控制性分根交替灌水技術(shù)研究綜述

控制性分根交替灌水技術(shù)研究綜述

通過(guò)協(xié)調(diào)改進(jìn)作物產(chǎn)量和水利用率（we），是當(dāng)前節(jié)水農(nóng)業(yè)的主要目標(biāo)。為了有效的實(shí)施節(jié)水農(nóng)業(yè),需要進(jìn)行生物學(xué)和工程技術(shù)兩方面的研究。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,節(jié)水農(nóng)業(yè)的生物學(xué)措施研究是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。近年來(lái)在生物措施領(lǐng)域內(nèi),人們較為關(guān)注的一些節(jié)水灌溉方法主要有限水灌溉(LimitedIrrigation)、非充分灌溉(Non-fullIrrigation)和調(diào)虧灌溉(RegulatedDeficitIrrigation)等。這些灌水技術(shù)的提出及其方法的實(shí)施對(duì)由傳統(tǒng)的豐水高產(chǎn)型轉(zhuǎn)向節(jié)水優(yōu)產(chǎn)型灌溉起到了積極的作用。但這些方法仍然只考慮在時(shí)間上的調(diào)虧和水量的優(yōu)化分配,沒有從空間上考慮植物根系的功能對(duì)提高水分利用效率的作用。而在生產(chǎn)實(shí)踐中,尤其在干旱、半干旱地區(qū)因土壤質(zhì)地不均引起的水分不均勻擴(kuò)散以及降水在時(shí)間上的分配不均并存的現(xiàn)象使作物的部分或整個(gè)根系在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中經(jīng)常處于陣發(fā)性的短暫或長(zhǎng)期的水分虧缺情況下,即作物的根系不可能總是處于均勻濕潤(rùn)或均勻干燥的狀態(tài)。且近年來(lái)的許多研究結(jié)果表明:土壤水分虧缺下根系能夠輸出一種根信號(hào),這種“根信號(hào)”由根傳遞到葉片,使氣孔開度變小甚至關(guān)閉,蒸騰大幅度下降?；谝陨蠋c(diǎn)而提出的控制性分根交替灌溉不僅考慮植物根系的功能和根區(qū)土壤的濕潤(rùn)方式對(duì)提高水的生產(chǎn)效率作用,更強(qiáng)調(diào)從根系生長(zhǎng)空間上改變其土壤濕潤(rùn)方式。因此可以說(shuō)是對(duì)目前常規(guī)節(jié)水灌溉技術(shù)的新突破。1調(diào)節(jié)根系作用所謂控制性分根交替灌溉(ControlRoot-splitedAlternativeIrrigation簡(jiǎn)稱CRAI)就是人為保持根系活動(dòng)層的土壤在水平或垂直剖面的某個(gè)區(qū)域干燥,使作物根系始終有一部分生長(zhǎng)在干燥或較為干燥的土壤區(qū)域中,限制該部分的根系吸水,同時(shí)通過(guò)人工控制使根系在水平或垂直剖面的干燥區(qū)域交替出現(xiàn),使干燥區(qū)的根系產(chǎn)生水分脅迫信號(hào)傳遞到葉氣孔從而有效地調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉,而處于濕潤(rùn)區(qū)的根系從土壤中吸收水分以滿足作物的最小生命之需,使對(duì)作物的傷害保持在臨界限度以內(nèi)。同時(shí)由于表層土壤總是間歇性的處于干旱區(qū),這樣既可減少棵間一直濕潤(rùn)時(shí)的無(wú)效蒸發(fā)損失和總的灌溉用水量,亦可降低土壤機(jī)械強(qiáng)度、改善土壤的通透性,促進(jìn)根系的補(bǔ)償生長(zhǎng),提高根系對(duì)水分、養(yǎng)分的利用率,提高礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性,以不犧牲作物的光合產(chǎn)物累積而達(dá)到節(jié)水的目的。CRAI的主要理論依據(jù)就是,利用作物水分脅迫時(shí)產(chǎn)生的根信號(hào)對(duì)氣孔的有效調(diào)節(jié)功能;其次是光合和蒸騰對(duì)氣孔的反應(yīng)差異,即光合的滯后效應(yīng)。2固定區(qū)域分根技術(shù)采用分根技術(shù)進(jìn)行交替灌水的研究雖說(shuō)到目前為止幾乎還是個(gè)空白,但為了探索作物對(duì)水分或養(yǎng)分的吸收機(jī)理亦或是解決其它生理學(xué)上的問(wèn)題而采取的固定區(qū)域分根技術(shù)的研究倒也不少。2.1玉米幼苗分根和保濕的作用Ayars(1991)的試驗(yàn)結(jié)果證明,在相同的外部條件和一定的水量范圍內(nèi),棉花的產(chǎn)量在低均勻度(由不同的灌水深度實(shí)現(xiàn))條件下比充分灌水(根區(qū)保持均勻濕潤(rùn))的作物產(chǎn)量還要高。向日葵作物的水平分根試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為:向日葵作物更偏重于小孔隙土壤中水分的吸收,只有在土水勢(shì)足夠低的情況下,兩種土壤中水分的吸收才沒有多大偏差,這與人們想象的相反。當(dāng)同一土質(zhì)中生長(zhǎng)18d的小麥上層根系(次生根)受旱,下層根系(原生根)保持濕潤(rùn)時(shí),次生根的生長(zhǎng)量顯著增加,葉片的生長(zhǎng)未受影響,葉片的含水量有所下降。而當(dāng)原生根受旱,次生根保持濕潤(rùn),葉片生長(zhǎng)率和葉片的相對(duì)含水量都會(huì)下降。但如果處理開始時(shí)間推遲7d,即小麥生長(zhǎng)到25d后開始處理,則前一種處理的葉片生長(zhǎng)速率和葉片相對(duì)含水量都會(huì)下降,后一種處理對(duì)葉片的生長(zhǎng)傷害更大。可見根系的不同部位及不同時(shí)間受旱都對(duì)根系造成不同程度的傷害,這與它們傳遞到葉片的信號(hào)性質(zhì)有關(guān)。對(duì)黃瓜作物采用分根試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)黎明前水勢(shì)開始下降后,氣孔導(dǎo)度在葉片的生長(zhǎng)速率未發(fā)生變化之時(shí)就開始下降,而分根和未分根的作物葉水勢(shì)是相似的,當(dāng)土水勢(shì)在-0.25MPa~-0.3MPa之間變化時(shí),氣孔導(dǎo)度和葉片生長(zhǎng)率與對(duì)照相同。在對(duì)不同土質(zhì)中的玉米整個(gè)根區(qū)土壤進(jìn)行反復(fù)干濕交替灌水后的結(jié)果表明:盡管對(duì)處理前已經(jīng)生成的根系其形態(tài)無(wú)多大影響,但處理后的新生根毛數(shù)卻成倍增加,不同的灌水次序也對(duì)根毛的發(fā)育有一定影響,采用濕干濕的方法,根毛先增后降,采用干濕干的方法,根毛先降后增。同時(shí)由于根毛的成倍增加,根系表面積顯著增大,從而補(bǔ)償了因水分虧缺引起的水分、養(yǎng)分吸收不足的問(wèn)題。對(duì)玉米幼苗根進(jìn)行上干下濕的供水處理時(shí),發(fā)現(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi),下層根系活力增加且高于正常處理?xiàng)l件下的,而作物的WUE明顯提高,光合速率和生物量無(wú)顯著下降,但這種情況最多持續(xù)10d左右,當(dāng)上層根系缺水時(shí)間延長(zhǎng),則下層根系的活力明顯下降且低于對(duì)照,作物的生長(zhǎng)發(fā)育受阻,根冠比下降。BrianLoveys等試驗(yàn)結(jié)果再次證明:固定區(qū)域部分根系干燥,光合、氣孔導(dǎo)度和生長(zhǎng)在處理開始后幾周內(nèi)補(bǔ)償作用最為明顯,基本達(dá)到處理前水平,但由于未進(jìn)行交替供水,這種補(bǔ)償作用也變得最為短暫。因此設(shè)想如果能對(duì)上、下層根系區(qū)土壤實(shí)行交替供水,可能會(huì)使作物根系在始終保持較高活力水平的前提下獲得最佳表現(xiàn)的葉氣孔行為和最優(yōu)的作物產(chǎn)量。許旭日等設(shè)計(jì)了一套“上干下濕”的垂直分根裝置對(duì)植物體內(nèi)水分倒流現(xiàn)象(上層土壤變干,下層土壤濕潤(rùn)有水的情況下,下層根系吸收的水分在上運(yùn)的過(guò)程中,有一部分會(huì)通過(guò)上層干土中的根排入干土中)開始出現(xiàn)的時(shí)間及其晝夜進(jìn)程進(jìn)行定量研究,認(rèn)為水分的倒流現(xiàn)象會(huì)使作物在適宜的干旱水平和干旱歷時(shí)情況下,保持良好的生長(zhǎng)勢(shì)頭。2.2對(duì)根系生長(zhǎng)的影響Snapp和Koide(1995)為了探索根系對(duì)土壤中分布不均的磷肥的吸收情況及其磷肥的施用量對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響,運(yùn)用了分根技術(shù)(一半根系在高濃度磷肥的土壤中,一半根系在低濃度磷肥的土壤中)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),低磷的土壤可促進(jìn)細(xì)根及根毛數(shù)量的成倍增加,且對(duì)最終的根系長(zhǎng)度無(wú)多大影響,從而使磷肥的吸收效率明顯提高,且低磷土壤減少了環(huán)境的污染和對(duì)磷肥的需求量。相同試驗(yàn)方式條件下,低氮土壤中的根系其單位長(zhǎng)度的根原基數(shù)目減小,而高氮土壤中根系的生長(zhǎng)得以加倍補(bǔ)償從而使總根系的根原基數(shù)目保持不變。這與Gerdsani和Sachs(1992)等人的根系相關(guān)性生長(zhǎng)的結(jié)論一致。一般來(lái)說(shuō),土壤中施氮量或根系中累積氮素量增加,根系的生長(zhǎng)受到抑制,冠生長(zhǎng)加速,根冠比下降,但局部的高濃度根系周圍及根系內(nèi)部的氮肥量(一半根系處于高氮土壤中,另一半根系處于低氮土壤中)卻可以刺激根系的生長(zhǎng)。增加豆類作物整個(gè)根系土壤中氮肥的施用量會(huì)促進(jìn)NO-3的吸收,而根瘤菌的活性降低,根瘤塊減小,且上高下低的施肥方式與下高上低的施肥方式相比,氮素的吸收量無(wú)明顯差別,只是前者比后者根瘤體積減小了20%。除了大田作物外,林地土壤中云杉、松樹、冷杉等幾種針葉類樹木的分根試驗(yàn)結(jié)果表明,處于富含礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素土壤中的根系除冷杉根系的生長(zhǎng)未發(fā)生變化外,其它兩種樹木的根系其干物質(zhì)和根系長(zhǎng)度都明顯增加。但對(duì)于每一種樹木來(lái)說(shuō),兩邊根系中所含營(yíng)養(yǎng)元素的濃度是相似的。2.3玉米植株分根試驗(yàn)的原理近年來(lái)的許多研究結(jié)果表明:水分虧缺條件下,盡管葉片的水分狀況未發(fā)生可檢測(cè)出的變化,但氣孔導(dǎo)度仍明顯下降。因此認(rèn)為,水分虧缺條件下,根系能夠輸出一種根信號(hào),這種根信號(hào)由根尖產(chǎn)生并通過(guò)木質(zhì)部輸送到葉片促使氣孔關(guān)閉,從而減緩因過(guò)度的蒸騰而造成的對(duì)作物的傷害。進(jìn)行此項(xiàng)研究的具體做法是,把一株玉米的根分成兩部分并分別栽植在兩個(gè)容器中,其中半邊根系保持良好的灌水,而另半邊根系所在的土壤停止?jié)菜蛊渲饾u變干,測(cè)定此植株的氣孔導(dǎo)度及葉水勢(shì)的變化與對(duì)照的差異或施用外源ABA刺激作物根系,觀察作物行為的變化。從分根試驗(yàn)的歷史動(dòng)態(tài)研究中,可以看出分根后產(chǎn)生的效果一般要比未分根的好或是經(jīng)濟(jì)得多。盡管這些分根試驗(yàn)也都是在固定區(qū)域進(jìn)行的,但卻為控制性分根交替灌水技術(shù)的成功運(yùn)用提供了一定的理論依據(jù)和基本思路。3交替灌溉主要適用的灌溉系統(tǒng)在實(shí)踐中,主要的可行性方式有,隔溝交替灌溉系統(tǒng)、田間移動(dòng)式控制性交替滴灌系統(tǒng)以及自動(dòng)控制性滴灌系統(tǒng)和控制性隔管滲灌系統(tǒng)等。以上的幾種模式主要適用于寬行距種植的果樹及其它作物,其中隔溝交替和移動(dòng)式交替滴灌系統(tǒng)也僅適用于水平方向的交替供水。目前,主要應(yīng)用和推廣的是玉米的隔溝交替灌水模式。對(duì)于均勻種植的大田或其它作物,采用大水量灌與小水量灌交替進(jìn)行可實(shí)現(xiàn)垂直方向的交替供水模式4人工氣候室分根交替供水試驗(yàn)控制性分根交替灌溉技術(shù)自提出以來(lái),就開始由室內(nèi)盆栽至大田,作物的生長(zhǎng)發(fā)育、生理生態(tài)到土壤水分、養(yǎng)分的運(yùn)移規(guī)律先后進(jìn)行了一套系統(tǒng)的研究。溶液培養(yǎng)及土培的試驗(yàn)結(jié)果表明:交替脅迫后能夠使根系中活性次生根大量增加,從而使作物吸收水分和養(yǎng)分的能力大為增強(qiáng),WUE明顯提高,這與前述的一些固定區(qū)域分根試驗(yàn)結(jié)果一致。人工氣候室中進(jìn)行的盆栽試驗(yàn)(水平方向交替供水)結(jié)果為:在光合產(chǎn)物不減少的前提下,分根交替供水比全面積均勻供水方式節(jié)水34.0%~36.8%。同樣,置于大田中的人工模擬土柱試驗(yàn)結(jié)果(垂直方向交替供水)顯示:在下層土壤(30~60cm)平均含水量維持在54%θf(wàn)以上,上層土壤(0~30cm)平均含水量不低于40%θf(wàn),即土柱的平均土壤含水量保持在50%θf(wàn)左右時(shí),交替供水后的作物比全面積均勻供水作物干物質(zhì)量增加32.7%,且節(jié)水26%左右。在甘肅民勤沙漠綠洲進(jìn)行的大田玉米隔溝交替灌水技術(shù)試驗(yàn)在保持高產(chǎn)水平下,比常規(guī)地面灌溉節(jié)水33.3%,效果顯著且不增加投入,因此被列入當(dāng)?shù)毓?jié)水技術(shù)推廣計(jì)劃當(dāng)中。5技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益有限作為一種全新的農(nóng)田節(jié)水新思路和新技術(shù),CRAI的研究尚處于起始階段,盡管已經(jīng)證實(shí),CRAI具有理論上和實(shí)施上的可行性及巨大的節(jié)水潛力,但在具體的實(shí)施過(guò)程中也存在著一些問(wèn)題:(1)對(duì)于果樹或?qū)捫芯喾N植的大田作物來(lái)說(shuō),實(shí)施隔溝交替灌水技術(shù)無(wú)疑是一種低投入、高產(chǎn)出的高效方式,但對(duì)于大面積均勻分布的田間作物,如小麥、高梁等,要實(shí)現(xiàn)水平方向的交替灌水技術(shù)則需比常規(guī)灌多出幾倍甚至十幾倍的輸水管道。此外,考慮到一些配套的技術(shù)服務(wù)設(shè)施的裝備。因此在現(xiàn)有條件下,其成本可能會(huì)超出常規(guī)灌溉,從而使CRAI的經(jīng)濟(jì)效益有所降低。(2)垂向方向的交替灌水技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中可能會(huì)存在著表層土壤水分易于下滲和深層土壤水分變化緩慢等問(wèn)題,只有當(dāng)土壤含水量控制適宜時(shí),才能維持上下層土壤水勢(shì)一定的梯度差,因此,實(shí)現(xiàn)的難度相對(duì)較大。而改進(jìn)的地下滴灌和滲灌技術(shù)也可能存在著成本較大這一問(wèn)題。6分根交替灌溉技術(shù)需進(jìn)一步研究的主要問(wèn)題通過(guò)3年多的室內(nèi)溶液培養(yǎng)、人工氣候室盆栽、大田模擬土柱盆栽、大田小區(qū)試驗(yàn)和示范推廣等一系列工作,已經(jīng)證明:CRAI技術(shù)除節(jié)水效益顯著外,還具有其設(shè)計(jì)巧妙,投資、投工量少,便于推廣等優(yōu)點(diǎn),尤其在降水量少、蒸發(fā)量大的北方干旱地區(qū)有其廣闊的應(yīng)用前景。CRAI技術(shù)是一種既能滿足作物水分需求,又能控制蒸騰的體系。它的研究涉及到農(nóng)田灌溉與植物水分生理及抗性生理、土壤物理、農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)田生態(tài)等邊緣學(xué)科。此項(xiàng)節(jié)水技術(shù)的進(jìn)一步深入研究。將會(huì)促使這些學(xué)科之間的相互交叉和滲透,且易于使此項(xiàng)技術(shù)的研究系統(tǒng)化和定量化,因此有必要在其領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行深入細(xì)致的研究,提高有限水的經(jīng)濟(jì)效益,為農(nóng)田灌溉學(xué)科提供一條最佳調(diào)控水土作物環(huán)境關(guān)系的有效途徑?？刂菩苑指惶婀喔燃夹g(shù)中將需進(jìn)一步研究的主要問(wèn)題如下:(1)不同土質(zhì)、不同作物適宜土壤含水量水平、控制方法及交替灌水深度、次序及考慮土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程(吸濕或脫濕)、大氣蒸發(fā)條件、作物生理特性、根