微灌加气技术研究进展

南 茜，黄修桥，韩启彪，李 文，李宏燕

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081)

作物根区土壤适宜的气体含量及组分对作物生长极为重要，根区缺氧会减弱根系的呼吸作用，影响水分和营养物质的运送，抑制作物生长。为改善土壤气体状况，根区通气作为一项土壤改良技术措施，早已有一定研究[1]。近年来，在节水灌溉领域，地下滴灌技术有了较大的推广应用，这种封闭的管网灌溉模式使得如今可以运用合适的加气设备将气体和水通过灌溉运送至作物根区来改变根部土壤水气环境，这是微灌技术集成化发展趋势的体现[2,3]，具有改善土壤质量和促进作物增产增效等优点，已成为目前微灌研究热点之一，很多学者对其进行了探讨。在此背景下，笔者总结归纳了微灌加气技术的研究进展，分析了微灌加气技术研究的不足及未来发展趋势，以期为微灌加气技术的应用提供一定的技术支撑。

1 研究进展

1.1 微灌加气对作物影响研究

研究者们首先关注的是微灌加气对作物产量的影响。2000～2007年，Goorahoo等人[4]陆续考察了加气灌溉对甜椒、香瓜、哈密瓜等多种蔬果产量和品质的影响，结果表明加气灌溉可以使甜椒数量增加33%，鲜重增重39%；使香瓜数量增加13%，鲜重增重18%；使哈密瓜数量增加14%，鲜重增重16%。Bhattarai等[5]在重黏土中种植棉花和大豆，结果显示加气处理的两种作物在产量和水分利用效率上较不加气处理均有不同程度的增加。Bhattarai等还对重黏土和盐渍土条件下的番茄进行了通气试验[6]，发现在重黏土多水条件下，加气处理的番茄鲜重相比不加气增加了21%，水分利用效率提高11%，引起该变化的原因是曝气使土壤水溶解氧浓度增加，有助于避免重黏土多水条件下的缺氧状况，从而提高了番茄植株的性能；同时，研究发现盐渍土加气处理的番茄鲜重增加了38%，水分利用效率提高77%。因此该研究认为通气提升了作物对于缺氧土壤的耐受性，对提高重黏土和盐渍土的土壤生产力的作用尤为明显。在国内，刘杰和蔡焕杰等[7]研究了温室小型西瓜加气灌溉效果，试验结果显示不同的加气频率均使西瓜产量增加，3种加气频率(1次/d、1次/2d和1次/4d)处理的西瓜在产量上比对照组分别提高了7.3%、18.6%、4.5%。温改娟和蔡焕杰等[8]的番茄微灌加气试验也显示在相同的滴头埋深和灌溉频率下，加气灌溉较不加气灌溉产量可增加44.96%。其他一批学者也得到了类似的产量与加气关系结论[9-11]。然而，也有部分结论认为通气对产量无显著影响。比如Heuberger等[12]关于花椰菜的研究表明，加气灌溉处理与仅灌溉处理两者的鲜重未出现显著差异，推断这可能与采用土壤的性质有关，实验选用的粉质黏壤土自身即具有良好的通气性，因此造成加气效果不明显。可见，微灌加气的效果受很多因素影响，如：作物种类、土壤质地、土壤水分状况等。但总体来说，合理的微灌加气措施能够保障作物的产量，研究结论整体上呈积极趋势。

在考察加气对作物产量造成影响的同时，作物品质如何改变也是研究的重点。理论上分析，加气灌溉改善了作物根区的气体环境，使整个植株正常的生命活动得以顺利进行，在一定程度上应该可以提升作物品质。目前的试验结果也支持了这一猜测。Heuberger等[12]有关甜玉米的研究表明，与灌溉处理相比，加气施肥灌溉处理对甜玉米的品质产生积极影响。与此同时，李元、张敏等[7,8,13,14]的加气灌溉试验，考察了影响品质的不同指标，如Vc含量、可溶性总糖含量、可溶性固形物含量等，发现各指标均在加气情况下提高显著。Shahien等[15]通过对马铃薯进行试验发现，通气处理相比另外两个不通气处理的根系可溶性糖含量有不同程度的增加。

也有学者同时对加气灌溉条件下作物生长过程进行了监测分析，如肖元松等[16]，整体认为加气能有效促进作物对水分和养分吸收代谢能力，利于自身干物质积累和生长发育。还有一些学者发现[17,18]，通气对植株生长前期影响较小，对后期影响较为明显。这可能是因为前期植株较小从而对氧气的需求低，根际气体对植株的影响不占主导地位；随着植株生长，需氧量提高，此阶段根区处于缺氧状况则会导致作物生长受到抑制，所以在植株后期保障根系土壤的通气性尤为重要。

1.2 微灌加气对土体环境影响研究

对土壤根区通气可以改善土壤理化特性，缓解水气矛盾，促进微生物活动和提高酶活性，使土壤环境发生变化。有研究表明，土壤过氧化氢酶在一定程度上较灵敏地反映了土壤微生物学过程和作物代谢过程的强度, 是较好的土壤微生态环境指示因子[19]。脱氢酶活性(DHA)也与微生物活动密切相关[20-23]。因此目前通气改善土壤环境主要围绕对酶活性的影响研究展开。Brzezińska等[24]研究表明土壤通气的改善可以刺激过氧化氢酶活性，活性随充气孔隙度、氧扩散率、氧化还原电位的增加而提高。Brzezińska等[25]通过研究黑小麦盆栽试验缺氧状况下对土壤脱氢酶活性的影响，发现土壤脱氢酶活性与土壤通气参数有显著相关关系，活性随水分供应的增加而增加，在淹水条件下活性最高。还有研究表明根际通气能够提高基质酶活性，利于根系代谢，促进植株生长[26, 27]。

1.3 微灌加气方式与设备研究

目前，作物根区通气方式已有很多，主要是通过物理方式改善土壤通气性。如有学者向土壤加砂加蛭石[28-30]。20世纪初，英国中洛锡安郡苏格兰树公司即曾提供过超级根系通气盆，他们在容器侧壁打上一系列小孔来使更多空气进入栽培介质[31]。也有针对营养液加气等的研究，如邢书慧[32]采用通气泵对营养液通气研究了水培通气对于芦荟、山海带、小天使、金琥等植物的作用。

然而，不同于传统的根区通气，微灌加气技术借助了微灌管网，以灌溉的方式实现了对气体和水的传输。合适的加气方式及设备是决定微灌加气好坏的重点之一，目前微灌加气上应用较多的加气方式有文丘里、空气压缩机等。

国外的Goorahoo等[33]、国内的张敏等[14]均采用了特制的文丘里管对作物进行微灌通气，这也是目前实现水气结合灌溉的常用方法。文丘里管的工作原理是依据伯努利方程，水在压力下进入文丘里，经过喉管时水流流速增大，装置内部形成真空，在内外压差的作用下，外界空气被吸入到水流中，在向出口移动的过程中，水流速度再次减小，动能转化为压能，加气灌溉水就是通过以上过程被运送到滴灌系统，这与文丘里施肥器类似，也是目前有生产报道的微灌加气设备，据称Toro公司已有专用产品。

相应于文丘里这种无需外源动力装置，也有学者采用了机械加气方式，即通过机械动力(空气压缩机)或人力(打气筒)向土壤加气，是较为直接的加气方式[1]，被大量采用[7,13]。张文萍[34]等在试验中运用了此种加气方式，并取得了不错的效果。刘小刚等人[35]发明的地下水肥气一体化灌溉系统，利用空气压缩机将空气压缩并和水肥混合后通过运输管道输送至植物根部，使地下滴灌多样化，优化了根部缺氧的问题。除了空气压缩机外，张运涛[30]借助了鼓风机，还有一些学者[16,18,36]采用普通打气筒对作物供气。

由于一些化学试剂在水中可分解产生氧气，因此部分学者也研究了化学加气方法。化学加气是把化学试剂按照一定比例加入灌溉水。国外的Bhattarai等[37]把过氧化氢通过地下滴灌系统加入到南瓜根际，国内学者张文萍等[34]、程峰等[38]按照特定的比例(3.5%H2O2∶H2O=1∶100)分别加入烟草和香芹根际进行试验。适量地增氧可促进作物生长，但不可忽视运用此法时双氧水的腐蚀性对作物造成的不良影响，因此需要进一步研究寻求合适的根际氧质量浓度，同时由于氧浓度变化对作物造成影响的相关研究也有待进一步展开。

随着一些地下滴灌新装置的出现和推广，各种加气装置设备性能更加完善。翟国亮等人[39]发明了可移动插入式地下滴灌装置，组件精简，使得土壤加气、加热及施加土壤改良剂等工作简单易行，具有较高的市场实用价值。门旗[40]等为解决传统增氧装置有效氧储存时间和数量有限的问题，发明了地下滴灌灌溉微纳米气装置，该装置产生的气泡尺寸小、溶解效率高、上升速度慢，能够达到较理想的加气效果，具有很大的推广应用前景。

学者们对不同加气方式、加气频率和加气时间的效果进行了研究以期提高加气效率[7，13，14]。孙周平等[41]采用槽栽方法研究了根际自然扩散通气处理、根际管通气处理和根际两端通气处理相比根际全基质栽培对大田马铃薯植株生长造成的影响。为提高微灌加气效率，改善加气效果，雷宏军等探讨了循环曝气相关方法[42]，并展开了温室[43,44]及田间小区[45]试验。谢恒星等[46]研究得出：一定频率的加氧灌溉可以提高温室甜瓜的综合效益，其中2天1次的加氧频率处理综合效益最优，不同加氧灌溉模式均对温室甜瓜有促进作用。

2 存在问题与发展趋势

由上可知，关于微灌加气技术的研究主要集中在对作物影响的考察上，包括产量、品质、生长过程等，还有小部分围绕着土壤环境影响等方面展开。同时，不同灌溉加气设备及不同微灌加气运行模式下作物生长情况也开始受到国内学者的关注。这些研究成果一定程度上促进了微灌加气技术的发展。

然而，总体来说，虽然微灌施肥、微灌加气均为微灌集成技术，但与微灌水肥一体化相比，微灌加气技术的研究起步较晚，科研力量投入较少，研究尚浅，尤其在国内，相关报道多集中在西北农林科技大学及其后续衍生出的鲁东大学、华北水利水电大学等研究团队，中国水利水电科学研究院、西安理工大学、中国农业科学院农田灌溉研究所等研究人员也有一定的探讨，但研究仍有待继续深入。“十三五”期间，随着滴灌相关课题的立项，通过协同创新交流，相信会使国内微灌加气技术实现快速发展。

再者，目前微灌加气技术多是考察加气对作物影响的研究，研究面窄，而且很多研究还仅仅停留在小范围试验规模，基本采用盆栽、温室小区等，大田或者大范围试验开展不多，树木等多年生作物开展较少，这距离微灌加气技术的推广应用仍有一定差距，难以服务于生产实际。而且已有研究发现，土质等条件对微灌加气效果存在一定影响，即意味着微灌加气可能有地域适应性等限制。由此，针对不同地域、不同土壤、不同作物及不同种植规模，仍需深入开展微灌加气技术研究，探索出有效的加气方法、适宜的加气频率及加气量等，为微灌加气技术的规模化应用提供技术储备。

与此同时，就设备选型研发上看，对加气设备及加气方式的选择欠缺成型的理论指导。专门的微灌加气设备少，现有报道的专门用于微灌加气的产品可能仅有Toro公司生产的文丘里加气设备(Toro Mazzei® AirJection® Rainbow A-Series)，其余的均是借用其他行业设备将其利用改造，如空气压缩机、来自水处理领域的纳米机等。事实上，我们对于这些外领域的设备性能并不了解，对其操作规程及在微灌管网上的适用性等尚不明确，因此，如何在微灌上实施并加以有效改进，如何有效控制这些设备的运行稳定性，如何判断水气分离和水气结合等灌溉模式的适用性，以上问题均需进一步研究，形成合适的理论指导意见，进而研发集成出性能稳定、实用性强、专业的微灌加气设备及系统，这也是未来研究的重要方面。

进一步，系统上讲，关于加气的研究仍需全面系统地推进。目前国内微灌加气的研究仅单单就微灌加气这一方向进行探讨，实际上，水肥气热是土壤的主要环境因子，它们之间必然存在交互影响，比如说，适当的水温可间接提高溶氧量，气体的存在又可能改变灌溉水流入渗特征等。那么，今后应该尝试综合水肥气热等多方面要素来进行系统性研究，而如果以地下滴灌管网为载体，实现对水肥气热的集成输送，那么这一集成技术在机理上该怎样阐述表达，应用何种模型模拟整个系统过程，施肥、灌水、加气、加热这些农田管理措施怎样才能有效集成，最终提供作物一个最适宜的根区土壤环境，这些都可成为将来微灌加气技术的发展方向。

而且，从研究手段上看，目前的研究也比较单调，绝大多数研究是以试验方式进行，理论分析及模型模拟等手段应用较少，这可能是由于水气灌施条件复杂，分析或模拟起来较为困难造成的，同时这可能也需要进行学科交叉，引入土壤学、灌溉、农学等相关专业知识进行协同分析。最后，仅就试验方法来看，需要特别指出的是，类似于土壤理化性质分析，溶解氧、空气含量等的测定方法及仪器选用等问题也需要引起重视，现有的溶氧量等精密测试仪器仍相对昂贵。总之，拓展微灌加气技术研究方法、增添微灌加气试验手段等，也可作为将来一个重要的发展方向。

3 结 语

毋庸置疑，无论是在设施农业上还是在盐碱土改良等其他方面，微灌加气技术确实有着一定的应用前景。通过对微灌加气技术进行深入研究，探讨水气分布机理，集成微灌加气系统装备，对促进微灌技术尤其是地下滴灌技术的进一步发展，有着巨大作用。

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[1] 王帘里,翟国亮.通气对土壤肥力质量影响的研究进展[J].中国农学通报,2016,32(5):90-95.

[2] 邱振存,门 旗,孙仕军.滴灌集成技术进展与应用[C]∥ 第二届全国高效节水灌溉先进技术与设备应用交流研讨会.北京: 2012全国高效节水灌溉先进技术与设备应用专刊,2012.

[3] 韩启彪,冯绍元,曹林来,等.滴灌技术与装备进一步发展的思考[J]. 排灌机械工程学报,2015,33(11):1 001-1 005.

[4] Goorahoo D, Adhikari D, Zoldoske D, et al. Application of airjection irrigation to cropping systems in California[C]∥ International Water Technology and Ozone V Conference, Fresno. 2007.

[5] Bhattarai S P, Huber S, Midmore D J. Aerated subsurface irrigation water gives growth and yield benefits to zucchini, vegetable soybean and cotton in heavy clay soils[J]. Annals of applied biology, 2004,144(3):285-298.

[6] Bhattarai S P, Pendergast L, Midmore D J. Root aeration improves yield and water use efficiency of tomato in heavy clay and saline soils[J]. Scientia Horticulturae, 2006,108(3):278-288.

[7] 刘 杰,蔡焕杰,张 敏,等.根区加气对温室小型西瓜形态指标和产量及品质的影响[J].节水灌溉,2010,(11):24-27.

[8] 温改娟,蔡焕杰,陈新明,等.加气灌溉对温室番茄生长和果实品质的影响[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2013, 41(4):113-118.

[9] Boru G, Vantoai T, Alves J, et al. Responses of soybean to oxygen deficiency and elevated root‐zone carbon dioxide concentration[J]. Annals of botany, 2003,91(4):447-453..

[11] 赵 旭,李天来,孙周平.番茄基质通气栽培模式的效果[J].应用生态学报,2010,21(1):74-78.

[12] Heuberger H, Livet J, Schnitzler W. Effect of soil aeration on nitrogen availability and growth of selected vegetables-preliminary results[C]∥International Conference on Environmental Problems Associated with Nitrogen Fertilisation of Field Grown Vegetable Crops 563. 1999:147-154.

[13] 李 元,牛文全,许 健,等.加气滴灌提高大棚甜瓜品质及灌溉水分利用效率[J].农业工程学报,2016,32(1):147-154.

[14] 张 敏.加气灌溉条件下温室甜瓜生长效应的研究[D]. 陕西杨凌:西北农林科技大学,2011.

[15] Shahien M M, Abuarab M E, Magdy E. Root aeration improves yield and water use efficiency of irrigated potato in sandy clay loam soil[J]. International Journal of Advanced Research, 2014,2(10):310-320.

[16] 肖元松,彭福田,张亚飞,等.增氧栽培对桃幼树根系构型及氮素代谢的影响[J].中国农业科学,2014,(10):1 995-2 002.

[17] 李胜利,齐子杰,王建辉,等.根际通气环境对盆栽黄瓜生长的影响[J].河南农业大学学报,2008,42(3):280-282.

[18] 牛文全,郭 超.根际土壤通透性对玉米水分和养分吸收的影响[J].应用生态学报,2010,21(11):2 785-2 791.

[19] 靳孟贵,赵俊英,罗泽娇.采用土壤水利用技术的冬小麦田土壤过氧化氢酶活性分析[J].水文地质工程地质, 2003,30(2):11-14.

[20] Tiquia S M, Wan J H C, Tam N F Y. Dynamics of yard trimmings composting as determined by dehydrogenase activity, ATP content, arginine ammonification, and nitrification potential[J]. Process Biochemistry, 2002,37(10):1 057-1 065.

[21] Xia M S, Hu C H, Zhang H M. Effects of tourmaline addition on the dehydrogenase activity of Rhodopseudomonas palustris[J]. Process Biochemistry, 2006,41(1): 221-225.

[22] Keplin B, Broll G. Earthworms and dehydrogenase activity of urban biotopes[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1997,29(3):533-536.

[23] Sinclair D C R, Smith G M, Bruce A, et al. Soil dehydrogenase activity adjacent to remedially treated timber, weathered in a physical field model[J]. International biodeterioration & biodegradation, 1997,39(2):207-216.

[25] Brzezinska M, Stepniewski W, Stepniewska Z, et al. Effect of oxygen deficiency on soil dehydrogenase activity in a pot experiment with triticale cv. Jago vegetation[J]. International agrophysics, 2001, 15(3): 145-150.

[26] 李天来,陈红波,孙周平,等.根际通气对基质气体、肥力及黄瓜伤流液的影响[J].农业工程学报,2009,25(11):301-305.

[27] 陈红波,李天来,孙周平,等.根际通气对日光温室黄瓜栽培基质酶活性和养分含量的影响[J].植物营养与肥料学报, 2009,15(6):1 470-1 474.

[28] 史春余,王振林,余松烈.土壤通气性对甘薯产量的影响及其生理机制[J].中国农业科学,2001,34(2):173-178.

[29] 李 军,李长辉,刘喜才,等.土壤通气性对马铃薯产量的影响及其生理机制[J].作物学报,2004,30(3):279-283.

[30] 张运涛.根际通气改善了夏季椰壳栽培草莓的生长和产量[J]. 草莓研究进展 (三), 2009.

[31] 张秀生.英超级根系通气盆备受青睐[N].中国花卉报,2003-04-08.

[32] 邢书慧,罗 健,陈泳慧,等.通气对几种水培观赏植物生长的影响[J].农业工程学报,2005,21(z2):36-40.

[33] Goorahoo D, Carstensen G, Zoldoske D, et al. Using air in sub-surface drip irrigation (SDI) to increase yields in bell peppers.[J]. International Water & Irrigation, 2002,22(2):39-42.

[34] 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.

[35] 刘小刚,张 岩,王 露,等.一种地下水肥气一体化灌溉系统[P].中国专利:104871708,2015-09-02.

[36] 郭 超,牛文全.根际通气对盆栽玉米生长与根系活力的影响[J]. 中国生态农业学报,2010,18(6):1 194-1 198.

[37] Bhattarai S P, Midmore D J, Pendergast L. Yield, water-use efficiencies and root distribution of soybean, chickpea and pumpkin under different subsurface drip irrigation depths and oxygation treatments in vertisols[J]. Irrigation science, 2008,26(5):439-450.

[38] 程 峰,姚帮松,肖卫华,等.不同增氧滴灌方式对香芹生长特性的影响[J].灌溉排水学报,2016,35(3):91-94.

[39] 翟国亮,李新国,翟所亮,等.可移动地下滴灌装置[P].中国专利:1543772,2004-11-10.

[40] 门 旗,王 栋,王 冲,等.一种地下滴灌灌溉微纳米气装置[P].中国专利:202697414,2013-01-30.

[41] 孙周平,郭志敏,刘义玲.不同通气方式对马铃薯根际通气状况和生长的影响[J].西北农业学报,2008,17(4):125-128.

[42] 雷宏军,臧 明,张振华,等.循环曝气压力与活性剂浓度对滴灌带水气传输的影响[J].农业工程学报,2014,30(22):63-69.

[43] 雷宏军,臧 明,张振华,等.循环曝气地下滴灌的温室番茄生长与品质[J].排灌机械工程学报,2015,33(3):253-259.

[44] 雷宏军,张 倩,张振华,等.掺气滴灌对温室辣椒生物量及产量的影响[J].华北水利水电学院学报,2013,34(6):29-31.

[45] 雷宏军,臧 明,张振华,等.循环曝气地下滴灌对冬小麦生长和耗水特性的影响研究[J].中国农学通报,2014,30(36):42-47.

[46] 谢恒星,蔡焕杰,张振华.温室甜瓜加氧灌溉综合效益评价[J]. 农业机械学报,2010,41(11):79-83.