微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)在水稻灌區(qū)節(jié)水減排中的應(yīng)用研究

才 碩

(1.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330201；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045)

水稻是我國最重要的糧食作物之一，年種植面積達(dá)3 000 萬hm2，也是耗水量最大、耗肥最多的糧食作物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國農(nóng)業(yè)用水量占總用水量70%以上，而水稻用水量就占農(nóng)業(yè)用水量65%[1]。水稻傳統(tǒng)的水肥管理方式灌溉用水量大，灌溉定額達(dá)9 000 m3/hm2，灌溉水的水分生產(chǎn)率為1 kg/m3左右[2]，氮肥利用率僅為30%～35%，由此引發(fā)了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染和水體富營養(yǎng)化問題[3-5]。在我國南方大部分水稻灌區(qū)，水稻種植主要采用淹水灌溉方式，加重了稻田養(yǎng)分通過徑流和滲漏損失，加劇了地表水和地下水環(huán)境污染[6]。此外，長期處于淹水狀態(tài)的稻田，空氣很難通過水層進(jìn)入到土壤中，加之水稻根系及土壤微生物的呼吸作用消耗了大量氧氣，導(dǎo)致土壤中的氧濃度極低，引起土壤Fe2+和其他有害物質(zhì)的積累，不利于水稻的生長。目前，傳統(tǒng)粗放的水稻灌溉管理方式，是我國南方地區(qū)開展節(jié)水減排工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。因此，迫切需要創(chuàng)新節(jié)水防污技術(shù)，加大水生態(tài)治理措施，減輕水稻灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染對生態(tài)環(huán)境的危害。

微納米氣泡增氧灌溉是利用微納米氣泡發(fā)生裝置對灌溉水體進(jìn)行曝氣增氧，采用迅速提高灌溉水體的溶解氧含量的措施來優(yōu)化作物根域水氣狀況，從而促進(jìn)作物生長發(fā)育，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收的一種新型灌溉技術(shù)。微納米氣泡具有氣液比表面積大、氣泡尺度下、吸附效率高、在水中停留時間長等獨(dú)特特性。目前，國內(nèi)外關(guān)于微納米氣泡增氧灌溉的研究相對較少。朱練峰等[7]研究了增氧灌溉對水稻生理特性和后期衰老的影響，結(jié)果表明，超微氣泡水增氧灌溉能提高水稻葉片光合能力，延緩生育后期水稻根系和葉片衰老，促進(jìn)水稻籽粒灌漿結(jié)實(shí)，明顯促進(jìn)水稻生長并顯著提高水稻產(chǎn)量。劉學(xué)等[8]研究超微氣泡增氧灌溉對水稻生育特性及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，超微氣泡增氧灌溉改善了稻田土壤通透性，促進(jìn)根系發(fā)育和對水分、養(yǎng)分的吸收，促使水稻莖蘗早發(fā)，葉面積指數(shù)增大，干物質(zhì)積累增多。才碩等[9]在關(guān)于微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)對雙季稻需水特性和產(chǎn)量影響的研究中表明，微納米氣泡增氧灌溉明顯提高了雙季稻有效穗數(shù)、總粒數(shù)及結(jié)實(shí)率，從而顯著增加了水稻產(chǎn)量。已有的研究主要集中在微納米氣泡增氧灌溉對水稻生理特性的影響，而在減少稻田氮磷流失方面還有待深入研究。本研究通過引進(jìn)離式螺旋微氣泡泵，將微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)應(yīng)用在灌區(qū)水稻生產(chǎn)中，深入研究微納米氣泡增氧灌溉對雙季早、晚稻地表徑流及氮磷排放的影響，探討微納米增氧灌溉技術(shù)在水稻灌區(qū)節(jié)水減排中的應(yīng)用效果，以期為保障南方地區(qū)水資源可持續(xù)利用與經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)于2014年在江西省灌溉試驗(yàn)中心站試驗(yàn)研究基地(116°00′E，28°26′N)水稻試區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)基地位于鄱陽湖流域贛撫平原灌區(qū)二干渠中游右岸，坐落在江西省南昌市南昌縣向塘鎮(zhèn)高田村，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，日照充足，雨量充沛，適合多種農(nóng)作物生長。贛撫平原灌區(qū)年平均氣溫17.5 ℃，年平均日照1 720.8 h，年平均蒸發(fā)量1 139 mm，年平均降雨量1 747 mm。2014年降雨量為1 535.0 mm，早稻季降雨量為715.4 mm，晚稻季降雨量為195.4 mm。試驗(yàn)田土壤為沖積性黃泥土，0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量22.85 g/kg，全氮含量1.42 g/kg，全磷含量0.31 g/kg，堿解氮含量100.98 mg/kg，速效磷含量6.18 mg/kg，速效鉀含量78.92 mg/kg，pH值5.87。

1.2 試驗(yàn)材料

(1)試驗(yàn)裝置 微納米氣泡發(fā)生裝置采用離式螺旋微氣泡泵，型號為XPK-0.75，配有壓力表和空氣流量計(jì)(量程范圍100～1 000 mL/min，20 ℃，101 325 Pa)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 離式螺旋微氣泡泵主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 The main technical parameters of off type spiral micro bubble pump

(2)種植管理 雙季早、晚稻供試品種分別為陸兩優(yōu)996和天優(yōu)華占。早稻于3月24日播種，4月20日手工移栽，栽插行株距為23.3 cm×13.3 cm，每穴3苗，7月13日收割；晚稻于6月24日播種，7月21日手工移栽，栽插行株距為26.6 cm×13.3 cm，每穴2苗，10月20日收割。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素設(shè)計(jì)，設(shè)2個灌溉處理：常規(guī)灌溉處理(W0)和微納米氣泡增氧灌溉處理(W1)，重復(fù)3次，6個小區(qū)，小區(qū)面積23.85 m2。各處理肥料運(yùn)籌方式相同，早、晚稻全生育期氮肥用量為180 kg/hm2，施肥方式為基肥∶分蘗肥∶孕穗肥=5∶3∶2；磷肥施用標(biāo)準(zhǔn)為67.5 kg/hm2(以P2O5計(jì))，全部作基肥施用；鉀肥施用標(biāo)準(zhǔn)為150 kg/hm2(以K2O計(jì))，鉀肥按基肥∶穗肥=9∶11比例施用。小區(qū)之間作30 cm田埂，并用塑料薄膜包封，防止漏水串肥。小區(qū)周圍設(shè)置保護(hù)行，消除邊際效應(yīng)。田間管理和病蟲害防治措施一致。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

(1)測定項(xiàng)目。田間觀測項(xiàng)目包括降雨量、灌溉量、排水量、產(chǎn)量。降雨量由江西省灌溉試驗(yàn)中心站試驗(yàn)研究基地氣象站獲得；灌水量由安裝在田間輸水管道上的水表計(jì)量得出；通過觀測稻田排水前后的田面水位差換算得出排水量；產(chǎn)量測定方法參照《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》(SL13-2015)。

室內(nèi)測定項(xiàng)目包括總氮和總磷。在降雨田面排水時，取排水水樣，測定地表徑流中氮、磷含量。總氮含量用堿性過硫酸鉀消解+紫外分光光度法(GB11894-89)測定，總磷含量用鉬酸銨分光光度法(GB-11893-89)測定。

(2)計(jì)算公式。

灌溉水利用效率(kg/m3)=稻谷產(chǎn)量/灌溉用水量；

降雨利用率(%)=(降雨量-排水量)/降雨量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel2003軟件處理數(shù)據(jù)與制圖，運(yùn)用DPS7.05軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微納米氣泡增氧曝氣對水體氮磷濃度的凈化效果

圖1 微納米氣泡增氧曝氣技術(shù)對水體氮磷含量的影響Fig.1 Effects of micro-nano bubble aerated technique on nitrogen and phosphorus in water

圖1表明，利用離式螺旋微氣泡泵對水體進(jìn)行持續(xù)曝氣，可使水體中氮磷物質(zhì)濃度隨時間發(fā)生不同程度變化。在初始狀態(tài)下，水中總氮、總磷、氨氮、硝氮的含量分別為13.70、2.93、11.1、2.48 mg/L，隨著時間的后移總氮、總磷、氨氮濃度均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。增氧3.2 h后，總氮含量下降為13.08 mg/L，去除率達(dá)4.53%；增氧4.6 h后，總磷含量下降為2.75 mg/L，去除率達(dá)6.14%；增氧2.4h后，水體中的氨氮含量幾乎為0。水體中硝氮含量隨增氧時間增加而逐漸升高，可能是由于長期曝氣形成富氧環(huán)境抑制反硝化作用，造成硝態(tài)氮的積累。

2.2 微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)的節(jié)水效果

表2表明，雙季早、晚稻W(wǎng)1處理的耗水量、灌水量和排水量均低于W0處理，降雨利用率均高于W0處理。與W0處理相比，利用微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)后，早稻耗水量、灌水量和排水量分別減少77.69、119.86和42.17 m3/hm2，分別降低3.34%、7.44%、0.65%；晚稻耗水量、灌水量和排水量分別減少88.02、132.74和44.72 m3/hm2，分別降低2.19%、4.46%、4.90%。早、晚稻降雨利用效率分別提高5.92%和4.28%。說明微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)可以減少雙季早、晚稻灌水量、耗水量和排水量，有效提高降雨利用效率。

表2 微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)對雙季早、晚稻需水特性的影響Tab.2 Effects of micro-nano bubble aerated irrigation technique on water requirement characters of double-cropping early and late rice

2.3 微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)對雙季早、晚稻水分利用效率的影響

水分利用效率(WUE)是指單位水量消耗所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品數(shù)量[10]，是反應(yīng)植物水分利用特性的重要參數(shù)。由表3可知，微納米氣泡增氧灌溉對雙季早、晚稻灌溉用水量、產(chǎn)量以及灌溉水利用效率均有一定的影響。與W0相比，W1處理可以明顯提高水稻產(chǎn)量和灌溉水利用效率，雙季早、晚稻分別增產(chǎn)4.93%和5.60%，灌溉水利用效率分別提高13.36%和10.54%。表明微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)能夠?qū)υ?、晚稻灌水量和產(chǎn)量有一定程度的調(diào)節(jié)作用，從而達(dá)到灌溉水高效利用的目的。

表3 微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)對雙季早、晚稻水分利用效率的影響Tab.3 Effects of micro-nano bubble aerated irrigation technique on water use efficiency of double-cropping early and late rice

2.4 微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)的減排效果

從圖2可以看出，微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)對早、晚稻氮磷地表徑流排放量產(chǎn)生一定影響。與W0相比，W1處理可有效減少水稻氮磷地表排放量，早、晚稻總氮排放量分別減少8.36%和8.12%，總磷排放量分別減少27.50%和27.27%。表明微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)對地表排水中的氮、磷具有較好的去除效果，能夠減輕氮、素流失所造成的農(nóng)業(yè)面源污染，具有一定的減污作用。

圖2 微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)對雙季早、晚稻地表氮磷排放量的影響Fig.2 Effects of micro-nano bubble aerated irrigation technique on discharge of nitrogen and phosphorus in the surface runoff of double-cropping early and late rice

3 結(jié)論與討論

近些年，微納米氣泡作為一種新型的增氧曝氣技術(shù)，已在環(huán)境污染控制中已取得了一些研究成果，表現(xiàn)出了一定的技術(shù)優(yōu)勢與良好的應(yīng)用前景[11-13]。徐彬等[11]研究表明，采用微納米氣泡對入湖河道水體進(jìn)行原位凈化處理，氨氮、總磷的平均去除率分別為42.4%和49.1%。王美麗等[14]在對黑臭河道廢水微納米曝氣處理研究顯示，在0.3 L/min的氣量、90 min時除污效果最好，總磷的去除率為31.0%。本研究表明，采用微納米氣泡技術(shù)對水體進(jìn)行爆氣處理，增氧3.2 h時，對總氮去除效果最好，去除率為4.53%；增氧4.6 h時，總磷去除效果最好，去除率為6.14%；增氧2.4 h時，氨氮去除率接近100%；硝氮含量隨增氧時間增加而逐漸升高，可能是由于長期曝氣形成富氧環(huán)境抑制反硝化作用，造成硝態(tài)氮的積累，這與張保君等[15]研究結(jié)果一致。

水、肥是影響水稻生長發(fā)育的主要因子，適宜的田間水肥管理技術(shù)不僅能夠節(jié)約灌溉用水，增加水稻產(chǎn)量，而且能有效減少稻田氮、磷排放，提高水肥利用效率[16-18]。本研究結(jié)果表明，相對于常規(guī)水灌溉處理，微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)具有較好的節(jié)水減污效果，早、晚稻灌水量分別減少7.44%和4.46%，降雨利用率分別提高5.92%和4.28%，灌溉水利用效率分別提高13.36%和10.54%，總氮排放量分別減少8.36%和8.12%，總磷排放量分別減少27.5%和27.27%。

目前，國家和水利部正在著力推進(jìn)南方地區(qū)節(jié)水減排工作，節(jié)水減排是節(jié)約水資源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的必然選擇，創(chuàng)新技術(shù)措施則是實(shí)施節(jié)水減排工作的重要途徑。筆者將微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)應(yīng)用在灌區(qū)水稻生產(chǎn)上，實(shí)現(xiàn)了雙季稻田節(jié)水、增產(chǎn)、減污的綜合效果?？梢?，微納米氣泡增氧灌溉技術(shù)能夠提高水稻水肥利用效率，減少農(nóng)業(yè)面源污染物的排放，在推進(jìn)南方水稻灌區(qū)節(jié)水減排工作中具有較好的應(yīng)用價值，同時也在提水灌溉地區(qū)和設(shè)施農(nóng)業(yè)上具有一定的推廣前景。

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