农业活化水灌溉技术研究进展

陈 强，喻立强

(1.塔城地区水利局，新疆 塔城 834300； 2.塔城市水利局，新疆 塔城 834300)

随着全球人口数量的增加，水资源的消耗量也在递增，水资源已成为制约干旱地区经济发展的主要因素之一。大力提高农业水资源利用效率，可有效缓解水资源的供需矛盾。目前，我国在工程节水、农艺节水、管理节水等方面开展了大量研究和技术推广工作，并取得了许多重要成果，但农业灌溉用水与城市、工业、生态用水供需矛盾仍然突出，因此提高水资源利用效率一直是研究热点。活化水技术是通过物理技术对水进行处理，改变水的物理、化学性质，提高水分子活性。灌溉水活化技术包括磁化、去电子、增氧等方法，作为一种简便、低耗能、低投入、无污染且效率高的水处理技术，受到了学者的广泛关注。该技术有助于深入了解活化水从土壤到作物的传输过程，揭示灌溉水-土壤-作物生长体系的内在相互作用机制，也有助于明确土壤水、盐、热、气、肥等因子对土地质量和作物生长的作用途径和程度，对于推动节水灌溉技术的应用与发展、提高水分高效利用效率、促进农业可持续发展具有重要的现实意义。为了提高灌溉水利用效率，很多学者对土壤理化性质、作物生长特性及数值模拟等做了大量研究，为活化水灌溉技术的推广应用提供了技术支撑和理论参考。

1 灌溉活化水的理化特性

通过增氧、磁化、去电子等技术措施改善农业灌溉用水的物理性状，可增加水土、水与作物的交换传输能力，提高灌溉效果。研究表明，液态水通过磁场作用后，改变原有的部分理化性质，使水分子间平均距离增大，部分氢键变弱或断裂，提高了水中自由单体水分子和二聚体水分子数量[1]。在500 G磁场强度下，水滴表观接触角会减小，随磁场强度的增加，接触角呈现逐渐减小的线性变化关系[2]。20世纪70年代，加氧技术从生物学角度研究了灌溉效果，我国主要将其应用于水产养殖行业。欧阳赞等[3]对不同加气方式下微咸水中溶解氧浓度的变化进行了研究，结果表明，微纳米发泡器+28气石头增氧泵的组合，可做为微咸水加气灌溉的最佳方式。相同温度下，淡水中的溶解氧浓度始终低于微咸水中的溶解氧浓度，说明灌溉水经活化技术处理后，本身的理化特性发生了明显改变。

图1 活化水灌溉技术Fig.1 Activated water irrigation technology

图2 磁化水作用原理图Fig.2 Schematic diagram of magnetic water function

2 活化水灌溉对土壤理化性质和物质传输特征的影响

国内外学者开展了诸多活化水灌溉技术对土壤作物体系的影响研究。关于磁化水对土壤理化性质方面的研究，主要集中在对土壤的结构组成、离子浓度、微生物群落结构等方面。磁化技术研究表明，磁化水不仅有利于提高土壤的固氮功能，还可使土壤有机质含量和腐殖化系数提高，从而改善土壤结构。加氧灌溉技术方面的研究主要集中在对土壤溶解氧浓度、土壤呼吸速率、土壤温度等要素的影响方面，如加气灌溉可增加土壤溶解氧含量，采用地下滴灌技术向管道注入空气，可显著提高表层土壤的氧气饱和度；通过改变土壤类型、滴头埋深进行加气灌溉，可提高42%～100%的棉花根区土壤呼吸速率，溶解氧增加8.6%～32.6%。采用增氧滴灌，可使根系的代谢速率加快，调节作物根区的氧分状况，加速对有机质的分解，增加土壤中的微生物数量，使微生物的活动更加旺盛[4-5]。与常规地表滴灌对比，不同滴头埋深下加气灌溉后，土壤的呼吸速率可显著提高22%～43%，加气能显著改善作物根层土壤矿质元素的释放和作物的吸收，可通过气体交换促进土壤和大气之间的热量转换，使土壤温度保持均匀。黄瓜盆栽增氧试验表明，增氧灌溉能够提高黄瓜对土壤中速效氧分的吸收，土壤中有机质的分解与转化显著提高[6]。

3 活化水灌溉对作物生长的影响

活化水技术在一定程度上改变了灌溉效果，而植物细胞中有大量的水参与新陈代谢，因此利用活化水进行灌溉必然会对作物生长产生一定的影响。磁场能改善植物的生长发育状况，有利于提高作物种子发芽率，促进细胞分裂与生长发育；发芽率与灌溉水的磁化时间呈二项式关系，可显著提高种子发芽指数和作物干物质重。对淡水和微咸水进行磁化，分析灌溉后对枣树生长的影响，发现其能够显著提高叶片叶绿素含量与叶面积[10-11]。采用磁化水灌溉，再生水和含3 000 ppm NaCl的咸水通过磁化处理后，能够使芹菜产量、水分生产效率分别提高12%～23%和12%～24%；对水稻采用磁化水处理，可有效提高水稻在生育期、孕穗期、灌浆期倒三叶的叶绿素值，使垩白粒降低11.4%和7.7%，胶稠提高6.0 mm和4.0 mm，碱消值提高4.3%～4.8%[12-13]。尽管对于磁化水在作物生长方面的研究较多，但对于磁化灌溉水的增产、促生效果的微观作用机制仍不清楚，研究表明，采用磁化水灌溉对于作物生长影响并不显著，邱念伟等[14]试验结果显示，小麦种子发芽参数、生长指标等在灌溉水进行磁化和不磁化之间差异并不明显，在生理参数如叶片色素含量、可溶性糖、可溶性蛋白质含量等方面无显著差异，因此其在农业生产中的推广应用有限。

土壤的透气性是保证作物生长与发育的重要影响因素，如果土壤氧气浓度过低，会造成作物根区缺氧，从而影响作物代谢与生长。研究表明，作物在不同的生长阶段，氧气浓度胁迫临界值为3%～0.5%，最大可达到15%[15]。为了保持氧气浓度来维持土壤的呼吸作用，加氧灌溉技术得到了推广应用，采用微灌系统和加气设备，可增加作物根区土壤含氧量，从而改善根际土壤的通气性[16]，使作物的生理生态特征参数，如叶面积、光合作用速率、水分利用率等增加，进而改善较大埋深时土壤通气性对作物生长和水分利用效率的影响[17]。研究表明，温室甜瓜采用地下滴灌方式和隔天1次的加气灌溉频率，可获得最高的综合效益[18]，当田间持水量为80%、通气系数为0.8时，土壤酶活性最高[19]，与地下滴灌相比，加气滴灌可显著提高春小麦气孔导度、蒸腾速率和净光合速率等指标[20]。

4 结语

开展活化水灌溉可提升地力，促进作物生长、土壤与水分及作物之间的互作机制，为水资源的高效利用提供新思路和技术途径。活化水灌溉对作物生长的影响可能与水原体、磁化强度、气象等因素有关，深入研究活化水作用机制和作用条件，确定关键技术参数和指标，可大大提高活化水灌溉效能。但目前对活化水的研究主要集中在对现象的定性描述，少见对其变化特征和影响机制的定量分析和数学描述，因此结合活化水灌溉农田水分-养分-盐分-作物耦合作用关系的研究成果，进一步分析其作用机理和增效机制，对于优化农田水肥盐管理、实现农业可持续发展具有重要的实用价值。