2022 年 10 月 灌溉排水學(xué)報(bào) Oct 2022 Journal of Irrigation and Drainage 第null 41 卷 第null 10 期 No 10 Vol 41 34 文章編號(hào) 1672 3317 2022 10 0034 07 地下滴灌加氣技術(shù)研究進(jìn)展 孫 昊 1 莫 彥 2 李光永 1 張彥群 2 龔時(shí)宏 2 1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 北京 100091 2 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水利研究所 北京 100048 摘 要 地下滴灌加氣技術(shù)是通過(guò)對(duì) 地下滴灌管網(wǎng)加氣來(lái)改善根區(qū)土壤通氣條件 避免低氧脅迫對(duì)作物造成不利影 響 促進(jìn)作物增產(chǎn)提質(zhì) 的一 種新型灌溉技術(shù) 明確 不同條件下地下滴灌加氣技術(shù)的實(shí)施效果 確定適宜的加氣灌溉 模式與配套設(shè)備是推動(dòng)該技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵 通過(guò)總結(jié) 近年來(lái)地下滴灌加氣技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展與成果 全面 總結(jié)了作物生長(zhǎng)適宜的根區(qū)土壤氧氣條件 以及地下滴灌加氣 技術(shù)對(duì)土壤環(huán)境與 作物生長(zhǎng)的改善效果 并重點(diǎn)探討了 加氣模式與加氣設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀 存在的 問(wèn)題和 發(fā)展趨勢(shì) 目前 地下滴灌加氣技術(shù)在作物產(chǎn)量與品質(zhì)提升方面效 果顯著 但仍存在需進(jìn)一步研究和解決的問(wèn)題 首先是作物需按時(shí) 按需加氣 其次需要 從 氣源 灌溉系統(tǒng) 土壤 環(huán)境 作物生長(zhǎng) 全過(guò)程提升加氣綜合利用效率并 研發(fā)實(shí)用 高效的 地下滴灌 專(zhuān)用加氣設(shè)備 關(guān) 鍵 詞 地下滴灌 加氣灌溉 氧氣量 閾值 加氣模式 加氣設(shè)備 中圖分類(lèi)號(hào) TV93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2021579 OSID 孫昊 莫彥 李光永 等 地下滴灌加氣技術(shù)研究進(jìn)展 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 2022 41 10 34 40 SUN Hao MO Yan LI Guangyong et al Development in Aerated Subsurface Drip Irrigation A Review J Journal of Irrigation and Drainage 2022 41 10 34 40 0 引 言 1 土壤 孔隙中的 氧氣是植物根系 土壤微生物與動(dòng) 物呼吸作用的重要氧氣來(lái)源 1 與水 肥 熱 光共同 構(gòu)成作物生長(zhǎng)的主要影響因素 2 土壤黏粒量高 地下 水埋深淺 洪澇災(zāi)害等自然因素和農(nóng)業(yè)機(jī)械碾壓 過(guò) 度灌溉施肥等人為因素 均 會(huì)導(dǎo)致土壤氧氣 量 降低 3 出 現(xiàn)低氧脅迫現(xiàn)象 對(duì)作物產(chǎn)生一系列的生理危害 根 系對(duì)土壤中水分與養(yǎng)分吸收能力下降 4 進(jìn)而造成 葉片 變黃脫落加快 新葉形成受阻 植物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)和生長(zhǎng) 速率減緩 干物質(zhì)減少 果實(shí)品質(zhì)低劣等現(xiàn)象 5 加氣 灌溉能優(yōu)化 土壤 三相比例 改善土壤微生物活性 酶 活性 氧化還原反應(yīng)等土壤微環(huán)境 提高土壤生產(chǎn)力 地下滴灌 SDI 作為加氣灌溉的最適宜載體 可直接向根區(qū)輸送水氣混合液或微型氣泡實(shí)現(xiàn)增氧 大量研究證實(shí) SDI 加氣能有效改善土壤環(huán)境 提高作 物產(chǎn)量與品質(zhì) 6 然而 目前針對(duì) SDI 加氣的技術(shù)參 數(shù) 與加氣效果的研究結(jié)果并不一致 制約了加氣技術(shù) 模式的提出和應(yīng)用 基于此 本文通過(guò)梳理主要作物 根區(qū)適宜氧氣量范圍 總結(jié) SDI 加氣效果 加氣模式 和加氣設(shè)備的應(yīng)用與優(yōu)化等多方面的研究成果 挖掘 收稿日期 2021 11 23 基金項(xiàng)目 中國(guó)水科院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目 ID0145B042021 國(guó)家自然 科學(xué)基金 項(xiàng)目 51909276 作者簡(jiǎn)介 孫昊 1996 女 碩士研究生 主要從事節(jié)水灌溉與新技術(shù) 研究 E mail 1214612188 通信作者 莫彥 1988 男 高級(jí)工程師 主要從事節(jié)水灌溉新技術(shù)與 裝備研究 E mail moyansdi 該研究領(lǐng)域存在的關(guān)鍵問(wèn)題 提出急需進(jìn)一步研究的 方向 旨在解決 SDI 加氣技術(shù)存在的問(wèn)題 為推動(dòng) SDI 技術(shù)規(guī)?；l(fā)展提供支撐 1 作物生長(zhǎng)對(duì)土壤氧氣 量的響應(yīng) 土壤氧氣主要由氣態(tài)氧 C 和液態(tài)溶解氧 DO 組成 7 二者通常隨土層深度的增加而減少 8 目前 關(guān)于 C和 DO的 適宜取值范圍研究大多圍繞蔬菜和瓜 果等經(jīng)濟(jì)作物開(kāi)展 一般要求根區(qū)的 C 值不能低于 15 蔬菜適宜的 DO 范圍為 10 20 mg L 果樹(shù)適宜 的 DO 范圍為 2 10 mg L 對(duì)于大豆 煙草 番茄 甜瓜等作物 當(dāng) C值 0 5 時(shí) 作物根系的抗氧化酶將產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng) 導(dǎo)致 根系受損甚至 生長(zhǎng)停滯 9 當(dāng) C 值 10 園林植物 根系將會(huì)無(wú)法正常生長(zhǎng) 10 紀(jì)拓 等 11 借助還原性鐵粉 來(lái)控制甜茶幼苗根區(qū)土壤 的 氧氣 量 當(dāng) C值 15 9 時(shí) 幼苗根系生長(zhǎng)受 到抑制 當(dāng) C 值 12 時(shí) 幼苗無(wú)法 存活 盡管土壤 DO 量較低 但由于土壤溶液通常 以 膜狀 的形式包裹在植株根系和土壤顆粒表面 土壤液 態(tài)溶解氧 更容易被根系吸收利用 12 當(dāng) DO 量為 0 5 2 0 mg L時(shí) 番茄根系的 有氧呼吸 將受阻或中斷 根系活力減弱 生長(zhǎng)速度減緩 當(dāng) DO量為 7 0 8 0 mg L 時(shí) 番茄根系活力最大 相比 DO 量為 1 2 6 4 mg L 條件下的番茄根系活力顯著提高 了 84 3 13 但過(guò)高 的氧氣質(zhì)量濃度 DO 量為 40 mg L 又 會(huì)造成番茄根 系發(fā)育不良 DO 量為 30 mg L是水培番茄生長(zhǎng)的上限 質(zhì)量濃度 14 黃瓜具有較好的耐低氧性 13 但在低氧 孫昊 等 地下滴灌加氣技術(shù)研究進(jìn)展 35 DO 量為 0 9 1 1 mg L 脅迫下 黃瓜葉面積指數(shù)為 對(duì)照 DO 量為 8 0 mg L 的 63 8 其鮮 物質(zhì)量 干 物質(zhì)量分別降低 36 1 和 40 4 15 當(dāng)使用微咸水加 氧滴灌時(shí) 小白菜的凈光合速率和地上部鮮物質(zhì) 量最 大值對(duì)應(yīng)的 DO 量為 18 5 mg L 16 對(duì)于盆栽枸杞和無(wú) 花果 適宜的根區(qū) DO量分別為 4 mg L和 6 0 mg L 17 蘋(píng)果砧木幼苗在根區(qū) DO 量為 1 5 2 0 mg L 的低氧脅 迫下會(huì)停止生長(zhǎng) 18 不同作物以及生長(zhǎng)階段對(duì)土壤氧 氣量的響應(yīng)程度不同 基于作物適宜生長(zhǎng)所需氧氣量 范圍制定科學(xué)合理的 SDI 加氧灌溉制度至關(guān)重要 2 地下滴灌加氣效果 目前 絕大多數(shù)研究主要采用土壤氧氣量 氧氣 擴(kuò)散率等物理指標(biāo)以及土壤微生物 酶活性等生態(tài)指 標(biāo)來(lái)定量表征 SDI 加氣技術(shù)對(duì)土壤環(huán)境的改善作用 此外 還有學(xué)者通過(guò)研究作物生理 產(chǎn)量 品質(zhì)和水 分 利用效率等方面的響應(yīng)來(lái)分析 SDI 加氣技術(shù)的應(yīng) 用 效果 2 1 加氣灌溉對(duì)土壤環(huán)境的影響 加氣灌溉對(duì)土壤 C值提升幅度較小 對(duì)于塿土和 壤土 加氣灌溉后土壤全生育期的 C值平均提升幅度 為 1 5 2 7 19 20 在加氣時(shí)和加氣后的有限時(shí)間內(nèi) 有 一定幅度的增加 21 然而對(duì)于土壤呼吸速率 SRR 在 SDI 加氣后顯著提升 25 2 38 8 19 20 當(dāng)灌水定 額較大 蒸發(fā)皿系數(shù) Kp 0 9 時(shí) SDI 加氣技術(shù)能增 強(qiáng)土壤供氧能力 土壤氧氣擴(kuò)散率 ODR 和氧化還 原電位 Eh 比不加氣處理分別提高了 14 9 和 9 7 22 作物根區(qū)是 土壤 根系 土壤微生物與酶 等因 素相互作用下的復(fù)雜系統(tǒng) 其中 土壤微生物是土壤 養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和生化反應(yīng)的重要推動(dòng)力 土壤硝化反應(yīng) 速效磷合成等過(guò)程均受微生物影響 而土壤微生物群 落構(gòu)成和種群數(shù)量與土壤氧氣量相關(guān) 加氣處理可提 高 0 15 cm 土層的微生物數(shù)量 提高有機(jī)肥使用效率 用于表征土壤微生物多樣性的 Shannon 指數(shù)提高了 4 2 生物種類(lèi)增加了 6 7 種 23 加氣灌溉可通過(guò) 增加硝化細(xì)菌數(shù)量 減少反硝化細(xì)菌數(shù)量來(lái)促進(jìn)土壤 硝化反應(yīng) 24 硝態(tài)氮平均生成速率提高了 41 4 25 硝態(tài)氮 量 可增加 18 6 101 4 21 除了硝態(tài)氮 加氣 灌溉還能提高 7 0 31 1 的土壤速效磷合成速率 26 促進(jìn)溫室果蔬對(duì)土壤鉀元素的吸收 20 并能降低秸稈 還田后土壤中有毒還原性物質(zhì) Fe2 和 Mn2 量 27 土壤酶主要來(lái)源于土壤微生物 作物根系和植株 殘?bào)w的分解 土壤動(dòng)物的排泄物等 土壤脲酶和磷酸 酶 活性一般作為評(píng)價(jià)土壤肥力的參考指標(biāo) 28 相比于 不加氣處理 加氣滴灌后滴頭下方 0 20 cm 土層的土 壤脲酶與磷酸酶活性能提高 1 0 27 0 29 過(guò)氧化 氫酶活性能提高 11 9 30 此外 周云鵬 31 研究結(jié)果 表明 加氣滴灌能提升 102 0 133 0 的脲酶量 2 2 加氣灌溉對(duì)作物生理指標(biāo)的影響 SDI 加氣技術(shù) 主要通過(guò)促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)來(lái)改 善地上部分生物量的積累 提高作物株高和莖粗 SDI 加氣技術(shù)對(duì)大豆 鷹嘴豆 南瓜等作物的總根長(zhǎng) 總 根表面積 總根體積和根系活力均有顯著的提高作 用 32 其中 番茄的根系長(zhǎng)度增加了 5 6 7 5 根 系活力提高了 7 6 17 5 33 在黃瓜發(fā)芽過(guò)程中 經(jīng)過(guò)早 中 晚 3 次加氣灌溉后 其發(fā)芽速率高峰值 比不加氣處理顯著提高了 27 5 34 循環(huán)曝氣處理后 的小白菜干物質(zhì) 光合速率 氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率分 別顯著提高了 42 0 868 6 157 1 和 55 6 35 文丘里加氣灌溉處理后 西瓜的葉 莖干質(zhì)量分別增 加了 7 5 50 3 和 34 8 64 7 36 在 SDI 微納米 氣泡 加氣條件下 春玉米株高和莖粗分別增加了 4 3 11 5 和 8 4 29 7 29 2 3 加氣灌溉對(duì)作物產(chǎn)量 品質(zhì)及 水分利用效率的影響 綜合考慮成本投入 加氧效果和經(jīng)濟(jì)效益 SDI 加氣技術(shù)主要應(yīng)用在番茄 19 黃瓜 20 小白菜 35 西瓜 36 甜瓜 37 辣椒 38 菠蘿 39 等溫室果蔬上 少量應(yīng)用在苜蓿 26 水稻 27 玉米 40 小麥 41 和馬 鈴薯 42 等糧食作物上 對(duì)于溫室果蔬 SDI 加氣后作 物的產(chǎn)量和水分利用效率分別提高了 3 6 66 4 和 5 9 60 0 對(duì)于大田糧食作物 SDI 加氣后作物的 產(chǎn)量和水分利用效率分別提高了 5 2 29 2 和 5 2 20 5 表 1 表 3 維生素 C 可溶性固形物 可溶性糖量等是衡量果蔬品質(zhì)的重要指標(biāo) 在 水肥 調(diào) 節(jié)的基礎(chǔ)上 加氣灌溉能進(jìn)一步改善果蔬品質(zhì) 西瓜 的酸糖比能顯著提高 11 2 54 4 番茄維生素 C 和 可溶性固形物量分別增加 10 4 44 0 和 1 0 3 9 表 1 表 3 3 地下滴灌加氣模式與設(shè)備 3 1 加氣模式 SDI 加氣模式主要包含加氣深度 加氣頻率 加 氣時(shí)間和加氣量 目前 學(xué)者們主要圍繞加氣頻率和 加氣量?jī)?yōu)選方面開(kāi)展研究 加氣時(shí)間較為固定 一般 隨灌溉過(guò)程同步加氣 3 1 1 加氣深度 加氣深度由滴灌帶 管 埋深決定 在根區(qū)附近 加氣能更有效地緩解低氧脅迫問(wèn)題 26 但受深埋 SDI 存在作物出苗難 滴灌帶 管 損壞不易更換 43 等問(wèn) 題限制 在調(diào)查的 全部 文獻(xiàn)中 92 9 的 滴灌帶 管 埋深范圍是 10 20 cm 屬于淺埋滴灌 較淺的加氣 灌溉排水學(xué)報(bào) 36 深度會(huì)造成嚴(yán)重的土壤氧氣逸散現(xiàn)象 使得氧氣利用 效率低 結(jié)合水分因素影響 10 cm 加氣深度的甜瓜 產(chǎn)量比 25 cm 加氣深度 降低 9 5 44 3 1 2 加氣頻率 過(guò)低的加氣頻率會(huì)造成土壤氧氣量不能長(zhǎng)期保 持在適宜范圍 而過(guò)高的加氣頻率會(huì)擾動(dòng)土壤 不 利于作物根系穩(wěn)定 還會(huì)減少土壤真菌 放線菌等 微生物 量 37 利用文丘里射流器或微納米氣泡發(fā)生 機(jī)加氣時(shí) 加氣頻率通常與灌水頻率一致 通常為 1 3 6 d 次 利用空氣壓縮機(jī)或氣泵加氣時(shí) 學(xué)者們通 常采用 1 3 3 d 次的加氣頻率 表 1 表 3 大田糧食 作物適宜的加氣頻率一般為 5 d 次 26 溫室番茄 19 西瓜 36 和甜瓜 45 等果蔬的加氣頻率為 2 3 d 次 也有 學(xué)者推薦番茄的加氣頻率為 6 d 次 46 表 1 以空氣壓縮機(jī) 或 氣泵為 地下滴灌加氣設(shè)備的 加氣 效果 總結(jié) Table 1 Study on aeration effect of subsurface drip irrigation aeration equipment using air compressor or air pump 序號(hào) 位置 試驗(yàn) 時(shí)間 土質(zhì) 土壤 體積質(zhì)量 g cm 3 栽培 方式 作物 加氣 深度 cm 氣源 加氣時(shí)間 加氣量 加氣頻率 d 次 1 土壤 環(huán)境 產(chǎn)量 水分利用 效率 文獻(xiàn) 1 陜西 2014 2015 塿土 1 34 溫室 甜瓜 25 air 每日17 00 19 00 50 Pt 次 3 10 8 30 0 37 2 陜西 2009 塿土 1 40 溫室 甜瓜 20 air 灌水后 50 Pt 次 1 2 66 4 60 0 44 1 2 3 4 3 陜西 2010 1 40 溫室 番茄 15 air 灌水后 50 Pt 次 1 28 5 23 3 52 4 陜西 2009 2010 塿土 1 39 溫室 甜瓜 20 air 灌水后 50 Pt 次 2 27 4 53 0 53 5 河南 2016 黏 土 1 42 溫室 小白菜 10 air 灌水后 50 Pt 次 與灌水 頻率一致 52 7 54 注 Pt 土壤孔隙度 缺少參數(shù) 最優(yōu)處理 土壤環(huán)境 產(chǎn)量及水分利用效率列表數(shù)據(jù)表示為加氧處理與不加氧處理相比的增加 減少比例 單位均為 表 2 以文丘里射流器為地下滴灌加氣設(shè)備的加氣效果總結(jié) Table 2 Study on aeration effect of subsurface drip irrigation aeration equipment using air injection 序號(hào) 位置 試驗(yàn) 時(shí)間 土質(zhì) 土壤 體積質(zhì)量 g cm 3 栽培 方式 作物 加氣 深度 cm 氣源 加氣 時(shí)間 加氣量 加氣頻率 d 次 1 土壤環(huán)境 產(chǎn)量 水分利用 效率 文獻(xiàn) 1 陜西 2013 2014 塿土 1 34 溫室 番茄 15 air 灌水時(shí) 0 1 0 3 L 次 2 3 土壤氧氣量增加 1 4 1 5 SRR 增加 34 1 23 1 23 1 19 2 陜西 2018 塿土 1 34 溫室 黃瓜 15 air 灌水時(shí) 摻氣比為灌水 定額的 17 10 SRR 增加 25 2 土壤氧氣量 增加 2 0 18 6 12 5 20 3 澳大利亞 2015 黑土 溫室 小白菜 10 air 灌水時(shí) 摻氣比為灌水 定額的 15 與灌水 頻率一致 56 5 35 4 河南 2018 黃黏土 1 41 溫室 辣椒 10 air 灌水時(shí) 灌溉水溶解氧 質(zhì)量 濃度 40 mg L 灌水定額 與灌水 頻率一致 SRR 增加 40 4 土壤脲酶活性 提高 150 0 40 7 38 5 澳大利亞 2002 變性土 1 30 溫室 棉花 20 air 灌水時(shí) 摻氣比 12 灌水定額 與灌水 頻率一致 38 0 16 0 46 6 河南 2016 黏 土 1 42 溫室 草莓 10 air 灌水時(shí) 摻氣比 15 灌水定額 與灌水 頻率一致 18 7 54 7 新疆 2019 中壤土 1 56 大田 番茄 15 air 灌水時(shí) 摻氣比 15 灌水定額 與灌水 頻率一致 2 3 10 0 5 9 9 6 55 8 河南 2017 壤質(zhì) 黏 土 1 10 溫室 玉米 15 air O2 灌水時(shí) 灌溉水溶解氧 質(zhì)量 濃度 10 0 mg L 與灌水 頻率一致 土壤溶解 氧 質(zhì)量 濃度提高 8 0 24 5 19 1 56 9 澳大利亞 2013 變性土 1 30 大田 棉花 40 air 灌水時(shí) 摻氣比 12 灌水定額 與灌水 頻率一致 10 0 7 0 57 注 Pt 土壤孔隙度 缺少參數(shù) SRR 土壤呼吸速率 土壤環(huán)境 產(chǎn)量及水分利用效率列表數(shù)據(jù)表示為加氧處理與不加氧處理相比的增加 減少比 例 單位均為 孫昊 等 地下滴灌加氣技術(shù)研究進(jìn)展 37 表 3 以微納米氣泡發(fā)生器為地下滴灌加氣設(shè)備的加氣效果總結(jié) Table 3 Study on aeration effect of subsurface drip irrigation aeration equipment using micro nano bubble machine 序號(hào) 位置 試驗(yàn) 時(shí)間 土質(zhì) 土壤 體積質(zhì)量 g cm 3 栽培 方式 作物 加氣 深度 cm 氣源 加氣 時(shí)間 加氣量 加氣頻率 d 次 1 土壤環(huán)境 產(chǎn)量 水分利用 效率 文獻(xiàn) 1 河南 2017 壤土 1 54 溫室 番茄 15 air 灌水時(shí) 與灌水 頻率一致 土壤氧氣量提升 1 9 4 3 硝態(tài)氮量提高 18 6 101 4 速效鉀量減少 9 4 26 9 3 6 16 9 7 6 20 1 21 2 內(nèi)蒙古 2018 砂土 1 62 大田 苜蓿 20 air 灌水時(shí) 灌溉水溶解氧 質(zhì)量 濃度 1 8 mg L 灌水定額 5 7 速效氮量提高 13 2 65 5 速效磷量提高 7 0 31 1 速效鉀量降低 3 3 15 8 26 9 26 灌溉水溶解氧 質(zhì)量 濃度 5 0 mg L 灌水定額 灌溉水溶解氧 質(zhì)量 濃度 8 2 mg L 灌水定額 3 北京 2013 大田 玉米 10 O2 灌水時(shí) 灌溉水溶解氧 質(zhì)量 濃度 20 0 mg L 灌水定額 與灌水 頻率一致 脲酶 磷酸酶 活性增加 0 03 0 3 倍 5 2 12 2 5 2 14 0 29 4 北京 2014 壤土 1 28 溫室 黃瓜 15 air 灌水時(shí) 灌溉水溶解氧 質(zhì)量 濃度 15 0 mg L 與灌水 頻率一致 0 20 cm 根際土壤脲酶 活性提高 96 140 土壤 PLFA 種類(lèi) 增加 6 7 種 4 8 24 4 31 5 北京 2016 2017 砂質(zhì)土 1 77 溫室 西瓜 10 air 灌水時(shí) 3 31 6 58 注 Pt 土壤孔隙度 缺少參數(shù) SRR 土壤呼吸速率 最優(yōu)處理 土壤環(huán)境 產(chǎn)量及水分利用效率列表數(shù)據(jù)表示為加氧處理與不加氧處理相 比的增加 減少比例 單位均為 3 1 3 加氣時(shí)間 水中溶氧量隨溫度降低而增加 為提高灌溉水 中溶解氧量上限并加快溶氧速率 SDI 加氣時(shí)間一般 較為固定 通常為 08 00 09 00 或 17 00 19 00 36 當(dāng)使用空氣壓縮機(jī)將空氣或純氧注入根區(qū)土壤時(shí) 劉杰 等 36 和 Bhattarai 等 46 建議在灌水或降水后單獨(dú) 進(jìn)行 含水率較高的土壤可減少氧氣逸散 提高氧氣 在根區(qū)土壤中的存留時(shí)間 3 1 4 加氣量 目前 加氣灌溉的單次加氣量一般按照以下 5 種 方法實(shí)施 50 P t Pt為土壤孔隙度 注入體積 0 1 0 3 L 次 注入時(shí)長(zhǎng) 20 30 min 次 灌 溉水溶解氧質(zhì)量濃度 灌水定額 溶解氧質(zhì)量濃度取 1 8 40 mg L 摻氣比 灌水定額 摻氣比取 12 50 表 1 表 3 其中 方法 和方法 多適用于空氣 壓縮機(jī)或氣泵 方法 和方法 多適用于文丘里射流 器 方法 適用于微納米氣泡發(fā)生機(jī) 除此之外 還 有學(xué)者采用濃度為 0 03 的 H2O2作為氧源來(lái)加氧 2 3 2 加氣設(shè)備 在調(diào)查的所有文獻(xiàn)中 使用空氣壓縮機(jī)或氣泵 文丘里射流器 微納米氣泡發(fā)生機(jī)以及化學(xué)加氧法的 加氣方式各占 28 6 37 1 25 7 和 8 6 作物 產(chǎn)量提升幅度分別為 4 5 66 4 3 9 56 5 3 6 31 6 和 19 7 38 7 使用空氣壓縮機(jī)或氣泵 文丘里射流器和微納米氣泡發(fā)生機(jī)的試驗(yàn)中水分利 用效率分別提高了 11 2 60 0 5 9 30 5 5 2 20 1 雖然文丘里射流器使用比例較大 但由 于該設(shè)備產(chǎn)生氣泡尺寸較大 易發(fā)生 煙囪效應(yīng) 47 48 且加氣效率較低 曝氣比率為 12 38 故其產(chǎn)量和水 分利用效率的提升幅度小于空氣壓縮機(jī)和氣泵 微納 米氣泡因其強(qiáng)穩(wěn)定性和高傳質(zhì)率可減少氣泡間的相互 作用 改善水氣分布均勻性和穩(wěn)定性 灌溉水中的溶 解氧 質(zhì)量 濃度在加氣停止后降至初始值時(shí)間可由文丘 里射流器的 15 30 min 延長(zhǎng)至 6 h 49 當(dāng)以純氧作為氣 源時(shí) 灌溉水溶解氧 質(zhì)量 濃度可比以空氣為氣源時(shí)提 高 250 400 達(dá)到 35 40 mg L 29 但微納米氣泡 發(fā)生機(jī)存在造價(jià)過(guò)高 運(yùn)維麻煩等問(wèn)題 在灌溉水中 添加適量的過(guò)氧化物如雙氧水等可促進(jìn)作物生長(zhǎng) 但 存在運(yùn)輸儲(chǔ)存不便 長(zhǎng)期使用污染土壤環(huán)境等問(wèn)題 50 加氣設(shè)備的性能優(yōu)化是提升加氣效果的重要途 徑 Wang 等 50 通過(guò)測(cè)試指出 MAZZEI 型號(hào)文丘里裝 置具有注氣流量大和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn) 適合作為 SDI 加氣設(shè)備 有學(xué)者通過(guò)對(duì)微氣泡釋放器的喉部直徑 湍流腔厚度和出口角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 提高了 微納米氣泡機(jī)加氣效率 51 還有學(xué)者通過(guò)優(yōu)化灌溉管 路布設(shè)與添加表面活性劑來(lái)提高微氣泡曝氣的摻氣 灌溉排水學(xué)報(bào) 38 比例 氧傳質(zhì)效率 滴灌帶水氣傳輸均勻性 52 4 結(jié)論與建議 SDI 加氣技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行較多的研究 但由于氣泡 形成與輸送過(guò)程形態(tài)變化復(fù)雜 土壤結(jié)構(gòu)空間變異性 大 作物根區(qū)氧氣難以定量表征等問(wèn)題 地下滴灌加 氣技術(shù)大多停留在小范圍試驗(yàn)規(guī)模 且主要關(guān)注溫室 果蔬作物 仍存在諸多問(wèn)題需要深入研究 1 完善不同作物根區(qū)需氧量體系 按時(shí)按需加 氣 不同地域和土壤 加氣模式有區(qū)別 需以作物根 區(qū)適宜需氧量為根據(jù) 尤其需要針對(duì)適宜 SDI 技術(shù)的 大田糧食作物 果樹(shù)以及苜蓿 灌木等多年生植物 結(jié)合作物根區(qū)氧氣量測(cè)定傳感器 提出加氣技術(shù) 參數(shù) 與土壤環(huán)境參數(shù)及作物生長(zhǎng)指標(biāo)的量化關(guān)系 構(gòu)建高 效的土壤氧氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和科學(xué)的加氣制度 2 關(guān)注氣體輸送全過(guò)程 提升加氣效率 氣源 灌溉系統(tǒng) 土壤環(huán)境 作物生長(zhǎng) 是 SDI 加氣技術(shù)中氣 體運(yùn)動(dòng)的完整過(guò)程 目前研究主要關(guān)注后 2 個(gè)環(huán)節(jié) 忽略了氣體在首部和供水管網(wǎng)中的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程 需 圍繞全鏈條的氣體輸送過(guò)程開(kāi)展氣泡形態(tài)變化研究 灌溉水溶解氧 質(zhì)量 濃度監(jiān)測(cè) 水氣傳輸均勻性評(píng)價(jià)等 提升氣體綜合利用效率 3 研發(fā)加氣專(zhuān)用設(shè)備 目前使用的加氣設(shè)備大 多是對(duì)別的行業(yè)設(shè)備加以改造利用 針對(duì) SDI 系統(tǒng)管 網(wǎng)布置特點(diǎn) 構(gòu)建科學(xué)的產(chǎn)品研發(fā)理論體系 研發(fā)性 能穩(wěn)定 實(shí)用性強(qiáng) 專(zhuān)業(yè)的 SDI 加氣設(shè)備與系統(tǒng)是未 來(lái)研究的重要方面 參考文獻(xiàn) 1 韓廣軒 周廣勝 許振柱 中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用研究與 展望 J 植物生態(tài)學(xué)報(bào) 2008 3 204 218 HAN Guangxuan ZHOU Guangsheng XU Zhenzhu Research and prospects for soil respiration of farm and ecosystems in China J Journal of Plant Ecology 2008 3 204 218 2 BENNOAH Ilan FRIEDMAN S Aeration of clayey soils by injecting air through subsurface drippers Lysimetric and field experiments J Agricultural Water Management 2016 176 222 233 3 DU Yadan NIU Wenquan GU Xiaobo et al Crop yield and water use efficiency under aerated irrigation A meta analysis J Agricultural Water Management 2018 210 158 164 4 GREENWAY Hank ARMSTRONG William COLMER Timothy Conditions leading to high CO2 5 kPa in waterlogged flooded soils and possible effects on root growth and metabolism J Annals of Botany 2006 98 1 9 32 5 DREW Michael Oxygen deficiency and root metabolism Injury and acclimation under hypoxia and anoxia J Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 1997 48 223 250 6 NIU Wenquan FAN Wentao PER Saud et al Effect of post irrigation aeration on growth and quality of greenhouse cucumber J Pedosphere 2013 23 6 790 798 7 范愛(ài)武 劉偉 李光正 土壤中熱 濕 氣及溶質(zhì)耦合遷移的數(shù)學(xué)模 型 J 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2005 9 59 61 FAN Aiwu LIU Wei LI Guangzheng Modeling for simultaneous transfer of heat moisture gas and solute in soil with plants growing J Journal of Nuclear Agricultural Sciences 2005 9 59 61 8 沈維 胡德勇 姚幫松 等 土壤耕作層含氧量對(duì)黃瓜葉片生長(zhǎng)特性 的影響 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 2017 36 4 47 52 SHEN Wei HU Deyong YAO Bangsong et al Impact of oxygen content in the horizon on growth of cucumber leaves J Journal of Irrigation and Drainage 2017 36 4 47 52 9 URRESTARAZU Mazuela Effect of slow release oxygen supply by fertigation on horticultural crops under soilless culture J Scientia Horticulturae 2005 106 4 484 490 10 李玉和 城市土壤形成特點(diǎn)肥力評(píng)價(jià)及利用與管理 J 中國(guó)園林 1997 3 20 23 LI Yuhe Evaluation utilization and management of urban soil fertility J Chinese Landscape Architecture 1997 3 20 23 11 紀(jì)拓 楊洪強(qiáng) 根區(qū)控氧對(duì)平邑甜茶幼苗根系及根 冠比的影響 J 植物生理學(xué)報(bào) 2018 54 6 999 1 004 JI Tuo YANG Hongqiang Effects of oxygen control in root zone on the roots and the ratio of root to shoot of Malus hupehensis seedlings J Plant Physiology Journal 2018 54 6 999 1 004 12 WOLF B The fertile triangle The interrelationship of air water and nutrients in maximizing soil productivity M Binghamton Food Products Press 1999 13 郭世榮 營(yíng)養(yǎng)液溶氧濃度對(duì)黃瓜和番茄根系呼吸強(qiáng)度的影響 J 園藝學(xué)報(bào) 2000 2 141 142 GUO Shirong Effect of dissolved oxygen concentrations in nutrient solution on the respiratory intensity of cucumber and tomato roots J Acta Horticulturae Sinica 2000 2 141 142 14 ZHENG Youbin WANG Linping DIXON Mike An upper limit for elevated root zone dissolved oxygen concentration for tomato J Scientia Horticulturae 2007 113 2 162 165 15 陸曉民 孫錦 郭世榮 等 油菜素內(nèi)酯對(duì)低氧脅迫黃瓜幼苗根系有 氧呼吸同工酶表達(dá)的影響 J 生態(tài)學(xué)雜志 2012 31 12 3 070 3 074 LU Xiaomin SUN Jin GUO Shirong et al Effects of brassinolide on the isozyme expressions of aerobic respiration enzymes in cucumber seedling roots under hypoxia stress J Chinese Journal of Ecology 2012 31 12 3 070 3 074 16 孫燕 王怡琛 王全九 增氧微咸水對(duì)小白菜光響應(yīng)特征及產(chǎn)量的 影響 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 9 116 123 SUN Yan WANG Yichen WANG Quanjiu Effects of oxygenated brackish water on light response characteristics and yield of pakchoi J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2020 36 9 116 123 17 盧芳 增氧灌溉對(duì)兩種盆栽果樹(shù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與果實(shí)品質(zhì)的影響 D 銀 川 寧夏大學(xué) 2014 LU Fang Effect of aerated irrigation on vegetative growth and fruit quality of two potted fruit trees D Yinchuan Ningxia University 2014 18 白團(tuán)輝 馬鋒旺 李翠英 等 蘋(píng)果砧木幼苗對(duì)根際低氧脅迫的生理 響應(yīng)及耐性分析 J 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué) 2008 41 12 4 140 4 148 BAI Tuanhui MA Fengwang LI Cuiying et al Physiological responses and analysis of tolerance of apple rootstocks to root zone hypoxia stress J Scientia Agricultura Sinica 2008 41 12 4 140 4 148 19 朱艷 蔡煥杰 宋利兵 等 加氣灌溉改善溫室番茄根區(qū)土壤通氣 性 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2017 33 21 163 172 ZHU Yan CAI Huanjie SONG Libing et al Oxygation improving soil aeration around tomato root zone in greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2017 33 21 163 172 20 崔冰晶 牛文全 杜婭丹 等 施氮和加氣灌溉對(duì)黃瓜根區(qū)土壤環(huán)境 及產(chǎn)量的影響 J 節(jié)水灌溉 2020 4 27 32 CUI Bingjing NIU Wenquan DU Yadan et al Effects of nitrogen application and aerated irrigation on soil environment and yield in cucumber root area J Water Saving Irrigation 2020 4 27 32 孫昊 等 地下滴灌加氣技術(shù)研究進(jìn)展 39 21 馬筱建 不同滴灌方式對(duì)溫室土壤環(huán)境及番茄生長(zhǎng)的影響 D 北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 2018 MA Xiaojian Effect of Different drip irrigation methods on soil environment and growth of tomato in greenhouse D Beijing Chinese Academy of Agricultural Sciences Dissertation 2018 22 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(xué)報(bào) 2020 39 3 8 16 LEI Hongjun XIAO Zheyuan ZHANG Zhenhua et al Integrating drip fertigation with soil aeration to improve water and nitrogen use efficiency of greenhouse tomato J Journal of Irrigation and Drainage 2020 39 3 8 16 23 張立成 胡德勇 楊敬林 等 增氧條件下施用有機(jī)肥對(duì)水稻土壤微生 物的影響 J 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2018 46 11 55 62 ZHANG Licheng HU Deyong YANG Jinglin et al Effect of organic fertilizer on paddy soil microorganism under aerobic conditions J Journal of Northwest A 2 China Institute of Water Resources and Hydropower Research Institute of Water Conservancy Beijing 100048 China Abstract Aerated subsurface drip irrigation is a new technology developed over the past decades to improve aeration in the root zone by mixing irrigation water with air bubbles to ameliorate the adverse effect of hypoxic on crops and boost crop yield and quality The key to disseminate aerated subsurface drip irrigation is to understand its efficacy under different soil and cropping conditions to determine the rational aeration rate and the associated equipment Based on the development in both research and application of subsurface drip irrigation and the associated aeration technologies we systematically review the suitable aeration levels for improving oxygen in the root