微納米氣泡增氧灌溉對雙季稻需水特性及產量的影響

才 碩，時 紅，潘曉華，劉方平，謝亨旺，許亞群，徐 濤，曹 娜

(1.江西省灌溉試驗中心站，江西省農業高效節水與面源污染防治重點實驗室，南昌 330201；2.江西農業大學作物生理生態與遺傳育種教育部重點實驗室，南昌 330045)

水、肥、氣、熱是滿足農作物生長所必需的重要因素，其因素間相互協調、相互制約共同影響著作物的生長[1]。近年來，隨著現代農業科技的不斷發展，節水灌溉與水肥一體化技術得到大力推廣，在提高灌溉水利用系數和水肥利用效率的同時，增加了作物產量，改善了作物品質[2-4]。已往的研究主要集中在協調土壤環境的水、肥、熱和光因素上，而針對土壤通氣方面的研究相對較少。

農田土壤的通氣狀況是影響作物生長發育的關鍵因子[5,6]。土壤中空氣含量的多少直接影響著土壤酶活性、作物的根系呼吸及其對養分的吸收與利用。加氣灌溉可改善土壤通透性，保證微生物的活性和根系活性，提高水肥利用效率，能夠滿足作物生長與高產的需要[7,8]。Surya P等[9]研究發現采用增氧灌溉可以明顯改善作物的根系分布。郭超等[10]研究認為，增氧灌溉有利于玉米株高、葉面積指數、葉綠素含量的提高，同時促進干物質的積累和養分的吸收。Brzezinska等[11]和Heuberg等[12]研究表明，根際通氣能夠增強土壤酶活性，改善土壤微環境，加強植株根系呼吸，改善水肥吸收效率，促進作物生長發育，從而提高產量。

微納米氣泡增氧曝氣作為一種新型高效的水處理技術，已在水產養殖、環境治理、醫學治療、礦石浮選等領域得到廣泛應用。在農業領域主要應用于設施農業和無土栽培，而在水稻灌溉方面的研究較少，有待深入研究。本研究以離式螺旋微氣泡泵為微納米氣泡發生裝置，分析微納米氣泡增氧灌溉對雙季稻需水特性和產量形成特性的影響，探討微納米氣泡增氧灌溉技術在水稻節水灌溉中的應用效果，為改變稻田傳統淹水灌溉方式，改善稻田土壤氧環境，實現雙季稻節水、節肥、增產，保障糧食安全提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2013年在江西省灌溉試驗中心站試驗研究基地進行，試驗區多年平均氣溫17.0 ℃、年均降雨量1 680.2 mm，屬亞熱帶季風性濕潤性氣候。早、晚稻供試品種分別為陸兩優996和天優華占。供試土壤為粉質性黏土，其基本理化性狀為土壤pH值5.87，有機質22.85 g/kg，全氮1.42 g/kg，全磷0.31 g/kg，堿解氮100.98 mg/kg，速效磷6.18 mg/kg，速效鉀78.92 mg/kg。增氧曝氣裝置為離式螺旋微氣泡泵(XPK-0.75)，其主要技術參數為額定電壓為380 V/50 Hz，額定功率為750 W，最大壓力為0.38～0.42 MPa，溶氣水為0.7～1.0 m3/h，含氣率為82%～90%。

1.2 試驗設計

選擇2種灌溉(W)方式和3種氮肥(N)用量進行組合試驗，共設6種處理：常規水灌溉+氮肥空白(W0N0)、常規水灌溉+氮肥減量(W0N1)、常規水灌溉+氮肥常規用量(W0N2)、微納米氣泡水灌溉+氮肥空白(W1N0)、微納米氣泡水灌溉+氮肥減量(W1N1)、微納米氣泡水灌溉+氮肥常規用量(W1N2)。各處理氮肥用量與施用方式見表1，磷肥按67.5 kg/hm2(以P2O5計)標準作基肥一次施用，鉀肥采用氯化鉀，用量為150 kg/hm2(以K2O計)，施用方式為基肥∶穗肥=9∶11。試驗設3次重復，采用小區試驗方法，小區面積23.85 m2，相鄰小區之間作30 cm田埂，并用塑料薄膜包封，防止漏水串肥，病蟲草害及其他田間管理同當地豐產田。

表1 試驗處理設計Tab.1 Experimental treatments design

1.3 測定項目與方法

(1)水量平衡要素：灌水量根據灌水前后田間水表差值計算得出；耗水量根據前后日田間水位的差值計算得到，田間無水層時采用補水法確定；排水量通過觀測稻田排水前后的田面水位差換算得出；降雨量由江西省灌溉試驗中心站試驗研究基地氣象場獲得。

(2)溶解氧含量：使用上海雷磁溶解氧測定儀(JPB-607A)測定溶解氧含量，溶氧量計量單位為mg/L。

(3)考種測產：使用萬深SG-G型自動種子考種分析及千粒重儀進行考種。各小區單打單收，按面積換算實測產量。

1.4 數據處理與統計分析

統一使用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05軟件進行數據統計、方差分析與圖表制作，顯著性檢驗采用Duncan method(鄧肯新復極差法)。

2 結果與分析

2.1 微納米氣泡技術的增氧效果

圖1表明，利用離式螺旋微氣泡泵對普通水進行增氧處理，在處理后的初始狀態下，0、100、400、800 mL/min空氣進氣量處理的水體溶解氧含量分別為3.2、7.5、9.4、10.2 mg/L，靜置24 h后的溶解氧含量分別為6.7、7.2、7.5、7.3 mg/L，微納米氣泡增氧的3個處理水體的溶解氧含量均高于常規水處理，5 h后不同增氧處理的水體溶解氧含量以400 mL/min處理最高。可見，400 mL/min空氣進氣量處理具有較好的增氧效果，為本試驗采用的適宜進氣量。

圖1 不同空氣進氣量對水體的增氧效果Fig.1 Effects of different air input on oxygen aerated of water

2.2 不同灌溉施肥處理對早、晚稻需水特性的影響

由表2可知，在相同灌溉方式下，雙季早、晚稻的灌水量和耗水量均隨施氮量的增加而增加。早、晚稻W0以及早稻W1灌溉模式的排水量均隨施氮量的增加而增加，降雨利用率則均隨施氮量的增加而降低；在相同氮肥施用水平下，雙季早、晚稻W1灌溉模式的耗水量、灌水量均低于W0模式，早稻W1模式的耗水量、灌水量均值分別降低3.44%、12.46%，晚稻分別降低4.55%、9.95%。與W0灌溉模式相比，早、晚稻W1灌溉模式的降雨利用率平均提高6.03%和24.58%；與常規水肥處理(W0N2)相比，早、晚稻微納米氣泡增氧灌溉減肥處理(W1N1)的灌溉用水量分別減少17.03%、14.24%，降雨利用率平均提高7.07%、29.30%。

表2 不同灌溉施肥處理對早、晚稻需水特性的影響Tab.2 Effects of different treatments with irrigation and fertilizeron water requirement characters of double season rice

2.3 不同灌溉施肥處理對早、晚稻產量的影響

表3表明，微納米氣泡增氧灌溉對早、晚稻產量及其構成具有一定影響。早、晚稻不同處理的產量、有效穗、總粒數均以W1N1或W1N2處理最高。與常規水肥處理(W0N2)相比，早、晚稻微納米氣泡增氧灌溉減肥處理(W1N1)分別增產198.59、349.13 kg/hm2，分別增加2.37%、3.86%，均達到顯著增產水平。

在相同灌溉方式下，早、晚稻總粒數隨氮肥用量的增加而增加，結實率隨氮肥用量的增加而減少，千粒重的變化趨勢均為N1>N2>N0。早、晚稻W0以及早稻W1灌溉模式的有效穗和產量的變化趨勢為N2>N1>N0，晚稻W1灌溉模式的有效穗和產量則均以N1水平最高。在W0模式下，早、晚稻N1水平較N2水平減產均不顯著(減幅分別為2.62%和1.64%)；在W1模式下，與N2相比，早稻N1處理減產不顯著，而晚稻N1處理增產顯著。

在相同施氮水平下，早、晚稻W1灌溉模式的產量及產量構成各因素均高于W0灌溉模式。與W0灌溉模式相比，早稻W1灌溉模式的有效穗數、總粒數、結實率、千粒重、產量均值分別增加2.86%、2.53%、0.40%、0.28%、4.05%，晚稻分別增加6.96%、2.04%、4.03%、0.74%、3.35%。

表3 不同灌溉施肥處理對雙季稻產量及產量構成的影響Tab.3 Effects of different treatments with irrigation and fertilizer on yield and yield components of double season rice

2.4 不同灌溉施肥處理對早、晚稻水分利用效率(WUE)的影響

不同灌溉施肥處理對水分利用效率(WUE)的影響如圖2所示。早、晚稻不同處理的灌水量和耗水量水利用效率均以W1N1處理最高，與W0N2處理相比，早稻分別增加23.37%、7.35%，晚稻分別增加20.89%、12.02%；早、晚稻灌水量和耗水量水分利用效率均隨氮肥用量的增加而呈現出N1>N2>N0的變化趨勢；在同一氮肥用量水平下，雙季早、晚稻W1灌溉模式灌水量和耗水量的水分利用效率均高于W0灌溉模式，早、晚稻灌水量水分利用效率平均增加18.94%和15.15%，耗水量水分利用效率平均增加7.78%和8.37%。

圖2 不同灌溉施肥處理對雙季稻水分利用效率的影響Fig. 2 Effects of different treatments with irrigation and fertilizer on water use efficiency of double season rice

3 結 語

良好的土壤氧環境有利于水稻的生長發育，同時還能夠提高肥料的利用效率。在水稻種植過程中，改善土壤通氣狀況是提高水稻產量的重要途徑。已有的研究[13-15]認為，增氧灌溉優化了水稻根際氧環境，促進了水稻根系生長以及對營養物質的吸收與利用，改善了水稻群體結構，有效提高了水稻的有效穗、每穗粒數、千粒重和結實率，進而增加水稻產量。在本試驗條件下，采用微納米氣泡增氧灌溉技術促進了產量構成因素的協調發展，早、晚稻產量分別增加4.05%和3.35%，這與先前的研究結果一致。可見，微納米氣泡技術應用于水稻灌溉具有明顯的增產效果。

本試驗研究表明，早稻采用微納米氣泡增氧灌溉耗水量和灌水量分別減少3.44%和12.46%，降雨利用率和水分利用效率(耗水量)分別提高6.03%和7.78%；晚稻耗水量、灌水量分別減少4.55%和9.95%，降雨利用率和水分利用效率(耗水量)分別提高24.58%和8.37%。這與陳濤等[16]關于增氧灌溉對馬鈴薯產量及水分利用效率的影響的結果具有一致性。說明微納米氣泡增氧灌溉可以節約灌溉用水，提高降雨利用效率和水分利用效率。

水稻傳統的水肥管理方式耗水量大，用肥量高，水肥利用效率低下，致使農田用水浪費極為嚴重，農業面源污染日漸加劇。科學的水肥管理技術不僅能夠實現水稻的節水增產，而且能夠提高水分和肥料的利用效率[17-19]。本試驗采用的微納米氣泡增氧灌溉技術表現出明顯的節水減肥效果，相對于常規水肥模式(常規水灌溉+氮肥用量為180 kg/hm2)，在減少10%氮肥用量(氮肥用量為162 kg/hm2)的前提下采用微納米氣泡水增氧灌溉，早、晚稻可分別節水17.03%、14.24%，分別增產2.37%、3.86%。可見，微納米氣泡增氧灌溉技術應用于水稻生產中具有節水、減肥、增產的綜合效果，在防治農業面源污染和推進水生態文明建設中具有較好的應用前景。

[1] 張天柱,薛曉莉,楊文華,等.節水增氧灌溉[J].農家書屋,2015,(10):60-61.

[2] 才 碩,時 紅,許亞群,等.贛撫平原灌區雙季稻優化灌溉方式研究[J].中國農村水利水電,2014,(4):11-14.

[3] 龐桂斌,楊士紅,徐俊增.節水灌溉稻田水肥調控技術試驗研究[J].節水灌溉,2015,(9):44-51.

[4] 萬玉文.基于節水灌溉模式的稻田增產減污研究[J].中國農村水利水電,2012,(5):42-44.

[5] 章永松,林成永,羅安程.水稻根系泌氧對水稻土磷素化學行為的影響[J].中國水稻科學,2000,14(4):208-212.

[6] Brian R Maricl e, Raymond W Lee. Root respiration and oxygen flux in salt marsh grasses from different elevational zones[J]. Mar Biol, 2007,151:413-423.

[7] 趙 鋒,王丹英,徐春梅,等.根際增氧模式的水稻形態、生理及產量響應特征[J].作物學報,2010,36(2):303-312.

[8] Bhattarai S P, Pendergast L, Midmore D J. Root aeration improves yield and water use efficiency of tomato in heavy clay and saline soils[J]. Scientia Horticulturae, 2006,108(3):278-288.

[9] Surya P B, Su N H, David J M. Oxygation unlocks yield potentials of crops in oxygen-limited soil environments[J]. Advances in Agronomy, 2005,88:313-377.

[10] 郭 超,牛文全.根際通氣對盆栽玉米生長與根系活力的影響[J].中國生態農業學報,2010,18(6):1 194-1 198．

[11] Brzezinska M, Stepniewski W, Stepniewska Z, et al. Effect of oxygen deficiency on soil dehydrogenate activity in a pot experiment with triticale cv. Jago vegetation[J]. International Agrophysics, 2001,15:145-149.

[12] Heuberger H, Livet J, Schnitzler W. Effect of soil aeration on nitrogen availability and growth of selected vegetables-preliminary results[J]. Acta Horticulturae, 2001,56(3):147-154.

[13] 張立成,姚幫松,肖衛華,等.加氧灌溉對超級稻“深優9516”生長及產量因素的影響研究[J].江西農業大學學報,2015,37(3):392-397.

[14] 劉 學,朱練峰,陳 琛,等.超微氣泡增氧灌溉對水稻生育特性及產量的影[J].灌溉排水學報,2009,28(5):89-91.

[15] 朱練峰,劉 學,禹盛苗,等.增氧灌溉對水稻生理特性和后期衰老的影響[J].中國水稻科學, 2010,24(3):257-263.

[16] 陳 濤,姚幫松,肖衛華,等.增氧灌溉對馬鈴薯產量及水分利用效率的影響[J].中國農村水利水電,2013,(8):70-72.

[17] 崔遠來,李遠華,呂國安,等.不同水肥條件下水稻氮素運移與轉化規律研究[J].水科學進展,2004,15(3):280-285.

[18] 彭世彰,張正良,羅玉峰,等.灌排調控的稻田排水中氮素濃度變化規律[J].農業工程學報,2009,25(9):21-26.

[19] 才 碩.微納米氣泡增氧灌溉技術在水稻灌區節水減排中的應用研究[J].節水灌溉,2016,(9):117-120,128.