覆膜與補(bǔ)充灌溉對(duì)根際土壤微生物量和土壤酶活性的影響研究

覆膜與補(bǔ)充灌溉對(duì)根際土壤微生物量和土壤酶活性的

影響研究摘要:本研究分析膜下滴灌技術(shù)、壟膜溝灌技術(shù)、覆膜畦灌技術(shù)等灌溉技術(shù)的起源、定義、技術(shù)特征及推廣應(yīng)運(yùn)，綜述植物根際系統(tǒng)概念及國(guó)際國(guó)內(nèi)在根際生態(tài)調(diào)控、根際管理、根際對(duì)話等方面的研究進(jìn)展。基于以上技術(shù)分析和系統(tǒng)研究，淺析覆膜與補(bǔ)充灌溉對(duì)根際土壤微生物量和土壤酶活性的影響，不同灌溉方式對(duì)微生物功能多樣性、微生物數(shù)量、土壤酶活性等影響研究結(jié)論差異較大。該研究為我國(guó)干旱地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)篩選出合理的灌溉和農(nóng)藝組合措施提供理論依據(jù)，為極限節(jié)水、深度節(jié)水、發(fā)展現(xiàn)代絲路寒旱農(nóng)業(yè)提供借鑒和支撐，同時(shí)可以為作物的高產(chǎn)高效及根際生態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A關(guān)鍵詞：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A中圖分類號(hào):S154.31灌溉技術(shù)概述1.1膜下滴灌技術(shù)膜下滴灌是國(guó)內(nèi)覆膜種植技術(shù)與以色列滴灌節(jié)水技術(shù)相融合的一種新型灌溉模式，具有覆膜種植技術(shù)的保墑增溫作用，同樣具備滴灌可減少株間蒸發(fā)、防止土壤水分深層滲漏、節(jié)水增產(chǎn)的特點(diǎn)。較常規(guī)灌溉節(jié)水達(dá)50%，省肥20%，增產(chǎn)10%以上滴灌系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)始于1913年，由美國(guó)克羅拉多州立大學(xué)的House成功研發(fā)并嘗試應(yīng)用。直到I960年，以色列Blass將滴灌技術(shù)應(yīng)用于戶外作物，使滴灌技術(shù)在全世界得到推廣和使用。隨后,該技術(shù)迅速引入南非、北美及澳大利亞等地區(qū)，并廣泛應(yīng)用于草莓、甘蔗及棉花等大田作物的灌溉。我國(guó)滴灌技術(shù)于1974年從墨西哥引入，據(jù)1996年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)滴灌推廣種植面積已達(dá)7.3萬(wàn)hm2'",2010年，我國(guó)滴灌技術(shù)步入穩(wěn)定普及階段，滴灌面積為120萬(wàn)hm2'3',基本可以滿足溫室大棚，果樹，棉花，小麥及沙漠綠化等需要。近年來(lái)，我國(guó)甘肅、寧夏、內(nèi)蒙、新疆等西北地區(qū)建立膜下滴灌試驗(yàn)示范區(qū),多種作物諸如馬鈴薯、甜瓜、小麥、玉米等開(kāi)始使用膜下滴灌技術(shù)并取得成功，截止2017年,國(guó)內(nèi)膜下滴灌推廣面積達(dá)466.9萬(wàn)hm"4',成為全球膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用面積最大的國(guó)家。1.2壟膜溝灌技術(shù)起壟覆膜溝灌技術(shù)指通過(guò)人工或機(jī)械改變農(nóng)田地型，修整成壟臺(tái)、壟溝后,覆膜在壟或全部覆膜的一種集成灌溉節(jié)水技術(shù)，具有改善土壤水、氣、熱、光小氣候環(huán)境,從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)的作用。2008~2009年，該技術(shù)由甘肅省農(nóng)牧廳在實(shí)施“全省灌區(qū)農(nóng)田節(jié)水技術(shù)示范推廣”項(xiàng)目中將覆膜方式與溝灌技術(shù)結(jié)合改進(jìn)形成新的節(jié)水灌溉技術(shù)，且在甘肅范圍內(nèi)得到大面積的推廣。據(jù)相關(guān)報(bào)道顯示,2010年甘肅壟膜溝灌種植面積達(dá)13.03萬(wàn)hm2,2011年增至21.22萬(wàn)hm2,到2012年該技術(shù)推廣縣（區(qū)）達(dá)42個(gè)，播種面積為37.49萬(wàn)hm2,三年累計(jì)節(jié)水13.88億m3,農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收入12.06億元，壟膜溝灌技術(shù)節(jié)水增產(chǎn)效益顯著虧。此外,壟膜溝灌技術(shù)下灌溉水的入滲特性、不同作物生長(zhǎng)情況亦為研究熱點(diǎn)。1.3覆膜畦灌技術(shù)畦灌是我國(guó)北方傳統(tǒng)的灌水方式，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于花生、小麥等密植作物。畦田灌溉主要依靠灌溉水的重力及農(nóng)田土壤吸附作用達(dá)到浸濕耕地的目的,但該技術(shù)需水量較大，易造成灌溉水深層滲漏，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。針對(duì)畦灌耗水量較大,浪費(fèi)水資源嚴(yán)重等實(shí)際問(wèn)題，闞常慶虧等從畦灌流動(dòng)模擬、水平畦灌技術(shù)、技術(shù)要素3個(gè)方面研究分析，指出畦灌技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)是優(yōu)化畦灌流動(dòng)模擬、改進(jìn)畦灌入滲機(jī)理及建立完整的畦灌技術(shù)評(píng)價(jià)體系。特別的，為探求田間夏玉米最優(yōu)畦灌液施方式,有學(xué)者選擇不同的畦寬、改水成數(shù)、施肥時(shí)期進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為不同畦灌處理對(duì)水氮均勻度影響顯著,但對(duì)土壤水氮存儲(chǔ)效率無(wú)顯著影響；畦寬為1.5m、灌水達(dá)1/2畦長(zhǎng)、改水成數(shù)為95%的畦田灌水施肥模式可顯著提高夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率丁。近年來(lái)，隨著覆膜技術(shù)的發(fā)展,覆膜與畦灌技術(shù)相結(jié)合的灌溉方式逐漸成為畦灌技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。2植物根際系統(tǒng)概念及研究進(jìn)展根際(Rhizosphere)，是指受植物根系活動(dòng)影響，在物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)上不同于原土體的那部分特殊土壤微區(qū)域甘，由于植物種類、生長(zhǎng)階段，根系年齡、生存環(huán)境和土壤性質(zhì)的差異，根際范圍并沒(méi)有一個(gè)固定的界面(但通常是指土壤中距離植物根表面數(shù)毫米(黏質(zhì)土壤)或1~2cm內(nèi)(沙質(zhì)土壤)理化性質(zhì)與生物學(xué)性質(zhì)均不同于原土體的微型區(qū)域)寸,反之根際變化是一個(gè)雙向復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。植物根際系統(tǒng)是植物一植物根際土壤環(huán)境一土壤微生物互相作用的核心微區(qū)，是土壤生態(tài)環(huán)境和植物體自身進(jìn)行各種物理、生化反應(yīng),能量流動(dòng)的微域,是各種養(yǎng)分、水分、微生物、有益、有害物質(zhì)進(jìn)入植物根系參與物質(zhì)循環(huán)的門戶，決定著土壤養(yǎng)分在植物根系表面累積的多少打。環(huán)境脅迫下的根際動(dòng)態(tài)是植物對(duì)環(huán)境刺激內(nèi)應(yīng)的集中表現(xiàn),植物根系分泌物是對(duì)根際動(dòng)態(tài)的主要響應(yīng),能夠積極參與并很大程度改變根際的生化反應(yīng)過(guò)程，不僅可以改善土壤質(zhì)量、促進(jìn)土壤健康,構(gòu)建植物與土壤微生物間的信號(hào)傳導(dǎo)，同時(shí)植物釋放根系分泌物來(lái)抵御各種非生物因素的干擾與生物脅迫。因此,對(duì)于根際和根際微生物的研究歷年來(lái)備受國(guó)際各方專家重視。目前，對(duì)根際動(dòng)態(tài)的研究已經(jīng)涉及到土壤學(xué)、植物學(xué)、植物生理學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)，生物化學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容,是國(guó)際具有重要意義的熱門研究領(lǐng)域。“Rhizosphere-2004”根際研究國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)指出，經(jīng)過(guò)近100年的研究，在根際生態(tài)調(diào)控、根際管理、根際對(duì)話、根分泌物作用機(jī)制、根系分子生物學(xué)、微生物與病原菌的相互作用、根際研究方法等方面都取得了重要進(jìn)展。植物根際環(huán)境作為植物與土壤相互作用的微區(qū)域,將是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域重要研究對(duì)象。3覆膜與補(bǔ)充灌溉對(duì)根際土壤微生物量和土壤酶活性的影響3.1覆膜與補(bǔ)充灌溉對(duì)根際土壤微生物量的影響土壤微生物量(MB)作為土壤有機(jī)質(zhì)的活性組分，參與土壤有機(jī)質(zhì)的合成和分解,是土壤自然肥力的重要指標(biāo)之一。MBC是土壤有機(jī)碳庫(kù)的一部分，占比僅為有機(jī)質(zhì)的1%~4%'"',但是在土壤養(yǎng)分提供與轉(zhuǎn)化、質(zhì)量監(jiān)測(cè)、能量?jī)?chǔ)存中起主導(dǎo)作用，與土壤中的N,C,S,P等成分密切相關(guān)。研究表明，MBN是土壤有效氮的主要來(lái)源,其含量的大小決定土壤氮素肥力的高低「"「。灌溉通過(guò)改變農(nóng)田土壤水分狀況,進(jìn)而影響土壤微生物生長(zhǎng)。已有研究表明不同灌溉方式對(duì)微生物功能多樣性、微生物數(shù)量均有不同的影響并指出相比溝灌和滲灌,膜下滴灌技術(shù)可使土壤微生物活性處于更高水平。3.2覆膜與補(bǔ)充灌溉對(duì)根際土壤酶活性的影響土壤酶(Soilenzyme)來(lái)源于土壤微生物、植物根系及動(dòng)植物殘?bào)w腐蝕等，是土壤能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)的催化劑,直接參與動(dòng)植物殘?bào)w的分解及其轉(zhuǎn)化、土壤腐殖質(zhì)的分解等生化反應(yīng)過(guò)程。為進(jìn)一步研究土壤酶的生態(tài)效應(yīng)，國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)(InternationalEnzymeCommittee)于1961年將已知的酶分為水解酶、氧化還原酶、裂合酶、轉(zhuǎn)移酶、異構(gòu)酶及連接酶等6類，目前關(guān)于土壤酶的研究主要集中在氧化還原酶(A)和水解酶(B)兩大類,常見(jiàn)的過(guò)氧化氫酶、脫氫酶、過(guò)氧化氫物屬于A類，此類酶在催化反應(yīng)過(guò)程中伴有能量的吸收和釋放;B類酶包括與土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮、磷的養(yǎng)分循環(huán)密切相關(guān)的脲酶、磷酸酶及蛋白酶等。研究發(fā)現(xiàn)脲酶、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、蔗糖酶與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀、速效磷的相關(guān)性達(dá)到顯著水平,說(shuō)明土壤酶活性可以評(píng)價(jià)土壤肥力以及作物生長(zhǎng)環(huán)境，用土壤酶活性來(lái)表征土壤健康狀況是可行的。眾所周知，灌溉可以直接改變土壤水分狀況。土壤酶活性對(duì)土壤水分響應(yīng)敏感，適宜的土壤水分條件能提高土壤酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶及脲酶活性。陳寧等W設(shè)置不同灌溉處理,進(jìn)行膜下滴灌和常規(guī)畦灌對(duì)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。賀偉等”認(rèn)為滴灌處理下土壤酶活性均顯著高于傳統(tǒng)灌溉和不灌溉。此外，亦有學(xué)者認(rèn)為土壤酶中除過(guò)氧化氫酶及淀粉酶不受水分變化外，其他酶活性均可隨著土壤水分增加而升高;一般土壤表層（0~5cm）土壤酶活性較高，隨著土壤深度的增加酶活性逐漸減少。土地利用及管理模式不同，也可使土壤酶活性存在差異。目前對(duì)土壤酶活性的研究主要涉及土壤耕作、施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)管理領(lǐng)域，而不同補(bǔ)充灌水方式對(duì)土壤酶活性影響研究結(jié)論差異較大。4展望覆膜與灌溉方式下的根際動(dòng)態(tài)是植物對(duì)環(huán)境刺激內(nèi)應(yīng)的集中表現(xiàn),植物根系分泌物是對(duì)根際動(dòng)態(tài)的主要響應(yīng)，能夠積極參與并很大程度改變根際的生化反應(yīng)過(guò)程，不僅可以改善土壤質(zhì)量、促進(jìn)土壤健康，構(gòu)建植物與土壤微生物間的信號(hào)傳導(dǎo)，同時(shí)植物釋放根系分泌物來(lái)抵御各種非生物因素的干擾與生物脅迫。然而,在全球水資源緊缺且諸多地區(qū)仍缺乏合理灌溉制度背景下,覆膜與補(bǔ)充灌溉對(duì)植物根際環(huán)境影響機(jī)理的研究卻相對(duì)較少，缺少覆膜與補(bǔ)充灌溉方式對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境潛在作用機(jī)理、作用過(guò)程等方面的深入研究。結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，今后可望在以下幾個(gè)方面做更深入的系統(tǒng)研究：（1）我國(guó)水資源極度緊缺,用于農(nóng)田灌溉的水資源亦更加匱乏,為保證全球糧食安全，提升作物對(duì)干旱災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力、改善作物的土壤生態(tài)環(huán)境,補(bǔ)充灌溉要結(jié)合高效新型灌溉技術(shù)，例如滴灌、微灌等,同時(shí)準(zhǔn)確的掌握作物需水時(shí)間、需水量,最大限度的挖掘節(jié)水潛力，開(kāi)展極限節(jié)水研究。同時(shí)通