增氧灌溉技術研究現狀與智能化發(fā)展趨勢分析 溫昊陽1 于珍珍1 汪 春1 張冬梅1 2 王宏軒1 鄒華芬2 1 黑龍江八一農墾大學 信息與電氣工程學院 黑龍江 大慶 163319 2 中國熱帶農業(yè)科學院南亞熱帶作物 研究所 循環(huán)農業(yè)研究中心 廣東 湛江 524022 摘 要 增氧灌溉技術在改善土壤環(huán)境和提高作物產量等方面具有巨大的潛力和應用前景 是未來綠色農業(yè) 循 環(huán)農業(yè)發(fā)展的大勢所趨 為此 總結了不同土壤增氧方式及設備的發(fā)展現狀 系統(tǒng)論述了增氧灌溉技術目前的 應用現狀 深入分析了增氧灌溉技術在改善土壤環(huán)境及作物生長等方面取得的成效和存在的問題 并提出多元 化增氧灌溉技術與智能化精準增氧技術將是未來發(fā)展的重點 最后 提出未來應著重于研究多元化增氧灌溉技 術的發(fā)展 提高增氧灌溉技術生產效率及建立田間智能化增氧調控系統(tǒng) 以此作為未來增氧灌溉技術發(fā)展的參 考 關鍵詞 增氧灌溉 技術體系 多元化發(fā)展 智能調控 中圖分類號 S233 6 文獻標識碼 A文章編號 1003 188X 2023 03 0001 07 0 引言 水資源已經成為制約農業(yè)生產和國民經濟發(fā)展的 瓶頸 1 2 面對農業(yè)灌溉用水與工業(yè) 生活 環(huán)境用水 競爭日趨緊張的現狀 為提高水資源利用率 地下滴 灌技術已在干旱和半干旱地區(qū)得到廣泛應用 3 地 下滴灌技術將液體肥料與水分混合后直接輸送到作 物根部 可以更加精準地為作物根系提供水分及養(yǎng) 分 減少化肥流失造成的環(huán)境污染 管道埋設在地表 以下 還可以減少地表水分的無效蒸發(fā) 且地表干燥 可減少雜草的生長 因在進行地下滴灌時 在土壤水 分濕潤鋒線區(qū)域 土壤氧氣含量降低 4 無法滿足作 物根系呼吸所需要的O2含量 土壤缺氧會造成作物 氣孔關閉 葉水勢降低 影響作物正常的生理功 能 5 6 成為農作物高產的主要限制條件 增氧灌溉技術 是在地下滴灌的基礎上 7 利用 空氣泵或者羅茨風機等通風裝置向作物根部土壤增 加空氣 或者采用文丘里裝置將空氣以微氣泡的形式 摻入灌溉水中 以此提高土壤環(huán)境中O2含量 緩解作 物根部的缺氧癥狀 8 10 改善作物根際土壤微環(huán)境和 收稿日期 2021 03 23 基金項目 海南省自然科學基金項目 519QN289 中國熱帶農業(yè)科學 院創(chuàng)新團隊項目 19CXTD 31 黑龍江八一農墾大學學生 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目計劃項目 202010223054 作者簡介 溫昊陽 1999 男 山西朔州人 本科生 已推免至河海大 學碩士研究生 E mail 19845916068 qq com 通訊作者 張冬梅 1976 女 云南華林人 副教授 E mail 459063026 qq com 土壤酶活性 維持作物根系正常的新陳代謝和呼吸功 能 提高作物的產量與品質 11 為此 筆者對土壤增氧方式 增氧灌溉技術對土 壤環(huán)境 根系生長及作物產量 品質的作用機理進行 系統(tǒng)分析 并提出未來應進一步發(fā)展多元化增氧灌溉 技術 再生水增氧灌溉及智能調控增氧灌溉技術 為 進一步提高農業(yè)用水效率 優(yōu)化農業(yè)灌溉技術及促進 農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的奠定理論基礎 1 不同增氧灌溉方式應用現狀 國外增氧灌溉技術始于20世紀70年代末 我國 在增氧灌溉技術綜合利用方面起步較晚 目前對作物 根區(qū)土壤進行增氧的方法主要分為工程法 作物法 化學法及物理法 1 1 工程法 工程法是指利用農業(yè)水土技術 農業(yè)工程技術等 措施 改變了土壤微觀結構 由于土壤孔隙度得到了 改善 大氣與土壤氣體擴散性能得到增強 提高土壤 通氣性 12 1980年 Kurtz及Kneebone通過刺穿土壤剖面或 移除小塊土壤 增加了土壤總孔隙空間 提高了土壤 根系與大氣的氣體交換能力 但該方法下的土壤孔隙 持續(xù)時間較短 且操作時容易損傷作物根系 1997 年 蘇格蘭公司研發(fā)一種作物根系通氣盆 通過在花 盆側壁進行打孔 促進大氣與花盆內土體的氣體交 換 提高了土壤中O2含量 13 以達到提高作物產量 的目的 但對花盆側壁打孔較費工 應用成本高 20 1 2023年3月 農 機 化 研 究 第3期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 03 032 世紀初 逐漸發(fā)展一些土壤疏散物質 如聚乙烯 石 膏 蛭石 堆肥 有機覆蓋物 巖石和珍珠巖等合成材 料來增加土壤孔隙度 保持土壤通氣性 1999年 Brandsma利用聚乙烯加入土壤內部 由于土壤絮凝化 成分含有離子膠合體 可以改變土壤顆粒的電荷聚 集 在此基礎上 Wild進行棉花種植試驗時 通過將 石膏深埋 因土壤溶液中的碳酸鈉和重碳酸鈉作用 生成易溶于水的硫酸鈉 消除耕層土壤的堿性 提高 土壤孔隙度 對棉花產量的提高有一定促進作用 14 2003年 孫周平等在馬鈴薯種植前 通過在土壤底部 埋設一個拱形網 拱形網下端為空氣層通過空氣滲透 到作物根系周圍 但槽栽法需要進行土體改造 費時 費工 勞動強度大 難以進行大面積的推廣應用 后期 通過工程技術措施建立地下滴灌排水系 統(tǒng) 在灌溉 降雨后及時排水 通過改變土壤的固 液 氣三相比例來改善土壤結構 用以提高作物根區(qū)土壤 O2含量 1 2 作物法 不同作物類型和相同作物類型下的不同品種之 間 對根區(qū)缺氧的適應能力存在明顯的差異性 15 探索適應低氧條件的作物基因型是提高缺氧土壤生 產力的方法之一 有研究表明 西紅柿幼苗與水稻幼 苗同時進行營養(yǎng)液栽培 水稻幼苗的根系會緩慢釋放 O2進入營養(yǎng)液 西紅柿幼苗通過吸收O2來改善自身 生長狀態(tài) 但是 在土壤中是否會有類似的現象還未 可知 1 3 化學法 化學法是將一些含氧化合物按一定比例加入土壤 中 通過含氧化合物在土壤中分解產生O2 進而達到 提高土壤O2含量的目的 國內外學者對化學法在田 間應用做了大量研究 常見的含氧化合物主要包括過氧化鈣 CaO2 過 氧化鈉 Na2O2 過氧化鎂 MgO2 及過氧化氫 H2O2 等 其中 CaO2具有成本低和效果好的特點 與水反應緩慢釋放氧氣 與土壤混合使用一次 土壤 一周內都可以維持較高的O2含量 緩解作物根系低 氧脅迫 同時釋放熱量以提高土壤溫度 BICONET 1972 1980年 Herr利用CaO2為土壤提供氧氣 但 收效甚微 這是由于土壤對O2的需求量較大 而這 些化合物只能提供少量而短暫的O2供應 且作用部 位有限 持續(xù)時間較短 16 在田間農業(yè)生產應用中 將低濃度的過氧化氫 H2O2 溶液與灌溉用水混合 來達到提高作物根區(qū)土 壤的O2含量的目的 1982年 Hodgson and Chan通過 地下滴灌技術 在每次灌水結束后注入過氧化氫 H2O2 25min 與普通地下滴灌相比 西葫蘆的產量提 高了25 這是通過地下滴灌向作物根區(qū)加入過氧化 氫 H2O2 第一個發(fā)表的成功研究 過氧化氫 H2O2 針對不同作物 不同類型的土壤 上的應用效果也表現出大的差異性 在重粘土 鹽漬 土等障礙性土壤中 實施根區(qū)增氧后效果更明顯 相 反 過氧化氫無限地溶于水 可能使溶解氧濃度達到 1000 10 6 但在高溫下對微生物有毒 因此 過氧化 氫 H2O2 必須以足以達到通氣目的的低濃度引入 Raifai和Newell 1994 由過氧化氫對土壤微生物 的影響的初步評估表明 以0 001 的溶液進行增氧 在蔬菜大豆作物灌溉期間連續(xù)施用不會對可測量的 土壤細菌數量產生負面影響 但未評估微生物組之間 的差異性影響沒有進行研究 在化學增氧方法中 過氧化氫 H2O2 的氧化效果 更好 使用方便 但由于過氧化氫 H2O2 易于分解 導 致在應用時局限性較強 過氧化氫 H2O2 本身具有 強氧化性 對作物生長及土壤是否有消極影響還未可 知 所以 該技術無法進行大面積使用 需要對過氧化 氫 H2O2 的含量 加入時間和方法及對土壤健康的影 響進行試驗研究 1 4 物理法 物理增氧法 又稱為機械增氧法 是在地下滴灌 的基礎上 利用加氣設備將水分和氣體直接輸送至作 物根部 是一種最直接的土壤增氧方式 主要分為水 氧分離與水氧結合兩種方式 1 4 1 水氧分離法 水氧分離法 是在地下滴灌的基礎上 結合土壤 通氣技術 利用空氣壓縮機向管內通氣 達到提高土 壤O2含量的目的 國外最早對土壤進行物理增氧是在1949年 Mel sted S W通過空氣壓縮機將空氣直接加壓進入根區(qū)土 壤中 類似于對土壤進行 強制通風 試驗結果表 明 通過對土壤進行 強制通風 可以提高土壤通氣 性 改善土壤環(huán)境 后期 利用空氣壓縮機向土壤中 埋設的穿孔軟管注入空氣 達到提高土壤O2含量的 目的 這也是現在物理增氧灌溉技術的雛形 利用這 種措施 每天向土壤中通氣1h 番茄產量較不通氣處 理提高24 還可以改善作物品質 18 水稻生育過 程中僅靠水中的O2無法滿足自身生長 代謝等生命 活動 通過提高水稻生長環(huán)境中O2含量 可以提高水 稻光合產物的轉化 使水稻根系生長旺盛 后期西北 農林科技大學郭超 朱艷 溫改娟及李元等利用空氣 2 2023年3月 農 機 化 研 究 第3期 壓縮機對溫室番茄 甜瓜及盆栽玉米進行增氧灌溉 結果表明 增氧灌溉條件下可以改善土壤環(huán)境 提高 土壤通氣性 土壤微生物活性提高 作物光合速率 蒸 騰速率及氣孔導度都有所提高 土壤有機質分解徹 底 促進作物根系對土壤養(yǎng)分的吸收 提高作物干物 質積累 利用該方法進行大田試驗 田間氣體傳輸穩(wěn) 定 氧氣在管道中分布均勻度高 灌水后進行加氣處 理還可以提高土壤水分分布均勻度 有利于提高水分 利用效率 19 水氧分離法是目前田間試驗較為常用的一種土壤 增氧方式 且在地下滴灌系統(tǒng)的基礎上增加氣泵等土 壤通氣裝置 使用方便 運行成本較低 適宜田間大面 積使用 1 4 2 水氧結合法 水氧結合法又稱微泡法 是一種新的農業(yè)灌溉技 術 于2000年在美國開始使用 基本原理 利用文丘 里管注射器將空氣直接吸入水流中 提高水中溶解 氧 O2以氣泡的形式存在于灌溉水中 補充了作物生 長消耗的氧氣 用于土壤和無土栽培系統(tǒng)的根部和微 生物呼吸 目前 水氧結合法主要包括Seair系統(tǒng)純氧 曝氣 射流振蕩器曝氣及文丘里注射器曝氣3種方 式 20 Seair系統(tǒng)純氧曝氣和射流振蕩器曝氣裝置 在使用過程中 穩(wěn)定性較差 曝氣產生的氣泡較大 聚 集在管道頂部導致出氣不均勻 導致水中溶氧量較 低 生產效率低 不適合大范圍推廣應用 目前 國外 多使用Mazzei文丘里注射器進行水體增氧 不會出現 氣泡聚集 出氣不均勻等情況 溶氧效率高 同時能保 持管道內流體運動及壓力的平穩(wěn) 對水氧結合灌溉模式下的技術參數進行試驗發(fā) 現 水氧結合下的作物增產效益隨著管道長度的增加 而降低 這種衰變效應主要是由于水中溶解氧含量隨 著管道的增加而逐漸降低 所以 使用水氧結合的方 式需要對水中溶解氧的變化規(guī)律進行研究 以保證水 氧結合方式下效益最大化 近年來 水氧結合法又取得了新的進展 利用微 納米曝氣裝置 將空氣壓縮成納米級氣泡注入灌溉水 中 提高了水中溶解氧含量 產生的含氧微氣泡較小 氣泡中含氧量較高 在管道中擴散均勻 在管道中留 存時間較長 目前 微納米氣泡技術多用于污水處理 技術中 但相關研究目前尚處于初步階段 且器材較 為昂貴 大面積推廣還有一定難度 2 增氧灌溉技術研究現狀 當灌溉不當造成土壤根部積存過多水分時 會對 土壤環(huán)境及作物生長產生不利影響 增氧灌溉技術 可以緩解由于灌溉 降雨及農業(yè)操作對土壤造成的低 氧脅迫 改善土壤環(huán)境及作物生長 提高作物產量和 品質 隨著增氧灌溉技術優(yōu)勢的凸顯 增氧灌溉技術 在各個地區(qū)及不同作物均進行了應用研究 2 1 增氧灌溉技術對土壤環(huán)境的影響 2 1 1 改善土壤通氣性 土壤通氣通過土壤的肥力 進而影響農作物的生 長 土壤通氣性較差 土壤氧氣可利用性低 O2的擴 散 底物的運輸 根系的生長 CO2的排放等都有可能 被影響 進而成為土壤呼吸的限制因素 只有在通氣 良好的土壤中 氣體交換才能順利進行 過量的CO2 和N2O才能順利排放 土壤呼吸強度 土壤氧擴散速 率和土壤通氣速率通常用于指示土壤通氣狀態(tài) 土壤呼吸是在消耗氧氣的同時向大氣中釋放CO2 的過程 而由此造成的氣體含量梯度是氣體擴散的驅 動力 因此 當土壤通氣不良時 土壤呼吸 產生二氧 化碳的過程 將受到限制 土壤中的二氧化碳含量將 急劇增加 土壤呼吸速率隨土壤含氧量的增加而增 加 與對照試驗相比 增氧灌溉下土壤呼吸速率和土 壤含氧量顯著增加 22 氧氣擴散速率 oxygen diffusion rate ODR 作為衡 量土壤通氣性最有效的指標之一 用來反映原位土壤 中氧氣的供應狀況 23 2020年 臧明采用增氧灌溉 對冬小麥作物根區(qū)土壤氧氣擴散速率影響進行試驗 研究 結果表明 提高土壤O2含量 可以增強土壤 ODR 改善溫室番茄產量 2 1 2 提高土壤酶和微生物活性 土壤微生物分解植物殘留物以產生土壤酶 在土 壤酶和土壤微生物的共同作用下 完成了土壤有機質 的代謝分解 氮的轉化和養(yǎng)分的合成 Davies等在研 究中指出 土壤通氣性降低 阻礙空氣與土壤氣體的 交換 土壤處于缺氧狀態(tài) 會降低作物對土壤養(yǎng)分的 主動吸收 例如 隨著O2含量的減少 氮 磷 鉀 鈣 和鎂的吸收率會降低 McLaren和Cameron 1986 因 為無氧呼吸提供的ATP不足以提供能量來滿足礦物 質吸收的需求 Barrett Lennard 2003年 隨著O2含 量的增加 土壤酶 微生物的活性和繁殖能力增強 Balota 2004 及Emilssona 2007 等研究認為 25 提 高作物根際土壤O2含量 蔗糖酶和脫氫酶等土壤主 要酶均有顯著提高 有機質在土壤中的分解迅速 及 時補充土壤中的礦物質資源 促進了作物根系對土壤 水分和養(yǎng)分的有效吸收 2013年 謝冬等人通過試驗 研究表明 增氧灌溉技術可以增加根際微生物的活 3 2023年3月 農 機 化 研 究 第3期 性 提高根際微生物的分解能力 為作物生長提供良 好的土壤環(huán)境 2 1 3 提升土壤肥力 缺氧條件會抑制養(yǎng)分向根部運輸 限制了根系滿 足芽的礦物質和水分需求的能力 Samad et al 2001 缺氧引起的根系水力傳導率降低與木質部血管的阻 塞和軸向水的受限有關 在缺氧的土壤中 韌皮部在 厭氧根中的卸載停止 并且阻礙了代謝物和生長調節(jié) 劑在根與芽之間的運輸 McKersie and Hunt 1987 缺 氧也增加根部的水力阻力 減少了水和礦物質從根部 通過木質部到枝條的運輸 Steudle 2000年 眾所周 知 由于根細胞膜的半透性不完全 厭氧條件下的水 分和礦物質吸收較差 Gibbs和Greenway 2003年 根部通道蛋白的抗性增加或密度降低 根系對水的電 導率降低 溶解氧或土壤中氧的擴散速率降至臨界值 以下 農作物可直接利用的礦質元素含量不足 農作 物吸收土壤養(yǎng)分積累能力下降 26 造成作物根向地 上部運輸能力下降 27 限制了土壤肥效的充分發(fā)揮 導致植物營養(yǎng)缺乏 是使植物老化加快及水肥流失的 直接原因 土壤氧氣含量的升高 加速了土壤微生物和有機 物的分解 釋放出有機碳 促進了土壤的內部化學循 環(huán) 減少了農作物對化肥的依賴 李天來等的研究也 證明 有氧灌溉技術顯著增加了基質中有效養(yǎng)分的含 量 堿水解氮比對照組增加了12 5 速效磷比對照 提高12 02 作物積累量提高 通氣不良會導致根系生長受限 導致無法充分利 用作物上的氮素 Heuberger等 2001 缺氧根際中 氮的損失發(fā)生在反硝化作用和浸出過程中 Focht 1992 如果根區(qū)周圍的空氣改善 將對氮素利用效率 及農作物的生長和產量產生直接的積極影響 在一 項對植物汁液硝酸鹽進行定量研究的研究中 Heu berger等 2001 存在通氣增加硝酸鹽濃度的趨勢 同樣 對于增氧灌溉條件下的番茄種植 葉柄汁液中 的硝酸鹽氮含量提高了13 Bhattarai 2005 2003 年 陸景陵等指出 當土壤處于缺氧狀態(tài)時 NO2和N2 經過反硝化作用散失到空氣中致使大量N素流失 2019年 楊宏軍等人通過微泡曝氣方法 以溫室番茄 為試驗材料研究了增氧灌溉對土壤N2O排放的影響 結果表明 土壤NO3 NH4 充氣孔隙度 氧擴散速率 和土壤溫度是驅動土壤N2O排放的重要因素 29 且 土壤O2含量直接影響充氣孔隙度與氧氣擴散率 增 氧灌溉技術可以彌補常規(guī)灌溉引起的土壤O2逸出 土壤O2含量的增加促進了硝化作用的發(fā)生 并增加 了N2O的產生 有機磷是作物生長的重要磷源 但不能被作物直 接吸收 大多數活磷需要被礦化為無機磷被根系吸 收 轉化 提高土壤O2含量可以提高土壤微生物活 性 進而提高土壤有機質轉化 增強礦化速率 土壤磷 可以轉化為更多有效磷被作物吸收利用 為農作物提 供更有效的磷源 2 2 增氧灌溉技術對作物生長的影響 2 2 1 增強作物生理特性 由于根系呼吸不良會減少水分和養(yǎng)分的吸收 且 土壤中的化學變化會產生限制整個植物生長的毒素 Fernhout和Kurtz 1999年 土壤通氣性差對植物生 長的影響遠大于對根系生長的影響 增氧灌溉技術 可以顯著提高土壤O2含量 土壤呼吸速率 光合速率 及蒸騰速率 增氧灌溉后土壤中O2含量明顯高于普 通地下滴灌 且灌水期間普通地下滴灌O2含量降低 45 增氧灌溉僅降低25 后期 鷹嘴豆試驗中也 得到類似結論 Bhattarai 2008 通過對溫室番茄進行增氧灌溉試驗研究 與對照 試驗相比 土壤呼吸速率增大了33 16 30 2020 年 孫燕等探討了水培條件下微咸水溶解氧濃度對小 白菜光響應特征及產量的影響 土壤缺氧的主要表現 為氣孔導度和吸水率降低 導致冠層蒸騰作用減少 增氧處理有利于增強小白菜的耐蔭性和忍受強高光 的能力 促進了飽和土壤條件下的冠層水分吸收 植 株生理活性提高 光合效率增強 有利于作物高產 研究表明 長期淹灌降低了水稻根際溶解氧含 量 從而影響水稻的根際生長環(huán)境 水稻的產量并不 隨著灌溉用水量增加而增加 適當進行水分調控可以 實現高產與節(jié)水相統(tǒng)一 2008年 張榮萍等研究表 明 在水稻生長過程中提高水稻生長環(huán)境中的O2含 量 可以增強水稻各項生理指標 提高水稻干物質的 轉化與積累 最終提高水稻產量 2 2 2 提高根系活力 長期以來 植物根系存在于土壤種植層中 在根 際缺氧的環(huán)境中 根生長受到嚴重限制 作物的根系 活力隨根部土壤濕度持續(xù)升高引起的缺氧而降低 對于使用SDI灌溉的農作物 因為土壤灌溉期間和灌 溉后的大部分時間內 接近排放源的土壤保持飽和狀 態(tài) 根際O2含量明顯低于臨界范圍 而根系可能會發(fā) 生缺氧 Bhattarai等 2004 土壤O2含量降低 土壤 中根系及微生物呼吸減弱 根系吸收水分和養(yǎng)分速率 也下降 2003年 Alonso等研究表明 3 的O2含量 直接誘導作物根系發(fā)酵 根系呼吸降低 從而降低了 4 2023年3月 農 機 化 研 究 第3期 ATP的產生數量 以上研究表明 通氣性較差的土壤 是作物幼苗根系生長的主要限制因子 相對于成熟的 植物來說 幼苗對組織缺氧更敏感 影響作物根系活 力 土壤中水分和養(yǎng)分向植株組織的轉移速率也會下 降 O2供給確保了根系的最佳功能 提高了根系活 力 增加土壤中O2含量 有利于根系從土壤中吸收 水分與養(yǎng)分 促進作物組織中可溶性糖類 可溶性蛋 白質等物質的形成 作物根系發(fā)達 根長 根數及根干 重也有所提高 對養(yǎng)分的吸收量增加 土壤中有機質 分解轉化也快 根系生長狀態(tài)即根系活力較普通地下 滴灌有所提高 2 2 3 提升作物產量及品質 2013年 Abuarab等在對增氧灌溉下連續(xù)種植玉 米兩年發(fā)現 增氧灌溉比傳統(tǒng)灌溉產量提高23 78 和38 46 提高土壤O2含量 通過進行西葫蘆田間 試驗研究與對照相比 粘土土壤的含氧量增加25 Huber 2000 在重質粘土對大豆和棉花進行的增 氧灌溉試驗中 與對照相比 平均單產分別提高了 12 84 和21 Bhattarai等人 2004 同樣 在加 利福尼亞農業(yè)技術研究所灌溉技術中心的田間試驗 中 在壤土和沙質壤土上 增氧灌溉條件下甜椒數量 增加了33 總量增加了39 果實產量 Goorahoo等 2002 在德國 使用15cm深度的滴灌帶在花椰菜的 田間持水量為6 的空氣孔隙度土壤上進行的田間試 驗中 增氧灌溉處理下 光合產物的運轉效率高 塊根 中光合產物積累多 塊根產量就高 總干物質比普通 地下滴灌更高 32 增氧灌溉技術在增加農作物產量的同時也可以在 一定程度上改善農作物的質量 Heuberger 1999 研 究表明 與普通灌溉處理相比 增氧灌溉處理對甜玉 米的品質產生更為積極的影響 甜玉米中的鎂 硒 維 生素E和可溶性固形物均增加 同時 劉杰 2010 張敏 2011 溫改娟 2013 李媛 2016 等人對溫室 番茄和甜瓜進行增氧灌溉試驗 并研究了影響品質的 不同指標 如維生素C含量 總可溶性糖含量及可溶 性固形物含量等 發(fā)現各指標均在增氧情況下提高顯 著 Shahien 2014 等通過對馬鈴薯進行試驗發(fā)現 增 氧處理下的作物根系可溶性糖含量有不同程度的增 加 以上研究表明 土壤中O2含量的增加更有利于 作物的生長發(fā)育 果實中游離氨基酸 可溶性糖和可 溶性蛋白的含量均有所提高 果實風味好且產量高 經濟系數較高 33 增氧灌溉技術對粘重土壤效果更加明顯 2006 年 Greenway等研究發(fā)現 當土壤中O2含量達到20 時 甜菜根重與糖分含量均有所增加 2007年 Yukan 等研究發(fā)現 提高土壤O2含量 在提高作物產量的同 時 可以提高果實中的可溶性糖類物質 3 增氧灌溉技術未來發(fā)展趨勢 3 1 多元化增氧灌溉技術的發(fā)展 多元化增氧灌溉技術可將化肥 植物生長調節(jié)劑 及殺蟲劑等農用化學品隨著增氧灌溉水輸送至作物 根部土壤 實現農業(yè)投入物的效益最大化 節(jié)省能源 成本和時間 減少化肥及殺蟲劑等農用化學品的使 用 并最大程度地降低浪費和污染 增氧灌溉技術的 多元化將大幅度提高地下滴灌系統(tǒng)的生產效率 多種農業(yè)投入物的混合運輸可以提高農業(yè)生產效 率 土壤O2是決定土壤肥力的重要因素之一 因此 有必要在灌溉和灌溉后保持土壤中高的O2含量 以 增加作物根系的需氧呼吸 驅動作物根系積極吸收養(yǎng) 分和水分 Barrett Lennard 2003年 在土壤缺氧或 低氧條件下 由于作物根部區(qū)域的氧氣供應量低 肥 料和農用化學品等投入品的有效性會降低 Bhattarai 等人 2006 作物養(yǎng)分特別是N Mn Fe Ca的吸收 最易受到O2脅迫的影響 Morard等 2004 低氧環(huán) 境下作物根系對Ca的吸收減少 導致番茄開花期腐 爛 Bhattarai等人 2005年 和胡蘿卜腔斑點的快速發(fā) 育 一種胡蘿卜低氧根環(huán)境中的病理學問題 Hil tunen和White 2002年 在增氧灌溉的同時為作物輸 送植物養(yǎng)分 生長調節(jié)劑及殺蟲劑等農用化學 通過 改變土壤O2含量來調節(jié)作物生理 病理和生化過程 以達到提高農業(yè)生產的目的 3 2 作物動態(tài)需氧模型的建立 土壤是一個開放的耗散系統(tǒng) 隨時與外界交換物 質和能量 且土壤中的空氣不斷在土壤中運動 并不 斷與大氣交換 在土壤空氣中 CO2的濃度高于大氣 的濃度 而O2的濃度低于大氣的濃度 這會分別產生 CO2和O2的分壓差 由于分壓梯度的存在 促進了土 壤與大氣之間的氣體交換 從大氣到土壤空氣 大氣 和土壤氣體的傳遞過程是維持土壤O2含量的主要途 徑 影響土壤O2含量的主要因素有大氣因素 包括 大氣溫濕度 大氣壓力 光照強度及風速等 土壤性 質及農業(yè)管理措施等 由于外界環(huán)境的不斷變化 導 致土壤O2含量處于動態(tài)變化中 不同的農作物在不同的時期有著不同的耗氧量和 需氧量 不同作物正常生長的土壤O2濃度臨界值是 不同的 對于低氧具有耐受性的作物 有效根系功能 5 2023年3月 農 機 化 研 究 第3期 所需的氧氣最少為2 5 mg L 而需氧量較大的作物中 有效根系呼吸所需的氧氣濃度為5 10 mg L Drew和 Stolzy 1996 Hewitt 1966 發(fā)現氧氣含量溶液培養(yǎng)物 中小于0 7 mg L導致鱷梨和柑桔根受到傷害 鱷梨 永久停止生長 而0 6 mg L柑桔則沒有 如果土壤 中的氧氣含量低于0 5 大豆 煙草和番茄的根系生 長就會停止 另一方面 同一作物在不同生育時期所 需O2含量也不同 作物在在發(fā)芽和早期發(fā)育等關鍵 階段需要更多的氧氣 Blackwell and Wells 1983 作 物種子發(fā)芽所需的O2主要來自土壤 如果土壤中的 O2不足 將會影響種子發(fā)芽的生化過程 作物根系生 長必須有一定的供氧量 土壤O2含量必須高于作物 所需O2含量的臨界值 否則會影響根系生長 影響作 物根系對水分及養(yǎng)分的吸收 根系生長較差會降低作 物的抗倒伏能力 后期隨著作物的生長 作物所需O2 主要依靠自身光合作用 土壤O2含量對作物生長影 響較小 因此 對于不同作物及作物不同生育周期需氧量 處于動態(tài)變化中 作物在整個生育周期中都需要平衡 地供應水 養(yǎng)分和空氣 未來應該對作物整個生育周 期動態(tài)需氧量開展研究 實現精準供氧 提高農業(yè)生 產效率 為后期增氧灌溉智能化控制提供理論依據與 技術支撐 3 3 智能化增氧灌溉系統(tǒng)的研究 目前 我國已經建立了比較完善的農業(yè)監(jiān)測系 統(tǒng) 可以實現對農田資源信息的動態(tài)監(jiān)測 同時 建 立了農業(yè)大數據中心及農業(yè)數據的收集 共享 分析 和使用方法 并在信息獲取 參數反演 模型構建和準 確性驗證等方面開發(fā)了一系列信息技術 農業(yè)生產 歷史數據和實時監(jiān)測數據的綜合分析 提高了對作物 種植面積 生產進度 農產品質量 天氣情況 氣候條 件 災害程度和土壤環(huán)境的關聯(lián)監(jiān)測能力 可支持農 業(yè)生產的智能化和農業(yè)環(huán)境的準確監(jiān)測 從源頭提高 農業(yè)生產效率 隨著增氧灌溉技術的不斷發(fā)展 生產 及規(guī)模化的逐漸擴大 其控制過程也向自動化和智能 化轉變 在線監(jiān)測土壤環(huán)境參數是自動控制的前提和 基礎 但是 目前市面上土壤氧氣傳感器空缺 難以 在線實時測量 傳統(tǒng)方法是利用土壤氧氣測定儀埋進 土壤需要測量的位置進行檢測 測量時擾動土壤 存 在很大的測量誤差 測量數值具有滯后性 無法及時 對土壤進行氣體補償 難以在農業(yè)生產過程中大規(guī)模 推廣和發(fā)揮作用 突破土壤氧氣含量的監(jiān)測評估和預測分析等關鍵 核心技術 構建實時監(jiān)測 分析預警和指揮調度于一 體的土壤氧氣智能決策系統(tǒng) 考慮大氣環(huán)境與其他土 壤因子對土壤氧氣含量的交叉混合影響 基于不同土 壤環(huán)境及不同作物品種生長時期的動態(tài)需氧模型 精 確補償不同時期作物的需氧量 以滿足作物生長期間 的耗氧需求 4 結論 1 通過結合多種農業(yè)耕作技術改善對現有滴灌 系統(tǒng)的管理 將增氧灌溉技術與其他農用化學品精確 配合使用 提高肥料和化學品的利用效率 減少傳統(tǒng) 施肥和其他農業(yè)措施的潛在污染 提高了農業(yè)生產 率 促進了農業(yè)可持續(xù)發(fā)展 2 建立作物生長過程中動態(tài)耗氧量模型及土壤 氧氣和大氣之間的氧氣傳輸過程 分析土壤氧氣在作 物不同時期的衰減規(guī)律 基于人工神經網絡預測土壤 氧含量與作物需氧量之間的偏差 為田間增氧智能化 調控系統(tǒng)的建立提供理論基礎 3 建立田間增氧智能化調控系統(tǒng) 構建田間農業(yè) 信息 圖像知識儲藏知識庫 并建立土壤氧氣智能決 策系統(tǒng) 實現對田間水分 養(yǎng)分及氧氣的自動補償機 制 降低了增氧灌溉系統(tǒng)的運行成本 促進了我國農 業(yè)生產灌溉技術的智能發(fā)展 參考文獻 1 LEI H BHATTARAI S BALSYS R et al Temporal and spatial dimension of dissolved oxygen saturation with fluidic oscillator and mazzei air injector in soil less irrigation sys tems J Irrigation science 2016 34 6 1 10 2 雷宏軍 肖哲元 張振華 等 水肥氣耦合滴灌提高溫室 番茄土壤通氣性和水氮利用 J 灌溉排水學報 2020 39 3 8 16 3 肖勝生 熊永 段劍 等 基于組分區(qū)分的南方紅壤丘陵 土壤呼吸對植被類型轉換的響應 J 農業(yè)工程學報 2015 31 14 123 131 4 THOMPSON T L DOERGE T A GODIN R E Subsurface drip irigation and fertigation of broccoli II Agronomic eco nomic and environmental outcomes J Soil science society of America journal 2002 66 1 178 185 5 于珍珍 汪春 劉少東 等 增氧灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化設計 J 農機化研究 2019 41 10 106 110 6 雷宏軍 王露陽 潘紅衛(wèi) 等 紫茄生長及養(yǎng)分利用對增 氧地下滴灌的響應研究 J 灌溉排水學報 2019 38 3 8 14 7 CHEN X M DHUNGR J BHATTARAI S P et al Impact of oxygation on soil respiration yield and water use efficien cy of three crop species J Journal of plant ecology 2011 4 6 2023年3月 農 機 化 研 究 第3期 4 236 248 8 于珍珍 李海亮 汪春 等 地下固定式滲灌系統(tǒng)的設計 J 農機化研究 2020 42 2 130 134 140 9 PENDERGAST L BHATTARAI S P MIDMORE D J Ben efits of oxygation of subsurface drip irrigation water for cot ton in a Vertosol U Crop 2 Bei dahuang agricultural reclamation Group Co Ltd Harbin 150000 China Abstract In view of the small size and light weight of millet the system is not easy to identify in the process of hole so wing monitoring and the mutual occlusion between millet in the process of seed dropping makes the counting system have large errors In this paper combined with the requirements of millet hole sowing agronomy a microprocessor based hole sowing monitoring and counting compensation system is designed which uses the upper computer and the lower com puter to collect and display data monitoring and measuring system of millet bunch sowing Through the single factor con trast test the auxiliary metering function of millet hole sowing monitoring and counting compensation system was verified Through the field test it is verified that the performance of millet hole sowing monitoring and metering system is stable and reliable The maximum error rate of millet hole sowing counting is 2 4 and the accuracy rate of empty box alarm is 100 The accuracy of millet hole sowing counting is effectively improved and the operation quality of seeder is en hanced Key words millet hole sowing measurement monitoring 上接第7頁 Abstract ID 1003 188X 2023 03 0001 EA Analysis on the Research Status and Development Trend of Aerobic Irrigation Technology Wen Haoyang1 Yu Zhenzhen1 Wang Chun1 Zhang Dongmei1 2 Wang Hongxuan1 Zou Huafen2 1 College of Information and Electrical Engineering Heilongjiang Bayi Agricultural University Daqing 163319 China 2 Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences South Subtropical Crops Research Institute Zhanjiang 524022 China Abstract The aerobic irrigation technology has great potential and application prospects in improving the soil environment and increasing crop yields It is the general trend of the development of green agriculture and circular agriculture in the fu ture This article summarizes the development status of different soil aeration methods and equipment systematically dis cusses the current application status of aerobic irrigation technology and deeply analyzes the effects and existing problems of aerobic irrigation technology in improving the soil environment and crop growth It is proposed that diversified aerobic irrigation technology and intelligent precision aeration technology will be the focus of future development The future should focus on the development of diversified aerobic irrigation technology improve the production efficiency of aerobic irrigation technology and establish intelligent field aeration r