張吉立,劉振平,王金樂,龍懷玉,王 鵬

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),黑龍江 大慶 163319;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081)

負(fù)壓灌溉又稱連續(xù)負(fù)壓供水、作物主動(dòng)汲水技術(shù),其供水原理是利用土壤基質(zhì)勢(shì)和水勢(shì)之間的壓力差實(shí)現(xiàn)連續(xù)供水并保持土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定的一種灌溉技術(shù)[1]。它是一種基于作物主動(dòng)汲水理論研發(fā)的一種精準(zhǔn)且按需連續(xù)供水的灌溉技術(shù),其灌水量高低取決于作物主動(dòng)汲水量,灌溉過程不受人為因素的影響;而傳統(tǒng)灌溉是基于人類判斷的一種間歇式為作物正壓供水的行為,灌水量高低受灌溉者個(gè)人對(duì)作物需水量的判斷所制約,與作物實(shí)際汲水量并無直接關(guān)系,并且傳統(tǒng)灌溉也會(huì)引起土壤含水量的干—濕交替變化,這與負(fù)壓灌溉有著本質(zhì)的區(qū)別[1]。該項(xiàng)研究最早起源于1908年,到1962年負(fù)壓灌溉技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中,1996年負(fù)壓灌溉器皿正式應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)中,但是仍然不能進(jìn)行人工設(shè)置固定壓力值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供水。直到2013年龍懷玉發(fā)明負(fù)壓灌溉系統(tǒng)才有效實(shí)現(xiàn)特定供水壓力下的自動(dòng)供水技術(shù),但是該系統(tǒng)需要電力支持,這也進(jìn)一步限制了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。2018年重液式負(fù)壓閥的發(fā)明最終實(shí)現(xiàn)了負(fù)壓無能耗供水并穩(wěn)定控制土壤含水量的目標(biāo),由此負(fù)壓灌溉系統(tǒng)應(yīng)用范圍快速擴(kuò)展到了大田作物[2]。本文結(jié)合前人相關(guān)研究結(jié)果,綜合分析負(fù)壓灌溉對(duì)水分利用效率和植物生理特性的影響規(guī)律,以期為生產(chǎn)中科學(xué)合理應(yīng)用負(fù)壓灌溉技術(shù)提供參考。

1 負(fù)壓灌溉對(duì)不同類型土壤含水量的影響

由表1可知,負(fù)壓灌溉條件下,土壤含水量受供水壓力和土壤質(zhì)地的影響較大,相同供水壓力下不同土壤類型測(cè)定的土壤含水量存在差異。從負(fù)壓灌溉對(duì)6種不同類型土壤含水量的影響來看,土壤含水量表現(xiàn)為隨著供水壓力的降低而降低,這種變化不受土壤類型的影響。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與土壤水勢(shì)、供水桶內(nèi)水勢(shì)和重液閥設(shè)置負(fù)壓值三個(gè)因素有關(guān)。當(dāng)土壤水勢(shì)低于儲(chǔ)水桶內(nèi)水勢(shì)和重液閥設(shè)置負(fù)壓值時(shí),水分便從供水桶進(jìn)入土壤中;當(dāng)土壤水勢(shì)低于供水桶同時(shí)高于重液閥負(fù)壓值時(shí),此時(shí)儲(chǔ)水桶內(nèi)水分受重液閥設(shè)置的負(fù)壓值控制而不能進(jìn)入土壤中,從而導(dǎo)致土壤水分不能得到補(bǔ)充引起含水量進(jìn)一步降低,水勢(shì)也會(huì)同時(shí)降低,直到土壤水勢(shì)值低于重液閥所設(shè)置的負(fù)壓值時(shí)水分才能從供水桶內(nèi)進(jìn)入土壤,因此隨著負(fù)壓值的降低,水分從供水桶進(jìn)入土壤的難度會(huì)增加,供水量也會(huì)減少,從而導(dǎo)致土壤含水量降低。另外,在相同供水壓力下,土壤含水量表現(xiàn)為隨著土壤質(zhì)地變的粘重而降低,這與負(fù)壓灌溉條件下質(zhì)地粘重的土壤水分移動(dòng)能力較差有關(guān),而沙質(zhì)土壤水分移動(dòng)能力較好從而使得相同供水壓力下沙質(zhì)土含水量較高。

表1 負(fù)壓灌溉對(duì)不同類型土壤含水量的影響

2 負(fù)壓灌溉對(duì)不同作物水分利用效率的影響

由表2可知,不同作物、不同供水壓力下作物水分利用效率存在差異。油白菜水分利用效率隨著供水壓力降低而升高;黃瓜、櫻桃胡蘿卜隨著供水壓力降低水分利用效率先升高后降低,玉米、小白菜、茄子水分利用效率隨著供水壓力降低而降低,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與不同植物適宜的供水壓力存在差異有關(guān)。在同一供水壓力下不同作物的水分利用效率也存在差異,從-5 kPa對(duì)7種作物水分利用效率影響的研究結(jié)果來看,小白菜水分利用效率提高幅度最大,其次為黃瓜,油白菜和玉米提高幅度較小,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與不同作物需水規(guī)律存在差異有關(guān),也可能與試驗(yàn)地環(huán)境條件存在差異有關(guān)[1]。盡管負(fù)壓灌溉下不同作物水分利用效率的提高幅度不同,但是參試各種作物水分利用效率均高于常規(guī)灌溉,鑒于此,Zhang等[1]初步探索了負(fù)壓灌溉提高玉米水分利用效率的分子機(jī)制,研究結(jié)果顯示水分利用效率提高可能與負(fù)壓灌溉使玉米根系A(chǔ)quaporinPIP2-2和AquaporinTIP2-3-like兩個(gè)基因高倍上調(diào)表達(dá)有關(guān)。

表2 負(fù)壓灌溉對(duì)不同作物水分利用效率的影響

3 負(fù)壓灌溉對(duì)不同作物生理特性的影響

負(fù)壓灌溉形成的穩(wěn)定土壤含水量與土壤水分干濕交替變化相比作物根系活力、葉綠素含量、光合速率和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量均會(huì)發(fā)生顯著變化。從前人的試驗(yàn)結(jié)果來看,負(fù)壓灌溉對(duì)作物根系活力的影響因不同作物和供水壓力差異表現(xiàn)均不同。王相玲[14]研究結(jié)果表明,油菜隨著供水壓力降低根系活力表現(xiàn)出升高的變化,-5 kPa、-10 kPa、-15 kPa根系活力顯著低于對(duì)照,-20 kPa顯著高于對(duì)照,而奶白菜-10 kPa、-15 kPa均顯著高于對(duì)照,小白菜-5 kPa和-10 kPa均顯著低于對(duì)照,-20 kPa與對(duì)照之間無顯著差異[4];在潮菜園土和紅菜園土上,小白菜根系活力表現(xiàn)為隨著負(fù)壓供水壓力降低而降低的變化,-5 kPa處于最高值,-15 kPa處于最低值[15];辣椒-5 kPa顯著高于對(duì)照,但-10 kPa和-15 kPa低于對(duì)照,與對(duì)照差異不顯著[16],茄子-3kPa在整個(gè)生育期均顯著高于對(duì)照,始果期至生育末期-8 kPa和-15 kPa與對(duì)照相比均顯著降低[17],而玉米-5 kPa、-10 kPa、-15 kPa與對(duì)照相比均顯著提高了根系活力[2,5]。從前人的研究結(jié)果來看,在相同的供水壓力下部分作物如玉米等根系活力高于對(duì)照,部分作物如油菜等低于對(duì)照,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因包括兩個(gè)方面,首先是不同作物對(duì)土壤水分變化的敏感程度不同,其中對(duì)土壤水分較為敏感的玉米、茄子等在負(fù)壓灌溉條件下會(huì)顯著提高根系活力,而對(duì)土壤水分變化不敏感的油菜、小白菜根系活力變化則相反;其次與不同作物試驗(yàn)時(shí)所選擇的土壤類型有關(guān),相同的供水壓力在不同類型土壤上形成的相對(duì)穩(wěn)定的土壤含水量存在差異,而土壤含水量的不同也導(dǎo)致了根系活力變化的不同。

負(fù)壓灌溉對(duì)作物的葉綠素含量產(chǎn)生了明顯影響。Li等[18]研究認(rèn)為,負(fù)壓灌溉會(huì)降低辣椒葉片內(nèi)葉綠素含量,這與負(fù)壓灌溉對(duì)玉米葉綠素的影響一致[19]。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素,負(fù)壓灌溉對(duì)植物葉綠素含量產(chǎn)生影響的同時(shí)也會(huì)對(duì)光合作用產(chǎn)生顯著影響。從油菜和奶白菜試驗(yàn)結(jié)果來看,負(fù)壓灌溉條件下其凈光合速率、蒸騰速率顯著提高,胞間CO2濃度顯著降低[14];玉米光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度-5 kPa處于最高值,顯著高于對(duì)照和-10 kPa、-15 kPa處理[2];-5 kPa和-10 kPa負(fù)壓供水壓力下黃瓜凈光合速率日變化規(guī)律為雙峰變化曲線,-15 kPa為單峰曲線,凈光合速率最高值出現(xiàn)在12:00;氣孔導(dǎo)度-5 kPa在12:00達(dá)到最高值,-15 kPa在10:00達(dá)到最高值,胞間CO2濃度-10 kPa顯著低于-5 kPa和-15 kPa,-5 kPa顯著低于對(duì)照和-15 kPa[20];油麥菜則表現(xiàn)為負(fù)壓灌溉會(huì)顯著提高氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率,但光合速率與對(duì)照處于同一水平[5];櫻桃胡蘿卜凈光合速率表現(xiàn)為在負(fù)壓灌溉處理21 d后才會(huì)顯著高于對(duì)照[12]。

負(fù)壓供水壓力不同土壤含水量也明顯不同,從而對(duì)作物的脅迫效應(yīng)存在差異,因此作物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量會(huì)發(fā)現(xiàn)顯著變化。從負(fù)壓灌溉對(duì)黃瓜的影響來看,負(fù)壓供水壓力的降低會(huì)顯著提高黃瓜可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量,其中可溶性蛋白含量不同供水壓力之間存在顯著差異,可溶性糖含量-5 kPa、-10 kPa之間無顯著差異,游離脯氨酸含量-5 kPa、-10 kPa、-15 kPa之間無顯著差異[21];小白菜表現(xiàn)為-10 kPa和-5 kPa對(duì)脯氨酸含量的影響處于同一水平[15];紫葉生菜葉片內(nèi)可溶性糖含量負(fù)壓灌溉處理顯著高于滴灌和澆灌,但負(fù)壓灌溉顯著降低了硝酸鹽含量[13];茄子-3 kPa處理在整個(gè)生育期可溶性糖和可溶性蛋白均顯著高于對(duì)照,-8 kPa與對(duì)照之間相比無顯著差異,-15 kPa顯著低于對(duì)照[17];-5 kPa、-10 kPa、-15 kPa負(fù)壓供水壓力提高了玉米脯氨酸含量,但會(huì)降低油麥菜可溶性蛋白和可溶性糖含量[5]。

4 負(fù)壓灌溉對(duì)不同作物養(yǎng)分吸收與利用的影響

負(fù)壓灌溉下形成的穩(wěn)定土壤含水量環(huán)境會(huì)顯著改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況,從而促進(jìn)作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用[22],但是不同供水壓力對(duì)作物養(yǎng)分吸收的影響不同。從辣椒研究結(jié)果來看,-5 kPa和-10 kPa負(fù)壓供水壓力與對(duì)照相比顯著提高了植株氮、磷、鉀的吸收量,但是-15 kPa顯著低于對(duì)照[9];玉米負(fù)壓灌溉與滴灌、澆灌相比也會(huì)顯著提高總氮、總磷和總鉀吸收量[2]。負(fù)壓灌溉在提高作物養(yǎng)分吸收量的同時(shí)也會(huì)顯著提高氮肥利用率,如李生平等的研究結(jié)果表明-5 kPa和-10 kPa與對(duì)照相比氮肥利用率分別提高了52.3%和23.7%[21], Gao等研究認(rèn)為負(fù)壓灌溉提高作物肥料利用效率的原因與土壤速效養(yǎng)分含量增加和養(yǎng)分滲漏損失減少有關(guān)[23]。除此之外,也有研究認(rèn)為負(fù)壓灌溉與常規(guī)灌溉相比提高作物的養(yǎng)分吸收與利用能力主要包括4個(gè)方面的原因[22],首先是適宜的負(fù)壓灌溉壓力明顯提高植物組織中養(yǎng)分含量從而顯著提高了養(yǎng)分的吸收和利用能力,如菠菜、烤煙;其次,負(fù)壓灌溉因顯著提高了作物的生物量而促進(jìn)了其對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用,但是當(dāng)供水壓力降低影響作物生長并降低生物量時(shí),作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用則會(huì)顯著低于對(duì)照,如茼蒿;再次,適宜的負(fù)壓灌溉壓力同時(shí)提高了作物組織內(nèi)養(yǎng)分含量和生物量,從而顯著促進(jìn)對(duì)營養(yǎng)元素的吸收和利用,如玉米、紫葉生菜;第四,負(fù)壓灌溉促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用可能與調(diào)控水肥吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因高倍上調(diào)表達(dá)有關(guān)[24],如玉米。

5 負(fù)壓灌溉對(duì)不同作物生長發(fā)育的影響

負(fù)壓供水壓力不同引起土壤含水量的差異對(duì)作物生長發(fā)育產(chǎn)生的影響不同。烤煙-10 kPa與-20 kPa、-30 kPa相比顯著提高了株高和莖圍,-20 kPa與-10 kPa相比顯著降低了烤煙節(jié)距、有效葉片數(shù)、葉長、葉寬和葉面積,-30 kPa與-20 kPa相比顯著降低了烤煙葉面積[25],但供水壓力的降低提高了根系干物質(zhì)積累量;油菜和奶白菜表現(xiàn)為-5 kPa顯著抑制了根系生長,降低了根冠比,但是-10 kPa促進(jìn)了根系生長,顯著提高根冠比[14];黃瓜葉面積-5 kPa、-10 kPa與0 kPa相比分別提高了62.11%和38.46%[20],干物質(zhì)積累量分別提高了40.79%和16.84%[20];小白菜-5 kPa供水壓力會(huì)顯著提高根長、表面積、根系體積,顯著提高根系和地上部干物質(zhì)積累量,但-10 kPa與-5 kPa之間無顯著差異[4];茄子株高和莖粗隨供水壓力降低而顯著降低,干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為隨供水壓力降低而降低的變化[17];玉米株高、葉面積、莖粗、干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為隨著供水壓力降低而顯著降低的變化[5],但也有研究表明,負(fù)壓灌溉與滴灌相比會(huì)顯著降低玉米根系干物質(zhì)積累量,提高地上部干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量[26];櫻桃胡蘿卜與玉米不同,表現(xiàn)為-5 kPa和-9 kPa株高、最大葉長、根鮮重和干物質(zhì)積累量均顯著高于對(duì)照[12],但根冠比顯著降低,Zhang等[26]研究認(rèn)為這與負(fù)壓控制穩(wěn)定土壤含水量導(dǎo)致根系生長所需能量不足抑制了根系生長有關(guān);油麥菜地上部生長與其他作物一樣,均表現(xiàn)為穩(wěn)定土壤含水量顯著提高了株高、葉片數(shù)、最大葉長、最大葉寬,總干重和總鮮重[5];菠菜則表現(xiàn)為株高、葉面積、葉片數(shù)顯著升高[6]。綜上所述,負(fù)壓控制穩(wěn)定土壤含水量對(duì)作物生長具有明顯的促進(jìn)作用。

6 負(fù)壓灌溉對(duì)作物生長的展望

盡管相同負(fù)壓供水壓力在不同土壤類型上的土壤含水量不同,但是土壤水分均處于弱時(shí)間變異狀態(tài),這也使得作物整個(gè)生長季節(jié)都生長在穩(wěn)定土壤含水量下,降低了短期水分脅迫對(duì)作物的危害[27],實(shí)現(xiàn)了作物主動(dòng)汲水,在這種條件下作物沒有補(bǔ)償生長效應(yīng)或者補(bǔ)償生長效應(yīng)較弱,這對(duì)促進(jìn)植物生長發(fā)育具有重要作用[22]。負(fù)壓灌溉作為一種精準(zhǔn)的節(jié)水灌溉技術(shù),在很多作物上實(shí)現(xiàn)了既節(jié)水又增產(chǎn)的目標(biāo),但是目前多數(shù)研究僅僅停留在作物響應(yīng)負(fù)壓灌溉的外在表現(xiàn)上,對(duì)于出現(xiàn)這種現(xiàn)象的深層次機(jī)理研究仍然十分匱乏。目前,僅在玉米上對(duì)負(fù)壓灌溉提高玉米水分利用效率[1]和光合作用的分子機(jī)制[19]進(jìn)行了初步探索,同時(shí)確定了玉米響應(yīng)負(fù)壓灌溉的16個(gè)關(guān)鍵基因[2],但是其他作物相關(guān)的研究仍然處于空白,因此,深入探索不同作物響應(yīng)負(fù)壓灌溉的生理與分子機(jī)制仍然是未來的重點(diǎn)研究方向;同時(shí)以負(fù)壓灌溉為基礎(chǔ),不斷完善作物主動(dòng)汲水理論,研發(fā)廣譜性負(fù)壓灌溉材料,以實(shí)現(xiàn)我國干旱半干旱地區(qū)水分高效利用和作物增產(chǎn)的目標(biāo)。另外,負(fù)壓灌溉對(duì)作物生長影響的研究仍然處于起步階段,負(fù)壓灌溉對(duì)不同生育時(shí)期作物生長的影響仍然缺乏相關(guān)研究結(jié)果,很多基礎(chǔ)研究工作仍然沒有進(jìn)行;另外,負(fù)壓灌溉在不同地區(qū)和不同土壤條件下對(duì)作物生長的影響甚至得出了相反的結(jié)論,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因仍然有待于進(jìn)一步探索;由于不同作物需水不同,適宜的供水壓力也存在差異,因此適宜負(fù)壓灌溉的供水壓力基礎(chǔ)研究仍然有大量工作要做。從當(dāng)前一些作物的研究結(jié)果來看,負(fù)壓灌溉對(duì)不同作物葉綠素和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化的作用機(jī)制目前仍然不清楚,甚至不同作物的研究結(jié)果還存在一些矛盾,因此后續(xù)研究中揭示負(fù)壓控制穩(wěn)定土壤含水量影響作物葉綠素和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成的生理與分子機(jī)制將是研究的重點(diǎn)方向,而負(fù)壓灌溉與土壤、作物之間的互作關(guān)系則是主要的理論研究內(nèi)容。隨著后期相關(guān)研究的突破和負(fù)壓灌溉技術(shù)的成熟,對(duì)未來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水分高效利用具有重要實(shí)踐意義。