我国是一个农业大国，农业用水在国民经济用水中占据压倒性比例，发展节水农业是践行“节水优先”的关键发力点，也是提高区域水资源承载能力和可持续发展水平的主阵地。然而，与节水先进国家和地区相比，目前我国的水资源利用效率整体并不高，发展高效节水农业前景广阔。另外，我国粮食安全仍是一个重大命题，实施“藏粮于地，藏粮于技”，推进农业提质增产增效，是我国现代农业发展的必由之路。
▲ 文丘里空气射流器结构示意图及实物图
加氧灌溉技术是水肥一体化和加氧灌溉的结合与改造，以地表水为水源，借助文丘里空气射流器吸入空气或氧气，经滴灌系统将水肥气混合流体协调输送至作物根区土壤，为作物生长创造良好的水肥气热环境（雷宏军等，2014a，2014b）。
加氧灌溉（又称增氧灌溉），是国际上新兴起的一种高效节水灌溉技术，是水肥一体化技术的新突破，具有节水、节肥、增产、提质的作用，已成为节水灌溉领域研究的前沿热点。其特点是将氧气掺入灌溉水中，随水肥或随水一起灌入根区，在供水供肥的同时，改善土壤通气性，促进根系呼吸和生理活性，从而起到增产增效、改善品质的作用。
加氧灌溉地下氧灌系统创新
▲ 加氧灌溉地下氧灌系统示意图
与已有技术相比，加氧灌溉地下氧灌系统具有突出的实质性特点和显著进步：
空气的掺入通过文丘里空气射流器完成，保证空气以微纳米气泡的形式均匀地掺入到水中，随着水流均匀地输送到植物根区土壤内。
通过循环曝气的形式同时结合水量控制阀的控制来调节空气掺入量，空气掺入比例范围宽广且调节灵活方便，可根据作物根系在不同生长季节对氧气的需求情况来确定，以满足作物对氧气的需求。
该系统功能多样，当第一水量控制阀、第二水量控制阀均打开，增压泵正常工作时，在正常的供水条件下该系统可以进行地下氧灌；当第一水量控制阀、第二水量控制阀均关闭而第三水量控制阀打开时，在正常的供水条件下该系统可以进行普通的地下滴灌。
把掺气水或者掺气水肥混合液体输送到植物根区，能有效改善植物根周围的水肥气热环境，这种技术是一种节水、省肥、高效的新型灌溉技术。
该系统结构简单、成本低、能量损耗小、掺气比例可控、使用和管理维修方便、节约劳力，同时可将肥料溶于水，进行肥水灌溉，提高肥料的利用效率，减少肥料对土壤和地下水的污染。
加氧灌溉技术的关键在于解决或回答如何制备均匀细小微纳米气泡灌溉水、如何控制水力特性使水气均匀性效果最佳、提质增效的经济加氧模式如何、加氧灌溉对温室气体产排起何种作用等一系列技术和理论上的难题。围绕上述设备革新和灌溉工艺优化等问题，《加氧/增氧灌溉技术创新与理论探索》（雷宏军等著. 北京：科学出版社，2022.12）一书开展了一系列探索性工作，初步形成了加氧灌溉技术体系。
主要成果和发现如下：
1. 设计了一种加氧灌溉高效耦合智能控制系统，可使掺气比例由现有技术的12%提高到30%以上，溶解氧（DO）值由自然水体的8mg/L提高到60mg/L以上。
2. 设计了一种加氧灌溉水气出流均匀度的测量系统与方法及一种微纳米气泡的测量装置，提出了一种掺气比例的计算模型，开展了加氧灌溉下水、氧、气传输规律及其影响因素的研究。本书研制的加氧灌溉系统的出水、出气和溶解氧均匀度分别为95%、70%和97%以上，提出的掺气比例计算模型和微纳米气泡测量装置能够准确计算和测量掺入气体体积。
▲ 加氧灌溉水气出流均匀度测量系统示意图
3. 加氧灌溉可显著改善土壤湿润体的通气性。高灌水量下加氧处理的土壤溶解氧浓度、氧气扩散速率（ODR）、氧化还原电位（Eh）和土壤呼吸速率（Rs）均显著增强。各种处理的土壤氧气扩散速率及氧化还原电位和溶解氧浓度呈显著的正相关关系。
4. 加氧灌溉可显著提高各通气性指标量值，改善根区土壤通气性。加氧灌溉下紫茄土壤的溶解氧、氧化还原电位和氧气扩散速率较对照分别提高了16.74%、29.39%和6.63%以上；冬小麦根际土壤的氧化还原电位、氧气扩散速率和土壤呼吸速率较对照分别提高了8.64%、56.11%和23.60%；加氧灌溉下番茄土壤氧化还原电位于12h后出现增加，改善效果可持续84h。
▲ 不同加氧处理20cm土层深度冬小麦根际土壤溶解氧浓度变化情况
5. 加氧灌溉提高了作物的水肥利用效率，促进了作物的生长，增加了作物的产量，改善了作物的品质。加氧灌溉下小白菜氮、磷、钾吸收率较对照分别提高了23.68%、27.54%和62.81%，水分利用效率提高了27.86%；加氧灌溉下小白菜产量较对照增加了58.42%；春小麦千粒质量和穗粒质量较对照分别增加了6.03%和17.07%。加氧灌溉下草莓维生素C含量较对照增加了14.4%，糖酸比增加了47.1%；灌水量、加氧量和施肥量的增加可显著提高辣椒的产量和水分利用效率。
6. 加氧量、施氮量和灌水量的增加可增加加氧灌溉下温室辣椒地土壤N₂O排放峰值、N₂O累积排放量和单产N₂O排放量。加氧量和灌水量的增加可显著提高辣椒的氮素利用效率，而施氮量的增加降低了辣椒的氮素利用效率。综合考虑作物产量、氮素利用效率和单产N₂O排放量，试验中减量施氮、非充分灌溉、加氧处理是推荐的加氧灌溉组合方案。通过采用结构方程模型进行路径分析，可知土壤温度、充水孔隙度和 含量对N₂O排放的总解释度分别为42%、60%和58%，它们是影响加氧灌溉下温室辣椒地土壤N₂O排放的主要影响因子。
▲ 加氧灌溉下土壤N₂O排放的结构方程模型
作者雷宏军、潘红卫、刘鑫、臧明来自华北水利水电大学，张振华来自鲁东大学。本书通过研发加氧灌溉系统，进一步对加氧灌溉的理论基础、系统设计、传输机制和增产提质机制进行了系统深入的探索，为我国农业水资源高效利用和农业可持续发展提供了一种新的技术支撑。全书分为9章。
第1章绪论；
第2章加氧灌溉原理及装备研发；
第3章加氧灌溉水气传输特性及优化研究；
第4章加氧灌溉土壤湿润体内水氧变化特性研究；
第5章加氧灌溉对作物根际环境改善效应研究；
第6章加氧灌溉作物生理生长特性研究；
第7章加氧灌溉增产提质机理研究；
第8章加氧灌溉主要温室气体产排效应研究；
第9章结论及展望。
本文摘编自《加氧/增氧灌溉技术创新与理论探索》（雷宏军等著. 北京：科学出版社，2022.12）一书“前言”"第2章 加氧灌溉原理及装备研发"，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-072408-3
责任编辑：杨帅英 赵 晶
加氧/增氧灌溉是节水灌溉领域新兴起的一项水肥气耦合技术。本书总结了研究者近年来在加氧/增氧灌溉领域的一系列研究成果，涵盖了加氧/增氧灌溉原理及装备研发、加氧/增氧灌溉水气传输特性及优化、加氧/增氧灌溉土壤湿润体内水氧变化特性、加氧/增氧灌溉对作物根际环境改善效应、加氧/增氧灌溉作物生理生长特性、加氧/增氧灌溉增产提质机理以及加氧/增氧灌溉主要温室气体产排效应等方面。本书可供农业水土工程、农田水利、土壤化学、农艺学、农业工程等学科的科研工作者参考，也可供水利工作者等阅读，同时还可供高等院校水利、农业等专业的师生参考，尤其适合从事加氧/增氧灌溉研究的研究生研读。
（本文编辑：刘四旦）
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