营养液微纳米气泡增氧消毒技术

薛晓莉+杨文华+张天柱

【摘要】无土栽培营养液的使用主要存在2个问题：一是营养液容易缺氧，二是营养液的循环使用容易接触病原菌。本文研究对比了目前营养液的增氧与消毒方法，分析了其使用范围和优缺点，并提出一种营养液微纳米气泡增氧消毒技术，详细介绍了该技术的原理、优势、使用范围以及推广应用情况，以期为无土栽培营养液增氧和消毒提供参考。

意义

无土栽培是指不用天然土壤，而使用营养液或固体基质加营养液的栽培方法。固体基质或营养液代替天然土壤向作物提供良好的水、肥、气、热等根际环境条件，使作物完成从苗期开始的整个生命周期。无土栽培是实现蔬菜由传统大田生产向工厂化、规模化、集约化转化的新型栽培方式。

无土栽培的植物主要依靠营养液提供生长发育所必需的营养元素。目前营养液的使用存在以下问题：①营养液容易缺氧。无土栽培尤其是水培，因营养液层较深、根系活动范围小，容易造成氧气供应不足。作物根系缺氧时，其生长缓慢，水分及养分吸收减弱，从而影响地上部分生长，导致产量下降。②营养液的循环使用容易接触病原菌。植物根系一旦染病，传播会非常迅速，短时间内就能使整个栽培系统全部染病，造成重大的经济损失。因此，开发一种经济高效的循环营养液增氧和消毒方法成为亟待解决的重要课题。

营养液增氧和消毒的方法

增氧技術

在植物根系生长发育过程中，呼吸过程要消耗氧气，为使其能正常生长就需要有足够的氧气供应。无土栽培植物根系生长环境可以是在类似土壤的生长基质中，也可以是在与土壤环境截然不同的营养液中。因此，在无土栽培中根系氧气的供给是否充分及时，往往会成为制约作物生长的重要因素。

营养液中氧气溶解量可以用溶解氧浓度（DO）表示。溶解氧浓度是指在一定温度、一定大气压力条件下，单位体积营养液中溶解的氧气的数量，以毫克/升（mg/L）表示。营养液中溶解氧的多少与液温、大气压有关，温度越高大气压力越小，营养液的溶解氧含量越低；反之，温度越低大气压力越大，其溶解氧的含量越高。这是导致夏季高温季节水培植物根系容易缺氧的一个原因。

在植物生长过程中，营养液中溶解氧还与植物根系和微生物的呼吸有关，同一植物在白天和夜间对营养液中的溶解氧的消耗量也不尽相同。晴天时，温度越高，日照强度越大，植物对营养液中溶解氧的消耗越多；在阴天，温度低或日照强度小时，植物对营养液中溶解氧的消耗较少。植物根系的耗氧量与根系数量、呼吸数量、呼吸强度成正比，因此耗氧量取决于植物种类、生育时期、种植密度。生长过程耗氧量大、处于生长旺盛期以及每株植物平均占有营养液液量少的植物，则营养液中的溶解氧的消耗速率较大；反之，溶解氧的消耗速率较小。一般甜瓜、辣椒、黄瓜、番茄、茄子等瓜菜或茄果类作物的耗氧量较大，而蕹菜、生菜、菜心、白菜等叶菜类作物的耗氧量较小。另外，营养液内的还原性物质被氧化时也要消耗一些溶解氧。

一般营养液中的溶解氧含量维持在4～5 mg/L

以上，能满足大多数植物的正常生长。但是无土栽培中特别是水培营养液中的溶解氧很快会被消耗掉，因此必须采取一些方法来补充植物根系对溶解氧的需求。营养液溶解氧的补充，实质上是通过破坏营养液液相与空气气相之间的界面而让空气进入营养液的过程。在一定的温度和压力条件下，液-气界面被破坏得越剧烈，进入营养液的空气数量就越多，溶于营养液的氧气也越多。补充营养液溶解氧的途径主要来源于空气向营养液的自然扩散和通过人工的方法来增氧。自然扩散进入营养液的溶解氧的速度慢，数量少，远达不到作物生长的要求。人工增氧的方法包括营养液循环流动、落差法、喷雾、增氧器、间歇供氧、滴灌、压缩空气、反应氧、动态液位法等，其原理和特点见表1。

营养液循环流动、落差法、喷雾法和增氧器等都是通过增加营养液与空气的接触而提高营养液中的溶氧值，陈艳丽[2]在研究水培生菜有机态氮的营养效应及营养液溶氧管理技术时发现，水泵增氧达到溶氧浓度的饱和点后不再增加，这也可能是几种方法的共性。滴灌法、潮汐法均通过间歇供氧的方法，将根系暴露于空气中直接吸收氧气。甘小虎等[3]研究辣椒潮汐式灌溉育苗技术时指出，育苗过程中基质始终疏松透气不易板结，具有降低能耗、减少用工、节约用水等优点。动态液位法同时采用了增加营养液与空气的接触以及暴露根系于空气中的方法来增加根系对氧气的吸收效率。宋卫堂等[1]对动态液位法的研究表明，提高根系对氧气的吸收效率可以提高番茄的相对生长率、增强根系的活力、促进根系的生长发育。不同的增氧方式应用于不同的无土栽培方式，往往是几种增氧方式协调增氧。夏季高温时营养液增氧困难是制约增氧效果的一个关键问题。

消毒技术

营养液灭菌消毒的方法比较多，包括化学药剂消毒、高温消毒、紫外线消毒、臭氧消毒、慢砂过滤消毒等[4-11]。宋卫堂等[10]对营养液加热消毒机的研究表明，75℃、90 s的杀菌组合对（3.9×105～8.3×105）cfu/mL番茄萎蔫病病原菌、黄瓜枯萎病病原菌、番茄细菌性青枯病病原菌达到100%的杀菌效果。刘楠等[11]研究循环消毒装置时指出，在0.57 mg/L臭氧浓度下，对空心菜的生长有一定的促进作用，可以增加空心菜产量，而对于臭氧在营养液消毒及水培空心菜的影响等需进一步的试验研究。刘伟等[7]研究慢砂过滤装置时指出，慢砂过滤对病毒、线虫及部分细菌的消除率达到90%～99%，不会杀死营养液中所有的微生物，可以利用有益微生物抑制病原微生物，因此慢砂过滤用于营养液消毒还需要进一步研究与完善。宋卫堂等[9]对紫外线-臭氧组合式营养液消毒机进行了研究，UV、O3、UV+O3 3种方法的消毒效果分别达到70.6%、15.9%和89.9%。紫外线-臭氧组合式消毒比单一灭菌方法效果更好，显现出了协同效应，可以较大幅度地提高消毒效率。各消毒原理和作用见表2。

营养液微纳米气泡

增氧消毒技术

针对现有无土栽培营养液增氧效率低，各种消毒方法单一使用，存在环境污染大、运行成本高以及效果差、效率低等问题，一种新型高效的无土栽培营养液的增氧、消毒技术——“营养液微纳米气泡增氧消毒系统”经研发并逐步推广。

营养液微纳米气泡增氧消毒系统采用国际先进的微纳米气泡发生技术，并结合臭氧杀菌技术、紫外线消毒技术等，解决营养液供氧不足以及因病原微生物侵害而造成的无土栽培作物生长受抑制、产量下降等问题，避免由此造成的经济损失，在设施农业领域具有很好的实用性。

微纳米气泡发生技术是利用微纳米气泡快速发生装置将气体快速高效溶入水中产生微纳米气泡。微纳米气泡的显著特点是其在水中上升缓慢，停留时间长，并产生自我压缩，在水中具有很高的溶解度，并且微纳米气泡具有促进植物生长的生理活性，因此微纳米气泡技术被认为非常适合应用于水培栽培系统[12]。此外，利用微纳米气泡发生技术将气体溶入水中，与其他曝气方式相比，受温度影响较小，在夏季高温季节使用具有显著优势。

营养液微纳米气泡增氧消毒系统的技术原理：利用微纳米气泡发生技术将氧气溶入营养液中形成微纳米气泡富氧水对营养液进行增氧；利用微纳米气泡发生技术将臭氧溶入营养液中形成微纳米气泡臭氧水，并经过紫外线消毒器对营养液发挥协同消毒作用[13]。

营养液微納米气泡增氧消毒系统的创新点：①利用微纳米气泡发生技术使氧气、臭氧在水中高效溶解，生成的微纳米气泡具有缓释效果，可延长氧气、臭氧在水中的存留时间，提高利用率；②臭氧、紫外线协同作用灭菌，臭氧与有机物分子反应需要活化能，紫外线的照射提高了有机物分子能量，使活化分子比例增多，从而使有机物更容易在臭氧的氧化下分解。另外，水中溶解的臭氧在紫外线照射下能够生成反应活性更高的羟基自由基（OH-），进而加速了水中有机物的去除速率；③在营养液进行臭氧和紫外线消毒前过滤，减少了营养液中还原性物质和不透明杂质对消毒效果的影响，提高杀菌效果；④采用空压机对残留臭氧进行吹脱，使营养液中的臭氧浓度迅速下降，减少或避免对植物根系产生危害；⑤无土栽培换茬时不启动空压机，含有较高浓度微纳米气泡臭氧水的营养液在串联水培设施内进行数次循环，有效清除设施死角的病原菌；⑥可实现增氧、消毒双重功能，既能对营养液进行增氧，又能对营养液进行消毒，有效降低了单一设备的累加投资成本；⑦装置采用自动化控制，使用PLC和LED控制面板，操作简便；控制单元预留数据端口，可连接其他装置的控制单元，实现物联网综合控制。

适用范围

营养液微纳米气泡增氧消毒系统非常适用于水培，直接对营养液进行增氧、消毒。深液流水培（DFT）营养液的溶解氧随栽培槽长度的增加而降低，因此DFT种植槽长度不宜过长[14]。利用微纳米气泡技术增氧，其产生微纳米气泡具有缓释效果，可保证DFT种植槽末端的溶解氧浓度。

对于气雾栽培，营养液以喷雾的形式喷射出，在雾化的过程中营养液与空气充分接触，有效提高了营养液的溶解氧浓度，配以营养液循环流动方式，足以满足植物生长需要。因此，只需使用营养液微纳米气泡增氧消毒系统的消毒功能即可。

对于基质栽培，既可以通过控制滴灌流量及时间，使基质的透气性和持水性达到动态平衡而使根系获取充足的氧气，亦可利用营养液微纳米气泡增氧消毒系统进行增氧；基质栽培的营养液残液不再循环利用，排放前需经营养液微纳米气泡增氧消毒系统进行消毒，消毒之后可作为肥料用于大田灌溉。

推广应用

营养液微纳米气泡增氧消毒系统率先应用于北京农业嘉年华的蔬菜主题馆，该馆展示了各种新颖的无土栽培设施及蔬菜（图1～2）。营养液增氧方式包含了营养液循环流动、落差法和营养液微纳米气泡增氧消毒系统。该系统布置于地下贮液池附近，增氧时调节溶氧值10 mg/L左右（浓度范围>20 mg/L），与贮液池的营养液混合后将含有丰富溶氧值的营养液通过液循环流动供无土栽培蔬菜根系利用；消毒时调节臭氧浓度1 mg/L左右（浓度范围1～8 mg/L）对营养液进行消毒，消毒后采用空压机对残留臭氧进行吹脱处理，使营养液中的臭氧浓度迅速下降到0.1 mg/L，减少或避免对植物根系产生危害。增氧消毒后无土栽培内的作物无烂根现象和营养液病害，营养液微纳米气泡增氧消毒系统确保了无土栽培蔬菜保持良好的生长态势。

山东惠民鑫诚现代农业科技示范园也应用了营养液微纳米气泡增氧消毒系统（图3～4），园区内有2栋连栋温室，总建设面积为18276.48 m2，以荷兰高效无土栽培（椰糠基质培）生产模式为主。椰糠基质培除了应用间歇滴灌法增氧与紫外线消毒外，还应用营养液微纳米气泡增氧消毒系统对营养液进行增氧，收集的残液进行消毒后还可以应用于大田灌溉；该系统也可应用于园区的深液流水培韭菜，增氧消毒效果明显，韭菜根系发达，病害发生率极低。

应用展望

我国无土栽培的生产面积不断增加，与传统栽培模式相比，无土栽培可以有效克服保护地栽培中土壤盐渍、土传病害等连作障碍，在非耕地场所进行周年种植，并能提高单位面积产量和产品质量。无土栽培主要依靠营养液为作物提供所需养分，而营养液的增氧和消毒是无土栽培进行有效生产的关键。

目前，很多生态园区和农业园区在生产运营过程中，常常会遇到营养液增氧困难、易滋生藻类和病菌等问题，客户对营养液增氧消毒设施具有很强烈的需求。因此，该技术具有切实的推广市场。

营养液微纳米气泡增氧消毒系统由于集成了现有的增氧消毒优势技术及自控和物联网控制系统，成本相对比较高，这就决定了该系统需首先面向高经济附加值的蔬菜、水果、中药、花卉、食用菌等作物进行应用推广。其次，营养液微纳米气泡增氧消毒系统在生产与示范方面具有一定的应用，其增氧与消毒的基础研究有待进一步探索，以期为技术改进、降低成本、生产应用提供参考。

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