加气灌溉改善温室番茄根区土壤通气性

朱 艳，蔡焕杰，宋利兵，陈 慧



加气灌溉改善温室番茄根区土壤通气性

朱 艳，蔡焕杰※，宋利兵，陈 慧

(1. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100；3. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100)

为揭示加气灌溉对温室番茄根区土壤通气性的影响，探索加气灌溉下土壤温度、氧气含量、充气孔隙度与土壤呼吸和土壤微生物呼吸的关系，试验设置作物-皿系数为0.6、1.0这2种灌水水平和加气、不加气地下滴灌，共4个处理。结果表明，与地下滴灌相比，加气灌溉下土壤微生物呼吸显著增大了11.5%（<0.05），土壤氧气含量、土壤呼吸、温度、和植物根系呼吸均有所增大。而且作物-皿系数为1.0灌水水平下加气灌溉与不加气相比，土壤和植物根系呼吸显著增大了25.5%和38.8%（<0.05）。因此，加气灌溉通过调控土壤水气配合条件，促进了土壤、土壤微生物和植物根系呼吸，有效改善了土壤通气性。而且相比于不加气地下滴灌和作物-皿系数为0.6水平下加气灌溉，作物-皿系数为1.0时加气灌溉在促进土壤和植物根系呼吸方面的效果更明显。另外，土壤温度、充气孔隙度和氧气含量是土壤和土壤微生物呼吸的重要影响因子。番茄生长前期，土壤呼吸与充气孔隙度和氧气含量显著正相关，与土壤温度显著负相关（<0.05）；番茄生长后期，土壤和土壤微生物呼吸与土壤温度显著正相关，与氧气含量显著负相关（<0.05）。

土壤；氧气；孔隙度；温度；呼吸；加气灌溉

0 引 言

面对灌溉用水与工业、生活和环境用水的竞争日趋紧张的现状[1]，地下滴灌因灌水效率高，节约用水，可有效减小因灌水过多造成的环境污染[2]，在干旱和半干旱地区得到日益广泛的应用[3-4]。但是地下滴灌灌水频率较高，滴头附近土壤经常因灌水形成持续的饱和湿润区[5-6]，而地下滴灌下作物根系经常优先生长在滴头附近[7]，因此地下滴灌下作物根系经常受到土壤低氧的胁迫[5,8]。Bhattarai等[8]和McHugh等[2]研究结果表明，当灌溉水量大于作物需水量的75%后，地下滴灌下棉花的产量并不能相应的随灌溉水量的增加而增加。McHugh等[9]也指出，地下滴灌的作物产量经常不足够弥补地下滴灌系统的基础设施投入。Payero等[10]将地下滴灌高灌水量下作物产量的不匹配归因于过低的土壤氧气含量。一方面，土壤缺氧通过影响土壤好氧微生物和土壤酶活性影响土壤-作物根系微环境[11-12]；另一方面，土壤缺氧通过造成脱落酸的聚集、减少ATP的产生、影响溶质在细胞膜内的运输等造成气孔关闭、叶水势降低，影响作物正常的生理功能，进而影响作物产量[13-15]。地下滴灌下土壤中持续的饱和湿润区导致水分代替空气存在于土壤中，进而限制了土壤孔隙中氧气的可利用性和移动性[16]。加气灌溉在地下滴灌的基础上，利用文丘里加气设备将空气吸入到地下滴灌管道中进而输送到作物根区土壤[6]。因此，加气灌溉向作物根系土壤输送的是水气混合液和微型气泡[8]，既可实现地下滴灌的高灌水效率，又可有效缓解地下滴灌下作物的缺氧症状[17]。

土壤通气状况与土壤-作物根系-大气之间的气体交换功能息息相关[13]。土壤通气性是指气体透过土体的能力，是反映土壤特性对土壤空气更新速率影响的综合指标[18]。土壤通气的自然机制主要包括扩散和由气压的波动、浅层土壤和深层土壤之间的温差等造成的对流[19]。而以由土壤呼吸消耗氧气造成的气体含量梯度为驱动力的土壤中气态氧气的扩散，伴随着土壤呼吸向大气中释放CO2是土壤通气的主要机制[20]。因此，土壤通气状况与土壤呼吸密切相关。Gaertig等[21-22]研究表明，表层土壤的气体相对扩散系数与土壤呼吸显著正相关。另外，土壤呼吸主要包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤动物呼吸3个生物学过程，而且普遍认为土壤动物呼吸十分微弱[23]。因此本研究以常规地下滴灌为对照，研究不同灌水水平下加气灌溉对土壤通气性，包括对土壤氧气含量、充气孔隙度、温度、呼吸和微生物呼吸的影响，探索加气灌溉条件下土壤通气性各因子之间的相关关系。另一方面，利用差值法研究加气灌溉对土壤微生物呼吸和植物根系呼吸在土壤呼吸中的比例的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室（34º20′N，108º24′E，海拔521 m）的日光温室。该地无霜期为210 d，年平均日照时长为2163.8 h。土壤为粉砂质黏壤质塿土，砂粒、粉粒和黏粒的质量分数分别为26.0%、33.0%、41.0%；土壤0～40 cm内（10 cm为1层）土壤容重分别为1.27、1.34、1.42、1.37 g/cm3；60 cm土层内的田间持水量为32.1%（体积含水率）。

1.2 试验设计及过程

为研究加气灌溉对土壤通气性的影响，本文设加气不充分灌溉（W1O）、加气充分灌溉（W2O）、不加气不充分灌溉（W1S）、不加气充分灌溉（W2S）共4个处理，各3次重复，共12个小区（每个小区0.35 m×0.4 m=0.14 m2），采用双因素完全随机设计。每次灌水量（L）按以下公式[24]计算：

=·pan·k（1）

式中pan为2次灌水时间间隔内的蒸发量，mm；为单个滴头控制的小区面积，m2；k为作物-皿系数，本文依据番茄生长和产量指标等对k敏感性的差异[24]取值0.6、1.0分别表示为不充分灌溉W1和充分灌溉W2。

试验采用中早熟的金鹏10号番茄，垄（长4 m、宽0.8 m）作栽培。地下滴灌支管埋设于垄中间，其管径为16 mm，埋深为15 cm，滴头间距为35 cm，距离作物茎秆10 cm。垄间用埋深100 cm的塑料膜隔开，防止侧渗。于2016年8月18日移植番茄幼苗（3叶1心至4叶1心），每垄（1个试验小区）移植11株植株，株距35 cm。移植当天浇底水，确保幼苗成活。7～10 d（缓苗）后（即8月27日）开始试验。3穗时打顶，其他管理均按当地常规进行。番茄生育期划分如表1。

表1 番茄各生育期起止时间

通过E601标准蒸发皿测得的蒸发量控制灌水量，E601标准蒸发皿放置在凳子上，垂直距番茄冠层顶部20 cm，据番茄生长定期调节蒸发皿（凳子）高度。灌水周期为3～4 d（指标测定期间灌水周期延长2～3 d），灌水时间为08:00—12:00，灌水间隔内每天08:00测定蒸发量，根据式（1）计算灌水量。番茄生育期内，k为0.6（W1）和1.0（W2）灌水水平下的单株灌水状况如表2。

表2 蒸发量、灌水时间和灌水量

注：W1O、W1S、W2O和W2S表示加气条件下作物-皿系数为0.6时的灌溉处理、不加气作物-皿系数为0.6时的灌溉处理、加气条件下作物-皿系数为1.0时的灌溉处理、不加气作物-皿系数为1.0时的灌溉处理。下同。

Note: W1O, W1S, W2O and W2S are aerated irrigation with crop-dish coefficient 0.6, no aerated irrigation with crop-dish coefficient 0.6, aerated irrigation with crop-dish coefficient 1.0 and no aerated irrigation with crop-dish coefficient 1.0, same as below.

将Mazzei287型文丘里加气设备（Mazzei Injector Company, LLC）安装在地下滴灌支管道的首端进行加气灌溉，支管进出水口装有压力表。灌水时利用水泵形成加压灌溉水，可调节调节阀（位于灌水总管道末端）保证每垄进口和出口压力分别为0.1和0.02 MPa，灌水管道中多余的水回流到供水水桶中，由排气法测得进气量占灌溉水量的17%[25]。采用压力补偿式滴头，滴头流量为4 L/h，依据每次灌水量的变化，每个处理1次灌水时长为5～20 min左右（除移植后13～28 d蒸发量较大，灌水时间为30 min左右）。由于加气，在相同灌水量下加气灌溉灌水时间比不加气灌溉长[6,17]。加气灌溉下每灌1 L水的灌水时间比地下滴灌延长约3 min[26]。

1.3 测定指标与方法

1）土壤呼吸速率（R）：利用Li-6400便携式气体分析系统（Li-CorInc，NE，USA）连接Li-6400-09土壤呼吸室测定。提前1天选择每垄相同位置靠近中间的2株长势均匀的临近植株在1/2株距处插入PVC环（内径为10.2 cm，高为5 cm），插入深度为2 cm。番茄整个生长季内，每10～20 d左右测定1次土壤呼吸，共测定10次，均在灌水后第3天测定。每次分别在07:00-19:00每隔2 h将12个小区依次测定1轮，共测定7轮。每个小区的土壤呼吸速率是仪器2次循环测定的平均值，每个循环约4～5 min。

2）土壤温度（T）：利用曲管地温计（河北省武强红星仪表厂）测定，选择每垄相同位置靠近中间的2株长势均匀的临近植株中间插入1组地温计，每组地温计分5个深度插入，分别为5、10、15、20和25 cm。每隔2 h测定土壤呼吸的同时记录土壤温度。

3）土壤氧气（溶解氧）含量（O）：利用光纤式氧气测量仪（Fiber-Optic Oxygen Meter Firesting O2）连接氧气敏感探针（PyroScience GmbH，Aachen，Germany）测定。本试验中只有1个氧气测量仪，可同时连接2个氧气敏感探针。因此分别在土壤呼吸速率测定当天、前2天和后3天（测定期间不进行灌水。每2 d轮换测定1次4个处理的各1个重复）测定土壤氧气含量。每天测定时选择相同灌水水平下的加气和不加气灌溉处理的各1个小区，选择2个小区相同位置靠近中间的1株植株同时插入探针，探针插入深度为10 cm，距离作物茎秆5 cm，测定时间为07:00－19:00。仪器具体使用方法参照朱艳等[25-26]。

4）土壤含水率：利用铝盒取土烘干法测定。取土点位于每垄相同位置的靠近中间的2株长势均匀的临近植株中间，水平距离滴灌管10 cm。利用土钻取土层0～10、>10～15、>15～20、>20～25、>25～30和>30～40 cm的土壤测定含水率（θ），每层土壤混合均匀后装入铝盒中。土壤体积含水率（θ）为土壤质量含水率与土壤干容重的乘积。土壤含水率与土壤呼吸在同一天测定。

F=(ρ-ρ)/ρ-θ（2）

式中F为土壤充气孔隙度，%；ρ为土粒密度，g/cm3，值为2.65 g /cm3；ρ为土壤干容重，g/cm3，依据土层深度不同而取值不同；θ是土壤体积含水率，%。本试验中， F是0～40 cm土壤的平均值。

5）土壤微生物呼吸（M）：利用室内培养分析法[23,27]测定。每垄在相同位置靠近中间的2株长势均匀的临近植株附近选取5个点采用“S”形线段多点布点混合采样的方法收集土壤样品[28]。采样时铲除表面1 cm左右的表土，用土钻取30 cm深度的土壤，将5个点的土壤混合均匀剔除石砾、植被残根等杂物后装入2个自封袋中当天送实验室测定。土壤微生物呼吸与土壤呼吸在同一天测定。另外，本试验中植物根系呼吸（P）由土壤呼吸和土壤微生物呼吸通过差值法求得。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS17.0统计软件进行显著性分析和相关关系分析。用Sigmplot12.0绘图分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理下土壤呼吸、土壤温度和土壤氧气含量的日变化特征

总体而言，番茄生育期内每日的土壤呼吸和土壤温度变化规律一致，故随机选取2016年9月7日、2016年10月15日和2017年1月1日这3日为例，如图1所示。土壤呼吸速率在一日内呈单峰曲线的变化形式，高峰值多出现在15:00附近，最小值出现在07:00附近。大部分测定点土壤呼吸速率以W2O最大，W2S最小，且W2O处理大部分测定点的土壤呼吸速率均显著高于W2S（<0.05），然而W2O与W1O基本差异不显著（>0.05），W2S与W1S也差异不显著（>0.05），可见，只在较高灌溉水平下，加气对土壤呼吸的影响较大。

注：每个图中同一列字母表示同一次测定中4个处理的显著性差异，不同字母表示存在显著性差异（P<0.05）。下同。土壤温度是0～25 cm的平均值。

土壤温度日变化规律与土壤呼吸相似，在一日内也呈现单峰曲线的变化形式（图1），高峰值出现在17:00附近，最小值出现在07:00。大部分测定点土壤温度为W2O最高，W2S最低（<0.05），但W1O和W1S处理大部分测定点间不存在显著性差异。另外，加气灌溉下土壤温度随灌水水平的增大而增大，且W1O和W2O处理部分测定点间存在显著性差异（<0.05）；不加气处理下土壤温度W1S和W2S处理基本差异不显著（>0.05）。

番茄生育期内每日的土壤氧气含量变化规律大致相同，以2016年9月和11月为例（图2）。土壤氧气含量在一日内整体变化呈下降的趋势，在17:00之后略有回升。一日内土壤氧气含量的最高点基本出现在07:00附近，最小值出现在17:00附近。对k为0.6和1.0灌水水平而言，相同灌水水平下加气灌溉处理的土壤氧气含量均明显高于不加气处理。

图2 番茄生长期内土壤氧气含量日变化曲线

2.2 不同处理下土壤呼吸、微生物呼吸、土壤温度、土壤氧气含量和孔隙度季节性变化

在番茄整个生长季内，土壤呼吸在开花期（第35天）出现最大值，随后随着番茄的生长整体呈现下降的趋势（图3a）。除初始值外，W2O处理的土壤呼吸值始终最大，与处理W1S和W2S均存在显著性差异（<0.05）；W2S处理的土壤呼吸值始终最小。W2O、W1O、W1S和W2S的土壤呼吸平均值分别为2.75、2.44、2.20和2.05mol/(m2·s)。总体而言，k为1.0时，加气灌溉下土壤呼吸较不加气地下滴灌显著增大了25.5%（<0.05）。加气灌溉下随灌水水平增大土壤呼吸增大，而不加气地下滴灌下土壤呼吸随灌水水平增大而减小，但W2O和W1O间或W2S和W1S间土壤呼吸大部分测定点不存在显著性差异（>0.05）。

在番茄生长季内，土壤温度随气候变化而持续下降（图3b）。4个处理土壤温度大小顺序与土壤呼吸相同，均是W2O最大，W2S最小，而W1O与W1S居中。W2O处理土壤温度与W1S和W2S间存在显著差异（<0.05），而其他处理间均不存在显著性差异。W2O、W1O、W1S和W2S的土壤温度平均值分别为20.2、19.5、19.1和18.8 ℃。可见，较高灌水水平加气灌溉土壤温度较不加气灌溉普遍较高，W2O处理土壤温度较W2S高1.4℃（<0.05）。

在番茄整个生长季内，随番茄的生长土壤氧气含量整体呈现上升的趋势（图3c）。对每次测定，W1O和W2O处理的土壤氧气含量分别高于处理W1S和W2S处理。

土壤充气孔隙度在番茄生长前期（0～60 d）呈现上升的趋势，之后变化不明显（图3d）。土壤充气孔隙度在番茄整个生长季内以W1O最高，W2S最低，而W1S与W2O差异不显著，4个处理平均值分别为25.7%、23.9%、25.1%、24.6%。在相同灌水水平下，加气灌溉与不加气地下滴灌处理间土壤充气孔隙度无显著差异（>0.05），但加气灌溉下土壤充气孔隙度略大于不加气地下滴灌。随着灌水水平增大，土壤充气孔隙度显著减小：加气灌溉下，W2O处理的土壤充气孔隙度与W1O相比，显著下降了4.43%（<0.05）；W2S与W1S处理相比，显著下降了5.06%（<0.05）。

土壤微生物呼吸在番茄整个生长期内呈现增加（0～70 d，前5次测定）到一定范围后维持稳定一段时间（70～120 d，结果期），而后持续下降（成熟期）的趋势（图3e）。加气灌溉下土壤微生物呼吸大部分测定点均显著高于不加气地下滴灌（<0.05）。加气灌溉（W2O和W1O）处理间或地下滴灌（W2S和W1S）处理间大部分测定点不存在显著性差异（>0.05）。处理W2O、W1O、W2S和W1S的土壤微生物呼吸平均值分别为1.30、1.23、1.15和1.09mol/(m2·s)。k为0.6和1.0时加气灌溉下土壤微生物呼吸分别较不加气地下滴灌显著增大了11.38%和11.54%（<0.05），平均增大11.5%。

本试验中测定了土壤呼吸和土壤微生物呼吸，因此利用差值法估算植物根系呼吸（忽略土壤动物呼吸等）的季节变化。植物根系呼吸的季节变化曲线（图3g）与土壤呼吸类似，均是在开花期（第35天）出现最大值后随番茄生长整体呈现下降的趋势。加气灌溉下植物根系呼吸高于不加气地下滴灌，尤其是在k为1.0时，W2O处理的植物根系呼吸均显著高于W2S处理（<0.05）。处理W2O、W1O、W1S和W2S的植物根系呼吸平均值分别为1.46、1.21、1.11和0.894mol/(m2·s)。W2O处理较W2S处理显著增大38.8%（<0.05）。从平均值看，加气灌溉下随灌水水平的增大植物根系呼吸增大了17.1%；而不加气地下滴灌下随灌水水平的增大，植物根系呼吸下降了19.5%。但随灌水水平变化，加气灌溉处理（W2O和W1O）或不加气地下滴灌处理（W1S和W2S）间仅部分测定点间植物根系呼吸存在显著性差异（<0.05）。

土壤微生物呼吸和植物根系呼吸在土壤呼吸中所占比例之和为1（估算忽略土壤动物呼吸等），因此土壤微生物呼吸所占比例和植物根系呼吸所占比例在番茄生育期内变化趋势相反，除均在开花期（第35天）出现最值外，随番茄生长没有明显的变化规律（图3f和图3h）。整体而言，番茄生育期内处理W2S和W2O的土壤微生物呼吸所占比例分别最大和最小，且2处理大部分测定点间存在显著性差异（<0.05）。整个生长季内处理W2O、W2S、W1O和W1S土壤微生物呼吸所占比例平均值分别为47.9%、57.0%、50.8%和50.2%，W2S较W2O处理显著增大了16.0%（<0.05）。处理W1O和W1S土壤微生物呼吸所占比例不存在显著性差异，且均与W2S处理部分测定点间存在显著性差异（<0.05），与W2O处理不存在显著性差异。整个生长季内处理W2O、W2S、W1O和W1S植物根系呼吸所占比例平均值分别为52.1%、43.0%、49.2%和49.8%，处理W2O较W2S显著增大了17.5%（<0.05）。综上，在番茄整个生长期内土壤微生物呼吸和植物根系呼吸各占土壤呼吸的50%左右，且k为1.0时加气灌溉对植物根系呼吸（52.1%）的促进作用明显高于对土壤微生物呼吸（47.9%）的促进作用。

注：土壤呼吸、土壤温度每个点的值为每次日变化测定值的平均值；土壤氧气含量为同一天测定的加气和地下滴灌处理的各一个重复日变化测定值的平均值。

2.3 土壤温度、土壤氧气、土壤充气孔隙度和土壤呼吸之间的相关关系

由图3可知，土壤呼吸、土壤充气孔隙度和土壤微生物呼吸在番茄生长前期（苗期、开花期和结果前期，前4次测定）的变化趋势与生长后期（结果后期和成熟期，后6次测定）的变化趋势明显不同，因此分段分析其相关关系（表3）。另外，本试验中植物根系呼吸由土壤呼吸和土壤微生物呼吸利用差值法估算得到，因此不再分析其与其他因子的相关关系。由表3可知，对于不同处理，土壤呼吸与土壤温度呈显著甚至极显著相关关系：在苗期到结果前期，二者呈显著负相关（=-0.6～-0.4），在结果后期到成熟期，二者呈显著正相关（=0.3～0.7）。除W2S处理，土壤呼吸还与氧气含量呈显著相关：在苗期到结果前期，二者呈显著正相关（≈0.5），在结果后期到成熟期，二者呈显著负相关（=-0.6～-0.4）。在结果后期到成熟期，土壤呼吸与土壤微生物呼吸均极显著正相关（=0.5～0.7，<0.01）。在苗期到结果前期，土壤呼吸与充气孔隙度极显著正相关（<0.01）。对4个处理全部测定（生长）阶段而言，土壤温度与土壤氧气含量均极显著负相关（≈0.9，<0.01）。

本试验中，灌水是每3～4 d进行1次，因此土壤充气孔隙度除在前4次测定中变化较大外，后续基本变化不大。前期变化较大是由于番茄移苗时浇透底水导致土壤含水率较大（充气孔隙度较小）。因此，在前4次测定中R和M与F的正相关关系可能并不能客观地反映试验整体进行过程中3个变量间的关系。但是，前4次测定中R和M与F间的显著正相关关系仍可表明，当土壤充气孔隙度较小（土壤含水率较高）时，土壤充气孔隙度增大（土壤含水率的下降），土壤呼吸和土壤微生物呼吸也增大。

表3 土壤呼吸（R）、微生物呼吸（Ms）、温度（Ts）、氧气含量（Os）和充气孔隙度（Fa）之间的相关关系

注：**表示极显著性相关（<0.01），*表示显著相关（<0.05）。

Note: ** indicates highly significant at<0.01; *means significant at<0.05.

3 讨 论

3.1 加气灌溉对温室番茄土壤通气性的影响

由于受仪器和试验条件等的限制，土壤氧气含量只在同一天进行了相同灌水水平下的加气和地下滴灌处理的各1个重复的测定，因此不再进行不同灌水水平下土壤氧气含量的对比分析。Mazzei287型文丘里加气设备在进水压力为0.1 MPa下，出水压力要小于0.04 MPa，才能保证进气，当压力大于0.04 MPa以后基本不再吸气。要保证文丘里加气设备正常吸气，必须使进出口间有足够的压力差，另外，一定条件下随进出口压力差的增大，进气量增大。因此试验中，要保证17%的进气量，必须做到进水压力为0.1 MPa，出水压力为0.02 MPa。试验中既要保证足够的进气量，也要尽可能保证灌水和出气均匀性，因此使用压力补偿式滴头。压力补偿式滴头适用于系统压力不均衡和毛管较长的情况，借助水流压力使弹性硅胶片改变出水口断面，调节流量，使出水稳定。试验中小区的供水管路4 m，入水端为0.1 MPa，出水端为0.02 MPa，压力补偿式滴头压力补偿范围为0.05～0.4 Pa，进出水压力部分在压力补偿式滴头的压力补偿范围内。但即使使用压力补偿式滴头灌水均匀性和出气均匀性在一定程度上也可能不能完全保证，所以试验中每垄均选择相同位置的植株进行取样，测定相关指标等，以尽可能避免灌水和和出气不均匀性对试验的影响。

本试验中，加气灌溉影响了土壤氧气（溶解氧）含量变化。与不加气地下滴灌相比，加气灌溉下土壤氧气含量增大（图3）。Bhattarai等[6]的研究结果也表明与不加气地下滴灌相比，加气灌溉下土壤中溶解氧含量显著增大了12%左右。空气和水分共同存在于土壤孔隙中，土壤水分的增加必然会导致充气孔隙度和土壤空气含量的减少，影响土壤的通气状况。而土壤通气性好坏主要决定于土壤的总孔隙度，特别是充气孔隙度的大小[18]。本试验中，加气灌溉下土壤充气孔隙度与不加气处理间无显著性差异（图3），可能是由于试验中进气量仅占灌溉水量的17%，另外，充气孔隙度的剧烈变化可能集中在灌水期间或灌水后短暂时间，而试验中土壤含水率（充气孔隙度）的测定在灌水后第3天。Bhattarai等[17]针对毛豆的试验结果也表明，加气灌溉使30 cm深度土壤溶解氧含量显著增大了50.6%。由气泵直接向土壤中注入空气时，会因烟囱效应[12,29]而影响加气效果，但即便如此，Ben-Noah等[19]的研究仍表明，通过地下滴灌管道向土壤中注入空气使20 cm处土壤氧气饱和度增大了22%。Chen等[30]的研究也表明，在不同滴头埋深（10和30 cm）和土壤类型（红壤土和黑土）中加气灌溉使得棉花根区土壤溶解氧显著增大了8.6%～32.6%。地下滴灌灌水时滴头附近土壤形成的持续饱和湿润区导致土壤空气被排出，使作物根系在灌水时甚至灌水后一段时间缺氧[8]。加气灌溉将水气混合液输入到根区土壤，避免了土壤中充气孔隙完全被水分占据，进而有效避免地下滴灌下持续饱和湿润区的形成。Bhattarai等[6]的研究结果表明，地下滴灌灌水后土壤溶解氧下降了45%，而加气灌溉下仅下降了25%。与地下滴灌相比，加气灌溉允许水和空气同时进入到作物根区土壤，有效增大了土壤氧气含量，可有效避免地下滴灌灌水时因缺氧对作物根系造成的不利影响，进而有效改善土壤通气状况。

土壤呼吸的过程也就是作物根和根茎和土壤微生物、动物等消耗O2，释放CO2的过程[26,31]，是土壤O2和CO2交换的过程。土壤呼吸与营养过程密切相关[31]，保证土壤中充足的O2供应和通畅的CO2排放通道（维持良好的土壤通气状况）是作物正常生长、土壤呼吸顺利进行的基本条件。Bhattarai等[32]指出土壤中的气体交换功能随着土壤孔隙中含水量的增大呈指数形式下降，而当土壤孔隙饱和时，气体交换功能会完全停止。土壤温度、水分和通气状态是影响土壤呼吸的主要因子[30,33-36]。当土壤中含水量很高，厌氧条件占优势致使好氧微生物的活性受到抑制时，土壤呼吸会明显下降[37-38]。地下滴灌灌水频率较高，且灌水时滴头附近土壤易形成持续饱和湿润区，因此地下滴灌下土壤经常形成缺氧环境而限制氧气扩散，影响作物根系和土壤微生物呼吸[8]。因此，地下滴灌下土壤氧气条件经常是土壤呼吸的一个主要限制性因子。Li等[12]的研究表明，加气灌溉增大了作物根系土壤主要微生物的数量。Chen等[30]针对不同土壤类型加气灌溉的研究表明，加气灌溉下土壤呼吸增大了42%～100%。Bhattarai等[17]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大了22%～43%。本试验中，与不加气地下滴灌相比，加气灌溉下土壤呼吸和植物根系呼吸均有所增大，且土壤微生物呼吸较地下滴灌显著增大了11.5%（图3），k为1.0灌水水平下加气灌溉土壤呼吸和植物根系呼吸较地下滴灌显著增大了25.5%和38.8%（<0.05）。另外，本试验中高灌水水平加气灌溉下土壤温度较不加气地下滴灌增大，可能是加气灌溉促进土壤微生物和植物根系呼吸（生命活动）的结果。研究表明，在有氧条件下，土壤呼吸过程中每氧化1 mol葡萄糖释放出2870 kJ的热量[31]。Wolf[39]指出当土壤中空气、水分和养分达到最优平衡状态时，土壤生产力可达到最大。本试验中，可能由于k为1.0时进行加气灌溉保证了作物根区土壤充足的水气供应和良好的水气配合条件，即相比于k为0.6时进行加气灌溉，k为1.0水平下加气灌溉土壤环境可能更接近于土壤空气、水分和养分的最优平衡状态。因此，k为1.0时加气灌溉对土壤呼吸、植物根系呼吸、土壤温度的促进作用更为明显。

3.2 加气灌溉下土壤呼吸、土壤氧气含量、土壤温度和土壤充气孔隙度之间的关系

加气灌溉和地下滴灌最主要的区别就是地下滴灌向土壤中输入灌溉水，而加气灌溉向土壤中输入水气混合物和微型气泡，进而调控土壤水气条件，因此加气灌溉与地下滴灌对土壤呼吸造成的不同影响分析应该也需要从两者土壤水气条件的不同着手。因此试验中选择了土壤温度（土壤呼吸最主要的影响因子）、土壤氧气含量和充气孔隙度（加气灌溉与地下滴灌不同土壤环境的基础影响因子）作为土壤呼吸的影响因子分析。另外，土壤呼吸主要由土壤微生物呼吸和植物根系呼吸组成，而本试验中植物根系呼吸由土壤呼吸和土壤微生物呼吸利用差值法估算得到，因此也进行了土壤微生物呼吸与其他因子的相关关系分析。

植物根系呼吸和土壤微生物呼吸消耗土壤氧气，因此土壤氧气含量的变化很大程度上会受到外界气候条件变化的影响。Ben-Noah等[19,40]指出，大部分情况下，温度升高导致土壤氧气含量下降。土壤呼吸（作物根系和土壤微生物呼吸）随温度升高而增大，虽然土壤气体扩散速率也随温度升高而增大，但与随温度升高而增大的土壤呼吸相比可忽略不计。而且土壤氧气溶解度随土壤温度的升高而下降[8]。本试验结果也表明土壤温度是土壤氧气含量的重要影响因子，对番茄整个生育期而言，土壤温度与土壤氧气含量极显著负相关（<0.01），相关系数为0.9左右（表3）；日变化中，土壤温度和土壤呼吸在一日内均呈现单峰曲线的变化形式，高峰值分别出现在17:00和15:00附近（图1），而土壤氧气含量在一日内呈现下降的趋势，最低点出现在17:00左右（图2）。

土壤温度、氧气含量和充气孔隙度与土壤和土壤微生物呼吸的相关关系变化受各因子季节变化影响。番茄生长前期（前4次测定），土壤充气孔隙度（含水率）受移苗时浇透底水的影响随番茄生长呈持续上升（下降）的趋势（图3d）。前4次测定中，土壤呼吸和植物根系呼吸随番茄生命活动趋于旺盛而呈现上升的趋势（图3a和g）。根系呼吸主要依赖于植物地上部分光合产物对地下部分的分配[41-43]。孟磊等[44]指出玉米地土壤呼吸在玉米营养生长及营养和生殖生长最旺盛的时候达到最大。因此，本试验中土壤呼吸和植物根系呼吸在移植后第35天（开花期）出现最大值应该也是受到番茄生命活动的影响。土壤氧气含量随番茄生长呈现持续升高的趋势，应该是受到土壤温度持续下降的影响（图3c和b）。因此，在前4次测定，土壤氧气含量和充气孔隙度与土壤呼吸和土壤微生物呼吸显著正相关，而土壤温度与土壤呼吸和土壤微生物呼吸显著负相关（表3）。由此也表明，当土壤充气孔隙度较小（通气状态不好）时，土壤和土壤微生物呼吸会受到限制。研究表明，温度通过影响土壤中生物化学反应、底物和氧气的运输等影响着根系和土壤微生物的呼吸，进而影响土壤呼吸过程中的方方面 面[31,45-46]。番茄生长后期（后6次测定中），土壤呼吸和微生物呼吸受土壤温度下降和番茄生命活动（由旺盛渐渐趋于衰弱）的综合影响呈现下降的趋势。后6次测定中，土壤充气孔隙度（含水率）在地下滴灌频繁稳定的灌水（表2）下呈现稳定的趋势，而土壤氧气含量仍是受到土壤温度下降的影响而持续升高。因此，整体而言，后6次测定中土壤和土壤微生物呼吸与土壤氧气含量显著负相关（<0.05），与土壤温度显著正相关（<0.05），与充气孔隙度间无显著相关关系。

4 结 论

1）土壤呼吸和土壤温度在一日内呈现单峰曲线的变化形式，高峰值分别出现在15:00和17:00左右，土壤氧气含量在一日内呈现下降的趋势，在17:00之后略有回升。

2）加气灌溉有效改善了土壤通气性。加气灌溉下土壤氧气含量高于不加气地下滴灌。与地下滴灌相比，加气灌溉下土壤微生物呼吸显著增大了11.5%（<0.05），土壤呼吸、植物根系呼吸和土壤温度也均增大。灌水水平k为1.0时加气灌溉植物根系呼吸较地下滴灌分别显著增大了38.8%（<0.05）。因此，相比于地下滴灌和k为0.6灌水水平下加气灌溉，k为1.0水平下加气灌溉在有效调控土壤水气配合比进而改善土壤通气性、促进土壤呼吸和植物根系呼吸方面的效果更为明显。

3）番茄生长前期土壤呼吸与氧气含量和充气孔隙度显著正相关，与温度显著负相关（<0.05）；番茄生长后期土壤和土壤微生物呼吸与温度显著正相关（<0.05），与氧气含量显著负相关（<0.05）。

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Oxygation improving soil aeration around tomato root zone in greenhouse

Zhu Yan, Cai Huanjie※, Song Libing, Chen Hui

(1.712100,; 2.712100,; 3.712100,)

Oxygation has shown its great yield potential and wonderful application prospect for the crop growth recently. It can impose aerated water to root zone through subsurface drip irrigation pipe and effectively ameliorate the hypoxic soil environment caused by subsurface drip irrigation. The overall goal of this study was to explore the impacts of oxygation on soil aeration. The specific objective was to determine the relationships among soil oxygen concentration, temperature, air-filled porosity, soil respiration and soil microbial respiration under oxygation conditions. The experiment was conducted in a greenhouse (34º20′N, 108°24′E, Yangling, Shaanxi, China) during the tomato growing season from Aug. 18, 2016 to Jan. 9, 2017. It included 4 treatments, consisting of 2 irrigation managements (the oxygation (O) and subsurface drip irrigation (S)) and 2 irrigation levels (the crop-pan coefficient being 0.6 (W1) and 1.0 (W2)), with 3 replications for each treatment during the whole growing season. No-aerated subsurface drip irrigation was used as control (W1S and W2S) in order to assess the benefits of oxygation (W2O and W1O) on soil aeration. In the experiment, the diurnal variations of soil oxygen concentration, soil temperature and soil respiration were monitored through bi-hourly or hourly measurements, and then average, daily values of soil respiration, oxygen concentration and temperature were calculated from these diurnal measurements. Meanwhile, seasonal variations of air-filled porosity and soil microbial respiration were measured, and then plant root respiration was calculated by soil respirationminus soil microbial respiration. The results showed that soil microbial respiration with oxygation increased by 11.5% significantly (<0.05) compared with no aerated subsurface drip irrigation conditions. Oxygation also improved soil oxygen concentration and plant root respiration. Especially, the plant root respiration with W2O treatment increased by 38.8% significantly (<0.05) compared with W2S treatment. Thus, according to controlling the soil water and air coordination, oxygation could promote soil respiration, plant root respiration and then improve soil aeration effectively. What’s more, compared with no-aeration (W1S and W2S) and oxygation had a more noticeable impacts on soil respiration and plant root respiration. On the other hand, soil temperature had an effect on soil oxygen consumption through affecting soil respiration. Therefore, soil temperatureand soil oxygen concentration were significantly negatively correlated (<0.01) and the diurnal variation of soil temperature showed an opposite trend with soil oxygen concentration. When the air-filled porosity was small at the tomato pre-growth (seedling to early fruiting stage) period, soil respiration were significantly positive correlated with air-filled porosity and soil oxygen concentration, and negative correlated with soil temperature (<0.05). When the air-filled porosity maintained stability at the tomato late fruiting and maturation stage, the soil respiration and microbial respiration were significantly positive correlated with soil temperature, and negative correlated with soil oxygen concentration (<0.05). Meanwhile, there was no significant correlation between air-filled porosity and soil respiration or soil microbial respiration at the tomato late fruiting and maturation stage. Therefore, soil temperature, oxygen concentration and air-filled porosity were important factors that influencing soil respiration and soil microbial respiration during the whole growing season.Oxygation could improve soil aeration effectively, and then decrease the limiting factors of soil respiration, which may be the reason of the greater soil respiration, microbial respiration and plant root respiration. In a word, with higher soil oxygen concentration in the condition of oxygation, soil environment were more preferably for soil respiration (including soil microbial respiration and plant root respiration). In turn, the effectively enhanced soil respiration was also as an indicator of more favorable growing conditions and reduced hypoxic conditions for oxygation.

soils; oxygen; porosity; temperature; respiration; oxygation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.019

S152.7；S275.4；S152.5

A

1002-6819(2017)-21-0163-10

2017-04-07

2017-10-10

国家重点研发计划项目“西北典型农区高效节水灌溉技术与集成应用”（2016YFC0400200）；国家自然科学基金项目（51171798）

朱 艳，山东枣庄人，博士，主要从事节水灌溉理论与新技术方面的研究。Email：zhuyan2015@nwsuaf.edu.cn

※通信作者：蔡焕杰，河北藁城人，教授，主要从事农业节水与水资源高效利用研究。Email：caihj@nwsuaf.edu.cn