(guò)氧化氫(H2O2 )易于分解,導(dǎo)致在應(yīng)用時(shí)局限性較強(qiáng)。 過(guò)氧化氫(H2O2 ) 本身具有強(qiáng)氧化性,對(duì)作物生長(zhǎng)及土壤是否有消極影響還未可知,所以,該技術(shù)無(wú)法進(jìn)行大面積使用,需要對(duì)過(guò)氧化氫(H2O2 )的含量、加入時(shí)間和方法及對(duì)土壤健康的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。

　　1. 4 物理法物理增氧法,又稱(chēng)為機(jī)械增氧法,是在地下滴灌的基礎(chǔ)上,利用加氣設(shè)備將水分和氣體直接輸送至作物根部,是一種最直接的土壤增氧方式,主要分為水氧分離與水氧結(jié)合兩種方式。

　　1. 4. 1 水氧分離法水氧分離法,是在地下滴灌的基礎(chǔ)上,結(jié)合土壤通氣技術(shù),利用空氣壓縮機(jī)向管內(nèi)通氣,達(dá)到提高土壤 O2 含量的目的。國(guó)外最早對(duì)土壤進(jìn)行物理增氧是在 1949 年,Melsted S W 通過(guò)空氣壓縮機(jī)將空氣直接加壓進(jìn)入根區(qū)土壤中,類(lèi)似于對(duì)土壤進(jìn)行“ 強(qiáng)制通風(fēng)”。 試驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)對(duì)土壤進(jìn)行“強(qiáng)制通風(fēng)”,可以提高土壤通氣性,改善土壤環(huán)境。 后期,利用空氣壓縮機(jī)向土壤中埋設(shè)的穿孔軟管注入空氣,達(dá)到提高土壤 O2 含量的目的,這也是現(xiàn)在物理增氧灌溉技術(shù)的雛形,利用這種措施,每天向土壤中通氣 1h,番茄產(chǎn)量較不通氣處理提高 24%,還可以改善作物品質(zhì)[1 8 ]。

　　水稻生育過(guò)程中僅靠水中的 O2 無(wú)法滿足自身生長(zhǎng)、代謝等生命活動(dòng),通過(guò)提高水稻生長(zhǎng)環(huán)境中 O2 含量,可以提高水稻光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化,使水稻根系生長(zhǎng)旺盛。 后期西北農(nóng)林科技大學(xué)郭超、朱艷、溫改娟及李元等利用空氣壓縮機(jī)對(duì)溫室番茄、甜瓜及盆栽玉米進(jìn)行增氧灌溉,結(jié)果表明:增氧灌溉條件下可以改善土壤環(huán)境,提高土壤通氣性,土壤微生物活性提高,作物光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度都有所提高,土壤有機(jī)質(zhì)分解徹底,促進(jìn)作物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收,提高作物干物質(zhì)積累。 利用該方法進(jìn)行大田試驗(yàn),田間氣體傳輸穩(wěn)定,氧氣在管道中分布均勻度高,灌水后進(jìn)行加氣處理還可以提高土壤水分分布均勻度,有利于提高水分利用效率[1 9 ]。水氧分離法是目前田間試驗(yàn)較為常用的一種土壤增氧方式,且在地下滴灌系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加氣泵等土壤通氣裝置,使用方便,運(yùn)行成本較低,適宜田間大面積使用。

　　1. 4. 2 水氧結(jié)合法

　　水氧結(jié)合法又稱(chēng)微泡法,是一種新的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù),于 2000 年在美國(guó)開(kāi)始使用。 基本原理:利用文丘里管注射器將空氣直接吸入水流中,提高水中溶解氧,O2 以氣泡的形式存在于灌溉水中,補(bǔ)充了作物生長(zhǎng)消耗的氧氣,用于土壤和無(wú)土栽培系統(tǒng)的根部和微生物呼吸。 目前,水氧結(jié)合法主要包括 Seair 系統(tǒng)純氧曝氣、射流振蕩器曝氣及文丘里注射器曝氣 3 種方式[ 20 ]。 Seair 系統(tǒng)純氧曝氣和射流振蕩器曝氣裝置,在使用過(guò)程中,穩(wěn)定性較差,曝氣產(chǎn)生的氣泡較大,聚集在管道頂部導(dǎo)致出氣不均勻,導(dǎo)致水中溶氧量較低,生產(chǎn)效率低,不適合大范圍推廣應(yīng)用。

　　目前,國(guó)外多使用 Mazzei 文丘里注射器進(jìn)行水體增氧,不會(huì)出現(xiàn)氣泡聚集、出氣不均勻等情況,溶氧效率高,同時(shí)能保持管道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)及壓力的平穩(wěn)。對(duì)水氧結(jié)合灌溉模式下的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水氧結(jié)合下的作物增產(chǎn)效益隨著管道長(zhǎng)度的增加而降低,這種衰變效應(yīng)主要是由于水中溶解氧含量隨著管道的增加而逐漸降低。 所以,使用水氧結(jié)合的方式需要對(duì)水中溶解氧的變化規(guī)律進(jìn)行研究,以保證水氧結(jié)合方式下效益最大化。近年來(lái),水氧結(jié)合法又取得了新的進(jìn)展,利用微納米曝氣裝置,將空氣壓縮成納米級(jí)氣泡注入灌溉水中,提高了水中溶解氧含量,產(chǎn)生的含氧微氣泡較小,氣泡中含氧量較高,在管道中擴(kuò)散均勻,在管道中留存時(shí)間較長(zhǎng)。 目前,微納米氣泡技術(shù)多用于污水處理技術(shù)中,但相關(guān)研究目前尚處于初步階段,且器材較為昂貴,大面積推廣還有一定難度。

　　2 增氧灌溉技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　當(dāng)灌溉不當(dāng)造成土壤根部積存過(guò)多水分時(shí),會(huì)對(duì)土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。 增氧灌溉技術(shù)可以緩解由于灌溉、降雨及農(nóng)業(yè)操作對(duì)土壤造成的低氧脅迫,改善土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng),提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。 隨著增氧灌溉技術(shù)優(yōu)勢(shì)的凸顯,增氧灌溉技術(shù)在各個(gè)地區(qū)及不同作物均進(jìn)行了應(yīng)用研究。

　　2. 1 增氧灌溉技術(shù)對(duì)土壤環(huán)境的影響

　　2. 1. 1 改善土壤通氣性

　　土壤通氣通過(guò)土壤的肥力,進(jìn)而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)。 土壤通氣性較差,土壤氧氣可利用性低,O2 的擴(kuò)散、底物的運(yùn)輸、根系的生長(zhǎng)、CO2 的排放等都有可能被影響,進(jìn)而成為土壤呼吸的限制因素。 只有在通氣良好的土壤中,氣體交換才能順利進(jìn)行,過(guò)量的 CO2和 N2O 才能順利排放。 土壤呼吸強(qiáng)度、土壤氧擴(kuò)散速率和土壤通氣速率通常用于指示土壤通氣狀態(tài)。土壤呼吸是在消耗氧氣的同時(shí)向大氣中釋放 CO2的過(guò)程,而由此造成的氣體含量梯度是氣體擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力。 因此,當(dāng)土壤通氣不良時(shí),土壤呼吸(產(chǎn)生二氧化碳的過(guò)程) 將受到限制,土壤中的二氧化碳含量將急劇增加。 土壤呼吸速率隨土壤含氧量的增加而增加,與對(duì)照試驗(yàn)相比,增氧灌溉下土壤呼吸速率和土壤含氧量顯著增加[ 22 ]。氧氣擴(kuò)散速率( oxygen diffusion rate,ODR)作為衡量土壤通氣性最有效的指標(biāo)之一,用來(lái)反映原位土壤中氧氣的供應(yīng)狀況[ 23 ]。 2020 年,臧明采用增氧灌溉對(duì)冬小麥作物根區(qū)土壤氧氣擴(kuò)散速率影響進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:提高土壤 O2 含量, 可以增強(qiáng)土壤ODR,改善溫室番茄產(chǎn)量。

　　2. 1. 2 提高土壤酶和微生物活性

　　土壤微生物分解植物殘留物以產(chǎn)生土壤酶,在土壤酶和土壤微生物的共同作用下,完成了土壤有機(jī)質(zhì)的代謝分解,氮的轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分的合成。 Davies 等在研究中指出,土壤通氣性降低,阻礙空氣與土壤氣體的交換,土壤處于缺氧狀態(tài),會(huì)降低作物對(duì)土壤養(yǎng)分的主動(dòng)吸收。 例如,隨著 O2 含量的減少,氮、磷、鉀、鈣和鎂的吸收率會(huì)降低(McLaren 和 Cameron,1986),因?yàn)闊o(wú)氧呼吸提供的 ATP 不足以提供能量來(lái)滿足礦物質(zhì)吸收的需求(Barrett-Lennard,2003 年)。 隨著 O2 含量的增加,土壤酶、微生物的活性和繁殖能力增強(qiáng)。Balota( 2004) 及 Emilssona ( 2007) 等研究認(rèn)為[ 25 ],提高作物根際土壤 O2 含量,蔗糖酶和脫氫酶等土壤主要酶均有顯著提高。 有機(jī)質(zhì)在土壤中的分解迅速,及時(shí)補(bǔ)充土壤中的礦物質(zhì)資源,促進(jìn)了作物根系對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的有效吸收。 2013 年,謝冬等人通過(guò)試驗(yàn)研究表明,增氧灌溉技術(shù)可以增加根際微生物的活性,提高根際微生物的分解能力,為作物生長(zhǎng)提供良好的土壤環(huán)境。

　　2. 1. 3 提升土壤肥力

　　缺氧條件會(huì)抑制養(yǎng)分向根部運(yùn)輸,限制了根系滿足芽的礦物質(zhì)和水分需求的能力(Samad et al,2001)。缺氧引起的根系水力傳導(dǎo)率降低與木質(zhì)部血管的阻塞和軸向水的受限有關(guān)。 在缺氧的土壤中,韌皮部在厭氧根中的卸載停止,并且阻礙了代謝物和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在根與芽之間的運(yùn)輸(McKersie and Hunt,1987);缺氧也增加根部的水力阻力,減少了水和礦物質(zhì)從根部通過(guò)木質(zhì)部到枝條的運(yùn)輸(Steudle,2000 年)。 眾所周知,由于根細(xì)胞膜的半透性不完全,厭氧條件下的水分和礦物質(zhì)吸收較差( Gibbs 和 Greenway,2003 年),根部通道蛋白的抗性增加或密度降低,根系對(duì)水的電導(dǎo)率降低,溶解氧或土壤中氧的擴(kuò)散速率降至臨界值以下,農(nóng)作物可直接利用的礦質(zhì)元素含量不足,農(nóng)作物吸收土壤養(yǎng)分積累能力下降[ 26 ],造成作物根向地上部運(yùn)輸能力下降[ 27 ],限制了土壤肥效的充分發(fā)揮,導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)缺乏,是使植物老化加快及水肥流失的直接原因。

　　土壤氧氣含量的升高,加速了土壤微生物和有機(jī)物的分解,釋放出有機(jī)碳,促進(jìn)了土壤的內(nèi)部化學(xué)循環(huán),減少了農(nóng)作物對(duì)化肥的依賴。 李天來(lái)等的研究也證明,有氧灌溉技術(shù)顯著增加了基質(zhì)中有效養(yǎng)分的含量,堿水解氮比對(duì)照組增加了 12. 5%,速效磷比對(duì)照提高 12. 02%,作物積累量提高。通氣不良會(huì)導(dǎo)致根系生長(zhǎng)受限,導(dǎo)致無(wú)法充分利用作物上的氮素( Heuberger 等,2001)。 缺氧根際中氮的損失發(fā)生在反硝化作用和浸出過(guò)程中 ( Focht,1992),如果根區(qū)周?chē)�的空氣改�?將對(duì)氮素利用效率及農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量產(chǎn)生直接的積極影響。 在一項(xiàng)對(duì)植物汁液硝酸鹽進(jìn)行定量研究的研究中( Heuberger 等,2001),存在通氣增加硝酸鹽濃度的趨勢(shì)。同樣,對(duì)于增氧灌溉條件下的番茄種植,葉柄汁液中的硝酸鹽氮含量提高了 13% ( Bhattarai,2005)。 2003年,陸景陵等指出,當(dāng)土壤處于缺氧狀態(tài)時(shí),NO2 和 N2經(jīng)過(guò)反硝化作用散失到空氣中致使大量 N 素流失。

　　2019 年,楊宏軍等人通過(guò)微泡曝氣方法,以溫室番茄為試驗(yàn)材料研究了增氧灌溉對(duì)土壤 N2O 排放的影響,結(jié)果表明:土壤 NO3-、NH4+、充氣孔隙度、氧擴(kuò)散速率和土壤溫度是驅(qū)動(dòng)土壤 N2O 排放的重要因素[ 29 ],且土壤 O2 含量直接影響充氣孔隙度與氧氣擴(kuò)散率。 增氧灌溉技術(shù)可以彌補(bǔ)常規(guī)灌溉引起的土壤 O2 逸出。土壤 O2 含量的增加促進(jìn)了硝化作用的發(fā)生,并增加了 N2O 的產(chǎn)生。有機(jī)磷是作物生長(zhǎng)的重要磷源,但不能被作物直接吸收,大多數(shù)活磷需要被礦化為無(wú)機(jī)磷被根系吸收、轉(zhuǎn)化。 提高土壤 O2 含量可以提高土壤微生物活性,進(jìn)而提高土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化,增強(qiáng)礦化速率,土壤磷可以轉(zhuǎn)化為更多有效磷被作物吸收利用,為農(nóng)作物提供更有效的磷源。

　　2. 2 增氧灌溉技術(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

　　2. 2. 1 增強(qiáng)作物生理特性

　　由于根系呼吸不良會(huì)減少水分和養(yǎng)分的吸收,且土壤中的化學(xué)變化會(huì)產(chǎn)生限制整個(gè)植物生長(zhǎng)的毒素(Fernhout 和 Kurtz,1999 年),土壤通氣性差對(duì)植物生長(zhǎng)的影響遠(yuǎn)大于對(duì)根系生長(zhǎng)的影響。 增氧灌溉技術(shù)可以顯著提高土壤 O2 含量、土壤呼吸速率、光合速率及蒸騰速率。 增氧灌溉后土壤中 O2 含量明顯高于普通地下滴灌,且灌水期間普通地下滴灌 O2 含量降低45%,增氧灌溉僅降低 25%。

　　后期,鷹嘴豆試驗(yàn)中也得到類(lèi)似結(jié)論(Bhattarai,2008)。通過(guò)對(duì)溫室番茄進(jìn)行增氧灌溉試驗(yàn)研究,與對(duì)照試驗(yàn)相比,土壤呼吸速率增大了 33. 16%[ 30 ]。 2020年,孫燕等探討了水培條件下微咸水溶解氧濃度對(duì)小白菜光響應(yīng)特征及產(chǎn)量的影響,土壤缺氧的主要表現(xiàn)為氣孔導(dǎo)度和吸水率降低,導(dǎo)致冠層蒸騰作用減少,增氧處理有利于增強(qiáng)小白菜的耐蔭性和忍受強(qiáng)高光的能力,促進(jìn)了飽和土壤條件下的冠層水分吸收,植株生理活性提高,光合效率增強(qiáng),有利于作物高產(chǎn)。研究表明,長(zhǎng)期淹灌降低了水稻根際溶解氧含量,從而影響水稻的根際生長(zhǎng)環(huán)境,水稻的產(chǎn)量并不隨著灌溉用水量增加而增加,適當(dāng)進(jìn)行水分調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與節(jié)水相統(tǒng)一。 2008 年,張榮萍等研究表明,在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中提高水稻生長(zhǎng)環(huán)境中的 O2 含量,可以增強(qiáng)水稻各項(xiàng)生理指標(biāo),提高水稻干物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與積累,最終提高水稻產(chǎn)量。

　　3 增氧灌溉技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

　　3. 1 多元化增氧灌溉技術(shù)的發(fā)展多元化增氧灌溉技術(shù)可將化肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑及殺蟲(chóng)劑等農(nóng)用化學(xué)品隨著增氧灌溉水輸送至作物根部土壤,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)投入物的效益最大化,節(jié)省能源、成本和時(shí)間,減少化肥及殺蟲(chóng)劑等農(nóng)用化學(xué)品的使用,并最大程度地降低浪費(fèi)和污染。 增氧灌溉技術(shù)的多元化將大幅度提高地下滴灌系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。多種農(nóng)業(yè)投入物的混合運(yùn)輸可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,土壤 O2 是決定土壤肥力的重要因素之一。 因此,有必要在灌溉和灌溉后保持土壤中高的 O2 含量,以增加作物根系的需氧呼吸,驅(qū)動(dòng)作物根系積極吸收養(yǎng)分和水分(Barrett-Lennard,2003 年)。 在土壤缺氧或低氧條件下,由于作物根部區(qū)域的氧氣供應(yīng)量低,肥料和農(nóng)用化學(xué)品等投入品的有效性會(huì)降低,(Bhattarai等人,2006)。 作物養(yǎng)分特別是 N、Mn、Fe、Ca 的吸收最易受到 O2 脅迫的影響(Morard 等,2004)。 低氧環(huán)境下作物根系對(duì) Ca 的吸收減少,導(dǎo)致番茄開(kāi)花期腐爛(Bhattarai 等人,2005 年)和胡蘿卜腔斑點(diǎn)的快速發(fā)育(一種胡蘿卜低氧根環(huán)境中的病理學(xué)問(wèn)題) ( Hiltunen 和 White,2002 年),在增氧灌溉的同時(shí)為作物輸送植物養(yǎng)分、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑及殺蟲(chóng)劑等農(nóng)用化學(xué),通過(guò)改變土壤 O2 含量來(lái)調(diào)節(jié)作物生理、病理和生化過(guò)程以達(dá)到提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的。

　　3. 2 作物動(dòng)態(tài)需氧模型的建立土壤是一個(gè)開(kāi)放的耗散系統(tǒng),隨時(shí)與外界交換物質(zhì)和能量,且土壤中的空氣不斷在土壤中運(yùn)動(dòng),并不斷與大氣交換。 在土壤空氣中,CO2 的濃度高于大氣的濃度,而 O2 的濃度低于大氣的濃度,這會(huì)分別產(chǎn)生CO2 和 O2 的分壓差。 由于分壓梯度的存在,促進(jìn)了土壤與大氣之間的氣體交換。 從大氣到土壤空氣,大氣和土壤氣體的傳遞過(guò)程是維持土壤 O2 含量的主要途徑。 影響土壤 O2 含量的主要因素有大氣因素(包括大氣溫濕度、大氣壓力、光照強(qiáng)度及風(fēng)速等),土壤性質(zhì)及農(nóng)業(yè)管理措施等,由于外界環(huán)境的不斷變化,導(dǎo)致土壤 O2 含量處于動(dòng)態(tài)變化中。

　　3. 3 智能化增氧灌溉系統(tǒng)的研究

　　目前,我國(guó)已經(jīng)建立了比較完善的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田資源信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。 同時(shí),建立了農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心及農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的收集、共享、分析和使用方法,并在信息獲取、參數(shù)反演、模型構(gòu)建和準(zhǔn)確性驗(yàn)證等方面開(kāi)發(fā)了一系列信息技術(shù)。 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析,提高了對(duì)作物種植面積、生產(chǎn)進(jìn)度、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、天氣情況、氣候條件、災(zāi)害程度和土壤環(huán)境的關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)能力,可支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和農(nóng)業(yè)環(huán)境的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè),從源頭提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。 隨著增氧灌溉技術(shù)的不斷發(fā)展,生產(chǎn)及規(guī)�；�的逐漸擴(kuò)大,其控制過(guò)程也向自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)變,在線監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境參數(shù)是自動(dòng)控制的前提和基礎(chǔ)。 但是,目前市面上土壤氧氣傳感器空缺,難以在線實(shí)時(shí)測(cè)量,傳統(tǒng)方法是利用土壤氧氣測(cè)定儀埋進(jìn)土壤需要測(cè)量的位置進(jìn)行檢測(cè),測(cè)量時(shí)擾動(dòng)土壤,存在很大的測(cè)量誤差,測(cè)量數(shù)值具有滯后性,無(wú)法及時(shí)對(duì)土壤進(jìn)行氣體補(bǔ)償,難以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中大規(guī)模推廣和發(fā)揮作用。

　　4 結(jié)論

　　1)通過(guò)結(jié)合多種農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)改善對(duì)現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)的管理,將增氧灌溉技術(shù)與其他農(nóng)用化學(xué)品精確配合使用,提高肥料和化學(xué)品的利用效率,減少傳統(tǒng)施肥和其他農(nóng)業(yè)措施的潛在污染,提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率,促進(jìn)了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。2)建立作物生長(zhǎng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)耗氧量模型及土壤氧氣和大氣之間的氧氣傳輸過(guò)程,分析土壤氧氣在作物不同時(shí)期的衰減規(guī)律,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)土壤氧含量與作物需氧量之間的偏差,為田間增氧智能化調(diào)控系統(tǒng)的建立提供理論基礎(chǔ)。3)建立田間增氧智能化調(diào)控系統(tǒng),構(gòu)建田間農(nóng)業(yè)信息、圖像知識(shí)儲(chǔ)藏知識(shí)庫(kù),并建立土壤氧氣智能決策系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)田間水分、養(yǎng)分及氧氣的自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)制,降低了增氧灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行成本,促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉技術(shù)的智能發(fā)展。

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　　作者：溫昊陽(yáng)1, 于珍珍1, 汪 春1, 張冬梅1,2, 王宏軒1, 鄒華芬