覆膜与补充灌溉对根际土壤微生物量和土壤酶活性的影响研究*

张正安，李晓晓

（大禹节水集团股份有限公司，天津 300000）

1 灌溉技术概述

1.1 膜下滴灌技术

膜下滴灌是国内覆膜种植技术与以色列滴灌节水技术相融合的一种新型灌溉模式，具有覆膜种植技术的保墒增温作用，同样具备滴灌可减少株间蒸发、防止土壤水分深层渗漏、节水增产的特点。较常规灌溉节水达50%，省肥20%，增产10%以上［1］。

滴灌系统设备的研发始于1913年，由美国克罗拉多州立大学的House成功研发并尝试应用。直到1960年，以色列Blass将滴灌技术应用于户外作物，使滴灌技术在全世界得到推广和使用。随后，该技术迅速引入南非、北美及澳大利亚等地区，并广泛应用于草莓、甘蔗及棉花等大田作物的灌溉。我国滴灌技术于1974年从墨西哥引入，据1996年统计，我国滴灌推广种植面积已达7.3万hm2［2］，2010年，我国滴灌技术步入稳定普及阶段，滴灌面积为120万hm2［3］，基本可以满足温室大棚，果树，棉花，小麦及沙漠绿化等需要。近年来，我国甘肃、宁夏、内蒙、新疆等西北地区建立膜下滴灌试验示范区，多种作物诸如马铃薯、甜瓜、小麦、玉米等开始使用膜下滴灌技术并取得成功，截止2017年，国内膜下滴灌推广面积达466.9万hm2［4］，成为全球膜下滴灌技术应用面积最大的国家。

1.2 垄膜沟灌技术

起垄覆膜沟灌技术指通过人工或机械改变农田地型，修整成垄台、垄沟后，覆膜在垄或全部覆膜的一种集成灌溉节水技术，具有改善土壤水、气、热、光小气候环境，从而促进作物生长的作用。2008～2009年，该技术由甘肃省农牧厅在实施“全省灌区农田节水技术示范推广”项目中将覆膜方式与沟灌技术结合改进形成新的节水灌溉技术，且在甘肃范围内得到大面积的推广。据相关报道显示，2010年甘肃垄膜沟灌种植面积达13.03万hm2，2011年增至21.22万hm2，到2012年该技术推广县（区）达42个，播种面积为37.49万hm2，三年累计节水13.88亿m3，农户经济收入12.06亿元，垄膜沟灌技术节水增产效益显著［5］。此外，垄膜沟灌技术下灌溉水的入渗特性、不同作物生长情况亦为研究热点。

1.3 覆膜畦灌技术

畦灌是我国北方传统的灌水方式，具有设备简单、操作方便、成本低等优点，广泛适用于花生、小麦等密植作物。畦田灌溉主要依靠灌溉水的重力及农田土壤吸附作用达到浸湿耕地的目的，但该技术需水量较大，易造成灌溉水深层渗漏，水资源浪费严重。针对畦灌耗水量较大，浪费水资源严重等实际问题，阚常庆［6］等从畦灌流动模拟、水平畦灌技术、技术要素3个方面研究分析，指出畦灌技术的创新点是优化畦灌流动模拟、改进畦灌入渗机理及建立完整的畦灌技术评价体系。特别的，为探求田间夏玉米最优畦灌液施方式，有学者选择不同的畦宽、改水成数、施肥时期进行试验，认为不同畦灌处理对水氮均匀度影响显著，但对土壤水氮存储效率无显著影响；畦宽为1.5 m、灌水达1/2畦长、改水成数为95%的畦田灌水施肥模式可显著提高夏玉米产量和水分利用效率［7］。近年来，随着覆膜技术的发展，覆膜与畦灌技术相结合的灌溉方式逐渐成为畦灌技术发展的新趋势。

2 植物根际系统概念及研究进展

根际（Rhizosphere），是指受植物根系活动影响，在物理、化学和生物学性质上不同于原土体的那部分特殊土壤微区域［8］，由于植物种类、生长阶段，根系年龄、生存环境和土壤性质的差异，根际范围并没有一个固定的界面（但通常是指土壤中距离植物根表面数毫米（黏质土壤）或1~2 cm内（沙质土壤）理化性质与生物学性质均不同于原土体的微型区域）［9］，反之根际变化是一个双向复杂的动态变化过程。

植物根际系统是植物—植物根际土壤环境—土壤微生物互相作用的核心微区，是土壤生态环境和植物体自身进行各种物理、生化反应，能量流动的微域，是各种养分、水分、微生物、有益、有害物质进入植物根系参与物质循环的门户，决定着土壤养分在植物根系表面累积的多少［10］。环境胁迫下的根际动态是植物对环境刺激内应的集中表现，植物根系分泌物是对根际动态的主要响应，能够积极参与并很大程度改变根际的生化反应过程，不仅可以改善土壤质量、促进土壤健康，构建植物与土壤微生物间的信号传导，同时植物释放根系分泌物来抵御各种非生物因素的干扰与生物胁迫。因此，对于根际和根际微生物的研究历年来备受国际各方专家重视。目前，对根际动态的研究已经涉及到土壤学、植物学、植物生理学、植物营养学、生态学、微生物学，生物化学等多学科内容，是国际具有重要意义的热门研究领域。

“Rhizosphere-2004”根际研究国际学术研讨会指出，经过近100年的研究，在根际生态调控、根际管理、根际对话、根分泌物作用机制、根系分子生物学、微生物与病原菌的相互作用、根际研究方法等方面都取得了重要进展。植物根际环境作为植物与土壤相互作用的微区域，将是环境科学领域重要研究对象。

3 覆膜与补充灌溉对根际土壤微生物量和土壤酶活性的影响

3.1 覆膜与补充灌溉对根际土壤微生物量的影响

土壤微生物量（MB）作为土壤有机质的活性组分，参与土壤有机质的合成和分解，是土壤自然肥力的重要指标之一。MBC是土壤有机碳库的一部分，占比仅为有机质的1%～4%［11］，但是在土壤养分提供与转化、质量监测、能量储存中起主导作用，与土壤中的N，C，S，P等成分密切相关。研究表明，MBN是土壤有效氮的主要来源，其含量的大小决定土壤氮素肥力的高低［12］。灌溉通过改变农田土壤水分状况，进而影响土壤微生物生长。已有研究表明不同灌溉方式对微生物功能多样性、微生物数量均有不同的影响［13］，并指出相比沟灌和渗灌，膜下滴灌技术可使土壤微生物活性处于更高水平。

3.2 覆膜与补充灌溉对根际土壤酶活性的影响

土壤酶（Soil enzyme）来源于土壤微生物、植物根系及动植物残体腐蚀等，是土壤能量转化和物质循环的催化剂，直接参与动植物残体的分解及其转化、土壤腐殖质的分解等生化反应过程。为进一步研究土壤酶的生态效应，国际酶学委员会（International Enzyme Committee）于1961年将已知的酶分为水解酶、氧化还原酶、裂合酶、转移酶、异构酶及连接酶等6类，目前关于土壤酶的研究主要集中在氧化还原酶（A）和水解酶（B）两大类，常见的过氧化氢酶、脱氢酶、过氧化氢物属于A类，此类酶在催化反应过程中伴有能量的吸收和释放；B类酶包括与土壤生态系统中碳、氮、磷的养分循环密切相关的脲酶、磷酸酶及蛋白酶等。研究发现脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶、蔗糖酶与土壤有机质、全氮、全磷、速效钾、速效磷的相关性达到显著水平，说明土壤酶活性可以评价土壤肥力以及作物生长环境，用土壤酶活性来表征土壤健康状况是可行的。

众所周知，灌溉可以直接改变土壤水分状况。土壤酶活性对土壤水分响应敏感，适宜的土壤水分条件能提高土壤酸性磷酸酶、转化酶及脲酶活性。陈宁等［14］设置不同灌溉处理，进行膜下滴灌和常规畦灌对比研究，在不同生育期，膜下滴灌可以不同程度提高土壤酶活性。贺伟等［15］认为滴灌处理下土壤酶活性均显著高于传统灌溉和不灌溉。此外，亦有学者认为土壤酶中除过氧化氢酶及淀粉酶不受水分变化外，其他酶活性均可随着土壤水分增加而升高；一般土壤表层（0～5 cm）土壤酶活性较高，随着土壤深度的增加酶活性逐渐减少。土地利用及管理模式不同，也可使土壤酶活性存在差异。目前对土壤酶活性的研究主要涉及土壤耕作、施肥、灌溉等农业管理领域，而不同补充灌水方式对土壤酶活性影响研究结论差异较大。

4 展望

覆膜与灌溉方式下的根际动态是植物对环境刺激内应的集中表现，植物根系分泌物是对根际动态的主要响应，能够积极参与并很大程度改变根际的生化反应过程，不仅可以改善土壤质量、促进土壤健康，构建植物与土壤微生物间的信号传导，同时植物释放根系分泌物来抵御各种非生物因素的干扰与生物胁迫。然而，在全球水资源紧缺且诸多地区仍缺乏合理灌溉制度背景下，覆膜与补充灌溉对植物根际环境影响机理的研究却相对较少，缺少覆膜与补充灌溉方式对土壤微生态环境潜在作用机理、作用过程等方面的深入研究。结合国内外研究现状，今后可望在以下几个方面做更深入的系统研究：

（1）我国水资源极度紧缺，用于农田灌溉的水资源亦更加匮乏，为保证全球粮食安全，提升作物对干旱灾害的应对能力、改善作物的土壤生态环境，补充灌溉要结合高效新型灌溉技术，例如滴灌、微灌等，同时准确的掌握作物需水时间、需水量，最大限度的挖掘节水潜力，开展极限节水研究。同时通过多组学技术手段进行全方位研究，深入研究水分胁迫改善土壤生态环境的原因，最大限度的挖掘作物耐旱潜力。

（2）随着高通量测序技术等先进测序方法的不断完善，对于土壤微生物方面的研究也在不断的深入和扩展。后续研究应借助新的先进技术和研究方法，植物根际重要信号物质类型、释放特征，对根际养分供应与吸收作用机制和调控网络方面进行研究，以从细微尺度上丰富和推进植物对水分胁迫逆境的适应与响应机理性的认识。