微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的創(chuàng)新應(yīng)用研究

中圖分類號：S129 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095-3305（2025）05-0037-03

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展，大棚蔬菜種植作為一種高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，在保障蔬菜供應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用[-2]。而微納米氣泡技術(shù)的出現(xiàn)，給蔬菜大棚種植帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的重要性日益凸顯。一方面，該技術(shù)能夠提高水肥利用效率。微納米氣泡水能緩慢釋放，使水分更持久地保持在土壤中，減少灌溉次數(shù)和用水量。另一方面，微納米氣泡技術(shù)在促進(jìn)光合作用、殺菌消毒和殺蟲方面具有顯著效果，如臭氧微納米氣泡水噴霧能有效殺滅各種細(xì)菌性病害，高效防治作物白粉病、灰霉病等常見病害，不僅不會影響對作物生長，還能提升作物的抗病能力，降低發(fā)病率。

當(dāng)前，微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成效，更多的種植戶開始認(rèn)識到該技術(shù)的優(yōu)勢，并逐步將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。然而，微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的應(yīng)用仍處于探索和發(fā)展的階段，因此加強(qiáng)研究有助于提升技術(shù)應(yīng)用成效。

1 研究目的

研究聚焦微納米氣泡技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用機(jī)制，重點(diǎn)在于揭示微納米氣泡對土壤理化性質(zhì)及微生物群落的調(diào)控機(jī)理；構(gòu)建基于氣液傳質(zhì)模型的水肥一體化調(diào)控體系；開發(fā)臭氧-二氧化碳復(fù)合氣泡的病蟲害防控技術(shù)；探索智能傳感與微納米氣泡系統(tǒng)的耦合機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合，為設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供理論依據(jù)和技術(shù)方案。

2微納米氣泡技術(shù)的原理概述

2.1微納米氣泡技術(shù)的原理

2.1.1產(chǎn)生機(jī)制

微納米氣泡發(fā)生器的核心技術(shù)是通過高速回旋切割的方式，將氣體（如空氣、氧氣、臭氧等）高效融入水中，形成直徑在微米至納米級別的氣泡[3]。濟(jì)南嘉能可環(huán)境JN-MNB系列微納米氣泡發(fā)生器在工作時(shí)，用泵使液體從圓筒形發(fā)生器本體的側(cè)面沿切線方向高速，在內(nèi)部產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)。利用液體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的壓降，使下端面小孔自吸的氣體在上端面中心小孔內(nèi)的剪切力作用下被壓碎，形成微納米氣泡。氣體經(jīng)進(jìn)氣管路進(jìn)入發(fā)生設(shè)備后，與原水充分混合，經(jīng)設(shè)備攪拌混合等處理，生成直徑 50nm～50μm 以下的微納米氣泡水，其中 70nm 氣泡的峰值密度可達(dá) 3×10⁸ 個 /mL ○

2.1.2 特性分析

第一，微納米氣泡比表面積更大，直徑 10μm 的氣泡與直徑 1mm 的氣泡相比，理論上在一定體積下前者的比表面積是后者的100倍，空氣與水的接觸面積大大增加，各種反應(yīng)速度也相應(yīng)提高。

第二，微納米氣泡在水中存在時(shí)間長，其原因在于氣泡體積小，在水中所受浮力相應(yīng)較小，同時(shí)受到水分子運(yùn)動的影響而左右運(yùn)動，呈曲線上升狀態(tài)，上升速度緩慢，直徑 10μm 的氣泡上升 3mm 需要 1min 。

第三，微納米氣泡自身能夠增壓溶解，水中的氣泡四周有氣液界面，表面張力能壓縮氣泡內(nèi)的氣體，使更多的氣體溶解到水中。直徑 10μm 的氣泡會受到0.3個大氣壓的壓力，而直徑 1μm 的氣泡會受到3個大氣壓的壓力。隨著氣泡逐漸縮小，壓力上升會提高氣體的溶解速度，最終使氣體溶解到水中。

第四，微納米氣泡表面帶負(fù)電，由于水與氣體摩擦作用而帶負(fù)電，氣泡數(shù)量不會因結(jié)合而減少，高濃度微納米氣泡容易與細(xì)菌、病毒、有機(jī)物懸浮物、金屬離子相互吸引。微納米氣泡破裂瞬間，可激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基和自由基，產(chǎn)生超強(qiáng)氧化作用，可降解水中正常條件下難以氧化分解的污染物。

2.2 微納米氣泡技術(shù)對促進(jìn)植物生長的作用原理

2.2.1 光合作用

二氧化碳是植物進(jìn)行光合作用的重要原料。微納米氣泡比表面積擴(kuò)大至常規(guī)氣泡的1000倍，提高物質(zhì)傳遞效率。微納米氣泡技術(shù)能夠使飽含二氧化碳的液滴更均勻地分布在蔬菜莖葉表面，增加二氧化碳與蔬菜莖葉的接觸面積；同時(shí)，持續(xù)緩慢地釋放二氧化碳，調(diào)節(jié)蔬菜大棚內(nèi)的二氧化碳濃度，為蔬菜光合作用提供充足的原料。

2.2.2 營養(yǎng)吸收

微納米氣泡技術(shù)能夠促進(jìn)蔬菜根系生長和營養(yǎng)吸收。微納米氣泡借助增壓效應(yīng)，將 O₂ 溶解度提高8倍產(chǎn)生羥基自由基以氧化降解污染物。微納米氣泡技術(shù)通過提高土壤中的氧氣含量，改善土壤的通氣性和透水性，使蔬菜根系產(chǎn)生更多的根毛和側(cè)根，擴(kuò)大根系的吸收面積。微納米氣泡技術(shù)還能刺激土壤中的微生物活動，加速有機(jī)物分解，釋放出更多的養(yǎng)分。例如，微納米氣泡技術(shù)促進(jìn)土壤中有益微生物的繁殖，使其與蔬菜根系形成共生關(guān)系，進(jìn)一步提高蔬菜對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用能力。

3微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的應(yīng)用

3.1促進(jìn)蔬菜生長發(fā)育

3.1.1 促進(jìn)光合作用

在某蔬菜大棚種植基地，種植戶引入了二氧化碳微納米氣泡水噴灑技術(shù)，顯著改善了大棚內(nèi)的蔬菜生長狀況。蔬菜的葉片更加翠綠且厚實(shí)，光合作用效率明顯提高[4。實(shí)際測量數(shù)據(jù)顯示，在使用二氧化碳微納米氣泡水后，大棚內(nèi)的二氧化碳濃度穩(wěn)定在適宜蔬菜生長的范圍內(nèi)，比未使用該技術(shù)的大棚高出約 30% ○這大大提高了蔬菜通過光合作用將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)的速率，使得蔬菜的生長速度明顯加快。例如，通過應(yīng)用微納米氣泡技術(shù)，一些葉菜類蔬菜的生長周期縮短了約 10% ，產(chǎn)量也相應(yīng)增加了約 20% 。

3.1.2 延緩衰老

微納米氣泡對蔬菜根、莖、葉的衰老有著顯著的減緩作用。微納米氣泡在蔬菜類植物生長過程中可促進(jìn)葉片進(jìn)行光合作用，從而為植物提供更多的能量。這種能量不僅能用于植物的生長發(fā)育，還能延緩植物根、莖、葉的衰老。同時(shí)，微納米氣泡在促進(jìn)根系發(fā)育和吸收養(yǎng)分方面也有促進(jìn)作用，能使植物莖葉繁茂，增加干物質(zhì)的積累。有研究表明，使用微納來氣泡技術(shù)培養(yǎng)的蔬菜，其根、莖、葉的衰老時(shí)間比未使用該技術(shù)的蔬菜延遲了約 15% ，延長了蔬菜的采摘期，增加了種植戶的收益[5-6]

3.2殺菌消毒與殺蟲

3.2.1 病害防治

在蔬菜大棚中，臭氧微納米氣泡水對蔬菜白粉病、灰霉病等常見病害具有顯著的防治效果[7]。例如，在某蔬菜大棚種植區(qū)，種植戶使用臭氧微納米氣泡水進(jìn)行噴霧后，白粉病的發(fā)病率從原來的 15% 降至 5% 以下，灰霉病的發(fā)病率也從 12% 降至 3% 左右。同時(shí)，由于臭氧的強(qiáng)氧化性，臭氧微納米氣泡水還可以破壞病原菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，使病原菌新陳代謝功能障礙并抑制其生長，繼而滲透并破壞膜內(nèi)組織，直至殺死菌體。

3.2.2 環(huán)保殺蟲

臭氧微納米氣泡水殺蟲具有顯著的環(huán)保性[8。昆蟲的呼吸是通過氣孔和外界進(jìn)行氣體交換實(shí)現(xiàn)。利用這一特性，應(yīng)用臭氧微納米氣泡水噴霧，可以使高濃度的臭氧微納米氣泡進(jìn)入昆蟲體內(nèi)，破壞其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到殺蟲的目的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于臭氧微納米氣泡僅殺死昆蟲，不會對作物產(chǎn)生任何負(fù)面影響。此外，臭氧微納米氣泡水殺蟲還可以減少化學(xué)農(nóng)藥的施用量，降低農(nóng)業(yè)種植對環(huán)境的污染，促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3.3 應(yīng)用成效

第一，促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的應(yīng)用極大地促進(jìn)了綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展。研究數(shù)據(jù)表明，使用微納米氣泡技術(shù)的蔬菜大棚，化學(xué)農(nóng)藥施用量可減少約 70% 。這不僅降低了農(nóng)藥殘留對人體健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)，還減少了蔬菜種植對環(huán)境的污染，有利于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[9-10]。微納米氣泡技術(shù)的環(huán)保特性也符合現(xiàn)代消費(fèi)者對綠色、無污染農(nóng)產(chǎn)品的需求，能夠提高農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭力，為種植戶帶來更高的經(jīng)濟(jì)收益。

第二，節(jié)約資源。微納米氣泡水可以增加土壤中的氧氣含量，促進(jìn)根系吸收養(yǎng)分，提高肥料的利用率。在使用微納米氣泡技術(shù)的蔬菜大棚中，肥料利用率可提高約 40% 。同時(shí)，微納米氣泡技術(shù)具有緩慢釋放特性，使得水分能夠更持久地保持在土壤中，減少灌溉次數(shù)和用水量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用微納米氣泡技術(shù)的蔬菜大棚中，灌溉用水量可減少約 30% 。這不僅降低了蔬菜種植成本，還符合可持續(xù)發(fā)展的理念，對緩解水資源短缺和保護(hù)土壤環(huán)境具有積極意義。

4微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中應(yīng)用的未來展望

4.1 創(chuàng)新應(yīng)用

第一，智能化應(yīng)用。隨著科技不斷進(jìn)步，微納米氣泡技術(shù)有望與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用。在蔬菜大棚內(nèi)安裝傳感器，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)和蔬菜的生長狀態(tài)。例如：當(dāng)傳感器檢測到蔬菜大棚內(nèi)二氧化碳濃度過低時(shí)，系統(tǒng)可以自動增加二氧化碳微納米氣泡水的噴灑量，以提高蔬菜光合作用效率；當(dāng)蔬菜大棚內(nèi)出現(xiàn)病蟲害時(shí)，系統(tǒng)可以自動調(diào)整臭氧微納米氣泡水的濃度和噴灑頻率，進(jìn)行有效的殺菌消毒和殺蟲。此外，智能控制系統(tǒng)還可以與手機(jī)等移動設(shè)備連接，以便種植戶隨時(shí)隨地了解大棚內(nèi)的情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

第二，多功能集成。當(dāng)前，微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的應(yīng)用主要集中在促進(jìn)生長發(fā)育、殺菌消毒和殺蟲等方面，未來可以將微納米氣泡技術(shù)與其他農(nóng)業(yè)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)集增氧、消毒、施肥、灌溉等多功能于一體，降低設(shè)備成本和運(yùn)行成本，提高種植效益。

4.2 技術(shù)問題

微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的應(yīng)用雖然已經(jīng)取得了顯著的成效，但仍有許多方面值得進(jìn)一步深入研究。第一，加強(qiáng)對微納米氣泡技術(shù)在不同蔬菜品種中的應(yīng)用研究。由于不同的蔬菜品種在生長特性、對環(huán)境的要求等方面存在差異，因此需要針對不同的蔬菜品種制定個性化的微納米氣泡技術(shù)應(yīng)用方案。

第二，進(jìn)一步探索微納米氣泡技術(shù)與其他農(nóng)業(yè)技術(shù)的協(xié)同作用。當(dāng)前，微納米氣泡技術(shù)已經(jīng)與一些農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行了初步結(jié)合，如與營養(yǎng)液微納米氣泡增氧消毒技術(shù)、智能灌溉系統(tǒng)等。未來，可以繼續(xù)豐富與其他農(nóng)業(yè)技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，如生物防治技術(shù)、土壤改良技術(shù)等。通過多種技術(shù)協(xié)同發(fā)揮效用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高蔬菜大棚種植的綜合效益。隨著高新技術(shù)的不斷進(jìn)步，微納米氣泡發(fā)生器的性能也需要不斷提高，同時(shí)積極開發(fā)新型的微納米氣泡發(fā)生器材料和結(jié)構(gòu)，提升設(shè)備的耐用性和可靠性。

第三，加強(qiáng)對微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的環(huán)境影響研究。雖然微納米氣泡技術(shù)具有環(huán)保、可持續(xù)的特點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，技術(shù)應(yīng)用仍可能對環(huán)境產(chǎn)生一定影響。例如，微納米氣泡水中的氣體可能會影響大氣環(huán)境，微納米氣泡發(fā)生器的運(yùn)行也可能會產(chǎn)生一定的噪聲。因此，需要加強(qiáng)對微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中的環(huán)境影響研究，制定相應(yīng)的環(huán)保措施，促進(jìn)該技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

5結(jié)束語

微納米氣泡技術(shù)在蔬菜大棚種植中展現(xiàn)出了顯著的應(yīng)用效果和廣闊的發(fā)展前景。在應(yīng)用效果方面，該技術(shù)通過提高水肥利用效率、促進(jìn)光合作用、延緩蔬菜衰老、殺菌消毒和環(huán)保殺蟲等作用，顯著改善了蔬菜的生長狀況，提高了蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。在前景方面，微納米氣泡技術(shù)有望與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，朝著智能化應(yīng)用方向發(fā)展，如應(yīng)用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)和蔬菜生長狀態(tài)，建立智能控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)微納米氣泡水的噴灑量、噴灑時(shí)間和成分，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)種植，并使用移動設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。此外，微納米氣泡技術(shù)還將朝著多功能集成的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)與其他農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合，集增氧、消毒、施肥、灌溉等多功能于一體，降低設(shè)備成本和運(yùn)行成本，提高種植效益。

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