综述：曝气滴灌技术的意义：一项全面综述

《Agricultural Water Management》：Significance of aerated drip irrigation: A comprehensive review

　　本综述系统阐述了曝气滴灌(Aerated Drip Irrigation, ADI)作为一项创新灌溉实践，如何通过同步输送水气优化根区土壤环境。文章重点探讨了微纳米气泡(Micro-nano Bubbles, MNBs)在改善土壤通气性、促进作物根系发育、提高水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)以及缓解滴头堵塞方面的多重作用，涵盖了化学充气（如H2O2）与机械充气（如文丘里注入器、MNB发生器）等多种技术路径，为应对全球水资源短缺和实现农业可持续发展提供了重要技术视角。

　　

引言背景

水资源短缺已成为全球性问题，随着人口增长和气候变化，农业用水压力日益增大。传统灌溉方式难以满足现代农业对水分利用效率的极致追求，曝气滴灌(ADI)作为一种将灌溉与通气相结合的新型节水技术，通过优化根区水气环境，为作物生长创造了更有利的条件。

曝气滴灌的必要性

在灌溉农业中，土壤缺氧是限制根系生长和活性的关键因素，尤其在排水不畅的粘重土壤中更为突出。地下滴灌容易在根区形成厌氧环境，而ADI技术通过滴灌系统主动输送空气或氧气，有效缓解了根区缺氧问题。这项技术不仅能改善土壤结构，增加土壤孔隙度，还能显著提高作物产量和水肥利用效率。

充气方法与设备现状

目前ADI主要采用化学充气和机械充气两种方式。化学充气通过向灌溉水中添加过氧化物（如H₂2O₂、CaO₂等），使其在土壤中分解释放氧气；机械充气则借助空气压缩机、文丘里注入器、涡流装置和微纳米气泡发生器等设备，将气体以气泡形式注入灌溉系统。其中，微纳米气泡因其尺寸小（MBs：10-100 μm，NBs：<1000 nm）、比表面积大、上升速度慢、存在时间长等特点，具有更优异的气体传输效率。

气泡尺寸的关键影响

气泡尺寸是决定ADI效果的重要因素。微纳米气泡不仅具有更高的氧传递效率，其产生的表面电荷和自由基还能影响土壤中悬浮颗粒的吸附行为，促进有机质降解，从而减轻生物堵塞。研究表明，文丘里注入器产生的气泡尺寸范围较广（10 μm至>100 μm），而专用MNB发生器能产生更均匀的微小气泡，显著提升气体在灌溉管道中的分布均匀性。

对土壤环境及微生物活动的影响

ADI通过改善土壤通气状况，显著影响微生物群落结构和功能。曝气处理可提高土壤酶（如过氧化氢酶、脱氢酶）活性，增加细菌、放线菌等有益微生物数量，促进养分循环。同时，适宜的土壤通气条件还能调节硝化/反硝化过程，影响温室气体（CO₂、N₂O）排放。但需注意，过高的氧浓度可能降低微生物多样性，因此需要寻找最佳曝气强度。

对作物生长及产量的促进效应

健康的根系是作物高产的基础。ADI通过改善根区氧气供应，显著促进根系生长，提高根系活力，进而增强作物对水分和养分的吸收能力。在番茄、黄瓜、棉花等多种作物上的研究均表明，ADI处理能提高植株株高、茎粗等冠层参数，增加果实产量和品质（如维生素含量、果实硬度），同时提高水分利用效率，增幅最高可达77%。

对滴灌系统堵塞特性的影响

滴头堵塞是影响滴灌系统寿命和效率的关键问题。ADI技术特别是MNB灌溉，能通过多种机制缓解堵塞：微纳米气泡破裂时产生的羟基自由基（·OH）具有强氧化性，可降解有机质并抑制微生物生长；气泡的物理冲刷作用能减少颗粒物沉积；化学充气中使用的H₂O₂也具有类似功能。研究表明，添加10 ppm稳定化H₂O₂可使滴头完全堵塞率降低50%，生物污垢减少五倍以上。

技术经济性分析

不同充气技术的经济可行性存在差异。文丘里注入器因其结构简单、成本较低而更易推广；MNB发生器虽然设备投资较高（约1400美元），但因其高效的气体传输效率和持续作用能力，可能通过提高产量和资源利用效率实现更好的长期收益。化学充气每公顷成本约63美元，能带来显著增产效果。总体而言，ADI技术具有较好的投资回报潜力，尤其是在土壤通气条件较差的地区。

现存问题与研究展望

尽管ADI技术展现出巨大应用潜力，但仍面临一些挑战：气泡在管道中的分布均匀性有待提高；不同土壤质地和水质条件下的适用性需进一步验证；最佳曝气参数（如溶解氧浓度）因作物和环境而异，需要精准调控。未来研究应重点关注水-肥-气协同调控机制、堵塞防治的微观机理，以及在不同农业环境下的规模化应用可行性，同时探索ADI在土壤修复和污染物降解方面的拓展应用。

结论

曝气滴灌技术通过优化根区水气环境，有效解决了灌溉过程中的土壤缺氧问题，促进了作物生长和产量提升。该技术不仅提高了水分和养分利用效率，还能缓解滴灌系统堵塞，延长设备使用寿命。随着研究的深入和技术的完善，ADI有望成为推动农业水资源高效利用和可持续发展的重要技术手段。