增氧灌溉技術(shù)研究進展淺談

劉云 姜成名 龔來紅 謝亨旺 高俊

摘要 作為一種高效的灌溉技術(shù)，增氧灌溉技術(shù)能提高作物的產(chǎn)量、提高水資源利用效率、提升作物品質(zhì)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。增氧灌溉可以提高植物根際氧含量 ，增強作物根系呼吸作用，提高好氧型微生物的相對豐度，增強土壤肥力，改變土壤中的微生物結(jié)構(gòu)。由于土壤環(huán)境的復(fù)雜性，不同作物間的差異性，農(nóng)藝方式和增氧方式的不同，導(dǎo)致增氧灌溉技術(shù)效果差異較大。基于此，分析了目前國內(nèi)外增氧灌溉技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，尤其是在水稻種植領(lǐng)域的應(yīng)用情況，探討了后續(xù)增氧灌溉技術(shù)發(fā)展的路徑，以期為增氧灌溉技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵字 增氧灌溉技術(shù)；節(jié)水增產(chǎn)；水肥利用；間歇灌溉

中圖分類號：S275 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）04–0061-03

21世紀(jì)初，澳大利亞學(xué)者Surya P等，提出氧灌（oxygation）概念，即一種增加灌溉水中氧含量的新型灌溉技術(shù)，增氧灌溉對提高灌溉效率、增加作物產(chǎn)量、增強作物品質(zhì)的效果顯著。通過將空氣和氧氣注入灌溉水，提高水中的溶氧量，促進作物的生長。增氧灌溉可以改善土壤的通氣性、增強土壤活性和增加微生物數(shù)量、降低土壤鹽堿度，提升農(nóng)作物的抗病性和抗逆性。研究表明，根系吸收和運輸功能的發(fā)揮是作物增產(chǎn)的基礎(chǔ)，增氧灌溉能促進作物的根系生長和根系對營養(yǎng)元素的吸收，提高水資源利用效率，促進作物生長，從而實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)、提質(zhì)[1]。增氧灌溉能顯著提高土壤中有機質(zhì)、速效氮和速效鉀的含量，同時還能通過對淺層土壤（距表土4～15 mm）的氧化作用減少水稻土中溫室氣體的排放[2]。增氧灌溉對土壤微生物群落的影響巨大，其能提高作物根際好氧型微生物的相對豐度，抑制具有發(fā)酵、硝酸鹽呼吸作用、反硝化作用等群落功能，促進具有硝化作用、固氮作用等功能細(xì)菌的增殖，從而增強土壤肥力與土壤微生物間的動態(tài)互促[3-4]。

越來越多的研究人員認(rèn)識到增氧灌溉對作物生長的促進作用，廣泛關(guān)注作物的增產(chǎn)與水分利用率之間的關(guān)系，研究人員將更多的增氧灌溉技術(shù)引入農(nóng)業(yè)種植。加強對農(nóng)業(yè)增氧灌溉技術(shù)的研究和推廣，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化和現(xiàn)代化水平，既要開發(fā)新的增氧灌溉技術(shù)，也要加強在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用增氧灌溉技術(shù)，結(jié)合農(nóng)業(yè)增氧灌溉技術(shù)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益和可持續(xù)性。不同設(shè)備技術(shù)的增氧效果不同，針對經(jīng)濟高效、廣泛推廣的增氧灌溉技術(shù)的開發(fā)是研究重點，如射流式增氧裝置、自壓吸氣增氧裝置等。

1 增氧灌溉技術(shù)介紹

一直以來，國內(nèi)外針對增氧灌溉的研究和應(yīng)用較多，開發(fā)了一系列灌溉水增氧、水氣耦合、水肥氣一體化等設(shè)備，開展了大面積作物增氧灌溉示范應(yīng)用，取得了較好的社會效益和生態(tài)效益。從賦氧方式來看，目前增氧灌溉技術(shù)主要包括機械增氧、化學(xué)溶氧、文丘里裝置增氧。

（1）機械加氧。機械加氧主要是通過機械增氧設(shè)備使空氣與水充分接觸，加快氧氣溶解入水體的速度，達到短時間內(nèi)增加水中溶解氧的目的。目前，增氧器是機械增氧灌溉技術(shù)的核心部件。一些新型增氧器可以通過旋轉(zhuǎn)、振蕩等方式將氧氣均勻地注入水中，從而提高灌溉水的氧氣含量。此外，一些新型增氧器還可以同時注入氮氣、二氧化碳等氣體。較為常用的機械增氧設(shè)備有氣泵，設(shè)備操作簡單，使用較為普遍，缺點是需要消耗電能，前期電網(wǎng)架設(shè)投入較大。能源來源問題是機械增氧灌溉技術(shù)最大的難題。目前，一些研究者正在探索利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源來提供動力，降低能源消耗。同時，綜合應(yīng)用不同的增氧灌溉技術(shù)，增產(chǎn)效果更加明顯。研究表明，機械加氧結(jié)合滴灌等新型灌溉方式能有效增加作物的產(chǎn)量，增加不定根與細(xì)根數(shù)量，顯著增強作物根系活力[5]。

（2）化學(xué)溶氧。化學(xué)溶氧主要是通過化學(xué)增氧劑（通常為過氧化鈣、雙氧水）在遇水后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放氧氣，從而增加水中溶解氧。該方式的優(yōu)勢在于投料以后無需繼續(xù)投入人力、消耗能源。缺點是化學(xué)增氧劑遇水反應(yīng)不可控，另外化學(xué)增氧劑一般具有強氧化性，其會抑制根際微生物和土壤酶活性，從而對作物會產(chǎn)生不良的影響。化學(xué)溶氧灌溉技術(shù)最早可以追溯到20世紀(jì)初的日本，主要是通過添加過氧化氫等氧化劑增加水中的溶解氧量，從而促進水稻的生長和發(fā)育。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，化學(xué)溶氧灌溉技術(shù)已經(jīng)得到了大幅度的改進和提高，應(yīng)用范圍不斷擴大。例如，可以通過添加氯化鈣、過硫酸鈉、臭氧等氧化劑或生物制劑增加水中的溶解氧量。新型化學(xué)增氧劑的開發(fā)和應(yīng)用也在不斷推進，如微生物發(fā)酵產(chǎn)生的增氧劑等。同時，在實際應(yīng)用中，需要考慮新型化學(xué)增氧劑對土壤和水體的影響，采取適當(dāng)?shù)拇胧┍Ｗo環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)。研究表明，H2O2增氧能顯著增加西葫蘆根部密度、大豆單株莢數(shù)、平均豆莢產(chǎn)量[6]。與此同時，H2O2處理的春小麥根部指標(biāo)均顯著降低，其氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及凈光合速率均無有利變化。

（3）文丘里設(shè)備增氧。文丘里設(shè)備增氧是利用文丘里原理將空氣自動吸入水體中形成水氣混合物，從而實現(xiàn)增氧效果。文丘里設(shè)備增氧灌溉技術(shù)最早可以追溯到20世紀(jì)80年代初，當(dāng)時其主要被應(yīng)用于改善魚塘水質(zhì)，隨著技術(shù)的不斷進步，也逐漸被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域。近年來，隨著越來越多的學(xué)者投入文丘里增氧灌溉技術(shù)的研究，該技術(shù)也得到不斷的改進和提高，研制出一些新的增氧裝置，如微氣泡增氧器、納米氣泡增氧器等。這些新型裝置能夠更有效地提高水中的氧含量，并且減少能源的消耗。文丘里增氧設(shè)備能使水與空氣接觸更加充分，且不消耗能源，無需投入人力[7]。但其在水壓較低時，灌水單次曝氣量水比例不高，不能達到預(yù)期的良好效果，在實際應(yīng)用中受到限制。李康勇等[8]根據(jù)文丘里原理自研的自壓吸氣增氧放水管對促進水稻生長和增產(chǎn)的效果明顯。

（4）微納米氣泡增氧。微納米氣泡增氧是利用微小氣泡將空氣中的氧氣溶解到液體中，以提高液體中溶解氧含量的技術(shù)。微納米氣泡增氧技術(shù)最初起源于日本，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，目前已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得以應(yīng)用，被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、污水處理、飲用水凈化等領(lǐng)域。增氧灌溉中的氣泡大小對增氧灌溉效果的影響巨大。直徑在1 μm以下的氣泡被稱為納米氣泡（Nanobubbles，NBs），其在水中的運動特性符合Stokes定律和H-R方程，即氣泡上升的主要因素是氣泡的直徑和所處液體黏度，氣泡直徑越小，上升速度越慢，當(dāng)φ≤100 nm時，氣泡浮力可忽略不計，以布朗運動為主，在水中保存時間更久[9]。因此，氣泡直徑越小，氣體在水中的溶解度越高，在水中賦氧的效果越好。越來越多的學(xué)者將NBs應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉，研究發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的曝氣灌溉，NBw灌溉在作物增產(chǎn)、提升品質(zhì)和截污減排方面具有較大的優(yōu)勢。NBs灌溉比傳統(tǒng)曝氣灌溉使番茄產(chǎn)量提升23.0%；比傳統(tǒng)H2O2增氧灌溉使煙草葉面積擴大12.3%，干重增加10.9%[10]。王逍遙等[11]用NBs灌溉處理甜瓜，不僅明顯提高了甜瓜產(chǎn)量，其VC和SS還分別增加了25.3%和22.0%。NBs灌溉在田間化肥減量化上也有不少研究。施用同樣量的化肥時，NBs灌溉處理水稻增產(chǎn)8%，水稻產(chǎn)量與傳統(tǒng)種植一致，最多可減少25%的施肥量。

2 增氧灌溉技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

增氧灌溉技術(shù)具有促進植物生長和提高作物產(chǎn)量的優(yōu)勢，目前，增氧灌溉已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、園藝和景觀設(shè)計等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。增氧灌溉可以通過提高水利用效率和節(jié)約用水，減輕灌溉對水資源的壓力。此外，增氧灌溉還可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，增加農(nóng)民的收入。增氧灌溉技術(shù)在旱作物等經(jīng)濟作物上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，對促進植株生長、作物育種，提高產(chǎn)量，提升作物品質(zhì)具有顯著效果[12-15]。

有研究表明，增氧灌溉與土壤溫室氣體排放有關(guān)。陳慧等[16]研究發(fā)現(xiàn)，番茄種植土壤N2O排放量與灌溉模式有關(guān)，充分灌溉條件增氧與否不影響土壤N2O排放（P=0.078），在灌溉條件下土壤N2O排放與增氧灌溉與否顯著相關(guān)（P<0.01）。雷宏軍等[17]研究增氧灌溉對辣椒生長的影響，發(fā)現(xiàn)增氧灌溉辣椒平均增產(chǎn)18.18%（P＜0.05），VC含量和可溶性蛋白質(zhì)含量分別平均增加9.45%和18.7%（P＜0.05）。尹伊君等[18]研究表明灌溉水中的含氧量在（1±0.1）～（5±0.1） mg/L的范圍內(nèi)，含氧量越高，對改善盆栽平邑甜茶生長、根區(qū)土壤環(huán)境及土壤微生物結(jié)構(gòu)的效果越明顯。徐建新等[19]研究了文丘里射流增氧處理和化學(xué)增氧處理對冬小麥生長的影響，文丘里射流增氧處理與化學(xué)增氧處理使得根系總表面積和根長密度分別增加了44.18%和37.21%（P＜0.05）、21.13%和32.69%（P＜0.05）；光合速率分別增大了43.41%、26.37%（P＜0.05）；產(chǎn)量增大了36.27%和23.37%；秸稈生物量增大了23.57%和9.23%。徐歡歡[20]采用增氧灌溉處理不同生長階段的秋黃瓜，試驗表明，增氧灌溉在一定程度上有利于提高秋黃瓜葉片葉綠素含量、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度，從而提高其產(chǎn)量。同時，并非每個時期都適用增氧處理，最有效的方法是進入初花期后進行增氧灌溉，這能有效地提高葉片水分利用率。

3 增氧灌溉技術(shù)在水稻種植中的應(yīng)用

水稻不同于旱作物，在水稻種植過程中需要將水稻根系長期浸泡在水中。增氧灌溉技術(shù)在促進水中的氧化還原作用，降低水中有害物質(zhì)含量，改善灌水水質(zhì)；提高水稻根系的吸氧能力，促進水稻的根系發(fā)育和生長，提高水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)；增加土壤中有益菌的數(shù)量，有效減少水稻病蟲害的發(fā)生等方面均有明顯的效果。因此，增氧灌溉技術(shù)在水稻田擁有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國內(nèi)外針對水稻增氧灌溉的研究越來越多。增氧灌溉對水稻具有明顯的節(jié)水、增產(chǎn)和提升品質(zhì)的效果，對促進水稻的生長，提高水肥利用效率具有顯著的促進作用[20]。試驗表明：增氧灌溉處理對寒地水稻秧苗的株高、最長根長、根數(shù)、根鮮重、根干重等特征指標(biāo)有顯著的影響[21-23]。增氧型復(fù)混肥能較長時間提高土壤通氣性和土壤的氧化還原電位，有利于水稻吸收土壤養(yǎng)分，在提高水稻產(chǎn)量上明顯優(yōu)于單獨增氧灌溉。劉學(xué)[24]研究表面，微氣泡增氧灌溉能明顯促進水稻分蘗的早發(fā)快長，形成較高的葉面積指數(shù)，能提高葉片的葉綠素含量，促進光合產(chǎn)物的形成和干物質(zhì)積累，延緩葉片衰老，延長功能期；微氣泡增氧灌溉結(jié)合水肥一體化，表現(xiàn)出在整個生育期水稻具有較大的生長優(yōu)勢和較強的光合生產(chǎn)能力。張立成等[25]研究指出不同加氧處理能夠明顯提高超級稻產(chǎn)量，白天機械加氧、夜間機械加氧、化學(xué)加氧3種不同加氧處理方式中的單株理論產(chǎn)量分別高于不加氧處理18.9%、20.66%、16.98%。

4 結(jié)論

（1）目前增氧方式各有利弊，機械增氧方式需要配套專用增氧設(shè)備且必須具備電源（或者自帶動力）條件，且運行成本較大難以被農(nóng)戶接受。化學(xué)增氧技術(shù)由于常用的是過氧化鈣，對土壤具有一定的破壞性，且難以解決運行成本的問題。文丘里設(shè)備雖然運行成本低，使用簡便，但常常需要配合管道灌溉使用，對農(nóng)田基礎(chǔ)條件的要求較高。受成本和運行條件的限制，增氧灌溉技術(shù)難以實現(xiàn)大范圍應(yīng)用。增氧灌溉較傳統(tǒng)的灌溉成本高、技術(shù)更為復(fù)雜，因而，開發(fā)出適應(yīng)能力強、運行簡便、投入和維護成本低的增氧設(shè)備具有巨大的應(yīng)用前景。

（2）鑒于增氧灌溉能夠顯著提高水稻產(chǎn)量、水肥利用效率，增氧灌溉與水肥一體化技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力。將增氧灌溉技術(shù)與間歇灌溉等節(jié)水農(nóng)藝相結(jié)合，既能發(fā)揮出農(nóng)藝節(jié)水的優(yōu)勢，又可以提高增氧灌溉效率，是節(jié)水增產(chǎn)的新思路，同時要關(guān)注多維度技術(shù)協(xié)同作用的節(jié)水增產(chǎn)模式。

（3）要加強對先進農(nóng)業(yè)增氧灌溉技術(shù)的研發(fā)和示范推廣。同時，需要加強政策支持和宣傳教育，引導(dǎo)農(nóng)民逐步應(yīng)用增氧灌溉技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益和可持續(xù)性。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Abstract Oxygenated irrigation as a new irrigation technology， can increase crop yield， improve water use efficiency， and crop quality， and was widely used in agriculture. Oxygenated irrigation increases oxygen content in rhizosphere， thus， enhances crop root respiration， increases the relative abundance of aerobic microorganisms， promotes nitrification， nitrogen fixation， enhances soil fertility， and changes the soil microbial structure. Due to the complexity of the soil environment， crops diversity， and the various method of agronomic and oxygenation， the effect can be very different. Summarized current status both domestic and overseas for oxygenated irrigation， especially application in rice planting area， and the possible development of oxygenated irrigation， for future reference.

Key words Oxygenated Irrigation; Water saving; Water and fertilizer utilization; Intermittent irrigation

基金項目 江西省水利廳科技項目“基于贛撫平原干渠的人工渠道水質(zhì)水動力模型研究項目”（202223YBKT36）；江西省水利廳重點項目“機械化水稻穴直播濕潤灌溉技術(shù)集成與示范”（201922zdkt07）。

作者簡介 劉云（1979—），女，助理工程師，主要從事農(nóng)田水利工程研究。*通信作者：姜成名（1989—），男，工程師，E-mail：jiang20230313@163.com。