纳米气泡诱导的根区通气改善地下滴灌条件下的番茄产量、果实品质和土壤孔隙连通性

《Soil and Tillage Research》：Nanobubble-induced root zone aeration improves tomato productivity, fruit quality, and soil pore connectivity under subsurface drip irrigation

　　

• •
  授粉/结果期的阶段特异性通气优于连续通气。
• •
  阶段特异性通气提高番茄产量和水分利用效率。
• •
  CT-3D 成像揭示土壤孔隙连通性得到改善。
• •
  阶段特异性通气增加土壤氧气和养分有效性。
• •
  与连续通气相比，阶段特异性通气减少了能源消耗。

引言

农业生产正面临来自全球水资源短缺、气候变化以及对高价值作物需求增长的日益严峻的压力，尤其是在水资源受限地区（Biswas 等，2025）。因此，能够提高作物生产力同时保护水资源的高效灌溉策略已成为关键的研究重点（Tang 等，2024）。在此背景下，地下滴灌（SSDI）作为一种节水技术被广泛采用，因为它能够减少蒸发损失并优化根区的水分分布效率（Liu 等，2025；Xiao 等，2023）。一个关键的制约因素是，常规滴灌的长期应用可能导致根际出现缺氧条件（Zhou 等，2022），特别是在细质地或紧实土壤中（Baram 等，2022），这会负面影响根系呼吸、根际环境以及整体作物表现（Mahmoudi 等，2022；Qiao 等，2023；Lei 等，2024）。

根区氧气可用性是调节植物生理过程的关键因素，包括根系生长、微生物活性和养分转化。在灌溉条件下氧气供应不足会引发缺氧胁迫，破坏氧化还原平衡，并损害氮循环，最终降低作物产量和质量（Baram 等，2022；Jin 等，2023；Ma 等，2025a）。作为一种潜在的解决方案，微米和纳米气泡水（MNBW）通气，也被 Li 等（2025a）称为通气滴灌（ADI），已被提出作为一种有效的方法，用于改善土壤氧气状况同时减少化学肥料的不良影响（He 等，2022；Ouyang 等，2025）。纳米气泡可以降低水分子之间的表面张力，这使得灌溉水能够渗透到土壤更深层并被植物根系更有效地吸收（Baram 等，2022；Arablousabet 和 Povilaitis，2024a）。

累积的证据表明，MNBW 可以促进作物生长、干物质积累、产量形成和果实品质（Chen 等，2026；Ma 等，2025b；Zheng 等，2025a），同时提高水分利用效率（WUE）（Ouyang 等，2025）。与此同时，先前的研究表明，MNBW 通气是一种绿色可持续的灌溉方法（Junejo 等，2025），它不仅能够增强土壤生物地球化学功能和健康（Chen 等，2026；Wang 等，2025a），还能促进滴灌均匀度（Li 等，2025b）。一项非常最近的基于 35 项研究、2398 个数据对的元分析显示，MNBW 通气显著提高了作物产量和 WUE，分别提高了 13.55% 和 11.15%（Jiao 等，2026）。尽管有这些好处，但也有报道称高溶解氧（DO）浓度在某些系统中会抑制作物生长（Pang 等，2023），这可能是由于根际产生了过多的活性氧（ROS）。ROS 在植物生理中起着双重作用：在低至中等浓度下，它们作为重要的信号分子调节根系发育和胁迫响应，而只有在浓度过高时才会对细胞结构和生长造成损害。ROS 产生达到损害水平的程度取决于多个相互作用的因素，包括氧气浓度、温度以及过渡金属的存在。

由于 MNBW 技术具有独特的理化性质（例如，高气液界面面积、传质效率和长停留时间）（Kizhisseri 等，2025；Qin 等，2025），最近作为一种先进的通气方法引起了相当大的关注。与常规通气技术相比，纳米气泡可以显著增加溶解氧浓度，改变氧化还原电位（ORP），并产生可能影响土壤生化过程的 ROS（Ma 等，2025a；Ouyang 等，2025）。新兴的证据表明，纳米气泡通气灌溉可以改善土壤养分有效性，刺激根系发育，并支持作物生产力（Chen 等，2026；Tan 等，2025；Zheng 等，2025b）。然而，大多数现有研究主要集中在连续通气制度上，对作物生长阶段特异性的氧气和氧化还原需求考虑有限。

番茄（Solanum lycopersicum L.），以前被称为 Lycopersicon esculentum Mill，是一种高价值园艺作物，对根区氧气条件高度敏感（Zheng 等，2007；Li 等，2025c）。番茄植物的氧气需求因生长阶段而异，氧气供应与生理需求之间的不匹配可能导致能量利用效率低下和次优的产量形成（Ouyang 等，2021；Li 等，2025c）。番茄对通气的反应已显示出强烈的生长阶段依赖性：根区通气在幼苗期、果实膨大期和成熟期改善了叶片光合性能和产量，但在开花和坐果期产生了相反的效果（Zhang 等，2024）。类似地，据报道番茄入渗后土壤通气在坐果期和果实增大期最为有益（Li 等，2015）。这些发现表明，氧气敏感性在生殖发育的不同阶段会发生转移，这促使选择早期和晚期阶段的配对组合（营养生长期、授粉、开花、结果和成熟）而不是单阶段通气，以捕捉潜在的协同作用或阶段特异性效应，同时实现与连续全季通气的直接比较。

尽管如此，在 SSDI 下对阶段特异性 MNBW 通气策略的系统评估仍然稀缺。虽然据报道 ADI 改善了土壤化学性质，但土壤物理结构（特别是孔隙连通性和架构）的潜在变化仍知之甚少。例如，X 射线计算机断层扫描（CT-3D）的进步现在允许无损、高分辨率的土壤孔隙网络可视化和量化，为将土壤物理结构与氧气运输和植物响应联系起来提供了新的机会（Weller 等，2022；Ghosh 等，2023）。然而，在灌溉作物系统中将 CT-3D 孔隙结构分析与 MNBW 研究相结合仍然 largely 未被探索。

因此，本研究旨在评估生长阶段特异性 MNBW 对番茄根际理化性质、土壤孔隙结构、作物生产力、果实品质和灌溉水利用效率（IWUE）的影响。具体目标为：(i) 量化阶段特异性 MNBW 对番茄根际土壤氧气动态、氧化还原电位和养分有效性的影响；(ii) 使用 CT-3D 成像评估 MNBW 引起的土壤孔隙架构和连通性变化；(iii) 评估在不同生长阶段应用通气对番茄干物质积累、产量构成因子、果实品质和 IWUE 的响应；(iv) 确定最大化番茄生产力和资源利用效率的最佳通气阶段。

章节片段

场地描述

本研究在中国河南省新乡市中国农业科学院农田水利研究所的温室（35°18′13.71"N, 113°55′ 15.05"E）进行，时间为 2025 年的夏季和冬季番茄生长季（2 月至 6 月和 7 月至 12 月）。该地区属于亚热带季风气候，年平均气温为 15.2 °C，平均相对湿度为 55.9%，平均日照时长约为每天 9.4 小时。钢架温室完全配备了

微米和纳米气泡通气对土壤 pH 值、电导率、氧气和氧化还原的影响

MNBW 显著改变了两个季节的土壤和灌溉水理化性质（图 3）。双因素方差分析表明，处理 (T)、季节 (S) 及其交互作用 (T × S) 对大多数测量变量有显著影响。

土壤 pH 值对 MNBW 的应用表现出有限的敏感性（图 3）。在季节 1（S1）中，通气处理导致 pH 值与对照（CK）相比有轻微降低，降幅范围在 1.4% 至 3.9% 之间，且大多数差异在统计学上不

微米和纳米气泡通气改变根际氧化还原条件、养分有效性和孔隙连通性

MNBW 极大地改变了根际理化条件和土壤结构特性，表明通气 SSDI 作为氧气运输、氧化还原过程和土壤物理架构的耦合调节器发挥作用。各处理间土壤 pH 值的有限变化表明，MNBW 通气主要影响氧化还原状态而不是酸碱平衡（(Chen 等，2025；Huang 等，2025)，该机制在下文与 SRP 相关处进一步讨论）。在 A_w 下 pH 值的轻微降低

结论

微米和纳米气泡水（MNBW）显著改善了番茄根际条件、土壤结构和作物表现，其有效性强烈依赖于通气时间。与 CK 相比，MNBW 处理一致地增强了土壤氧气状况、氧化还原电位和养分有效性（AN、AP、AK、SOM），同时降低了土壤电导率，表明根际通气改善和溶质重新分布。CT-3D 分析进一步显示，MNBW 增加了总孔隙体积，导致更多

CRediT 作者贡献声明

Abdul Rahim Junejo： 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，方法论，数据整理，概念化。Madan Lal Kolhi： 写作 – 审阅与编辑，正式分析。Irfan Ahmed Shaikh： 写作 – 审阅与编辑，正式分析。Jinrui Liu： 写作 – 审阅与编辑。Ali Raza Otho： 写作 – 审阅与编辑。Hao Li： 监督，资金获取。

资金

本研究由农业科技创新计划（ASTIP）支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

第一作者衷心感谢其导师 Hao Li 提供的研究奖学金，这对他的学习、发展和完成本工作作出了巨大贡献。同时也特别感谢中国农业科学院研究生院通过 GSCAAS 奖学金提供的财务援助，这使得本研究成为可能。Junejo 还感谢 Milan Subedi 先生在日期间提供的支持和指导。

Abdul Rahim Junejo|Madan Lal Kolhi|Irfan Ahmed Shaikh|Jinrui Liu|Ali Raza Otho|Hao Li