增氧灌溉技术研究现状与智能化发展趋势分析

　　摘 要: 增氧灌溉技术在改善土壤环境和提高作物产量等方面具有巨大的潜力和应用前景,是未来绿色农业、循环农业发展的大势所趋。 为此,总结了不同土壤增氧方式及设备的发展现状,系统论述了增氧灌溉技术目前的应用现状,深入分析了增氧灌溉技术在改善土壤环境及作物生长等方面取得的成效和存在的问题,并提出多元化增氧灌溉技术与智能化精准增氧技术将是未来发展的重点。 最后,提出未来应着重于研究多元化增氧灌溉技术的发展、提高增氧灌溉技术生产效率及建立田间智能化增氧调控系统,以此作为未来增氧灌溉技术发展的参考。

　　关键词: 增氧灌溉; 技术体系; 多元化发展; 智能调控

　　0 引言

　　水资源已经成为制约农业生产和国民经济发展的瓶颈[1 - 2],面对农业灌溉用水与工业、生活、环境用水竞争日趋紧张的现状,为提高水资源利用率,地下滴灌技术已在干旱和半干旱地区得到广泛应用[ 3 ]。 地下滴灌技术将液体肥料与水分混合后直接输送到作物根部,可以更加精准地为作物根系提供水分及养分,减少化肥流失造成的环境污染。 管道埋设在地表以下,还可以减少地表水分的无效蒸发,且地表干燥可减少杂草的生长。 因在进行地下滴灌时,在土壤水分湿润锋线区域,土壤氧气含量降低[ 4 ],无法满足作物根系呼吸所需要的 O2 含量,土壤缺氧会造成作物气孔关 闭、 叶 水 势 降 低, 影 响 作 物 正 常 的 生 理 功能[ 5 - 6 ],成为农作物高产的主要限制条件。

　　“增氧灌溉技术”是在地下滴灌的基础上[ 7 ],利用空气泵或者罗茨风机等通风装置向作物根部土壤增加空气,或者采用文丘里装置将空气以微气泡的形式掺入灌溉水中,以此提高土壤环境中 O2 含量,缓解作物根部的缺氧症状[ 8-10 ],改善作物根际土壤微环境和土壤酶活性,维持作物根系正常的新陈代谢和呼吸功能,提高作物的产量与品质[1 1 ]。为此,笔者对土壤增氧方式、增氧灌溉技术对土壤环境、根系生长及作物产量、品质的作用机理进行系统分析,并提出未来应进一步发展多元化增氧灌溉技术、再生水增氧灌溉及智能调控增氧灌溉技术,为进一步提高农业用水效率、优化农业灌溉技术及促进农业可持续发展的奠定理论基础。

　　1 不同增氧灌溉方式应用现状

　　国外增氧灌溉技术始于 20 世纪 70 年代末,我国在增氧灌溉技术综合利用方面起步较晚,目前对作物根区土壤进行增氧的方法主要分为工程法、作物法、化学法及物理法。

　　1. 1 工程法

　　工程法是指利用农业水土技术、农业工程技术等措施,改变了土壤微观结构。 由于土壤孔隙度得到了改善,大气与土壤气体扩散性能得到增强,提高土壤通气性[1 2 ]。1980 年,Kurtz 及 Kneebone 通过刺穿土壤剖面或移除小块土壤,增加了土壤总孔隙空间,提高了土壤根系与大气的气体交换能力,但该方法下的土壤孔隙持续时间较短,且操作时容易损伤作物根系。 1997年,苏格兰公司研发一种作物根系通气盆,通过在花盆侧壁进行打孔,促进大气与花盆内土体的气体交换,提高了土壤中 O2 含量[1 3 ],以达到提高作物产量的目的,但对花盆侧壁打孔较费工,应用成本高。

　　20世纪初,逐渐发展一些土壤疏散物质,如聚乙烯、石膏、蛭石、堆肥、有机覆盖物、岩石和珍珠岩等合成材料来增加土壤孔隙度, 保持土壤通气性。 1999 年,Brandsma 利用聚乙烯加入土壤内部,由于土壤絮凝化成分含有离子胶合体,可以改变土壤颗粒的电荷聚集。 在此基础上,Wild 进行棉花种植试验时,通过将石膏深埋,因土壤溶液中的碳酸钠和重碳酸钠作用,生成易溶于水的硫酸钠,消除耕层土壤的碱性,提高土壤孔隙度,对棉花产量的提高有一定促进作用[1 4 ]。2003 年,孙周平等在马铃薯种植前,通过在土壤底部埋设一个拱形网,拱形网下端为空气层通过空气渗透到作物根系周围;但槽栽法需要进行土体改造,费时费工,劳动强度大,难以进行大面积的推广应用。后期,通过工程技术措施建立地下滴灌排水系统,在灌溉、降雨后及时排水,通过改变土壤的固、液、气三相比例来改善土壤结构,用以提高作物根区土壤O2 含量。

　　1. 2 作物法不同

　　作物类型和相同作物类型下的不同品种之间,对根区缺氧的适应能力存在明显的差异性[1 5 ]。探索适应低氧条件的作物基因型是提高缺氧土壤生产力的方法之一。 有研究表明,西红柿幼苗与水稻幼苗同时进行营养液栽培,水稻幼苗的根系会缓慢释放O2 进入营养液,西红柿幼苗通过吸收 O2 来改善自身生长状态;但是,在土壤中是否会有类似的现象还未可知。

　　1. 3 化学法

　　化学法是将一些含氧化合物按一定比例加入土壤中,通过含氧化合物在土壤中分解产生 O2 ,进而达到提高土壤 O2 含量的目的,国内外学者对化学法在田间应用做了大量研究。常见的含氧化合物主要包括过氧化钙(CaO2 )、过氧化 钠 ( Na2O2 )、 过 氧 化 镁 ( MgO2 ) 及 过 氧 化 氢(H2O2 )等。 其中,CaO2 具有成本低和效果好的特点,与水反应缓慢释放氧气,与土壤混合使用一次,土壤一周内都可以维持较高的 O2 含量,缓解作物根系低氧胁迫,同时释放热量以提高土壤温度( BICONET,1972)。 1980 年,Herr 利用 CaO2 为土壤提供氧气,但收效甚微。

　　这是由于土壤对 O2 的需求量较大,而这些化合物只能提供少量而短暂的 O2 供应,且作用部位有限,持续时间较短[1 6 ]。在田间农业生产应用中,将低浓度的过氧化氢(H2O2 )溶液与灌溉用水混合,来达到提高作物根区土壤的 O2 含量的目的。 1982 年,Hodgson and Chan 通过地下 滴 灌 技 术, 在 每 次 灌 水 结 束 后 注 入 过 氧 化 氢(H2O2 )25min,与普通地下滴灌相比,西葫芦的产量提高了 25%,这是通过地下滴灌向作物根区加入过氧化氢(H2O2 )第一个发表的成功研究。过氧化氢(H2O2 )针对不同作物、不同类型的土壤上的应用效果也表现出大的差异性。

　　在重粘土、盐渍土等障碍性土壤中,实施根区增氧后效果更明显。 相反,过氧化氢无限地溶于水,可能使溶解氧浓度达到1000×10-6,但在高温下对微生物有毒。 因此,过氧化氢(H2O2 ) 必须以足以达到通气目的的低浓度引入(Raifai 和 Newell,1994)。 由过氧化氢对土壤微生物的影响的初步评估表明:以 0. 001%的溶液进行增氧,在蔬菜大豆作物灌溉期间连续施用不会对可测量的土壤细菌数量产生负面影响,但未评估微生物组之间的差异性影响没有进行研究。在化学增氧方法中,过氧化氢(H2O2 )的氧化效果更好,使用方便,但由于过氧化氢(H2O2 )易于分解,导致在应用时局限性较强。 过氧化氢(H2O2 ) 本身具有强氧化性,对作物生长及土壤是否有消极影响还未可知,所以,该技术无法进行大面积使用,需要对过氧化氢(H2O2 )的含量、加入时间和方法及对土壤健康的影响进行试验研究。

　　1. 4 物理法物理增氧法,又称为机械增氧法,是在地下滴灌的基础上,利用加气设备将水分和气体直接输送至作物根部,是一种最直接的土壤增氧方式,主要分为水氧分离与水氧结合两种方式。

　　1. 4. 1 水氧分离法水氧分离法,是在地下滴灌的基础上,结合土壤通气技术,利用空气压缩机向管内通气,达到提高土壤 O2 含量的目的。国外最早对土壤进行物理增氧是在 1949 年,Melsted S W 通过空气压缩机将空气直接加压进入根区土壤中,类似于对土壤进行“ 强制通风”。 试验结果表明:通过对土壤进行“强制通风”,可以提高土壤通气性,改善土壤环境。 后期,利用空气压缩机向土壤中埋设的穿孔软管注入空气,达到提高土壤 O2 含量的目的,这也是现在物理增氧灌溉技术的雏形,利用这种措施,每天向土壤中通气 1h,番茄产量较不通气处理提高 24%,还可以改善作物品质[1 8 ]。

　　水稻生育过程中仅靠水中的 O2 无法满足自身生长、代谢等生命活动,通过提高水稻生长环境中 O2 含量,可以提高水稻光合产物的转化,使水稻根系生长旺盛。 后期西北农林科技大学郭超、朱艳、温改娟及李元等利用空气压缩机对温室番茄、甜瓜及盆栽玉米进行增氧灌溉,结果表明:增氧灌溉条件下可以改善土壤环境,提高土壤通气性,土壤微生物活性提高,作物光合速率、蒸腾速率及气孔导度都有所提高,土壤有机质分解彻底,促进作物根系对土壤养分的吸收,提高作物干物质积累。 利用该方法进行大田试验,田间气体传输稳定,氧气在管道中分布均匀度高,灌水后进行加气处理还可以提高土壤水分分布均匀度,有利于提高水分利用效率[1 9 ]。水氧分离法是目前田间试验较为常用的一种土壤增氧方式,且在地下滴灌系统的基础上增加气泵等土壤通气装置,使用方便,运行成本较低,适宜田间大面积使用。

　　1. 4. 2 水氧结合法

　　水氧结合法又称微泡法,是一种新的农业灌溉技术,于 2000 年在美国开始使用。 基本原理:利用文丘里管注射器将空气直接吸入水流中,提高水中溶解氧,O2 以气泡的形式存在于灌溉水中,补充了作物生长消耗的氧气,用于土壤和无土栽培系统的根部和微生物呼吸。 目前,水氧结合法主要包括 Seair 系统纯氧曝气、射流振荡器曝气及文丘里注射器曝气 3 种方式[ 20 ]。 Seair 系统纯氧曝气和射流振荡器曝气装置,在使用过程中,稳定性较差,曝气产生的气泡较大,聚集在管道顶部导致出气不均匀,导致水中溶氧量较低,生产效率低,不适合大范围推广应用。

　　目前,国外多使用 Mazzei 文丘里注射器进行水体增氧,不会出现气泡聚集、出气不均匀等情况,溶氧效率高,同时能保持管道内流体运动及压力的平稳。对水氧结合灌溉模式下的技术参数进行试验发现,水氧结合下的作物增产效益随着管道长度的增加而降低,这种衰变效应主要是由于水中溶解氧含量随着管道的增加而逐渐降低。 所以,使用水氧结合的方式需要对水中溶解氧的变化规律进行研究,以保证水氧结合方式下效益最大化。近年来,水氧结合法又取得了新的进展,利用微纳米曝气装置,将空气压缩成纳米级气泡注入灌溉水中,提高了水中溶解氧含量,产生的含氧微气泡较小,气泡中含氧量较高,在管道中扩散均匀,在管道中留存时间较长。 目前,微纳米气泡技术多用于污水处理技术中,但相关研究目前尚处于初步阶段,且器材较为昂贵,大面积推广还有一定难度。

　　2 增氧灌溉技术研究现状

　　当灌溉不当造成土壤根部积存过多水分时,会对土壤环境及作物生长产生不利影响。 增氧灌溉技术可以缓解由于灌溉、降雨及农业操作对土壤造成的低氧胁迫,改善土壤环境及作物生长,提高作物产量和品质。 随着增氧灌溉技术优势的凸显,增氧灌溉技术在各个地区及不同作物均进行了应用研究。

　　2. 1 增氧灌溉技术对土壤环境的影响

　　2. 1. 1 改善土壤通气性

　　土壤通气通过土壤的肥力,进而影响农作物的生长。 土壤通气性较差,土壤氧气可利用性低,O2 的扩散、底物的运输、根系的生长、CO2 的排放等都有可能被影响,进而成为土壤呼吸的限制因素。 只有在通气良好的土壤中,气体交换才能顺利进行,过量的 CO2和 N2O 才能顺利排放。 土壤呼吸强度、土壤氧扩散速率和土壤通气速率通常用于指示土壤通气状态。土壤呼吸是在消耗氧气的同时向大气中释放 CO2的过程,而由此造成的气体含量梯度是气体扩散的驱动力。 因此,当土壤通气不良时,土壤呼吸(产生二氧化碳的过程) 将受到限制,土壤中的二氧化碳含量将急剧增加。 土壤呼吸速率随土壤含氧量的增加而增加,与对照试验相比,增氧灌溉下土壤呼吸速率和土壤含氧量显著增加[ 22 ]。氧气扩散速率( oxygen diffusion rate,ODR)作为衡量土壤通气性最有效的指标之一,用来反映原位土壤中氧气的供应状况[ 23 ]。 2020 年,臧明采用增氧灌溉对冬小麦作物根区土壤氧气扩散速率影响进行试验研究,结果表明:提高土壤 O2 含量, 可以增强土壤ODR,改善温室番茄产量。

　　2. 1. 2 提高土壤酶和微生物活性

　　土壤微生物分解植物残留物以产生土壤酶,在土壤酶和土壤微生物的共同作用下,完成了土壤有机质的代谢分解,氮的转化和养分的合成。 Davies 等在研究中指出,土壤通气性降低,阻碍空气与土壤气体的交换,土壤处于缺氧状态,会降低作物对土壤养分的主动吸收。 例如,随着 O2 含量的减少,氮、磷、钾、钙和镁的吸收率会降低(McLaren 和 Cameron,1986),因为无氧呼吸提供的 ATP 不足以提供能量来满足矿物质吸收的需求(Barrett-Lennard,2003 年)。 随着 O2 含量的增加,土壤酶、微生物的活性和繁殖能力增强。Balota( 2004) 及 Emilssona ( 2007) 等研究认为[ 25 ],提高作物根际土壤 O2 含量,蔗糖酶和脱氢酶等土壤主要酶均有显著提高。 有机质在土壤中的分解迅速,及时补充土壤中的矿物质资源,促进了作物根系对土壤水分和养分的有效吸收。 2013 年,谢冬等人通过试验研究表明,增氧灌溉技术可以增加根际微生物的活性,提高根际微生物的分解能力,为作物生长提供良好的土壤环境。

　　2. 1. 3 提升土壤肥力

　　缺氧条件会抑制养分向根部运输,限制了根系满足芽的矿物质和水分需求的能力(Samad et al,2001)。缺氧引起的根系水力传导率降低与木质部血管的阻塞和轴向水的受限有关。 在缺氧的土壤中,韧皮部在厌氧根中的卸载停止,并且阻碍了代谢物和生长调节剂在根与芽之间的运输(McKersie and Hunt,1987);缺氧也增加根部的水力阻力,减少了水和矿物质从根部通过木质部到枝条的运输(Steudle,2000 年)。 众所周知,由于根细胞膜的半透性不完全,厌氧条件下的水分和矿物质吸收较差( Gibbs 和 Greenway,2003 年),根部通道蛋白的抗性增加或密度降低,根系对水的电导率降低,溶解氧或土壤中氧的扩散速率降至临界值以下,农作物可直接利用的矿质元素含量不足,农作物吸收土壤养分积累能力下降[ 26 ],造成作物根向地上部运输能力下降[ 27 ],限制了土壤肥效的充分发挥,导致植物营养缺乏,是使植物老化加快及水肥流失的直接原因。

　　土壤氧气含量的升高,加速了土壤微生物和有机物的分解,释放出有机碳,促进了土壤的内部化学循环,减少了农作物对化肥的依赖。 李天来等的研究也证明,有氧灌溉技术显著增加了基质中有效养分的含量,碱水解氮比对照组增加了 12. 5%,速效磷比对照提高 12. 02%,作物积累量提高。通气不良会导致根系生长受限,导致无法充分利用作物上的氮素( Heuberger 等,2001)。 缺氧根际中氮的损失发生在反硝化作用和浸出过程中 ( Focht,1992),如果根区周围的空气改善,将对氮素利用效率及农作物的生长和产量产生直接的积极影响。 在一项对植物汁液硝酸盐进行定量研究的研究中( Heuberger 等,2001),存在通气增加硝酸盐浓度的趋势。同样,对于增氧灌溉条件下的番茄种植,叶柄汁液中的硝酸盐氮含量提高了 13% ( Bhattarai,2005)。 2003年,陆景陵等指出,当土壤处于缺氧状态时,NO2 和 N2经过反硝化作用散失到空气中致使大量 N 素流失。

　　2019 年,杨宏军等人通过微泡曝气方法,以温室番茄为试验材料研究了增氧灌溉对土壤 N2O 排放的影响,结果表明:土壤 NO3-、NH4+、充气孔隙度、氧扩散速率和土壤温度是驱动土壤 N2O 排放的重要因素[ 29 ],且土壤 O2 含量直接影响充气孔隙度与氧气扩散率。 增氧灌溉技术可以弥补常规灌溉引起的土壤 O2 逸出。土壤 O2 含量的增加促进了硝化作用的发生,并增加了 N2O 的产生。有机磷是作物生长的重要磷源,但不能被作物直接吸收,大多数活磷需要被矿化为无机磷被根系吸收、转化。 提高土壤 O2 含量可以提高土壤微生物活性,进而提高土壤有机质转化,增强矿化速率,土壤磷可以转化为更多有效磷被作物吸收利用,为农作物提供更有效的磷源。

　　2. 2 增氧灌溉技术对作物生长的影响

　　2. 2. 1 增强作物生理特性

　　由于根系呼吸不良会减少水分和养分的吸收,且土壤中的化学变化会产生限制整个植物生长的毒素(Fernhout 和 Kurtz,1999 年),土壤通气性差对植物生长的影响远大于对根系生长的影响。 增氧灌溉技术可以显著提高土壤 O2 含量、土壤呼吸速率、光合速率及蒸腾速率。 增氧灌溉后土壤中 O2 含量明显高于普通地下滴灌,且灌水期间普通地下滴灌 O2 含量降低45%,增氧灌溉仅降低 25%。

　　后期,鹰嘴豆试验中也得到类似结论(Bhattarai,2008)。通过对温室番茄进行增氧灌溉试验研究,与对照试验相比,土壤呼吸速率增大了 33. 16%[ 30 ]。 2020年,孙燕等探讨了水培条件下微咸水溶解氧浓度对小白菜光响应特征及产量的影响,土壤缺氧的主要表现为气孔导度和吸水率降低,导致冠层蒸腾作用减少,增氧处理有利于增强小白菜的耐荫性和忍受强高光的能力,促进了饱和土壤条件下的冠层水分吸收,植株生理活性提高,光合效率增强,有利于作物高产。研究表明,长期淹灌降低了水稻根际溶解氧含量,从而影响水稻的根际生长环境,水稻的产量并不随着灌溉用水量增加而增加,适当进行水分调控可以实现高产与节水相统一。 2008 年,张荣萍等研究表明,在水稻生长过程中提高水稻生长环境中的 O2 含量,可以增强水稻各项生理指标,提高水稻干物质的转化与积累,最终提高水稻产量。

　　3 增氧灌溉技术未来发展趋势

　　3. 1 多元化增氧灌溉技术的发展多元化增氧灌溉技术可将化肥、植物生长调节剂及杀虫剂等农用化学品随着增氧灌溉水输送至作物根部土壤,实现农业投入物的效益最大化,节省能源、成本和时间,减少化肥及杀虫剂等农用化学品的使用,并最大程度地降低浪费和污染。 增氧灌溉技术的多元化将大幅度提高地下滴灌系统的生产效率。多种农业投入物的混合运输可以提高农业生产效率,土壤 O2 是决定土壤肥力的重要因素之一。 因此,有必要在灌溉和灌溉后保持土壤中高的 O2 含量,以增加作物根系的需氧呼吸,驱动作物根系积极吸收养分和水分(Barrett-Lennard,2003 年)。 在土壤缺氧或低氧条件下,由于作物根部区域的氧气供应量低,肥料和农用化学品等投入品的有效性会降低,(Bhattarai等人,2006)。 作物养分特别是 N、Mn、Fe、Ca 的吸收最易受到 O2 胁迫的影响(Morard 等,2004)。 低氧环境下作物根系对 Ca 的吸收减少,导致番茄开花期腐烂(Bhattarai 等人,2005 年)和胡萝卜腔斑点的快速发育(一种胡萝卜低氧根环境中的病理学问题) ( Hiltunen 和 White,2002 年),在增氧灌溉的同时为作物输送植物养分、生长调节剂及杀虫剂等农用化学,通过改变土壤 O2 含量来调节作物生理、病理和生化过程以达到提高农业生产的目的。

　　3. 2 作物动态需氧模型的建立土壤是一个开放的耗散系统,随时与外界交换物质和能量,且土壤中的空气不断在土壤中运动,并不断与大气交换。 在土壤空气中,CO2 的浓度高于大气的浓度,而 O2 的浓度低于大气的浓度,这会分别产生CO2 和 O2 的分压差。 由于分压梯度的存在,促进了土壤与大气之间的气体交换。 从大气到土壤空气,大气和土壤气体的传递过程是维持土壤 O2 含量的主要途径。 影响土壤 O2 含量的主要因素有大气因素(包括大气温湿度、大气压力、光照强度及风速等),土壤性质及农业管理措施等,由于外界环境的不断变化,导致土壤 O2 含量处于动态变化中。

　　3. 3 智能化增氧灌溉系统的研究

　　目前,我国已经建立了比较完善的农业监测系统,可以实现对农田资源信息的动态监测。 同时,建立了农业大数据中心及农业数据的收集、共享、分析和使用方法,并在信息获取、参数反演、模型构建和准确性验证等方面开发了一系列信息技术。 农业生产历史数据和实时监测数据的综合分析,提高了对作物种植面积、生产进度、农产品质量、天气情况、气候条件、灾害程度和土壤环境的关联监测能力,可支持农业生产的智能化和农业环境的准确监测,从源头提高农业生产效率。 随着增氧灌溉技术的不断发展,生产及规模化的逐渐扩大,其控制过程也向自动化和智能化转变,在线监测土壤环境参数是自动控制的前提和基础。 但是,目前市面上土壤氧气传感器空缺,难以在线实时测量,传统方法是利用土壤氧气测定仪埋进土壤需要测量的位置进行检测,测量时扰动土壤,存在很大的测量误差,测量数值具有滞后性,无法及时对土壤进行气体补偿,难以在农业生产过程中大规模推广和发挥作用。

　　4 结论

　　1)通过结合多种农业耕作技术改善对现有滴灌系统的管理,将增氧灌溉技术与其他农用化学品精确配合使用,提高肥料和化学品的利用效率,减少传统施肥和其他农业措施的潜在污染,提高了农业生产率,促进了农业可持续发展。2)建立作物生长过程中动态耗氧量模型及土壤氧气和大气之间的氧气传输过程,分析土壤氧气在作物不同时期的衰减规律,基于人工神经网络预测土壤氧含量与作物需氧量之间的偏差,为田间增氧智能化调控系统的建立提供理论基础。3)建立田间增氧智能化调控系统,构建田间农业信息、图像知识储藏知识库,并建立土壤氧气智能决策系统,实现对田间水分、养分及氧气的自动补偿机制,降低了增氧灌溉系统的运行成本,促进了我国农业生产灌溉技术的智能发展。

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　　作者：温昊阳1, 于珍珍1, 汪 春1, 张冬梅1,2, 王宏轩1, 邹华芬