徐建新，臧 明，雷宏军，潘红卫，刘 欢，褚梦圆

(华北水利水电大学水利学院/水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，河南 郑州 450046)

土壤空气、水分和养分之间的平衡被称为肥力三角[1]。协调土壤水气环境以维持根系正常的新陈代谢，是灌溉追求的目标[2-3]。实际上，肥力三角的最佳平衡很少实现，灌溉水入渗会导致土壤孔隙中的空气被水分驱替，使得土壤湿润区出现至少短期的缺氧，严重时将导致作物减产[4]。滴灌和地下滴灌因其较高的水分利用效率而备受推崇，但是在灌溉过程中及之后灌水器的周围也会出现短时性和周期性滞水，在质地粘重、土壤紧实的土壤中情况尤其严重[2]。土壤水分过多，土壤通气孔隙度减少，通气性下降，根系生理代谢受阻，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]。

氧气扩散速率(Oxygen diffusion rate, ODR)是衡量土壤通气性最有效的指标之一，可直接反映原位土壤中氧气的供应状况[7]，通常认为ODR低于阈值(40×10-8g·cm-2·min-1)影响作物的正常生长，低于20×10-8g·cm-2·min-1甚至可能导致作物根系死亡[8]。Lemon等首次利用铂金电极来模拟根系对氧气的吸收[9]。已有研究表明，ODR与土壤氧气浓度存在良好的线性关系[10]，且土壤水分过多会造成ODR降低到阈值以下[11]，土壤向根系的供氧能力和ODR密切相关[9]。氧化还原电位(Oxidation-reduction potential，ORP，亦称Eh)是表征土壤通气性的另一重要参数，可反映土壤的氧化还原状况[12]，与土壤微生物活动有关，在调节土壤微生物环境方面起着重要作用[13]。Eh在田间条件下受很多条件的影响，存在着较高的变异性，通常情况下认为Eh高于414 mV时土壤氧气状况较好，低于120 mV时为缺氧状况[14]。ODR和Eh的改善以及由此带来的根系吸收和运输功能的改善是作物增产增效的根本所在[15]。

将氧气或含氧物质通过滴灌或地下滴灌系统向植物根区输送的一种新型的灌水技术被称为增氧灌溉[2]。增氧灌溉通常分为物理增氧和化学增氧方式。物理增氧方式可分为文丘里空气射流器单次曝气[16]和循环曝气两种[17]。已有研究得出，文丘里空气射流器曝气灌溉能提高作物水分利用效率，促进作物生长，提高作物产量[18-19]。化学增氧方式是将双氧水(H2O2)掺入灌溉水中进行增氧的方法[20]。Bhattarai[20]和Ben-Noah[21]等利用双氧水进行增氧滴灌，改善了根区缺氧环境，增强了光合速率，提高了作物产量。

目前关于增氧灌溉的研究多集中于改善土壤根区环境[22]或促进作物生长[16]方面，土壤通气性改善与作物生长之间的作用机制有待深入研究。笔者以冬小麦为供试作物，采用循环曝气(VAI)、双氧水(HP30和HP3K型)3种增氧灌溉处理，以普通地下滴灌作为对照(CK)，通过系统监测土壤通气性与作物生长生理状况，以期揭示增氧灌溉对作物生长与土壤通气性改善的响应关系。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验地点位于华北水利水电大学农业高效用水实验场(34°47′5.91″N，113°47′20.15″E)，该地属于暖温带亚湿润季风气候区，多年平均气温14.3℃，年均降雨量632 mm，无霜期220 d，全年日照时间约2 400 h。试验期间的气温变化见图1。

图1 试验地日平均气温Fig.1 Average daily temperature at the experimental site

1.2 试验材料

以河南省中牟县黄粘土为供试土壤，土壤机械组成中砂、粉和黏粒质量分数分别为34.6%、31.9%和33.5%，pH值7.1，土壤有机质14.5 g·kg-1，土壤速效氮、速效磷、速效钾含量分别为94.12、14.10 mg·kg-1和172.65 mg·kg-1；供试小麦品种为郑麦136，全生育期约220 d。

1.3 试验设计

以常规地下水灌溉为对照(CK)，地下滴灌为供水方式，设置3个增氧处理，分别为文丘里空气射流器循环曝气(VAI)、双氧水3000型(HP3K)和双氧水0030型(HP30)，5次重复，具体如下：

VAI：将文丘里射流器(Mazzei air injector 684，Mazzei Corp，美国)置于水流的干路上，利用偏压射流器从承压水箱顶部吸取空气，使用循环水泵将灌溉水往复通过文丘里射流器进行循环曝气。每次灌溉前曝气20 min，然后再进行灌溉，灌水压力为0.1 MPa，此时掺气比约15%，溶解氧值约为15 mg·L-1[15]。

HP3K：使用30%浓度的HP3000型农用H2O2溶液(Evonik industries AG，德国)配制15 mg·L-1的溶液进行灌溉[21]。该双氧水溶于水中可缓慢释放氧气，使灌溉开始时溶解氧浓度和VAI一致，而后溶解氧开始上升，可较长时间保持高浓度水平。

HP30：使用HP0030型30%浓度的农用H2O2(Evonik industries AG，德国)配制15 mg·L-1的溶液进行灌溉[21]，初始溶解氧浓度和VAI相同。与HP3000型农用H2O2溶液相比，HP0030型释放氧气的速度较慢，持续时间更长。

HP3K、HP30和CK处理采用20 L容积的储水桶作为储水工具，在灌溉前将桶中的灌溉水稀释成设计浓度，而后使用水泵(PLD-1206，中国石家庄市普兰迪机电设备有限公司)进行灌水，以精密压力表和分流开关控制压力。盆栽桶为圆台形，高50 cm，上直径40 cm，下直径34 cm。桶壁包裹一层遮阳布。采用随机布置，每盆装土初始质量为80 kg，质量含水量25%，干土重64 kg。装土时以10 cm为单位分层压实，以控制土壤容重为1.2 g·cm-3。采用地下滴灌方式进行灌溉，每桶中心位置埋设一个滴头(Netafim，耐特菲姆(广州)农业科技有限公司)，流量2.2 L·h-1，灌溉压力为0.1 MPa，滴头埋深15 cm。

1.4 试验管理

冬小麦2016年10月22日播种，次年5月19日收获。每盆播种300粒，播种深度为2 cm，播种后出苗整齐后作间苗处理，保留200株。试验布置在移动遮雨棚下进行，降雨时用雨棚遮挡，其余时间打开雨棚。灌水上限为85%田间持水量，初次灌水灌至上限，而后采用称重法监测土壤含水量，当土壤含水量下降到65%田间持水量时，进行补水至80%田间持水量[23]。灌溉前后称重计算每次灌溉水量。

采用了全水溶性肥料施乐多(N-P2O5-K2O的比例为15%-15%-30%，中国康拓肥料有限公司)。播种前，基肥用量为20 g·盆-1，均匀搅拌施于表层土体的1/3处。分别于播种后110 d和151 d通过水肥耦合方式追肥2次，每次10 g·盆-1。

1.5 观测内容及方法

1.5.1 水源处溶解氧 采用光纤微氧传感器测定(OXY4-mini，德国Presens公司)储水桶中溶氧值，以开始处理时间为0，每隔4 h测量一次，一直持续到112 h，此时各处理的溶解氧浓度达到同一水平。

1.5.2 土壤氧化还原电位/氧气扩散速率 于监测桶中水平埋设3根铂金探头，埋设深度为10、20 cm和30 cm，探头位置靠近监测桶的中心位置。使用氧化还原电位测量仪(中国上海仪电科学仪器股份有限公司)对土壤中氧化还原电位状况进行监测，同时可以监测氧气扩散速率[10]。于冬小麦拔节期(3月7日)、抽穗期(3月27日)和灌浆期(4月20日)的完整灌水周期内进行监测，灌水前测量一次，灌水结束后监测一次，而后每天的10∶00和17∶00分别监测一次，持续到第二次灌水前。

1.5.3 土壤呼吸速率 采用土壤呼吸测量系统(ADC LCi-SD，英国Delta-T公司)测量土壤呼吸。由于生育期盆栽土壤表面生长有小麦秸秆，测量土壤呼吸所需的土壤呼吸室底座无法埋设于土壤中，于收获(籽粒和秸秆均收获)当天(5月19日)和第二天进行了土壤呼吸速率的测量，5月19日上午9∶00 之前完成收获后立即开始监测，每3 h监测一次，持续到下午18∶00；5月20日测量时间相同。为保证测量时根系的活性，并且使土壤呼吸速率对增氧处理的响应更显著，于收获前一天(5月18日)进行了灌溉处理。

1.5.4 根系 采用根钻钻取根系样品，根钻内径3.9 cm，长度10 cm，每次取土体积119.46 cm3。将表层30 cm土壤等深度分为3层，每层重复采样3次。取样后洗根，吸干根系表层附着水后，使用根系分析仪(WinRHIZO，加拿大Regent公司)统计根系根体积、根长、根尖数、分叉数等。

1.5.5 净光合速率、蒸腾速率及气孔导度 使用光合测定仪(Li-6400XT，美国Li-COR公司)，于拔节期(3月1日)、抽穗期(3月27日)和灌浆期(4月26日)测定净光合速率、蒸腾速率和气孔导度。测定时间选择晴朗天气上午的11∶00开始，每桶选3株测算平均值。

1.5.6 产量及生物量 在生育末期，以桶为单位收获小麦地上部，脱粒后单独计产，用0.01 g精度天平称量，统计其千粒重，水分利用效率为作物产量与灌水量的比值；收获后的秸秆于105℃杀青30 min后，于70℃烘箱中放置72 h，称量其干质量。

1.6 数据处理

数据使用平均值±标准差的形式表示。采用SigmaPlot软件进行数据处理，采用Fisher LSD方法进行差异显著性检验，显著性水平设定为P=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同增氧处理下灌溉水中溶解氧动态

生物试验开始前，研究了增氧处理灌溉水中溶解氧保持特性。以VAI处理曝气结束和HP3K、HP30处理双氧水溶液配置完成的时间为0 h，第一天每隔2 h测量一次水中溶解氧，而后每隔4 h测量一次，一直持续到112 h，结果见图2。结果显示，三种增氧处理水中溶解氧较对照均有显著提高。VAI、HP3K和HP30处理在增氧结束后达到最高值(15.94、16.12 mg·L-1和15.95 mg·L-1)，较CK(5.21 mg·L-1)分别增大了205.68%、209.13%和205.91%；增氧处理的溶氧值随着时间推延开始缓慢下降，VAI、HP3K和HP30处理后溶解氧0～24 h均值为12.30、14.65 mg·L-1和14.35 mg·L-1，较CK(6.38 mg·L-1)仍平均增大了93.25%、130.30%和125.43%。68 h时VAI溶解氧下降到了8.48 mg·L-1，较CK(8.47 mg·L-1)无差异，此时HP3K处理和HP30处理分别为11.18 mg·L-1和11.55 mg·L-1。

图2 不同处理水源处溶解氧浓度Fig.2 Dissolved oxygen concentration (DO) dynamics in water tank of different treatments

VAI处理溶解氧水平下降较快，HP3K和HP30处理保持特性较好，HP3K处理在88 h下降与CK处理相同，HP30处理在112 h下降至CK同一水平。

2.2 增氧灌溉对土壤通气性的影响

2.2.1 土壤呼吸速率 增氧灌溉对土壤呼吸速率的影响见图3。图3显示，灌溉后第一天(5月19日)VAI处理于16∶00达到最大值，较CK增大了80.24%；灌溉后第二天(5月20日)9∶00达到最大值，而后降低，其中VAI处理对土壤呼吸的增强效果仍较显著，于中午12∶00差异最大，较CK处理增大了28.62%。HP3K和HP30处理较CK均无显著差异。增氧灌溉对土壤呼吸具有显著的增强作用，这种效果在灌溉后第一天表现更强烈。

2.2.2 土壤氧气扩散速率 冬小麦不同生育期的土壤氧气扩散速率见图4。灌溉开始后各处理土壤养气扩散速率(ODR)值开始下降，10 cm和20 cm深度处各处理于灌水结束后4.6 h达到最小值，而30 cm深度处VAI处理在4.6 h处达到最小值后开始回升，其他处理在22 h下降至最小值。20 cm深度各处理ODR值变化最显著，拔节期(图4b)、抽穗期(图4e)和灌浆期(图4h)各处理的最低值分别为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，从抽穗期开始，根系缺氧状况加剧，各处理最低值降至20×10-8g·cm-2·min-1以下，灌浆期甚至降至10×10-8g·cm-2·min-1以下，严重影响了作物正常生长。

各增氧处理的ODR值于灌水结束后回升，并在48 h内持续处于较高水平。在效果最为明显的20 cm深度处，VAI处理在拔节期、抽穗期和灌浆期的灌后48 h平均ODR值较CK增大了60.45%、73.77%和87.88%(P<0.05)，HP30处理在拔节期和抽穗期分别增大了21.37%和23.61%(P<0.05)；10 cm

图3 土壤呼吸速率动态Fig.3 Daily soil respiration dynamics in different treatments

深度也有一定的改善效果，VAI和HP30处理的灌后48 h内平均ODR值在拔节期(图4a)、抽穗期(图4d)、灌浆期(图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处理的灌后48 h内平均ODR值在拔节期、抽穗期、灌浆期较CK增大了60.45%、65.54%和53.41%(P<0.05)。48 h内，10 cm和20 cm深度VAI和HP30处理较CK增长比较明显，30 cm深度VAI处理增长明显。

冬小麦不同生育期的ODR表现有所差异。拔节期各处理均高于20×10-8g·cm-2·min-1，其中VAI和HP30处理在灌后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；抽穗期的缺氧状况加剧，各处理最低值降至20×10-8g·cm-2·min-1以下，VAI处理在灌水后48 h的ODR值均保持在40×10-8g·cm-2·min-1以上，HP30处理在24 h后ODR值回升至40×10-8g·cm-2·min-1以上；灌浆期各处理的最低值降至10×10-8g·cm-2·min-1，为三个时期最低，此时作物需氧量较大，对土壤氧气环境要求高，VAI和HP30处理灌后24～48 h各个深度的ODR值均达到40×10-8g·cm-2·min-1以上；VAI和HP30处理可显著改善作物根区的缺氧环境。

2.2.3 土壤氧化还原电位 图5给出了冬小麦不同生育期的土壤氧化还原电位(Eh)动态变化。拔节期(图5a～5c)各处理在不同深度的变化趋势基本一致，在灌水后均下降至最低值后开始回升，VAI、HP3K、HP30和CK处理3个深度的最低值基本一致，VAI和HP30处理在灌后22 h回升至最大值，较CK有所增强，VAI处理在10、20 cm和30 cm深度处分别增大了6.73%、7.3%和5.92%，HP30处理在10、20 cm和30 cm深度处分别增大了13.23%、12.97%和9.42%；而后各处理回落至灌前水平。

抽穗期(图5d～5f)VAI和HP30处理灌后48 h平均值较CK有显著增加，VAI处理10、20 cm和30 cm深度处平均增大了6.73%、9.01%和8.05%(P<0.05)，HP30处理增大了13.12%、15.80%和8.61%(P<0.05)。灌浆期Eh(图5g～5i)最大值均晚于前两个时期，其中VAI处理10 cm(图6g)和20 cm深度(图5h)的Eh最大值出现在69 h，其余各处理均出现在45 h。10 cm处VAI和HP30的72 h平均值较CK增大了4.01%和10.54%(P<0.05)；20 cm处增大了13.36%和18.20%(P<0.05)；30 cm处增大了10.21%和7.96%(P<0.05)。

图4 不同处理下土壤氧气扩散速率动态Fig.4 Soil oxygen diffusion rate (ODR) dynamics in different treatments

总的来说，增氧灌溉对Eh有一定的增强作用，如拔节期和抽穗期各处理均于灌水后第一天达到最大值，而灌浆期作物生长较为旺盛，根系需氧量增大，各处理的Eh最大值出现时间发生后移。

图5 不同处理下土壤氧化还原电位动态Fig.5 Soil oxidation-reduction potential (Eh) dynamics in different treatments

土层/cmSoil depth处理Treatment根系总表面积/cm2Root surface area平均直径/mmAverage diameter根长密度/(cm·m-3)Root length density根系总体积/cm3Root volume根尖数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：同一列相同土层不同字母表示在P<0.05水平下存在显著性差异。

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

2.3 增氧灌溉对冬小麦根系的影响

受不同处理通气性改善效果差异的影响，不同深度的冬小麦根系状况有了较大的变化(表1)，VAI和HP30处理通气性改善效果显著，根系生长得到增强。0～10 cm土层处根系生长最为旺盛，VAI处理根系总表面积和根长密度较CK分别增加了44.18%和37.21%(P<0.05)；HP30处理根长密度和根系总体积也有显著改善，较CK分别提高了21.13%和32.69%(P<0.05)；HP3K和CK无显著差异(P>0.05)。而在10～20 cm土层，增氧处理根系的改善效果最为明显，VAI的总表面积和根尖数较CK分别增大了51.74%和84.86%(P<0.05)；HP30的根尖数较CK增大了84.12%(P<0.05)；HP3K和CK处理仍无显著差异。20～30 cm土层VAI的总表面积、根长密度和根尖数较CK提高了38.31%、25.49%和69.02%(P<0.05)；HP30、 HP3K和CK无显著差异(P>0.05)。

2.4 增氧灌溉对冬小麦生理指标的影响

拔节期、抽穗期和灌浆期的叶片光合速率、气孔导度和蒸腾速率测定结果见表2～4。

表2 不同生育期小麦光合速率/(μmol·m-2·s-1)

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平下存在显著性差异。下同。

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

表3 不同生育期小麦气孔导度/(μmol·m-2·s-1)

表4 不同生育期小麦蒸腾速率/(mmol·m-2·s-1)

增氧处理的光合速率有了显著改善，灌浆期VAI、HP3K和HP30处理的光合速率较CK处理均有所提高，分别增大了43.41%、26.37%和20.37%(P<0.05)。增氧灌溉处理冬小麦气孔导度有了显著增强，蒸腾速率提高。抽穗期VAI处理的气孔导度较CK处理增大了38.78%，蒸腾速率增大了21.55%；灌浆期VAI和HP30处理的气孔导度较CK处理增大了23.53%和17.65%(P<0.05)，蒸腾速率增大了11.61%和15.83%(P<0.05)；HP3K的气孔导度和蒸腾速率较CK均无显著差异(P>0.05)。

2.5 增氧灌溉对冬小麦产量和生物量的影响

冬小麦的产量、水分利用效率和秸秆生物量列于表5。与对照相比，VAI和HP30处理的产量增大了36.27%和23.37%，HP3K没有显著差异。VAI、HP3K、HP30和CK处理的水分利用效率分别为2.46、2.20、2.15 kg·m-3和1.77 kg·m-3，VAI处理较CK增大了38.98%，HP3K和HP30处理却没有显著差异。VAI和HP30的秸秆生物量较CK增大了23.57%和9.23%。

表5 不同处理小麦产量、水分利用效率和秸秆生物量

3 讨 论

3.1 增氧灌溉对冬小麦根际土壤通气性的改善效应

作为表征土壤透气性和土壤中氧含量的综合指标，土壤通气性反映了土壤气体的组成及其对植物的作用、土壤气体的吸附、产生、交换等各个方面[24]。土壤通气性与土壤质地和土壤容重关系密切，砂质土壤的通气性要好于粘质土壤，相同质地条件下，随着土壤容重的增大土壤通气性变差[25]。

增氧灌溉水气两相流中微气泡易附着土壤孔隙中，可持续向水中供氧，以维持土壤中良好的氧气环境[17]，可维持24 h以上[26]。文丘里空气射流器循环曝气将微小气泡和水混合起来输送到作物根区，双氧水灌溉于根际土壤中缓慢释放氧气[27]，可改善根区土壤缺氧环境。本试验中，VAI和HP30处理的ODR值较CK均有显著提高，改善效果最少持续了48 h，且VAI处理于10、20、30 cm深度的改善效果均很显著，HP30处理在10 cm和20 cm处的改善效果显著；HP30处理对Eh的改善效果更好，这可能是由于双氧水本身的强氧化性造成的。

土壤呼吸是表征土壤通气性的一个重要指标，它是土壤与大气之间进行气体交换的主要途径，主要来自作物根系的自养呼吸作用和土壤微生物的异养呼吸作用，土壤温度、水分及土壤通气状况均对土壤呼吸产生重要影响[28]。根系呼吸是植物活性最为敏感的方面，与土壤通气状况紧密相关。土壤通气不足，首先表现为根系呼吸强度下降，进而影响土壤呼吸[29]。已有研究表明增氧灌溉可显著改善作物根区的缺氧状况，根区土壤氧气浓度得到了提高，且浅层土壤氧气浓度要大于深层土壤[30]。这与本试验结论一致。增氧灌溉将含氧物质输送到作物根区，改善了土壤中的ODR和Eh，增强了根系的自养呼吸作用[20]，还增强了好氧微生物的增长以及土壤酶活性[31]，进而改善了土壤呼吸，当温度和水分相近时，灌溉后VAI处理的土壤呼吸速率要大于CK处理。有研究得出，使用双氧水进行增氧灌溉会对土壤中的微生物量造成负面影响[32]， HP30将农用双氧水输送到作物根区，改善了土壤的通气状况，可增强作物根系的自养呼吸，同时降低了土壤中的微生物量，影响了微生物的异养呼吸作用，导致其土壤呼吸速率和CK没有显著差异。

3.2 冬小麦根系生长对土壤通气性改善的响应

植株根系的生长对缺氧的胁迫较为敏感，氧气缺乏会抑制根系的生长[33]。增氧灌溉将氧气或含氧物质输送到根区，满足根系生长的需求，可促进植株的生长发育，有效提高植株的生物量积累及产量[16]。在0～10 cm土层，VAI处理总表面积和根长密度较CK处理有显著提升；HP30处理根长密度和根系总体积也有显著改善；而在10～20 cm土层，增氧处理ODR值改善效果最为显著，根系受益于这种改善，VAI的总表面积和根尖数较CK处理增长显著，HP30的根尖数较CK处理显著增多；20～30 cm土层VAI处理的根长密度和根尖数较CK显著提高。有研究得出，作物根系经常处于缺氧的不利生长环境中，在灌溉过程中尤为明显[18]，增氧灌溉改善了根区氧气环境，促进了根系的干物质积累，在番茄研究中证明了这一点，增氧灌溉促进了植株根系的生长[29]。本试验中，VAI处理在10、20 cm和30 cm深度对根系的改善比较显著，而HP30处理在10 cm和20 cm土层处比较显著，这与ODR表现相似，VAI和HP30处理对10 cm和20 cm处土壤ODR的改善较为明显，而30 cm处VAI处理改善显著。有研究得出，双氧水增氧灌溉对作物根系的改善区域集中于滴头附近[18]，HP30处理对根系的改善集中于滴头(15 cm深度)处，而VAI处理的改善区域比较广泛。

增氧灌溉改善了土壤通气性，进而促进根系的生长，根系的生长和ODR值呈显著的线性关系[10]。这与本试验结论一致，在效果最为明显的20 cm深度处，各时期VAI处理灌后48 h平均ODR值较CK平均增大了74%，根系总表面积受益于这种改善，增大了51.74%；而在10 cm深度，各时期VAI处理灌后48 h平均ODR值较CK增大了63.2%，根系总表面积增大了44.18%；30 cm深度这两个数据分别为59.8%和38.31%。可以看出增氧灌溉对ODR的改善效果对根系的生长有直接影响，改善效果的强弱和根系表面积有一定的正相关关系，这证明了增氧灌溉对土壤通气性的改善可促进根系生长。

3.3 冬小麦生理活动和产量对土壤通气性改善的响应

增氧灌溉可改善作物根区的缺氧环境，促进了作物的生长，提高了作物的叶绿素含量[17]和光合作用效率[14]。本试验中，光合作用有较大的改善，叶片蒸腾作用也受益于土壤通气性的改善，VAI和HP30处理的蒸腾速率和气孔导度有所提高，这同上文土壤通气性的测量结果一致。Sojka[34]的研究得出，根区的低氧环境会导致光合速率的降低，增氧灌溉改善了低氧环境，光合速率得到增强。水分过多时，根区的低氧环境会导致根系吸收水分效率的降低[35]，影响植株的生长，降低了叶片的蒸腾速率。ODR值与植物的生理反应、营养特性和植物生长密切相关[10]，冬小麦生长旺盛时期根系的需氧特征使灌溉造成的缺氧环境愈发严重，ODR值也有一定的差异，拔节期灌水后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，灌浆期甚至低于10×10-8g·cm-2·min-1，增氧灌溉将含氧物质输送到作物根区，可有效缓解灌溉造成的缺氧状况，在缺氧情况严重的生长旺盛期效果更加显著，灌浆期VAI处理的光合速率、气孔导度和蒸腾速率均有显著提高，土壤通气性状态对作物生理反应有重要的影响。高产、优质是农业生产追求的主要目标，根区低氧胁迫会使根向冠层传递缺氧信号，影响水、植物生长素等生长物质的运输和储存，导致作物减产[36]。从产量可以看出，相对于CK处理来说，VAI和HP30的产量均有提高，HP3K却没有显著差异，VAI为最高产量。这与Lei等[26]所研究的在玉米产量受到增氧灌溉的增产效果相一致，辣椒的产量也能从双氧水地下滴灌中受益[19]。VAI处理的水分利用效率较CK有所提高，而其他处理却没有显著差异。植株的生物产量和整个生育期的总蒸发量成正比[13]，由上文可知，VAI处理的蒸腾速率较CK显著提高，这与产量数据表现一致。

总的来说，与土壤呼吸和Eh相比，ODR值与作物生长的相关关系更为紧密。本试验中，各处理的ODR值与根系指标、光合指标、蒸腾速率和产量的变化趋势相同，ODR的改善对作物的生长有一定的影响。有研究指出，土壤通气性的改善和温室番茄产量呈正相关关系[37]，这与本试验结论一致。

4 结 论

该文以冬小麦为供试作物，研究了不同增氧方式下土壤通气性与冬小麦生长的响应规律，结果表明，增氧灌溉可显著改善植株根区的缺氧环境，对植株的生长发育有显著的促进作用。

1)增氧灌溉可显著改善土壤通气性。灌溉后VAI处理土壤呼吸有显著增强。VAI处理和HP30处理的氧气扩散速率也有显著增强，且能长时间保持在阈值以上，不影响作物的正常生长。

2)增氧灌溉促进了作物的根系生长。VAI和HP30处理的根系总表面积、根长密度、根系总体积和根尖数较CK有显著提升。

3)增氧灌溉提高了作物的生理指标。VAI、HP3K和HP30增氧处理的光合作用、蒸腾速率和气孔导度均有显著提高。

4)增氧灌溉提高了作物的产量。相对于对照，VAI处理和HP30处理的产量有显著提高，VAI处理的水分利用效率也有显著提高。