第1章　绪论
　　1.1　背景及意义
　　土壤空气、水分和养分之间的最佳平衡被称为肥力三角（fertile triangle）（Wolf，1999）。协调土壤水肥气环境，以维持根系正常的新陈代谢和良好的根区环境是灌溉追求的目标（Bhattarai et al.，2005）。水肥资源约束已成为农业可持续发展的瓶颈因素。农业部、国家发展和改革委员会、科技部等八部委2015年联合发布了《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》，明确提出“一控两减三基本”的目标。2016年农业部颁布的《推进水肥一体化实施方案（2016—2020年）》中明确提出重点推广水肥一体化技术。在新形势下，推进水肥一体化工作已成为提高水肥利用效率、转变农业发展方式和缓解水资源紧缺的关键措施。土壤空气在作物生长过程中起着不可替代的作用。土壤空气来自于大气，是土壤的重要组成部分，存在于土壤孔隙中，并在土壤孔隙中不断地运动，同时与大气进行气体交换。传统灌溉方法总是处于淹水灌溉、根区排水及缺水后再灌溉的过程之中（Bhattarai et al.，2005）。精准的灌溉方法，如地表滴灌和地下滴灌因可显著提高水分利用效率而备受推崇。但是，灌溉过程及之后地下滴灌灌水器的周围也可能出现短时性和周期性滞水，这一情况多出现在质地黏重、紧实和结构不良的土壤中，即使是在排水特性良好的土壤中也可能出现持续性水分过多的情况（Dhungel et al.，2012）。土壤水分过多必将导致湿润区土壤空气含量下降，土壤出现周期性的滞水，从而造成土壤通气性下降（Meek et al.，1983），其下降程度与灌溉技术水平和土壤性质相关（Abuarab et al.，2013；Bhattarai et al.，2013；Shahein et al.，2014；Torabi et al.，2013；Chen et al.，2011）。
　　土壤空气对作物种子发芽、出苗、后期成长与成熟以及养分吸收、各种营养物质的转化都有重要的作用甚至起决定性的作用。在农业方面主要研究土壤通气性不足对粮食减产的影响。土壤湿度过大降低了植物生产潜力，这不仅与土壤通气性不良有关，也与土壤氧气不足引起的根系病菌入侵有关（Miller and Burke，1985；Stolzy et al.，1967）。当土壤通气不良时，必须通过人为排水或加氧来提高通气不良土壤的通气性，否则作物势必减产，收益也可能大幅下降（Irmak and Rathje，2014）。土壤水分过多，土壤氧气会被土壤水分驱离，微生物与植物根系竞争氧气，同时微生物代谢途径发生转变，减少了根系对养分的吸收。土壤氧气不足，新生根系停止生长，根系的伸展受到抑制（Silberbush et al.，1979）。如果氧气浓度进一步下降，即使恢复供氧，根系也无法正常生长（Lemon and Wiegand，1962）。淹水72h后，土壤氧气浓度下降到最大理论值的10%时，根系停止生长，作物产量下降到最佳灌溉处理的56%（Meyer et al.，1985）。保障作物根区的土壤通气性对作物产量至关重要。随着滴灌技术的日臻完善和大面积推广应用，利用滴灌系统可同时实现水、空气和农业化学物质向根区输送，为土壤通气提供可能。
　　目前，向根区输送氧气的灌溉技术主要有两种（雷宏军等，2014a）：一种是灌水过程与加气过程分离，即灌水之后进行通气的技术；另一种是使用文丘里空气射流器将氧气通过滴灌或地下滴灌水流向植物根区输送的一种新型的灌水技术，其被称为加氧灌溉（又称增氧灌溉）。这两种技术都能有效缓解普通灌溉导致根系缺氧的问题，第一种技术因“烟囱效应”的存在，氧气不能有效地停留在植物根区；第二种技术因过水流速缓慢，单次曝气水流掺气比例受限，且产生的气泡大部分集中于管道上半部，在实际应用中受到限制。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）。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。
　　1.2　国内外研究进展
　　1.2.1　加氧灌溉在农业领域的应用
　　加氧灌溉技术利用二相流体力学原理，让气液两个相体在高速旋转或真空吸附等情况下生成微纳米气泡水，达到水体超富氧饱和状态。加氧灌溉制备的微纳米气泡具有尺寸小、比表面积大、吸附效率高、在水中上升速度慢等特点，特别适合加氧灌溉水气高效传输。目前，国际上对加氧灌溉在农业上的应用已有一些报道，但在国内尚属于起步阶段。Zheng等（2007）以高纯氧为气源，利用Seair氧气扩散器制备了3个溶解氧梯度，即20mg/L、30mg/L和40mg/L，水培西红柿4周后发现，随着溶解氧浓度升高，植物株高显著增加，但根茎叶鲜重增加趋势不明显；30mg/L的溶解氧浓度值可能是西红柿生长的上限浓度。Park和Kurata（2009）采用微纳米气泡加氧水水培生菜发现，曝气处理使生菜鲜重和干重均显著增加，认为这一促进作用与微纳米气泡大的比表面积和负电荷特性有关。Ebina等（2013）将氧气作为气源制备微纳米气泡加氧水，发现微纳米气泡的尺寸和浓度稳定持续时间达70天；微纳米气泡加氧水水培大白菜4周后发现，曝气处理极显著地促进了株高、叶片长度和地上部鲜重的增加。蒋程瑶等（2013）利用溶解氧浓度达45mg/L的加氧水处理叶菜种子，发现发芽率、发芽势及活力指数均比普通纯净水处理的种子有显著提高。刘俊杰等（2013）研究了微纳米气泡加氧水对水培及基质栽培的生菜根系生长、经济产量具有明显的促进作用。吕梦华等（2014）以自来水为对照，在20mg/L和30mg/L两种溶解氧浓度下研究了微纳米气泡加氧水对水培白萝卜的生长发育的影响，发现其对部分品质指标有明显的促进作用，且高溶解氧浓度的促进效果更加突出。
　　1.2.2　加氧灌溉传输特性
　　关于加氧灌溉传输过程中掺气比例的测量对明确水气传输规律有重要意义。由于管道的不透明性，Calzavarini等（2008）通过对气泡探针碰撞时间序列的统计分析来量化处于湍流状态下的微纳米气泡。利用高速相机来连续监测气泡，通过气泡图像孔隙率可估算出掺气总量（Bhattarai et al.，2015a）。雷宏军等（2014a）通过曝气水黏度和掺入气体体积的变化关系计算出平均掺气比例，但无法实时监测传输过程中掺气量的变化。Torabi等（2013）将充满水的集气瓶倒扣于水槽中收集曝气掺入的气体，但该种方法只能收集体积较大的气泡。对于较大气泡而言，微纳米气泡因其直径较小可避免气泡直接上升聚合而导致气泡破裂（张磊等，2011），从而为加氧灌溉水气长距离均匀传输提供了可能。
　　田间条件下均匀通气对维持作物均一生产非常重要。目前，关于加氧灌溉的水氧传输均匀性和传输距离有一定的研究。Goorahoo等（2002）发现，加氧灌溉对辣椒产量的影响主要集中在毛管的前48m范围内，辣椒的产量和毛管长度间呈极显著的二次线性关系，而普通地下滴灌毛管距离与辣椒产量没有明显的关系。因此，他们认为，水气出流量不均匀是该现象出现的主要原因。Torabi等（2014）研究了活性剂添加浓度和连接器类型及尺寸对水气出流量均匀性的影响，结果表明，活性剂的添加可显著提高传输过程的流量均匀性。雷宏军等（2014b）研究了不同活性剂添加浓度和工作压力条件下水气耦合物在较短滴灌带（66m）中的传输均匀性，结果表明，出水均匀性和出气均匀性分别达到95%和70%。由于浮力的存在，微纳米气泡在长距离传输中会凝聚。大微纳米气泡在灌溉过程中更易从向上埋设的滴头逃逸而造成气泡损失。Pendergast等（2014）通过棉花田间栽培试验表明，250m以内的管道铺设长度是加氧灌溉的有效铺设长度，可使空气顺利到达作物根区。Bhattarai等（2015a）研究了活性剂BS1000浓度和滴头的埋设方位对微纳米气泡轮廓和传输有效性的影响，结果表明，BS1000较低浓度下水气耦合物于传输200m后出现分离。目前，水气耦合物的传输距离仍是限制加氧灌溉技术推广的重要因素之一。因此，关于加氧灌溉下掺气比例的测定手段、水气均匀度的测量方法及水、氧、气传输的均匀性仍需进一步明确。
　　1.2.3　加氧灌溉土壤通气性改善效应
　　土壤通气性对植物生长的重要性已为人们所认知，Grable（1966）最早给出了对土壤通气性的定义：是生物、土壤和大气相互之间的气体交换和循环。Glinski和Stepniewski（1985）建议将土壤通气性概念进行拓展，即包括土壤气体的组成及其对植物的作用，以及土壤气体的吸附、产生、交换等各个方面。这一概念将土壤氧气的分布、氧气对植物根系及微生物的可利用性考虑进来，称为土壤氧合作用（Glinski and Stepniewski，1985）。土壤通气性指标可分为3类：第一类为容量指标，气体填充土壤孔隙体积（简称土壤充气孔隙度）；第二类为强度指标，孔隙中的氧气分压或土壤溶液中的氧气含量；第三类为速率指标，氧气向土壤中某点的供应速率。三类指标的测量难度顺序为：容量指标＜强度指标＜速率指标。对于第一类指标而言，通常当孔隙体积比例小于0.1时植物生长受到抑制（Jayawardane and Meyer，1985）。对于第二类指标而言，当土壤空气的氧气体积比例小于10%（或氧气浓度低于0.1kg O2/m3），或者当土壤溶液氧气浓度低于10mg O2/L时，视为土壤通气不良（Meyer et al.，1985）。第三类指标又可分为扩散指标及对流指标两类。扩散指标最能反映原位土壤中的氧气水平，它与植物的生理反应、营养特性和植物生长密切相关，低于0.2μg/(cm2 min)时视为土壤通气不良（Stolzy and Letey，1964）；对流指标可通过对流测量氧气仪准确测量进入土壤的氧气的质量通量，或者通过直接测定大气与土壤之间的空气压力梯度来计算。常用的土壤通气性代表性指标有土壤充气孔隙度（Hodgson and Macleod，1989）、土壤空气氧气浓度或土壤溶液氧浓度、氧气扩散速率等（Letey and Stolzy，1964）。对比分析土壤充气孔隙度和氧气扩散速率发现，土壤通气容量并不能直接反映植物的生长。氧气扩散速率直接反映了氧气对植物的有效性，是最具代表性的土壤通气性指标（Feng et al.，2002）。土壤充气孔隙度阈值常数经常被用于表征植物氧气胁迫，但是阈值常数难以表征所有的情况。实际上，土壤氧气的消耗及氧气向根系的扩散依赖于土壤温度、作物生长时期、土壤质地和微生物活性。以上因素同时影响着土壤氧气的胁迫程度，准确估算土壤氧气胁迫的研究至今未见报道。加氧灌溉改变根际土壤水分分布及氧气状况，影响着土壤的通气状况，那么土壤通气性改善效应如何？加氧灌溉如何通过根际土壤通气性的改善来促进作物的生长？有待进一步研究。
　　1.2.4　加氧灌溉对作物根区环境的影响
　　加氧灌溉带来土壤通气性的改善不仅促进了作物的增产增效，而且对作物根区环境也产生了一定的影响。根区环境是一个复杂的系统，“土壤-根系-土壤微生物与土壤酶”等因素相互作用，共同影响地上、地下的物质运移和能量流动（王京伟，2017）。土壤微生物是农田生态系统的重要组成部分，也是参与土壤养分转化和生化反应的重要推动力，在促进土壤有机质转化方面起到重要作用（姚槐应和黄昌勇，2006；Heijden et al.，2008；李元等，2015）。土壤微生物种类和数量繁多，细菌、真菌、放线菌是目前研究最多的三类。土壤微生物以群落的方式存在于土壤中，细菌在土壤微生物群落中占70%～90%，是土壤微生物群落的主要组成部分（王岳坤和洪葵，2005）。微生