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水资源紧缺已成为制约农业可持续发展的主要因素之一[1]。我国农业用水量巨大，2019年高达3682亿m3，占总用水量的61%，而我国农田灌溉水有效利用系数仅为0.559[2]。农业用水供需矛盾日益加剧，我国农业缺水问题将主要通过自身节水予以解决[3]。如何实现稳产或增产的同时提高农业用水效率是我国农业节水要解决的核心问题，前人的研究也证明了应用先进的节水灌溉技术可以提高灌溉水利用效率，是缓解水资源短缺的有效方式之一[4]。
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分根区交替灌溉（APRI）是一种新型的节水灌溉技术[5]，指在作物整个或部分生育期交替对部分根区进行正常灌溉，而其余根区受到一定程度的水分胁迫，促使湿润根区提供充足的水分供植物生长需要，同时干燥根区产生胁迫信号调控作物自身生理活动，减少植株蒸腾和土壤蒸发，从而达到节水的效果。大量试验研究表明，APRI可以显著减少灌溉水量，提高水分利用效率。
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APRI在作物根区形成干湿交替的水分条件，在干旱侧，作物根系受到一定的水分胁迫，根系会产生脱落酸（ABA）并运输到叶片，调节气孔开度，从而降低植株蒸腾；同时，灌溉侧由于供水适宜，加上根系存在吸水补偿效应，根系能够提供作物生长需要的水分[1]。研究表明，相同灌水条件下，与常规灌溉相比，APRI条件下作物耗水量减少30.0%～50.0%，水分利用效率增加38.0%～61.0%[6-8]。在大幅减少灌溉水量的同时，APRI还可以保持作物产量，改善果实品质[9]。 APRI条件下水肥耦合研究表明，在养分局部供应条件下，作物养分吸收功能明显增强，提高了养分利用效率[10-11]。此外，APRI对于土壤水分养分分布及作物生长等的影响是多方面的，本文以APRI对土壤水分、土壤养分（氮素）、作物养分（氮素）吸收和作物生物量、品质、产量、水分利用效率的影响展开综述，并对APRI新的研究方向进行讨论。
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1 交替灌溉对土壤水分的影响
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土壤水分条件不仅影响土壤养分分布和根系对养分的吸收利用，同时还影响养分在作物体内运移与分配。APRI作为重要的节水技术，可以有效减少农业灌水量。研究表明，APRI条件下土壤水分垂直入渗深度比常规灌溉减小10～40cm，这是由于常规灌溉的土壤水分以下渗为主，而APRI由于湿润区和干燥区之间存在水势梯度，水分会向干燥区域扩散[12-14]，同时，APRI条件下更发达的根系使水分到达深层土壤之前就被大量吸收[15]，减少了深层渗漏。APRI由于灌溉湿润范围小，土壤蒸发相应减小[16]，且由于APRI条件下水分侧向入渗明显，不易发生深层渗漏，因此，总灌水量少于常规灌溉，极大节约了农业灌溉用水。
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此外，APRI通过影响土壤水势作用于土壤水分运动，从而影响土壤水分环境。常规灌溉条件下，不同根区土壤水分分布近乎相同，APRI条件下，土壤湿润范围只有大约一半，即一部分根区处于相对湿润状态，其他部分根区处于相对干燥状态。APRI下两侧根区土壤含水率差值平均为2.7%～6.6%[17-18]，灌溉后的土壤表层含水率差异通常最大，在0～25cm土层APRI灌水侧的含水量约为非灌水侧的2.7倍[19]。两侧根区的含水率差异也会导致水分侧向入渗增加，并且由于侧向入渗和根系输送水，APRI灌水后干燥区土壤含水率增加约2.0%[13]，含水率差值也会随着时间的推移逐渐减小，研究发现到下一次灌水前两侧根区土壤含水率差值不到1.0%[20]。由于APRI在根区两侧进行交替灌水，因此，其灌水均匀性并不受影响[21]。单侧固定灌溉下湿润区和干燥区的土壤含水率差值平均为2.0%～6.5%，不同的是，单侧固定灌溉始终只灌溉一侧，湿润区和干燥区不会随着灌水交替而交换，因此，灌水侧的含水率始终高于非灌水侧[18，22]。在APRI灌溉侧的垂直方向上，灌溉一段时间后0～10cm土层土壤由于地表蒸发，其含水率略低于10～20cm土层土壤约2.0%[23]，在表层土壤以下的根系层，由于根系的吸收，其含水率随土壤深度的增加先减小后增加，根系层以下土层的含水率则呈现出随土壤深度的增加而减小，所以APRI条件下灌溉侧的含水率从上到下整体呈现近似“S”形分布[24-25]，这样的分布形式同常规灌溉和单侧固定灌溉的灌溉侧相似。
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2 交替灌溉对土壤养分（氮素）的影响
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土壤无机氮是作物生长的重要养分，土壤中的硝态氮和铵态氮主要以溶质的形式存在于土壤溶液中，在长期的灌溉条件下，随水分运移，其在土壤中的迁移和渗漏等规律受灌水量影响较大。在整个灌溉周期中，由于APRI灌水量小，且水分向干燥区域入渗明显，下渗减少，根区土壤整体水分达到饱和的时间比常规灌溉长，减少了硝态氮向深层土壤淋溶，引起硝态氮在根区附近累积，作物可以吸收更多的养分[26-27]。番茄收获后，APRI沟灌处理的番茄根系土层附近硝态氮含量是常规沟灌的159.1%，而在深层50cm土壤附近仅为常规沟灌的60.0%[28]。对马铃薯进行充分灌水后，常规灌溉下层30～60cm土层土壤中残留的铵态氮较APRI处理平均高5.4%[29]。与单侧固定灌溉相比，APRI侧向入渗和交替灌水的特点使同一土层上硝态氮含量在整个灌溉周期中相差不大[30]，在玉米灌浆期0～40cm土层中，APRI沟灌下一侧根区硝态氮含量仅比另一侧低6.6%，而单侧固定沟灌下这一数值则达到了52.4%[31]。此外，APRI改善了土壤通气条件，为微生物的生长和活性提供了更适宜的水分和氧气环境，激发土壤的呼吸作用，促使土壤有机质的矿化，增加土壤养分含量[32]。
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3 交替灌溉对作物养分（氮素）吸收的影响
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大量研究表明，APRI相对于常规灌溉和单侧固定灌溉来说，作物对于养分通常具有更强的吸收能力。原因是APRI能改善土壤通透性，增加微生物活性[33]，促使有机氮向矿物质氮转化[34]，且灌水量减少及水分侧向入渗增加，有利于在根区形成适宜的水分养分条件。另外，APRI与单侧固定灌溉的部分根区始终处于干燥状态不同，其灌水特点使不同区域根系经受交替的干湿胁迫，促进根系生长，干燥根区的根系复水后吸收补偿增强，使得根系更易吸收土壤中的养分[35]，适度干燥后复水使叶片中的细胞分裂素含量显著增加[36]，有利于提高作物对氮素的吸收[37]，而单侧固定灌溉则会导致根系欠发达且吸收能力差。
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研究结果显示，与常规灌溉相比，APRI处理的玉米茎叶、秸秆、籽粒含氮量分别增加38.3%、 12.4%、19.9%[38-39]；Lehrsch等[40] 研究不同灌溉方式对玉米吸氮量的影响，发现APRI使玉米对土壤氮的吸收量提高21.0%；Skinner等[26]发现，玉米根生物量会增加26.0%，同时增加了对氮的吸收。在施肥相同情况下，APRI地下滴灌和APRI沟灌处理马铃薯氮含量略有增加，其植株和块茎全氮含量比常规地下滴灌处理分别增加2.0%和2.8%，比常规沟灌处理分别增加0.9%和2.3%[41-42]。而李平等[29]测定马铃薯收获时植株全氮含量发现， APRI滴灌处理的植株全氮含量比常规滴灌处理降低3.2%。
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APRI处理的玉米秸秆和籽粒吸氮量比单侧固定灌溉增加38.5%和51.2%[39]；在高施氮量条件下，经APRI处理的单位玉米植株吸氮量是单侧固定灌溉的1.04倍，是常规灌溉的1.05倍，并且各个冠层和根系吸氮量均有增加，APRI沟灌下的玉米全氮累积总量比单侧固定沟灌平均多26kg/hm2[43]。经APRI处理的玉米根系各生长阶段中的吸氮量平均为单侧固定灌溉处理的128.6%[38]。
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4 交替灌溉对作物生物量、品质、产量和水分利用效率的影响
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4.1 交替灌溉对作物生物量的影响
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APRI有效促进作物根系生长，使根系更发达。原因是干湿交替能防止根系表层脱落和次生根老化死亡，保持根系活力，根系的补偿生长和向水性生长特性刺激了根系在复水后的生长[44]，同时APRI下土壤中微生物数量增加、活性增强[45]，有研究发现一些植物根际促生菌会释放生长素吲哚乙酸来促进植株根系生长[46]，APRI处理的玉米根系干重和根冠比显著增加[47]。在玉米拔节前期，APRI处理的平均根长和根长密度分别比常规灌溉提高0.4%和1.6%，同时，根长密度比单侧固定灌溉提高40.7%[38]，这是因为单侧固定灌溉非灌溉侧的根系生长受到抑制。在土壤水分下限为65%时， APRI处理的冬小麦根冠比和根系干重较常规灌溉分别提高63.0%和63.4%，根系密度提高4.2%[48]。同样，APRI处理的番茄根冠比和根系干重分别比常规灌溉增加10.4%和6.0%[49]，与单侧固定灌溉相比，APRI处理的番茄根系非灌水侧和灌水侧的根干质量分别增加30.3%和7.2%，根冠比增加47.1%[23]。APRI和单侧固定灌溉相比也使根系在土壤中分布均匀，在55%土壤水分下限时，交替灌溉下两侧根区根系质量差值为0.8g，而单侧固定灌溉下差值达2.3g [50]。
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与常规灌溉相比，APRI通常会减少作物的总生物量，这是因为APRI使作物苗期受到一定程度的水分胁迫，有利于控制作物的冗余生长[51]，同时产生脱落酸降低叶片等对养分能量的消耗，从而增加茎粗，使作物更加健壮。但是APRI条件下的作物总生物量一般会大于单侧固定灌溉，茎粗也更大。Wang等[7]通过对番茄的研究发现，APRI比常规灌溉减少约7.2%的总生物量。APRI条件下小麦两年的生物量比常规灌溉平均减少约8.4%[16]； 玉米生物量比常规灌溉减少5.9%～23.8%，比单侧固定灌溉增加9.4%～18.4%[38-39，50]。具体来看， APRI与常规灌溉相比黄瓜叶面积减少12.1%[52]。解除水分胁迫3d内，APRI条件下的棉花叶片生长速率快于常规灌溉和单侧固定灌溉，这是由于根系生长补偿效应，APRI条件下的根系导水度增加，能快速为地上部分提供水分和养分；而在整个灌水周期，APRI处理的棉花平均叶片生长速率比常规灌溉降低5.1%，但比单侧固定灌溉提高67.4%[44]。 APRI条件下烤烟叶面积和株高在旺长期分别比常规灌溉平均低约12.2%和11.6%，移栽55d后，两种灌溉方式下的叶面积和株高已无明显差别，但与单侧固定灌溉相比，APRI处理的烤烟叶面积和株高在整个生育期分别平均高出10.4%和9.2%[22]。在杜太生等[53]的研究中，灌水方式在苗期对棉花株高影响不明显，但在花期开始表现出差异，100d后差异达到最大，APRI处理的棉花株高仅为常规灌溉的70.6%。但也有研究指出APRI处理的棉花株高比常规滴灌平均高出6.6%～7.7%[13，54]。在土壤水分下限为田间持水量的65%时，APRI处理的玉米茎粗比常规灌溉增加9.7%，土壤水分下限为田间持水量的55%时，APRI处理的玉米茎粗比单侧固定灌溉增加29.5%[47]。APRI处理的烤烟移栽55d后茎粗比常规灌溉增加10.0%[22]。而张文东等[52]对黄瓜的研究发现，APRI处理的黄瓜茎粗比常规滴灌平均降低2.3%，刘学娜等[55]的研究也指出，APRI处理的黄瓜茎粗总平均值比常规滴灌降低1.3%。
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4.2 交替灌溉对作物果实品质的影响
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APRI条件下作物品质可以得到改善的结果在大量研究中被证实。APRI条件下叶片等冗余生长减少，作物营养生长得到控制，根系吸收更多水分养分，同时，代谢途径的改变，促使植株合成并累积下来的光合同化产物和代谢产物更多地向果实转移[56]。APRI处理的甜椒Vc和可溶性糖含量显著增高，且可滴定酸含量降低[57]。经过两年APRI处理的葡萄固酸比和浆果Vc含量分别较常规灌溉年平均提高10.0%和101.4%，Vc含量和可溶性固形物也分别比单侧固定灌溉提高18.5%和4.2%[24]。经过APRI处理的番茄，颜色较鲜艳，且口感和品质均有提升，Vc、可溶性糖含量以及糖酸比分别比常规灌溉提高12.6%～70.0%、 4.5%～10.0%和60.0%，而可滴定酸降低5.3%～13.0%[9，58-61]。APRI处理的马铃薯块茎粗蛋白质和淀粉含量较常规灌溉平均增加2.4%和1.3%[41]。在汪耀富等[22]的研究中，APRI条件下烤烟叶片可溶性糖和可溶性蛋白质含量分别较常规灌溉增加64.8%和16.2%。
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4.3 交替灌溉对作物产量和水分利用效率的影响
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干湿交替复水后的根系补偿效应有利于作物后期产量的形成[51]。大量研究表明APRI有较大的节水稳产效果。在番茄产量接近的情况下，APRI比常规灌溉减少约33.3%的灌水量[62]，同时，与单侧固定灌溉相比，产量提高19.8%，水分利用效率提高8.3%[49]。APRI条件下甜椒产量和水分利用效率较常规灌溉分别增长27.4%和98.2%[57]。用不同方式对马铃薯进行灌溉，APRI比常规灌溉灌水量减少25.8%，在产量减少不明显的情况下，灌溉水分利用效率和总水分利用效率分别提高27.5%和15.3%[63]，APRI使黄瓜水分利用效率比常规灌溉提高7.0%[64]。与常规灌溉相比，在相同灌水量条件下，APRI使葡萄产量提高13.4%，单位产量的葡萄节水11.7%[65]。APRI处理的玉米比常规灌溉平均节水27.7%，水分利用效率平均提高5.3%～15.1%，与单侧固定灌溉相比，玉米减少耗水量12.5%，水分利用效率提高2.3%～35.4%[38，50，66]。与常规灌溉相比，APRI处理的烤烟耗水量减少41.1%，产量则增加2.0%，水分利用效率增加73.8%[22]。APRI条件下水稻产量比常规灌溉增加6.1%～9.9%，平均灌溉用水量减少23.9%，灌溉水利用效率提高42.5%[67]。李志军等[48]认为，经APRI处理的冬小麦水分利用效率相较于常规灌溉显著增加。但也有研究通过设置不同水平的灌水上、下限后发现，过低的灌溉水上、下限值虽然使APRI处理的茄子水分利用效率比常规灌溉提高了44.1%，但产量却下降了7.9%[68]。
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5 讨论
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APRI因具有节水稳产的效果，可改变植株性状及生物量，以及提升作物品质，显著减少灌溉水量和提高水分利用效率的优点，在农业种植生态系统中得到推广和应用。有这些优点和特性的原因在于：一是APRI为局部供水，减少了灌水量，降低了株间蒸发[12]，减少了渗漏[35，69]，根系受水分胁迫而产生脱落酸（ABA）运输到叶片后，气孔开度受到调节[20]，植株与外界的水分和气体交换随之减少，降低了植株蒸腾[22]，同时侧向入渗和周期性交替灌水使得根区相对干燥部分也能保持一定的湿润，因此，对植株的光合作用影响不大[54，70]；二是干湿交替提高了根系的水分传导能力[71]，干湿胁迫锻炼能刺激根系生长及复水后的补偿吸收[69，72]，还能调控植株营养生长，形成最优的物质分配，降低生长冗余[20]，保持作物产量； 三是干湿交替优化了土壤通气条件[12]，能调节水氧平衡，刺激土壤“呼吸”[32，73]，提高土壤中微生物的数量和活性[45]，APRI改善了土壤中的水分养分条件，为作物对土壤水分养分的吸收利用提供了有利条件。
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综上所述，试验研究发现，APRI相比于常规灌溉和单侧固定灌溉优势显著，几十年来，研究者们通过在多种果蔬、粮食作物和各种经济作物上的试验和研究，证实了APRI能够改善土壤中水分和养分的分布，也对提高作物产量、品质和经济价值具有重要意义。APRI技术的提出和发展也为干旱半干旱地区的节水种植提供了新思路，为国内外发展高效节水灌溉提供了更可行的前景和方向。但总体而言，该技术研究工作尚处于起步阶段，在实际生产中应用较少。APRI技术在黔东南的超级稻生产[74]和北京市延庆县的果树种植中得到推广应用[75]。
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目前，在APRI技术的推广和应用中还存在一些问题，APRI技术需要额外增加灌溉设备和人工管理成本，比如在葡萄种植时由于通过人工控制灌溉引起人工成本增加，导致在推广过程中遇到阻力[76]；APRI技术虽然节省灌水量，但灌水量控制不合理时反而会有作物减产的风险，因此，需要通过大量试验，得出合理的灌水量范围，以保证作物的质量和产量。如何解决APRI技术在推广和应用中的可行性与经济性，需要科技工作者和相关从业人员进行深入研究。此外，在生产中应用APRI技术时应注意，切忌将现有的试验结果照搬，一定要根据当地的实际情况进行考察试验，因地制宜地选择出最佳的灌水设备和灌溉制度。
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尽管对于APRI的相关研究已经取得了一定的成果和长足的进步，但是目前相关技术还有许多值得探讨研究的地方。首先，目前大量深入的研究集中于局部灌水条件下不同根区的水分养分状况，而关于水分养分同时局部供应条件下不同根区的水分养分运移分布规律及作物生长生理响应特性，以确定优质高效的分根区灌溉水肥措施的研究还很缺乏。其次，APRI条件下不同作物的灌水量、灌水阈值、交替间隔等方面均有差异，建立不同作物的优化灌溉制度、优化水肥管理，具有重要的必要性和迫切性，这将是APRI技术未来研究的一个重要方向。最后，随着计算机技术的飞速发展，未来将计算机技术与APRI技术相结合，利用计算机和信息化技术来优化管理灌溉系统，也是发展节水灌溉理论与技术的一条重要道路。
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摘要
分根区交替灌溉技术可充分利用生物学特性，调节作物自身生理活动，降低作物耗水量，达到节约灌水量和提高水分利用效率的目的。综合国内外研究成果，从土壤水分、土壤养分（氮素）、作物生长、产量、品质等方面，论述了分根区交替灌溉提高农田水肥利用效率的机理及其对作物生长的影响，并对将来需要重点研究的方向作了展望，以期为进一步发展和丰富分根区交替灌溉理论和技术提供科学支撑。
Abstract
The alternate partial root-zone irrigation technology can make full use of biological characteristics，regulate the physiological activities of crops，reduce crop water consumption，and achieve purposes of saving irrigation water and improving water use efficiency．Based on the relevant research at home and abroad，this article discussed the mechanism of alternate partial root-zone irrigation in improving the use efficiency of farmland water and fertilizer use and its impact on crop growth in terms of soil moisture，soil nutrient（nitrogen），crop growth，yield quality，etc.，and made prospects on key researches in the future．It is expected to provide theoretical support for the further development and enrichment of the theory and technology of alternate partial root-zone irrigation.