營養液微納米氣泡增氧消毒技術

薛曉莉+楊文華+張天柱

【摘要】無土栽培營養液的使用主要存在2個問題：一是營養液容易缺氧，二是營養液的循環使用容易接觸病原菌。本文研究對比了目前營養液的增氧與消毒方法，分析了其使用范圍和優缺點，并提出一種營養液微納米氣泡增氧消毒技術，詳細介紹了該技術的原理、優勢、使用范圍以及推廣應用情況，以期為無土栽培營養液增氧和消毒提供參考。

意義

無土栽培是指不用天然土壤，而使用營養液或固體基質加營養液的栽培方法。固體基質或營養液代替天然土壤向作物提供良好的水、肥、氣、熱等根際環境條件，使作物完成從苗期開始的整個生命周期。無土栽培是實現蔬菜由傳統大田生產向工廠化、規?；?、集約化轉化的新型栽培方式。

無土栽培的植物主要依靠營養液提供生長發育所必需的營養元素。目前營養液的使用存在以下問題：①營養液容易缺氧。無土栽培尤其是水培，因營養液層較深、根系活動范圍小，容易造成氧氣供應不足。作物根系缺氧時，其生長緩慢，水分及養分吸收減弱，從而影響地上部分生長，導致產量下降。②營養液的循環使用容易接觸病原菌。植物根系一旦染病，傳播會非常迅速，短時間內就能使整個栽培系統全部染病，造成重大的經濟損失。因此，開發一種經濟高效的循環營養液增氧和消毒方法成為亟待解決的重要課題。

營養液增氧和消毒的方法

增氧技術

在植物根系生長發育過程中，呼吸過程要消耗氧氣，為使其能正常生長就需要有足夠的氧氣供應。無土栽培植物根系生長環境可以是在類似土壤的生長基質中，也可以是在與土壤環境截然不同的營養液中。因此，在無土栽培中根系氧氣的供給是否充分及時，往往會成為制約作物生長的重要因素。

營養液中氧氣溶解量可以用溶解氧濃度（DO）表示。溶解氧濃度是指在一定溫度、一定大氣壓力條件下，單位體積營養液中溶解的氧氣的數量，以毫克/升（mg/L）表示。營養液中溶解氧的多少與液溫、大氣壓有關，溫度越高大氣壓力越小，營養液的溶解氧含量越低；反之，溫度越低大氣壓力越大，其溶解氧的含量越高。這是導致夏季高溫季節水培植物根系容易缺氧的一個原因。

在植物生長過程中，營養液中溶解氧還與植物根系和微生物的呼吸有關，同一植物在白天和夜間對營養液中的溶解氧的消耗量也不盡相同。晴天時，溫度越高，日照強度越大，植物對營養液中溶解氧的消耗越多；在陰天，溫度低或日照強度小時，植物對營養液中溶解氧的消耗較少。植物根系的耗氧量與根系數量、呼吸數量、呼吸強度成正比，因此耗氧量取決于植物種類、生育時期、種植密度。生長過程耗氧量大、處于生長旺盛期以及每株植物平均占有營養液液量少的植物，則營養液中的溶解氧的消耗速率較大；反之，溶解氧的消耗速率較小。一般甜瓜、辣椒、黃瓜、番茄、茄子等瓜菜或茄果類作物的耗氧量較大，而蕹菜、生菜、菜心、白菜等葉菜類作物的耗氧量較小。另外，營養液內的還原性物質被氧化時也要消耗一些溶解氧。

一般營養液中的溶解氧含量維持在4～5 mg/L

以上，能滿足大多數植物的正常生長。但是無土栽培中特別是水培營養液中的溶解氧很快會被消耗掉，因此必須采取一些方法來補充植物根系對溶解氧的需求。營養液溶解氧的補充，實質上是通過破壞營養液液相與空氣氣相之間的界面而讓空氣進入營養液的過程。在一定的溫度和壓力條件下，液-氣界面被破壞得越劇烈，進入營養液的空氣數量就越多，溶于營養液的氧氣也越多。補充營養液溶解氧的途徑主要來源于空氣向營養液的自然擴散和通過人工的方法來增氧。自然擴散進入營養液的溶解氧的速度慢，數量少，遠達不到作物生長的要求。人工增氧的方法包括營養液循環流動、落差法、噴霧、增氧器、間歇供氧、滴灌、壓縮空氣、反應氧、動態液位法等，其原理和特點見表1。

營養液循環流動、落差法、噴霧法和增氧器等都是通過增加營養液與空氣的接觸而提高營養液中的溶氧值，陳艷麗[2]在研究水培生菜有機態氮的營養效應及營養液溶氧管理技術時發現，水泵增氧達到溶氧濃度的飽和點后不再增加，這也可能是幾種方法的共性。滴灌法、潮汐法均通過間歇供氧的方法，將根系暴露于空氣中直接吸收氧氣。甘小虎等[3]研究辣椒潮汐式灌溉育苗技術時指出，育苗過程中基質始終疏松透氣不易板結，具有降低能耗、減少用工、節約用水等優點。動態液位法同時采用了增加營養液與空氣的接觸以及暴露根系于空氣中的方法來增加根系對氧氣的吸收效率。宋衛堂等[1]對動態液位法的研究表明，提高根系對氧氣的吸收效率可以提高番茄的相對生長率、增強根系的活力、促進根系的生長發育。不同的增氧方式應用于不同的無土栽培方式，往往是幾種增氧方式協調增氧。夏季高溫時營養液增氧困難是制約增氧效果的一個關鍵問題。

消毒技術

營養液滅菌消毒的方法比較多，包括化學藥劑消毒、高溫消毒、紫外線消毒、臭氧消毒、慢砂過濾消毒等[4-11]。宋衛堂等[10]對營養液加熱消毒機的研究表明，75℃、90 s的殺菌組合對（3.9×105～8.3×105）cfu/mL番茄萎蔫病病原菌、黃瓜枯萎病病原菌、番茄細菌性青枯病病原菌達到100%的殺菌效果。劉楠等[11]研究循環消毒裝置時指出，在0.57 mg/L臭氧濃度下，對空心菜的生長有一定的促進作用，可以增加空心菜產量，而對于臭氧在營養液消毒及水培空心菜的影響等需進一步的試驗研究。劉偉等[7]研究慢砂過濾裝置時指出，慢砂過濾對病毒、線蟲及部分細菌的消除率達到90%～99%，不會殺死營養液中所有的微生物，可以利用有益微生物抑制病原微生物，因此慢砂過濾用于營養液消毒還需要進一步研究與完善。宋衛堂等[9]對紫外線-臭氧組合式營養液消毒機進行了研究，UV、O3、UV+O3 3種方法的消毒效果分別達到70.6%、15.9%和89.9%。紫外線-臭氧組合式消毒比單一滅菌方法效果更好，顯現出了協同效應，可以較大幅度地提高消毒效率。各消毒原理和作用見表2。

營養液微納米氣泡

增氧消毒技術

針對現有無土栽培營養液增氧效率低，各種消毒方法單一使用，存在環境污染大、運行成本高以及效果差、效率低等問題，一種新型高效的無土栽培營養液的增氧、消毒技術——“營養液微納米氣泡增氧消毒系統”經研發并逐步推廣。

營養液微納米氣泡增氧消毒系統采用國際先進的微納米氣泡發生技術，并結合臭氧殺菌技術、紫外線消毒技術等，解決營養液供氧不足以及因病原微生物侵害而造成的無土栽培作物生長受抑制、產量下降等問題，避免由此造成的經濟損失，在設施農業領域具有很好的實用性。

微納米氣泡發生技術是利用微納米氣泡快速發生裝置將氣體快速高效溶入水中產生微納米氣泡。微納米氣泡的顯著特點是其在水中上升緩慢，停留時間長，并產生自我壓縮，在水中具有很高的溶解度，并且微納米氣泡具有促進植物生長的生理活性，因此微納米氣泡技術被認為非常適合應用于水培栽培系統[12]。此外，利用微納米氣泡發生技術將氣體溶入水中，與其他曝氣方式相比，受溫度影響較小，在夏季高溫季節使用具有顯著優勢。

營養液微納米氣泡增氧消毒系統的技術原理：利用微納米氣泡發生技術將氧氣溶入營養液中形成微納米氣泡富氧水對營養液進行增氧；利用微納米氣泡發生技術將臭氧溶入營養液中形成微納米氣泡臭氧水，并經過紫外線消毒器對營養液發揮協同消毒作用[13]。

營養液微納米氣泡增氧消毒系統的創新點：①利用微納米氣泡發生技術使氧氣、臭氧在水中高效溶解，生成的微納米氣泡具有緩釋效果，可延長氧氣、臭氧在水中的存留時間，提高利用率；②臭氧、紫外線協同作用滅菌，臭氧與有機物分子反應需要活化能，紫外線的照射提高了有機物分子能量，使活化分子比例增多，從而使有機物更容易在臭氧的氧化下分解。另外，水中溶解的臭氧在紫外線照射下能夠生成反應活性更高的羥基自由基（OH-），進而加速了水中有機物的去除速率；③在營養液進行臭氧和紫外線消毒前過濾，減少了營養液中還原性物質和不透明雜質對消毒效果的影響，提高殺菌效果；④采用空壓機對殘留臭氧進行吹脫，使營養液中的臭氧濃度迅速下降，減少或避免對植物根系產生危害；⑤無土栽培換茬時不啟動空壓機，含有較高濃度微納米氣泡臭氧水的營養液在串聯水培設施內進行數次循環，有效清除設施死角的病原菌；⑥可實現增氧、消毒雙重功能，既能對營養液進行增氧，又能對營養液進行消毒，有效降低了單一設備的累加投資成本；⑦裝置采用自動化控制，使用PLC和LED控制面板，操作簡便；控制單元預留數據端口，可連接其他裝置的控制單元，實現物聯網綜合控制。

適用范圍

營養液微納米氣泡增氧消毒系統非常適用于水培，直接對營養液進行增氧、消毒。深液流水培（DFT）營養液的溶解氧隨栽培槽長度的增加而降低，因此DFT種植槽長度不宜過長[14]。利用微納米氣泡技術增氧，其產生微納米氣泡具有緩釋效果，可保證DFT種植槽末端的溶解氧濃度。

對于氣霧栽培，營養液以噴霧的形式噴射出，在霧化的過程中營養液與空氣充分接觸，有效提高了營養液的溶解氧濃度，配以營養液循環流動方式，足以滿足植物生長需要。因此，只需使用營養液微納米氣泡增氧消毒系統的消毒功能即可。

對于基質栽培，既可以通過控制滴灌流量及時間，使基質的透氣性和持水性達到動態平衡而使根系獲取充足的氧氣，亦可利用營養液微納米氣泡增氧消毒系統進行增氧；基質栽培的營養液殘液不再循環利用，排放前需經營養液微納米氣泡增氧消毒系統進行消毒，消毒之后可作為肥料用于大田灌溉。

推廣應用

營養液微納米氣泡增氧消毒系統率先應用于北京農業嘉年華的蔬菜主題館，該館展示了各種新穎的無土栽培設施及蔬菜（圖1～2）。營養液增氧方式包含了營養液循環流動、落差法和營養液微納米氣泡增氧消毒系統。該系統布置于地下貯液池附近，增氧時調節溶氧值10 mg/L左右（濃度范圍>20 mg/L），與貯液池的營養液混合后將含有豐富溶氧值的營養液通過液循環流動供無土栽培蔬菜根系利用；消毒時調節臭氧濃度1 mg/L左右（濃度范圍1～8 mg/L）對營養液進行消毒，消毒后采用空壓機對殘留臭氧進行吹脫處理，使營養液中的臭氧濃度迅速下降到0.1 mg/L，減少或避免對植物根系產生危害。增氧消毒后無土栽培內的作物無爛根現象和營養液病害，營養液微納米氣泡增氧消毒系統確保了無土栽培蔬菜保持良好的生長態勢。

山東惠民鑫誠現代農業科技示范園也應用了營養液微納米氣泡增氧消毒系統（圖3～4），園區內有2棟連棟溫室，總建設面積為18276.48 m2，以荷蘭高效無土栽培（椰糠基質培）生產模式為主。椰糠基質培除了應用間歇滴灌法增氧與紫外線消毒外，還應用營養液微納米氣泡增氧消毒系統對營養液進行增氧，收集的殘液進行消毒后還可以應用于大田灌溉；該系統也可應用于園區的深液流水培韭菜，增氧消毒效果明顯，韭菜根系發達，病害發生率極低。

應用展望

我國無土栽培的生產面積不斷增加，與傳統栽培模式相比，無土栽培可以有效克服保護地栽培中土壤鹽漬、土傳病害等連作障礙，在非耕地場所進行周年種植，并能提高單位面積產量和產品質量。無土栽培主要依靠營養液為作物提供所需養分，而營養液的增氧和消毒是無土栽培進行有效生產的關鍵。

目前，很多生態園區和農業園區在生產運營過程中，常常會遇到營養液增氧困難、易滋生藻類和病菌等問題，客戶對營養液增氧消毒設施具有很強烈的需求。因此，該技術具有切實的推廣市場。

營養液微納米氣泡增氧消毒系統由于集成了現有的增氧消毒優勢技術及自控和物聯網控制系統，成本相對比較高，這就決定了該系統需首先面向高經濟附加值的蔬菜、水果、中藥、花卉、食用菌等作物進行應用推廣。其次，營養液微納米氣泡增氧消毒系統在生產與示范方面具有一定的應用，其增氧與消毒的基礎研究有待進一步探索，以期為技術改進、降低成本、生產應用提供參考。

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