加氣灌溉模式下稻田土壤水溶解氧的變化規(guī)律

劉錦濤等

摘要：基于小區(qū)試驗(yàn)資料研究了加氣控制灌溉模式下稻田土壤水溶解氧的變化規(guī)律，結(jié)果表明：加氣灌溉均能夠提高不同灌溉稻田土壤的水溶解氧（DO），灌水后根區(qū)較高的土壤水溶解氧含量一般能夠持續(xù)5 d左右，72 h內(nèi)控灌+高加氣量處理的土壤水溶解氧均值與其他處理差異明顯；稻田土壤水溶解氧含量隨土壤深度的增加而減少，表明加氣灌溉對(duì)0～20 cm土層土壤水溶解氧含量影響顯著，對(duì)深層土壤影響較小。因此可知，制定合理的水稻加氣控制灌溉制度，可為水稻生長(zhǎng)提供有利的根區(qū)供氧條件，對(duì)促進(jìn)水稻生長(zhǎng)、提高水稻產(chǎn)量有重要意義。

關(guān)鍵詞：水稻田；控制灌溉；加氣灌溉；土壤水；溶解氧；水稻；根區(qū)供氧

中圖分類號(hào)： S275文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0389-04

收稿日期：2014-10-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51211411）；江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：劉錦濤（1989—），男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，從事節(jié)水灌溉理論及其農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)研究。E-mail：ljtpenny@163.com。

通信作者：徐俊增，博士，教授，主要從事節(jié)水灌溉理論及其農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)的研究。E-mail：xjz481@hhu.edu.com。水稻長(zhǎng)期處于淹水或接近飽和的水分狀態(tài)，使得根區(qū)土壤多處于還原狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致還原性物質(zhì)的富集，雖然水稻根系有泌氧作用，但也會(huì)出現(xiàn)黑根等現(xiàn)象，從而影響水稻根系生長(zhǎng)。加氣灌溉最先被提出用在滴管等管道系統(tǒng)為根區(qū)供氣，目前已取得很好的效果，可改善土壤通透性，保證微生物的活性和根系活性，保障根系水分和養(yǎng)分吸收，以滿足作物生長(zhǎng)與高產(chǎn)的需要[1-3]。陳新明等采用Mazeei（空氣注射器）給地下灌溉系統(tǒng)加入空氣，通過(guò)大田試驗(yàn)研究了加氧灌溉對(duì)菠蘿根區(qū)土壤呼吸作用、生理特性、生物量積累、果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的影響，認(rèn)為加氣灌溉使得土壤呼吸增加了100%，菠蘿的果實(shí)鮮質(zhì)量、生物量鮮質(zhì)量、干物質(zhì)質(zhì)量和收獲指數(shù)明顯增大，與對(duì)照相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）[4]。李勝利等在關(guān)于不同根際通氣環(huán)境對(duì)盆栽黃瓜生長(zhǎng)初期及根際CO2含量影響的研究中表明：不同通氣水平均能不同程度改善黃瓜植株根系和地上部的生長(zhǎng)，通氣最多的黃瓜根際CO2含量為0.309%，比對(duì)照降低了29.4%[5]。郭超等研究了根際通氣對(duì)盆栽玉米生長(zhǎng)及對(duì)玉米根系活力的影響，結(jié)果表明，加氣灌溉能夠提高玉米株高、葉面積、葉綠素含量，并可促進(jìn)地上、地下部分干物質(zhì)的積累，同時(shí)通氣處理還能夠促進(jìn)作物的養(yǎng)分吸收[6]。孫周平等研究了根際通氣性對(duì)馬鈴薯光合生理指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，改善根際通氣條件能夠促進(jìn)馬鈴薯光合作用與光合代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累，其中根際管通氣處理下馬鈴薯植株的生長(zhǎng)效果比根際自然擴(kuò)散通氣處理要好[7]。胡德勇等研究了增氧灌溉對(duì)大棚秋黃瓜生長(zhǎng)特性的影響，結(jié)果表明，輸氣灌溉促進(jìn)了秋黃瓜植株的生長(zhǎng)，增強(qiáng)了植株根莖葉的整體功能，提高了結(jié)實(shí)率，最終使得秋黃瓜的產(chǎn)量得到顯著增加，并且在不同生育階段葉片的葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度的增加，葉片的光合速率得到顯著增強(qiáng)[8]。劉杰等研究了根區(qū)加氣對(duì)溫室小型西瓜形態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，結(jié)果表明根區(qū)加氣處理對(duì)地下滴灌條件下日光溫室小型西瓜形態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量、品質(zhì)產(chǎn)生了明顯影響，加氣頻率采用1次/2 d處理優(yōu)于其他加氣處理[9]。

控制灌溉是在水稻大部分生育期內(nèi)采用無(wú)水層管理，已有研究認(rèn)為，在控制灌溉下，田面長(zhǎng)時(shí)間不建立水層可以改善耕層土壤的通氣狀況，促進(jìn)稻根的生長(zhǎng)發(fā)育，改善根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，保障水稻正常的水肥需求[10-12]。在不同灌溉條件下，加氣灌溉對(duì)于稻田土壤水中溶解氧的含量及水稻生長(zhǎng)的影響會(huì)存在差異，相關(guān)研究還有待開(kāi)展。本研究基于小區(qū)試驗(yàn)，分別針對(duì)稻田在淹水和控制灌溉條件下進(jìn)行加氣灌溉試驗(yàn)，并采用不同灌溉方式和加氣濃度結(jié)合的方式，以揭示稻田土壤水溶解氧隨時(shí)間的變化規(guī)律和垂直分布規(guī)律，為制定合理的水稻加氣控制灌溉制度提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年在河海大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山試驗(yàn)基地（地理位置31°15′15″N，120°57′43″E）的6個(gè)田間試驗(yàn)小區(qū)開(kāi)展。該區(qū)域?qū)賮啛釒喜考撅L(fēng)氣候，年平均氣溫15.5 ℃，年降水量1 097.1mm，年蒸發(fā)量1 365.9 mm。土壤類型為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，0～18 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量21.88 g/kg，全氮含量1.08 g/kg，全磷含量1.35 g/kg，全鉀含量20.86 g/kg，pH值7.4，0～30 cm土壤容重為 1.32 g/cm3。試驗(yàn)中考慮不同灌溉方式和不同加氣量的組合，共設(shè)6種處理：常規(guī)灌溉（簡(jiǎn)稱CKT）、控制灌溉（簡(jiǎn)稱CKC）、控制灌溉+低加氣量（簡(jiǎn)稱C+LGQ）、控制灌溉+中加氣量（簡(jiǎn)稱C+MGQ）、控制灌溉+高加氣量（簡(jiǎn)稱C+HGQ）、常規(guī)灌溉+高加氣量（簡(jiǎn)稱T+HGQ）。試驗(yàn)采用控制灌溉和常規(guī)灌溉2種模式，控制灌溉在秧苗移栽后，田面保留10～30 mm薄水層返青，返青以后各個(gè)生育階段田面不建立灌溉水層，以根層土壤水分為控制指標(biāo)，確定灌水時(shí)間和灌水定額。按當(dāng)?shù)厮痉N植習(xí)慣進(jìn)行常規(guī)灌溉管理，分蘗后期排水曬田，其余各生育階段田間均保留淺薄水層，黃熟期水分自然落干。以田間水層和根層土壤水分作為日常灌溉控制指標(biāo)，確定灌水時(shí)間和灌水定額，各生育階段具體控制指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用物理加氣法，通過(guò)一種氣泡發(fā)生器（圖1）實(shí)現(xiàn)，當(dāng)田間需要灌水時(shí)，同步打開(kāi)氣泵，往灌溉管網(wǎng)中注入氣泡。表1控制灌溉水稻不同生育階段根層土壤水分控制指標(biāo)

生育期階段灌水上限灌水下限控制百分比（%）含水量控制百分比（%）含水量飽和含水量θs

根層觀測(cè)深度

（cm）分蘗期前期100θs17070%θs146.59%θs10～20中期100θs16565%θs1后期100θs16060%θs1拔節(jié)孕穗期前期100θs27070%θs246.59%θs20～30后期100θs27575%θs2抽穗開(kāi)花期100θs38080%θs345.78%θs30～40乳熟期100θs37070%θs3注：返青期水層為田間水層深度，控制在10～30 mm；黃熟期末不再灌水，使田間水分自然落干；表中所列含水量均指體積含量，為根層觀測(cè)深度內(nèi)土壤含水量平均值，θs1、θs2、θs3、θs4指各階段飽和含水量；灌水上、下限含水量由飽和含水量（θs）與各生育階段設(shè)定的控制百分比相乘得到。endprint

1.2觀測(cè)方法

水稻插秧前在各處理的對(duì)應(yīng)小區(qū)埋置土壤溶液取樣器，埋置深度為10、20、40 cm，取樣器為直徑5.0 cm的PVC管，管底密封，各處理在管底端基本一致的深度處均勻鉆孔，再用土工膜包裹嚴(yán)實(shí)，取樣器周圍土壤盡可能壓實(shí)以防止貼壁的水分下滲影響。每次灌水前，均抽空土壤溶液取樣器中的土壤水，灌水后1 d開(kāi)始，于每天08：00采用美國(guó)YSI ProODO光學(xué)溶解氧測(cè)量?jī)x測(cè)量取樣器中土壤水溶解氧（DO）含量，持續(xù)觀測(cè)至下次灌水。

2結(jié)果與分析

2.1灌水后稻田表層土壤水溶解氧含量

各生育期典型日灌水后稻田表層土壤水溶解氧含量見(jiàn)表2，各生育期典型日各處理均按照試驗(yàn)期間稻田灌水控制指標(biāo)和加氣要求進(jìn)行灌溉。由表2數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在控灌模式下，不同加氣處理的稻田表層土壤水溶解氧含量差異顯著，且部分與對(duì)照控灌的差異顯著；同等加氣模式下的C+HGQ、T+HGQ 2種處理方式的土壤水溶解氧含量無(wú)顯著性差異。

2.2稻田土壤水溶解氧含量隨時(shí)間的變化規(guī)律

對(duì)圖2、圖3、圖4分析可知，各生育期典型日各不同處理下，各土層土壤水溶解氧含量基本上均隨時(shí)間推移呈下降趨勢(shì)。

節(jié)孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)61%，抽穗開(kāi)花期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)75%；C+MGQ處理下，分蘗期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)57%，拔節(jié)孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)78%，抽穗開(kāi)花期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)80%；C+HGQ處理下，分蘗期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)25%，拔節(jié)孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)66%，抽穗開(kāi)花期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)82%；T+HGQ處理下，分蘗期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)16%，拔節(jié)孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)70%，抽穗開(kāi)花期土壤水溶解氧含量降低幅度達(dá)77%；作為對(duì)照的常規(guī)灌溉和控制灌溉，土壤水溶解氧含量減少幅度在50%～70%之間。由圖2、圖4的0～10、20～40 cm土層的土壤水溶解氧含量表現(xiàn)出的規(guī)律也可看出，稻田土壤水溶解氧含量總體上表現(xiàn)出隨時(shí)間推移而下降的趨勢(shì)；而從總體上看，加氣灌溉條件下稻田各層土壤水的溶解氧含量一般能夠維持5 d左右，其中拔節(jié)孕期土壤水溶解氧消耗得最快，總體降低幅度最大，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)分蘗末期曬田，稻田土壤孔隙率變大，拔節(jié)孕穗期灌溉水下滲量增大，入滲水中含有的微氣泡增多，從而增大了消耗。

土壤水溶解氧含量總體表現(xiàn)出隨時(shí)間推移而下降的趨勢(shì)，但不同深度之間存在差異。由圖2可見(jiàn)，對(duì)于0～10 cm土層，隨著時(shí)間推移，土壤水溶解氧含量會(huì)逐漸降低，但因最接近土層表面，隨水分蒸發(fā)和被植物吸收利用，土壤水與空氣接觸，使土壤水含量有所回升。由圖3可知，10～20 cm層土壤水溶解氧含量規(guī)律表現(xiàn)為，灌溉后3 d內(nèi)，除分蘗期各處理的土壤水溶解氧值逐漸下降，此后2 d則基本保持不變，原因是對(duì)于較深層土壤水而言，難以接觸到空氣，而加氣灌溉的氣泡也基本消耗殆盡，土壤水中溶解氧得不到補(bǔ)充；而對(duì)于太低濃度的溶解氧，水稻植株根系難以吸收利用；各處理在灌溉后的下降趨勢(shì)基本相同，無(wú)太大差異。由圖4可以看出，40 cm土層處，由于稻田滲漏較慢，灌溉水進(jìn)入深層土壤中較少，且與外界空氣接觸困難，導(dǎo)致加氣灌溉效果對(duì)深層土壤水溶解氧含量的影響并不顯著，處理間的差異很小，表明通過(guò)加氣灌溉改變稻田深層土壤環(huán)境的效果比表層弱，若能夠改進(jìn)灌水方式，效果將提高。

此外，不同處理之間土壤水溶解氧含量下降也存在差異，控制灌溉下土壤水溶解氧含量會(huì)在后期出現(xiàn)回升，如分蘗期（圖2-a、圖3-a、圖4-a），加氣灌溉各處理溶解氧含量均隨時(shí)間逐漸減小，但是從灌水第4天后部分控制灌溉土壤水溶解氧含量有所回升，其原因是灌水后田面一般保持有 3.0 cm 的水層，在最初幾天，土壤不能和空氣接觸，水稻根系又不斷消耗土壤水中的氧氣，所以基本均處于下降趨勢(shì)，到第4天，稻田土壤孔隙水被植株消耗或者蒸發(fā)，空氣能夠隨土壤孔隙進(jìn)入深層土壤與土壤水接觸，使得溶解氧含量有所上升；C+HGQ處理下，各土層土壤水溶解氧大部分都高于其他處理方式。拔節(jié)孕穗期（圖2-b、圖3-b、圖4-b）和抽穗開(kāi)花期（圖2-c、圖3-c、圖4-c）與分蘗期稻田土壤水溶解氧含量表現(xiàn)的規(guī)律基本相同，同時(shí)也可以看出，控制灌溉+高加氣量（C+HGQ）處理下，各土層土壤水溶解氧含量大部分都高于其他處理方式。分蘗期C+HGQ處理5 d內(nèi)溶解氧含量平均值為2.80 mg/L，是不加氣控制灌溉處理的1.85倍；拔節(jié)孕穗期，C+HGQ的溶解氧平均值為2.41 mg/L，是不加氣控制灌溉處理的1.75倍；抽穗開(kāi)花期，C+HGQ的溶解氧平均值為1.78 mg/L，是不加氣控制灌溉處理的1.5倍。

2.3稻田土壤水溶解氧垂直分布規(guī)律

灌溉后24 h全生育期各處理土壤水溶解氧均值變化均表現(xiàn)為隨土層深度增加而逐漸降低（表3）。顯著性分析表明，3種控灌加氣處理土壤水溶解氧值在各土層間的差異表現(xiàn)相同，與其他3層比較，C+LGQ、C+MGQ、C+HGQ處理田面全生育期土壤水溶解氧均值差異達(dá)到顯著水平，對(duì)照處理表現(xiàn)類似。10 cm與20 cm土層存在差異，但溶解氧均值相差較小，僅T+HGQ、CKT、CKC處理差異顯著。40 cm土層土壤水溶解氧均值最低，與0～20 cm土層差異較大，表明在控灌條件下進(jìn)行加氣灌溉，對(duì)稻田0～20 cm土層土壤水溶解氧的含量提升效果最為顯著。常灌對(duì)照各土層間土壤水溶解氧均值與控灌對(duì)照大致相同，0～20 cm各土層間差異顯著，20～40 cm 差異較??；加氣處理各土層差異均較大，表明加氣灌溉對(duì)改善常灌稻田土壤水溶解氧效果顯著。

規(guī)律時(shí)，土層深度設(shè)為10～40 cm。除分蘗前期外，各時(shí)期均呈現(xiàn)出隨著土層深度的加深，溶解氧濃度減小。全生育期內(nèi)，灌溉后96 h各土層土壤水溶解氧均值與24 h相比，表現(xiàn)出土層間的差異減小?？刂乒喔饶Ｊ较?，C+HGQ、C+MGQ與控灌對(duì)照處理的各土層間土壤水溶解氧值表現(xiàn)相同，10 cm土層與其他2層間差異較大，達(dá)到顯著水平，20與40 cm土層間存在差異，但差異較?。籆+LGQ處理各土層間差異均不顯著，表明在控灌模式下，灌水后4 d加氣灌溉對(duì)各土層稻田土壤水溶解氧的影響隨時(shí)間逐漸減小，且效果顯著的仍為0～20 cm土層，深層土壤的加氣效果不明顯。常灌模式下，加氣與不加氣處理各土層間表現(xiàn)規(guī)律與控灌相似，10 cm土層與其他土層差異顯著，40 cm土壤水溶解氧最低，但與20 cm土層差異較小，可見(jiàn)常灌模式下加氣灌溉對(duì)10 cm土層土壤水溶解氧提高效果明顯。endprint

3結(jié)論

（1）控制灌溉模式下，加氣灌溉均能夠明顯提高稻田土壤水溶解氧，其中控灌+高加氣量（C+HGQ）處理的效果最佳。（2）不同生育期，加氣灌溉條件下稻田各層土壤水中較高的溶解氧含量一般持續(xù)5d左右，拔節(jié)孕穗期土壤水溶解氧消耗最快。 （3）土壤水溶解氧含量隨土層深度增大而降低?？毓鄺l件下的加氣灌溉對(duì)稻田0～20 cm土層土壤水溶解氧提高效果最為顯著，對(duì)深層土壤效果不明顯；同時(shí)，加氣灌溉對(duì)改善常灌稻田土壤水溶解氧含量效果顯著，其中對(duì)10 cm土層土壤水溶解氧含量的提高效果最為明顯。

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