納米氣泡加氧灌溉在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展

劉雁征，周云鵬，和 婧，匡乃昆，陳偉杰，徐飛鵬

（1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 100085；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；3.農(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源教育部工程研究中心，北京 100083）

0 引 言

以高技術(shù)、高產(chǎn)出、高收益為特征的設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為全球蔬菜最重要的生產(chǎn)方式[1]。近年來(lái)中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，截止2017年底，中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積達(dá)370 萬(wàn)hm2。然而，隨著設(shè)施栽培年限的增加，設(shè)施土壤由于長(zhǎng)期失去自然降雨的淋溶作用，加之頻繁灌水、盲目施肥、周年滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)、高度集約化經(jīng)營(yíng)等原因，普遍出現(xiàn)次生鹽漬化、養(yǎng)分失調(diào)、微生態(tài)環(huán)境遭到破壞、土傳病害加重等一系列土壤退化問(wèn)題[2,3]，嚴(yán)重影響了設(shè)施產(chǎn)出蔬菜的產(chǎn)量與品質(zhì)。其中，土壤低氧脅迫成為設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化的主要表現(xiàn)之一。當(dāng)土壤通氣性不足或氧氣含量較低時(shí)，植物根系對(duì)土壤中水分與養(yǎng)分吸收能力明顯下降[4]，植株生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)減弱，新葉形成受阻、葉片數(shù)量和葉面積減小、干物質(zhì)含量降低、作物產(chǎn)量與品質(zhì)明顯降低等[5]。加氧灌溉將富含氧氣的灌溉水通過(guò)灌溉管道系統(tǒng)輸送到作物根區(qū)，可以有效解決作物根際氧氣含量不足的問(wèn)題[6]。納米氣泡作為一種高效加氧方式，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸引起人們的廣泛興趣。已有研究人員探索性地將納米氣泡用于種子處理與作物灌溉上，對(duì)種子萌發(fā)和作物生長(zhǎng)產(chǎn)生了積極作用。為此，本綜述簡(jiǎn)述了納米氣泡性質(zhì)，聚焦于納米氣泡灌溉對(duì)設(shè)施作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)以及土壤理化指標(biāo)、土壤微生物的研究與應(yīng)用，對(duì)納米氣泡在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的現(xiàn)有研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)未來(lái)納米氣泡在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)提出了展望。

1 納米氣泡基本特性

納米氣泡（Nanobubbles，NBs）是指氣泡發(fā)生時(shí)直徑在1 μm 以下的氣泡，可以在固液界面和體相中穩(wěn)定存在[7]。由于NBs 尺寸介于納米尺度，具有許多普通氣泡不具備的獨(dú)特性質(zhì)。例如，比表面積大，可以在水中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在[8]，傳質(zhì)速率高、效率強(qiáng)，氣泡表面帶負(fù)電荷等[9]?；谏鲜鲂再|(zhì)，NBs已經(jīng)被廣泛用于自然水體修復(fù)[10]、水處理[11]、除垢[12]、礦物浮選[13]、靶向運(yùn)輸藥物[14]、水產(chǎn)養(yǎng)殖[15]等領(lǐng)域。通常情況下，可以借助動(dòng)態(tài)光衍射技術(shù)[16]、納米顆粒跟蹤分析技術(shù)和簡(jiǎn)協(xié)振動(dòng)法質(zhì)量測(cè)量技術(shù)[17,18]對(duì)納米氣泡進(jìn)行觀測(cè)與研究（見(jiàn)圖1）。

圖1 納米氣泡特性及應(yīng)用領(lǐng)域[19]Fig.1 The properties and application areas of nanobubbles

1.1 比表面積大、傳質(zhì)效率高

理論上來(lái)講，直徑為1 mm 的氣泡可以容納6×107個(gè)直徑為1 μm 的氣泡，相同體積內(nèi)二者比表面積相差近400 倍[20]。由于納米氣泡的比表面積及氣泡內(nèi)壓力在氣泡體積收縮的過(guò)程中不斷增大，使穿過(guò)氣液界面溶解到水中的氣體含量逐漸增多[21]。納米氣泡這種在收縮過(guò)程中自身增壓的特性，大大增強(qiáng)了氣液界面處的傳質(zhì)效率，即便氣體含量在水中達(dá)到飽和時(shí)，仍可繼續(xù)進(jìn)行氣體的傳質(zhì)過(guò)程，顯著提高了空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳等在水中的溶解度[11]。同時(shí)，NBs濃度隨制備時(shí)間呈現(xiàn)先增加后緩慢下降的變化趨勢(shì)，而NBs 大小隨制備時(shí)間的變化趨勢(shì)恰好相反。

1.2 水中的上升速度慢、存在時(shí)間長(zhǎng)

納米氣泡在水中的運(yùn)動(dòng)特性符合Stokes 定律和H-R 方程[22]，即氣泡直徑和液體粘度是影響氣泡上升的主要因素，并且氣泡粒徑越大，上升速度越快。半徑為100 nm 的氣泡終端上升速度約為20 nm/s，這意味對(duì)于足夠小的NBs，上升浮力可忽略不計(jì)，布朗運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)作用[7]。然而，對(duì)于不同氣源納米氣泡，如二氧化碳、空氣、氮?dú)夂秃獾?，在水中的上升速率不同[11]。Parkinson[22]等認(rèn)為這可能是因?yàn)闅怏w的分子量不同，空氣和氦氣納米氣泡超出了H-R 公式的適用范圍。此外，由于氣泡大小與表面特性的差異，NBs的上升速率還與溶液類(lèi)型相關(guān)。例如，NBs在戊醇溶液中的上升速率是聚乙二醇溶液中2倍[23]。

1.3 界面電位高

在pH 為2～12 的范圍內(nèi)，納米氣泡表面帶有負(fù)電荷[11]。這種現(xiàn)象與水分子中的OH-在納米氣泡表面吸附的行為有關(guān)。OH-選擇性吸附在氣泡表面的原因可能是基于H+和OH-的水化能和氣液界面上水分子的偶級(jí)位向[24]，使H+更加易于留在水相中，OH-離子暴露于氣相中[25]。此外，由于水偶極子在氣液界面的結(jié)構(gòu)形成雙電層，使氫指向水相，氧指向氣相。在純凈水中，納米氣泡表面的負(fù)電荷與pH密切相關(guān)。Liu等[24]借助脈沖光譜儀測(cè)試了NBs 中核磁共振（NMR）弛豫時(shí)間T2，發(fā)現(xiàn)T2 與NBs 數(shù)量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，表明NBs 可以增加水分子的整體遷移率，同時(shí)氮?dú)饧{米氣泡水的Zeta 電位在pH 為7.28和7.55時(shí)分別為-32.26 mV和-38.84 mV。

1.4 氣泡破裂時(shí)生成自由基和超聲波

根據(jù)Young-Laplace 公式，直徑1 μm 的氣泡在298 K 溫度下，氣泡內(nèi)部的壓力約為390 kPa，比外界大氣壓高了2.9倍[26]。當(dāng)納米氣泡在收縮并發(fā)生破裂或崩陷的瞬間，氣液界面消失會(huì)引發(fā)劇烈的變化，產(chǎn)生壓力的極大值；當(dāng)氣泡崩陷的速度高于音速在水中的傳播速率時(shí)，氣泡破裂瞬間的溫度可能會(huì)因?yàn)榻^熱壓縮效應(yīng)而急劇升高[27]。由于氣泡坍塌瞬間發(fā)生的熱解效應(yīng)，在氣液界面會(huì)產(chǎn)生羥基自由基及超聲波[28]。Liu等[29]通過(guò)APF 熒光探針發(fā)現(xiàn)，Air 和N2混合氣體形成的NBs 溶液會(huì)持續(xù)產(chǎn)生少量活性氧（ROS）自由基；又根據(jù)不同類(lèi)型活性氧對(duì)熒光的響應(yīng)，證實(shí)了O2-NBs 中生成的ROS 主要為羥基自由基（·OH）[30]。Tada 等[31]借助電子自旋共振波譜儀（ESR）發(fā)現(xiàn)，NBs 溶液中產(chǎn)生·OH 的濃度約為3×10-8mol/L。此外，Masuda 等[32]、Tasaki 等[33]、Li 等[34]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)超聲刺激、紫外線(xiàn)照射、酸性條件下采用銅作為催化劑均可以增加NBs溶液中·OH的生成。

2 納米氣泡加氧灌溉對(duì)設(shè)施作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.1 作物生長(zhǎng)

大量研究人員將NBs 用于農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域，獲得了一些令人振奮的結(jié)果。一些研究證實(shí)了NBs 可以促進(jìn)種子的萌發(fā)與生長(zhǎng)。例如，Liu 等[35]發(fā)現(xiàn)，在相同溶氧濃度下，空氣NBs 水處理的大麥種子萌發(fā)率較蒸餾水處理組提升了15%～25%。然而，Ahmed等[36]研究了不同氣源（空氣、氧氣、氮?dú)夂投趸迹㎞Bs對(duì)生菜、胡蘿卜、蠶豆和番茄種子萌發(fā)的影響，卻得出不同結(jié)論：氧氣和氮?dú)釴Bs處理提升了種子的發(fā)芽率（6%～25%），而空氣和二氧化碳NBs 對(duì)種子萌發(fā)無(wú)明顯影響。2009年，Park 和Kurata[37]使用旋流式微泡發(fā)生器研究了NBs 對(duì)深液流水培（DFT）油麥菜的影響，發(fā)現(xiàn)NBs水培油麥菜的鮮重與干重分別是對(duì)照組的2.1 和1.7 倍，推測(cè)可能是NBs 更大的比表面積和表面的負(fù)電荷促進(jìn)了植物生長(zhǎng)。Ebina 等[38]和周云鵬等[39]分別使用空氣源和氧氣源NBs 進(jìn)行了營(yíng)養(yǎng)液膜（NFT）水培試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)水培相比，NBs處理中甘藍(lán)、小白菜、小油菜與油麥菜的株高、根長(zhǎng)與干鮮重均顯著增加。Ouyang等[40]人在納米氣泡滴灌生菜的研究中發(fā)現(xiàn)，生菜的株高、葉面積指數(shù)、葉綠素含量和干物質(zhì)量分別增加了22.9%、35.7%、12.1%和14.7%，硝酸鹽含量較對(duì)照組降低了14.4%。

2.2 作物產(chǎn)量

Wu 等[41]對(duì)比了NBs 灌溉與傳統(tǒng)泵曝氣灌溉對(duì)番茄產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)兩種曝氣灌溉方式下，番茄產(chǎn)量分別提高了23%和17%，這表明NBs 處理組的提升效果更加明顯。Kim 等[42]和Ouyang 等[40]借助盆栽試驗(yàn)研究了NBs 灌溉對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)NBs 明顯提高了灌溉水中溶解氧含量，生菜株高、葉面積指數(shù)與生物量均得到了顯著提升，同時(shí)重金屬含量與硝酸鹽積累量明顯降低。饒曉娟等[43]、曹雪松等[44]、才碩等[45]、Zhou 等[46,47]借助地下滴灌技術(shù)將NBs 分別在大田棉花、苜蓿、水稻、玉米、甘蔗等作物上進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)上述作物產(chǎn)量提升了4%-30%。Zhou 等[48,49]、Liu 等[50]、王逍遙等[51]、肖衛(wèi)華等[52]將NBs地下滴灌技術(shù)應(yīng)用于設(shè)施番茄、黃瓜、甜瓜、煙草上，同樣取得了明顯的增產(chǎn)效果。此外，一些NBs 在大田灌溉上的應(yīng)用表明，NBs 灌溉有望在穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上減少化肥用量，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。例如，Wang 等[53]評(píng)估了NBs 灌溉對(duì)于減少稻田化肥用量的可行性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)化肥施用量相同時(shí)，NBs灌溉明顯提高了水稻產(chǎn)量（8%）；在減少25%施肥量的情況下，水稻產(chǎn)量與傳統(tǒng)種植相差不大。這可能是因?yàn)镹Bs 刺激了植物生長(zhǎng)激素（赤霉素）的合成，促進(jìn)了植物營(yíng)養(yǎng)吸收關(guān)鍵基因OsBT，PiT-1 和SKOR 的上調(diào)表達(dá)，從而增加了根系對(duì)養(yǎng)分的吸收利用。Sang 等[54]也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似結(jié)論：當(dāng)施氮量減少10%時(shí)，幾乎對(duì)水稻產(chǎn)量沒(méi)有影響。

2.3 作物品質(zhì)

隨著生活水平的不斷提升，消費(fèi)者的觀念逐漸從“吃飽”向“吃好”轉(zhuǎn)變，這對(duì)作物品質(zhì)提出了更高要求。NBs為協(xié)同實(shí)現(xiàn)作物節(jié)水、增產(chǎn)、提質(zhì)提供了新思路。Liu[50]、王逍遙等[51]、Zhou等[48]研究了設(shè)施番茄、黃瓜、甜瓜在NBs滴灌處理后的果實(shí)品質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)3 種作物VC 含量分別增加了17.7%、16.7%和13.2%，番茄和黃瓜可溶性糖含量分別增加了39.2%和19.4%。Li 等[55]圍繞氫氣NBs 灌溉對(duì)草莓品質(zhì)的影響展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)氫氣NBs 增加了草莓揮發(fā)性成分與可溶性糖（葡萄糖，果糖和蔗糖等）含量，降低了肥料對(duì)草莓果實(shí)香氣的負(fù)面影響，借助轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)NBs 處理后草莓風(fēng)味相關(guān)基因（FaLOX、FaADH、FaAAT 等）呈現(xiàn)上調(diào)表達(dá)可能是草莓品質(zhì)提升的主要原因。Zhou 等[56]將NBs 滴灌與富硒生產(chǎn)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)NBs 可以顯著提升富硒黃瓜果實(shí)品質(zhì)，其中硒含量、VC和可溶性糖含量較滴灌施硒處理分別增加了1.3倍、10.8%和21.0%，NBs 灌溉提高了富硒微生物的豐度，提升了土壤中硒的生物有效性，從而促進(jìn)了黃瓜對(duì)硒元素和養(yǎng)分的吸收，使黃瓜品質(zhì)得到大幅提升，見(jiàn)表1。

表1 納米氣泡灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量與品質(zhì)的影響Tab.1 The effects of nanobubbles irrigation on crop growth,yield,and quality

3 納米氣泡灌溉對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響

3.1 土壤理化指標(biāo)

當(dāng)灌溉水源混摻著NBs 進(jìn)入土壤后，引發(fā)土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)引起眾多研究者極大的研究興趣。土壤通氣過(guò)程和土壤通氣性是繼土壤水分和養(yǎng)分有效性外，影響土壤肥力和植株生長(zhǎng)最重要的因素[57]。Liu 等[50]研究結(jié)果顯示，使用NBs 地下滴灌后，黃瓜根際土壤氧氣含量得到有效提升，并在灌溉后24 h 內(nèi)保持較高且相對(duì)穩(wěn)定的水平。Baram 等[58]發(fā)現(xiàn)，NBs地表滴灌后，土壤氧氣含量從15.6%提升至19.7%，NBs 地下滴灌后，土壤氧氣含量從18.2%增加至19.2%。李江等[59]研究表明，NBs灌溉可以改善土壤氧化還原條件，土壤活性還原性物質(zhì)、Fe2+和Mn2+含量分別降低了48.7%、56.1%和42.8%。同時(shí)，NBs灌溉對(duì)土壤酶活性與土壤有效養(yǎng)分含量展示出積極的效應(yīng)。Wu 等[41]發(fā)現(xiàn)，NBs 灌溉顯著提升了土壤中氮礦化相關(guān)酶（β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖酶）、磷礦化相關(guān)酶（磷酸酶）和碳循相關(guān)酶（α-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-木糖苷酶、過(guò)氧化物酶和苯酚氧化酶）活性，同時(shí)土壤中有效氮（32%）和有效磷（34%）含量顯著增加。Zhou 等[48]的研究表明，NBs 灌溉提高了玉米根際土壤脲酶、磷酸酶和過(guò)氧化氫酶的活性，從而提升了土壤氮、磷元素的植物有效性。Zhou 等[47,49]證實(shí)了NBs 灌溉對(duì)土壤肥力的具有促進(jìn)作用，NBs 灌溉后的大田甘蔗與設(shè)番茄根際范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮和速效鉀的含量得到顯著提升。但曹雪松等[44]的研究表明，盡管NBs灌溉后苜蓿根際土壤中速效氮與速效磷含量分別增加了13.2%～65.5%和7.0%～31.1%，速效鉀含量卻降低了3.3%～13.7%。這可能是因?yàn)椴煌魑飳?duì)于土壤鉀素吸收偏好性的差異。同時(shí)，NBs灌溉在水稻土實(shí)現(xiàn)節(jié)水減排中展示出巨大應(yīng)用潛力：灌溉水利用效率提高13%，總氮和總磷排放量分別減少了8%和27%[60]，N2O 和CH4排放量分別減少了37%和28%[61]。Minamikawa 和Makino[62]認(rèn)為，NBs 通過(guò)對(duì)淺層土壤（距表土4～15 mm）的氧化降低了淹水水稻土中溫室氣體的排放。

3.2 微生物

微生物是土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的執(zhí)行者和驅(qū)動(dòng)者，為土壤質(zhì)量健康提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和功能[63]。微生物群落結(jié)構(gòu)組成與其生存環(huán)境中氧氣含量密切相關(guān)，當(dāng)氧氣含量發(fā)生變化時(shí)，微生物群落結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生巨大變化[64,65]。Zhou 等[46]使用氧氣NBs對(duì)玉米進(jìn)行灌溉的試驗(yàn)結(jié)果表明，氧氣NBs灌溉增加了玉米根際土壤微生物多樣性，其中Pseudomonas 和Hydrogenobacter 是群落中的優(yōu)勢(shì)菌。此外，Zhou 等[47]還發(fā)現(xiàn)，空氣NBs 灌溉降低了微生物間互作網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，增加了好氧型微生物的相對(duì)豐度，抑制了具有發(fā)酵、硝酸鹽呼吸作用、反硝化作用等群落功能，促進(jìn)了具有硝化作用、固氮作用等功能細(xì)菌的增殖，從而增強(qiáng)了土壤肥力與土壤微生物間的動(dòng)態(tài)互促。這與Xiao 等[66,67]、Wu 等[41]的發(fā)現(xiàn)結(jié)論類(lèi)似：NBs 對(duì)微生物群落功能具有顯著影響，提高了微生物對(duì)氧氣的利用效率，促進(jìn)了微生物的有氧代謝與對(duì)土壤中碳源的利用能力。同時(shí)，NBs表現(xiàn)出良好的除垢能力：使用NBs滴灌后，灌水器相對(duì)平均流量提高了26.7%～49.6%，生物膜干重、EPS 等生物污垢和石英、硅酸鹽等礦物污垢分別減少了31.3%～52.1%、16.7%～77.6%和15.0%～42.5%、34.0%～65.7%[12]。

4 未來(lái)研究重點(diǎn)

本綜述簡(jiǎn)要概括了納米氣泡的特性，重點(diǎn)介紹了納米氣泡在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。納米氣泡灌溉技術(shù)在協(xié)同實(shí)現(xiàn)作物節(jié)水、增產(chǎn)、提質(zhì)上具有巨大的應(yīng)用潛力，其相關(guān)的研究與應(yīng)用也越來(lái)越受到科研工作者的重視。然而，納米氣泡在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域仍有諸多問(wèn)題亟需解決。未來(lái)應(yīng)從以下幾方面開(kāi)展相關(guān)研究。

（1）辨識(shí)納米氣泡自身在作物增產(chǎn)提質(zhì)過(guò)程中的作用。人們從提高加氧效率的角度將納米氣泡技術(shù)引入灌溉領(lǐng)域。但納米氣泡的諸多特性，如比表面積大、表面帶負(fù)電荷、坍塌時(shí)生成活性氧等，在這個(gè)過(guò)程中扮演了什么角色還尚不清楚。亟需系統(tǒng)、全面解析納米氣泡對(duì)作物的增產(chǎn)提質(zhì)機(jī)理。

（2）灌溉領(lǐng)域的納米氣泡大多由納米氣泡發(fā)生器產(chǎn)生，納米氣泡發(fā)生器效率、功耗與制作成本成為制約納米氣泡技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。亟需研發(fā)高效率、低成本的納米氣泡發(fā)生裝置，并使用輪灌制度等模式分?jǐn)偧{米氣泡發(fā)生器給實(shí)際生產(chǎn)增加的投入。

（3）納米氣泡灌溉對(duì)作物的增產(chǎn)與提質(zhì)效應(yīng)往往與作物類(lèi)型、土壤質(zhì)地、氣泡濃度、灌溉與施肥模式等密切相關(guān)，需根據(jù)使用地實(shí)際種植條件開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，綜合考慮土壤-微生物-植物系統(tǒng)，集成面向作物節(jié)水、增產(chǎn)、提質(zhì)的納米氣泡灌溉模式。