张慧娟，薛晓莉，林少航，张志立，吴 娜，杨文华，任 强，赵跃钢

（北京中农天陆微纳米气泡水科技有限公司，北京 100083）

无土栽培是一种不用天然土壤作基质的现代化作物栽培技术，利用无土栽培能够有效地克服蔬菜、花卉栽培中土壤盐渍、土传病害等连作障碍，可以在非耕地场所周年种植，提高单位面积产量和产品质量。无土栽培尤其是水培，因营养液层较深、根系活动范围小，易造成根系氧气供应不足。当作物根系缺氧时，其生长缓慢，水分及养分吸收能力减弱，从而影响地上部分生长，导致产量下降，造成经济损失。目前，解决缺氧问题主要依靠水泵循环使营养液保持流动状态，通过水流的冲击以及与空气接触来提高自身的溶解氧，这种方法在大型水培系统中效率较低，很难满足植物正常生长需要[1-2]。

微纳米气泡发生技术是指将气体以微米或纳米气泡的状态快速分散在水体中，通常直径在1～50 μm的气泡为微米气泡，直径在1 μm以下的气泡为纳米气泡，两者统称为微纳米气泡。相较于普通大气泡，微纳米气泡具有独特的物理化学特性，如比表面积大、水体中存在时间长、气液传质率高、界面点位高、能自发产生自由基等。利用微纳米气泡特性在水产养殖[3]、地下水修复[4]、废水处理[5]、气浮净水[6]、催芽浸种[7]等众多领域都有应用研究报道[8]。微纳米气泡粒径小，比表面积超大，气体溶解能力超强，能够极大地提高气液之间的反应速度[9]。利用微纳米气泡这一特性，以空气或氧气为气源，使用微纳米气泡发生技术能够快速增加水体中的溶解氧，在无土栽培增氧领域具有潜在的实际应用价值。

微纳米气泡发生技术根据发生原理可以分为加压溶气释气法、分散空气法、射流曝气、超声空化法、电解法等多种技术方法。为了达到更好的微细气泡效果，通常将几种发生方法联合使用[10]。微纳米气泡快速发生装置，核心技术采用了高速旋切分散和加压溶气释气的原理，装置包含水路模块、气路模块、水气混合模块、控制模块、释放模块5个部分，水气混合模块与释放模块实现对气液混合流体的3级处理，以确保更好的气液混合效果，控制模块包含触摸屏与PLC程序控制，能够对气液发生过程进行自动化精密控制，且用户使用变得更加直观简单。试验以北京中农天陆微纳米气泡水公司生产的HP-50型号的微纳米气泡快速发生装置为例，探讨了微纳米气泡对水体的影响以及在无土栽培增氧上的应用效果。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验仪器：微纳米气泡快速发生装置（北京中农天陆，HP-50）；马尔文纳米颗粒跟踪分析仪（nanosight NS300）；美国金泉YSI550A便携式溶氧测试仪。

蔬菜品种：选用紫叶生菜作为试验材料。紫叶生菜是生菜的一个变异品种，引自美国，植株较大，散叶，叶片皱曲，色泽美观，随收获期临近，红色逐渐加深，不易抽薹，喜光，较耐热，成熟期早。也可作观叶花卉盆栽，置于阳台上，既可观赏又可食用。

1.2 试验地点

试验在北京通州区国际都市农业科技园的日光温室中进行。

1.3 试验方法

1.3.1 微纳米气泡技术对水体的影响试验

将微纳米气泡发生装置连接好，对比开启装置前后，水槽中水体颜色的变化。并于关闭装置后，将曝气后的水静置20 min，采用马尔文纳米颗粒跟踪分析仪测定水体气泡粒径。

分别以空气和氧气作为气源，对装置的溶解氧效果进行测试。空气源直接利用外界空气，而氧气源则利用1台10 L/min的制氧机为其供气。空气源和氧气源的供气量均为400 L/h。试验水体为5 m3的地下水。

1.3.2 微纳米气泡技术对生菜生长的影响试验

为了验证微纳米气泡快速溶氧、增氧特性在无土栽培领域的实际应用效果，以紫叶生菜为试验材料，采用深液流水培方式进行试验。水培设施置于日光温室中，安装有地下贮液池和循环流动系统。循环流动系统包括潜水泵、进水管路和回水管路，通过地下贮液池和泵循环可以调整营养液成分、pH值、溶解氧，为水培槽补水。水培设施结构如图1所示。

图1 深液流水培设施

试验根据不同的循环增氧方式设置3个处理，分别为对照组、氧气组和空气组。氧气组和空气组先向地下贮液池曝气，然后再通过潜水泵给水培槽中的营养液循环增氧。氧气组和空气组的区别在于：氧气组连接有制氧机以给营养液池曝氧气，空气组则直接通入外界空气以给营养液池曝空气。对照组只通过泵循环使营养液循环流动，为水培槽中营养液增氧。

对紫叶生菜进行基质育苗，栽培基质比例为V（草炭）∶V（蛭石）∶V（珍珠岩）=2∶1∶1。生菜种子播于128孔穴盘中，然后将播种好的穴盘置于日光温室中进行育苗、培养，2～3 d浇1次水，育苗期间喷施2～3次0.1%保利丰以壮苗。日光温室白天温度20～25 ℃，夜间15～18 ℃。生菜幼苗长至4叶1心时，移至水培槽中培养。水培槽由塑料泡沫定型拼接而成，水培槽上盖有白色聚苯乙烯板，板面上有若干定植孔，紫叶生菜幼苗用海绵块固定于定植孔中。

水培营养液配方采用富通生菜营养液配方，用H3PO4将pH值调至6.0～6.8，电导率控制在1.6～1.8 mS/cm。处理30 d后采收，再进行各项指标的测定。

1.4 数据采集及项目测定

鲜质量与干质量：每组随机抽取10株紫叶生菜，将地上部分与地下部分分离取样，先称取鲜质量，再将样品于105 ℃杀青1 h，在70 ℃烘至恒质量，再称取干质量。

根长：测量每株根系最长的根作为根长。气泡粒径：采用马尔文纳米颗粒跟踪分析仪nanosight NS300测试。

溶解氧：采用美国金泉YSI550A便携式溶氧测试仪测试。

所有测定的数据采用SPSS 13.0统计软件进行统计分析，并对数据采用单因素方差分析（One way ANOVA）和Turkey HSD多重比较，P＜0.05则差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 微纳米气泡技术对水体粒径的影响

图2示意了HP-50装置曝气效果，将微纳米气泡发生装置连接好，开启装置之后水槽中的水迅速由澄清变为牛奶白，这是由于大量的气体分散进入水体中。关闭装置，将曝气后的水静置20 min后，随着水体中的较大气泡逐渐上升破裂消失，水体重新变得澄清，微纳米气泡仍然保留分散在水体中。

对曝气后静置20 min的水体进行粒径检测，结果如图3所示。气泡粒径峰值出现在77.91 nm处，说明该装置能够产生纳米级别的细小气泡。根据Stokes公式R=ρgd2/18μ（ρ=液体密度，g=重力加速度，d=气泡直径，μ=粘滞度）可知，气泡上漂浮速度和气泡直径的平方成正比，产生的气泡粒径越小，在水体中的存留时间越长。在相同的气量条件下，气泡的粒径越小，气液界面的比表面积越大，气体溶解效果越好[11]。

2.2 微纳米气泡技术对水体溶解氧的影响

图2 HP-50微纳米气泡发生装置发生效果

图3 曝气静止20 min后的水体粒径分布

增氧测试结果如图4所示。当空气为气源时，水体溶解氧从初始状态为1.8 mg/L，经过90 min的曝气后达到饱和状态（8.2 mg/L），90 min后，水体的溶氧值进入一个平稳状态，最高溶氧值可达8.9 mg/L。采用氧气为气源曝气时，从初始状态（1.8 mg/L）达到饱和状态仅需要不到20 min，20 min后溶氧值仍快速升高，形成超饱和溶液，120 min时溶氧值可高达42.2 mg/L。

对曝气后的5 m3水体进行溶氧值的衰减曲线测量，结果如图5所示。空气源曝气后的水体溶氧值衰减非常缓慢，72 h后水体中的溶氧值保持在8.3 mg/L，仅比曝气时的最高溶氧值下降0.6 mg/L，基本维持在饱和溶氧值（8.2 mg/L）附近。氧气源曝气后的水体，由于起始溶氧值较高，衰减趋势较明显，但72 h后溶氧值高达26 mg/L，仍处于超饱和状态。

综合试验结果说明，微纳米气泡设备对水体具有显著的溶氧增氧效果，并且溶氧保持效果好。

2.3 微纳米气泡技术对生菜生长的影响

2.3.1 微纳米气泡技术对生菜生长状态的影响

经过水培槽中30 d的生长后，紫叶生菜的生长状态如图6所示。从生长状态来看，氧气组与空气组的紫叶生菜明显好于对照组，氧气组与空气组的生菜植株较高，丰满叶大，生长一致，而对照组的生菜植株偏小，生长不均，个别植株因烂根出现生长被抑制的情况。氧气组与空气组之间无明显区别。

图4 微纳米气泡发生装置曝气增氧曲线

图5 微纳米气泡水溶氧衰减曲线

图6 不同处理紫叶生菜生长状态

2.3.2 微纳米气泡技术对生菜鲜质量与干质量的影响

对收获的紫叶生菜地上部分鲜质量与干质量进行统计（图7），结果显示：氧气组与空气组的地上部鲜质量均显著高于对照组（P＜0.05），其中氧气组比对照组提高了37.3%，空气组比对照组提高了45.9%，而氧气组与空气组之间无显著性差异（P＞0.05）。地上部干质量方面，2种曝气方式同样显著高于对照组，其中氧气组比对照组提高了31.2%，空气组比对照组提高了45.1%。这可能是由于空气组曝气溶氧浓度已经满足生菜正常生长的需求，采用氧气源曝气得到过高的溶氧值对生菜的生长没有进一步的促进作用。

对紫叶生菜根部的鲜质量、干质量以及根长进行统计分析（图8、图9），结果显示：2种曝气方式均能显著提高紫叶生菜的根鲜质量与干质量（P＜0.05），其中氧气组和空气组的根鲜质量与对照相比，分别高出46.6%和39.1%，氧气组和空气组的根干质量分别高于对照组36.9%和28.5%。2种曝气方式根部质量之间无明显差异（P＞0.05）。对于单株根长，氧气组比对照组长13.6%，有显著性差异（P＜0.05）；空气组比对照组长9.3%，有显著性差异（P＜0.05），说明较高的溶氧值能够促进根系的生长。

3 结论与讨论

微纳米气泡快速发生装置能够将气体快速大量地以微纳米气泡的形态分散在水体中，分别以氧气和空气为气源向水体中进行曝气处理，结果显示：其能够快速地提高水体中的溶氧值，使水体的溶氧值达到饱和状态以上，并且由于微纳米气泡有在水体中上升速度慢、保存时间长的特性，微纳米气泡水的溶解氧值衰减缓慢。

图7 不同处理对紫叶生菜地上部质量的影响

图8 不同处理对紫叶生菜根部质量的影响

图9 不同处理对紫叶生菜根长的影响

利用微纳米气泡快速增氧溶氧的特性，将微纳米气泡发生装置与水培设施相结合，通过改善水培作物根际氧环境，促进水培作物根系生长发育和功能建成，减少因供氧不足而发生的水培作物烂根现象。选取了紫叶生菜作为试验对象，以氧气和空气为气源的曝气处理能够提高水培生菜的产量，其中曝氧气源的水培生菜比对照组能增产37%，曝空气源的水培生菜比对照组能增产46%，说明经过微纳米气泡的曝气增氧，能有效促进水培生菜根系的生长发育。根系的发达使水培生菜能更多地吸收营养液中的各种营养成分，从而促进水培生菜地上部的发育。试验结果还说明，采用空气源曝气达到水体饱和溶氧值就能够满足植物正常生长的需求，过高的溶氧值对增产没有促进作用。这个结果与周云鹏等[12]报道的水生蔬菜干质量随着加氧浓度的升高先增加后减少的规律相符合。