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

才 碩

(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)

水稻是我國最重要的糧食作物之一，年種植面積達3 000 萬hm2，也是耗水量最大、耗肥最多的糧食作物。據統計，全國農業用水量占總用水量70%以上，而水稻用水量就占農業用水量65%[1]。水稻傳統的水肥管理方式灌溉用水量大，灌溉定額達9 000 m3/hm2，灌溉水的水分生產率為1 kg/m3左右[2]，氮肥利用率僅為30%～35%，由此引發了嚴重的農業面源污染和水體富營養化問題[3-5]。在我國南方大部分水稻灌區，水稻種植主要采用淹水灌溉方式，加重了稻田養分通過徑流和滲漏損失，加劇了地表水和地下水環境污染[6]。此外，長期處于淹水狀態的稻田，空氣很難通過水層進入到土壤中，加之水稻根系及土壤微生物的呼吸作用消耗了大量氧氣，導致土壤中的氧濃度極低，引起土壤Fe2+和其他有害物質的積累，不利于水稻的生長。目前，傳統粗放的水稻灌溉管理方式，是我國南方地區開展節水減排工作的重點與難點。因此，迫切需要創新節水防污技術，加大水生態治理措施，減輕水稻灌區農業面源污染對生態環境的危害。

微納米氣泡增氧灌溉是利用微納米氣泡發生裝置對灌溉水體進行曝氣增氧，采用迅速提高灌溉水體的溶解氧含量的措施來優化作物根域水氣狀況，從而促進作物生長發育，實現增產增收的一種新型灌溉技術。微納米氣泡具有氣液比表面積大、氣泡尺度下、吸附效率高、在水中停留時間長等獨特特性。目前，國內外關于微納米氣泡增氧灌溉的研究相對較少。朱練峰等[7]研究了增氧灌溉對水稻生理特性和后期衰老的影響，結果表明，超微氣泡水增氧灌溉能提高水稻葉片光合能力，延緩生育后期水稻根系和葉片衰老，促進水稻籽粒灌漿結實，明顯促進水稻生長并顯著提高水稻產量。劉學等[8]研究超微氣泡增氧灌溉對水稻生育特性及產量的影響，結果表明，超微氣泡增氧灌溉改善了稻田土壤通透性，促進根系發育和對水分、養分的吸收，促使水稻莖蘗早發，葉面積指數增大，干物質積累增多。才碩等[9]在關于微納米氣泡增氧灌溉技術對雙季稻需水特性和產量影響的研究中表明，微納米氣泡增氧灌溉明顯提高了雙季稻有效穗數、總粒數及結實率，從而顯著增加了水稻產量。已有的研究主要集中在微納米氣泡增氧灌溉對水稻生理特性的影響，而在減少稻田氮磷流失方面還有待深入研究。本研究通過引進離式螺旋微氣泡泵，將微納米氣泡增氧灌溉技術應用在灌區水稻生產中，深入研究微納米氣泡增氧灌溉對雙季早、晚稻地表徑流及氮磷排放的影響，探討微納米增氧灌溉技術在水稻灌區節水減排中的應用效果，以期為保障南方地區水資源可持續利用與經濟社會可持續發展提供堅實支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗于2014年在江西省灌溉試驗中心站試驗研究基地(116°00′E，28°26′N)水稻試區進行，試驗基地位于鄱陽湖流域贛撫平原灌區二干渠中游右岸，坐落在江西省南昌市南昌縣向塘鎮高田村，屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，日照充足，雨量充沛，適合多種農作物生長。贛撫平原灌區年平均氣溫17.5 ℃，年平均日照1 720.8 h，年平均蒸發量1 139 mm，年平均降雨量1 747 mm。2014年降雨量為1 535.0 mm，早稻季降雨量為715.4 mm，晚稻季降雨量為195.4 mm。試驗田土壤為沖積性黃泥土，0～20 cm土層土壤有機質含量22.85 g/kg，全氮含量1.42 g/kg，全磷含量0.31 g/kg，堿解氮含量100.98 mg/kg，速效磷含量6.18 mg/kg，速效鉀含量78.92 mg/kg，pH值5.87。

1.2 試驗材料

(1)試驗裝置 微納米氣泡發生裝置采用離式螺旋微氣泡泵，型號為XPK-0.75，配有壓力表和空氣流量計(量程范圍100～1 000 mL/min，20 ℃，101 325 Pa)，主要技術參數見表1。

表1 離式螺旋微氣泡泵主要技術參數Tab.1 The main technical parameters of off type spiral micro bubble pump

(2)種植管理 雙季早、晚稻供試品種分別為陸兩優996和天優華占。早稻于3月24日播種，4月20日手工移栽，栽插行株距為23.3 cm×13.3 cm，每穴3苗，7月13日收割；晚稻于6月24日播種，7月21日手工移栽，栽插行株距為26.6 cm×13.3 cm，每穴2苗，10月20日收割。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素設計，設2個灌溉處理：常規灌溉處理(W0)和微納米氣泡增氧灌溉處理(W1)，重復3次，6個小區，小區面積23.85 m2。各處理肥料運籌方式相同，早、晚稻全生育期氮肥用量為180 kg/hm2，施肥方式為基肥∶分蘗肥∶孕穗肥=5∶3∶2；磷肥施用標準為67.5 kg/hm2(以P2O5計)，全部作基肥施用；鉀肥施用標準為150 kg/hm2(以K2O計)，鉀肥按基肥∶穗肥=9∶11比例施用。小區之間作30 cm田埂，并用塑料薄膜包封，防止漏水串肥。小區周圍設置保護行，消除邊際效應。田間管理和病蟲害防治措施一致。

1.4 測定項目與方法

(1)測定項目。田間觀測項目包括降雨量、灌溉量、排水量、產量。降雨量由江西省灌溉試驗中心站試驗研究基地氣象站獲得；灌水量由安裝在田間輸水管道上的水表計量得出；通過觀測稻田排水前后的田面水位差換算得出排水量；產量測定方法參照《灌溉試驗規范》(SL13-2015)。

室內測定項目包括總氮和總磷。在降雨田面排水時，取排水水樣，測定地表徑流中氮、磷含量。總氮含量用堿性過硫酸鉀消解+紫外分光光度法(GB11894-89)測定，總磷含量用鉬酸銨分光光度法(GB-11893-89)測定。

(2)計算公式。

灌溉水利用效率(kg/m3)=稻谷產量/灌溉用水量；

降雨利用率(%)=(降雨量-排水量)/降雨量×100%。

1.5 數據處理與統計分析

采用Excel2003軟件處理數據與制圖，運用DPS7.05軟件對數據進行統計檢驗和方差分析。

2 結果與分析

2.1 微納米氣泡增氧曝氣對水體氮磷濃度的凈化效果

圖1 微納米氣泡增氧曝氣技術對水體氮磷含量的影響Fig.1 Effects of micro-nano bubble aerated technique on nitrogen and phosphorus in water

圖1表明，利用離式螺旋微氣泡泵對水體進行持續曝氣，可使水體中氮磷物質濃度隨時間發生不同程度變化。在初始狀態下，水中總氮、總磷、氨氮、硝氮的含量分別為13.70、2.93、11.1、2.48 mg/L，隨著時間的后移總氮、總磷、氨氮濃度均呈現出先降低后升高的趨勢。增氧3.2 h后，總氮含量下降為13.08 mg/L，去除率達4.53%；增氧4.6 h后，總磷含量下降為2.75 mg/L，去除率達6.14%；增氧2.4h后，水體中的氨氮含量幾乎為0。水體中硝氮含量隨增氧時間增加而逐漸升高，可能是由于長期曝氣形成富氧環境抑制反硝化作用，造成硝態氮的積累。

2.2 微納米氣泡增氧灌溉技術的節水效果

表2表明，雙季早、晚稻W1處理的耗水量、灌水量和排水量均低于W0處理，降雨利用率均高于W0處理。與W0處理相比，利用微納米氣泡增氧灌溉技術后，早稻耗水量、灌水量和排水量分別減少77.69、119.86和42.17 m3/hm2，分別降低3.34%、7.44%、0.65%；晚稻耗水量、灌水量和排水量分別減少88.02、132.74和44.72 m3/hm2，分別降低2.19%、4.46%、4.90%。早、晚稻降雨利用效率分別提高5.92%和4.28%。說明微納米氣泡增氧灌溉技術可以減少雙季早、晚稻灌水量、耗水量和排水量，有效提高降雨利用效率。

表2 微納米氣泡增氧灌溉技術對雙季早、晚稻需水特性的影響Tab.2 Effects of micro-nano bubble aerated irrigation technique on water requirement characters of double-cropping early and late rice

2.3 微納米氣泡增氧灌溉技術對雙季早、晚稻水分利用效率的影響

水分利用效率(WUE)是指單位水量消耗所產生的經濟產品數量[10]，是反應植物水分利用特性的重要參數。由表3可知，微納米氣泡增氧灌溉對雙季早、晚稻灌溉用水量、產量以及灌溉水利用效率均有一定的影響。與W0相比，W1處理可以明顯提高水稻產量和灌溉水利用效率，雙季早、晚稻分別增產4.93%和5.60%，灌溉水利用效率分別提高13.36%和10.54%。表明微納米氣泡增氧灌溉技術能夠對早、晚稻灌水量和產量有一定程度的調節作用，從而達到灌溉水高效利用的目的。

表3 微納米氣泡增氧灌溉技術對雙季早、晚稻水分利用效率的影響Tab.3 Effects of micro-nano bubble aerated irrigation technique on water use efficiency of double-cropping early and late rice

2.4 微納米氣泡增氧灌溉技術的減排效果

從圖2可以看出，微納米氣泡增氧灌溉技術對早、晚稻氮磷地表徑流排放量產生一定影響。與W0相比，W1處理可有效減少水稻氮磷地表排放量，早、晚稻總氮排放量分別減少8.36%和8.12%，總磷排放量分別減少27.50%和27.27%。表明微納米氣泡增氧灌溉技術對地表排水中的氮、磷具有較好的去除效果，能夠減輕氮、素流失所造成的農業面源污染，具有一定的減污作用。

圖2 微納米氣泡增氧灌溉技術對雙季早、晚稻地表氮磷排放量的影響Fig.2 Effects of micro-nano bubble aerated irrigation technique on discharge of nitrogen and phosphorus in the surface runoff of double-cropping early and late rice

3 結論與討論

近些年，微納米氣泡作為一種新型的增氧曝氣技術，已在環境污染控制中已取得了一些研究成果，表現出了一定的技術優勢與良好的應用前景[11-13]。徐彬等[11]研究表明，采用微納米氣泡對入湖河道水體進行原位凈化處理，氨氮、總磷的平均去除率分別為42.4%和49.1%。王美麗等[14]在對黑臭河道廢水微納米曝氣處理研究顯示，在0.3 L/min的氣量、90 min時除污效果最好，總磷的去除率為31.0%。本研究表明，采用微納米氣泡技術對水體進行爆氣處理，增氧3.2 h時，對總氮去除效果最好，去除率為4.53%；增氧4.6 h時，總磷去除效果最好，去除率為6.14%；增氧2.4 h時，氨氮去除率接近100%；硝氮含量隨增氧時間增加而逐漸升高，可能是由于長期曝氣形成富氧環境抑制反硝化作用，造成硝態氮的積累，這與張保君等[15]研究結果一致。

水、肥是影響水稻生長發育的主要因子，適宜的田間水肥管理技術不僅能夠節約灌溉用水，增加水稻產量，而且能有效減少稻田氮、磷排放，提高水肥利用效率[16-18]。本研究結果表明，相對于常規水灌溉處理，微納米氣泡增氧灌溉技術具有較好的節水減污效果，早、晚稻灌水量分別減少7.44%和4.46%，降雨利用率分別提高5.92%和4.28%，灌溉水利用效率分別提高13.36%和10.54%，總氮排放量分別減少8.36%和8.12%，總磷排放量分別減少27.5%和27.27%。

目前，國家和水利部正在著力推進南方地區節水減排工作，節水減排是節約水資源、實現可持續發展和保護生態環境的必然選擇，創新技術措施則是實施節水減排工作的重要途徑。筆者將微納米氣泡增氧灌溉技術應用在灌區水稻生產上，實現了雙季稻田節水、增產、減污的綜合效果。可見，微納米氣泡增氧灌溉技術能夠提高水稻水肥利用效率，減少農業面源污染物的排放，在推進南方水稻灌區節水減排工作中具有較好的應用價值，同時也在提水灌溉地區和設施農業上具有一定的推廣前景。

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