纳米气泡加氧灌溉在设施农业领域应用的研究进展

刘雁征，周云鹏，和 婧，匡乃昆，陈伟杰，徐飞鹏

（1.北京农业职业学院，北京 100085；
2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；
3.农业节水与水资源教育部工程研究中心，北京 100083）

以高技术、高产出、高收益为特征的设施农业已经成为全球蔬菜最重要的生产方式[1]。近年来中国设施农业发展迅速，截止2017年底，中国设施农业面积达370 万hm2。然而，随着设施栽培年限的增加，设施土壤由于长期失去自然降雨的淋溶作用，加之频繁灌水、盲目施肥、周年满负荷生产、高度集约化经营等原因，普遍出现次生盐渍化、养分失调、微生态环境遭到破坏、土传病害加重等一系列土壤退化问题[2,3]，严重影响了设施产出蔬菜的产量与品质。其中，土壤低氧胁迫成为设施农业土壤退化的主要表现之一。当土壤通气性不足或氧气含量较低时，植物根系对土壤中水分与养分吸收能力明显下降[4]，植株生长态势减弱，新叶形成受阻、叶片数量和叶面积减小、干物质含量降低、作物产量与品质明显降低等[5]。加氧灌溉将富含氧气的灌溉水通过灌溉管道系统输送到作物根区，可以有效解决作物根际氧气含量不足的问题[6]。纳米气泡作为一种高效加氧方式，在农业领域的应用逐渐引起人们的广泛兴趣。已有研究人员探索性地将纳米气泡用于种子处理与作物灌溉上，对种子萌发和作物生长产生了积极作用。为此，本综述简述了纳米气泡性质，聚焦于纳米气泡灌溉对设施作物生长、产量、品质以及土壤理化指标、土壤微生物的研究与应用，对纳米气泡在设施农业领域的现有研究成果进行了总结，并对未来纳米气泡在农业领域的研究重点提出了展望。

纳米气泡（Nanobubbles，NBs）是指气泡发生时直径在1 μm 以下的气泡，可以在固液界面和体相中稳定存在[7]。由于NBs 尺寸介于纳米尺度，具有许多普通气泡不具备的独特性质。例如，比表面积大，可以在水中长期稳定存在[8]，传质速率高、效率强，气泡表面带负电荷等[9]。基于上述性质，NBs已经被广泛用于自然水体修复[10]、水处理[11]、除垢[12]、矿物浮选[13]、靶向运输药物[14]、水产养殖[15]等领域。通常情况下，可以借助动态光衍射技术[16]、纳米颗粒跟踪分析技术和简协振动法质量测量技术[17,18]对纳米气泡进行观测与研究（见图1）。

图1 纳米气泡特性及应用领域[19]Fig.1 The properties and application areas of nanobubbles

1.1 比表面积大、传质效率高

理论上来讲，直径为1 mm 的气泡可以容纳6×107个直径为1 μm 的气泡，相同体积内二者比表面积相差近400 倍[20]。由于纳米气泡的比表面积及气泡内压力在气泡体积收缩的过程中不断增大，使穿过气液界面溶解到水中的气体含量逐渐增多[21]。纳米气泡这种在收缩过程中自身增压的特性，大大增强了气液界面处的传质效率，即便气体含量在水中达到饱和时，仍可继续进行气体的传质过程，显著提高了空气、氧气、臭氧、二氧化碳等在水中的溶解度[11]。同时，NBs浓度随制备时间呈现先增加后缓慢下降的变化趋势，而NBs 大小随制备时间的变化趋势恰好相反。

1.2 水中的上升速度慢、存在时间长

纳米气泡在水中的运动特性符合Stokes 定律和H-R 方程[22]，即气泡直径和液体粘度是影响气泡上升的主要因素，并且气泡粒径越大，上升速度越快。半径为100 nm 的气泡终端上升速度约为20 nm/s，这意味对于足够小的NBs，上升浮力可忽略不计，布朗运动占主导作用[7]。然而，对于不同气源纳米气泡，如二氧化碳、空气、氮气和氦气等，在水中的上升速率不同[11]。Parkinson[22]等认为这可能是因为气体的分子量不同，空气和氦气纳米气泡超出了H-R 公式的适用范围。此外，由于气泡大小与表面特性的差异，NBs的上升速率还与溶液类型相关。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 界面电位高

在pH 为2～12 的范围内，纳米气泡表面带有负电荷[11]。这种现象与水分子中的OH-在纳米气泡表面吸附的行为有关。OH-选择性吸附在气泡表面的原因可能是基于H+和OH-的水化能和气液界面上水分子的偶级位向[24]，使H+更加易于留在水相中，OH-离子暴露于气相中[25]。此外，由于水偶极子在气液界面的结构形成双电层，使氢指向水相，氧指向气相。在纯净水中，纳米气泡表面的负电荷与pH密切相关。Liu等[24]借助脉冲光谱仪测试了NBs 中核磁共振（NMR）弛豫时间T2，发现T2 与NBs 数量呈现正相关关系，表明NBs 可以增加水分子的整体迁移率，同时氮气纳米气泡水的Zeta 电位在pH 为7.28和7.55时分别为-32.26 mV和-38.84 mV。

1.4 气泡破裂时生成自由基和超声波

根据Young-Laplace 公式，直径1 μm 的气泡在298 K 温度下，气泡内部的压力约为390 kPa，比外界大气压高了2.9倍[26]。当纳米气泡在收缩并发生破裂或崩陷的瞬间，气液界面消失会引发剧烈的变化，产生压力的极大值；
当气泡崩陷的速度高于音速在水中的传播速率时，气泡破裂瞬间的温度可能会因为绝热压缩效应而急剧升高[27]。由于气泡坍塌瞬间发生的热解效应，在气液界面会产生羟基自由基及超声波[28]。Liu等[29]通过APF 荧光探针发现，Air 和N2混合气体形成的NBs 溶液会持续产生少量活性氧（ROS）自由基；
又根据不同类型活性氧对荧光的响应，证实了O2-NBs 中生成的ROS 主要为羟基自由基（·OH）[30]。Tada 等[31]借助电子自旋共振波谱仪（ESR）发现，NBs 溶液中产生·OH 的浓度约为3×10-8mol/L。此外，Masuda 等[32]、Tasaki 等[33]、Li 等[34]发现，通过超声刺激、紫外线照射、酸性条件下采用铜作为催化剂均可以增加NBs溶液中·OH的生成。

2.1 作物生长

大量研究人员将NBs 用于农业灌溉领域，获得了一些令人振奋的结果。一些研究证实了NBs 可以促进种子的萌发与生长。例如，Liu 等[35]发现，在相同溶氧浓度下，空气NBs 水处理的大麦种子萌发率较蒸馏水处理组提升了15%～25%。然而，Ahmed等[36]研究了不同气源（空气、氧气、氮气和二氧化碳）NBs对生菜、胡萝卜、蚕豆和番茄种子萌发的影响，却得出不同结论：氧气和氮气NBs处理提升了种子的发芽率（6%～25%），而空气和二氧化碳NBs 对种子萌发无明显影响。2009年，Park 和Kurata[37]使用旋流式微泡发生器研究了NBs 对深液流水培（DFT）油麦菜的影响，发现NBs水培油麦菜的鲜重与干重分别是对照组的2.1 和1.7 倍，推测可能是NBs 更大的比表面积和表面的负电荷促进了植物生长。Ebina 等[38]和周云鹏等[39]分别使用空气源和氧气源NBs 进行了营养液膜（NFT）水培试验，发现与传统水培相比，NBs处理中甘蓝、小白菜、小油菜与油麦菜的株高、根长与干鲜重均显著增加。Ouyang等[40]人在纳米气泡滴灌生菜的研究中发现，生菜的株高、叶面积指数、叶绿素含量和干物质量分别增加了22.9%、35.7%、12.1%和14.7%，硝酸盐含量较对照组降低了14.4%。

2.2 作物产量

Wu 等[41]对比了NBs 灌溉与传统泵曝气灌溉对番茄产量的影响，发现两种曝气灌溉方式下，番茄产量分别提高了23%和17%，这表明NBs 处理组的提升效果更加明显。Kim 等[42]和Ouyang 等[40]借助盆栽试验研究了NBs 灌溉对生菜生长的影响，发现NBs 明显提高了灌溉水中溶解氧含量，生菜株高、叶面积指数与生物量均得到了显著提升，同时重金属含量与硝酸盐积累量明显降低。饶晓娟等[43]、曹雪松等[44]、才硕等[45]、Zhou 等[46,47]借助地下滴灌技术将NBs 分别在大田棉花、苜蓿、水稻、玉米、甘蔗等作物上进行试验，发现上述作物产量提升了4%-30%。Zhou 等[48,49]、Liu 等[50]、王逍遥等[51]、肖卫华等[52]将NBs地下滴灌技术应用于设施番茄、黄瓜、甜瓜、烟草上，同样取得了明显的增产效果。此外，一些NBs 在大田灌溉上的应用表明，NBs 灌溉有望在稳产的基础上减少化肥用量，实现清洁生产。例如，Wang 等[53]评估了NBs 灌溉对于减少稻田化肥用量的可行性，发现当化肥施用量相同时，NBs灌溉明显提高了水稻产量（8%）；
在减少25%施肥量的情况下，水稻产量与传统种植相差不大。这可能是因为NBs 刺激了植物生长激素（赤霉素）的合成，促进了植物营养吸收关键基因OsBT，PiT-1 和SKOR 的上调表达，从而增加了根系对养分的吸收利用。Sang 等[54]也发现类似结论：当施氮量减少10%时，几乎对水稻产量没有影响。

2.3 作物品质

随着生活水平的不断提升，消费者的观念逐渐从“吃饱”向“吃好”转变，这对作物品质提出了更高要求。NBs为协同实现作物节水、增产、提质提供了新思路。Liu[50]、王逍遥等[51]、Zhou等[48]研究了设施番茄、黄瓜、甜瓜在NBs滴灌处理后的果实品质的变化，发现3 种作物VC 含量分别增加了17.7%、16.7%和13.2%，番茄和黄瓜可溶性糖含量分别增加了39.2%和19.4%。Li 等[55]围绕氢气NBs 灌溉对草莓品质的影响展开研究，发现氢气NBs 增加了草莓挥发性成分与可溶性糖（葡萄糖，果糖和蔗糖等）含量，降低了肥料对草莓果实香气的负面影响，借助转录组学技术发现NBs 处理后草莓风味相关基因（FaLOX、FaADH、FaAAT 等）呈现上调表达可能是草莓品质提升的主要原因。Zhou 等[56]将NBs 滴灌与富硒生产相结合，发现NBs 可以显著提升富硒黄瓜果实品质，其中硒含量、VC和可溶性糖含量较滴灌施硒处理分别增加了1.3倍、10.8%和21.0%，NBs 灌溉提高了富硒微生物的丰度，提升了土壤中硒的生物有效性，从而促进了黄瓜对硒元素和养分的吸收，使黄瓜品质得到大幅提升，见表1。

表1 纳米气泡灌溉对作物生长、产量与品质的影响Tab.1 The effects of nanobubbles irrigation on crop growth,yield,and quality

3.1 土壤理化指标

当灌溉水源混掺着NBs 进入土壤后，引发土壤理化性质的响应引起众多研究者极大的研究兴趣。土壤通气过程和土壤通气性是继土壤水分和养分有效性外，影响土壤肥力和植株生长最重要的因素[57]。Liu 等[50]研究结果显示，使用NBs 地下滴灌后，黄瓜根际土壤氧气含量得到有效提升，并在灌溉后24 h 内保持较高且相对稳定的水平。Baram 等[58]发现，NBs地表滴灌后，土壤氧气含量从15.6%提升至19.7%，NBs 地下滴灌后，土壤氧气含量从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还原条件，土壤活性还原性物质、Fe2+和Mn2+含量分别降低了48.7%、56.1%和42.8%。同时，NBs灌溉对土壤酶活性与土壤有效养分含量展示出积极的效应。Wu 等[41]发现，NBs 灌溉显著提升了土壤中氮矿化相关酶（β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖酶）、磷矿化相关酶（磷酸酶）和碳循相关酶（α-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-木糖苷酶、过氧化物酶和苯酚氧化酶）活性，同时土壤中有效氮（32%）和有效磷（34%）含量显著增加。Zhou 等[48]的研究表明，NBs 灌溉提高了玉米根际土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性，从而提升了土壤氮、磷元素的植物有效性。Zhou 等[47,49]证实了NBs 灌溉对土壤肥力的具有促进作用，NBs 灌溉后的大田甘蔗与设番茄根际范围内，土壤有机质、速效氮和速效钾的含量得到显著提升。但曹雪松等[44]的研究表明，尽管NBs灌溉后苜蓿根际土壤中速效氮与速效磷含量分别增加了13.2%～65.5%和7.0%～31.1%，速效钾含量却降低了3.3%～13.7%。这可能是因为不同作物对于土壤钾素吸收偏好性的差异。同时，NBs灌溉在水稻土实现节水减排中展示出巨大应用潜力：灌溉水利用效率提高13%，总氮和总磷排放量分别减少了8%和27%[60]，N2O 和CH4排放量分别减少了37%和28%[61]。Minamikawa 和Makino[62]认为，NBs 通过对浅层土壤（距表土4～15 mm）的氧化降低了淹水水稻土中温室气体的排放。

3.2 微生物

微生物是土壤物质循环和能量流动的执行者和驱动者，为土壤质量健康提供多种生态系统服务和功能[63]。微生物群落结构组成与其生存环境中氧气含量密切相关，当氧气含量发生变化时，微生物群落结构会发生巨大变化[64,65]。Zhou 等[46]使用氧气NBs对玉米进行灌溉的试验结果表明，氧气NBs灌溉增加了玉米根际土壤微生物多样性，其中Pseudomonas 和Hydrogenobacter 是群落中的优势菌。此外，Zhou 等[47]还发现，空气NBs 灌溉降低了微生物间互作网络的复杂性，增加了好氧型微生物的相对丰度，抑制了具有发酵、硝酸盐呼吸作用、反硝化作用等群落功能，促进了具有硝化作用、固氮作用等功能细菌的增殖，从而增强了土壤肥力与土壤微生物间的动态互促。这与Xiao 等[66,67]、Wu 等[41]的发现结论类似：NBs 对微生物群落功能具有显著影响，提高了微生物对氧气的利用效率，促进了微生物的有氧代谢与对土壤中碳源的利用能力。同时，NBs表现出良好的除垢能力：使用NBs滴灌后，灌水器相对平均流量提高了26.7%～49.6%，生物膜干重、EPS 等生物污垢和石英、硅酸盐等矿物污垢分别减少了31.3%～52.1%、16.7%～77.6%和15.0%～42.5%、34.0%～65.7%[12]。

本综述简要概括了纳米气泡的特性，重点介绍了纳米气泡在农业灌溉领域的研究与应用。纳米气泡灌溉技术在协同实现作物节水、增产、提质上具有巨大的应用潜力，其相关的研究与应用也越来越受到科研工作者的重视。然而，纳米气泡在农业灌溉领域仍有诸多问题亟需解决。未来应从以下几方面开展相关研究。

（1）辨识纳米气泡自身在作物增产提质过程中的作用。人们从提高加氧效率的角度将纳米气泡技术引入灌溉领域。但纳米气泡的诸多特性，如比表面积大、表面带负电荷、坍塌时生成活性氧等，在这个过程中扮演了什么角色还尚不清楚。亟需系统、全面解析纳米气泡对作物的增产提质机理。

（2）灌溉领域的纳米气泡大多由纳米气泡发生器产生，纳米气泡发生器效率、功耗与制作成本成为制约纳米气泡技术在农业灌溉领域推广应用的关键。亟需研发高效率、低成本的纳米气泡发生装置，并使用轮灌制度等模式分摊纳米气泡发生器给实际生产增加的投入。

（3）纳米气泡灌溉对作物的增产与提质效应往往与作物类型、土壤质地、气泡浓度、灌溉与施肥模式等密切相关，需根据使用地实际种植条件开展相关试验，综合考虑土壤-微生物-植物系统，集成面向作物节水、增产、提质的纳米气泡灌溉模式。