控制性分根交替灌水技術研究綜述

控制性分根交替灌水技術研究綜述

通過協(xié)調改進作物產量和水利用率（we），是當前節(jié)水農業(yè)的主要目標。為了有效的實施節(jié)水農業(yè),需要進行生物學和工程技術兩方面的研究。從長遠看,節(jié)水農業(yè)的生物學措施研究是發(fā)展節(jié)水農業(yè)的基礎。近年來在生物措施領域內,人們較為關注的一些節(jié)水灌溉方法主要有限水灌溉(LimitedIrrigation)、非充分灌溉(Non-fullIrrigation)和調虧灌溉(RegulatedDeficitIrrigation)等。這些灌水技術的提出及其方法的實施對由傳統(tǒng)的豐水高產型轉向節(jié)水優(yōu)產型灌溉起到了積極的作用。但這些方法仍然只考慮在時間上的調虧和水量的優(yōu)化分配,沒有從空間上考慮植物根系的功能對提高水分利用效率的作用。而在生產實踐中,尤其在干旱、半干旱地區(qū)因土壤質地不均引起的水分不均勻擴散以及降水在時間上的分配不均并存的現象使作物的部分或整個根系在生長發(fā)育過程中經常處于陣發(fā)性的短暫或長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或均勻干燥的狀態(tài)。且近年來的許多研究結果表明:土壤水分虧缺下根系能夠輸出一種根信號,這種“根信號”由根傳遞到葉片,使氣孔開度變小甚至關閉,蒸騰大幅度下降?；谝陨蠋c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)土壤的濕潤方式對提高水的生產效率作用,更強調從根系生長空間上改變其土壤濕潤方式。因此可以說是對目前常規(guī)節(jié)水灌溉技術的新突破。1調節(jié)根系作用所謂控制性分根交替灌溉(ControlRoot-splitedAlternativeIrrigation簡稱CRAI)就是人為保持根系活動層的土壤在水平或垂直剖面的某個區(qū)域干燥,使作物根系始終有一部分生長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,同時通過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,使干燥區(qū)的根系產生水分脅迫信號傳遞到葉氣孔從而有效地調節(jié)氣孔關閉,而處于濕潤區(qū)的根系從土壤中吸收水分以滿足作物的最小生命之需,使對作物的傷害保持在臨界限度以內。同時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時的無效蒸發(fā)損失和總的灌溉用水量,亦可降低土壤機械強度、改善土壤的通透性,促進根系的補償生長,提高根系對水分、養(yǎng)分的利用率,提高礦質養(yǎng)分的有效性,以不犧牲作物的光合產物累積而達到節(jié)水的目的。CRAI的主要理論依據就是,利用作物水分脅迫時產生的根信號對氣孔的有效調節(jié)功能;其次是光合和蒸騰對氣孔的反應差異,即光合的滯后效應。2固定區(qū)域分根技術采用分根技術進行交替灌水的研究雖說到目前為止幾乎還是個空白,但為了探索作物對水分或養(yǎng)分的吸收機理亦或是解決其它生理學上的問題而采取的固定區(qū)域分根技術的研究倒也不少。2.1玉米幼苗分根和保濕的作用Ayars(1991)的試驗結果證明,在相同的外部條件和一定的水量范圍內,棉花的產量在低均勻度(由不同的灌水深度實現)條件下比充分灌水(根區(qū)保持均勻濕潤)的作物產量還要高。向日葵作物的水平分根試驗結果認為: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。當同一土質中生長18d的小麥上層根系(次生根)受旱,下層根系(原生根)保持濕潤時,次生根的生長量顯著增加,葉片的生長未受影響,葉片的含水量有所下降。而當原生根受旱,次生根保持濕潤,葉片生長率和葉片的相對含水量都會下降。但如果處理開始時間推遲7d,即小麥生長到25d后開始處理,則前一種處理的葉片生長速率和葉片相對含水量都會下降,后一種處理對葉片的生長傷害更大?？梢姼档牟煌课患安煌瑫r間受旱都對根系造成不同程度的傷害,這與它們傳遞到葉片的信號性質有關。對黃瓜作物采用分根試驗,發(fā)現當黎明前水勢開始下降后,氣孔導度在葉片的生長速率未發(fā)生變化之時就開始下降,而分根和未分根的作物葉水勢是相似的,當土水勢在-0.25MPa~-0.3MPa之間變化時,氣孔導度和葉片生長率與對照相同。在對不同土質中的玉米整個根區(qū)土壤進行反復干濕交替灌水后的結果表明:盡管對處理前已經生成的根系其形態(tài)無多大影響,但處理后的新生根毛數卻成倍增加,不同的灌水次序也對根毛的發(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。同時由于根毛的成倍增加,根系表面積顯著增大,從而補償了因水分虧缺引起的水分、養(yǎng)分吸收不足的問題。對玉米幼苗根進行上干下濕的供水處理時,發(fā)現在一定時間內,下層根系活力增加且高于正常處理條件下的,而作物的WUE明顯提高,光合速率和生物量無顯著下降,但這種情況最多持續(xù)10d左右,當上層根系缺水時間延長,則下層根系的活力明顯下降且低于對照,作物的生長發(fā)育受阻,根冠比下降。BrianLoveys等試驗結果再次證明:固定區(qū)域部分根系干燥,光合、氣孔導度和生長在處理開始后幾周內補償作用最為明顯,基本達到處理前水平,但由于未進行交替供水,這種補償作用也變得最為短暫。因此設想如果能對上、下層根系區(qū)土壤實行交替供水,可能會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的葉氣孔行為和最優(yōu)的作物產量。許旭日等設計了一套“上干下濕”的垂直分根裝置對植物體內水分倒流現象(上層土壤變干,下層土壤濕潤有水的情況下,下層根系吸收的水分在上運的過程中,有一部分會通過上層干土中的根排入干土中)開始出現的時間及其晝夜進程進行定量研究,認為水分的倒流現象會使作物在適宜的干旱水平和干旱歷時情況下,保持良好的生長勢頭。2.2對根系生長的影響Snapp和Koide(1995)為了探索根系對土壤中分布不均的磷肥的吸收情況及其磷肥的施用量對作物生長和產量的影響,運用了分根技術(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)。結果發(fā)現,低磷的土壤可促進細根及根毛數量的成倍增加,且對最終的根系長度無多大影響,從而使磷肥的吸收效率明顯提高,且低磷土壤減少了環(huán)境的污染和對磷肥的需求量。相同試驗方式條件下,低氮土壤中的根系其單位長度的根原基數目減小,而高氮土壤中根系的生長得以加倍補償從而使總根系的根原基數目保持不變。這與Gerdsani和Sachs(1992)等人的根系相關性生長的結論一致。一般來說,土壤中施氮量或根系中累積氮素量增加,根系的生長受到抑制,冠生長加速,根冠比下降,但局部的高濃度根系周圍及根系內部的氮肥量(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。增加豆類作物整個根系土壤中氮肥的施用量會促進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結果表明,處于富含礦質營養(yǎng)元素土壤中的根系除冷杉根系的生長未發(fā)生變化外,其它兩種樹木的根系其干物質和根系長度都明顯增加。但對于每一種樹木來說,兩邊根系中所含營養(yǎng)元素的濃度是相似的。2.3玉米植株分根試驗的原理近年來的許多研究結果表明:水分虧缺條件下,盡管葉片的水分狀況未發(fā)生可檢測出的變化,但氣孔導度仍明顯下降。因此認為,水分虧缺條件下,根系能夠輸出一種根信號,這種根信號由根尖產生并通過木質部輸送到葉片促使氣孔關閉,從而減緩因過度的蒸騰而造成的對作物的傷害。進行此項研究的具體做法是,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,測定此植株的氣孔導度及葉水勢的變化與對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。從分根試驗的歷史動態(tài)研究中,可以看出分根后產生的效果一般要比未分根的好或是經濟得多。盡管這些分根試驗也都是在固定區(qū)域進行的,但卻為控制性分根交替灌水技術的成功運用提供了一定的理論依據和基本思路。3交替灌溉主要適用的灌溉系統(tǒng)在實踐中,主要的可行性方式有,隔溝交替灌溉系統(tǒng)、田間移動式控制性交替滴灌系統(tǒng)以及自動控制性滴灌系統(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,主要應用和推廣的是玉米的隔溝交替灌水模式。對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行可實現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控制性分根交替灌溉技術自提出以來,就開始由室內盆栽至大田,作物的生長發(fā)育、生理生態(tài)到土壤水分、養(yǎng)分的運移規(guī)律先后進行了一套系統(tǒng)的研究。溶液培養(yǎng)及土培的試驗結果表明: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,WUE明顯提高,這與前述的一些固定區(qū)域分根試驗結果一致。人工氣候室中進行的盆栽試驗(水平方向交替供水)結果為:在光合產物不減少的前提下,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結果(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以上,上層土壤(0~30cm)平均含水量不低于40%θf,即土柱的平均土壤含水量保持在50%θf左右時,交替供水后的作物比全面積均勻供水作物干物質量增加32.7%,且節(jié)水26%左右。在甘肅民勤沙漠綠洲進行的大田玉米隔溝交替灌水技術試驗在保持高產水平下,比常規(guī)地面灌溉節(jié)水33.3%,效果顯著且不增加投入,因此被列入當地節(jié)水技術推廣計劃當中。5技術經濟效益有限作為一種全新的農田節(jié)水新思路和新技術,CRAI的研究尚處于起始階段,盡管已經證實,CRAI具有理論上和實施上的可行性及巨大的節(jié)水潛力,但在具體的實施過程中也存在著一些問題:(1)對于果樹或寬行距種植的大田作物來說,實施隔溝交替灌水技術無疑是一種低投入、高產出的高效方式,但對于大面積均勻分布的田間作物,如小麥、高梁等,要實現水平方向的交替灌水技術則需比常規(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服務設施的裝備。因此在現有條件下,其成本可能會超出常規(guī)灌溉,從而使CRAI的經濟效益有所降低。(2)垂向方向的交替灌水技術在生產實踐中可能會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題,只有當土壤含水量控制適宜時,才能維持上下層土壤水勢一定的梯度差,因此,實現的難度相對較大。而改進的地下滴灌和滲灌技術也可能存在著成本較大這一問題。6分根交替灌溉技術需進一步研究的主要問題通過3年多的室內溶液培養(yǎng)、人工氣候室盆栽、大田模擬土柱盆栽、大田小區(qū)試驗和示范推廣等一系列工作,已經證明:CRAI技術除節(jié)水效益顯著外,還具有其設計巧妙,投資、投工量少,便于推廣等優(yōu)點,尤其在降水量少、蒸發(fā)量大的北方干旱地區(qū)有其廣闊的應用前景。CRAI技術是一種既能滿足作物水分需求,又能控制蒸騰的體系。它的研究涉及到農田灌溉與植物水分生理及抗性生理、土壤物理、農業(yè)氣象、農田生態(tài)等邊緣學科。此項節(jié)水技術的進一步深入研究。將會促使這些學科之間的相互交叉和滲透,且易于使此項技術的研究系統(tǒng)化和定量化,因此有必要在其領域內進行深入細致的研究,提高有限水的經濟效益,為農田灌溉學科提供一條最佳調控水土作物環(huán)境關系的有效途徑?？刂菩苑指惶婀喔燃夹g中將需進一步研究的主要問題如下:(1)不同土質、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動過程(吸濕或脫濕)、大氣蒸發(fā)條件、作物生理特性、根