增氧灌溉技术研究现状与智能化发展趋势分析.pdf

增氧灌溉技术研究现状与智能化发展趋势分析 温昊阳1 于珍珍1 汪 春1 张冬梅1 2 王宏轩1 邹华芬2 1 黑龙江八一农垦大学 信息与电气工程学院 黑龙江 大庆 163319 2 中国热带农业科学院南亚热带作物 研究所 循环农业研究中心 广东 湛江 524022 摘 要 增氧灌溉技术在改善土壤环境和提高作物产量等方面具有巨大的潜力和应用前景 是未来绿色农业 循 环农业发展的大势所趋 为此 总结了不同土壤增氧方式及设备的发展现状 系统论述了增氧灌溉技术目前的 应用现状 深入分析了增氧灌溉技术在改善土壤环境及作物生长等方面取得的成效和存在的问题 并提出多元 化增氧灌溉技术与智能化精准增氧技术将是未来发展的重点 最后 提出未来应着重于研究多元化增氧灌溉技 术的发展 提高增氧灌溉技术生产效率及建立田间智能化增氧调控系统 以此作为未来增氧灌溉技术发展的参 考 关键词 增氧灌溉 技术体系 多元化发展 智能调控 中图分类号 S233 6 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2023 03 0001 07 0 引言 水资源已经成为制约农业生产和国民经济发展的 瓶颈 1 2 面对农业灌溉用水与工业 生活 环境用水 竞争日趋紧张的现状 为提高水资源利用率 地下滴 灌技术已在干旱和半干旱地区得到广泛应用 3 地 下滴灌技术将液体肥料与水分混合后直接输送到作 物根部 可以更加精准地为作物根系提供水分及养 分 减少化肥流失造成的环境污染 管道埋设在地表 以下 还可以减少地表水分的无效蒸发 且地表干燥 可减少杂草的生长 因在进行地下滴灌时 在土壤水 分湿润锋线区域 土壤氧气含量降低 4 无法满足作 物根系呼吸所需要的O2含量 土壤缺氧会造成作物 气孔关闭 叶水势降低 影响作物正常的生理功 能 5 6 成为农作物高产的主要限制条件 增氧灌溉技术 是在地下滴灌的基础上 7 利用 空气泵或者罗茨风机等通风装置向作物根部土壤增 加空气 或者采用文丘里装置将空气以微气泡的形式 掺入灌溉水中 以此提高土壤环境中O2含量 缓解作 物根部的缺氧症状 8 10 改善作物根际土壤微环境和 收稿日期 2021 03 23 基金项目 海南省自然科学基金项目 519QN289 中国热带农业科学 院创新团队项目 19CXTD 31 黑龙江八一农垦大学学生 创新创业项目计划项目 202010223054 作者简介 温昊阳 1999 男 山西朔州人 本科生 已推免至河海大 学硕士研究生 E mail 19845916068 qq com 通讯作者 张冬梅 1976 女 云南华林人 副教授 E mail 459063026 qq com 土壤酶活性 维持作物根系正常的新陈代谢和呼吸功 能 提高作物的产量与品质 11 为此 笔者对土壤增氧方式 增氧灌溉技术对土 壤环境 根系生长及作物产量 品质的作用机理进行 系统分析 并提出未来应进一步发展多元化增氧灌溉 技术 再生水增氧灌溉及智能调控增氧灌溉技术 为 进一步提高农业用水效率 优化农业灌溉技术及促进 农业可持续发展的奠定理论基础 1 不同增氧灌溉方式应用现状 国外增氧灌溉技术始于20世纪70年代末 我国 在增氧灌溉技术综合利用方面起步较晚 目前对作物 根区土壤进行增氧的方法主要分为工程法 作物法 化学法及物理法 1 1 工程法 工程法是指利用农业水土技术 农业工程技术等 措施 改变了土壤微观结构 由于土壤孔隙度得到了 改善 大气与土壤气体扩散性能得到增强 提高土壤 通气性 12 1980年 Kurtz及Kneebone通过刺穿土壤剖面或 移除小块土壤 增加了土壤总孔隙空间 提高了土壤 根系与大气的气体交换能力 但该方法下的土壤孔隙 持续时间较短 且操作时容易损伤作物根系 1997 年 苏格兰公司研发一种作物根系通气盆 通过在花 盆侧壁进行打孔 促进大气与花盆内土体的气体交 换 提高了土壤中O2含量 13 以达到提高作物产量 的目的 但对花盆侧壁打孔较费工 应用成本高 20 1 2023年3月 农 机 化 研 究 第3期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 03 032 世纪初 逐渐发展一些土壤疏散物质 如聚乙烯 石 膏 蛭石 堆肥 有机覆盖物 岩石和珍珠岩等合成材 料来增加土壤孔隙度 保持土壤通气性 1999年 Brandsma利用聚乙烯加入土壤内部 由于土壤絮凝化 成分含有离子胶合体 可以改变土壤颗粒的电荷聚 集 在此基础上 Wild进行棉花种植试验时 通过将 石膏深埋 因土壤溶液中的碳酸钠和重碳酸钠作用 生成易溶于水的硫酸钠 消除耕层土壤的碱性 提高 土壤孔隙度 对棉花产量的提高有一定促进作用 14 2003年 孙周平等在马铃薯种植前 通过在土壤底部 埋设一个拱形网 拱形网下端为空气层通过空气渗透 到作物根系周围 但槽栽法需要进行土体改造 费时 费工 劳动强度大 难以进行大面积的推广应用 后期 通过工程技术措施建立地下滴灌排水系 统 在灌溉 降雨后及时排水 通过改变土壤的固 液 气三相比例来改善土壤结构 用以提高作物根区土壤 O2含量 1 2 作物法 不同作物类型和相同作物类型下的不同品种之 间 对根区缺氧的适应能力存在明显的差异性 15 探索适应低氧条件的作物基因型是提高缺氧土壤生 产力的方法之一 有研究表明 西红柿幼苗与水稻幼 苗同时进行营养液栽培 水稻幼苗的根系会缓慢释放 O2进入营养液 西红柿幼苗通过吸收O2来改善自身 生长状态 但是 在土壤中是否会有类似的现象还未 可知 1 3 化学法 化学法是将一些含氧化合物按一定比例加入土壤 中 通过含氧化合物在土壤中分解产生O2 进而达到 提高土壤O2含量的目的 国内外学者对化学法在田 间应用做了大量研究 常见的含氧化合物主要包括过氧化钙 CaO2 过 氧化钠 Na2O2 过氧化镁 MgO2 及过氧化氢 H2O2 等 其中 CaO2具有成本低和效果好的特点 与水反应缓慢释放氧气 与土壤混合使用一次 土壤 一周内都可以维持较高的O2含量 缓解作物根系低 氧胁迫 同时释放热量以提高土壤温度 BICONET 1972 1980年 Herr利用CaO2为土壤提供氧气 但 收效甚微 这是由于土壤对O2的需求量较大 而这 些化合物只能提供少量而短暂的O2供应 且作用部 位有限 持续时间较短 16 在田间农业生产应用中 将低浓度的过氧化氢 H2O2 溶液与灌溉用水混合 来达到提高作物根区土 壤的O2含量的目的 1982年 Hodgson and Chan通过 地下滴灌技术 在每次灌水结束后注入过氧化氢 H2O2 25min 与普通地下滴灌相比 西葫芦的产量提 高了25 这是通过地下滴灌向作物根区加入过氧化 氢 H2O2 第一个发表的成功研究 过氧化氢 H2O2 针对不同作物 不同类型的土壤 上的应用效果也表现出大的差异性 在重粘土 盐渍 土等障碍性土壤中 实施根区增氧后效果更明显 相 反 过氧化氢无限地溶于水 可能使溶解氧浓度达到 1000 10 6 但在高温下对微生物有毒 因此 过氧化 氢 H2O2 必须以足以达到通气目的的低浓度引入 Raifai和Newell 1994 由过氧化氢对土壤微生物 的影响的初步评估表明 以0 001 的溶液进行增氧 在蔬菜大豆作物灌溉期间连续施用不会对可测量的 土壤细菌数量产生负面影响 但未评估微生物组之间 的差异性影响没有进行研究 在化学增氧方法中 过氧化氢 H2O2 的氧化效果 更好 使用方便 但由于过氧化氢 H2O2 易于分解 导 致在应用时局限性较强 过氧化氢 H2O2 本身具有 强氧化性 对作物生长及土壤是否有消极影响还未可 知 所以 该技术无法进行大面积使用 需要对过氧化 氢 H2O2 的含量 加入时间和方法及对土壤健康的影 响进行试验研究 1 4 物理法 物理增氧法 又称为机械增氧法 是在地下滴灌 的基础上 利用加气设备将水分和气体直接输送至作 物根部 是一种最直接的土壤增氧方式 主要分为水 氧分离与水氧结合两种方式 1 4 1 水氧分离法 水氧分离法 是在地下滴灌的基础上 结合土壤 通气技术 利用空气压缩机向管内通气 达到提高土 壤O2含量的目的 国外最早对土壤进行物理增氧是在1949年 Mel sted S W通过空气压缩机将空气直接加压进入根区土 壤中 类似于对土壤进行 强制通风 试验结果表 明 通过对土壤进行 强制通风 可以提高土壤通气 性 改善土壤环境 后期 利用空气压缩机向土壤中 埋设的穿孔软管注入空气 达到提高土壤O2含量的 目的 这也是现在物理增氧灌溉技术的雏形 利用这 种措施 每天向土壤中通气1h 番茄产量较不通气处 理提高24 还可以改善作物品质 18 水稻生育过 程中仅靠水中的O2无法满足自身生长 代谢等生命 活动 通过提高水稻生长环境中O2含量 可以提高水 稻光合产物的转化 使水稻根系生长旺盛 后期西北 农林科技大学郭超 朱艳 温改娟及李元等利用空气 2 2023年3月 农 机 化 研 究 第3期 压缩机对温室番茄 甜瓜及盆栽玉米进行增氧灌溉 结果表明 增氧灌溉条件下可以改善土壤环境 提高 土壤通气性 土壤微生物活性提高 作物光合速率 蒸 腾速率及气孔导度都有所提高 土壤有机质分解彻 底 促进作物根系对土壤养分的吸收 提高作物干物 质积累 利用该方法进行大田试验 田间气体传输稳 定 氧气在管道中分布均匀度高 灌水后进行加气处 理还可以提高土壤水分分布均匀度 有利于提高水分 利用效率 19 水氧分离法是目前田间试验较为常用的一种土壤 增氧方式 且在地下滴灌系统的基础上增加气泵等土 壤通气装置 使用方便 运行成本较低 适宜田间大面 积使用 1 4 2 水氧结合法 水氧结合法又称微泡法 是一种新的农业灌溉技 术 于2000年在美国开始使用 基本原理 利用文丘 里管注射器将空气直接吸入水流中 提高水中溶解 氧 O2以气泡的形式存在于灌溉水中 补充了作物生 长消耗的氧气 用于土壤和无土栽培系统的根部和微 生物呼吸 目前 水氧结合法主要包括Seair系统纯氧 曝气 射流振荡器曝气及文丘里注射器曝气3种方 式 20 Seair系统纯氧曝气和射流振荡器曝气装置 在使用过程中 稳定性较差 曝气产生的气泡较大 聚 集在管道顶部导致出气不均匀 导致水中溶氧量较 低 生产效率低 不适合大范围推广应用 目前 国外 多使用Mazzei文丘里注射器进行水体增氧 不会出现 气泡聚集 出气不均匀等情况 溶氧效率高 同时能保 持管道内流体运动及压力的平稳 对水氧结合灌溉模式下的技术参数进行试验发 现 水氧结合下的作物增产效益随着管道长度的增加 而降低 这种衰变效应主要是由于水中溶解氧含量随 着管道的增加而逐渐降低 所以 使用水氧结合的方 式需要对水中溶解氧的变化规律进行研究 以保证水 氧结合方式下效益最大化 近年来 水氧结合法又取得了新的进展 利用微 纳米曝气装置 将空气压缩成纳米级气泡注入灌溉水 中 提高了水中溶解氧含量 产生的含氧微气泡较小 气泡中含氧量较高 在管道中扩散均匀 在管道中留 存时间较长 目前 微纳米气泡技术多用于污水处理 技术中 但相关研究目前尚处于初步阶段 且器材较 为昂贵 大面积推广还有一定难度 2 增氧灌溉技术研究现状 当灌溉不当造成土壤根部积存过多水分时 会对 土壤环境及作物生长产生不利影响 增氧灌溉技术 可以缓解由于灌溉 降雨及农业操作对土壤造成的低 氧胁迫 改善土壤环境及作物生长 提高作物产量和 品质 随着增氧灌溉技术优势的凸显 增氧灌溉技术 在各个地区及不同作物均进行了应用研究 2 1 增氧灌溉技术对土壤环境的影响 2 1 1 改善土壤通气性 土壤通气通过土壤的肥力 进而影响农作物的生 长 土壤通气性较差 土壤氧气可利用性低 O2的扩 散 底物的运输 根系的生长 CO2的排放等都有可能 被影响 进而成为土壤呼吸的限制因素 只有在通气 良好的土壤中 气体交换才能顺利进行 过量的CO2 和N2O才能顺利排放 土壤呼吸强度 土壤氧扩散速 率和土壤通气速率通常用于指示土壤通气状态 土壤呼吸是在消耗氧气的同时向大气中释放CO2 的过程 而由此造成的气体含量梯度是气体扩散的驱 动力 因此 当土壤通气不良时 土壤呼吸 产生二氧 化碳的过程 将受到限制 土壤中的二氧化碳含量将 急剧增加 土壤呼吸速率随土壤含氧量的增加而增 加 与对照试验相比 增氧灌溉下土壤呼吸速率和土 壤含氧量显著增加 22 氧气扩散速率 oxygen diffusion rate ODR 作为衡 量土壤通气性最有效的指标之一 用来反映原位土壤 中氧气的供应状况 23 2020年 臧明采用增氧灌溉 对冬小麦作物根区土壤氧气扩散速率影响进行试验 研究 结果表明 提高土壤O2含量 可以增强土壤 ODR 改善温室番茄产量 2 1 2 提高土壤酶和微生物活性 土壤微生物分解植物残留物以产生土壤酶 在土 壤酶和土壤微生物的共同作用下 完成了土壤有机质 的代谢分解 氮的转化和养分的合成 Davies等在研 究中指出 土壤通气性降低 阻碍空气与土壤气体的 交换 土壤处于缺氧状态 会降低作物对土壤养分的 主动吸收 例如 随着O2含量的减少 氮 磷 钾 钙 和镁的吸收率会降低 McLaren和Cameron 1986 因 为无氧呼吸提供的ATP不足以提供能量来满足矿物 质吸收的需求 Barrett Lennard 2003年 随着O2含 量的增加 土壤酶 微生物的活性和繁殖能力增强 Balota 2004 及Emilssona 2007 等研究认为 25 提 高作物根际土壤O2含量 蔗糖酶和脱氢酶等土壤主 要酶均有显著提高 有机质在土壤中的分解迅速 及 时补充土壤中的矿物质资源 促进了作物根系对土壤 水分和养分的有效吸收 2013年 谢冬等人通过试验 研究表明 增氧灌溉技术可以增加根际微生物的活 3 2023年3月 农 机 化 研 究 第3期 性 提高根际微生物的分解能力 为作物生长提供良 好的土壤环境 2 1 3 提升土壤肥力 缺氧条件会抑制养分向根部运输 限制了根系满 足芽的矿物质和水分需求的能力 Samad et al 2001 缺氧引起的根系水力传导率降低与木质部血管的阻 塞和轴向水的受限有关 在缺氧的土壤中 韧皮部在 厌氧根中的卸载停止 并且阻碍了代谢物和生长调节 剂在根与芽之间的运输 McKersie and Hunt 1987 缺 氧也增加根部的水力阻力 减少了水和矿物质从根部 通过木质部到枝条的运输 Steudle 2000年 众所周 知 由于根细胞膜的半透性不完全 厌氧条件下的水 分和矿物质吸收较差 Gibbs和Greenway 2003年 根部通道蛋白的抗性增加或密度降低 根系对水的电 导率降低 溶解氧或土壤中氧的扩散速率降至临界值 以下 农作物可直接利用的矿质元素含量不足 农作 物吸收土壤养分积累能力下降 26 造成作物根向地 上部运输能力下降 27 限制了土壤肥效的充分发挥 导致植物营养缺乏 是使植物老化加快及水肥流失的 直接原因 土壤氧气含量的升高 加速了土壤微生物和有机 物的分解 释放出有机碳 促进了土壤的内部化学循 环 减少了农作物对化肥的依赖 李天来等的研究也 证明 有氧灌溉技术显著增加了基质中有效养分的含 量 碱水解氮比对照组增加了12 5 速效磷比对照 提高12 02 作物积累量提高 通气不良会导致根系生长受限 导致无法充分利 用作物上的氮素 Heuberger等 2001 缺氧根际中 氮的损失发生在反硝化作用和浸出过程中 Focht 1992 如果根区周围的空气改善 将对氮素利用效率 及农作物的生长和产量产生直接的积极影响 在一 项对植物汁液硝酸盐进行定量研究的研究中 Heu berger等 2001 存在通气增加硝酸盐浓度的趋势 同样 对于增氧灌溉条件下的番茄种植 叶柄汁液中 的硝酸盐氮含量提高了13 Bhattarai 2005 2003 年 陆景陵等指出 当土壤处于缺氧状态时 NO2和N2 经过反硝化作用散失到空气中致使大量N素流失 2019年 杨宏军等人通过微泡曝气方法 以温室番茄 为试验材料研究了增氧灌溉对土壤N2O排放的影响 结果表明 土壤NO3 NH4 充气孔隙度 氧扩散速率 和土壤温度是驱动土壤N2O排放的重要因素 29 且 土壤O2含量直接影响充气孔隙度与氧气扩散率 增 氧灌溉技术可以弥补常规灌溉引起的土壤O2逸出 土壤O2含量的增加促进了硝化作用的发生 并增加 了N2O的产生 有机磷是作物生长的重要磷源 但不能被作物直 接吸收 大多数活磷需要被矿化为无机磷被根系吸 收 转化 提高土壤O2含量可以提高土壤微生物活 性 进而提高土壤有机质转化 增强矿化速率 土壤磷 可以转化为更多有效磷被作物吸收利用 为农作物提 供更有效的磷源 2 2 增氧灌溉技术对作物生长的影响 2 2 1 增强作物生理特性 由于根系呼吸不良会减少水分和养分的吸收 且 土壤中的化学变化会产生限制整个植物生长的毒素 Fernhout和Kurtz 1999年 土壤通气性差对植物生 长的影响远大于对根系生长的影响 增氧灌溉技术 可以显著提高土壤O2含量 土壤呼吸速率 光合速率 及蒸腾速率 增氧灌溉后土壤中O2含量明显高于普 通地下滴灌 且灌水期间普通地下滴灌O2含量降低 45 增氧灌溉仅降低25 后期 鹰嘴豆试验中也 得到类似结论 Bhattarai 2008 通过对温室番茄进行增氧灌溉试验研究 与对照 试验相比 土壤呼吸速率增大了33 16 30 2020 年 孙燕等探讨了水培条件下微咸水溶解氧浓度对小 白菜光响应特征及产量的影响 土壤缺氧的主要表现 为气孔导度和吸水率降低 导致冠层蒸腾作用减少 增氧处理有利于增强小白菜的耐荫性和忍受强高光 的能力 促进了饱和土壤条件下的冠层水分吸收 植 株生理活性提高 光合效率增强 有利于作物高产 研究表明 长期淹灌降低了水稻根际溶解氧含 量 从而影响水稻的根际生长环境 水稻的产量并不 随着灌溉用水量增加而增加 适当进行水分调控可以 实现高产与节水相统一 2008年 张荣萍等研究表 明 在水稻生长过程中提高水稻生长环境中的O2含 量 可以增强水稻各项生理指标 提高水稻干物质的 转化与积累 最终提高水稻产量 2 2 2 提高根系活力 长期以来 植物根系存在于土壤种植层中 在根 际缺氧的环境中 根生长受到严重限制 作物的根系 活力随根部土壤湿度持续升高引起的缺氧而降低 对于使用SDI灌溉的农作物 因为土壤灌溉期间和灌 溉后的大部分时间内 接近排放源的土壤保持饱和状 态 根际O2含量明显低于临界范围 而根系可能会发 生缺氧 Bhattarai等 2004 土壤O2含量降低 土壤 中根系及微生物呼吸减弱 根系吸收水分和养分速率 也下降 2003年 Alonso等研究表明 3 的O2含量 直接诱导作物根系发酵 根系呼吸降低 从而降低了 4 2023年3月 农 机 化 研 究 第3期 ATP的产生数量 以上研究表明 通气性较差的土壤 是作物幼苗根系生长的主要限制因子 相对于成熟的 植物来说 幼苗对组织缺氧更敏感 影响作物根系活 力 土壤中水分和养分向植株组织的转移速率也会下 降 O2供给确保了根系的最佳功能 提高了根系活 力 增加土壤中O2含量 有利于根系从土壤中吸收 水分与养分 促进作物组织中可溶性糖类 可溶性蛋 白质等物质的形成 作物根系发达 根长 根数及根干 重也有所提高 对养分的吸收量增加 土壤中有机质 分解转化也快 根系生长状态即根系活力较普通地下 滴灌有所提高 2 2 3 提升作物产量及品质 2013年 Abuarab等在对增氧灌溉下连续种植玉 米两年发现 增氧灌溉比传统灌溉产量提高23 78 和38 46 提高土壤O2含量 通过进行西葫芦田间 试验研究与对照相比 粘土土壤的含氧量增加25 Huber 2000 在重质粘土对大豆和棉花进行的增 氧灌溉试验中 与对照相比 平均单产分别提高了 12 84 和21 Bhattarai等人 2004 同样 在加 利福尼亚农业技术研究所灌溉技术中心的田间试验 中 在壤土和沙质壤土上 增氧灌溉条件下甜椒数量 增加了33 总量增加了39 果实产量 Goorahoo等 2002 在德国 使用15cm深度的滴灌带在花椰菜的 田间持水量为6 的空气孔隙度土壤上进行的田间试 验中 增氧灌溉处理下 光合产物的运转效率高 块根 中光合产物积累多 块根产量就高 总干物质比普通 地下滴灌更高 32 增氧灌溉技术在增加农作物产量的同时也可以在 一定程度上改善农作物的质量 Heuberger 1999 研 究表明 与普通灌溉处理相比 增氧灌溉处理对甜玉 米的品质产生更为积极的影响 甜玉米中的镁 硒 维 生素E和可溶性固形物均增加 同时 刘杰 2010 张敏 2011 温改娟 2013 李媛 2016 等人对温室 番茄和甜瓜进行增氧灌溉试验 并研究了影响品质的 不同指标 如维生素C含量 总可溶性糖含量及可溶 性固形物含量等 发现各指标均在增氧情况下提高显 著 Shahien 2014 等通过对马铃薯进行试验发现 增 氧处理下的作物根系可溶性糖含量有不同程度的增 加 以上研究表明 土壤中O2含量的增加更有利于 作物的生长发育 果实中游离氨基酸 可溶性糖和可 溶性蛋白的含量均有所提高 果实风味好且产量高 经济系数较高 33 增氧灌溉技术对粘重土壤效果更加明显 2006 年 Greenway等研究发现 当土壤中O2含量达到20 时 甜菜根重与糖分含量均有所增加 2007年 Yukan 等研究发现 提高土壤O2含量 在提高作物产量的同 时 可以提高果实中的可溶性糖类物质 3 增氧灌溉技术未来发展趋势 3 1 多元化增氧灌溉技术的发展 多元化增氧灌溉技术可将化肥 植物生长调节剂 及杀虫剂等农用化学品随着增氧灌溉水输送至作物 根部土壤 实现农业投入物的效益最大化 节省能源 成本和时间 减少化肥及杀虫剂等农用化学品的使 用 并最大程度地降低浪费和污染 增氧灌溉技术的 多元化将大幅度提高地下滴灌系统的生产效率 多种农业投入物的混合运输可以提高农业生产效 率 土壤O2是决定土壤肥力的重要因素之一 因此 有必要在灌溉和灌溉后保持土壤中高的O2含量 以 增加作物根系的需氧呼吸 驱动作物根系积极吸收养 分和水分 Barrett Lennard 2003年 在土壤缺氧或 低氧条件下 由于作物根部区域的氧气供应量低 肥 料和农用化学品等投入品的有效性会降低 Bhattarai 等人 2006 作物养分特别是N Mn Fe Ca的吸收 最易受到O2胁迫的影响 Morard等 2004 低氧环 境下作物根系对Ca的吸收减少 导致番茄开花期腐 烂 Bhattarai等人 2005年 和胡萝卜腔斑点的快速发 育 一种胡萝卜低氧根环境中的病理学问题 Hil tunen和White 2002年 在增氧灌溉的同时为作物输 送植物养分 生长调节剂及杀虫剂等农用化学 通过 改变土壤O2含量来调节作物生理 病理和生化过程 以达到提高农业生产的目的 3 2 作物动态需氧模型的建立 土壤是一个开放的耗散系统 随时与外界交换物 质和能量 且土壤中的空气不断在土壤中运动 并不 断与大气交换 在土壤空气中 CO2的浓度高于大气 的浓度 而O2的浓度低于大气的浓度 这会分别产生 CO2和O2的分压差 由于分压梯度的存在 促进了土 壤与大气之间的气体交换 从大气到土壤空气 大气 和土壤气体的传递过程是维持土壤O2含量的主要途 径 影响土壤O2含量的主要因素有大气因素 包括 大气温湿度 大气压力 光照强度及风速等 土壤性 质及农业管理措施等 由于外界环境的不断变化 导 致土壤O2含量处于动态变化中 不同的农作物在不同的时期有着不同的耗氧量和 需氧量 不同作物正常生长的土壤O2浓度临界值是 不同的 对于低氧具有耐受性的作物 有效根系功能 5 2023年3月 农 机 化 研 究 第3期 所需的氧气最少为2 5 mg L 而需氧量较大的作物中 有效根系呼吸所需的氧气浓度为5 10 mg L Drew和 Stolzy 1996 Hewitt 1966 发现氧气含量溶液培养物 中小于0 7 mg L导致鳄梨和柑桔根受到伤害 鳄梨 永久停止生长 而0 6 mg L柑桔则没有 如果土壤 中的氧气含量低于0 5 大豆 烟草和番茄的根系生 长就会停止 另一方面 同一作物在不同生育时期所 需O2含量也不同 作物在在发芽和早期发育等关键 阶段需要更多的氧气 Blackwell and Wells 1983 作 物种子发芽所需的O2主要来自土壤 如果土壤中的 O2不足 将会影响种子发芽的生化过程 作物根系生 长必须有一定的供氧量 土壤O2含量必须高于作物 所需O2含量的临界值 否则会影响根系生长 影响作 物根系对水分及养分的吸收 根系生长较差会降低作 物的抗倒伏能力 后期随着作物的生长 作物所需O2 主要依靠自身光合作用 土壤O2含量对作物生长影 响较小 因此 对于不同作物及作物不同生育周期需氧量 处于动态变化中 作物在整个生育周期中都需要平衡 地供应水 养分和空气 未来应该对作物整个生育周 期动态需氧量开展研究 实现精准供氧 提高农业生 产效率 为后期增氧灌溉智能化控制提供理论依据与 技术支撑 3 3 智能化增氧灌溉系统的研究 目前 我国已经建立了比较完善的农业监测系 统 可以实现对农田资源信息的动态监测 同时 建 立了农业大数据中心及农业数据的收集 共享 分析 和使用方法 并在信息获取 参数反演 模型构建和准 确性验证等方面开发了一系列信息技术 农业生产 历史数据和实时监测数据的综合分析 提高了对作物 种植面积 生产进度 农产品质量 天气情况 气候条 件 灾害程度和土壤环境的关联监测能力 可支持农 业生产的智能化和农业环境的准确监测 从源头提高 农业生产效率 随着增氧灌溉技术的不断发展 生产 及规模化的逐渐扩大 其控制过程也向自动化和智能 化转变 在线监测土壤环境参数是自动控制的前提和 基础 但是 目前市面上土壤氧气传感器空缺 难以 在线实时测量 传统方法是利用土壤氧气测定仪埋进 土壤需要测量的位置进行检测 测量时扰动土壤 存 在很大的测量误差 测量数值具有滞后性 无法及时 对土壤进行气体补偿 难以在农业生产过程中大规模 推广和发挥作用 突破土壤氧气含量的监测评估和预测分析等关键 核心技术 构建实时监测 分析预警和指挥调度于一 体的土壤氧气智能决策系统 考虑大气环境与其他土 壤因子对土壤氧气含量的交叉混合影响 基于不同土 壤环境及不同作物品种生长时期的动态需氧模型 精 确补偿不同时期作物的需氧量 以满足作物生长期间 的耗氧需求 4 结论 1 通过结合多种农业耕作技术改善对现有滴灌 系统的管理 将增氧灌溉技术与其他农用化学品精确 配合使用 提高肥料和化学品的利用效率 减少传统 施肥和其他农业措施的潜在污染 提高了农业生产 率 促进了农业可持续发展 2 建立作物生长过程中动态耗氧量模型及土壤 氧气和大气之间的氧气传输过程 分析土壤氧气在作 物不同时期的衰减规律 基于人工神经网络预测土壤 氧含量与作物需氧量之间的偏差 为田间增氧智能化 调控系统的建立提供理论基础 3 建立田间增氧智能化调控系统 构建田间农业 信息 图像知识储藏知识库 并建立土壤氧气智能决 策系统 实现对田间水分 养分及氧气的自动补偿机 制 降低了增氧灌溉系统的运行成本 促进了我国农 业生产灌溉技术的智能发展 参考文献 1 LEI H BHATTARAI S BALSYS R et al Temporal and spatial dimension of dissolved oxygen saturation with fluidic oscillator and mazzei air injector in soil less irrigation sys tems J Irrigation science 2016 34 6 1 10 2 雷宏军 肖哲元 张振华 等 水肥气耦合滴灌提高温室 番茄土壤通气性和水氮利用 J 灌溉排水学报 2020 39 3 8 16 3 肖胜生 熊永 段剑 等 基于组分区分的南方红壤丘陵 土壤呼吸对植被类型转换的响应 J 农业工程学报 2015 31 14 123 131 4 THOMPSON T L DOERGE T A GODIN R E Subsurface drip irigation and fertigation of broccoli II Agronomic eco nomic and environmental outcomes J Soil science society of America journal 2002 66 1 178 185 5 于珍珍 汪春 刘少东 等 增氧灌溉系统的优化设计 J 农机化研究 2019 41 10 106 110 6 雷宏军 王露阳 潘红卫 等 紫茄生长及养分利用对增 氧地下滴灌的响应研究 J 灌溉排水学报 2019 38 3 8 14 7 CHEN X M DHUNGR J BHATTARAI S P et al Impact of oxygation on soil respiration yield and water use efficien cy of three crop species J Journal of plant ecology 2011 4 6 2023年3月 农 机 化 研 究 第3期 4 236 248 8 于珍珍 李海亮 汪春 等 地下固定式渗灌系统的设计 J 农机化研究 2020 42 2 130 134 140 9 PENDERGAST L BHATTARAI S P MIDMORE D J Ben efits of oxygation of subsurface drip irrigation water for cot ton in a Vertosol U Crop 2 Bei dahuang agricultural reclamation Group Co Ltd Harbin 150000 China Abstract In view of the small size and light weight of millet the system is not easy to identify in the process of hole so wing monitoring and the mutual occlusion between millet in the process of seed dropping makes the counting system have large errors In this paper combined with the requirements of millet hole sowing agronomy a microprocessor based hole sowing monitoring and counting compensation system is designed which uses the upper computer and the lower com puter to collect and display data monitoring and measuring system of millet bunch sowing Through the single factor con trast test the auxiliary metering function of millet hole sowing monitoring and counting compensation system was verified Through the field test it is verified that the perance of millet hole sowing monitoring and metering system is stable and reliable The maximum error rate of millet hole sowing counting is 2 4 and the accuracy rate of empty box alarm is 100 The accuracy of millet hole sowing counting is effectively improved and the operation quality of seeder is en hanced Key words millet hole sowing measurement monitoring 上接第7页 Abstract ID 1003 188X 2023 03 0001 EA Analysis on the Research Status and Development Trend of Aerobic Irrigation Technology Wen Haoyang1 Yu Zhenzhen1 Wang Chun1 Zhang Dongmei1 2 Wang Hongxuan1 Zou Huafen2 1 College of Ination and Electrical Engineering Heilongjiang Bayi Agricultural University Daqing 163319 China 2 Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences South Subtropical Crops Research Institute Zhanjiang 524022 China Abstract The aerobic irrigation technology has great potential and application prospects in improving the soil environment and increasing crop yields It is the general trend of the development of green agriculture and circular agriculture in the fu ture This article summarizes the development status of different soil aeration s and equipment systematically dis cusses the current application status of aerobic irrigation technology and deeply analyzes the effects and existing problems of aerobic irrigation technology in improving the soil environment and crop growth It is proposed that diversified aerobic irrigation technology and intelligent precision aeration technology will be the focus of future development The future should focus on the development of diversified aerobic irrigation technology improve the production efficiency of aerobic irrigation technology and establish intelligent field aeration r