增氧灌溉技术研究进展浅谈

刘云 姜成名 龚来红 谢亨旺 高俊

摘要 作为一种高效的灌溉技术，增氧灌溉技术能提高作物的产量、提高水资源利用效率、提升作物品质，在农业领域应用广泛。增氧灌溉可以提高植物根际氧含量 ，增强作物根系呼吸作用，提高好氧型微生物的相对丰度，增强土壤肥力，改变土壤中的微生物结构。由于土壤环境的复杂性，不同作物间的差异性，农艺方式和增氧方式的不同，导致增氧灌溉技术效果差异较大。基于此，分析了目前国内外增氧灌溉技术的应用现状，尤其是在水稻种植领域的应用情况，探讨了后续增氧灌溉技术发展的路径，以期为增氧灌溉技术的应用提供参考。

关键字 增氧灌溉技术；节水增产；水肥利用；间歇灌溉

中图分类号：S275 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）04–0061-03

21世纪初，澳大利亚学者Surya P等，提出氧灌（oxygation）概念，即一种增加灌溉水中氧含量的新型灌溉技术，增氧灌溉对提高灌溉效率、增加作物产量、增强作物品质的效果显著。通过将空气和氧气注入灌溉水，提高水中的溶氧量，促进作物的生长。增氧灌溉可以改善土壤的通气性、增强土壤活性和增加微生物数量、降低土壤盐碱度，提升农作物的抗病性和抗逆性。研究表明，根系吸收和运输功能的发挥是作物增产的基础，增氧灌溉能促进作物的根系生长和根系对营养元素的吸收，提高水资源利用效率，促进作物生长，从而实现农产品增产、提质[1]。增氧灌溉能显著提高土壤中有机质、速效氮和速效钾的含量，同时还能通过对浅层土壤（距表土4～15 mm）的氧化作用减少水稻土中温室气体的排放[2]。增氧灌溉对土壤微生物群落的影响巨大，其能提高作物根际好氧型微生物的相对丰度，抑制具有发酵、硝酸盐呼吸作用、反硝化作用等群落功能，促进具有硝化作用、固氮作用等功能细菌的增殖，从而增强土壤肥力与土壤微生物间的动态互促[3-4]。

越来越多的研究人员认识到增氧灌溉对作物生长的促进作用，广泛关注作物的增产与水分利用率之间的关系，研究人员将更多的增氧灌溉技术引入农业种植。加强对农业增氧灌溉技术的研究和推广，提高农业生产的科学化和现代化水平，既要开发新的增氧灌溉技术，也要加强在农业生产中应用增氧灌溉技术，结合农业增氧灌溉技术，优化农业生产模式，提高农业生产的效益和可持续性。不同设备技术的增氧效果不同，针对经济高效、广泛推广的增氧灌溉技术的开发是研究重点，如射流式增氧装置、自压吸气增氧装置等。

1 增氧灌溉技术介绍

一直以来，国内外针对增氧灌溉的研究和应用较多，开发了一系列灌溉水增氧、水气耦合、水肥气一体化等设备，开展了大面积作物增氧灌溉示范应用，取得了较好的社会效益和生态效益。从赋氧方式来看，目前增氧灌溉技术主要包括机械增氧、化学溶氧、文丘里装置增氧。

（1）机械加氧。机械加氧主要是通过机械增氧设备使空气与水充分接触，加快氧气溶解入水体的速度，达到短时间内增加水中溶解氧的目的。目前，增氧器是机械增氧灌溉技术的核心部件。一些新型增氧器可以通过旋转、振荡等方式将氧气均匀地注入水中，从而提高灌溉水的氧气含量。此外，一些新型增氧器还可以同时注入氮气、二氧化碳等气体。较为常用的机械增氧设备有气泵，设备操作简单，使用较为普遍，缺点是需要消耗电能，前期电网架设投入较大。能源来源问题是机械增氧灌溉技术最大的难题。目前，一些研究者正在探索利用太阳能、风能等可再生能源来提供动力，降低能源消耗。同时，综合应用不同的增氧灌溉技术，增产效果更加明显。研究表明，机械加氧结合滴灌等新型灌溉方式能有效增加作物的产量，增加不定根与细根数量，显著增强作物根系活力[5]。

（2）化学溶氧。化学溶氧主要是通过化学增氧剂（通常为过氧化钙、双氧水）在遇水后发生化学反应释放氧气，从而增加水中溶解氧。该方式的优势在于投料以后无需继续投入人力、消耗能源。缺点是化学增氧剂遇水反应不可控，另外化学增氧剂一般具有强氧化性，其会抑制根际微生物和土壤酶活性，从而对作物会产生不良的影响。化学溶氧灌溉技术最早可以追溯到20世纪初的日本，主要是通过添加过氧化氢等氧化剂增加水中的溶解氧量，从而促进水稻的生长和发育。随着技术的不断发展，化学溶氧灌溉技术已经得到了大幅度的改进和提高，应用范围不断扩大。例如，可以通过添加氯化钙、过硫酸钠、臭氧等氧化剂或生物制剂增加水中的溶解氧量。新型化学增氧剂的开发和应用也在不断推进，如微生物发酵产生的增氧剂等。同时，在实际应用中，需要考虑新型化学增氧剂对土壤和水体的影响，采取适当的措施保护环境和生态系统。研究表明，H2O2增氧能显著增加西葫芦根部密度、大豆单株荚数、平均豆荚产量[6]。与此同时，H2O2处理的春小麦根部指标均显著降低，其气孔导度、蒸腾速率及净光合速率均无有利变化。

（3）文丘里设备增氧。文丘里设备增氧是利用文丘里原理将空气自动吸入水体中形成水气混合物，从而实现增氧效果。文丘里设备增氧灌溉技术最早可以追溯到20世纪80年代初，当时其主要被应用于改善鱼塘水质，随着技术的不断进步，也逐渐被应用于农业灌溉领域。近年来，随着越来越多的学者投入文丘里增氧灌溉技术的研究，该技术也得到不断的改进和提高，研制出一些新的增氧装置，如微气泡增氧器、纳米气泡增氧器等。这些新型装置能够更有效地提高水中的氧含量，并且减少能源的消耗。文丘里增氧设备能使水与空气接触更加充分，且不消耗能源，无需投入人力[7]。但其在水压较低时，灌水单次曝气量水比例不高，不能达到预期的良好效果，在实际应用中受到限制。李康勇等[8]根据文丘里原理自研的自压吸气增氧放水管对促进水稻生长和增产的效果明显。

（4）微纳米气泡增氧。微纳米气泡增氧是利用微小气泡将空气中的氧气溶解到液体中，以提高液体中溶解氧含量的技术。微纳米气泡增氧技术最初起源于日本，具有高效、节能、环保等优点，目前已经在世界范围内得以应用，被广泛应用于水产养殖、污水处理、饮用水净化等领域。增氧灌溉中的气泡大小对增氧灌溉效果的影响巨大。直径在1 μm以下的气泡被称为纳米气泡（Nanobubbles，NBs），其在水中的运动特性符合Stokes定律和H-R方程，即气泡上升的主要因素是气泡的直径和所处液体黏度，气泡直径越小，上升速度越慢，当φ≤100 nm时，气泡浮力可忽略不计，以布朗运动为主，在水中保存时间更久[9]。因此，气泡直径越小，气体在水中的溶解度越高，在水中赋氧的效果越好。越来越多的学者将NBs应用于农业生产灌溉，研究发现，相比传统的曝气灌溉，NBw灌溉在作物增產、提升品质和截污减排方面具有较大的优势。NBs灌溉比传统曝气灌溉使番茄产量提升23.0%；比传统H2O2增氧灌溉使烟草叶面积扩大12.3%，干重增加10.9%[10]。王逍遥等[11]用NBs灌溉处理甜瓜，不仅明显提高了甜瓜产量，其VC和SS还分别增加了25.3%和22.0%。NBs灌溉在田间化肥减量化上也有不少研究。施用同样量的化肥时，NBs灌溉处理水稻增产8%，水稻产量与传统种植一致，最多可减少25%的施肥量。

2 增氧灌溉技术的应用现状

增氧灌溉技术具有促进植物生长和提高作物产量的优势，目前，增氧灌溉已经在农业、园艺和景观设计等领域得到了广泛应用。增氧灌溉可以通过提高水利用效率和节约用水，减轻灌溉对水资源的压力。此外，增氧灌溉还可以提高农业生产的经济效益，增加农民的收入。增氧灌溉技术在旱作物等经济作物上已经得到广泛应用，对促进植株生长、作物育种，提高产量，提升作物品质具有显著效果[12-15]。

有研究表明，增氧灌溉与土壤溫室气体排放有关。陈慧等[16]研究发现，番茄种植土壤N2O排放量与灌溉模式有关，充分灌溉条件增氧与否不影响土壤N2O排放（P=0.078），在灌溉条件下土壤N2O排放与增氧灌溉与否显著相关（P<0.01）。雷宏军等[17]研究增氧灌溉对辣椒生长的影响，发现增氧灌溉辣椒平均增产18.18%（P＜0.05），VC含量和可溶性蛋白质含量分别平均增加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的范围内，含氧量越高，对改善盆栽平邑甜茶生长、根区土壤环境及土壤微生物结构的效果越明显。徐建新等[19]研究了文丘里射流增氧处理和化学增氧处理对冬小麦生长的影响，文丘里射流增氧处理与化学增氧处理使得根系总表面积和根长密度分别增加了44.18%和37.21%（P＜0.05）、21.13%和32.69%（P＜0.05）；光合速率分别增大了43.41%、26.37%（P＜0.05）；产量增大了36.27%和23.37%；秸秆生物量增大了23.57%和9.23%。徐欢欢[20]采用增氧灌溉处理不同生长阶段的秋黄瓜，试验表明，增氧灌溉在一定程度上有利于提高秋黄瓜叶片叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度，从而提高其产量。同时，并非每个时期都适用增氧处理，最有效的方法是进入初花期后进行增氧灌溉，这能有效地提高叶片水分利用率。

3 增氧灌溉技术在水稻种植中的应用

水稻不同于旱作物，在水稻种植过程中需要将水稻根系长期浸泡在水中。增氧灌溉技术在促进水中的氧化还原作用，降低水中有害物质含量，改善灌水水质；提高水稻根系的吸氧能力，促进水稻的根系发育和生长，提高水稻的产量和品质；增加土壤中有益菌的数量，有效减少水稻病虫害的发生等方面均有明显的效果。因此，增氧灌溉技术在水稻田拥有广阔的应用前景。

目前，国内外针对水稻增氧灌溉的研究越来越多。增氧灌溉对水稻具有明显的节水、增产和提升品质的效果，对促进水稻的生长，提高水肥利用效率具有显著的促进作用[20]。试验表明：增氧灌溉处理对寒地水稻秧苗的株高、最长根长、根数、根鲜重、根干重等特征指标有显著的影响[21-23]。增氧型复混肥能较长时间提高土壤通气性和土壤的氧化还原电位，有利于水稻吸收土壤养分，在提高水稻产量上明显优于单独增氧灌溉。刘学[24]研究表面，微气泡增氧灌溉能明显促进水稻分蘖的早发快长，形成较高的叶面积指数，能提高叶片的叶绿素含量，促进光合产物的形成和干物质积累，延缓叶片衰老，延长功能期；微气泡增氧灌溉结合水肥一体化，表现出在整个生育期水稻具有较大的生长优势和较强的光合生产能力。张立成等[25]研究指出不同加氧处理能够明显提高超级稻产量，白天机械加氧、夜间机械加氧、化学加氧3种不同加氧处理方式中的单株理论产量分别高于不加氧处理18.9%、20.66%、16.98%。

4 结论

（1）目前增氧方式各有利弊，机械增氧方式需要配套专用增氧设备且必须具备电源（或者自带动力）条件，且运行成本较大难以被农户接受。化学增氧技术由于常用的是过氧化钙，对土壤具有一定的破坏性，且难以解决运行成本的问题。文丘里设备虽然运行成本低，使用简便，但常常需要配合管道灌溉使用，对农田基础条件的要求较高。受成本和运行条件的限制，增氧灌溉技术难以实现大范围应用。增氧灌溉较传统的灌溉成本高、技术更为复杂，因而，开发出适应能力强、运行简便、投入和维护成本低的增氧设备具有巨大的应用前景。

（2）鉴于增氧灌溉能够显著提高水稻产量、水肥利用效率，增氧灌溉与水肥一体化技术具有巨大的应用潜力。将增氧灌溉技术与间歇灌溉等节水农艺相结合，既能发挥出农艺节水的优势，又可以提高增氧灌溉效率，是节水增产的新思路，同时要关注多维度技术协同作用的节水增产模式。

（3）要加强对先进农业增氧灌溉技术的研发和示范推广。同时，需要加强政策支持和宣传教育，引导农民逐步应用增氧灌溉技术，提高农业生产的效益和可持续性。

参考文献

[1] 李桂元，徐幸仪，李康勇，等.自压吸气增氧灌溉放水管的研制[J].节水灌溉， 2021（3）：58-63.

[2] 臧明，雷宏军，潘红卫，等.增氧地下滴灌改善土壤通气性促进番茄生长[J].农业工程学报，2018，34（23）：109-118.

[3] 陈涛，姚帮松，肖卫华，等.增氧灌溉对马铃薯产量及水分利用效率的影响[J].中国农村水利水电，2013（8）：70-72.

[4] 张文萍，姚帮松，肖卫华，等.增氧滴灌对烟草根系发育状况的影响研究[J].现代农业科技，2012（23）：9-11.

[5] 胡德勇，姚帮松，Su NH，等.增氧灌溉对秋黄瓜根系生长的影响[J].西北农业学报，2016，25（8）：1224-1228.

[6] 刘鑫，刘智远，雷宏军，等.不同增氧灌溉方式春小麦生长及产量比较[J].排灌机械工程学报，2017，35（9）：813-819.

[7] 张伟，刘少东，张钰婷，等.增氧灌溉技术研究现状与进展[J].现代化农业， 2019（7）：69-72.

[8] 李康勇，李桂元，徐义军，等.自压吸气增氧灌溉对水稻生长及产量的影响[J].安徽农业科学，2021，49（1）：207-209.

[9] 张敏敏，刘孟君，李娜，等.体相纳米气泡及其研究进展[J].净水技术，2021，40 （2）：24-36，41.

[10] 肖卫华，姚帮松，张文萍，等.加氧灌溉对烟草生长影响规律的研究[J].中国农村水利水电，2014（2）：30-32.

[11] 王逍遥，王天泽，周云鹏，等.微纳米气泡水滴灌对设施甜瓜产量、品质及灌溉水利用效率的影响[J].灌溉排水学报，2021，40（1）：38-46.

[12] 李元.加气灌溉对大棚甜瓜和番茄生长的影响及其机理研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2016.

[13] 熊元基，姚帮松，Su NH，等.不同加氧处理对超级稻种子萌发和幼苗农艺性状的影响[J].江西农业大学学报， 2014，36（2）：256-260.

[14] 才硕，时红，潘晓华，等.微纳米气泡增氧灌溉对双季稻需水特性及产量的影响[J].节水灌溉，2017（2）：12-15.

[15] 谢东.增氧灌溉对超级稻根际土壤微生物的影响[D].长沙：湖南农业大学，2014.

[16] 陈慧，侯会静，蔡焕杰，等.加气灌溉温室番茄地土壤N2O排放特征[J].农业工程学报，2016，32（3）：111-117.

[17] 雷宏军，孙克平，张振华，等.温室辣椒生长和氮素吸收对增氧滴灌的响应[J].干旱地区农业研究，2021，39（3）：33-41.

[18] 尹伊君，毛云飞，杨露，等.增氧灌溉对平邑甜茶生长及根区土壤的影响[J].林业科学，2021，57（10）：59-70.

[19] 徐建新，臧明，雷宏军，等.增氧灌溉对盆栽冬小麦生长及土壤通气性的影响[J].干旱地区农业研究，2019，37（4）：16-25.

[20] 徐欢欢.增氧灌溉对大棚秋黄瓜生长的影响[D].长沙：湖南农业大学，2012.

[21] 才硕.微纳米气泡增氧灌溉技术在水稻灌区节水减排中的应用研究[J].节水灌溉，2016（9）：117-120，128.

[22] 姜薇，王峥，刘少东，等.增氧灌溉对寒地水稻秧苗素质的影响研究[J].农业开发与装备，2021（3）：152-154.

[23] 侯俊，徐洲，张丁月，等.增氧型复混肥提高土壤氧化还原电位促进水稻养分吸收[J].植物营养与肥料学报， 2020，26（8）：1546-1555.

[24] 刘学.不同氧供给处理对水稻生育特性与产量形成的影响[D].北京：中国农业科学院，2009.

[25] 张立成，姚帮松，肖卫华，等.加氧灌溉对超级稻“深优9516”生长及产量因素的影响研究[J].江西农业大学学报， 2015，37（3）：392-397.

责任编辑：黄艳飞

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 江西省水利厅科技项目“基于赣抚平原干渠的人工渠道水质水动力模型研究项目”（202223YBKT36）；江西省水利厅重点项目“机械化水稻穴直播湿润灌溉技术集成与示范”（201922zdkt07）。

作者简介 刘云（1979—），女，助理工程师，主要从事农田水利工程研究。*通信作者：姜成名（1989—），男，工程师，E-mail：jiang20230313@163.com。