增氧灌溉技術研究進展淺談

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，增氧灌溉技術能提高作物的產量、提高水資源利用效率、提升作物品質，在農業領域應用廣泛。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構。由于土壤環境的復雜性，不同作物間的差異性，農藝方式和增氧方式的不同，導致增氧灌溉技術效果差異較大。基于此，分析了目前國內外增氧灌溉技術的應用現狀，尤其是在水稻種植領域的應用情況，探討了后續增氧灌溉技術發展的路徑，以期為增氧灌溉技術的應用提供參考。

關鍵字 增氧灌溉技術；節水增產；水肥利用；間歇灌溉

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

21世紀初，澳大利亞學者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，增氧灌溉對提高灌溉效率、增加作物產量、增強作物品質的效果顯著。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量、降低土壤鹽堿度，提升農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揮是作物增產的基礎，增氧灌溉能促進作物的根系生長和根系對營養元素的吸收，提高水資源利用效率，促進作物生長，從而實現農產品增產、提質[1]。增氧灌溉能顯著提高土壤中有機質、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、固氮作用等功能細菌的增殖，從而增強土壤肥力與土壤微生物間的動態互促[3-4]。

越來越多的研究人員認識到增氧灌溉對作物生長的促進作用，廣泛關注作物的增產與水分利用率之間的關系，研究人員將更多的增氧灌溉技術引入農業種植。加強對農業增氧灌溉技術的研究和推廣，提高農業生產的科學化和現代化水平，既要開發新的增氧灌溉技術，也要加強在農業生產中應用增氧灌溉技術，結合農業增氧灌溉技術，優化農業生產模式，提高農業生產的效益和可持續性。不同設備技術的增氧效果不同，針對經濟高效、廣泛推廣的增氧灌溉技術的開發是研究重點，如射流式增氧裝置、自壓吸氣增氧裝置等。

1 增氧灌溉技術介紹

一直以來，國內外針對增氧灌溉的研究和應用較多，開發了一系列灌溉水增氧、水氣耦合、水肥氣一體化等設備，開展了大面積作物增氧灌溉示范應用，取得了較好的社會效益和生態效益。從賦氧方式來看，目前增氧灌溉技術主要包括機械增氧、化學溶氧、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，達到短時間內增加水中溶解氧的目的。目前，增氧器是機械增氧灌溉技術的核心部件。一些新型增氧器可以通過旋轉、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備有氣泵，設備操作簡單，使用較為普遍，缺點是需要消耗電能，前期電網架設投入較大。能源來源問題是機械增氧灌溉技術最大的難題。目前，一些研究者正在探索利用太陽能、風能等可再生能源來提供動力，降低能源消耗。同時，綜合應用不同的增氧灌溉技術，增產效果更加明顯。研究表明，機械加氧結合滴灌等新型灌溉方式能有效增加作物的產量，增加不定根與細根數量，顯著增強作物根系活力[5]。

（2）化學溶氧。化學溶氧主要是通過化學增氧劑（通常為過氧化鈣、雙氧水）在遇水后發生化學反應釋放氧氣，從而增加水中溶解氧。該方式的優勢在于投料以后無需繼續投入人力、消耗能源。缺點是化學增氧劑遇水反應不可控，另外化學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，從而對作物會產生不良的影響。化學溶氧灌溉技術最早可以追溯到20世紀初的日本，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育。隨著技術的不斷發展，化學溶氧灌溉技術已經得到了大幅度的改進和提高，應用范圍不斷擴大。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。新型化學增氧劑的開發和應用也在不斷推進，如微生物發酵產生的增氧劑等。同時，在實際應用中，需要考慮新型化學增氧劑對土壤和水體的影響，采取適當的措施保護環境和生態系統。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、平均豆莢產量[6]。與此同時，H2O2處理的春小麥根部指標均顯著降低，其氣孔導度、蒸騰速率及凈光合速率均無有利變化。

（3）文丘里設備增氧。文丘里設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，從而實現增氧效果。文丘里設備增氧灌溉技術最早可以追溯到20世紀80年代初，當時其主要被應用于改善魚塘水質，隨著技術的不斷進步，也逐漸被應用于農業灌溉領域。近年來，隨著越來越多的學者投入文丘里增氧灌溉技術的研究，該技術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，不能達到預期的良好效果，在實際應用中受到限制。李康勇等[8]根據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。微納米氣泡增氧技術最初起源于日本，具有高效、節能、環保等優點，目前已經在世界范圍內得以應用，被廣泛應用于水產養殖、污水處理、飲用水凈化等領域。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。越來越多的學者將NBs應用于農業生產灌溉，研究發現，相比傳統的曝氣灌溉，NBw灌溉在作物增產、提升品質和截污減排方面具有較大的優勢。NBs灌溉比傳統曝氣灌溉使番茄產量提升23.0%；比傳統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8%，水稻產量與傳統種植一致，最多可減少25%的施肥量。

2 增氧灌溉技術的應用現狀

增氧灌溉技術具有促進植物生長和提高作物產量的優勢，目前，增氧灌溉已經在農業、園藝和景觀設計等領域得到了廣泛應用。增氧灌溉可以通過提高水利用效率和節約用水，減輕灌溉對水資源的壓力。此外，增氧灌溉還可以提高農業生產的經濟效益，增加農民的收入。增氧灌溉技術在旱作物等經濟作物上已經得到廣泛應用，對促進植株生長、作物育種，提高產量，提升作物品質具有顯著效果[12-15]。

有研究表明，增氧灌溉與土壤溫室氣體排放有關。陳慧等[16]研究發現，番茄種植土壤N2O排放量與灌溉模式有關，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（P<0.01）。雷宏軍等[17]研究增氧灌溉對辣椒生長的影響，發現增氧灌溉辣椒平均增產18.18%（P＜0.05），VC含量和可溶性蛋白質含量分別平均增加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，含氧量越高，對改善盆栽平邑甜茶生長、根區土壤環境及土壤微生物結構的效果越明顯。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、氣孔導度和胞間CO2濃度，從而提高其產量。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 增氧灌溉技術在水稻種植中的應用

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。增氧灌溉技術在促進水中的氧化還原作用，降低水中有害物質含量，改善灌水水質；提高水稻根系的吸氧能力，促進水稻的根系發育和生長，提高水稻的產量和品質；增加土壤中有益菌的數量，有效減少水稻病蟲害的發生等方面均有明顯的效果。因此，增氧灌溉技術在水稻田擁有廣闊的應用前景。

目前，國內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水、增產和提升品質的效果，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、根鮮重、根干重等特征指標有顯著的影響[21-23]。增氧型復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分，在提高水稻產量上明顯優于單獨增氧灌溉。劉學[24]研究表面，微氣泡增氧灌溉能明顯促進水稻分蘗的早發快長，形成較高的葉面積指數，能提高葉片的葉綠素含量，促進光合產物的形成和干物質積累，延緩葉片衰老，延長功能期；微氣泡增氧灌溉結合水肥一體化，表現出在整個生育期水稻具有較大的生長優勢和較強的光合生產能力。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量，白天機械加氧、夜間機械加氧、化學加氧3種不同加氧處理方式中的單株理論產量分別高于不加氧處理18.9%、20.66%、16.98%。

4 結論

（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戶接受。化學增氧技術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，對農田基礎條件的要求較高。受成本和運行條件的限制，增氧灌溉技術難以實現大范圍應用。增氧灌溉較傳統的灌溉成本高、技術更為復雜，因而，開發出適應能力強、運行簡便、投入和維護成本低的增氧設備具有巨大的應用前景。

（2）鑒于增氧灌溉能夠顯著提高水稻產量、水肥利用效率，增氧灌溉與水肥一體化技術具有巨大的應用潛力。將增氧灌溉技術與間歇灌溉等節水農藝相結合，既能發揮出農藝節水的優勢，又可以提高增氧灌溉效率，是節水增產的新思路，同時要關注多維度技術協同作用的節水增產模式。

（3）要加強對先進農業增氧灌溉技術的研發和示范推廣。同時，需要加強政策支持和宣傳教育，引導農民逐步應用增氧灌溉技術，提高農業生產的效益和可持續性。

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責任編輯：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集成與示范”（201922zdkt07）。

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