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      微納米氣泡發(fā)生技術(shù)及其在水培增氧上的應(yīng)用

      2019-01-17 08:16:24張慧娟薛曉莉林少航張志立楊文華趙躍鋼
      蔬菜 2019年1期
      關(guān)鍵詞:紫葉水培生菜

      張慧娟,薛曉莉,林少航,張志立,吳 娜,楊文華,任 強(qiáng),趙躍鋼

      (北京中農(nóng)天陸微納米氣泡水科技有限公司,北京 100083)

      無土栽培是一種不用天然土壤作基質(zhì)的現(xiàn)代化作物栽培技術(shù),利用無土栽培能夠有效地克服蔬菜、花卉栽培中土壤鹽漬、土傳病害等連作障礙,可以在非耕地場所周年種植,提高單位面積產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。無土栽培尤其是水培,因營養(yǎng)液層較深、根系活動(dòng)范圍小,易造成根系氧氣供應(yīng)不足。當(dāng)作物根系缺氧時(shí),其生長緩慢,水分及養(yǎng)分吸收能力減弱,從而影響地上部分生長,導(dǎo)致產(chǎn)量下降,造成經(jīng)濟(jì)損失。目前,解決缺氧問題主要依靠水泵循環(huán)使?fàn)I養(yǎng)液保持流動(dòng)狀態(tài),通過水流的沖擊以及與空氣接觸來提高自身的溶解氧,這種方法在大型水培系統(tǒng)中效率較低,很難滿足植物正常生長需要[1-2]。

      微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是指將氣體以微米或納米氣泡的狀態(tài)快速分散在水體中,通常直徑在1~50 μm的氣泡為微米氣泡,直徑在1 μm以下的氣泡為納米氣泡,兩者統(tǒng)稱為微納米氣泡。相較于普通大氣泡,微納米氣泡具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性,如比表面積大、水體中存在時(shí)間長、氣液傳質(zhì)率高、界面點(diǎn)位高、能自發(fā)產(chǎn)生自由基等。利用微納米氣泡特性在水產(chǎn)養(yǎng)殖[3]、地下水修復(fù)[4]、廢水處理[5]、氣浮凈水[6]、催芽浸種[7]等眾多領(lǐng)域都有應(yīng)用研究報(bào)道[8]。微納米氣泡粒徑小,比表面積超大,氣體溶解能力超強(qiáng),能夠極大地提高氣液之間的反應(yīng)速度[9]。利用微納米氣泡這一特性,以空氣或氧氣為氣源,使用微納米氣泡發(fā)生技術(shù)能夠快速增加水體中的溶解氧,在無土栽培增氧領(lǐng)域具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

      微納米氣泡發(fā)生技術(shù)根據(jù)發(fā)生原理可以分為加壓溶氣釋氣法、分散空氣法、射流曝氣、超聲空化法、電解法等多種技術(shù)方法。為了達(dá)到更好的微細(xì)氣泡效果,通常將幾種發(fā)生方法聯(lián)合使用[10]。微納米氣泡快速發(fā)生裝置,核心技術(shù)采用了高速旋切分散和加壓溶氣釋氣的原理,裝置包含水路模塊、氣路模塊、水氣混合模塊、控制模塊、釋放模塊5個(gè)部分,水氣混合模塊與釋放模塊實(shí)現(xiàn)對氣液混合流體的3級處理,以確保更好的氣液混合效果,控制模塊包含觸摸屏與PLC程序控制,能夠?qū)庖喊l(fā)生過程進(jìn)行自動(dòng)化精密控制,且用戶使用變得更加直觀簡單。試驗(yàn)以北京中農(nóng)天陸微納米氣泡水公司生產(chǎn)的HP-50型號的微納米氣泡快速發(fā)生裝置為例,探討了微納米氣泡對水體的影響以及在無土栽培增氧上的應(yīng)用效果。

      1 材料和方法

      1.1 試驗(yàn)材料

      試驗(yàn)儀器:微納米氣泡快速發(fā)生裝置(北京中農(nóng)天陸,HP-50);馬爾文納米顆粒跟蹤分析儀(nanosight NS300);美國金泉YSI550A便攜式溶氧測試儀。

      蔬菜品種:選用紫葉生菜作為試驗(yàn)材料。紫葉生菜是生菜的一個(gè)變異品種,引自美國,植株較大,散葉,葉片皺曲,色澤美觀,隨收獲期臨近,紅色逐漸加深,不易抽薹,喜光,較耐熱,成熟期早。也可作觀葉花卉盆栽,置于陽臺(tái)上,既可觀賞又可食用。

      1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

      試驗(yàn)在北京通州區(qū)國際都市農(nóng)業(yè)科技園的日光溫室中進(jìn)行。

      1.3 試驗(yàn)方法

      1.3.1 微納米氣泡技術(shù)對水體的影響試驗(yàn)

      將微納米氣泡發(fā)生裝置連接好,對比開啟裝置前后,水槽中水體顏色的變化。并于關(guān)閉裝置后,將曝氣后的水靜置20 min,采用馬爾文納米顆粒跟蹤分析儀測定水體氣泡粒徑。

      分別以空氣和氧氣作為氣源,對裝置的溶解氧效果進(jìn)行測試??諝庠粗苯永猛饨缈諝猓鯕庠磩t利用1臺(tái)10 L/min的制氧機(jī)為其供氣??諝庠春脱鯕庠吹墓饬烤鶠?00 L/h。試驗(yàn)水體為5 m3的地下水。

      1.3.2 微納米氣泡技術(shù)對生菜生長的影響試驗(yàn)

      為了驗(yàn)證微納米氣泡快速溶氧、增氧特性在無土栽培領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用效果,以紫葉生菜為試驗(yàn)材料,采用深液流水培方式進(jìn)行試驗(yàn)。水培設(shè)施置于日光溫室中,安裝有地下貯液池和循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)。循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)包括潛水泵、進(jìn)水管路和回水管路,通過地下貯液池和泵循環(huán)可以調(diào)整營養(yǎng)液成分、pH值、溶解氧,為水培槽補(bǔ)水。水培設(shè)施結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      圖1 深液流水培設(shè)施

      試驗(yàn)根據(jù)不同的循環(huán)增氧方式設(shè)置3個(gè)處理,分別為對照組、氧氣組和空氣組。氧氣組和空氣組先向地下貯液池曝氣,然后再通過潛水泵給水培槽中的營養(yǎng)液循環(huán)增氧。氧氣組和空氣組的區(qū)別在于:氧氣組連接有制氧機(jī)以給營養(yǎng)液池曝氧氣,空氣組則直接通入外界空氣以給營養(yǎng)液池曝空氣。對照組只通過泵循環(huán)使?fàn)I養(yǎng)液循環(huán)流動(dòng),為水培槽中營養(yǎng)液增氧。

      對紫葉生菜進(jìn)行基質(zhì)育苗,栽培基質(zhì)比例為V(草炭)∶V(蛭石)∶V(珍珠巖)=2∶1∶1。生菜種子播于128孔穴盤中,然后將播種好的穴盤置于日光溫室中進(jìn)行育苗、培養(yǎng),2~3 d澆1次水,育苗期間噴施2~3次0.1%保利豐以壯苗。日光溫室白天溫度20~25 ℃,夜間15~18 ℃。生菜幼苗長至4葉1心時(shí),移至水培槽中培養(yǎng)。水培槽由塑料泡沫定型拼接而成,水培槽上蓋有白色聚苯乙烯板,板面上有若干定植孔,紫葉生菜幼苗用海綿塊固定于定植孔中。

      水培營養(yǎng)液配方采用富通生菜營養(yǎng)液配方,用H3PO4將pH值調(diào)至6.0~6.8,電導(dǎo)率控制在1.6~1.8 mS/cm。處理30 d后采收,再進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

      1.4 數(shù)據(jù)采集及項(xiàng)目測定

      鮮質(zhì)量與干質(zhì)量:每組隨機(jī)抽取10株紫葉生菜,將地上部分與地下部分分離取樣,先稱取鮮質(zhì)量,再將樣品于105 ℃殺青1 h,在70 ℃烘至恒質(zhì)量,再稱取干質(zhì)量。

      根長:測量每株根系最長的根作為根長。氣泡粒徑:采用馬爾文納米顆粒跟蹤分析儀nanosight NS300測試。

      溶解氧:采用美國金泉YSI550A便攜式溶氧測試儀測試。

      所有測定的數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并對數(shù)據(jù)采用單因素方差分析(One way ANOVA)和Turkey HSD多重比較,P<0.05則差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 微納米氣泡技術(shù)對水體粒徑的影響

      圖2示意了HP-50裝置曝氣效果,將微納米氣泡發(fā)生裝置連接好,開啟裝置之后水槽中的水迅速由澄清變?yōu)榕D贪?,這是由于大量的氣體分散進(jìn)入水體中。關(guān)閉裝置,將曝氣后的水靜置20 min后,隨著水體中的較大氣泡逐漸上升破裂消失,水體重新變得澄清,微納米氣泡仍然保留分散在水體中。

      對曝氣后靜置20 min的水體進(jìn)行粒徑檢測,結(jié)果如圖3所示。氣泡粒徑峰值出現(xiàn)在77.91 nm處,說明該裝置能夠產(chǎn)生納米級別的細(xì)小氣泡。根據(jù)Stokes公式R=ρgd2/18μ(ρ=液體密度,g=重力加速度,d=氣泡直徑,μ=粘滯度)可知,氣泡上漂浮速度和氣泡直徑的平方成正比,產(chǎn)生的氣泡粒徑越小,在水體中的存留時(shí)間越長。在相同的氣量條件下,氣泡的粒徑越小,氣液界面的比表面積越大,氣體溶解效果越好[11]。

      2.2 微納米氣泡技術(shù)對水體溶解氧的影響

      圖2 HP-50微納米氣泡發(fā)生裝置發(fā)生效果

      圖3 曝氣靜止20 min后的水體粒徑分布

      增氧測試結(jié)果如圖4所示。當(dāng)空氣為氣源時(shí),水體溶解氧從初始狀態(tài)為1.8 mg/L,經(jīng)過90 min的曝氣后達(dá)到飽和狀態(tài)(8.2 mg/L),90 min后,水體的溶氧值進(jìn)入一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài),最高溶氧值可達(dá)8.9 mg/L。采用氧氣為氣源曝氣時(shí),從初始狀態(tài)(1.8 mg/L)達(dá)到飽和狀態(tài)僅需要不到20 min,20 min后溶氧值仍快速升高,形成超飽和溶液,120 min時(shí)溶氧值可高達(dá)42.2 mg/L。

      對曝氣后的5 m3水體進(jìn)行溶氧值的衰減曲線測量,結(jié)果如圖5所示??諝庠雌貧夂蟮乃w溶氧值衰減非常緩慢,72 h后水體中的溶氧值保持在8.3 mg/L,僅比曝氣時(shí)的最高溶氧值下降0.6 mg/L,基本維持在飽和溶氧值(8.2 mg/L)附近。氧氣源曝氣后的水體,由于起始溶氧值較高,衰減趨勢較明顯,但72 h后溶氧值高達(dá)26 mg/L,仍處于超飽和狀態(tài)。

      綜合試驗(yàn)結(jié)果說明,微納米氣泡設(shè)備對水體具有顯著的溶氧增氧效果,并且溶氧保持效果好。

      2.3 微納米氣泡技術(shù)對生菜生長的影響

      2.3.1 微納米氣泡技術(shù)對生菜生長狀態(tài)的影響

      經(jīng)過水培槽中30 d的生長后,紫葉生菜的生長狀態(tài)如圖6所示。從生長狀態(tài)來看,氧氣組與空氣組的紫葉生菜明顯好于對照組,氧氣組與空氣組的生菜植株較高,豐滿葉大,生長一致,而對照組的生菜植株偏小,生長不均,個(gè)別植株因爛根出現(xiàn)生長被抑制的情況。氧氣組與空氣組之間無明顯區(qū)別。

      圖4 微納米氣泡發(fā)生裝置曝氣增氧曲線

      圖5 微納米氣泡水溶氧衰減曲線

      圖6 不同處理紫葉生菜生長狀態(tài)

      2.3.2 微納米氣泡技術(shù)對生菜鮮質(zhì)量與干質(zhì)量的影響

      對收獲的紫葉生菜地上部分鮮質(zhì)量與干質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖7),結(jié)果顯示:氧氣組與空氣組的地上部鮮質(zhì)量均顯著高于對照組(P<0.05),其中氧氣組比對照組提高了37.3%,空氣組比對照組提高了45.9%,而氧氣組與空氣組之間無顯著性差異(P>0.05)。地上部干質(zhì)量方面,2種曝氣方式同樣顯著高于對照組,其中氧氣組比對照組提高了31.2%,空氣組比對照組提高了45.1%。這可能是由于空氣組曝氣溶氧濃度已經(jīng)滿足生菜正常生長的需求,采用氧氣源曝氣得到過高的溶氧值對生菜的生長沒有進(jìn)一步的促進(jìn)作用。

      對紫葉生菜根部的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量以及根長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖8、圖9),結(jié)果顯示:2種曝氣方式均能顯著提高紫葉生菜的根鮮質(zhì)量與干質(zhì)量(P<0.05),其中氧氣組和空氣組的根鮮質(zhì)量與對照相比,分別高出46.6%和39.1%,氧氣組和空氣組的根干質(zhì)量分別高于對照組36.9%和28.5%。2種曝氣方式根部質(zhì)量之間無明顯差異(P>0.05)。對于單株根長,氧氣組比對照組長13.6%,有顯著性差異(P<0.05);空氣組比對照組長9.3%,有顯著性差異(P<0.05),說明較高的溶氧值能夠促進(jìn)根系的生長。

      3 結(jié)論與討論

      微納米氣泡快速發(fā)生裝置能夠?qū)怏w快速大量地以微納米氣泡的形態(tài)分散在水體中,分別以氧氣和空氣為氣源向水體中進(jìn)行曝氣處理,結(jié)果顯示:其能夠快速地提高水體中的溶氧值,使水體的溶氧值達(dá)到飽和狀態(tài)以上,并且由于微納米氣泡有在水體中上升速度慢、保存時(shí)間長的特性,微納米氣泡水的溶解氧值衰減緩慢。

      圖7 不同處理對紫葉生菜地上部質(zhì)量的影響

      圖8 不同處理對紫葉生菜根部質(zhì)量的影響

      圖9 不同處理對紫葉生菜根長的影響

      利用微納米氣泡快速增氧溶氧的特性,將微納米氣泡發(fā)生裝置與水培設(shè)施相結(jié)合,通過改善水培作物根際氧環(huán)境,促進(jìn)水培作物根系生長發(fā)育和功能建成,減少因供氧不足而發(fā)生的水培作物爛根現(xiàn)象。選取了紫葉生菜作為試驗(yàn)對象,以氧氣和空氣為氣源的曝氣處理能夠提高水培生菜的產(chǎn)量,其中曝氧氣源的水培生菜比對照組能增產(chǎn)37%,曝空氣源的水培生菜比對照組能增產(chǎn)46%,說明經(jīng)過微納米氣泡的曝氣增氧,能有效促進(jìn)水培生菜根系的生長發(fā)育。根系的發(fā)達(dá)使水培生菜能更多地吸收營養(yǎng)液中的各種營養(yǎng)成分,從而促進(jìn)水培生菜地上部的發(fā)育。試驗(yàn)結(jié)果還說明,采用空氣源曝氣達(dá)到水體飽和溶氧值就能夠滿足植物正常生長的需求,過高的溶氧值對增產(chǎn)沒有促進(jìn)作用。這個(gè)結(jié)果與周云鵬等[12]報(bào)道的水生蔬菜干質(zhì)量隨著加氧濃度的升高先增加后減少的規(guī)律相符合。

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