摘要：随着我国农业现代化、产业化和标准化的不断发展，滴灌技术作为一种新型的节水灌溉技术在农业生产中逐步取代传统灌溉技术，成为实现农业水分高效利用的有效途径。目前滴灌技术呈现多样化发展并在此基础上不断进行完善与创新，多种节水高效的灌水技术，如纳米灌气滴灌技术、膜下滴灌技术等被广泛推广和应用。而加气滴灌是近年来出现的水肥气一体化滴灌方法，通过地下加气解决滴灌造成的根系缺氧问题，实现根域气体环境的优化，不仅促进作物生长和提高农作物的产量，而且还能达到节水、节能的效果。基于近20年我国加气滴灌技术的研究，系统论述加气滴灌技术对土壤生理生化性质和微生物活动、植物生长发育和农作物品质以及农田水肥利用的影响，以期为我国农业水资源高效利用和农业可持续发展提供理论参考。
关键词：加气滴灌;生理生化性质;生长发育;农田水肥利用;旱区节水农业;高效节水技术;研究展望
中图分类号： S275.4 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）07-0024-04
加气灌溉是近年来出现的新型滴灌方式，是对地下滴灌技术的完善和改进。地下滴灌是主要指在灌溉过程中，水分通过在耕作层布设滴灌毛细管利用毛细作用或重力作用扩散到整个植物根系区域的高效灌溉技术[1]。虽然地下滴灌可以通过减少蒸发损失和增大降水捕获量来提高灌溉水利用效率，但是在灌溉过程中和灌溉后容易降低植物根际土壤空气含量[2-3]。对于植物来说，根系需要充足的氧气通过有氧呼吸满足植物养分摄取和水分吸收，维持自身新陈代谢需要[4]。但是植物根系生长对土壤中的气体，特别是氧气的浓度特别敏感[5-7]，长时间进行地下滴灌会影响滴头附近的土壤物理结构和水力学特性，形成一个持续的湿润锋，使根际水分长时间接近饱和状态，造成土壤缺氧[8-9]。土壤中氧气不足从而影响到根系和土壤呼吸，造成根系呼吸作用受限，影响植物根系水分养分的吸收和向地上部分的传输过程，进而限制整个植株的生长，严重者甚至导致死亡[10-12]。因而，如何改变地下滴灌中根系土壤气体环境对于植物生长具有重要意义。
21世纪初，美国在农业发展过程中形成了一种新型节水节能灌溉技术——加气灌溉（aeration underground drip irrigation，简称AUDI）技術[13]。它可以通过直接向植物根系输氧的措施来实现根域气体环境的优化，作物产量的提高，水分利用效率的改善，土壤中固、液、气三相比例方面的平衡[14-15]。其基本原理是依靠文丘里管注射器将空气直接吸入水流中或通过过氧化氢溶液溶解的方法，通过地下滴灌系统将空气和水流按一定比例混合后，利用重力作用和毛细作用将水滴缓慢入渗到作物根部的一种灌溉方法[15]。加气灌溉技术是对地下滴灌系统的改进和发展，只须在现有的地下灌溉系统上增加文丘里管注射器等设备就可实现，具有节水、高效和快速的特点。随后澳大利亚、加拿大、意大利等国对加气灌溉技术进行了深入研究和推广，取得了巨大的经济效益和社会效益[16-17]。
我国是农业大国，只有加快发展现代农业，才能提高我国大国农业竞争力，为经济发展转型升级提供坚实基础和有力保障。农业现代化和产业化是发展现代农业，提高农业竞争力的有力保障。随着国家对农业的逐步重视，我国在农业生产中不断引进国外先进技术，发展设施农业，特别是加气滴灌技术的引进和应用，一方面解决了制约我国农业发展的水资源短缺问题，能够实现水分高效利用，推动节水农业技术的发展，另一方面能迅速提高土壤渗透性，使土壤微生物具有较高的活性，提高土地生产力。最终达到节水、增产、提高作物品质的目的。国内对于加气滴灌的研究起步较晚，但是我国加气滴灌技术推广发展迅速，拥有广阔的应用前景。目前研究内容主要集中在土壤水分运移动态、灌溉模式等方面[18-20]，而加气滴灌对于土壤通气性，作物根系生长发育以及植物生理生态特征的影响研究较少，最近几年才引起人们的关注。
本文对近20年来国内加气滴灌技术的研究及其进展进行系统性归纳总结，主要探讨加气滴灌对于土壤理化性质和微生物活动、作物生长发育和农作物品质以及农田水肥利用等3个方面的影响，旨在为我国农业水资源高效利用和旱区节水农业可持续发展提供理论依据。
1 加气滴灌对土壤理化性质与微生物活动的影响
农业生产中，作物生长所需要的大部分养分和水分都是通过土壤获得的，作物的根系从土壤中吸收无机离子合成叶绿素，保证作物光合作用需要[13，21-22]。加气滴灌技术的应用改变了传统灌溉模式漫灌、沟灌造成的水资源浪费，同时对于土壤的理化性质和微生物活动产生积极影响。
1.1 对土壤理化性质的影响
作物的根系是植物进行养分和水分吸取的重要场所，加气滴灌对植物最直接的影响就是影响根部土壤的生境因子，改变了土壤的通气性和养分利用能力[23]。传统灌溉模式降低了土壤的通气性，容易造成根系缺氧，影响作物正常的呼吸作用及生长发育[24]。通过基质通气栽培方法研究不同通气方式对基质气体的影响发现，进行基质通气能显著改善根际CO2和O2的体积分数[25]。同时加氧灌溉不仅改善了土壤通气性，也改变了土壤性质。土壤通气条件良好，有利于土壤有机质快速分解，有利于作物的吸收利用[26]。在温室小区种植番茄，进行加气滴灌对土壤生境因子的影响研究发现，与传统灌溉方法相比，加气滴灌处理的平均土壤含水量降低4.0%、平均土壤O2含量增加1.5%、平均土壤温度增加3.4%、平均土壤硝态氮含量增加3.7%、平均土壤NH4+-N含量增加10%[27]。通气处理还能显著提高基质速效养分的质量分数，采用基质通气栽培黄瓜发现，与未通气处理相比，碱解氮含量提高12.95%～28.87%，速效磷含量提高12.02%～20.46%[28]。
土壤生境因子的变化会引起土壤中土壤酶活性和微生物活动的巨大改变，从而影响农田作物的呼吸过程和光合作用[29]。土壤酶是土壤中各种生化反应的催化剂，其活性大小是表征土壤熟化程度和肥力水平高低的重要指标[30]。土壤酶主要由土壤中微生物和植物根系分泌，植物残体和土壤动物区系分解产物也可产生少量土壤酶[31]。土壤中大部分生化反应都是在微生物和酶的共同作用下完成的。然而由于设施农业的发展导致土壤孔隙度减小，土壤紧实度增加，低氧胁迫下引起根系氧供应不足，好氧性土壤微生物、土壤动物活动减缓，进而降低土壤酶活性，间接影响到土壤养分循环和作物对养分的利用[32]。过氧化氢酶是表征土壤生物特性的重要酶，其活性与土壤呼吸强度和土壤微生物活动密切相关[33]。脲酶也广泛存在于土壤中，能促进尿素水解为氨和二氧化碳，是反映土壤供氮能力与水平的重要指标。同时提高土壤脲酶活性，可为植物提供更多的有效氮源，对促进土壤氮循环、提高土壤肥力、保障植株正常生长具有重要意义[34]。土壤酶是土壤质量的生物活性指标，可以用来评价土壤肥力[35]。同时土壤酶活性是土壤生物活性的总体表现之一，可以反映出土壤养分转化能力的强弱[36]。李元分别研究了加气滴灌对盆栽番茄和大棚甜瓜土壤酶活性与微生物数量的影响，结果表明过氧化氢酶、脲酶和脱氢酶的活性对环境特别敏感，加气灌溉对土壤脲酶、过氧化氢酶活性均有显著影响，能够提高土壤脲酶、过氧化氢酶的活性[37]。