微納米氣泡發(fā)生技術(shù)及其在水培增氧上的應(yīng)用

張慧娟，薛曉莉，林少航，張志立，吳 娜，楊文華，任 強(qiáng)，趙躍鋼

（北京中農(nóng)天陸微納米氣泡水科技有限公司，北京 100083）

無土栽培是一種不用天然土壤作基質(zhì)的現(xiàn)代化作物栽培技術(shù)，利用無土栽培能夠有效地克服蔬菜、花卉栽培中土壤鹽漬、土傳病害等連作障礙，可以在非耕地場(chǎng)所周年種植，提高單位面積產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。無土栽培尤其是水培，因營養(yǎng)液層較深、根系活動(dòng)范圍小，易造成根系氧氣供應(yīng)不足。當(dāng)作物根系缺氧時(shí)，其生長(zhǎng)緩慢，水分及養(yǎng)分吸收能力減弱，從而影響地上部分生長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，造成經(jīng)濟(jì)損失。目前，解決缺氧問題主要依靠水泵循環(huán)使?fàn)I養(yǎng)液保持流動(dòng)狀態(tài)，通過水流的沖擊以及與空氣接觸來提高自身的溶解氧，這種方法在大型水培系統(tǒng)中效率較低，很難滿足植物正常生長(zhǎng)需要[1-2]。

微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是指將氣體以微米或納米氣泡的狀態(tài)快速分散在水體中，通常直徑在1～50 μm的氣泡為微米氣泡，直徑在1 μm以下的氣泡為納米氣泡，兩者統(tǒng)稱為微納米氣泡。相較于普通大氣泡，微納米氣泡具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性，如比表面積大、水體中存在時(shí)間長(zhǎng)、氣液傳質(zhì)率高、界面點(diǎn)位高、能自發(fā)產(chǎn)生自由基等。利用微納米氣泡特性在水產(chǎn)養(yǎng)殖[3]、地下水修復(fù)[4]、廢水處理[5]、氣浮凈水[6]、催芽浸種[7]等眾多領(lǐng)域都有應(yīng)用研究報(bào)道[8]。微納米氣泡粒徑小，比表面積超大，氣體溶解能力超強(qiáng)，能夠極大地提高氣液之間的反應(yīng)速度[9]。利用微納米氣泡這一特性，以空氣或氧氣為氣源，使用微納米氣泡發(fā)生技術(shù)能夠快速增加水體中的溶解氧，在無土栽培增氧領(lǐng)域具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

微納米氣泡發(fā)生技術(shù)根據(jù)發(fā)生原理可以分為加壓溶氣釋氣法、分散空氣法、射流曝氣、超聲空化法、電解法等多種技術(shù)方法。為了達(dá)到更好的微細(xì)氣泡效果，通常將幾種發(fā)生方法聯(lián)合使用[10]。微納米氣泡快速發(fā)生裝置，核心技術(shù)采用了高速旋切分散和加壓溶氣釋氣的原理，裝置包含水路模塊、氣路模塊、水氣混合模塊、控制模塊、釋放模塊5個(gè)部分，水氣混合模塊與釋放模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液混合流體的3級(jí)處理，以確保更好的氣液混合效果，控制模塊包含觸摸屏與PLC程序控制，能夠?qū)庖喊l(fā)生過程進(jìn)行自動(dòng)化精密控制，且用戶使用變得更加直觀簡(jiǎn)單。試驗(yàn)以北京中農(nóng)天陸微納米氣泡水公司生產(chǎn)的HP-50型號(hào)的微納米氣泡快速發(fā)生裝置為例，探討了微納米氣泡對(duì)水體的影響以及在無土栽培增氧上的應(yīng)用效果。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)儀器：微納米氣泡快速發(fā)生裝置（北京中農(nóng)天陸，HP-50）；馬爾文納米顆粒跟蹤分析儀（nanosight NS300）；美國金泉YSI550A便攜式溶氧測(cè)試儀。

蔬菜品種：選用紫葉生菜作為試驗(yàn)材料。紫葉生菜是生菜的一個(gè)變異品種，引自美國，植株較大，散葉，葉片皺曲，色澤美觀，隨收獲期臨近，紅色逐漸加深，不易抽薹，喜光，較耐熱，成熟期早。也可作觀葉花卉盆栽，置于陽臺(tái)上，既可觀賞又可食用。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)在北京通州區(qū)國際都市農(nóng)業(yè)科技園的日光溫室中進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 微納米氣泡技術(shù)對(duì)水體的影響試驗(yàn)

將微納米氣泡發(fā)生裝置連接好，對(duì)比開啟裝置前后，水槽中水體顏色的變化。并于關(guān)閉裝置后，將曝氣后的水靜置20 min，采用馬爾文納米顆粒跟蹤分析儀測(cè)定水體氣泡粒徑。

分別以空氣和氧氣作為氣源，對(duì)裝置的溶解氧效果進(jìn)行測(cè)試?？諝庠粗苯永猛饨缈諝?，而氧氣源則利用1臺(tái)10 L/min的制氧機(jī)為其供氣?？諝庠春脱鯕庠吹墓饬烤鶠?00 L/h。試驗(yàn)水體為5 m3的地下水。

1.3.2 微納米氣泡技術(shù)對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響試驗(yàn)

為了驗(yàn)證微納米氣泡快速溶氧、增氧特性在無土栽培領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用效果，以紫葉生菜為試驗(yàn)材料，采用深液流水培方式進(jìn)行試驗(yàn)。水培設(shè)施置于日光溫室中，安裝有地下貯液池和循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)。循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)包括潛水泵、進(jìn)水管路和回水管路，通過地下貯液池和泵循環(huán)可以調(diào)整營養(yǎng)液成分、pH值、溶解氧，為水培槽補(bǔ)水。水培設(shè)施結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 深液流水培設(shè)施

試驗(yàn)根據(jù)不同的循環(huán)增氧方式設(shè)置3個(gè)處理，分別為對(duì)照組、氧氣組和空氣組。氧氣組和空氣組先向地下貯液池曝氣，然后再通過潛水泵給水培槽中的營養(yǎng)液循環(huán)增氧。氧氣組和空氣組的區(qū)別在于：氧氣組連接有制氧機(jī)以給營養(yǎng)液池曝氧氣，空氣組則直接通入外界空氣以給營養(yǎng)液池曝空氣。對(duì)照組只通過泵循環(huán)使?fàn)I養(yǎng)液循環(huán)流動(dòng)，為水培槽中營養(yǎng)液增氧。

對(duì)紫葉生菜進(jìn)行基質(zhì)育苗，栽培基質(zhì)比例為V（草炭）∶V（蛭石）∶V（珍珠巖）=2∶1∶1。生菜種子播于128孔穴盤中，然后將播種好的穴盤置于日光溫室中進(jìn)行育苗、培養(yǎng)，2～3 d澆1次水，育苗期間噴施2～3次0.1%保利豐以壯苗。日光溫室白天溫度20～25 ℃，夜間15～18 ℃。生菜幼苗長(zhǎng)至4葉1心時(shí)，移至水培槽中培養(yǎng)。水培槽由塑料泡沫定型拼接而成，水培槽上蓋有白色聚苯乙烯板，板面上有若干定植孔，紫葉生菜幼苗用海綿塊固定于定植孔中。

水培營養(yǎng)液配方采用富通生菜營養(yǎng)液配方，用H3PO4將pH值調(diào)至6.0～6.8，電導(dǎo)率控制在1.6～1.8 mS/cm。處理30 d后采收，再進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)采集及項(xiàng)目測(cè)定

鮮質(zhì)量與干質(zhì)量：每組隨機(jī)抽取10株紫葉生菜，將地上部分與地下部分分離取樣，先稱取鮮質(zhì)量，再將樣品于105 ℃殺青1 h，在70 ℃烘至恒質(zhì)量，再稱取干質(zhì)量。

根長(zhǎng)：測(cè)量每株根系最長(zhǎng)的根作為根長(zhǎng)。氣泡粒徑：采用馬爾文納米顆粒跟蹤分析儀nanosight NS300測(cè)試。

溶解氧：采用美國金泉YSI550A便攜式溶氧測(cè)試儀測(cè)試。

所有測(cè)定的數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)數(shù)據(jù)采用單因素方差分析（One way ANOVA）和Turkey HSD多重比較，P＜0.05則差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 微納米氣泡技術(shù)對(duì)水體粒徑的影響

圖2示意了HP-50裝置曝氣效果，將微納米氣泡發(fā)生裝置連接好，開啟裝置之后水槽中的水迅速由澄清變?yōu)榕Ｄ贪?，這是由于大量的氣體分散進(jìn)入水體中。關(guān)閉裝置，將曝氣后的水靜置20 min后，隨著水體中的較大氣泡逐漸上升破裂消失，水體重新變得澄清，微納米氣泡仍然保留分散在水體中。

對(duì)曝氣后靜置20 min的水體進(jìn)行粒徑檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。氣泡粒徑峰值出現(xiàn)在77.91 nm處，說明該裝置能夠產(chǎn)生納米級(jí)別的細(xì)小氣泡。根據(jù)Stokes公式R=ρgd2/18μ（ρ=液體密度，g=重力加速度，d=氣泡直徑，μ=粘滯度）可知，氣泡上漂浮速度和氣泡直徑的平方成正比，產(chǎn)生的氣泡粒徑越小，在水體中的存留時(shí)間越長(zhǎng)。在相同的氣量條件下，氣泡的粒徑越小，氣液界面的比表面積越大，氣體溶解效果越好[11]。

2.2 微納米氣泡技術(shù)對(duì)水體溶解氧的影響

圖2 HP-50微納米氣泡發(fā)生裝置發(fā)生效果

圖3 曝氣靜止20 min后的水體粒徑分布

增氧測(cè)試結(jié)果如圖4所示。當(dāng)空氣為氣源時(shí)，水體溶解氧從初始狀態(tài)為1.8 mg/L，經(jīng)過90 min的曝氣后達(dá)到飽和狀態(tài)（8.2 mg/L），90 min后，水體的溶氧值進(jìn)入一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)，最高溶氧值可達(dá)8.9 mg/L。采用氧氣為氣源曝氣時(shí)，從初始狀態(tài)（1.8 mg/L）達(dá)到飽和狀態(tài)僅需要不到20 min，20 min后溶氧值仍快速升高，形成超飽和溶液，120 min時(shí)溶氧值可高達(dá)42.2 mg/L。

對(duì)曝氣后的5 m3水體進(jìn)行溶氧值的衰減曲線測(cè)量，結(jié)果如圖5所示?？諝庠雌貧夂蟮乃w溶氧值衰減非常緩慢，72 h后水體中的溶氧值保持在8.3 mg/L，僅比曝氣時(shí)的最高溶氧值下降0.6 mg/L，基本維持在飽和溶氧值（8.2 mg/L）附近。氧氣源曝氣后的水體，由于起始溶氧值較高，衰減趨勢(shì)較明顯，但72 h后溶氧值高達(dá)26 mg/L，仍處于超飽和狀態(tài)。

綜合試驗(yàn)結(jié)果說明，微納米氣泡設(shè)備對(duì)水體具有顯著的溶氧增氧效果，并且溶氧保持效果好。

2.3 微納米氣泡技術(shù)對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響

2.3.1 微納米氣泡技術(shù)對(duì)生菜生長(zhǎng)狀態(tài)的影響

經(jīng)過水培槽中30 d的生長(zhǎng)后，紫葉生菜的生長(zhǎng)狀態(tài)如圖6所示。從生長(zhǎng)狀態(tài)來看，氧氣組與空氣組的紫葉生菜明顯好于對(duì)照組，氧氣組與空氣組的生菜植株較高，豐滿葉大，生長(zhǎng)一致，而對(duì)照組的生菜植株偏小，生長(zhǎng)不均，個(gè)別植株因爛根出現(xiàn)生長(zhǎng)被抑制的情況。氧氣組與空氣組之間無明顯區(qū)別。

圖4 微納米氣泡發(fā)生裝置曝氣增氧曲線

圖5 微納米氣泡水溶氧衰減曲線

圖6 不同處理紫葉生菜生長(zhǎng)狀態(tài)

2.3.2 微納米氣泡技術(shù)對(duì)生菜鮮質(zhì)量與干質(zhì)量的影響

對(duì)收獲的紫葉生菜地上部分鮮質(zhì)量與干質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖7），結(jié)果顯示：氧氣組與空氣組的地上部鮮質(zhì)量均顯著高于對(duì)照組（P＜0.05），其中氧氣組比對(duì)照組提高了37.3%，空氣組比對(duì)照組提高了45.9%，而氧氣組與空氣組之間無顯著性差異（P＞0.05）。地上部干質(zhì)量方面，2種曝氣方式同樣顯著高于對(duì)照組，其中氧氣組比對(duì)照組提高了31.2%，空氣組比對(duì)照組提高了45.1%。這可能是由于空氣組曝氣溶氧濃度已經(jīng)滿足生菜正常生長(zhǎng)的需求，采用氧氣源曝氣得到過高的溶氧值對(duì)生菜的生長(zhǎng)沒有進(jìn)一步的促進(jìn)作用。

對(duì)紫葉生菜根部的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量以及根長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖8、圖9），結(jié)果顯示：2種曝氣方式均能顯著提高紫葉生菜的根鮮質(zhì)量與干質(zhì)量（P＜0.05），其中氧氣組和空氣組的根鮮質(zhì)量與對(duì)照相比，分別高出46.6%和39.1%，氧氣組和空氣組的根干質(zhì)量分別高于對(duì)照組36.9%和28.5%。2種曝氣方式根部質(zhì)量之間無明顯差異（P＞0.05）。對(duì)于單株根長(zhǎng)，氧氣組比對(duì)照組長(zhǎng)13.6%，有顯著性差異（P＜0.05）；空氣組比對(duì)照組長(zhǎng)9.3%，有顯著性差異（P＜0.05），說明較高的溶氧值能夠促進(jìn)根系的生長(zhǎng)。

3 結(jié)論與討論

微納米氣泡快速發(fā)生裝置能夠?qū)怏w快速大量地以微納米氣泡的形態(tài)分散在水體中，分別以氧氣和空氣為氣源向水體中進(jìn)行曝氣處理，結(jié)果顯示：其能夠快速地提高水體中的溶氧值，使水體的溶氧值達(dá)到飽和狀態(tài)以上，并且由于微納米氣泡有在水體中上升速度慢、保存時(shí)間長(zhǎng)的特性，微納米氣泡水的溶解氧值衰減緩慢。

圖7 不同處理對(duì)紫葉生菜地上部質(zhì)量的影響

圖8 不同處理對(duì)紫葉生菜根部質(zhì)量的影響

圖9 不同處理對(duì)紫葉生菜根長(zhǎng)的影響

利用微納米氣泡快速增氧溶氧的特性，將微納米氣泡發(fā)生裝置與水培設(shè)施相結(jié)合，通過改善水培作物根際氧環(huán)境，促進(jìn)水培作物根系生長(zhǎng)發(fā)育和功能建成，減少因供氧不足而發(fā)生的水培作物爛根現(xiàn)象。選取了紫葉生菜作為試驗(yàn)對(duì)象，以氧氣和空氣為氣源的曝氣處理能夠提高水培生菜的產(chǎn)量，其中曝氧氣源的水培生菜比對(duì)照組能增產(chǎn)37%，曝空氣源的水培生菜比對(duì)照組能增產(chǎn)46%，說明經(jīng)過微納米氣泡的曝氣增氧，能有效促進(jìn)水培生菜根系的生長(zhǎng)發(fā)育。根系的發(fā)達(dá)使水培生菜能更多地吸收營養(yǎng)液中的各種營養(yǎng)成分，從而促進(jìn)水培生菜地上部的發(fā)育。試驗(yàn)結(jié)果還說明，采用空氣源曝氣達(dá)到水體飽和溶氧值就能夠滿足植物正常生長(zhǎng)的需求，過高的溶氧值對(duì)增產(chǎn)沒有促進(jìn)作用。這個(gè)結(jié)果與周云鵬等[12]報(bào)道的水生蔬菜干質(zhì)量隨著加氧濃度的升高先增加后減少的規(guī)律相符合。