曹雪松，李和平，鄭和祥，馮亞陽，陳志忠，趙清虎

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;3.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)永濟(jì)灌域管理局永濟(jì)試驗(yàn)站,內(nèi)蒙古 臨河 015000;4.河南省鶴壁水文水資源勘測(cè)局,河南 鶴壁 458000)

植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育離不開O2，有了O2植物的根系才能維持正常的呼吸作用，發(fā)揮其吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的功能。作物根系的呼吸作用不但為植物生命活動(dòng)供給能源，而且呼吸作用的中間代謝產(chǎn)物還為植物的物質(zhì)合成提供了必需的原料[1]。然而，洪澇災(zāi)害、一次性灌水過多、土壤板結(jié)以及無土栽培等都極易使得植物根系供氧不足，導(dǎo)致作物出現(xiàn)低氧脅迫。低氧脅迫是由于土壤緊實(shí)或者地下水位較高或者不合理灌溉導(dǎo)致的土壤或營(yíng)養(yǎng)液通氣性不暢，作物根系及微生物呼吸作用減弱，使作物呼吸作用和生長(zhǎng)發(fā)育表現(xiàn)異常的現(xiàn)象[2]。低氧脅迫已經(jīng)成為影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要逆境因子之一，而由于水分過多引起的水澇型低氧脅迫表現(xiàn)得尤為突出，同時(shí)土壤中水分過多還會(huì)破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，造成土壤板結(jié)、土壤鹽堿化等土壤退化現(xiàn)象。低氧脅迫對(duì)植物的危害很大：一是可以改變植物的呼吸代謝途徑(有氧呼吸受到抑制，植物需要通過無氧呼吸途徑產(chǎn)生的部分能量來維持生命活動(dòng))；二是增加土壤中的還原性毒害物質(zhì)(H2S以及鐵、鋅、銅、鈣形成的不溶性亞硫酸化合物等)；三是使植物對(duì)水分的吸收減少，對(duì)礦物質(zhì)元素的吸收失衡；四是使植物體內(nèi)的激素代謝紊亂。加氣灌溉能改善土體中固(土壤顆粒)、液(土壤水)、氣(土壤氣體)三相比例和土壤濕潤(rùn)體的通透性，可有效調(diào)節(jié)土壤微生物活性、土壤酶活性、土壤養(yǎng)分的有效性、土壤酸堿性及土壤的氧化還原反應(yīng)等土壤微環(huán)境，進(jìn)而改善土壤性狀，提高土壤生產(chǎn)力，從而提高作物根系對(duì)土壤養(yǎng)分、水分的吸收能力，促進(jìn)作物自身的新陳代謝及整個(gè)植株的生長(zhǎng)發(fā)育。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在加氣灌溉對(duì)作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響、加氣方法、加氣對(duì)土壤與作物的影響機(jī)理等方面進(jìn)行了諸多研究，并取得了一定的研究成果。筆者綜述了加氣灌溉研究背景、加氣灌溉條件下土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)、加氣灌溉對(duì)土壤和土壤肥力質(zhì)量的影響、加氣灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)的影響、加氣灌溉提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的機(jī)理，總結(jié)了加氣灌溉研究中存在的問題，提出了加氣灌溉理論與技術(shù)的研究展望，以期為今后的研究提供參考。

1 加氣灌溉研究背景

加氣灌溉(Aerated irrigation)是由澳大利亞昆士蘭中心大學(xué)David Midmore和詹姆士庫克大學(xué)的蘇寧虎教授提出的一種極為節(jié)水的新技術(shù)[3]。加氣灌溉是以水為載體，利用地下滴灌技術(shù)，通過加氣設(shè)備將空氣或純氧溶解在灌溉水中，以水氣混合液和微型氣泡的形式隨灌溉水輸送到作物根區(qū)土壤，向根區(qū)通氣，從而解決作物根區(qū)微環(huán)境的缺氧情況，滿足作物根系有氧呼吸和土壤中微生物對(duì)O2的需求。研究表明，地下滴灌技術(shù)能更好地提高灌溉水分利用效率，且能減小對(duì)環(huán)境的不利影響[4]，使表層土壤的蒸發(fā)減小，因此水分流失可忽略[5-6]，而且滴頭附近的根部?jī)?yōu)先生長(zhǎng)，提高了作物的水分可利用性[7]。但是，地下滴灌過程中土壤水分入滲將土壤空氣驅(qū)逐開來，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)周期性的滯水現(xiàn)象[8-9]，造成土壤通氣性下降[10]。而作物根系對(duì)土壤缺氧特別敏感，根際缺氧會(huì)直接抑制作物對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分的吸收[11]，影響作物的正常生長(zhǎng)。而長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行地下滴灌還會(huì)影響滴頭附近的土壤結(jié)構(gòu)和水力學(xué)特性，限制作物根區(qū)O2擴(kuò)散，而擴(kuò)散又是土壤和大氣以及土壤和作物根系氣體交換的主要體制[12]，進(jìn)而影響根系的呼吸作用。而且地下滴灌灌水初期，滴頭附近土壤含水率急速接近飽和，與周圍臨近土壤形成較大的水勢(shì)梯度，驅(qū)使土壤水快速擴(kuò)散，形成一個(gè)由內(nèi)到外含水率逐漸減小的濕潤(rùn)體。在滴灌過程中，由于穩(wěn)定的水源供給，濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率普遍較高。在滴灌入滲過程中，隨著濕潤(rùn)體的不斷擴(kuò)展，土壤空隙中充滿水，含水率增大，土壤中的空氣被排出，土壤透氣性迅速減弱。灌水停止后，土壤水分在自身重力、吸力梯度的作用下會(huì)繼續(xù)向外作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。濕潤(rùn)體內(nèi)部土壤含水率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減少，土壤通透性有所改善，但土壤濕潤(rùn)體核心區(qū)即作物根系主要分布區(qū)的土壤含水率仍較高，使得根區(qū)土壤多處于還原狀態(tài)，因此降低了土壤孔隙中O2的可利用性和移動(dòng)性，更加劇了作物根區(qū)土壤O2含量降低的趨勢(shì)[10]。

加氣灌溉作為地下滴灌系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展，通過向作物根區(qū)直接輸送水分和O2，改變了土壤的缺氧狀態(tài)。已被大量研究證實(shí)：加氣灌溉能提高土壤導(dǎo)氣率，改善土壤氧環(huán)境，顯著提高作物根區(qū)土壤呼吸速率，使根系有氧呼吸順利進(jìn)行，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，提高水分利用效率，保障土壤微生物活動(dòng)，提高土壤酶活性等，顯示出其在解決因灌水、土壤緊實(shí)等導(dǎo)致的根區(qū)缺氧問題方面的潛力[13-19]。其機(jī)理是促進(jìn)作物地上部光合作用及光合產(chǎn)物的積累與運(yùn)轉(zhuǎn)、促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育及對(duì)土壤礦物質(zhì)元素的吸收和增加土壤微生物群落多樣性及酶活性。但是加氣灌溉過程中水氣傳輸不均勻會(huì)導(dǎo)致大量氣泡從滴頭附近向大氣散失[20]，因此如何將空氣或O2以超微氣泡的形式均勻地輸送到作物根區(qū)，是決定加氣灌溉能否大范圍推廣的關(guān)鍵。

2 加氣灌溉對(duì)土壤肥力質(zhì)量的影響

土壤是地球陸地上能夠生長(zhǎng)綠色植物的疏松表層。20世紀(jì)90年代中期，科研工作者開始用“土壤質(zhì)量”評(píng)價(jià)土壤的健康狀況。土壤質(zhì)量是綜合表征土壤維持生產(chǎn)力、環(huán)境凈化能力以及保障動(dòng)植物健康而不發(fā)生土壤退化及其他生態(tài)環(huán)境問題的能力，簡(jiǎn)單來說就是土壤的一種運(yùn)行能力。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)通常包括物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)的不同取值組合決定了土壤質(zhì)量的狀況。Larson W E和Pierce F J[21]提出評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集，最小數(shù)據(jù)集中參數(shù)的選擇基于它們對(duì)土壤質(zhì)量控制的能力。Doran J W[22]提出的土壤質(zhì)量指標(biāo)體系(表1)，滿足了大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)下對(duì)顯示土壤質(zhì)量狀況的需要。

土壤之所以能生長(zhǎng)綠色植物，是由于它具有一種獨(dú)特的本質(zhì)屬性——土壤肥力。土壤肥力是指土壤能夠滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的水分、養(yǎng)分、空氣、熱量的能力。土壤肥力的高低主要取決于土壤水分、養(yǎng)分、空氣和溫度及其在一定條件下的協(xié)調(diào)程度。

表1 土壤質(zhì)量指標(biāo)體系Table 1 Soil quality index system

水利是農(nóng)業(yè)的命脈，作物的生長(zhǎng)發(fā)育、土壤微生物的活動(dòng)以及土壤養(yǎng)分的分解和轉(zhuǎn)化都需要大量的水，同時(shí)還可以通過控制土壤水分來協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分、空氣和溫度，使土壤肥力達(dá)到滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳效果。土壤空氣和土壤溫度則對(duì)土壤水分的蒸發(fā)與運(yùn)動(dòng)、土壤微生物活動(dòng)、土壤各種養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、作物根系的發(fā)育有密切關(guān)系。土壤作為作物生長(zhǎng)發(fā)育的基質(zhì)，其中的通氣狀況直接影響到作物根系的呼吸作用及根區(qū)有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而影響作物根系的生長(zhǎng)。大量研究表明，加氣灌溉能提高土壤中O2含量，提高土壤呼吸強(qiáng)度，從而促進(jìn)土壤微生物分解，使得動(dòng)植物和自身的殘?bào)w以及根際分泌物等有機(jī)C、N礦化釋放到土壤中，或固定于土壤微生物自身體內(nèi)，推動(dòng)土壤肥力質(zhì)量化學(xué)循環(huán)的運(yùn)行，進(jìn)而維系作物生長(zhǎng)對(duì)土壤養(yǎng)分的需求[23]。土壤微生物既是土壤肥力質(zhì)量的供應(yīng)源又是其儲(chǔ)存庫，土壤微生物參與有機(jī)物的分解及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中起到樞紐作用，對(duì)土壤肥力質(zhì)量的保持起著重要的作用。一般土壤表層的微生物數(shù)量最多，隨著土層加深，微生物數(shù)量減少，這是因?yàn)橥寥辣韺拥耐鉅顩r良好，土壤表面的溫度較高，有利于土壤微生物的活動(dòng)與繁殖[24]。張成娥等[25]研究表明土壤微生物數(shù)量、C與N量、呼吸強(qiáng)度及生理活性，在根際、近根際土壤大于整個(gè)土體，并隨著土壤深度的加深而降低。Payero等[26]研究表明充分灌溉后作物根區(qū)O2濃度降低，影響作物根系呼吸，作物產(chǎn)量反而下降。朱艷等[27]研究得出，加氣灌溉下土壤微生物呼吸增大了11.5%(P<0.05)，土壤和植物根系呼吸增大了25.5%和38.8%(P<0.05)，說明加氣灌溉通過調(diào)控土壤水氣配合條件，促進(jìn)了土壤、土壤微生物和植物根系呼吸，有效改善了土壤通氣性。陳慧等[28]研究了加氣灌溉條件下土壤N2O排放對(duì)硝化與反硝化細(xì)菌數(shù)量的響應(yīng)，結(jié)果表明，不同灌水定額的加氣灌溉處理能夠增加土壤N2O排放，平均增加了4.7%，且隨著灌水量的增加，土壤N2O排放也在增加，平均增加了1.9%。趙豐云等[29]研究了加氣灌溉對(duì)干旱區(qū)葡萄根區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明加氣灌溉可以增加放線菌門和硝化螺旋菌門的豐度，且在40～50 cm土層加氣處理放線菌門和硝化螺旋菌門比未加氣處理高16.7%和22.7%。雷宏軍等[30]研究了番茄地土壤N2O排放量對(duì)水肥氣耦合滴灌的響應(yīng)，結(jié)果表明曝氣條件下N2O排放總量較對(duì)照平均增加35.16%。

綜上所述，加氣灌溉不但可以增加土壤中O2濃度，提高水分利用效率，激活土壤中微生物活性，降低作物對(duì)化學(xué)肥料的依賴性，同時(shí)還能改善土體中固(土壤顆粒)、液(土壤水)、氣(土壤氣體)三相比例，增加土壤濕潤(rùn)體的通透性，精確調(diào)控根際生長(zhǎng)微環(huán)境，是土壤氧化還原狀況[31-32]、微生物活性[33]、養(yǎng)分存在形態(tài)(有效性)及溫室氣體(CH4和N2O)排放[34-36]的重要影響因子，對(duì)土壤肥力質(zhì)量、生物活性及土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)有重要的意義。加氣灌溉影響土壤濕潤(rùn)體的通透性，土壤的透氣狀況與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、滲透性、生物量及酶活性等參數(shù)指標(biāo)緊密相關(guān)，故加氣灌溉對(duì)土壤肥力質(zhì)量有一定的影響作用。

3 加氣灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)的影響及增產(chǎn)機(jī)理

3.1 加氣灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

水、肥、氣、熱、光作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的5大外部因素，共同調(diào)控著作物的生長(zhǎng)發(fā)育。長(zhǎng)期以來，研究的重點(diǎn)主要為水、肥調(diào)控對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，對(duì)氣的研究較少。為此，水氣結(jié)合的灌溉方式(加氣灌溉)成為了新的研究課題。Bhattarai等[37]首次報(bào)道了加氣灌溉可以提高灌溉效率和作物產(chǎn)量。Abuarab M等[17]研究表明，相較于地下滴灌，加氣灌溉下玉米產(chǎn)量分別提高12.27%(2010)和12.5%(2011)，水分利用效率和灌溉水分利用效率均最大，且與對(duì)照存在顯著性差異；加氣灌溉下IWUE分別為1.096 kg·m-3(2010)和1.112 kg·m-3(2011)，而地下滴灌IWUE分別為0.911 kg·m-3(2010)和0.922 kg·m-3(2011)。Ben-Noah I等[38]研究表明加氣灌溉可以大幅度增加辣椒的數(shù)量、單重和產(chǎn)量。Li Y等[39]研究得出曝氣灌溉能顯著增加番茄的果實(shí)數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度、產(chǎn)量、維生素C及番茄紅素量。Pendergast L等[40]研究得出在地下滴灌灌溉水體中注入12%的空氣可以提高鷹嘴豆產(chǎn)量27%(2006)和10%(2007)。Abuarab M E等[41]研究得出加氣灌溉改善作物的生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高水分生產(chǎn)率與作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。邱莉萍等[42]研究表明根際通氣狀況對(duì)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化有很大影響。盧澤華等[43]研究得出番茄不同生育期對(duì)根際加氣的響應(yīng)不同，坐果期進(jìn)行加氣效果最佳。李云開等[44]研究得出微納米氣泡爆炸時(shí)的能量可以完成污染物的氧化降解和水質(zhì)凈化作用，將微納米氣泡裝置安裝于滴灌系統(tǒng)末端，不僅可以改善根區(qū)的土壤氣體含量，防止根區(qū)產(chǎn)生低氧脅迫，而且可以凈化再生水水質(zhì)，滅殺再生水中的微生物和灌水器附生生物膜中的微生物，進(jìn)而降低灌水器堵塞程度。朱練峰[45]以水稻為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)微納米氣泡水加氣在生育前期提高了秀水09、國(guó)稻6號(hào)和兩優(yōu)培九的分蘗成穗率和有效穗數(shù)，齊穗期提高了劍葉光合能力、灌漿期延緩了葉片衰老進(jìn)而提高了水稻產(chǎn)量。溫改娟等[46]研究表明，加氣灌溉的番茄株高較不加氣灌溉增加1.44%、莖粗增加3.02%、產(chǎn)量增加19.49%，并且品質(zhì)明顯優(yōu)于不加氣處理。張敏[47]研究表明，在作物水分適度虧缺條件下，加氣灌溉能提高甜瓜可溶性糖含量。周云鵬等[48]研究了微納米氣泡加氣質(zhì)量濃度對(duì)水培蔬菜生長(zhǎng)與品質(zhì)指標(biāo)的影響，研究表明水培蔬菜的質(zhì)量隨加氣質(zhì)量濃度的升高呈先增加后減少的趨勢(shì)，而根長(zhǎng)隨加氣質(zhì)量濃度的升高呈遞增趨勢(shì)，水培蔬菜適宜的加氣灌溉質(zhì)量濃度為10～20 mg·L-1。趙豐云等[49]研究表明，地下滴灌根際加氣可促進(jìn)葡萄新梢和莖粗增加，顯著提高葡萄新梢、細(xì)根等植株干物質(zhì)量的積累。杜婭丹等[50]研究表明加氣灌溉可提高作物產(chǎn)量、水分利用效率(總平均值分別提高19.3%和17.9%)。雷宏軍等[51]研究了不同土壤條件下增氧灌溉方式對(duì)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量及養(yǎng)分利用的影響，結(jié)果表明曝氣地下滴灌對(duì)紫茄生長(zhǎng)、水分和養(yǎng)分利用的促進(jìn)作用較為顯著，且不同土壤類型下曝氣地下滴灌對(duì)砂壤土紫茄產(chǎn)量增產(chǎn)及水分利用效率提升效果最優(yōu)。綜上所述，加氣灌溉對(duì)作物產(chǎn)量、品質(zhì)有一定的影響，但影響程度的大小也受土壤條件、作物種類及土壤水分狀況等因素的影響。

3.2 加氣灌溉條件下作物增產(chǎn)機(jī)理

產(chǎn)量是水、肥、氣、熱、光共同作用于作物的外在表現(xiàn)，產(chǎn)量最大化是農(nóng)民追求的最終目標(biāo)。加氣灌溉在一定程度上能夠增加作物產(chǎn)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)加氣灌溉條件下作物增產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行了初步研究。加氣灌溉影響土壤微生物群落多樣性，進(jìn)而影響酶活性[52-53]。過氧化氫酶和脫氫酶的活性對(duì)土壤通氣狀況最為敏感，故常用來表征土壤通氣狀況的變化[54]。Jenkins K B等[55]和Greenway H等[56]研究得出，微納米氣泡技術(shù)能夠提高土壤微生物活性。Nosalewicz A等[57]研究表明，土壤在通氣不良的情況下，脫氫酶活性增大。李元等[58]利用空氣壓縮機(jī)向根系供氣，研究了加氣灌溉對(duì)大棚甜瓜土壤酶活性與微生物數(shù)量的影響，研究結(jié)果表明加氣灌溉對(duì)土壤酶活性、土壤微生物數(shù)量均有顯著影響。尹曉霞等[59]通過加氣灌溉對(duì)溫室番茄根區(qū)土壤環(huán)境及產(chǎn)量的影響研究發(fā)現(xiàn)，加氣灌溉能夠明顯增加土壤中O2含量，改善土壤呼吸功能，使得土壤中的好氧性微生物(細(xì)菌、真菌和放線菌)數(shù)量顯著增加，根區(qū)O2相對(duì)充足，從而促進(jìn)了番茄根系的生長(zhǎng)。陳慧等[28]研究了加氣灌溉對(duì)設(shè)施番茄地硝化/反硝化細(xì)菌數(shù)量的影響，結(jié)果表明加氣較不加氣處理增加了土壤硝化細(xì)菌數(shù)量，平均增加了2.1%，但加氣灌溉減小了土壤反硝化細(xì)菌數(shù)量，平均降低了9.7%(P>0.05)。杜婭丹等[60]研究表明加氣灌溉可有效改善土壤生物環(huán)境，提高N利用率，并將更多N轉(zhuǎn)移至干物質(zhì)。

加氣灌溉通過改善土壤的通透性，進(jìn)而促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育及對(duì)土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用，促進(jìn)作物地上部分光合作用及光合產(chǎn)物的運(yùn)轉(zhuǎn)和積累，最終達(dá)到提高產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。當(dāng)土壤CO2濃度相對(duì)較高，而O2濃度相對(duì)較低時(shí)，將會(huì)限制作物根系呼吸作用，從而影響根系正常生理機(jī)能和植物的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響其產(chǎn)量和品質(zhì)，這一點(diǎn)已得到一些試驗(yàn)的證實(shí)。在根系有氧呼吸過程中，O2參與了合成三磷酸腺苷(ATP)的化學(xué)反應(yīng)，然而，如果根區(qū)CO2濃度很高，就阻礙了根系的有氧呼吸，影響了體內(nèi)一些化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行[61]。徐歡歡[62]研究結(jié)果表明，對(duì)大棚秋黃瓜通O2進(jìn)行處理，黃瓜根系的生長(zhǎng)、坐果率及葉片光合速率都有所提高。史春余等[63]研究得出，改善土壤通氣性可增加功能葉片三磷酸腺苷(ATP)含量、提高功能葉片ATP酶活性，促進(jìn)14C同化物由葉片向塊根的運(yùn)轉(zhuǎn)和分配。郭超等[64]研究認(rèn)為，通氣提高玉米根系活力，促進(jìn)其對(duì)土壤礦質(zhì)元素的吸收和利用。李元等[65]研究了不同土壤加氣量與加氣深度組合對(duì)番茄光合作用、葉綠素含量、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明對(duì)番茄根區(qū)土壤加氣可顯著提高葉片葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度，增強(qiáng)光合作用，增加干物質(zhì)積累及產(chǎn)量；且隨加氣量的升高，大棚番茄凈光合速率總體上呈先升高后降低的趨勢(shì)。朱艷等[66]研究了加氣灌溉下土壤參數(shù)對(duì)土壤呼吸的影響，結(jié)果表明加氣灌溉下土壤呼吸速率和土壤O2含量與對(duì)照差異顯著，分別提高了33.16%和16.61%。這是因?yàn)榧託夤喔认翺2充足，能夠促進(jìn)根系有氧呼吸及好氧微生物的活動(dòng)，土壤有機(jī)質(zhì)迅速分解，加快礦質(zhì)化，使得土壤中的有效養(yǎng)分能夠得到充分的供應(yīng)，從而有利于作物根系的吸收以及作物根尖細(xì)胞分裂、根系生長(zhǎng)和吸水面積的擴(kuò)大。但如果土壤中CO2濃度相對(duì)過高或O2相對(duì)不足，則作物根系呼吸減弱，根系生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，能量釋放減少，從而阻礙根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、利用及代謝，這不但會(huì)影響根壓的產(chǎn)生和根系吸水，而且還會(huì)因無氧呼吸累積過多的酒精而使根系中毒受傷，甚至引起作物死亡。

通過對(duì)作物根區(qū)進(jìn)行加氣灌溉補(bǔ)充O2來解決土壤O2不足的問題，一直是生產(chǎn)者和研究者所關(guān)注的問題，加氣灌溉技術(shù)也被大量研究證實(shí)能改善土壤通氣性，對(duì)作物產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率等產(chǎn)生積極影響。目前，加氣灌溉條件下作物增產(chǎn)機(jī)理研究還處于起步階段，今后可進(jìn)一步采用基因技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)等手段開展加氣灌溉對(duì)土壤微生物作用機(jī)制、作物生長(zhǎng)機(jī)制的研究，能更直觀地反映出加氣灌溉對(duì)土壤肥力質(zhì)量與作物的影響，豐富加氣灌溉研究成果。

4 加氣灌溉研究存在問題與展望

4.1 存在問題

目前，對(duì)加氣灌溉的“定量研究”還處于探索階段，雖然已取得了一定的科研成果，但仍有不少問題需要進(jìn)一步研究：(1)不同的加氣設(shè)備和加氣模式對(duì)作物的加氣效果；(2)加氣灌溉的有關(guān)氣體利用率；(3)加氣灌溉對(duì)特定作物及其根際土壤微環(huán)境的影響機(jī)制；(4)加氣灌溉對(duì)土壤呼吸、微生物數(shù)量、土壤酶活性、有機(jī)碳礦化等的影響機(jī)制；(5)加氣灌溉對(duì)土壤環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的影響；(6)加氣灌溉對(duì)作物增產(chǎn)的微生物學(xué)機(jī)制與機(jī)理；(7)加氣灌溉條件下水氣交互作用影響。

4.2 研究展望

針對(duì)加氣灌溉方面的研究目前還處于基礎(chǔ)階段，隨著加氣灌溉技術(shù)的日趨成熟，加氣灌溉的推廣應(yīng)用將為水資源短缺和糧食安全保障提供解決方案。未來的研究還應(yīng)針對(duì)以下幾個(gè)方面開展：(1)大田自然條件下特定作物加氣灌溉研究；(2)針對(duì)不同區(qū)域、不同作物的加氣灌溉研究；(3)為了提高加氣灌溉效率，應(yīng)針對(duì)特定作物開展加氣灌溉的適宜加氣方式、加氣時(shí)間、加氣頻率與加氣量的研究；(4)加氣灌溉與作物施肥等農(nóng)田管理措施相結(jié)合，提高土壤肥力質(zhì)量等相關(guān)研究；(5)為擴(kuò)大加氣灌溉的推廣力度，應(yīng)開展有關(guān)性能優(yōu)良、實(shí)用性強(qiáng)的加氣滴灌系統(tǒng)的研發(fā)；(6)為使加氣灌溉中氣泡不從灌溉水中溢出，需要開展氣泡粒徑大小對(duì)加氣灌溉效率的影響研究以及最適宜粒徑的氣泡發(fā)生裝置的研發(fā)等；(7)深化研究加氣灌溉條件下水氣耦合作用、農(nóng)田環(huán)境水分和養(yǎng)分的環(huán)境效應(yīng)；(8)加氣灌溉對(duì)土壤生物群落和土壤理化性質(zhì)長(zhǎng)效的作用機(jī)制研究；(9)加氣灌溉中水-土-氣-作物的耦合機(jī)制研究。