微纳米气泡增氧灌溉对双季稻需水特性及产量的影响

才 硕，时 红，潘晓华，刘方平，谢亨旺，许亚群，徐 涛，曹 娜

(1.江西省灌溉试验中心站，江西省农业高效节水与面源污染防治重点实验室，南昌 330201；2.江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，南昌 330045)

水、肥、气、热是满足农作物生长所必需的重要因素，其因素间相互协调、相互制约共同影响着作物的生长[1]。近年来，随着现代农业科技的不断发展，节水灌溉与水肥一体化技术得到大力推广，在提高灌溉水利用系数和水肥利用效率的同时，增加了作物产量，改善了作物品质[2-4]。已往的研究主要集中在协调土壤环境的水、肥、热和光因素上，而针对土壤通气方面的研究相对较少。

农田土壤的通气状况是影响作物生长发育的关键因子[5,6]。土壤中空气含量的多少直接影响着土壤酶活性、作物的根系呼吸及其对养分的吸收与利用。加气灌溉可改善土壤通透性，保证微生物的活性和根系活性，提高水肥利用效率，能够满足作物生长与高产的需要[7,8]。Surya P等[9]研究发现采用增氧灌溉可以明显改善作物的根系分布。郭超等[10]研究认为，增氧灌溉有利于玉米株高、叶面积指数、叶绿素含量的提高，同时促进干物质的积累和养分的吸收。Brzezinska等[11]和Heuberg等[12]研究表明，根际通气能够增强土壤酶活性，改善土壤微环境，加强植株根系呼吸，改善水肥吸收效率，促进作物生长发育，从而提高产量。

微纳米气泡增氧曝气作为一种新型高效的水处理技术，已在水产养殖、环境治理、医学治疗、矿石浮选等领域得到广泛应用。在农业领域主要应用于设施农业和无土栽培，而在水稻灌溉方面的研究较少，有待深入研究。本研究以离式螺旋微气泡泵为微纳米气泡发生装置，分析微纳米气泡增氧灌溉对双季稻需水特性和产量形成特性的影响，探讨微纳米气泡增氧灌溉技术在水稻节水灌溉中的应用效果，为改变稻田传统淹水灌溉方式，改善稻田土壤氧环境，实现双季稻节水、节肥、增产，保障粮食安全提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2013年在江西省灌溉试验中心站试验研究基地进行，试验区多年平均气温17.0 ℃、年均降雨量1 680.2 mm，属亚热带季风性湿润性气候。早、晚稻供试品种分别为陆两优996和天优华占。供试土壤为粉质性黏土，其基本理化性状为土壤pH值5.87，有机质22.85 g/kg，全氮1.42 g/kg，全磷0.31 g/kg，碱解氮100.98 mg/kg，速效磷6.18 mg/kg，速效钾78.92 mg/kg。增氧曝气装置为离式螺旋微气泡泵(XPK-0.75)，其主要技术参数为额定电压为380 V/50 Hz，额定功率为750 W，最大压力为0.38～0.42 MPa，溶气水为0.7～1.0 m3/h，含气率为82%～90%。

1.2 试验设计

选择2种灌溉(W)方式和3种氮肥(N)用量进行组合试验，共设6种处理：常规水灌溉+氮肥空白(W0N0)、常规水灌溉+氮肥减量(W0N1)、常规水灌溉+氮肥常规用量(W0N2)、微纳米气泡水灌溉+氮肥空白(W1N0)、微纳米气泡水灌溉+氮肥减量(W1N1)、微纳米气泡水灌溉+氮肥常规用量(W1N2)。各处理氮肥用量与施用方式见表1，磷肥按67.5 kg/hm2(以P2O5计)标准作基肥一次施用，钾肥采用氯化钾，用量为150 kg/hm2(以K2O计)，施用方式为基肥∶穗肥=9∶11。试验设3次重复，采用小区试验方法，小区面积23.85 m2，相邻小区之间作30 cm田埂，并用塑料薄膜包封，防止漏水串肥，病虫草害及其他田间管理同当地丰产田。

表1 试验处理设计Tab.1 Experimental treatments design

1.3 测定项目与方法

(1)水量平衡要素：灌水量根据灌水前后田间水表差值计算得出；耗水量根据前后日田间水位的差值计算得到，田间无水层时采用补水法确定；排水量通过观测稻田排水前后的田面水位差换算得出；降雨量由江西省灌溉试验中心站试验研究基地气象场获得。

(2)溶解氧含量：使用上海雷磁溶解氧测定仪(JPB-607A)测定溶解氧含量，溶氧量计量单位为mg/L。

(3)考种测产：使用万深SG-G型自动种子考种分析及千粒重仪进行考种。各小区单打单收，按面积换算实测产量。

1.4 数据处理与统计分析

统一使用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05软件进行数据统计、方差分析与图表制作，显著性检验采用Duncan method(邓肯新复极差法)。

2 结果与分析

2.1 微纳米气泡技术的增氧效果

图1表明，利用离式螺旋微气泡泵对普通水进行增氧处理，在处理后的初始状态下，0、100、400、800 mL/min空气进气量处理的水体溶解氧含量分别为3.2、7.5、9.4、10.2 mg/L，静置24 h后的溶解氧含量分别为6.7、7.2、7.5、7.3 mg/L，微纳米气泡增氧的3个处理水体的溶解氧含量均高于常规水处理，5 h后不同增氧处理的水体溶解氧含量以400 mL/min处理最高。可见，400 mL/min空气进气量处理具有较好的增氧效果，为本试验采用的适宜进气量。

图1 不同空气进气量对水体的增氧效果Fig.1 Effects of different air input on oxygen aerated of water

2.2 不同灌溉施肥处理对早、晚稻需水特性的影响

由表2可知，在相同灌溉方式下，双季早、晚稻的灌水量和耗水量均随施氮量的增加而增加。早、晚稻W0以及早稻W1灌溉模式的排水量均随施氮量的增加而增加，降雨利用率则均随施氮量的增加而降低；在相同氮肥施用水平下，双季早、晚稻W1灌溉模式的耗水量、灌水量均低于W0模式，早稻W1模式的耗水量、灌水量均值分别降低3.44%、12.46%，晚稻分别降低4.55%、9.95%。与W0灌溉模式相比，早、晚稻W1灌溉模式的降雨利用率平均提高6.03%和24.58%；与常规水肥处理(W0N2)相比，早、晚稻微纳米气泡增氧灌溉减肥处理(W1N1)的灌溉用水量分别减少17.03%、14.24%，降雨利用率平均提高7.07%、29.30%。

表2 不同灌溉施肥处理对早、晚稻需水特性的影响Tab.2 Effects of different treatments with irrigation and fertilizeron water requirement characters of double season rice

2.3 不同灌溉施肥处理对早、晚稻产量的影响

表3表明，微纳米气泡增氧灌溉对早、晚稻产量及其构成具有一定影响。早、晚稻不同处理的产量、有效穗、总粒数均以W1N1或W1N2处理最高。与常规水肥处理(W0N2)相比，早、晚稻微纳米气泡增氧灌溉减肥处理(W1N1)分别增产198.59、349.13 kg/hm2，分别增加2.37%、3.86%，均达到显著增产水平。

在相同灌溉方式下，早、晚稻总粒数随氮肥用量的增加而增加，结实率随氮肥用量的增加而减少，千粒重的变化趋势均为N1>N2>N0。早、晚稻W0以及早稻W1灌溉模式的有效穗和产量的变化趋势为N2>N1>N0，晚稻W1灌溉模式的有效穗和产量则均以N1水平最高。在W0模式下，早、晚稻N1水平较N2水平减产均不显著(减幅分别为2.62%和1.64%)；在W1模式下，与N2相比，早稻N1处理减产不显著，而晚稻N1处理增产显著。

在相同施氮水平下，早、晚稻W1灌溉模式的产量及产量构成各因素均高于W0灌溉模式。与W0灌溉模式相比，早稻W1灌溉模式的有效穗数、总粒数、结实率、千粒重、产量均值分别增加2.86%、2.53%、0.40%、0.28%、4.05%，晚稻分别增加6.96%、2.04%、4.03%、0.74%、3.35%。

表3 不同灌溉施肥处理对双季稻产量及产量构成的影响Tab.3 Effects of different treatments with irrigation and fertilizer on yield and yield components of double season rice

2.4 不同灌溉施肥处理对早、晚稻水分利用效率(WUE)的影响

不同灌溉施肥处理对水分利用效率(WUE)的影响如图2所示。早、晚稻不同处理的灌水量和耗水量水利用效率均以W1N1处理最高，与W0N2处理相比，早稻分别增加23.37%、7.35%，晚稻分别增加20.89%、12.02%；早、晚稻灌水量和耗水量水分利用效率均随氮肥用量的增加而呈现出N1>N2>N0的变化趋势；在同一氮肥用量水平下，双季早、晚稻W1灌溉模式灌水量和耗水量的水分利用效率均高于W0灌溉模式，早、晚稻灌水量水分利用效率平均增加18.94%和15.15%，耗水量水分利用效率平均增加7.78%和8.37%。

图2 不同灌溉施肥处理对双季稻水分利用效率的影响Fig. 2 Effects of different treatments with irrigation and fertilizer on water use efficiency of double season rice

3 结 语

良好的土壤氧环境有利于水稻的生长发育，同时还能够提高肥料的利用效率。在水稻种植过程中，改善土壤通气状况是提高水稻产量的重要途径。已有的研究[13-15]认为，增氧灌溉优化了水稻根际氧环境，促进了水稻根系生长以及对营养物质的吸收与利用，改善了水稻群体结构，有效提高了水稻的有效穗、每穗粒数、千粒重和结实率，进而增加水稻产量。在本试验条件下，采用微纳米气泡增氧灌溉技术促进了产量构成因素的协调发展，早、晚稻产量分别增加4.05%和3.35%，这与先前的研究结果一致。可见，微纳米气泡技术应用于水稻灌溉具有明显的增产效果。

本试验研究表明，早稻采用微纳米气泡增氧灌溉耗水量和灌水量分别减少3.44%和12.46%，降雨利用率和水分利用效率(耗水量)分别提高6.03%和7.78%；晚稻耗水量、灌水量分别减少4.55%和9.95%，降雨利用率和水分利用效率(耗水量)分别提高24.58%和8.37%。这与陈涛等[16]关于增氧灌溉对马铃薯产量及水分利用效率的影响的结果具有一致性。说明微纳米气泡增氧灌溉可以节约灌溉用水，提高降雨利用效率和水分利用效率。

水稻传统的水肥管理方式耗水量大，用肥量高，水肥利用效率低下，致使农田用水浪费极为严重，农业面源污染日渐加剧。科学的水肥管理技术不仅能够实现水稻的节水增产，而且能够提高水分和肥料的利用效率[17-19]。本试验采用的微纳米气泡增氧灌溉技术表现出明显的节水减肥效果，相对于常规水肥模式(常规水灌溉+氮肥用量为180 kg/hm2)，在减少10%氮肥用量(氮肥用量为162 kg/hm2)的前提下采用微纳米气泡水增氧灌溉，早、晚稻可分别节水17.03%、14.24%，分别增产2.37%、3.86%。可见，微纳米气泡增氧灌溉技术应用于水稻生产中具有节水、减肥、增产的综合效果，在防治农业面源污染和推进水生态文明建设中具有较好的应用前景。

[1] 张天柱,薛晓莉,杨文华,等.节水增氧灌溉[J].农家书屋,2015,(10):60-61.

[2] 才 硕,时 红,许亚群,等.赣抚平原灌区双季稻优化灌溉方式研究[J].中国农村水利水电,2014,(4):11-14.

[3] 庞桂斌,杨士红,徐俊增.节水灌溉稻田水肥调控技术试验研究[J].节水灌溉,2015,(9):44-51.

[4] 万玉文.基于节水灌溉模式的稻田增产减污研究[J].中国农村水利水电,2012,(5):42-44.

[5] 章永松,林成永,罗安程.水稻根系泌氧对水稻土磷素化学行为的影响[J].中国水稻科学,2000,14(4):208-212.

[6] Brian R Maricl e, Raymond W Lee. Root respiration and oxygen flux in salt marsh grasses from different elevational zones[J]. Mar Biol, 2007,151:413-423.

[7] 赵 锋,王丹英,徐春梅,等.根际增氧模式的水稻形态、生理及产量响应特征[J].作物学报,2010,36(2):303-312.

[8] Bhattarai S P, Pendergast L, Midmore D J. Root aeration improves yield and water use efficiency of tomato in heavy clay and saline soils[J]. Scientia Horticulturae, 2006,108(3):278-288.

[9] Surya P B, Su N H, David J M. Oxygation unlocks yield potentials of crops in oxygen-limited soil environments[J]. Advances in Agronomy, 2005,88:313-377.

[10] 郭 超,牛文全.根际通气对盆栽玉米生长与根系活力的影响[J].中国生态农业学报,2010,18(6):1 194-1 198．

[11] Brzezinska M, Stepniewski W, Stepniewska Z, et al. Effect of oxygen deficiency on soil dehydrogenate activity in a pot experiment with triticale cv. Jago vegetation[J]. International Agrophysics, 2001,15:145-149.

[12] Heuberger H, Livet J, Schnitzler W. Effect of soil aeration on nitrogen availability and growth of selected vegetables-preliminary results[J]. Acta Horticulturae, 2001,56(3):147-154.

[13] 张立成,姚帮松,肖卫华,等.加氧灌溉对超级稻“深优9516”生长及产量因素的影响研究[J].江西农业大学学报,2015,37(3):392-397.

[14] 刘 学,朱练峰,陈 琛,等.超微气泡增氧灌溉对水稻生育特性及产量的影[J].灌溉排水学报,2009,28(5):89-91.

[15] 朱练峰,刘 学,禹盛苗,等.增氧灌溉对水稻生理特性和后期衰老的影响[J].中国水稻科学, 2010,24(3):257-263.

[16] 陈 涛,姚帮松,肖卫华,等.增氧灌溉对马铃薯产量及水分利用效率的影响[J].中国农村水利水电,2013,(8):70-72.

[17] 崔远来,李远华,吕国安,等.不同水肥条件下水稻氮素运移与转化规律研究[J].水科学进展,2004,15(3):280-285.

[18] 彭世彰,张正良,罗玉峰,等.灌排调控的稻田排水中氮素浓度变化规律[J].农业工程学报,2009,25(9):21-26.

[19] 才 硕.微纳米气泡增氧灌溉技术在水稻灌区节水减排中的应用研究[J].节水灌溉,2016,(9):117-120,128.