增氧灌溉對盆栽冬小麥生長及土壤通氣性的影響

徐建新，臧 明，雷宏軍，潘紅衛，劉 歡，褚夢圓

(華北水利水電大學水利學院/水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心，河南 鄭州 450046)

土壤空氣、水分和養分之間的平衡被稱為肥力三角[1]。協調土壤水氣環境以維持根系正常的新陳代謝，是灌溉追求的目標[2-3]。實際上，肥力三角的最佳平衡很少實現，灌溉水入滲會導致土壤孔隙中的空氣被水分驅替，使得土壤濕潤區出現至少短期的缺氧，嚴重時將導致作物減產[4]。滴灌和地下滴灌因其較高的水分利用效率而備受推崇，但是在灌溉過程中及之后灌水器的周圍也會出現短時性和周期性滯水，在質地粘重、土壤緊實的土壤中情況尤其嚴重[2]。土壤水分過多，土壤通氣孔隙度減少，通氣性下降，根系生理代謝受阻，新生根系停止分裂，根系的伸展受到抑制[5]，收益可能大幅下降[6]。

氧氣擴散速率(Oxygen diffusion rate, ODR)是衡量土壤通氣性最有效的指標之一，可直接反映原位土壤中氧氣的供應狀況[7]，通常認為ODR低于閾值(40×10-8g·cm-2·min-1)影響作物的正常生長，低于20×10-8g·cm-2·min-1甚至可能導致作物根系死亡[8]。Lemon等首次利用鉑金電極來模擬根系對氧氣的吸收[9]。已有研究表明，ODR與土壤氧氣濃度存在良好的線性關系[10]，且土壤水分過多會造成ODR降低到閾值以下[11]，土壤向根系的供氧能力和ODR密切相關[9]。氧化還原電位(Oxidation-reduction potential，ORP，亦稱Eh)是表征土壤通氣性的另一重要參數，可反映土壤的氧化還原狀況[12]，與土壤微生物活動有關，在調節土壤微生物環境方面起著重要作用[13]。Eh在田間條件下受很多條件的影響，存在著較高的變異性，通常情況下認為Eh高于414 mV時土壤氧氣狀況較好，低于120 mV時為缺氧狀況[14]。ODR和Eh的改善以及由此帶來的根系吸收和運輸功能的改善是作物增產增效的根本所在[15]。

將氧氣或含氧物質通過滴灌或地下滴灌系統向植物根區輸送的一種新型的灌水技術被稱為增氧灌溉[2]。增氧灌溉通常分為物理增氧和化學增氧方式。物理增氧方式可分為文丘里空氣射流器單次曝氣[16]和循環曝氣兩種[17]。已有研究得出，文丘里空氣射流器曝氣灌溉能提高作物水分利用效率，促進作物生長，提高作物產量[18-19]。化學增氧方式是將雙氧水(H2O2)摻入灌溉水中進行增氧的方法[20]。Bhattarai[20]和Ben-Noah[21]等利用雙氧水進行增氧滴灌，改善了根區缺氧環境，增強了光合速率，提高了作物產量。

目前關于增氧灌溉的研究多集中于改善土壤根區環境[22]或促進作物生長[16]方面，土壤通氣性改善與作物生長之間的作用機制有待深入研究。筆者以冬小麥為供試作物，采用循環曝氣(VAI)、雙氧水(HP30和HP3K型)3種增氧灌溉處理，以普通地下滴灌作為對照(CK)，通過系統監測土壤通氣性與作物生長生理狀況，以期揭示增氧灌溉對作物生長與土壤通氣性改善的響應關系。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗地點位于華北水利水電大學農業高效用水實驗場(34°47′5.91″N，113°47′20.15″E)，該地屬于暖溫帶亞濕潤季風氣候區，多年平均氣溫14.3℃，年均降雨量632 mm，無霜期220 d，全年日照時間約2 400 h。試驗期間的氣溫變化見圖1。

圖1 試驗地日平均氣溫Fig.1 Average daily temperature at the experimental site

1.2 試驗材料

以河南省中牟縣黃粘土為供試土壤，土壤機械組成中砂、粉和黏粒質量分數分別為34.6%、31.9%和33.5%，pH值7.1，土壤有機質14.5 g·kg-1，土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為94.12、14.10 mg·kg-1和172.65 mg·kg-1；供試小麥品種為鄭麥136，全生育期約220 d。

1.3 試驗設計

以常規地下水灌溉為對照(CK)，地下滴灌為供水方式，設置3個增氧處理，分別為文丘里空氣射流器循環曝氣(VAI)、雙氧水3000型(HP3K)和雙氧水0030型(HP30)，5次重復，具體如下：

VAI：將文丘里射流器(Mazzei air injector 684，Mazzei Corp，美國)置于水流的干路上，利用偏壓射流器從承壓水箱頂部吸取空氣，使用循環水泵將灌溉水往復通過文丘里射流器進行循環曝氣。每次灌溉前曝氣20 min，然后再進行灌溉，灌水壓力為0.1 MPa，此時摻氣比約15%，溶解氧值約為15 mg·L-1[15]。

HP3K：使用30%濃度的HP3000型農用H2O2溶液(Evonik industries AG，德國)配制15 mg·L-1的溶液進行灌溉[21]。該雙氧水溶于水中可緩慢釋放氧氣，使灌溉開始時溶解氧濃度和VAI一致，而后溶解氧開始上升，可較長時間保持高濃度水平。

HP30：使用HP0030型30%濃度的農用H2O2(Evonik industries AG，德國)配制15 mg·L-1的溶液進行灌溉[21]，初始溶解氧濃度和VAI相同。與HP3000型農用H2O2溶液相比，HP0030型釋放氧氣的速度較慢，持續時間更長。

HP3K、HP30和CK處理采用20 L容積的儲水桶作為儲水工具，在灌溉前將桶中的灌溉水稀釋成設計濃度，而后使用水泵(PLD-1206，中國石家莊市普蘭迪機電設備有限公司)進行灌水，以精密壓力表和分流開關控制壓力。盆栽桶為圓臺形，高50 cm，上直徑40 cm，下直徑34 cm。桶壁包裹一層遮陽布。采用隨機布置，每盆裝土初始質量為80 kg，質量含水量25%，干土重64 kg。裝土時以10 cm為單位分層壓實，以控制土壤容重為1.2 g·cm-3。采用地下滴灌方式進行灌溉，每桶中心位置埋設一個滴頭(Netafim，耐特菲姆(廣州)農業科技有限公司)，流量2.2 L·h-1，灌溉壓力為0.1 MPa，滴頭埋深15 cm。

1.4 試驗管理

冬小麥2016年10月22日播種，次年5月19日收獲。每盆播種300粒，播種深度為2 cm，播種后出苗整齊后作間苗處理，保留200株。試驗布置在移動遮雨棚下進行，降雨時用雨棚遮擋，其余時間打開雨棚。灌水上限為85%田間持水量，初次灌水灌至上限，而后采用稱重法監測土壤含水量，當土壤含水量下降到65%田間持水量時，進行補水至80%田間持水量[23]。灌溉前后稱重計算每次灌溉水量。

采用了全水溶性肥料施樂多(N-P2O5-K2O的比例為15%-15%-30%，中國康拓肥料有限公司)。播種前，基肥用量為20 g·盆-1，均勻攪拌施于表層土體的1/3處。分別于播種后110 d和151 d通過水肥耦合方式追肥2次，每次10 g·盆-1。

1.5 觀測內容及方法

1.5.1 水源處溶解氧 采用光纖微氧傳感器測定(OXY4-mini，德國Presens公司)儲水桶中溶氧值，以開始處理時間為0，每隔4 h測量一次，一直持續到112 h，此時各處理的溶解氧濃度達到同一水平。

1.5.2 土壤氧化還原電位/氧氣擴散速率 于監測桶中水平埋設3根鉑金探頭，埋設深度為10、20 cm和30 cm，探頭位置靠近監測桶的中心位置。使用氧化還原電位測量儀(中國上海儀電科學儀器股份有限公司)對土壤中氧化還原電位狀況進行監測，同時可以監測氧氣擴散速率[10]。于冬小麥拔節期(3月7日)、抽穗期(3月27日)和灌漿期(4月20日)的完整灌水周期內進行監測，灌水前測量一次，灌水結束后監測一次，而后每天的10∶00和17∶00分別監測一次，持續到第二次灌水前。

1.5.3 土壤呼吸速率 采用土壤呼吸測量系統(ADC LCi-SD，英國Delta-T公司)測量土壤呼吸。由于生育期盆栽土壤表面生長有小麥秸稈，測量土壤呼吸所需的土壤呼吸室底座無法埋設于土壤中，于收獲(籽粒和秸稈均收獲)當天(5月19日)和第二天進行了土壤呼吸速率的測量，5月19日上午9∶00 之前完成收獲后立即開始監測，每3 h監測一次，持續到下午18∶00；5月20日測量時間相同。為保證測量時根系的活性，并且使土壤呼吸速率對增氧處理的響應更顯著，于收獲前一天(5月18日)進行了灌溉處理。

1.5.4 根系 采用根鉆鉆取根系樣品，根鉆內徑3.9 cm，長度10 cm，每次取土體積119.46 cm3。將表層30 cm土壤等深度分為3層，每層重復采樣3次。取樣后洗根，吸干根系表層附著水后，使用根系分析儀(WinRHIZO，加拿大Regent公司)統計根系根體積、根長、根尖數、分叉數等。

1.5.5 凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度 使用光合測定儀(Li-6400XT，美國Li-COR公司)，于拔節期(3月1日)、抽穗期(3月27日)和灌漿期(4月26日)測定凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度。測定時間選擇晴朗天氣上午的11∶00開始，每桶選3株測算平均值。

1.5.6 產量及生物量 在生育末期，以桶為單位收獲小麥地上部，脫粒后單獨計產，用0.01 g精度天平稱量，統計其千粒重，水分利用效率為作物產量與灌水量的比值；收獲后的秸稈于105℃殺青30 min后，于70℃烘箱中放置72 h，稱量其干質量。

1.6 數據處理

數據使用平均值±標準差的形式表示。采用SigmaPlot軟件進行數據處理，采用Fisher LSD方法進行差異顯著性檢驗，顯著性水平設定為P=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同增氧處理下灌溉水中溶解氧動態

生物試驗開始前，研究了增氧處理灌溉水中溶解氧保持特性。以VAI處理曝氣結束和HP3K、HP30處理雙氧水溶液配置完成的時間為0 h，第一天每隔2 h測量一次水中溶解氧，而后每隔4 h測量一次，一直持續到112 h，結果見圖2。結果顯示，三種增氧處理水中溶解氧較對照均有顯著提高。VAI、HP3K和HP30處理在增氧結束后達到最高值(15.94、16.12 mg·L-1和15.95 mg·L-1)，較CK(5.21 mg·L-1)分別增大了205.68%、209.13%和205.91%；增氧處理的溶氧值隨著時間推延開始緩慢下降，VAI、HP3K和HP30處理后溶解氧0～24 h均值為12.30、14.65 mg·L-1和14.35 mg·L-1，較CK(6.38 mg·L-1)仍平均增大了93.25%、130.30%和125.43%。68 h時VAI溶解氧下降到了8.48 mg·L-1，較CK(8.47 mg·L-1)無差異，此時HP3K處理和HP30處理分別為11.18 mg·L-1和11.55 mg·L-1。

圖2 不同處理水源處溶解氧濃度Fig.2 Dissolved oxygen concentration (DO) dynamics in water tank of different treatments

VAI處理溶解氧水平下降較快，HP3K和HP30處理保持特性較好，HP3K處理在88 h下降與CK處理相同，HP30處理在112 h下降至CK同一水平。

2.2 增氧灌溉對土壤通氣性的影響

2.2.1 土壤呼吸速率 增氧灌溉對土壤呼吸速率的影響見圖3。圖3顯示，灌溉后第一天(5月19日)VAI處理于16∶00達到最大值，較CK增大了80.24%；灌溉后第二天(5月20日)9∶00達到最大值，而后降低，其中VAI處理對土壤呼吸的增強效果仍較顯著，于中午12∶00差異最大，較CK處理增大了28.62%。HP3K和HP30處理較CK均無顯著差異。增氧灌溉對土壤呼吸具有顯著的增強作用，這種效果在灌溉后第一天表現更強烈。

2.2.2 土壤氧氣擴散速率 冬小麥不同生育期的土壤氧氣擴散速率見圖4。灌溉開始后各處理土壤養氣擴散速率(ODR)值開始下降，10 cm和20 cm深度處各處理于灌水結束后4.6 h達到最小值，而30 cm深度處VAI處理在4.6 h處達到最小值后開始回升，其他處理在22 h下降至最小值。20 cm深度各處理ODR值變化最顯著，拔節期(圖4b)、抽穗期(圖4e)和灌漿期(圖4h)各處理的最低值分別為20.79～23.78×10-8、13.3～21.6×10-8g·cm-2·min-1和7.2～19.1×10-8g·cm-2·min-1，從抽穗期開始，根系缺氧狀況加劇，各處理最低值降至20×10-8g·cm-2·min-1以下，灌漿期甚至降至10×10-8g·cm-2·min-1以下，嚴重影響了作物正常生長。

各增氧處理的ODR值于灌水結束后回升，并在48 h內持續處于較高水平。在效果最為明顯的20 cm深度處，VAI處理在拔節期、抽穗期和灌漿期的灌后48 h平均ODR值較CK增大了60.45%、73.77%和87.88%(P<0.05)，HP30處理在拔節期和抽穗期分別增大了21.37%和23.61%(P<0.05)；10 cm

圖3 土壤呼吸速率動態Fig.3 Daily soil respiration dynamics in different treatments

深度也有一定的改善效果，VAI和HP30處理的灌后48 h內平均ODR值在拔節期(圖4a)、抽穗期(圖4d)、灌漿期(圖4g)增大了47.49%和26.18%、62.85%和39.54%、79.28%和44.60%(P<0.05)，而在30 cm深度，VAI處理的灌后48 h內平均ODR值在拔節期、抽穗期、灌漿期較CK增大了60.45%、65.54%和53.41%(P<0.05)。48 h內，10 cm和20 cm深度VAI和HP30處理較CK增長比較明顯，30 cm深度VAI處理增長明顯。

冬小麥不同生育期的ODR表現有所差異。拔節期各處理均高于20×10-8g·cm-2·min-1，其中VAI和HP30處理在灌后22～45 h的ODR值均高于40×10-8g·cm-2·min-1，在69 h才回落至灌水前水平；抽穗期的缺氧狀況加劇，各處理最低值降至20×10-8g·cm-2·min-1以下，VAI處理在灌水后48 h的ODR值均保持在40×10-8g·cm-2·min-1以上，HP30處理在24 h后ODR值回升至40×10-8g·cm-2·min-1以上；灌漿期各處理的最低值降至10×10-8g·cm-2·min-1，為三個時期最低，此時作物需氧量較大，對土壤氧氣環境要求高，VAI和HP30處理灌后24～48 h各個深度的ODR值均達到40×10-8g·cm-2·min-1以上；VAI和HP30處理可顯著改善作物根區的缺氧環境。

2.2.3 土壤氧化還原電位 圖5給出了冬小麥不同生育期的土壤氧化還原電位(Eh)動態變化。拔節期(圖5a～5c)各處理在不同深度的變化趨勢基本一致，在灌水后均下降至最低值后開始回升，VAI、HP3K、HP30和CK處理3個深度的最低值基本一致，VAI和HP30處理在灌后22 h回升至最大值，較CK有所增強，VAI處理在10、20 cm和30 cm深度處分別增大了6.73%、7.3%和5.92%，HP30處理在10、20 cm和30 cm深度處分別增大了13.23%、12.97%和9.42%；而后各處理回落至灌前水平。

抽穗期(圖5d～5f)VAI和HP30處理灌后48 h平均值較CK有顯著增加，VAI處理10、20 cm和30 cm深度處平均增大了6.73%、9.01%和8.05%(P<0.05)，HP30處理增大了13.12%、15.80%和8.61%(P<0.05)。灌漿期Eh(圖5g～5i)最大值均晚于前兩個時期，其中VAI處理10 cm(圖6g)和20 cm深度(圖5h)的Eh最大值出現在69 h，其余各處理均出現在45 h。10 cm處VAI和HP30的72 h平均值較CK增大了4.01%和10.54%(P<0.05)；20 cm處增大了13.36%和18.20%(P<0.05)；30 cm處增大了10.21%和7.96%(P<0.05)。

圖4 不同處理下土壤氧氣擴散速率動態Fig.4 Soil oxygen diffusion rate (ODR) dynamics in different treatments

總的來說，增氧灌溉對Eh有一定的增強作用，如拔節期和抽穗期各處理均于灌水后第一天達到最大值，而灌漿期作物生長較為旺盛，根系需氧量增大，各處理的Eh最大值出現時間發生后移。

圖5 不同處理下土壤氧化還原電位動態Fig.5 Soil oxidation-reduction potential (Eh) dynamics in different treatments

土層/cmSoil depth處理Treatment根系總表面積/cm2Root surface area平均直徑/mmAverage diameter根長密度/(cm·m-3)Root length density根系總體積/cm3Root volume根尖數No. of tips0～10VAI230.51±26.30a0.38±0.03a5.31±0.50a1.87±0.44ab5241.60±1301.60aHP3K184.17±13.36bc0.41±0.04a4.03±0.65b1.76±0.40ab5913.60±1895.92aHP30207.27±21.97ac0.39±0.06a4.92±0.68a1.81±0.61a5935.20±1397.32aCK169.45±20.70b0.38±0.03a3.87±0.29b1.57±0.58b3374.40±300.80a10～20VAI34.03±6.34a0.24±0.02a1.13±0.17a0.19±0.05ab2557.80±569.01aHP3K28.99±13.63ab0.27±0.04a1.09±0.24a0.19±0.11a1632.20±365.84bcHP3024.63±7.62b0.24±0.04a1.20±0.21a0.14±0.04b1871.00±587.92cCK26.92±2.65ab0.23±0.02a1.12±0.16a0.18±0.05ab1590.20±303.42b20～30VAI27.30±5.58b0.24±0.02a0.64±0.06a0.16±0.03a1544.80±522.16aHP3K19.19±4.84b0.26±0.03a0.61±0.08ab0.12±0.02a971.60±173.19aHP3030.16±5.66a0.25±0.03a0.55±0.04ab0.13±0.03a1220.40±599.94aCK18.64±3.71b0.24±0.04a0.51±0.08b0.12±0.02a907.00±96.75a

注：同一列相同土層不同字母表示在P<0.05水平下存在顯著性差異。

Note: The different letters in the same column and depth indicate significant differences atP<0.05.

2.3 增氧灌溉對冬小麥根系的影響

受不同處理通氣性改善效果差異的影響，不同深度的冬小麥根系狀況有了較大的變化(表1)，VAI和HP30處理通氣性改善效果顯著，根系生長得到增強。0～10 cm土層處根系生長最為旺盛，VAI處理根系總表面積和根長密度較CK分別增加了44.18%和37.21%(P<0.05)；HP30處理根長密度和根系總體積也有顯著改善，較CK分別提高了21.13%和32.69%(P<0.05)；HP3K和CK無顯著差異(P>0.05)。而在10～20 cm土層，增氧處理根系的改善效果最為明顯，VAI的總表面積和根尖數較CK分別增大了51.74%和84.86%(P<0.05)；HP30的根尖數較CK增大了84.12%(P<0.05)；HP3K和CK處理仍無顯著差異。20～30 cm土層VAI的總表面積、根長密度和根尖數較CK提高了38.31%、25.49%和69.02%(P<0.05)；HP30、 HP3K和CK無顯著差異(P>0.05)。

2.4 增氧灌溉對冬小麥生理指標的影響

拔節期、抽穗期和灌漿期的葉片光合速率、氣孔導度和蒸騰速率測定結果見表2～4。

表2 不同生育期小麥光合速率/(μmol·m-2·s-1)

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平下存在顯著性差異。下同。

Note: The different letters in the same column indicates significant differences at the level ofP<0.05. The same below.

表3 不同生育期小麥氣孔導度/(μmol·m-2·s-1)

表4 不同生育期小麥蒸騰速率/(mmol·m-2·s-1)

增氧處理的光合速率有了顯著改善，灌漿期VAI、HP3K和HP30處理的光合速率較CK處理均有所提高，分別增大了43.41%、26.37%和20.37%(P<0.05)。增氧灌溉處理冬小麥氣孔導度有了顯著增強，蒸騰速率提高。抽穗期VAI處理的氣孔導度較CK處理增大了38.78%，蒸騰速率增大了21.55%；灌漿期VAI和HP30處理的氣孔導度較CK處理增大了23.53%和17.65%(P<0.05)，蒸騰速率增大了11.61%和15.83%(P<0.05)；HP3K的氣孔導度和蒸騰速率較CK均無顯著差異(P>0.05)。

2.5 增氧灌溉對冬小麥產量和生物量的影響

冬小麥的產量、水分利用效率和秸稈生物量列于表5。與對照相比，VAI和HP30處理的產量增大了36.27%和23.37%，HP3K沒有顯著差異。VAI、HP3K、HP30和CK處理的水分利用效率分別為2.46、2.20、2.15 kg·m-3和1.77 kg·m-3，VAI處理較CK增大了38.98%，HP3K和HP30處理卻沒有顯著差異。VAI和HP30的秸稈生物量較CK增大了23.57%和9.23%。

表5 不同處理小麥產量、水分利用效率和秸稈生物量

3 討 論

3.1 增氧灌溉對冬小麥根際土壤通氣性的改善效應

作為表征土壤透氣性和土壤中氧含量的綜合指標，土壤通氣性反映了土壤氣體的組成及其對植物的作用、土壤氣體的吸附、產生、交換等各個方面[24]。土壤通氣性與土壤質地和土壤容重關系密切，砂質土壤的通氣性要好于粘質土壤，相同質地條件下，隨著土壤容重的增大土壤通氣性變差[25]。

增氧灌溉水氣兩相流中微氣泡易附著土壤孔隙中，可持續向水中供氧，以維持土壤中良好的氧氣環境[17]，可維持24 h以上[26]。文丘里空氣射流器循環曝氣將微小氣泡和水混合起來輸送到作物根區，雙氧水灌溉于根際土壤中緩慢釋放氧氣[27]，可改善根區土壤缺氧環境。本試驗中，VAI和HP30處理的ODR值較CK均有顯著提高，改善效果最少持續了48 h，且VAI處理于10、20、30 cm深度的改善效果均很顯著，HP30處理在10 cm和20 cm處的改善效果顯著；HP30處理對Eh的改善效果更好，這可能是由于雙氧水本身的強氧化性造成的。

土壤呼吸是表征土壤通氣性的一個重要指標，它是土壤與大氣之間進行氣體交換的主要途徑，主要來自作物根系的自養呼吸作用和土壤微生物的異養呼吸作用，土壤溫度、水分及土壤通氣狀況均對土壤呼吸產生重要影響[28]。根系呼吸是植物活性最為敏感的方面，與土壤通氣狀況緊密相關。土壤通氣不足，首先表現為根系呼吸強度下降，進而影響土壤呼吸[29]。已有研究表明增氧灌溉可顯著改善作物根區的缺氧狀況，根區土壤氧氣濃度得到了提高，且淺層土壤氧氣濃度要大于深層土壤[30]。這與本試驗結論一致。增氧灌溉將含氧物質輸送到作物根區，改善了土壤中的ODR和Eh，增強了根系的自養呼吸作用[20]，還增強了好氧微生物的增長以及土壤酶活性[31]，進而改善了土壤呼吸，當溫度和水分相近時，灌溉后VAI處理的土壤呼吸速率要大于CK處理。有研究得出，使用雙氧水進行增氧灌溉會對土壤中的微生物量造成負面影響[32]， HP30將農用雙氧水輸送到作物根區，改善了土壤的通氣狀況，可增強作物根系的自養呼吸，同時降低了土壤中的微生物量，影響了微生物的異養呼吸作用，導致其土壤呼吸速率和CK沒有顯著差異。

3.2 冬小麥根系生長對土壤通氣性改善的響應

植株根系的生長對缺氧的脅迫較為敏感，氧氣缺乏會抑制根系的生長[33]。增氧灌溉將氧氣或含氧物質輸送到根區，滿足根系生長的需求，可促進植株的生長發育，有效提高植株的生物量積累及產量[16]。在0～10 cm土層，VAI處理總表面積和根長密度較CK處理有顯著提升；HP30處理根長密度和根系總體積也有顯著改善；而在10～20 cm土層，增氧處理ODR值改善效果最為顯著，根系受益于這種改善，VAI的總表面積和根尖數較CK處理增長顯著，HP30的根尖數較CK處理顯著增多；20～30 cm土層VAI處理的根長密度和根尖數較CK顯著提高。有研究得出，作物根系經常處于缺氧的不利生長環境中，在灌溉過程中尤為明顯[18]，增氧灌溉改善了根區氧氣環境，促進了根系的干物質積累，在番茄研究中證明了這一點，增氧灌溉促進了植株根系的生長[29]。本試驗中，VAI處理在10、20 cm和30 cm深度對根系的改善比較顯著，而HP30處理在10 cm和20 cm土層處比較顯著，這與ODR表現相似，VAI和HP30處理對10 cm和20 cm處土壤ODR的改善較為明顯，而30 cm處VAI處理改善顯著。有研究得出，雙氧水增氧灌溉對作物根系的改善區域集中于滴頭附近[18]，HP30處理對根系的改善集中于滴頭(15 cm深度)處，而VAI處理的改善區域比較廣泛。

增氧灌溉改善了土壤通氣性，進而促進根系的生長，根系的生長和ODR值呈顯著的線性關系[10]。這與本試驗結論一致，在效果最為明顯的20 cm深度處，各時期VAI處理灌后48 h平均ODR值較CK平均增大了74%，根系總表面積受益于這種改善，增大了51.74%；而在10 cm深度，各時期VAI處理灌后48 h平均ODR值較CK增大了63.2%，根系總表面積增大了44.18%；30 cm深度這兩個數據分別為59.8%和38.31%。可以看出增氧灌溉對ODR的改善效果對根系的生長有直接影響，改善效果的強弱和根系表面積有一定的正相關關系，這證明了增氧灌溉對土壤通氣性的改善可促進根系生長。

3.3 冬小麥生理活動和產量對土壤通氣性改善的響應

增氧灌溉可改善作物根區的缺氧環境，促進了作物的生長，提高了作物的葉綠素含量[17]和光合作用效率[14]。本試驗中，光合作用有較大的改善，葉片蒸騰作用也受益于土壤通氣性的改善，VAI和HP30處理的蒸騰速率和氣孔導度有所提高，這同上文土壤通氣性的測量結果一致。Sojka[34]的研究得出，根區的低氧環境會導致光合速率的降低，增氧灌溉改善了低氧環境，光合速率得到增強。水分過多時，根區的低氧環境會導致根系吸收水分效率的降低[35]，影響植株的生長，降低了葉片的蒸騰速率。ODR值與植物的生理反應、營養特性和植物生長密切相關[10]，冬小麥生長旺盛時期根系的需氧特征使灌溉造成的缺氧環境愈發嚴重，ODR值也有一定的差異，拔節期灌水后ODR最低值仍位于20×10-8g·cm-2·min-1以上，抽穗期已降至20×10-8g·cm-2·min-1以下，灌漿期甚至低于10×10-8g·cm-2·min-1，增氧灌溉將含氧物質輸送到作物根區，可有效緩解灌溉造成的缺氧狀況，在缺氧情況嚴重的生長旺盛期效果更加顯著，灌漿期VAI處理的光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均有顯著提高，土壤通氣性狀態對作物生理反應有重要的影響。高產、優質是農業生產追求的主要目標，根區低氧脅迫會使根向冠層傳遞缺氧信號，影響水、植物生長素等生長物質的運輸和儲存，導致作物減產[36]。從產量可以看出，相對于CK處理來說，VAI和HP30的產量均有提高，HP3K卻沒有顯著差異，VAI為最高產量。這與Lei等[26]所研究的在玉米產量受到增氧灌溉的增產效果相一致，辣椒的產量也能從雙氧水地下滴灌中受益[19]。VAI處理的水分利用效率較CK有所提高，而其他處理卻沒有顯著差異。植株的生物產量和整個生育期的總蒸發量成正比[13]，由上文可知，VAI處理的蒸騰速率較CK顯著提高，這與產量數據表現一致。

總的來說，與土壤呼吸和Eh相比，ODR值與作物生長的相關關系更為緊密。本試驗中，各處理的ODR值與根系指標、光合指標、蒸騰速率和產量的變化趨勢相同，ODR的改善對作物的生長有一定的影響。有研究指出，土壤通氣性的改善和溫室番茄產量呈正相關關系[37]，這與本試驗結論一致。

4 結 論

該文以冬小麥為供試作物，研究了不同增氧方式下土壤通氣性與冬小麥生長的響應規律，結果表明，增氧灌溉可顯著改善植株根區的缺氧環境，對植株的生長發育有顯著的促進作用。

1)增氧灌溉可顯著改善土壤通氣性。灌溉后VAI處理土壤呼吸有顯著增強。VAI處理和HP30處理的氧氣擴散速率也有顯著增強，且能長時間保持在閾值以上，不影響作物的正常生長。

2)增氧灌溉促進了作物的根系生長。VAI和HP30處理的根系總表面積、根長密度、根系總體積和根尖數較CK有顯著提升。

3)增氧灌溉提高了作物的生理指標。VAI、HP3K和HP30增氧處理的光合作用、蒸騰速率和氣孔導度均有顯著提高。

4)增氧灌溉提高了作物的產量。相對于對照，VAI處理和HP30處理的產量有顯著提高，VAI處理的水分利用效率也有顯著提高。