劉錦濤等

摘要：基于小區(qū)試驗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0～20 cm土層土壤水溶解氧含量影響顯著，對深層土壤影響較小。因此可知，制定合理的水稻加氣控制灌溉制度，可為水稻生長提供有利的根區(qū)供氧條件，對促進水稻生長、提高水稻產量有重要意義。

關鍵詞：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： S275文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0389-04

收稿日期：2014-10-15

基金項目：國家自然科學基金（編號：51211411）；江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊項目。

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

通信作者：徐俊增，博士，教授，主要從事節(jié)水灌溉理論及其農田生態(tài)效應的研究。E-mail：xjz481@hhu.edu.com。水稻長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)，會導致還原性物質的富集，雖然水稻根系有泌氧作用，但也會出現(xiàn)黑根等現(xiàn)象，從而影響水稻根系生長。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，以滿足作物生長與高產的需要[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，通過大田試驗研究了加氧灌溉對菠蘿根區(qū)土壤呼吸作用、生理特性、生物量積累、果實產量、品質和水分利用效率的影響，認為加氣灌溉使得土壤呼吸增加了100%，菠蘿的果實鮮質量、生物量鮮質量、干物質質量和收獲指數(shù)明顯增大，與對照相比差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05）[4]。李勝利等在關于不同根際通氣環(huán)境對盆栽黃瓜生長初期及根際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，通氣最多的黃瓜根際CO2含量為0.309%，比對照降低了29.4%[5]。郭超等研究了根際通氣對盆栽玉米生長及對玉米根系活力的影響，結果表明，加氣灌溉能夠提高玉米株高、葉面積、葉綠素含量，并可促進地上、地下部分干物質的積累，同時通氣處理還能夠促進作物的養(yǎng)分吸收[6]。孫周平等研究了根際通氣性對馬鈴薯光合生理指標的影響，結果表明，改善根際通氣條件能夠促進馬鈴薯光合作用與光合代謝產物的轉運和積累，其中根際管通氣處理下馬鈴薯植株的生長效果比根際自然擴散通氣處理要好[7]。胡德勇等研究了增氧灌溉對大棚秋黃瓜生長特性的影響，結果表明，輸氣灌溉促進了秋黃瓜植株的生長，增強了植株根莖葉的整體功能，提高了結實率，最終使得秋黃瓜的產量得到顯著增加，并且在不同生育階段葉片的葉綠素、可溶性蛋白質和可溶性糖的質量分數(shù)均有不同程度的增加，葉片的光合速率得到顯著增強[8]。劉杰等研究了根區(qū)加氣對溫室小型西瓜形態(tài)指標、產量、品質的影響，結果表明根區(qū)加氣處理對地下滴灌條件下日光溫室小型西瓜形態(tài)指標、產量、品質產生了明顯影響，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采用無水層管理，已有研究認為，在控制灌溉下，田面長時間不建立水層可以改善耕層土壤的通氣狀況，促進稻根的生長發(fā)育，改善根系對養(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，加氣灌溉對于稻田土壤水中溶解氧的含量及水稻生長的影響會存在差異，相關研究還有待開展。本研究基于小區(qū)試驗，分別針對稻田在淹水和控制灌溉條件下進行加氣灌溉試驗，并采用不同灌溉方式和加氣濃度結合的方式，以揭示稻田土壤水溶解氧隨時間的變化規(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依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗于2013年在河海大學國家重點實驗室昆山試驗基地（地理位置31°15′15″N，120°57′43″E）的6個田間試驗小區(qū)開展。該區(qū)域屬亞熱帶南部季風氣候，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土層土壤有機質含量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。試驗中考慮不同灌溉方式和不同加氣量的組合，共設6種處理：常規(guī)灌溉（簡稱CKT）、控制灌溉（簡稱CKC）、控制灌溉+低加氣量（簡稱C+LGQ）、控制灌溉+中加氣量（簡稱C+MGQ）、控制灌溉+高加氣量（簡稱C+HGQ）、常規(guī)灌溉+高加氣量（簡稱T+HGQ）。試驗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，確定灌水時間和灌水定額。按當?shù)厮痉N植習慣進行常規(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，確定灌水時間和灌水定額，各生育階段具體控制指標見表1。試驗采用物理加氣法，通過一種氣泡發(fā)生器（圖1）實現(xiàn)，當田間需要灌水時，同步打開氣泵，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

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，為根層觀測深度內土壤含水量平均值，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）與各生育階段設定的控制百分比相乘得到。endprint

1.2觀測方法

水稻插秧前在各處理的對應小區(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，再用土工膜包裹嚴實，取樣器周圍土壤盡可能壓實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開始，于每天08：00采用美國YSI ProODO光學溶解氧測量儀測量取樣器中土壤水溶解氧（DO）含量，持續(xù)觀測至下次灌水。

2結果與分析

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表2，各生育期典型日各處理均按照試驗期間稻田灌水控制指標和加氣要求進行灌溉。由表2數(shù)據(jù)可見，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顯著性差異。

2.2稻田土壤水溶解氧含量隨時間的變化規(guī)律

對圖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間推移呈下降趨勢。

節(jié)孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度達61%，抽穗開花期土壤水溶解氧含量降低幅度達75%；C+MGQ處理下，分蘗期土壤水溶解氧含量降低幅度達57%，拔節(jié)孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度達78%，抽穗開花期土壤水溶解氧含量降低幅度達80%；C+HGQ處理下，分蘗期土壤水溶解氧含量降低幅度達25%，拔節(jié)孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度達66%，抽穗開花期土壤水溶解氧含量降低幅度達82%；T+HGQ處理下，分蘗期土壤水溶解氧含量降低幅度達16%，拔節(jié)孕穗期土壤水溶解氧含量降低幅度達70%，抽穗開花期土壤水溶解氧含量降低幅度達77%；作為對照的常規(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)出隨時間推移而下降的趨勢；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，這是因為經過分蘗末期曬田，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)出隨時間推移而下降的趨勢，但不同深度之間存在差異。由圖2可見，對于0～10 cm土層，隨著時間推移，土壤水溶解氧含量會逐漸降低，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，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充；而對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基本相同，無太大差異。由圖4可以看出，40 cm土層處，由于稻田滲漏較慢，灌溉水進入深層土壤中較少，且與外界空氣接觸困難，導致加氣灌溉效果對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，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到顯著水平，對照處理表現(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行加氣灌溉，對稻田0～20 cm土層土壤水溶解氧的含量提升效果最為顯著。常灌對照各土層間土壤水溶解氧均值與控灌對照大致相同，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，表明加氣灌溉對改善常灌稻田土壤水溶解氧效果顯著。

規(guī)律時，土層深度設為10～40 cm。除分蘗前期外，各時期均呈現(xiàn)出隨著土層深度的加深，溶解氧濃度減小。全生育期內，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，達到顯著水平，20與40 cm土層間存在差異，但差異較小；C+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加氣灌溉對各土層稻田土壤水溶解氧的影響隨時間逐漸減小，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，可見常灌模式下加氣灌溉對10 cm土層土壤水溶解氧提高效果明顯。endprint

3結論

（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件下的加氣灌溉對稻田0～20 cm土層土壤水溶解氧提高效果最為顯著，對深層土壤效果不明顯；同時，加氣灌溉對改善常灌稻田土壤水溶解氧含量效果顯著，其中對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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