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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(6): 660-670 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0660

新学科 新技术 新发现

活化灌溉水对土壤理化性质和作物生长影响途径剖析

王全九,, 孙燕, 宁松瑞, 张继红, 周蓓蓓, 苏李君, 单鱼洋

西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048

Effects of Activated Irrigation Water on Soil Physicochemical Properties and Crop Growth and Analysis of the Probable Pathway

Wang Quanjiu,, Sun Yan, Ning Songrui, Zhang Jihong, Zhou Beibei, Su Lijun, Shan Yuyang

State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China

收稿日期: 2018-10-15   修回日期: 2019-03-01   网络出版日期: 2019-07-01

基金资助: 国家自然科学基金重点项目“西北旱区活化水灌溉提升地力与促进作物生长机理研究”.  41830754

Received: 2018-10-15   Revised: 2019-03-01   Online: 2019-07-01

作者简介 About authors

王全九(1964-),男,内蒙古丰镇人,教授,主要从事农业水土资源与生态环境研究.E-mail:wquanjiu@163.com , E-mail:wquanjiu@163.com

摘要

随着水资源短缺问题日益突出,提高我国农业水资源生产效率成为现代灌溉农业的重要研究内容。活化灌溉水技术为挖掘灌溉水的生理生产潜力、提高灌溉水在农业生态系统中的综合功效,提供了新的途径。在综合分析国内外有关活化水理化性质变化特征、活化灌溉水对土壤物质传输与转化、活化灌溉水促进作物生长等方面研究进展的基础上,根据土壤物理、作物生理和物质传输动力学基本理论,剖析了活化灌溉水对土壤物质传输、土壤物质转化、根系吸水吸养、作物产量形成的可能影响途径,并提出了未来重点研究的基础科学和应用技术问题,为科学合理利用活化灌溉水技术提供参考。

关键词: 活化灌溉水 ; 土壤物质传输 ; 作物生长 ; 产量 ; 数学模型

Abstract

With the problem of shortage of water resources becoming increasingly prominent, the improvement of production efficiency of agricultural water resources in China has become an important research content of modern irrigated agriculture. The technology of activated irrigation water provides a new way to excavate the physiological production potential of irrigation water and improve the comprehensive efficacy of irrigation water in agro-ecosystems. In this study, the research progress of the variable characteristics of physicochemical properties of activated irrigation water, the transport and transformation of soil material by activated irrigation water, and the promotion of crop growth by activated irrigation water were comprehensively analyzed. On this basis, according to the basic theories of soil physics, crop physiology, and material transport dynamics, the effects of activated irrigation water on soil material transport, soil material transformation, water and nutrition uptake by root, and crop yield formation and the probable pathway were analyzed. The key problems of basic science and applied technology in the future research are put forward to provide reference for the scientific and reasonable utilization of activated irrigation water technology.

Keywords: Activated irrigation water ; Soil material transport ; Crop growth ; Yield ; Mathematical model.

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王全九, 孙燕, 宁松瑞, 张继红, 周蓓蓓, 苏李君, 单鱼洋. 活化灌溉水对土壤理化性质和作物生长影响途径剖析. 地球科学进展[J], 2019, 34(6): 660-670 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0660

Wang Quanjiu. Effects of Activated Irrigation Water on Soil Physicochemical Properties and Crop Growth and Analysis of the Probable Pathway. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(6): 660-670 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0660

随着人口不断增加、社会经济快速发展以及生态环境的规模化建设,淡水资源短缺已成为世界性问题[1]。我国人均淡水资源占有量及单位土地面积水资源拥有量远低于世界平均水平,属于13个贫水国家之一。淡水资源短缺已成为制约我国工农业发展和生态文明建设的重要因素之一,并威胁着水安全、粮食安全、土地安全和生态安全以及美丽乡村振兴计划的实施。农业作为用水大户,灌溉水利用效率和农业水资源生产效率远低于发达国家,提高农业水土资源利用效率和开发新的农业水源是缓减农业水资源供需矛盾的主要途径。多年来我国在工程节水、农艺节水、生理节水和管理节水等方面已取得了长足发展,但农业水资源供需矛盾仍然十分突出,西北旱区土壤次生盐碱化问题和农业用水与生态用水之间矛盾依然十分严峻[2]。因此发展既节水,又实现土地资源高效而可持续利用的新方法就成为了重要的研究内容。

从改善灌溉水本身理化特性入手,提升灌溉水生理生产功效,增强灌溉水从土壤到作物的高效传输能力,提高相关有益微生物活力,挖掘灌溉水的生理生产潜力,提高灌溉水在农业生态系统中的综合功效,成为农业节水灌溉增产提质增效的重要途径。活化灌溉水是利用磁化、去电子和增氧等方法对灌溉水进行处理,改善灌溉水的表面张力、溶解氧等理化性质,从而提高灌溉水的活性,增强灌溉水的生理功效。由于设备简便、耗能低、投入少、无污染且效率高等优势,磁化、去电子和增氧等活化灌溉水技术已受到学者们的广泛关注。磁化水是通过外加磁场,改变灌溉水理化性质的方法;去电子水是在金属管道上接地线,当水流通过金属管道时,水体中一定量的电子在管壁富集,通过接地导线将电子导入地下,改变灌溉水理化性质的方法;增氧灌溉是通过物理方法向被灌溉土壤增加氧气或者溶解氧的方式,如直接向灌溉土壤通气,增加土壤氧气含量,或者通过向灌溉水中通气,进而增加土壤水中溶解氧含量的方法。开展活化灌溉水对土壤理化性质和作物生长影响机理研究,不仅有利于深入了解灌溉水对土壤和作物的滋润效应,深化对灌溉水理化特性与土壤质量和作物生长相互作用机理的认识,而且有利于进一步探究土壤水、肥、气、热、盐和微生物等因子对土地质量和作物生长的作用途径和程度,对优化农田水、肥、盐、氧管理与作物生境调控模式,实现农业水土高效而可持续利用具有重要的科学意义和实用价值。近年来,为了提高灌溉水生产效率,国内外学者针对活化灌溉水理化特性、土壤水、盐、肥运移、作物生长特征等方面开展了大量研究工作,对其作用效果和机制有了一定的认识,为进一步明确活化灌溉水作用机制和构建相应模型,提出更加科学合理的灌溉水利用技术奠定了基础。

1 活化技术对灌溉水理化性质的影响

为了提高灌溉水的生理生产功效,采取磁化、去电子和增氧等方式改善灌溉水理化特性,从目前研究情况来看,人们就磁化技术对灌溉水理化性质影响的研究较为深入,对去电子技术作用效果的研究也在不断深入,对增氧技术改善灌溉水理化性质的研究主要侧重于灌溉水溶解氧含量及稳定性方面。

1.1 磁化和去电子技术对灌溉水理化性质的作用效果

20世纪国内外学者就对磁化水特性及磁化技术开始研究。结果表明,液态水通过磁场的作用,改变了水原有的一些理化性质。如水在磁场的作用下,水分子间平均距离增大,部分氢键变弱甚至断裂,使大的缔合水分子簇变小,成为自由的单体分子和二聚体分子,增加了水体系中自由单体水分子和二聚体水分子的数量[3,4];化学键角、水—离子胶合体半径减少,渗透压及溶解度增大,水的黏滞系数和表面张力下降,水的pH值升高,水中溶氧量增加等[5]。Otsuka等[6]认为可利用接触角来定量描述水的磁化程度。Zhou等[7]研究显示,500 GS的磁场强度能减小水滴表观接触角,由未经磁场处理的117°±1.3º减少到磁场处理条件下的105º±0.4º;并且当磁场强度从0增加到500 GS时,接触角随磁场强度的变化呈现逐渐减小的线性关系。一些学者通过研究也发现,水的表面张力系数和黏滞系数在优化磁场的作用下会降低、扩散系数会增大,从而使水的扩散能力和渗透性增强,渗透率可提高34%。水经过磁化以后氢键断裂,水溶液的性质发生变化,促进了气体在水溶液中的溶解与传递,水分子和离子的水合作用增强,溶解度提高。同时,增强了Ca2+和Mg2+等金属离子的水合化能力,使生物体离子通道更加畅通,从而促进细胞膜上离子的运输,提高生物体吸收水分和养分的能力和速度。王全九等[8]研究了磁化处理对微咸水理化特性的影响,结果表明微咸水经磁场处理后的理化特性会发生显著变化,表面张力系数减小、溶氧量增加、电导率和pH值也会受到不同程度的影响,可以用表面张力相对减少量对磁化微咸水理化特性进行定量评价,以判断磁化处理后的微咸水活化效果。王全九等[8]对去电子微咸水理化特性的初步研究结果显示,去电子活化技术同样可以减小微咸水的表面张力系数以及增加溶氧量。上述研究表明,磁化或者去电子技术可以改变灌溉微咸水的理化特性。

虽然,磁化与去电子技术作用途径和方式不同,但通过测定处理后的灌溉水溶氧量、表面张力、pH值和电导率等来看,2种处理方式的作用效果基本相同。从目前研究来看,磁化技术对灌溉水的处理效果与磁场强度有关,合理的磁场强度应维持在3 000~4 000 GS,去电子技术需控制合理的接地电阻大小[8]

1.2 增氧技术对灌溉水溶解氧的增加效果

国外于20世纪70年代出现了增氧技术,从生物学角度开辟了灌溉水生理功效提升的新研究领域,但我国增氧技术多用于水产养殖业中,而有关增氧技术对灌溉水本身理化特性的影响研究报道甚少。欧阳赞等[9]探讨了不同加气方式对微咸水中溶解氧浓度的影响,结果表明适合微咸水的最佳加气方式为微纳米发泡器+28气石头增氧泵组合加气,可使微咸水中溶解氧浓度增加74%。同时,微咸水中溶解氧浓度随温度的升高而降低,不同温度下微咸水的溶解氧浓度均高于对应温度下中水的溶解氧浓度。近年来,纳米氧技术的发展可大幅度提高灌溉水中的溶解氧浓度,在常温条件下,溶解氧浓度可以达到30 mg/L以上。这也为研究溶解氧对土壤质量和作物生长的影响机制提供了有效手段。

从目前磁化和去电子技术活化灌溉水理化性质来看,活化技术使缔合水分子簇变小,增加了水活力,提高了水分子与其他物质作用的能力。由于接触角变小,有利于水分运动,特别是提高了水分在土壤较小孔隙中的运动能力。同时由于表面张力变小,降低了毛管上升能力,从而也影响了土壤水分能量,进而影响了水分在土壤和作物体内的运动特征和携带其他物质迁移的能力。活化技术增加了灌溉水中的溶解氧浓度,能够直接影响好氧微生物的活力,有利于土壤呼吸和养分转化,提高了作物吸收养分的能力。因此,活化水理化性质变化将直接影响土壤物质传输和作物生长。

2 活化灌溉水对土壤理化性质和物质传输的影响

国内外学者就活化灌溉水对土壤理化性质和物质传输特征的影响开展了探索性研究。目前研究主要集中在磁化水和增氧水灌溉对土壤理化性质和物质传输特征影响方面,而对去电子水灌溉下的土壤理化性质和土壤物质传输影响研究较少。下面重点说明磁化水和增氧水灌溉下的土壤理化性质和物质传输变化特征。

2.1 磁化水对土壤理化性质的影响

目前,关于磁化水对土壤理化性质的影响研究主要集中在对土壤结构、土壤矿物质溶解度、离子含量、微生物数量和有机质等方面。刘秀梅等[10]通过磁化和非磁化微咸水灌溉试验发现,磁化水有利于提高土壤的固氮能力以及对植株的碳供应能力;增加土壤有机质数量和腐殖化系数,改善土壤结构、提高土壤的固碳能力。同时,磁化微咸水灌溉能显著增加交换性盐基总量、交换性盐基饱和度Ca2+和交换性盐基饱和度K+的含量,有利于提高土壤阳离子的交换能力,提升土壤养分有效性,改善土壤理化性质并促进土壤团聚体的形成;磁化微咸水灌溉能显著降低交换性Na+的含量,减少了Na+向土壤表层的聚集现象,从而延缓甚至减轻土壤的盐渍化程度[11]。张润霞等[12]研究表明,在外加电场力作用下,能够驱使土壤离子迁移,有利于对土壤中危害性离子的清除与修复。同时不仅能提高土壤的吸附力和离子交换能力,还可以储存氮素。Mostafazadeh-Fard等[13]研究了滴灌条件下磁化水和磁化盐水对土壤化学特性的影响,结果表明在磁化灌溉水处理条件下,在0~60 cm的土壤深度中平均土壤阳离子(如钙、钠、镁)和阴离子(如碳酸氢盐、氯化物、硫酸盐)含量均低于非磁化灌溉水处理。黄容等[14]研究显示,土壤中的电场会影响氮肥所转化的NO3-的淋失、氢离子的吸附以及交换性盐基离子的淋失。万晓等[15]和刘秀梅等[16]研究表明,磁化水灌溉可提高土壤矿物质的溶解度,增加土壤酶活性,促进土壤养分有效性吸收,从而加快盐渍化土壤的脱盐速度。

综上所述,磁化水灌溉有利于提高土壤养分和有机质的转化速率,促进团聚体形成,提高土壤的吸附力和离子交换能力,改变土壤离子组成,增加土壤酶活性,从而加快盐渍化土壤的脱盐速度,提高土壤养分的有效性,改善土壤结构和提高土壤肥力。

2.2 磁化水灌溉对土壤物质传输的影响

磁化水对土壤物质传输特征的影响研究主要集中在土壤入渗及含水量的分布、养分的分布及盐分的淋洗等方面。Al-Ogaidi等[17]研究了磁化水滴灌条件下湿润体大小和含水量的分布特征,结果表明磁化水能够增加地表湿润范围,降低垂直湿润范围;对于均质土壤,磁化水减少了总的湿润体积,而对于层状土则增加了总的湿润体积;磁化水只对湿润体大小产生影响,而对含水量的分布影响并不明显。Mostafazadeh-Fard等[18]研究了磁化水滴灌条件下的土壤水分分布情况,结果表明0~60 cm土壤水分含量高于非磁化灌溉水处理,土壤水分含量增加7.5%。Khoshravesh等[19]研究表明,经过磁化处理的灌溉水显著提高了土壤的入渗能力。Zlotopolski[20]研究显示,与非磁化入渗相比,磁化入渗使土壤的持水能力提高了25%,同时增加了对土壤盐分和各种离子的淋洗效果。张瑞喜等[21]研究结果显示,在膜下滴灌条件下磁化水灌溉可以加速土壤水盐向下运移,提高土壤渗漏量和增加Cl-和Na+的淋洗。乔国庆等[22]研究显示磁化水灌溉可以加快土壤盐分的淋洗,促使盐分向深层土壤运移。王全九等[23]研究了不同矿化度处理条件下的磁化微咸水和未磁化微咸水入渗特征,结果表明土壤入渗速率及湿润锋迁移速率显著降低,湿润体含水率明显提高;磁化微咸水入渗对Philip和Green-Ampt入渗公式参数影响显著,相同矿化度的磁化微咸水入渗条件下土壤吸渗率、饱和导水率及湿润锋处吸力均小于未磁化微咸水。当矿化度为3 g/L时,磁化水入渗土壤脱盐强度最大,相对盐分淋洗效果最佳。卜东升等[24]通过3年的田间试验结果显示,非磁化水对土壤的脱盐率为10%~20%,磁化水的脱盐率为20%~30%,同时磁化水处理后土壤中的SO42-和Cl-含量也有明显的降低。Mostafazadeh-Fard等[13]也同样发现磁化水可以有效降低土壤中的SO42-离子含量,加快盐分淋溶,有效缓解其对植物的伤害,提高植株成活率,促进植株生长发育。Maheshwari等[25]研究显示,利用磁化水灌溉芹菜和糖荚豌豆,土壤中的速效磷含量增加。此外,王全九等[23]研究显示,磁场强度为3 000 GS条件下的土壤脱盐效果最佳。李夏等[26]和郑德明等[27]对磁化的频次进行了研究,发现磁化频次越高,盐分的淋洗效果越明显。人们就去电子活化水对土壤水、盐、肥运移方面的研究比较少,王全九等[28]的初步研究结果显示,去电子活化微咸水同样能够影响土壤的水盐运移特征,提高表层土壤的盐分淋洗效率。

从目前的研究结果来看,磁化水灌溉能够提高土壤的持水能力和土壤的盐分淋洗效率,但就磁化水灌溉对土壤入渗能力的影响存在不同的研究结果。这可能是由于试验土壤的质地、结构、离子组成和有机质含量不同,磁化水灌溉对土壤的物质传输动力和通道影响程度不同所致。

2.3 增氧灌溉对土壤理化性质的影响

目前,增氧灌溉水对土壤理化性质影响的研究主要集中在土壤含氧量和土壤水溶解氧浓度、呼吸速率、微生物数量和土壤温度等方面。Bhattarai等[29]研究表明,增氧灌溉能够使30 cm深度土壤的溶解氧浓度显著增大50.6%。Ben-Noah等[30]研究显示,通过地下滴灌管道向土壤中注入空气能够使20 cm处土壤的氧气饱和度增大22%。Chen等[31]研究表明,在不同滴头埋深和土壤类型中加气灌溉可以使棉花根区土壤的溶解氧浓度增加8.6%~32.6%,土壤呼吸增加42%~100%。Abuarab等[32]和Bhattarai等[33]的研究也表明,采用增氧滴灌可以快速缓解作物根区的缺氧状况,使根系代谢速率加快,微生物的生理活动更加旺盛,加速了其对有机质的分解。Li等[34]研究表明,加气灌溉增加了作物根系土壤中主要微生物的数量。Bhattarai等[29]的研究结果也表明,与地下滴灌相比,不同滴头埋深下加气灌溉的土壤呼吸速率显著增加了22%~43%。Ehret等[35]研究表明,通气能够有效控制土壤矿质元素的释放,显著影响作物对矿质元素的吸收。Brzezinska等[36]研究表明,改善土壤通气性可以刺激土壤中过氧化氢酶的活性,酶活性会随充气孔隙度、氧扩散率、氧化还原电位的增加而提高。Balota等[37]研究也表明,增氧灌溉对提高土壤中过氧化氢酶的活性有明显作用。此外,通气能够促进土壤和大气之间的热交换,保持土壤温度均匀。在通气良好的条件下,好氧菌分解有机质,分解速度快,分解产物为CO2;在通气不良的土壤中,厌氧菌参与有机质的分解,分解速度慢,分解过程中会产生H2S和CH4等还原性有害气体。胡德勇[38]通过黄瓜盆栽试验结果显示,增氧灌溉能够加快土壤中有机质的分解,促进秋黄瓜对土壤中碱解氮、速效磷、速效钾的吸收和利用,且多次增氧效果要好于一次增氧的效果。

国内外学者就活化灌溉水对土壤理化性质和物质传输特征的影响进行了研究,结果表明磁化和增氧灌溉不仅显著改变了土壤的理化性质,同时也影响了土壤水、盐和肥的运移特征和有效性,但具体的作用机制有待于进一步分析。

3 活化灌溉水对作物生长的影响

由于水在植物细胞中大量存在,并且参与了植物的新陈代谢,加之活化水(如磁化水、去电子水及增氧水)在一定程度上改变了水的理化特性(如表面张力、黏滞系数、溶氧量、电导率和pH值等),必将对作物生长产生一定的影响。

3.1 磁化水灌溉对作物生长的影响

Savostin[39]报道了磁场可以促进植物地上部的生长,随后大量的国内外研究指出磁场具有生物学效应。在种子萌发方面,利用磁化水处理种子,增强了种子体内的主要酶活性、种子呼吸强度和种子内部代谢能力,从而提高种子活力,促进种子萌发。另外有研究表明磁场会增加细胞内的线粒体数目,为细胞呼吸、氧化还原提供足够的场所,并为细胞提供大量的能量,有利于细胞分裂、生长和发育,从而提高种子发芽率[40]。Carbonell等[41]研究了磁化时间(10~180 min)对信号草种子发芽的影响,结果表明磁化时间与信号草发芽率呈二项式关系,磁化处理均能够提高近10%的发芽率,其中磁化处理时间为60 min条件下的发芽率最高,相比对照提高了18%。Grewal等[42]对灌溉水、糖荚豌豆和鹰嘴豆种子进行磁化处理,研究结果表明,分别磁化灌溉水和种子均能够显著提高种子的发芽率指数和苗干重,提高种子内的N,K,Ca,Mg,S,Na,Zn,Fe和Mn含量;与仅磁化灌溉水处理相比,同时磁化灌溉水和作物种子均使得种子的苗干重、根重、养分含量降低,说明较大的磁场强度可能会对作物生长产生不利影响。

一些研究也表明,磁化水不仅影响种子萌发,而且影响作物的生长过程、产量和品质。李铮[43]利用磁化水对番茄幼苗进行灌溉,结果表明磁化水灌溉条件下叶片的总叶绿素含量、叶片净光合速率和蒸腾速率分别提高了15.2%,8.9%和31.6%。王渌等[44]利用磁化处理后的淡水和地下浅表层微咸水灌溉枣树,结果显示磁化水灌溉能够显著提高叶片的叶绿素含量、单叶面积与叶片厚度(较对照处理相比分别提高了12.4%,23.6%和13.8%)。万晓等[45]利用磁化水对一年生的绒毛白蜡和桑树进行连续灌溉,研究结果表明,磁化水灌溉对绒毛白蜡生长初期和末期的最大光化学效率影响极显著,对生长初期的实际光化学效率影响极显著;磁化水灌溉对桑树生长中期和末期的实际光化学效率影响极显著,对生长末期的最高光化学效率影响极显著。此外,磁化水灌溉与叶片蒸腾速率、净光合速率、气孔导度的关系呈现出极为显著的正相关关系,同时还提高了作物的抗盐能力。Sadeghipour等[46]研究结果显示,磁化水灌溉可以增大豇豆叶片的气孔导度、光合速率、水分利用效率、叶面积以及比叶面积。一些研究也表明磁化水灌溉能够提高小麦叶片的叶绿素含量。磁化水处理与对照组相比叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总色素含量分别提高了17.6%,11.37%,15%,25%和15.25%。Mahmood等[47]利用磁化(3.5~136 mT)和非磁化的自来水、再生水和咸水浇灌糖荚豌豆、芹菜和豌豆,结果表明磁化处理的再生水和含3 000×10-6 NaCl的咸水灌溉能够使芹菜产量、水分生产力分别提高12%~23%和12%~24%;磁化处理的自来水、再生水和含1 000×10-6 NaCl的咸水灌溉能够使糖荚豌豆的产量分别提高7.8%,5.9%和6.0%。朱练峰等[48]指出与普通水灌溉相比,磁化水对水稻的生长发育、产量形成和品质均具有促进作用,能够使水稻的有效穗、结实率和产量分别增加4.0%~7.9%,3.9%~8.7%和5.2%~9.3%;同时还提高了水稻孕穗期、灌浆期倒三叶的SPAD(Soil and Plant Analyzer Development)值,使其垩白粒分别降低了11.4%和7.7%,胶稠度分别提高了6.0和4.0 mm,碱消值提高了4.3%~4.8%。然而,由于磁化水的增产与促生机制至今尚未清楚,一些研究发现利用磁化水灌溉作物或处理种子效果并不显著,在农业生产上推广应用有限。邱念伟等[49]通过小麦种子萌发试验发现,磁化水处理下小麦种子的发芽参数、株高、根长、地上部和根部鲜重等生长参数与对照相比无明显差异,此外,磁化水处理在叶片色素含量、可溶性糖、可溶性蛋白质含量、含水量和细胞汁液渗透势等重要生理特征参数方面也未显示出显著差异,对小麦叶片的光合也无显著影响。然而本项目组通过3年大田膜下滴灌棉花试验同样发现,磁化和去电子淡水和微咸水膜下滴灌条件下棉花增产5%~15%,而且活化微咸水增产效果更为明显。上述研究表明,磁化水灌溉对作物生长的影响可能与磁场磁化强度、土壤质地、气象条件、灌溉水质等因素有关,仍需要系统研究磁化水灌溉的作用机制和作用条件,才能更大程度地发挥磁化灌溉水的生理功效。

3.2 增氧灌溉对作物生长的影响

土壤通气性对作物正常的生长发育至关重要,土壤含氧量较低时会造成根区低氧胁迫,进而影响作物正常的生理代谢和生长发育。作物不同生长阶段的低氧胁迫土壤含氧量临界值为0.5%~3%,最大的临界土壤含氧量可能超出15%[50]。Friedman等[51]指出,为了保持正常的土壤呼吸作用并为作物提供良好的生长环境,近年来增氧灌溉技术得到了广泛地应用,通过灌溉系统将氧气或含氧物质输送到作物根区,满足根系生长发育的需要,从而改善土壤通气性。Bhattarai等[52]研究了地下增氧滴灌对番茄生长特征的影响,结果表明叶面积、叶片蒸腾速率、水分利用效率、作物的产量和生物量均有所增加,能够缓解地下水较大埋深对作物产量和水分利用效率的影响。谢恒星等[53]采用地下滴灌的方式种植温室甜瓜发现,以2天1次的加氧频率进行灌溉能够获得最好的综合效益。Niu等[54]研究了地下加氧滴灌对番茄生长的影响,结果表明当灌溉水平为80%田间持水量并且通气系数为0.8时,土壤酶活性达到最高。张玉方等[55]认为增氧灌溉能够对枣树果实横纵径、单果重和VC含量具有显著促进作用,但对糖含量、有机酸含量及可溶性固性物含量影响不显著,其中当溶解氧含量为7~9 mg/L时效果更为明显。刘鑫等[56]以郑州黄黏土为研究对象,春小麦为供试作物,采用地下滴灌供水方式,对比研究不同增氧灌溉方式对春小麦生长及产量的影响。试验结果表明,与对照相比,循环曝气滴灌显著提高了春小麦的气孔导度、蒸腾速率和净光合速率,在拔节孕穗期分别增大了25.46%,3.15%和12.80%,在抽穗扬花期分别增大了15.63%,13.00%和14.47%。H2O2增氧滴灌则抑制了春小麦的气孔导度、蒸腾速率和净光合速率,在拔节孕穗期,处理HP0030的气孔导度减小了3.81%,蒸腾速率、净光合速率差异不具有统计学意义;在抽穗扬花期,其蒸腾速率和净光合速率分别减小了10.94%和8.56%,气孔导度差异不具有统计学意义,而处理HP3000的3项指标差异均不具有统计学意义。此外,一些研究表明增氧灌溉对作物种子萌发也具有一定促进作用。胡德勇等[57]利用增氧水对盆栽秋黄瓜进行调亏灌溉,结果表明与常规灌溉相比,增氧灌溉能够提高秋黄瓜的发芽速率和种子活度。饶晓娟等[58]利用2种不同溶解氧浓度(7.15和11.4 mg/L)的增氧水分别浸润4个不同品种的棉花种子,研究发现棉种萌发期间增加氧供给能够促进棉种萌发,与对照相比,溶解氧浓度为11.4 mg/L的增氧水浸种能够使4种棉花种子的发芽指数和种子活力分别提高4.61%~25.19%和9.49%~18.67%,并对增加棉花幼苗干物质重具有一定的促进作用。

上述研究表明,活化灌溉水能够促进种子发芽和作物生长,提高土壤水肥利用效率,但这些研究主要集中在磁化水和增氧水灌溉研究方面,对去电子水灌溉仍未开展相关研究。同时大多数研究也以表观现象分析为主,对其具体作用机理仍缺乏系统分析和定量描述,因而难以进一步优化相关管理措施。

4 活化灌溉水对土壤理化性质与物质传输及作物生长影响途径剖析

上述研究表明,活化灌溉水能够改变土壤理化性质和土壤物质传输的能力,以及对作物生长特征产生影响,但活化水通过何种途径影响土壤—植物系统的物质传输和转化特征仍需要进一步分析。

4.1 磁化与去电子水对土壤水盐传输影响的可能途径

大量研究表明,液态水通过磁场作用,使大的缔合水分子簇变小,渗透压及溶解度增大,黏滞系数和表面张力下降,接触角变小和溶氧量增加等。课题组的初步研究结果也表明由NaCl配置的pH为7~8的不同矿化度微咸水经过去电子处理后,水的表面张力变小,溶氧量增加,与磁化水具有类似的变化特征。当磁化或去电子水进入土壤后,改变了土壤中的物质传输特征,包括影响了土壤入渗特征和土壤盐分淋洗效率。磁化水或去电子水通过何种途径影响土壤水和盐分运移特征需要根据土壤水盐运移基本规律进行分析。

土壤中盐、热、气、肥传输除与土壤特征和物质自身特征有关外,其主要控制性因素是含有电解质的土壤水分传输特征,水分是土壤其他物质传输的载体、溶剂或者催化剂,因此土壤水分状况和传输特征会直接影响土壤物质的传输途径和速度与数量[59]。下面以磁化水与去电子水对土壤水分运动特征影响分析可能作用的途径。

土壤水分运动的速率和数量主要取决于传输通道和能量梯度。通常利用公式(1)所描述的垂直一维非饱和达西定理来计算土壤水分通量。

q=kdhdz+k

式中:q为土壤水分通量(cm/min);k为非饱和导水率(cm/min);h为吸力(cm);z为垂直坐标(cm),取向下为正。

由公式(1)可知,土壤水分通量主要取决于吸力梯度和非饱和导水率。由于磁化或去电子技术降低了水的表面张力,必然导致水吸力和导水率下降,进而导致土壤水分通量下降,导致土壤入渗能力下降。同时一些研究表明,磁化和去电子水灌溉会导致土壤入渗率下降,这与上述解释相一致。然而一些研究则表明,磁化和去电子水灌溉会增加土壤入渗率。从土壤水分通量定义来看,这种改变可能是通过增加土壤导水率的途径而实现的。也就是磁化和去电子水灌溉后,改变了土壤结构,增加了大孔隙数量,进而增加了土壤导水率,并引起土壤入渗能力的提高。

大量研究表明磁化和去电子水灌溉提高了土壤盐分淋洗效率,这可能是由于磁化和去电子水的缔合水分子簇和接触角变小,水分更易于侵入到小的土壤孔隙中,并引起水分与土壤盐分更为有效地结合,携带更多的土壤盐分随水分迁移,增加土壤盐分迁移的对流和弥散作用,进而提高了土壤盐分的淋洗效率。

4.2 活化灌溉水对土壤物质转化影响的可能途径

大量研究结果表明活化灌溉水改变了土壤的理化性质,有利于土壤养分有效性的提高以及作物生长环境的改善,但均是基于对现象的阐述,而对活化灌溉水影响物质传输特征的具体作用机制尚不清楚,尤其是影响土壤养分转化的微生物作用机理。课题组的初步研究结果也表明活化灌溉水能够改善土壤团粒结构,提高土壤持水能力和速效养分含量,丰富微生物群落结构和多样性。活化灌溉水具体通过何种途径影响土壤物质传输和转化特征需要从土壤结构—微生物—作物根系一体化角度改善土壤中有机质和养分的转化过程来进行分析。

首先,活化灌溉水能够促进土壤团粒结构的形成,不同粒径团聚体各自所占的比例会影响土壤中的酶活性,包括参与养分转化的酶类,如脲酶、硝酸盐还原酶和磷酸酶;参与土壤氧化还原反应的酶类,如脱氢酶、过氧化氢酶和过氧化物酶。其次,活化灌溉水能够使土壤保持较为合理的C/N比,碳源是微生物利用的能源物质,氮源是微生物的营养物质,从而增强微生物活性,促进其对土壤有机质的分解和转化,提高氮、磷和钾养分的转化效率。具体来说,影响土壤中亚硝化细菌和硝化细菌的生理活动,使有机态氮经矿化作用转化成无机态的速效氮;有机氮分解过程中释放的氨气会被土壤固氮菌转化为硝酸盐,再次供植物体吸收利用。此外,还能升高土壤的氧化还原电位,降低根区土壤的pH,促使土壤中某些解磷菌分泌H+、有机酸等物质活化磷,将土壤中的难溶性无机磷转化为有效的无机态磷。土壤中存在的大量解钾菌能够将土壤中不溶性钾转化为易于植物吸收利用的钾。同时,某些解钾菌能够分泌多种植物生长调节物质,包括生长素、细胞分裂素和赤霉素,进而促进作物生长,改善土壤微环境。最后,活化灌溉水能够刺激作物根系分泌大量的低分子有机酸(包括柠檬酸、苹果酸和草酸等),其本身具有酸性或含有大量的酸性基团,可使根际pH明显降低,增强土壤溶解难溶性磷的能力,另外可明显抑制土壤对水溶性磷酸盐的固定作用,将土壤中更多的磷转变为作物较易吸收的磷形态。

4.3 活化灌溉水对根系吸水、吸养分影响的可能途径

大量研究表明活化灌溉水增加了作物产量,而产量的增加是在作物吸收更多水分和养分的基础上完成的。为维持作物自身的新陈代谢,根系对土壤水分和养分的吸收利用过程需要适宜的土壤水、盐、肥、氧等环境条件[60]。根系养分吸收总是伴随着吸水过程的发生而发生,而有关灌溉水活化条件下的植物根系吸水模型研究尚处于起步阶段。借鉴已有研究成果,考虑土壤水分、溶解氧及养分和盐分胁迫的作物根系吸水模型可表示为[61]

S=α(hα(oα(fα(h0Smax ,(2)

式中:S为根系吸水速率[cm3/(cm3·d)];α(h)为土壤水分胁迫修正系数;α(o)为溶解氧胁迫修正系数;α(f)为土壤养分胁迫修正系数;α(h0)为土壤盐分胁迫系数;Smax为最大根系吸水速率,表示最优水分条件(充分供水和无气体胁迫)下的根系吸水速率[cm3/(cm3·d)]。

已有研究结果表明经活化技术处理后,灌溉水的理化性质发生改变,如溶氧能力增加和表面张力下降等。灌溉水向作物根部输送氧气改善了根区的水气环境及土壤通透性,通过提高作物根系吸水厌氧点对应的土壤水基质势,影响土壤水分胁迫程度。此外,灌溉水的表面张力下降,使得水分子与离子的水合能力增强,矿物盐的溶解能力及土壤养分有效性随之提升,改变根区土壤水渗透势。从数学描述角度分析,目前,学者们对土壤水分、盐分胁迫系数进行了大量研究发现,土壤水分胁迫系数可采用分段线性形式[62]和非线性形式[63]进行描述;类似的,土壤盐分胁迫系数也可采用分段线性形式[64]和非线性形式[63]进行描述。而有关土壤养分、溶解氧胁迫修正系数的研究及其对根系吸水、吸养分的可能影响途径的研究等仍需要进一步加强。

4.4 活化灌溉水对作物生长影响的可能途径

大量研究表明活化灌溉水能够促进作物生长,提高水分和养分利用效率,进而增加作物产量、改善作物品质。作物的生长几乎都依赖于光合作用的产物,形成作物产量的有机物都直接或间接来自光合产物,光合作用是作物产量形成的基础[65]。作物产量的多少及品质的好坏与作物叶片光合作用和光合效率有关,一般来说光合速率越高,作物产量越高。课题组的初步研究结果也表明活化灌溉水有益于作物生长,具体表现在增加了叶片叶绿素含量、净光合速率和蒸腾速率,提高了土壤水肥利用效率。但目前研究或集中于活化灌溉水对作物生长特征的表观现象分析,或集中于对作物产量和品质的影响,而对其提高作物产量的作用机理还不是很清楚,尤其是对光合作用的影响机制研究比较少。活化灌溉水通过何种途径影响作物产量提高和品质改善需要从光合作用机制角度来进行分析。

当作物负载量足够时,籽粒或果实中的干物质可占到叶片光合作用生产总量的50%,由此可知光是限制作物生长和繁殖的重要的资源性因素之一。叶片是光合作用的主要场所,其光合特性为研究作物对光环境的适应和光合同化物的合成及分配起到了关键的作用。因此活化灌溉水影响作物生长的可能途径主要有以下几方面:影响水分利用效率。水分既是光合作用的原料,又是化学反应的媒介,当细胞缺水时,气孔关闭,CO2进入受阻,从而间接影响光合作用。活化技术通过改变灌溉水自身的理化特性,影响根系对水分的吸收,进而影响光合作用强度。影响光合面积(叶面积指数)和光合参数,包括净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度。影响叶绿素含量、叶片氮含量及其光合氮利用效率,叶绿素是叶绿体中最为重要的色素,在光合作用过程中吸收和转化光能。研究光合氮利用效率更能准确地反映植物叶片氮含量与吸收和固定大气中CO2能力之间的关系。活化灌溉水通过影响碳水化合物(糖类)在作物主要器官内的相互转换过程,调控光合同化产物的合成与分配,进而决定着作物产量的高低和品质的好坏。可用叶片可溶性糖含量、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸化酶的活力进行表征。影响暗呼吸速率Rd。由于发生暗呼吸反应的底物为核酮糖二磷酸(RuBP),且受核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)的催化,因此活化灌溉水可能通过影响RuBP含量及Rubisco活性来影响暗呼吸速率,对光合作用生成的氧气和有机物质进行不同程度的消耗,进而影响干物质积累和作物产量。

5 展 望

国内外学者就磁化水、去电子水和增氧水理化性质等方面的研究表明,活化技术改变了液态水的理化性质,有利于种子发芽和作物生长过程,进而提高作物产量,为灌溉农业增产提质增效提供了新的途径。但总体来看,目前研究仍处于起步阶段,活化处理对灌溉水的影响、活化灌溉水对土壤的影响以及活化灌溉水对作物的影响3个方面的作用途径尚不明确,即未能系统明确地阐明活化水的作用机制,特别是尚未构建灌溉水活化条件下的土壤物质传输和作物生长模型,因而限制了活化灌溉水技术的应用和优化。因此,开展活化灌溉水改善地力与作物增产研究,不仅有利于深化对灌溉水质—土壤—作物间相互作用机制的认识,而且为灌溉水的高效利用提供有效方法,具有十分重要的理论和应用价值。为有效发挥活化灌溉水的生理生产功效,需重点开展如下几方面的研究工作:

(1)在分析活化淡水和微咸水理化性质变化特征的基础上,确定合理的活化水技术指标和效果评价体系,确立活化技术最优组合模式,以及研发适宜大田活化灌溉水的设备系统。

(2)研究活化灌溉水对土壤质量、土壤水、盐、肥运移特征、根系吸水吸养和作物生长与品质的影响,阐明灌溉水活化条件下土壤—植物系统物质转化与传输的内在机制。

(3)系统研究活化灌溉水与现有土壤改良技术、农田灌溉与施肥技术、作物栽培技术、农田管理技术的耦合作用机制和作用效果,创建集活化灌溉水—土壤改良—农田施肥—作物栽培—田间管理为一体的农田水、肥、氧、盐综合调控技术体系。

(4)构建适合活化灌溉水作用下的土壤水、盐、肥运移数学模型,明确根系吸水和作物生长的水分、盐分、溶解氧和养分胁迫系数及水肥利用效率。创建活化灌溉水作用下,气象条件—节水灌溉技术—作物生长—土壤环境—地下水质量—农田排水—农艺措施为一体的模拟模型,提出基于提高作物产量和优化作物品质的农田水、盐、肥、氧管理模式,为灌溉水的安全高效利用及盐碱胁迫土地的改良提供有效方法和技术支撑,同时也为灌溉农业的可持续发展提供理论基础和科学依据。

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