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

才 硕

(1.江西省灌溉试验中心站，江西省农业高效节水与面源污染防治重点实验室，南昌 330201；2.江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，南昌 330045)

水稻是我国最重要的粮食作物之一，年种植面积达3 000 万hm2，也是耗水量最大、耗肥最多的粮食作物。据统计，全国农业用水量占总用水量70%以上，而水稻用水量就占农业用水量65%[1]。水稻传统的水肥管理方式灌溉用水量大，灌溉定额达9 000 m3/hm2，灌溉水的水分生产率为1 kg/m3左右[2]，氮肥利用率仅为30%～35%，由此引发了严重的农业面源污染和水体富营养化问题[3-5]。在我国南方大部分水稻灌区，水稻种植主要采用淹水灌溉方式，加重了稻田养分通过径流和渗漏损失，加剧了地表水和地下水环境污染[6]。此外，长期处于淹水状态的稻田，空气很难通过水层进入到土壤中，加之水稻根系及土壤微生物的呼吸作用消耗了大量氧气，导致土壤中的氧浓度极低，引起土壤Fe2+和其他有害物质的积累，不利于水稻的生长。目前，传统粗放的水稻灌溉管理方式，是我国南方地区开展节水减排工作的重点与难点。因此，迫切需要创新节水防污技术，加大水生态治理措施，减轻水稻灌区农业面源污染对生态环境的危害。

微纳米气泡增氧灌溉是利用微纳米气泡发生装置对灌溉水体进行曝气增氧，采用迅速提高灌溉水体的溶解氧含量的措施来优化作物根域水气状况，从而促进作物生长发育，实现增产增收的一种新型灌溉技术。微纳米气泡具有气液比表面积大、气泡尺度下、吸附效率高、在水中停留时间长等独特特性。目前，国内外关于微纳米气泡增氧灌溉的研究相对较少。朱练峰等[7]研究了增氧灌溉对水稻生理特性和后期衰老的影响，结果表明，超微气泡水增氧灌溉能提高水稻叶片光合能力，延缓生育后期水稻根系和叶片衰老，促进水稻籽粒灌浆结实，明显促进水稻生长并显著提高水稻产量。刘学等[8]研究超微气泡增氧灌溉对水稻生育特性及产量的影响，结果表明，超微气泡增氧灌溉改善了稻田土壤通透性，促进根系发育和对水分、养分的吸收，促使水稻茎蘖早发，叶面积指数增大，干物质积累增多。才硕等[9]在关于微纳米气泡增氧灌溉技术对双季稻需水特性和产量影响的研究中表明，微纳米气泡增氧灌溉明显提高了双季稻有效穗数、总粒数及结实率，从而显著增加了水稻产量。已有的研究主要集中在微纳米气泡增氧灌溉对水稻生理特性的影响，而在减少稻田氮磷流失方面还有待深入研究。本研究通过引进离式螺旋微气泡泵，将微纳米气泡增氧灌溉技术应用在灌区水稻生产中，深入研究微纳米气泡增氧灌溉对双季早、晚稻地表径流及氮磷排放的影响，探讨微纳米增氧灌溉技术在水稻灌区节水减排中的应用效果，以期为保障南方地区水资源可持续利用与经济社会可持续发展提供坚实支撑。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本试验于2014年在江西省灌溉试验中心站试验研究基地(116°00′E，28°26′N)水稻试区进行，试验基地位于鄱阳湖流域赣抚平原灌区二干渠中游右岸，坐落在江西省南昌市南昌县向塘镇高田村，属亚热带季风气候区，气候温和，日照充足，雨量充沛，适合多种农作物生长。赣抚平原灌区年平均气温17.5 ℃，年平均日照1 720.8 h，年平均蒸发量1 139 mm，年平均降雨量1 747 mm。2014年降雨量为1 535.0 mm，早稻季降雨量为715.4 mm，晚稻季降雨量为195.4 mm。试验田土壤为冲积性黄泥土，0～20 cm土层土壤有机质含量22.85 g/kg，全氮含量1.42 g/kg，全磷含量0.31 g/kg，碱解氮含量100.98 mg/kg，速效磷含量6.18 mg/kg，速效钾含量78.92 mg/kg，pH值5.87。

1.2 试验材料

(1)试验装置 微纳米气泡发生装置采用离式螺旋微气泡泵，型号为XPK-0.75，配有压力表和空气流量计(量程范围100～1 000 mL/min，20 ℃，101 325 Pa)，主要技术参数见表1。

表1 离式螺旋微气泡泵主要技术参数Tab.1 The main technical parameters of off type spiral micro bubble pump

(2)种植管理 双季早、晚稻供试品种分别为陆两优996和天优华占。早稻于3月24日播种，4月20日手工移栽，栽插行株距为23.3 cm×13.3 cm，每穴3苗，7月13日收割；晚稻于6月24日播种，7月21日手工移栽，栽插行株距为26.6 cm×13.3 cm，每穴2苗，10月20日收割。

1.3 试验设计

试验采用单因素设计，设2个灌溉处理：常规灌溉处理(W0)和微纳米气泡增氧灌溉处理(W1)，重复3次，6个小区，小区面积23.85 m2。各处理肥料运筹方式相同，早、晚稻全生育期氮肥用量为180 kg/hm2，施肥方式为基肥∶分蘖肥∶孕穗肥=5∶3∶2；磷肥施用标准为67.5 kg/hm2(以P2O5计)，全部作基肥施用；钾肥施用标准为150 kg/hm2(以K2O计)，钾肥按基肥∶穗肥=9∶11比例施用。小区之间作30 cm田埂，并用塑料薄膜包封，防止漏水串肥。小区周围设置保护行，消除边际效应。田间管理和病虫害防治措施一致。

1.4 测定项目与方法

(1)测定项目。田间观测项目包括降雨量、灌溉量、排水量、产量。降雨量由江西省灌溉试验中心站试验研究基地气象站获得；灌水量由安装在田间输水管道上的水表计量得出；通过观测稻田排水前后的田面水位差换算得出排水量；产量测定方法参照《灌溉试验规范》(SL13-2015)。

室内测定项目包括总氮和总磷。在降雨田面排水时，取排水水样，测定地表径流中氮、磷含量。总氮含量用碱性过硫酸钾消解+紫外分光光度法(GB11894-89)测定，总磷含量用钼酸铵分光光度法(GB-11893-89)测定。

(2)计算公式。

灌溉水利用效率(kg/m3)=稻谷产量/灌溉用水量；

降雨利用率(%)=(降雨量-排水量)/降雨量×100%。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel2003软件处理数据与制图，运用DPS7.05软件对数据进行统计检验和方差分析。

2 结果与分析

2.1 微纳米气泡增氧曝气对水体氮磷浓度的净化效果

图1 微纳米气泡增氧曝气技术对水体氮磷含量的影响Fig.1 Effects of micro-nano bubble aerated technique on nitrogen and phosphorus in water

图1表明，利用离式螺旋微气泡泵对水体进行持续曝气，可使水体中氮磷物质浓度随时间发生不同程度变化。在初始状态下，水中总氮、总磷、氨氮、硝氮的含量分别为13.70、2.93、11.1、2.48 mg/L，随着时间的后移总氮、总磷、氨氮浓度均呈现出先降低后升高的趋势。增氧3.2 h后，总氮含量下降为13.08 mg/L，去除率达4.53%；增氧4.6 h后，总磷含量下降为2.75 mg/L，去除率达6.14%；增氧2.4h后，水体中的氨氮含量几乎为0。水体中硝氮含量随增氧时间增加而逐渐升高，可能是由于长期曝气形成富氧环境抑制反硝化作用，造成硝态氮的积累。

2.2 微纳米气泡增氧灌溉技术的节水效果

表2表明，双季早、晚稻W1处理的耗水量、灌水量和排水量均低于W0处理，降雨利用率均高于W0处理。与W0处理相比，利用微纳米气泡增氧灌溉技术后，早稻耗水量、灌水量和排水量分别减少77.69、119.86和42.17 m3/hm2，分别降低3.34%、7.44%、0.65%；晚稻耗水量、灌水量和排水量分别减少88.02、132.74和44.72 m3/hm2，分别降低2.19%、4.46%、4.90%。早、晚稻降雨利用效率分别提高5.92%和4.28%。说明微纳米气泡增氧灌溉技术可以减少双季早、晚稻灌水量、耗水量和排水量，有效提高降雨利用效率。

表2 微纳米气泡增氧灌溉技术对双季早、晚稻需水特性的影响Tab.2 Effects of micro-nano bubble aerated irrigation technique on water requirement characters of double-cropping early and late rice

2.3 微纳米气泡增氧灌溉技术对双季早、晚稻水分利用效率的影响

水分利用效率(WUE)是指单位水量消耗所产生的经济产品数量[10]，是反应植物水分利用特性的重要参数。由表3可知，微纳米气泡增氧灌溉对双季早、晚稻灌溉用水量、产量以及灌溉水利用效率均有一定的影响。与W0相比，W1处理可以明显提高水稻产量和灌溉水利用效率，双季早、晚稻分别增产4.93%和5.60%，灌溉水利用效率分别提高13.36%和10.54%。表明微纳米气泡增氧灌溉技术能够对早、晚稻灌水量和产量有一定程度的调节作用，从而达到灌溉水高效利用的目的。

表3 微纳米气泡增氧灌溉技术对双季早、晚稻水分利用效率的影响Tab.3 Effects of micro-nano bubble aerated irrigation technique on water use efficiency of double-cropping early and late rice

2.4 微纳米气泡增氧灌溉技术的减排效果

从图2可以看出，微纳米气泡增氧灌溉技术对早、晚稻氮磷地表径流排放量产生一定影响。与W0相比，W1处理可有效减少水稻氮磷地表排放量，早、晚稻总氮排放量分别减少8.36%和8.12%，总磷排放量分别减少27.50%和27.27%。表明微纳米气泡增氧灌溉技术对地表排水中的氮、磷具有较好的去除效果，能够减轻氮、素流失所造成的农业面源污染，具有一定的减污作用。

图2 微纳米气泡增氧灌溉技术对双季早、晚稻地表氮磷排放量的影响Fig.2 Effects of micro-nano bubble aerated irrigation technique on discharge of nitrogen and phosphorus in the surface runoff of double-cropping early and late rice

3 结论与讨论

近些年，微纳米气泡作为一种新型的增氧曝气技术，已在环境污染控制中已取得了一些研究成果，表现出了一定的技术优势与良好的应用前景[11-13]。徐彬等[11]研究表明，采用微纳米气泡对入湖河道水体进行原位净化处理，氨氮、总磷的平均去除率分别为42.4%和49.1%。王美丽等[14]在对黑臭河道废水微纳米曝气处理研究显示，在0.3 L/min的气量、90 min时除污效果最好，总磷的去除率为31.0%。本研究表明，采用微纳米气泡技术对水体进行爆气处理，增氧3.2 h时，对总氮去除效果最好，去除率为4.53%；增氧4.6 h时，总磷去除效果最好，去除率为6.14%；增氧2.4 h时，氨氮去除率接近100%；硝氮含量随增氧时间增加而逐渐升高，可能是由于长期曝气形成富氧环境抑制反硝化作用，造成硝态氮的积累，这与张保君等[15]研究结果一致。

水、肥是影响水稻生长发育的主要因子，适宜的田间水肥管理技术不仅能够节约灌溉用水，增加水稻产量，而且能有效减少稻田氮、磷排放，提高水肥利用效率[16-18]。本研究结果表明，相对于常规水灌溉处理，微纳米气泡增氧灌溉技术具有较好的节水减污效果，早、晚稻灌水量分别减少7.44%和4.46%，降雨利用率分别提高5.92%和4.28%，灌溉水利用效率分别提高13.36%和10.54%，总氮排放量分别减少8.36%和8.12%，总磷排放量分别减少27.5%和27.27%。

目前，国家和水利部正在着力推进南方地区节水减排工作，节水减排是节约水资源、实现可持续发展和保护生态环境的必然选择，创新技术措施则是实施节水减排工作的重要途径。笔者将微纳米气泡增氧灌溉技术应用在灌区水稻生产上，实现了双季稻田节水、增产、减污的综合效果。可见，微纳米气泡增氧灌溉技术能够提高水稻水肥利用效率，减少农业面源污染物的排放，在推进南方水稻灌区节水减排工作中具有较好的应用价值，同时也在提水灌溉地区和设施农业上具有一定的推广前景。

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