微納米氣泡發生技術及其在水培增氧上的應用

張慧娟，薛曉莉，林少航，張志立，吳 娜，楊文華，任 強，趙躍鋼

（北京中農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的現代化作物栽培技術，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，可以在非耕地場所周年種植，提高單位面積產量和產品質量。無土栽培尤其是水培，因營養液層較深、根系活動范圍小，易造成根系氧氣供應不足。當作物根系缺氧時，其生長緩慢，水分及養分吸收能力減弱，從而影響地上部分生長，導致產量下降，造成經濟損失。目前，解決缺氧問題主要依靠水泵循環使營養液保持流動狀態，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中效率較低，很難滿足植物正常生長需要[1-2]。

微納米氣泡發生技術是指將氣體以微米或納米氣泡的狀態快速分散在水體中，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，兩者統稱為微納米氣泡。相較于普通大氣泡，微納米氣泡具有獨特的物理化學特性，如比表面積大、水體中存在時間長、氣液傳質率高、界面點位高、能自發產生自由基等。利用微納米氣泡特性在水產養殖[3]、地下水修復[4]、廢水處理[5]、氣浮凈水[6]、催芽浸種[7]等眾多領域都有應用研究報道[8]。微納米氣泡粒徑小，比表面積超大，氣體溶解能力超強，能夠極大地提高氣液之間的反應速度[9]。利用微納米氣泡這一特性，以空氣或氧氣為氣源，使用微納米氣泡發生技術能夠快速增加水體中的溶解氧，在無土栽培增氧領域具有潛在的實際應用價值。

微納米氣泡發生技術根據發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、電解法等多種技術方法。為了達到更好的微細氣泡效果，通常將幾種發生方法聯合使用[10]。微納米氣泡快速發生裝置，核心技術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個部分，水氣混合模塊與釋放模塊實現對氣液混合流體的3級處理，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，能夠對氣液發生過程進行自動化精密控制，且用戶使用變得更加直觀簡單。試驗以北京中農天陸微納米氣泡水公司生產的HP-50型號的微納米氣泡快速發生裝置為例，探討了微納米氣泡對水體的影響以及在無土栽培增氧上的應用效果。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

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

蔬菜品種：選用紫葉生菜作為試驗材料。紫葉生菜是生菜的一個變異品種，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，置于陽臺上，既可觀賞又可食用。

1.2 試驗地點

試驗在北京通州區國際都市農業科技園的日光溫室中進行。

1.3 試驗方法

1.3.1 微納米氣泡技術對水體的影響試驗

將微納米氣泡發生裝置連接好，對比開啟裝置前后，水槽中水體顏色的變化。并于關閉裝置后，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定水體氣泡粒徑。

分別以空氣和氧氣作為氣源，對裝置的溶解氧效果進行測試。空氣源直接利用外界空氣，而氧氣源則利用1臺10 L/min的制氧機為其供氣。空氣源和氧氣源的供氣量均為400 L/h。試驗水體為5 m3的地下水。

1.3.2 微納米氣泡技術對生菜生長的影響試驗

為了驗證微納米氣泡快速溶氧、增氧特性在無土栽培領域的實際應用效果，以紫葉生菜為試驗材料，采用深液流水培方式進行試驗。水培設施置于日光溫室中，安裝有地下貯液池和循環流動系統。循環流動系統包括潛水泵、進水管路和回水管路，通過地下貯液池和泵循環可以調整營養液成分、pH值、溶解氧，為水培槽補水。水培設施結構如圖1所示。

圖1 深液流水培設施

試驗根據不同的循環增氧方式設置3個處理，分別為對照組、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液循環增氧。氧氣組和空氣組的區別在于：氧氣組連接有制氧機以給營養液池曝氧氣，空氣組則直接通入外界空氣以給營養液池曝空氣。對照組只通過泵循環使營養液循環流動，為水培槽中營養液增氧。

對紫葉生菜進行基質育苗，栽培基質比例為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行育苗、培養，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 ℃。生菜幼苗長至4葉1心時，移至水培槽中培養。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。

水培營養液配方采用富通生菜營養液配方，用H3PO4將pH值調至6.0～6.8，電導率控制在1.6～1.8 mS/cm。處理30 d后采收，再進行各項指標的測定。

1.4 數據采集及項目測定

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

根長：測量每株根系最長的根作為根長。氣泡粒徑：采用馬爾文納米顆粒跟蹤分析儀nanosight NS300測試。

溶解氧：采用美國金泉YSI550A便攜式溶氧測試儀測試。

所有測定的數據采用SPSS 13.0統計軟件進行統計分析，并對數據采用單因素方差分析（One way ANOVA）和Turkey HSD多重比較，P＜0.05則差異有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 微納米氣泡技術對水體粒徑的影響

圖2示意了HP-50裝置曝氣效果，將微納米氣泡發生裝置連接好，開啟裝置之后水槽中的水迅速由澄清變為牛奶白，這是由于大量的氣體分散進入水體中。關閉裝置，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。

對曝氣后靜置20 min的水體進行粒徑檢測，結果如圖3所示。氣泡粒徑峰值出現在77.91 nm處，說明該裝置能夠產生納米級別的細小氣泡。根據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，產生的氣泡粒徑越小，在水體中的存留時間越長。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 微納米氣泡技術對水體溶解氧的影響

圖2 HP-50微納米氣泡發生裝置發生效果

圖3 曝氣靜止20 min后的水體粒徑分布

增氧測試結果如圖4所示。當空氣為氣源時，水體溶解氧從初始狀態為1.8 mg/L，經過90 min的曝氣后達到飽和狀態（8.2 mg/L），90 min后，水體的溶氧值進入一個平穩狀態，最高溶氧值可達8.9 mg/L。采用氧氣為氣源曝氣時，從初始狀態（1.8 mg/L）達到飽和狀態僅需要不到20 min，20 min后溶氧值仍快速升高，形成超飽和溶液，120 min時溶氧值可高達42.2 mg/L。

對曝氣后的5 m3水體進行溶氧值的衰減曲線測量，結果如圖5所示。空氣源曝氣后的水體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，衰減趨勢較明顯，但72 h后溶氧值高達26 mg/L，仍處于超飽和狀態。

綜合試驗結果說明，微納米氣泡設備對水體具有顯著的溶氧增氧效果，并且溶氧保持效果好。

2.3 微納米氣泡技術對生菜生長的影響

2.3.1 微納米氣泡技術對生菜生長狀態的影響

經過水培槽中30 d的生長后，紫葉生菜的生長狀態如圖6所示。從生長狀態來看，氧氣組與空氣組的紫葉生菜明顯好于對照組，氧氣組與空氣組的生菜植株較高，豐滿葉大，生長一致，而對照組的生菜植株偏小，生長不均，個別植株因爛根出現生長被抑制的情況。氧氣組與空氣組之間無明顯區別。

圖4 微納米氣泡發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狀態

2.3.2 微納米氣泡技術對生菜鮮質量與干質量的影響

對收獲的紫葉生菜地上部分鮮質量與干質量進行統計（圖7），結果顯示：氧氣組與空氣組的地上部鮮質量均顯著高于對照組（P＜0.05），其中氧氣組比對照組提高了37.3%，空氣組比對照組提高了45.9%，而氧氣組與空氣組之間無顯著性差異（P＞0.05）。地上部干質量方面，2種曝氣方式同樣顯著高于對照組，其中氧氣組比對照組提高了31.2%，空氣組比對照組提高了45.1%。這可能是由于空氣組曝氣溶氧濃度已經滿足生菜正常生長的需求，采用氧氣源曝氣得到過高的溶氧值對生菜的生長沒有進一步的促進作用。

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

3 結論與討論

微納米氣泡快速發生裝置能夠將氣體快速大量地以微納米氣泡的形態分散在水體中，分別以氧氣和空氣為氣源向水體中進行曝氣處理，結果顯示：其能夠快速地提高水體中的溶氧值，使水體的溶氧值達到飽和狀態以上，并且由于微納米氣泡有在水體中上升速度慢、保存時間長的特性，微納米氣泡水的溶解氧值衰減緩慢。

圖7 不同處理對紫葉生菜地上部質量的影響

圖8 不同處理對紫葉生菜根部質量的影響

圖9 不同處理對紫葉生菜根長的影響

利用微納米氣泡快速增氧溶氧的特性，將微納米氣泡發生裝置與水培設施相結合，通過改善水培作物根際氧環境，促進水培作物根系生長發育和功能建成，減少因供氧不足而發生的水培作物爛根現象。選取了紫葉生菜作為試驗對象，以氧氣和空氣為氣源的曝氣處理能夠提高水培生菜的產量，其中曝氧氣源的水培生菜比對照組能增產37%，曝空氣源的水培生菜比對照組能增產46%，說明經過微納米氣泡的曝氣增氧，能有效促進水培生菜根系的生長發育。根系的發達使水培生菜能更多地吸收營養液中的各種營養成分，從而促進水培生菜地上部的發育。試驗結果還說明，采用空氣源曝氣達到水體飽和溶氧值就能夠滿足植物正常生長的需求，過高的溶氧值對增產沒有促進作用。這個結果與周云鵬等[12]報道的水生蔬菜干質量隨著加氧濃度的升高先增加后減少的規律相符合。