增氧灌溉对氧气扩散速率和冬小麦养分利用的改善研究

臧 明 雷宏军 刘 鑫 潘红卫 徐建新

(华北水利水电大学水利学院/河南省节水农业重点实验室，河南 郑州 450046)

作物产量是气候、土壤、水分、养分等条件综合作用的结果，其中，土壤中空气、水分和养分之间的平衡至关重要[1]。灌溉水入渗会导致土壤孔隙中的空气被水分驱替，作物根区会出现短期甚至更长时间的缺氧现象[2]，严重时将导致作物减产[3]。地下滴灌的水分利用效率较高，是最有效的节水灌溉技术之一，但灌水过程中滴头附近的水分会接近饱和，导致根区缺氧，这种情况在粘质土壤中更为严重[2]。作物需要根区土壤具有良好的通气性进行根系呼吸和新陈代谢，根区通气性不足会抑制根系的伸展，导致收益大幅下降[4-5]。

氧气扩散速率(oxygen diffusion rate，ODR)作为衡量土壤通气性最有效的指标之一，可直接反映原位土壤中氧气的供应状况[6]。1952年Lemon 等[7]开始通过铂金电极模拟根系对氧气的吸收测量ODR。研究表明，土壤水分过多会造成ODR 降低[8]；ODR 与土壤氧气浓度存在良好的线性关系[9]，可表征土壤向根系的供氧能力[7]。ODR的改善以及由此带来的对养分吸收利用的改善可促进作物增产增效[10]。

增氧灌溉将氧气或含氧物质通过地下滴灌系统输送至植物根区，既保证了作物对水分的需求，又能缓解灌溉造成的作物根区缺氧[11-12]。增氧灌溉通常分为物理增氧和化学增氧2种。物理增氧方式可分为文丘里空气射流器单次曝气[13-14]和循环曝气[15-16]2种。Goorahoo 等[17]采用Mazzei 文丘里空气射流器进行单次曝气，明确了增氧灌溉的效益。Bhattarai 等[18]和陈慧等[14]指出，单次曝气能提高作物水分利用效率，促进作物生长，提高作物产量。雷宏军等[19-20]研究表明，循环曝气可以提高番茄和草莓的产量和水分利用效率。化学增氧灌溉是将双氧水(H2O2)掺入灌溉水中进行增氧的灌溉方法[21]。Ben-Noah 等[21]和Bhattarai 等[22]利用化学增氧的方式进行增氧滴灌，增强了作物光合速率，提高了产量。目前关于增氧灌溉的研究多集中于对土壤气体环境的改善[23]或作物对其的响应[19-20]方面，将ODR 与养分吸收利用相结合来研究作物养分状况与增氧灌溉的关系亟待开展。本研究以冬小麦为供试作物，设置循环曝气(venturi aerated irrigation，VAI)、H2O2(HP0030和HP3000型)3种增氧灌溉处理，以普通地下滴灌为对照(CK)，通过系统监测ODR、作物养分状况和产量，明确ODR 与作物养分吸收利用对增氧灌溉的响应关系，以期揭示增氧灌溉对作物养分吸收利用的改善效应。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验地点位于河南省郑州市华北水利水电大学农业高效用水实验场(34°47′5.91″N，113°47′20.15″E)。属于暖带亚湿润季风气候区，多年平均气温15.6℃，多年平均降雨量542.15 mm，无霜期209 d，全年日照时间约1 870 h。试验期间的平均气温变化如图1所示。供试土壤为河南省中牟县黄粘土，土壤机械组成中砂、粉、黏粒含量分别为34.59%、31.94%和33.47%，干容重为1.2 g·cm-3，土壤孔隙度为54.72%，pH值7.1，土壤有机质含量1.45%，土壤速效氮、速效磷、速效钾含量分别为94.12、14.10和172.65 mg·kg-1。供试小麦品种为郑麦136，全生育期约220 d。

图1 试验地日平均气温Fig.1 Daily temperature at the experimental site

1.2 试验设计

冬小麦播种时间为2016年10月22日，收获时间为2017年5月18日。播种时每盆300 粒种子，播种深度为3～4 cm，出苗整齐后进行间苗，每盆保留200株。试验布置在移动遮雨棚下，降雨时用雨棚遮挡，其余时间打开雨棚。灌水上限为85%田间持水量，初次灌水灌至上限，而后采用称重法监测土壤含水量，当土壤含水量下降至65%田间持水量时进行补水，补至80%田间持水量[24]。灌溉前后称重计算每次灌溉水量。以地下水为灌溉水源，地下滴灌为供水方式，设置3个增氧处理和1个无增氧对照处理(CK)，共计4个处理，每个处理5次重复。其中，3个增氧处理分别为文丘里空气射流器循环曝气(VAI)、双氧水3000型(HP3K)和双氧水0030型(HP30)。具体如下:

VAI:将文丘里射流器(Mazzei air injector 684，Mazzei Corp，美国)置于水流的干路上，利用偏压射流器从承压水箱顶部吸取空气，使用循环水泵将灌溉水往复通过文丘里射流器进行循环曝气[15]。每次灌溉前曝气20 min，然后再进行灌溉，灌水压力为0.1 MPa，此时掺气比约15%，溶解氧量约为15 mg·L-1[15]。

HP3K:使用30%浓度的HP3000型农用H2O2溶液(Evonik Industries AG，德国)配制15 mg·L-1的溶液进行灌溉[24]，该双氧水溶于水中可缓慢释放氧气，灌溉水中的溶解氧可较长时间保持高浓度水平。

HP30:使用30%浓度的HP0030型农用H2O2溶液(Evonik Industries AG，德国)配制15 mg·L-1的溶液进行灌溉[24]，与HP3000型农用H2O2溶液相比，HP0030型释放氧气的速度较慢，持续时间更长。

试验使用的种植桶为圆台形，高50 cm、上直径40 cm、下直径34 cm。每盆装土初始质量为80 kg，质量含水量25%，干土重64 kg。装土时以10 cm为单位分层压实，以控制土壤干容重为1.2 g·cm-3。桶壁包裹一层遮阳布，采用随机布置。

HP3K和HP30 处理在灌溉前向储水桶中注入相应型号的15 mg·L-1农用H2O2溶液，CK 处理注入普地下水，而后使用水泵(PLD-1206，石家庄市普兰迪机电设备有限公司)进行灌水，以精密压力表和分流开关控制压力。采用地下滴灌方式进行灌溉，灌溉压力为0.1 MPa，每桶中心位置15 cm 深度处埋设一个滴头(Netafim，以色列耐特菲姆农业科技有限公司)，流量2.2 L·h-1。

采用的缓释肥料为施乐多(15-15-30+TE，河北康拓肥料有限公司)。播种前，基肥用量159 g·m-2，均匀搅拌施于表层土体的1/3 处。分别于播种后110 d和151 d 通过水肥耦合方式追肥2次，每次79.5 g·m-2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤ODR 测定 使用ODR 测量仪(上海仪电科学仪器股份有限公司)对土壤中ODR 进行监测[7]。在监测桶中心位置处埋设铂金探头，埋设深度为10、20和30 cm。于冬小麦拔节期(3月7日)、抽穗期(3月27日)和灌浆期(4月20日)的完整灌水周期内进行监测，灌水前测量一次，灌水结束后监测一次，而后每天10:00和17:00 各监测一次，持续到下一次灌溉前。

1.3.2 小麦产量、水分利用效率及秸杆生物量 在生育末期，以桶为单位收获小麦地上部，脱粒后单独计产，用0.01 g 精度天平称量，统计其千粒重，水分利用效率为作物产量与灌水量的比值；收获后的秸秆于105℃杀青30 min，70℃烘72 h 至恒重后称重并计算秸秆生物量。

1.3.3 植株养分测定 分别测定秸秆及籽粒中全氮、全磷和全钾含量。植物样品称取干物质重后粉碎过筛(籽粒过60 目筛，秸秆过35 目筛)，然后用H2SO4-H2O2消解，采用K9840 凯氏定氮仪(山东海能科学仪器有限公司)测定全氮含量[25]，采用钼锑抗比色法测定全磷含量，采用原子吸收分光光度计法测定全钾含量[26]。

其他相关指标根据公式计算[27]:

式中，A为各器官N(P、K)吸收量，g·pot-1；Cg为各器官N(P、K)含量，g·kg-1；Mm为器官生物量，g·pot-1；AN为植株N(P、K)吸收总量，g·pot-1；AG为籽粒N(P、K)吸收总量，g·pot-1；AS为秸秆N(P、K)吸收总量，g·pot-1；B为植株N(P、K)养分利用率，g·g-1；F为施N(P、K)肥量，g·pot-1；C为籽粒N(P、K)分配率，g·g-1；GN为籽粒总N(P、K)吸收量，g·pot-1。

1.4 数据处理

数据采用平均值±标准差的形式表示，使用SPSS 22 进行相关关系分析，采用SigmaPlot 12.5 软件进行数据处理，采用Pearson 方法进行相关性分析，采用Fisher LSD 方法进行差异显著性检验(显著性水平为P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤ODR的影响

不同生育期不同处理冬小麦的ODR 如图2所示，以灌溉前进行的首次测量时间为0 h，灌水结束时间为4.6 h。各处理ODR均呈先下降后上升的趋势，下降持续的时间各不相同。在10 cm 土层深度，3个增氧处理各生育期的ODR 均在灌水后4.6 h 下降至最低值，且均高于20×10-8g·cm-2·min-1，拔节期CK 与增氧处理的ODR 同时降至最低值，且高于20×10-8g·cm-2·min-1，但在抽穗期和灌浆期CK的ODR 于灌水后21.9 h 降至最低，且低于20×10-8g·cm-2·min-1。在20 cm 土层深度，拔节期4个处理的ODR 均于灌水后4.6 h 达到最低值，且均高于20×10-8g·cm-2·min-1；在抽穗期和灌浆期，VAI、HP30和CK 仍在灌水后4.6 h 达到最低值，HP3K 则在灌水后21.9 h 达到最低值，抽穗期各处理的ODR 最低值已降至16～21.6×10-8g·cm-2·min-1，灌浆期各处理的最低值为10.2～21.8×10-8g·cm-2·min-1。在30 cm 土层深度，VAI的ODR 在拔节期和灌浆期于灌水后4.6 h 达到最低值，在抽穗期于灌水后21.9 h 达到最低值，而HP30、HP3K和CK的ODR 在各个生育期均于灌水后21.9 h 达到最低值，其中仅HP3K 在灌浆期的ODR 最低值低于20×10-8g·cm-2·min-1，其余各处理各个生育期的ODR 最低值均高于20×10-8g·cm-2·min-1。

灌水结束后，VAI和HP30的ODR在48 h(4.6～52.6 h)内较CK 有明显改善。增氧处理对20 cm 土层深度的ODR 改善效果最明显，在拔节期灌水后48 h时VAI和HP30的ODR 分别较CK 增加了60.45%和21.37%(P＜0.05)，抽穗期较CK 分别增加了73.77%和23.61%(P＜0.05)，而灌浆期灌水后48 h 仅VAI的ODR 较CK 增加了87.88%(P＜0.05)；10 cm 土层深度处也有一定的改善效果，在拔节期、抽穗期、灌浆期灌水后48 h时VAI和HP30的ODR 分别较CK 增加了47.49%、62.85%、79.28%和26.18%、39.54%、44.60%(P＜0.05)；而在30 cm 土层深度，仅VAI的ODR 有显著改善，在拔节期、抽穗期、灌浆期灌水后48 h时ODR 分别较CK 增加了60.45%、65.54%和53.41%(P＜0.05)。各时期灌水后48 h 内VAI 在10、20和30 cm 土层深度的ODR 均有显著改善；而拔节期和抽穗期HP30 在10和20 cm 土层深度的ODR 改善明显，灌浆期仅10 cm 深度处有改善。

2.2 不同处理对冬小麦产量和秸秆生物量的影响

由表1可知，与CK相比，VAI的产量增加了36.27%(P＜0.05)，秸秆生物量增加了23.57%(P＜0.05)，水分利用效率增加了38.98%(P＜0.05)；而HP30的产量增加了23.37%(P＜0.05)，秸秆生物量增加了10.33%(P＜0.05)，水分利用效率增加了21.47%(P＜0.05)；HP3K的产量、秸秆生物量和水分利用效率较CK 均无显著差异(P＞0.05)。

图2 不同处理对土壤氧气扩散速率的影响Fig.2 Effect of different treatments on oxygen diffusion rate(ODR)

表1 不同处理对冬小麦产量、秸秆生物量和水分利用效率的影响Table1 Effect of different treatments on winter wheat yield，straw bromass and water use efficiency

2.3 不同处理对冬小麦养分吸收利用的影响

由表2可知，增氧灌溉提高了冬小麦籽粒的养分含量。其中，VAI和HP30籽粒的N含量较CK 分别提高了22.42%和36.41%，VAI籽粒的P含量较CK 提高了97.00%；增氧灌溉处理后冬小麦的养分吸收总量也有所改善，与CK相比，VAI 冬小麦的N、P、K 吸收总量分别提高了53.23%、107.41%、72.94%(P＜0.05)，HP3K 冬小麦的P和K 吸收总量分别提高了39.51%和56.19%(P＜0.05)，HP30 冬小麦的N和P 吸收总量分别提高了50.32%和29.63%(P＜0.05)。与吸收总量相似，各处理的籽粒和秸秆吸收量也有所改善，VAI籽粒的N、P、K 吸收量分别较CK 提高了68.81%、214.29%、46.83%(P＜0.05)，HP3K籽粒的P吸收量较CK 提高了102.86%(P＜0.05)，HP30籽粒的N和P 吸收量较CK 提高了66.06%和74.29%(P＜0.05)；VAI 秸秆的P 吸收量较CK 提高了26.09%，VAI、HP3K和HP30 秸秆的K 吸收量较CK 分别提高了83.23%、33.87%和33.55%(P＜0.05)。

籽粒养分分配率是指示小麦籽粒形成时养分分配效率的重要指标。由表3可知，VAI和HP3K的籽粒N 分配率较CK 增加了8.33%和6.94%(P＜0.05)；VAI、HP3K和HP30的籽粒P 分配率增加了51.16%、18.18%和34.55%(P＜0.05)，各处理的籽粒K 分配率无显著差异(P＞0.05)。增氧灌溉提高了作物养分利用率。其中，VAI和HP30 冬小麦N 利用率较CK 提高了43.64%和34.55%(P＜0.05)；VAI、HP3K和HP30冬小麦P 利用率较CK 提高了115.38%、46.15%和30.77%(P＜0.05)，VAI和HP3K 冬小麦K 利用率较CK 提高了63.89%和50.00%(P＜0.05)。

表2 冬小麦不同部位的养分含量和养分吸收量Table2 Crop nutrient content and nutrient uptake in different parts

表3 不同处理对冬小麦籽粒养分分配率和养分利用率的影响Table3 Effect of different treatments on nutrient partitioning ratio and nutrient utilization efficiency /(g·g-1)

2.4 不同处理下冬小麦氧气扩散速率、养分利用和产量的相关关系

以4个处理3个生育期不同土层深度的ODR 均值作为该处理全生育期的ODR，分析ODR 与冬小麦养分吸收量、产量、秸秆生物量的关系。由表4可知，增氧灌溉下ODR 与冬小麦N、P 吸收总量均呈显著正相关(r=0.579和0.674，P＜0.05)，与籽粒N、P 吸收量也呈显著正相关(r=0.663和0.577，P＜0.05)。

由表5可知，VAI的冬小麦产量与籽粒N 吸收量呈显著正相关(r=0.801，P＜0.05)；HP3K的产量与冬小麦P 吸收总量以及籽粒K 吸收量呈极显著正相关(r=0.971～0.980，P＜0.01)，千粒重与冬小麦P 吸收总量呈显著负相关(r=-0.954，P＜0.05)；HP30的产量与冬小麦N 吸收总量、籽粒N 吸收量呈显著正相关(r=0.908～0.937，P＜0.05)，与籽粒K 吸收量呈极显著正相关(r=0.976，P＜0.01)；CK的产量与籽粒K 吸收量呈显著正相关(r=0.904，P＜0.05)，千粒重与籽粒P 吸收量呈显著正相关(r=0.923，P＜0.05)。

表4 ODR 与冬小麦N、P、K 吸收总量、籽粒N、P、K 吸收量、产量和秸秆生物量的相关性分析Table4 Correlation analysis among the oxygen diffusion rate(ODR) and the wheat nitrogen，phosphorus，potassium uptake，the grain nitrogen，phosphorus，potassium uptake，yield，straw biomass

表5 不同处理下冬小麦N、P、K 吸收总量、籽粒N、P、K 吸收量与产量和千粒重的相关关系Table5 Correlation analysis among the wheat nitrogen，phosphorus，potassium uptake，the grain nitrogen，phosphorus，potassium uptake and yield，1000-grain weight in different treatments

3 讨论

3.1 增氧灌溉对冬小麦土壤氧气扩散速率的影响

土壤通气性是反映土壤氧气含量及土壤-大气气体交换能力的综合指标，包含土壤气体的吸附、产生、交换等方面[28]。ODR是表征土壤通气性的重要指标，低于40×10-8g·cm-2·min-1会对作物生长造成负面影响，低于20×10-8g·cm-2·min-1甚至会造成作物死亡，通常将40×10-8g·cm-2·min-1作为作物正常生长的ODR 阈值[29]。增氧灌溉水中含有大量的含氧物质，可维持良好的土壤氧气环境[30]，进而提高ODR。本研究中，VAI 三个生育期10～30 cm 土层深度的ODR较CK 均显著提高，HP30 在拔节期和抽穗期10～20 cm 土层深度的ODR 有显著提高，且VAI和HP30的改善效果最少持续48 h。土壤氧气包括土壤孔隙中的气相氧和土壤溶液中的液相氧两部分[10]，VAI 使用水气二相流将微小气泡和水混合起来输送至作物根区，HP30 使用的H2O2溶液于根际土壤中缓慢释放氧气[31]，均可缓解灌溉造成的土壤缺氧环境，这可能是VAI和HP30的ODR 较CK 显著提高的原因。研究表明，双氧水增氧灌溉对土壤氧气环境的改善效果集中在滴头附近[21]。本研究中，VAI 在10、20和30 cm 土层深度的ODR 较CK 均有改善，而HP30 仅在10 cm和20 cm 土层深度有改善，这可能是由于滴头埋深为15 cm，HP30 对通气性的改善效果集中在滴头附近的10 cm和20 cm 深度。

3.2 冬小麦产量和养分吸收利用对土壤氧气扩散速率改善的响应

灌溉造成的作物根区缺氧环境会使根向冠层传递缺氧信号，对作物水分、生长素等生长物质的储存和运输造成负面影响，进而影响作物产量和生物量[32]。增氧灌溉将氧气或含氧物质输送至根区，缓解了根区缺氧环境，为根系有氧呼吸创造了有利环境，使根系保持较高活力[33]，进而增强了作物对生长物质的吸收利用，提高了作物产量[34]。本研究结果表明，与CK相比，VAI和HP30的产量均显著提高，HP3K 则差异不显著，其中VAI产量最高，且VAI的水分利用效率也有显著改善。这与Lei 等[30]研究的玉米受到增氧灌溉的增产效果相一致。

土壤-根系-微生物相互作用是养分进入作物系统的主要驱动力。根区微生物的有氧呼吸会促使土壤养分分解转化[35]，根区缺氧则会抑制作物根系和微生物的有氧呼吸，影响作物根系活力[36]。增氧灌溉改善了根区缺氧环境，促进了与硝化作用相关的亚硝化螺菌属、与磷钾代谢相关的假单胞菌属、芽孢杆菌属等菌群的生长，同时抑制了与反硝化相关的罗尔斯通菌属的生长[37-38]，可保持土壤肥力，促进根系的有氧呼吸，提高根系活力，进而促进作物对养分的吸收[39]。本研究中，增氧灌溉改善了冬小麦对养分的吸收利用。VAI 各养分的吸收总量、籽粒吸收量和养分利用率均较CK 显著增加；HP3K的P、K 吸收总量有所改善，HP30的N、P 吸收总量和N、P 养分利用率较CK 也显著提高。大量研究表明，改善根区土壤通气性可以增强作物对养分的吸收利用，如小白菜[39-40]、玉米[41]和番茄[10]等，这与本研究结论一致。

3.3 冬小麦养分吸收、产量和氧气扩散速率的关系

有研究指出，适量的氮肥可提高作物产量，N的吸收对作物增产有显著的贡献[42]。增氧灌溉可增强土壤ODR[10]，促进根系生长[43]，进而提高作物对养分的吸收利用[40-41]，ODR的改善与温室番茄的产量呈正相关关系[10]，这与本研究结论一致。本试验中，ODR 与冬小麦N、P 吸收总量和籽粒N、P 吸收量均呈显著正相关(P＜0.05)。VAI和HP30的产量和籽粒N 吸收量呈显著正相关(P＜0.05)，HP3K的产量和冬小麦P吸收总量呈极显著正相关(P＜0.01)。

4 结论

本研究结果表明，增氧灌溉改善了根区ODR，进而提高了冬小麦养分吸收及产量。与CK相比，VAI和HP30的ODR 有显著增强，且灌溉后的ODR 能长时间保持在阈值以上，保障了冬小麦的正常生长。增氧灌溉还可改善冬小麦的产量和水分利用效率，VAI和HP30 均较CK 有显著提高。增氧灌溉可促进植株N、P、K的吸收利用，与CK相比，VAI 冬小麦N、P、K吸收总量以及HP3K和HP30 冬小麦P 吸收总量均有显著提升，VAI 冬小麦N 利用率和籽粒N 分配率也得到了显著改善。分析各项指标的相关关系可知，增氧灌溉的ODR 与冬小麦N、P 吸收总量以及籽粒N、P 吸收量呈显著正相关，HP30 冬小麦N 吸收总量、VAI和HP30籽粒N 吸收量均与产量呈显著正相关。本试验条件下，VAI 在土壤氧气环境、产量和养分吸收利用等各方面均较CK 有显著改善，在3种增氧处理中表现最佳，且使用空气进行循环曝气较为简单方便，可考虑在冬小麦增氧灌溉的实际应用中进行推广。