摘 要: 增氧灌溉技術在改善土壤環境和提高作物產量等方面具有巨大的潛力和應用前景,是未來綠色農業、循環農業發展的大勢所趨。 為此,總結了不同土壤增氧方式及設備的發展現狀,系統論述了增氧灌溉技術目前的應用現狀,深入分析了增氧灌溉技術在改善土壤環境及作物生長等方面取得的成效和存在的問題,并提出多元化增氧灌溉技術與智能化精準增氧技術將是未來發展的重點。 最后,提出未來應著重于研究多元化增氧灌溉技術的發展、提高增氧灌溉技術生產效率及建立田間智能化增氧調控系統,以此作為未來增氧灌溉技術發展的參考。

　　關鍵詞: 增氧灌溉; 技術體系; 多元化發展; 智能調控

　　0 引言

　　水資源已經成為制約農業生產和國民經濟發展的瓶頸[1 - 2],面對農業灌溉用水與工業、生活、環境用水競爭日趨緊張的現狀,為提高水資源利用率,地下滴灌技術已在干旱和半干旱地區得到廣泛應用[ 3 ]。 地下滴灌技術將液體肥料與水分混合后直接輸送到作物根部,可以更加精準地為作物根系提供水分及養分,減少化肥流失造成的環境污染。 管道埋設在地表以下,還可以減少地表水分的無效蒸發,且地表干燥可減少雜草的生長。 因在進行地下滴灌時,在土壤水分濕潤鋒線區域,土壤氧氣含量降低[ 4 ],無法滿足作物根系呼吸所需要的 O2 含量,土壤缺氧會造成作物氣孔關 閉、 葉 水 勢 降 低, 影 響 作 物 正 常 的 生 理 功能[ 5 - 6 ],成為農作物高產的主要限制條件。

　　“增氧灌溉技術”是在地下滴灌的基礎上[ 7 ],利用空氣泵或者羅茨風機等通風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,提高作物的產量與品質[1 1 ]。為此,筆者對土壤增氧方式、增氧灌溉技術對土壤環境、根系生長及作物產量、品質的作用機理進行系統分析,并提出未來應進一步發展多元化增氧灌溉技術、再生水增氧灌溉及智能調控增氧灌溉技術,為進一步提高農業用水效率、優化農業灌溉技術及促進農業可持續發展的奠定理論基礎。

　　1 不同增氧灌溉方式應用現狀

　　國外增氧灌溉技術始于 20 世紀 70 年代末,我國在增氧灌溉技術綜合利用方面起步較晚,目前對作物根區土壤進行增氧的方法主要分為工程法、作物法、化學法及物理法。

　　1. 1 工程法

　　工程法是指利用農業水土技術、農業工程技術等措施,改變了土壤微觀結構。 由于土壤孔隙度得到了改善,大氣與土壤氣體擴散性能得到增強,提高土壤通氣性[1 2 ]。1980 年,Kurtz 及 Kneebone 通過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時間較短,且操作時容易損傷作物根系。 1997年,蘇格蘭公司研發一種作物根系通氣盆,通過在花盆側壁進行打孔,促進大氣與花盆內土體的氣體交換,提高了土壤中 O2 含量[1 3 ],以達到提高作物產量的目的,但對花盆側壁打孔較費工,應用成本高。

　　20世紀初,逐漸發展一些土壤疏散物質,如聚乙烯、石膏、蛭石、堆肥、有機覆蓋物、巖石和珍珠巖等合成材料來增加土壤孔隙度, 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。 在此基礎上,Wild 進行棉花種植試驗時,通過將石膏深埋,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,對棉花產量的提高有一定促進作用[1 4 ]。2003 年,孫周平等在馬鈴薯種植前,通過在土壤底部埋設一個拱形網,拱形網下端為空氣層通過空氣滲透到作物根系周圍;但槽栽法需要進行土體改造,費時費工,勞動強度大,難以進行大面積的推廣應用。后期,通過工程技術措施建立地下滴灌排水系統,在灌溉、降雨后及時排水,通過改變土壤的固、液、氣三相比例來改善土壤結構,用以提高作物根區土壤O2 含量。

　　1. 2 作物法不同

　　作物類型和相同作物類型下的不同品種之間,對根區缺氧的適應能力存在明顯的差異性[1 5 ]。探索適應低氧條件的作物基因型是提高缺氧土壤生產力的方法之一。 有研究表明,西紅柿幼苗與水稻幼苗同時進行營養液栽培,水稻幼苗的根系會緩慢釋放O2 進入營養液,西紅柿幼苗通過吸收 O2 來改善自身生長狀態;但是,在土壤中是否會有類似的現象還未可知。

　　1. 3 化學法

　　化學法是將一些含氧化合物按一定比例加入土壤中,通過含氧化合物在土壤中分解產生 O2 ,進而達到提高土壤 O2 含量的目的,國內外學者對化學法在田間應用做了大量研究。常見的含氧化合物主要包括過氧化鈣(CaO2 )、過氧化 鈉 ( Na2O2 )、 過 氧 化 鎂 ( MgO2 ) 及 過 氧 化 氫(H2O2 )等。 其中,CaO2 具有成本低和效果好的特點,與水反應緩慢釋放氧氣,與土壤混合使用一次,土壤一周內都可以維持較高的 O2 含量,緩解作物根系低氧脅迫,同時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 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,且作用部位有限,持續時間較短[1 6 ]。在田間農業生產應用中,將低濃度的過氧化氫(H2O2 )溶液與灌溉用水混合,來達到提高作物根區土壤的 O2 含量的目的。 1982 年,Hodgson and Chan 通過地下 滴 灌 技 術, 在 每 次 灌 水 結 束 后 注 入 過 氧 化 氫(H2O2 )25min,與普通地下滴灌相比,西葫蘆的產量提高了 25%,這是通過地下滴灌向作物根區加入過氧化氫(H2O2 )第一個發表的成功研究。過氧化氫(H2O2 )針對不同作物、不同類型的土壤上的應用效果也表現出大的差異性。

　　在重粘土、鹽漬土等障礙性土壤中,實施根區增氧后效果更明顯。 相反,過氧化氫無限地溶于水,可能使溶解氧濃度達到1000×10-6,但在高溫下對微生物有毒。 因此,過氧化氫(H2O2 ) 必須以足以達到通氣目的的低濃度引入(Raifai 和 Newell,1994)。 由過氧化氫對土壤微生物的影響的初步評估表明:以 0. 001%的溶液進行增氧,在蔬菜大豆作物灌溉期間連續施用不會對可測量的土壤細菌數量產生負面影響,但未評估微生物組之間的差異性影響沒有進行研究。在化學增氧方法中,過氧化氫(H2O2 )的氧化效果更好,使用方便,但由于過氧化氫(H2O2 )易于分解,導致在應用時局限性較強。 過氧化氫(H2O2 ) 本身具有強氧化性,對作物生長及土壤是否有消極影響還未可知,所以,該技術無法進行大面積使用,需要對過氧化氫(H2O2 )的含量、加入時間和方法及對土壤健康的影響進行試驗研究。

　　1. 4 物理法物理增氧法,又稱為機械增氧法,是在地下滴灌的基礎上,利用加氣設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上,結合土壤通氣技術,利用空氣壓縮機向管內通氣,達到提高土壤 O2 含量的目的。國外最早對土壤進行物理增氧是在 1949 年,Melsted S W 通過空氣壓縮機將空氣直接加壓進入根區土壤中,類似于對土壤進行“ 強制通風”。 試驗結果表明:通過對土壤進行“強制通風”,可以提高土壤通氣性,改善土壤環境。 后期,利用空氣壓縮機向土壤中埋設的穿孔軟管注入空氣,達到提高土壤 O2 含量的目的,這也是現在物理增氧灌溉技術的雛形,利用這種措施,每天向土壤中通氣 1h,番茄產量較不通氣處理提高 24%,還可以改善作物品質[1 8 ]。

　　水稻生育過程中僅靠水中的 O2 無法滿足自身生長、代謝等生命活動,通過提高水稻生長環境中 O2 含量,可以提高水稻光合產物的轉化,使水稻根系生長旺盛。 后期西北農林科技大學郭超、朱艷、溫改娟及李元等利用空氣壓縮機對溫室番茄、甜瓜及盆栽玉米進行增氧灌溉,結果表明:增氧灌溉條件下可以改善土壤環境,提高土壤通氣性,土壤微生物活性提高,作物光合速率、蒸騰速率及氣孔導度都有所提高,土壤有機質分解徹底,促進作物根系對土壤養分的吸收,提高作物干物質積累。 利用該方法進行大田試驗,田間氣體傳輸穩定,氧氣在管道中分布均勻度高,灌水后進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較為常用的一種土壤增氧方式,且在地下滴灌系統的基礎上增加氣泵等土壤通氣裝置,使用方便,運行成本較低,適宜田間大面積使用。

　　1. 4. 2 水氧結合法

　　水氧結合法又稱微泡法,是一種新的農業灌溉技術,于 2000 年在美國開始使用。 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,補充了作物生長消耗的氧氣,用于土壤和無土栽培系統的根部和微生物呼吸。 目前,水氧結合法主要包括 Seair 系統純氧曝氣、射流振蕩器曝氣及文丘里注射器曝氣 3 種方式[ 20 ]。 Seair 系統純氧曝氣和射流振蕩器曝氣裝置,在使用過程中,穩定性較差,曝氣產生的氣泡較大,聚集在管道頂部導致出氣不均勻,導致水中溶氧量較低,生產效率低,不適合大范圍推廣應用。

　　目前,國外多使用 Mazzei 文丘里注射器進行水體增氧,不會出現氣泡聚集、出氣不均勻等情況,溶氧效率高,同時能保持管道內流體運動及壓力的平穩。對水氧結合灌溉模式下的技術參數進行試驗發現,水氧結合下的作物增產效益隨著管道長度的增加而降低,這種衰變效應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,使用水氧結合的方式需要對水中溶解氧的變化規律進行研究,以保證水氧結合方式下效益最大化。近年來,水氧結合法又取得了新的進展,利用微納米曝氣裝置,將空氣壓縮成納米級氣泡注入灌溉水中,提高了水中溶解氧含量,產生的含氧微氣泡較小,氣泡中含氧量較高,在管道中擴散均勻,在管道中留存時間較長。 目前,微納米氣泡技術多用于污水處理技術中,但相關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 增氧灌溉技術研究現狀

　　當灌溉不當造成土壤根部積存過多水分時,會對土壤環境及作物生長產生不利影響。 增氧灌溉技術可以緩解由于灌溉、降雨及農業操作對土壤造成的低氧脅迫,改善土壤環境及作物生長,提高作物產量和品質。 隨著增氧灌溉技術優勢的凸顯,增氧灌溉技術在各個地區及不同作物均進行了應用研究。

　　2. 1 增氧灌溉技術對土壤環境的影響

　　2. 1. 1 改善土壤通氣性

　　土壤通氣通過土壤的肥力,進而影響農作物的生長。 土壤通氣性較差,土壤氧氣可利用性低,O2 的擴散、底物的運輸、根系的生長、CO2 的排放等都有可能被影響,進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行,過量的 CO2和 N2O 才能順利排放。 土壤呼吸強度、土壤氧擴散速率和土壤通氣速率通常用于指示土壤通氣狀態。土壤呼吸是在消耗氧氣的同時向大氣中釋放 CO2的過程,而由此造成的氣體含量梯度是氣體擴散的驅動力。 因此,當土壤通氣不良時,土壤呼吸(產生二氧化碳的過程) 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,與對照試驗相比,增氧灌溉下土壤呼吸速率和土壤含氧量顯著增加[ 22 ]。氧氣擴散速率( oxygen diffusion rate,ODR)作為衡量土壤通氣性最有效的指標之一,用來反映原位土壤中氧氣的供應狀況[ 23 ]。 2020 年,臧明采用增氧灌溉對冬小麥作物根區土壤氧氣擴散速率影響進行試驗研究,結果表明:提高土壤 O2 含量, 可以增強土壤ODR,改善溫室番茄產量。

　　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,完成了土壤有機質的代謝分解,氮的轉化和養分的合成。 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,會降低作物對土壤養分的主動吸收。 例如,隨著 O2 含量的減少,氮、磷、鉀、鈣和鎂的吸收率會降低(McLaren 和 Cameron,1986),因為無氧呼吸提供的 ATP 不足以提供能量來滿足礦物質吸收的需求(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。Balota( 2004) 及 Emilssona ( 2007) 等研究認為[ 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。 有機質在土壤中的分解迅速,及時補充土壤中的礦物質資源,促進了作物根系對土壤水分和養分的有效吸收。 2013 年,謝冬等人通過試驗研究表明,增氧灌溉技術可以增加根際微生物的活性,提高根際微生物的分解能力,為作物生長提供良好的土壤環境。

　　2. 1. 3 提升土壤肥力

　　缺氧條件會抑制養分向根部運輸,限制了根系滿足芽的礦物質和水分需求的能力(Samad et al,2001)。缺氧引起的根系水力傳導率降低與木質部血管的阻塞和軸向水的受限有關。 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調節劑在根與芽之間的運輸(McKersie and Hunt,1987);缺氧也增加根部的水力阻力,減少了水和礦物質從根部通過木質部到枝條的運輸(Steudle,2000 年)。 眾所周知,由于根細胞膜的半透性不完全,厭氧條件下的水分和礦物質吸收較差( Gibbs 和 Greenway,2003 年),根部通道蛋白的抗性增加或密度降低,根系對水的電導率降低,溶解氧或土壤中氧的擴散速率降至臨界值以下,農作物可直接利用的礦質元素含量不足,農作物吸收土壤養分積累能力下降[ 26 ],造成作物根向地上部運輸能力下降[ 27 ],限制了土壤肥效的充分發揮,導致植物營養缺乏,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物的分解,釋放出有機碳,促進了土壤的內部化學循環,減少了農作物對化肥的依賴。 李天來等的研究也證明,有氧灌溉技術顯著增加了基質中有效養分的含量,堿水解氮比對照組增加了 12. 5%,速效磷比對照提高 12. 02%,作物積累量提高。通氣不良會導致根系生長受限,導致無法充分利用作物上的氮素( Heuberger 等,2001)。 缺氧根際中氮的損失發生在反硝化作用和浸出過程中 ( Focht,1992),如果根區周圍的空氣改善,將對氮素利用效率及農作物的生長和產量產生直接的積極影響。 在一項對植物汁液硝酸鹽進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。同樣,對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,當土壤處于缺氧狀態時,NO2 和 N2經過反硝化作用散失到空氣中致使大量 N 素流失。

　　2019 年,楊宏軍等人通過微泡曝氣方法,以溫室番茄為試驗材料研究了增氧灌溉對土壤 N2O 排放的影響,結果表明:土壤 NO3-、NH4+、充氣孔隙度、氧擴散速率和土壤溫度是驅動土壤 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散率。 增氧灌溉技術可以彌補常規灌溉引起的土壤 O2 逸出。土壤 O2 含量的增加促進了硝化作用的發生,并增加了 N2O 的產生。有機磷是作物生長的重要磷源,但不能被作物直接吸收,大多數活磷需要被礦化為無機磷被根系吸收、轉化。 提高土壤 O2 含量可以提高土壤微生物活性,進而提高土壤有機質轉化,增強礦化速率,土壤磷可以轉化為更多有效磷被作物吸收利用,為農作物提供更有效的磷源。

　　2. 2 增氧灌溉技術對作物生長的影響

　　2. 2. 1 增強作物生理特性

　　由于根系呼吸不良會減少水分和養分的吸收,且土壤中的化學變化會產生限制整個植物生長的毒素(Fernhout 和 Kurtz,1999 年),土壤通氣性差對植物生長的影響遠大于對根系生長的影響。 增氧灌溉技術可以顯著提高土壤 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,鷹嘴豆試驗中也得到類似結論(Bhattarai,2008)。通過對溫室番茄進行增氧灌溉試驗研究,與對照試驗相比,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小白菜光響應特征及產量的影響,土壤缺氧的主要表現為氣孔導度和吸水率降低,導致冠層蒸騰作用減少,增氧處理有利于增強小白菜的耐蔭性和忍受強高光的能力,促進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,有利于作物高產。研究表明,長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環境,水稻的產量并不隨著灌溉用水量增加而增加,適當進行水分調控可以實現高產與節水相統一。 2008 年,張榮萍等研究表明,在水稻生長過程中提高水稻生長環境中的 O2 含量,可以增強水稻各項生理指標,提高水稻干物質的轉化與積累,最終提高水稻產量。

　　3 增氧灌溉技術未來發展趨勢

　　3. 1 多元化增氧灌溉技術的發展多元化增氧灌溉技術可將化肥、植物生長調節劑及殺蟲劑等農用化學品隨著增氧灌溉水輸送至作物根部土壤,實現農業投入物的效益最大化,節省能源、成本和時間,減少化肥及殺蟲劑等農用化學品的使用,并最大程度地降低浪費和污染。 增氧灌溉技術的多元化將大幅度提高地下滴灌系統的生產效率。多種農業投入物的混合運輸可以提高農業生產效率,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,驅動作物根系積極吸收養分和水分(Barrett-Lennard,2003 年)。 在土壤缺氧或低氧條件下,由于作物根部區域的氧氣供應量低,肥料和農用化學品等投入品的有效性會降低,(Bhattarai等人,2006)。 作物養分特別是 N、Mn、Fe、Ca 的吸收最易受到 O2 脅迫的影響(Morard 等,2004)。 低氧環境下作物根系對 Ca 的吸收減少,導致番茄開花期腐爛(Bhattarai 等人,2005 年)和胡蘿卜腔斑點的快速發育(一種胡蘿卜低氧根環境中的病理學問題) ( Hiltunen 和 White,2002 年),在增氧灌溉的同時為作物輸送植物養分、生長調節劑及殺蟲劑等農用化學,通過改變土壤 O2 含量來調節作物生理、病理和生化過程以達到提高農業生產的目的。

　　3. 2 作物動態需氧模型的建立土壤是一個開放的耗散系統,隨時與外界交換物質和能量,且土壤中的空氣不斷在土壤中運動,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,這會分別產生CO2 和 O2 的分壓差。 由于分壓梯度的存在,促進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、光照強度及風速等),土壤性質及農業管理措施等,由于外界環境的不斷變化,導致土壤 O2 含量處于動態變化中。

　　3. 3 智能化增氧灌溉系統的研究

　　目前,我國已經建立了比較完善的農業監測系統,可以實現對農田資源信息的動態監測。 同時,建立了農業大數據中心及農業數據的收集、共享、分析和使用方法,并在信息獲取、參數反演、模型構建和準確性驗證等方面開發了一系列信息技術。 農業生產歷史數據和實時監測數據的綜合分析,提高了對作物種植面積、生產進度、農產品質量、天氣情況、氣候條件、災害程度和土壤環境的關聯監測能力,可支持農業生產的智能化和農業環境的準確監測,從源頭提高農業生產效率。 隨著增氧灌溉技術的不斷發展,生產及規模化的逐漸擴大,其控制過程也向自動化和智能化轉變,在線監測土壤環境參數是自動控制的前提和基礎。 但是,目前市面上土壤氧氣傳感器空缺,難以在線實時測量,傳統方法是利用土壤氧氣測定儀埋進土壤需要測量的位置進行檢測,測量時擾動土壤,存在很大的測量誤差,測量數值具有滯后性,無法及時對土壤進行氣體補償,難以在農業生產過程中大規模推廣和發揮作用。

　　4 結論

　　1)通過結合多種農業耕作技術改善對現有滴灌系統的管理,將增氧灌溉技術與其他農用化學品精確配合使用,提高肥料和化學品的利用效率,減少傳統施肥和其他農業措施的潛在污染,提高了農業生產率,促進了農業可持續發展。2)建立作物生長過程中動態耗氧量模型及土壤氧氣和大氣之間的氧氣傳輸過程,分析土壤氧氣在作物不同時期的衰減規律,基于人工神經網絡預測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控系統的建立提供理論基礎。3)建立田間增氧智能化調控系統,構建田間農業信息、圖像知識儲藏知識庫,并建立土壤氧氣智能決策系統,實現對田間水分、養分及氧氣的自動補償機制,降低了增氧灌溉系統的運行成本,促進了我國農業生產灌溉技術的智能發展。

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