隔沟交替灌溉研究进展

2021-11-29吴彦霖张恒嘉李福强王泽义周三利

农业工程 2021年6期

梁超，芦倩，吴彦霖，张恒嘉，，肖让，李福强，王泽义，周三利

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070；3.河西学院土木工程学院，河西走廊水资源保护利用研究所，甘肃张掖 734000)

0 引言

水资源匮乏已成为制约全球经济、生态与农业发展的瓶颈之一，实现在总量约束下的水资源高效利用是社会持续发展的必然要求。对耗水比例大的农业用水而言，追求灌溉水资源的高效利用及作物高产便显得尤为重要。众多学者基于传统的农业灌溉原理提出了调亏与优化水量的有限灌溉、非充分灌溉和调亏灌溉等思想与方法，以提升作物灌溉水利用率并获得高产[1]。这些方法的提出丰富了节水灌溉的内容，但是忽略了作物根系功能对水分高效利用的效果。相关研究表明，农田灌溉水中仅有1%～2%被作物吸收用于器官的形成，其余绝大部分水以植株蒸腾和株间土壤蒸发的形式流失[2]。因此，利用改进地面灌溉技术实现高效节水为目前主要研究方向之一[3]。

近年以挖掘作物自身节水潜力并在部分作物上得到一定应用的控制性交替灌溉技术被认为是节水灌溉领域的重大突破之一，在作物大面积灌溉中具有较广阔的应用前景，为干旱区发展高效节水灌溉提供了一种新途径[4-5]。本文综述了控制性交替灌溉技术的研究背景、意义、作用机理和应用效果，旨在为我国发展优质高产节水型农业生产提供借鉴。

1 发展概况

1.1 隔沟交替灌溉的提出

国外学者在20世纪60—70年代开始尝试在一些作物节水方面采用隔行灌溉和隔沟灌溉技术，并针对其在作物水分利用效率及蒸腾特性方面进行了研究，但这些技术都没有对作物本身节水能力进行挖掘，仅通过改变供水方式以减小作物全生育期耗水量[6]。因此，类似试验中隔沟灌溉仅作为一种节水灌溉措施来应用，并没有对作物生理节水方面进行深入研究。基于此，相关学者于20世纪90年代进行的水分胁迫下作物根冠信号研究为交替灌溉提供了理论依据[7]。

1.2 研究意义

适当的水分亏缺对作物产量提高有一定促进作用。研究表明，前期合理的水分胁迫可增强作物后期抗旱强度，对植株及时复水可显著提高作物根系的补偿生长，有利于增加作物生长速率[8]。隔沟交替灌溉技术利用根系系统的补偿效应及根源信号功能，当作物根系感受到一定程度的水分胁迫时，从生理角度出发控制水分奢侈蒸散，降低地下深层渗漏量，提高灌溉水利用率，实现水分高效利用达到节水效果。隔沟交替灌溉过程中，经过干湿交替胁迫锻炼，作物根部水肥吸收能力和物质运输功能得到显著提高，作物适应环境的能力增强，养分和水分利用率进一步提高，更有利于植株生长。

2 作用机理

2.1 根系吸收补偿功能增强

隔沟交替灌溉通过影响作物根系对水分的吸收运输功能和改变土壤湿润方式交替调控不同根区土壤水分，让某个特定位置根系活动层土壤处于干旱状态，而仅对部分土壤进行供水，使植物根系一直交替处于湿润与缺水状态，从而使不同位置的根系承受一定程度的干旱胁迫锻炼，根系表面积显著增大，增加根部的抗旱耐受力，有助于根系吸收能力提高[9]。康绍忠等[10]试验结果发现，隔沟交替灌溉可以改变作物根区土壤浸润方式，促使作物根源信号发生改变使作物根系进行吸收补偿反应，进而调节植株气孔导度以减少灌溉用水。杨依凡等[11]研究发现，干湿交替灌溉能使根系在干旱和湿润之间来回适应，从而激发根系的生长，植株根系总量明显增加，功能更完善，有利于根系从土壤中吸收更多营养物质。

2.2 农田土壤水分消耗减少

隔沟交替灌溉并不似传统灌溉方式对所有土壤进行灌水，而是仅湿润一半左右的地表面积，频繁干湿交替促进作物根系吸收水分，在不影响光合作用的情况下降低棵间土壤蒸发，改善土壤通透性，降低农田土壤水分消耗[12]。汪明霞等[13]大豆试验结果发现，隔沟交替灌溉能降低土壤水分深层渗漏，减少表层土壤水分蒸发，显著节省灌溉水量。研究表明，运用控制性隔沟交替灌溉技术作物棵间蒸发蒸腾量可减少20%～35%，干湿交替降低了地表无效蒸发，同时也减少了奢侈蒸腾，节水效果显著[14]。

2.3 水分利用效率提高

隔沟交替灌溉技术通过根信号功能调整叶片气孔导度开到最优，提高农田土壤水分利用效率。植物的根系具有一定的信号调节功能，当受到一定的水分亏缺时，作物根部位会产生一种根源信号，这种信号会传输到叶片部位，叶片会通过减小自身气孔导度来降低或阻止作物多余的蒸腾耗水，在以不消耗光合产物积累的前提下保持植物体内的水分平衡[15]。史文娟等[16]对玉米进行根部垂向交替灌溉，研究其对盆栽玉米生长发育的影响，试验结果发现，交替灌溉下的玉米节水量达20%以上，且在5 d试验处理下，作物的产量最大，水分利用效率最高。李彩霞等[17]的试验结果显示，在交替隔沟灌溉下，作物根系为了吸收水分会刺激根系的生长，增加根系长度与下扎深度，有助于根系吸收利用更深层次土壤水分与养分，最终使得作物在非充分供水条件下达到节水增产的目的。程铭慧等[18]的试验结果表明，在相同的灌溉水量和调亏时间下，经过分根交替灌溉状态下的作物较常规灌溉明显省水，可节约水量7.35%，水分利用效率显著高于常规灌溉。

3 应用效果

3.1 对作物生长发育的影响

土壤水分含量与分布对作物的生长有重要影响，隔沟交替灌溉能在减少灌水量的同时促进作物生长发育，有效减少植株生长冗余，优化光合同化产物的分配。王腾飞等[19]试验结果表明，马铃薯株高、茎粗及叶面积指数受隔沟交替灌溉影响显著，对马铃薯生长发育有明显促进作用。赵娣等[20]对加工番茄进行分根交替灌溉结果发现，相比常规灌溉与固定灌溉，分根交替灌溉加强了番茄根部吸收与合成能力，有利于地下根系分叉生长与营养吸收，促进番茄地上部生长发育。杨慧[21]研究表明，分根交替灌溉能够减小番茄株高与叶面积指数，促进茎粗生长，有利于作物抗倒伏和优化植株形态。

3.2 对作物光合生理特性的影响

土壤含水量与作物光合速率、气孔导度和蒸腾速率关系密切。控制交替灌溉会通过减小叶片气孔开度抑制光合作用，从而减少植物奢侈蒸腾以保持体内水分平衡。汪顺生等[22]试验结果发现，玉米经受一定程度的水分胁迫时，交替灌溉在不显著降低光合速率的情况下明显减少蒸腾耗水，保证作物的正常生长。杜少卿[23]对苹果的隔沟交替灌溉研究结果表明，隔沟交替灌溉不会明显影响作物光合产物合成，光合速率轻微减小会抑制多余的营养生长，从而提高作物光合效率。陈丽楠等[24]研究发现，交替灌溉条件下叶片气孔导度的适度下降，有利于减少奢侈蒸腾。

3.3 对作物产量及品质的影响

作物产量不仅与灌水量多少有关，还受灌水方式的影响。JIA Dianyong等[25]隔沟交替灌溉试验结果表明，隔沟交替灌溉下的冬小麦籽粒产量、氮素吸收效率显著大于拔节和开花期每沟灌溉。张慎凤[26]研究发现，干-湿交替灌溉可增加作物产量，增幅为10.1%～11.7%，且对水稻出糙率、精米率等有明显优化作用，根系氧化力和根细胞分裂素均有明显增多，有利于作物品质提高。孙明德等[27]研究结果表明，隔沟交替灌溉梨树较常规漫灌种植能有效增加灌溉湿润区内土壤水分含量，促进了梨树营养生长，并能增大果实体积，提高产量，其中沟宽30 cm的隔沟交替灌溉可显著提高产量22.5%。

3.4 对作物水分利用状况的影响

隔沟交替灌溉使土壤根部交替处于亏水或湿润状态，在不影响光合产物积累前提下通过调整叶片气孔开度改善作物水分利用状况。陆文娟等[28]试验结果发现，玉米隔沟交替灌溉比常规灌水节水18.6%～20.5%。赵娣等[29]通过不同灌溉方式对番茄的水分利用效率影响分析得出，隔沟交替灌溉较常规灌溉水分利用效率显著提高了50.86%。过多水量不仅不利于植株生长，而且造成水资源不合理利用。研究表明，玉米控制性分根交替灌溉效果较为显著，当灌水量为55%～65%田间持水量时可节水34.4%～36.8%，水分利用状况明显改善[11]。