微潤(rùn)灌溉技術(shù)的研究進(jìn)展

摘要：微潤(rùn)灌溉作為一種新型的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，已經(jīng)逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。在研究和分析了大量國(guó)內(nèi)外關(guān)于微潤(rùn)灌溉技術(shù)的文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對(duì)微潤(rùn)灌溉技術(shù)的發(fā)展歷史、該技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外對(duì)微潤(rùn)灌溉技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)。并且指出了微潤(rùn)灌溉技術(shù)所要克服的困難以及需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：微潤(rùn)灌溉；連續(xù)滲灌；節(jié)水

中圖分類(lèi)號(hào)：S275.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）15-3809-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.001

Abstract： As a new type of high efficiency water saving equipment， micro irrigation technique has been applied to production practice. In research and analysis of a large number of domestic and foreign about micro run pipe irrigation technology on the basis of literature， of micro run pipe irrigation technology development history， micro embellish tube irrigation technology advantages and disadvantages， and at home and abroad to micro run pipe irrigation technology research progress were summarized. And put forward some suggestions for overcoming the difficulties and problems to be studied.

Key words： micro irrigation； continuous infiltration irrigation； water saving

根部微灌是一種高效節(jié)水的灌溉技術(shù)，是將管道中的水通過(guò)灌水器以小流量均勻精確地滲入到作物根部附近土壤進(jìn)行灌溉[1]。微潤(rùn)灌溉作為近年研發(fā)出的一種新型高效的根部微灌技術(shù)，它是將半透膜技術(shù)引入農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域，利用半透膜的透水原理擬合生物半透膜的吸水過(guò)程，將水緩慢地滲入到作物根區(qū)完成灌溉[2]。其顯著特點(diǎn)是對(duì)作物的整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期進(jìn)行連續(xù)滲灌灌溉[3]。微潤(rùn)灌溉技術(shù)的節(jié)水效果相比于世界上最廣泛運(yùn)用的地表滴灌系統(tǒng)還節(jié)水60%～80%。該系統(tǒng)依靠勢(shì)能滲出灌溉水，不需要加壓設(shè)備，能耗低，比滴灌節(jié)能95%以上[4]。因此，大力發(fā)展微潤(rùn)管灌溉技術(shù)具有重要的意義。

1 微潤(rùn)灌溉技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

微潤(rùn)灌溉技術(shù)是近年研發(fā)的一種新型高效的微灌技術(shù)，該技術(shù)是在滲灌技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。美國(guó)開(kāi)始滲灌灌溉技術(shù)的研究可以追溯到20世紀(jì)70年代，在80年代初期美國(guó)科學(xué)家利用回收的廢舊輪胎橡膠以及一些塑料制品，通過(guò)添加一些特殊的化學(xué)物品，并采用特殊的加工方法制造生產(chǎn)出一種新型的可以滲水的灌溉管道，稱之為Aquapore多孔滲灌管[5]。整個(gè)20世紀(jì)80年代，美國(guó)各地分別進(jìn)行過(guò)用滲灌灌溉技術(shù)種植棉花、西瓜、玉米、馬鈴薯、番茄、小麥等作物的可行性研究。為了驗(yàn)證地下滲灌灌溉技術(shù)是否能夠高效節(jié)水以及能否被大范圍推廣，有學(xué)者在美國(guó)的加利福利亞州做了大量的試驗(yàn)研究。同時(shí)位于美國(guó)亞利桑那州Sundance農(nóng)場(chǎng)也進(jìn)行了20多年的地下滲灌灌溉技術(shù)的研究。隨著滲灌灌溉技術(shù)的推廣，其他國(guó)家也開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究，法國(guó)就是根據(jù)別國(guó)的研究經(jīng)驗(yàn)，利用廢棄塑料（低密度PE）通過(guò)加發(fā)泡劑研發(fā)出了一種新型的灌溉管道，稱為T(mén)URORZX管。該管道的特點(diǎn)是管壁內(nèi)有無(wú)數(shù)個(gè)泡狀的微孔，當(dāng)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行供水時(shí)，水將會(huì)沿著管壁內(nèi)的微孔滲出并且均勻地流入作物的根部用于灌溉，TURORZX管的滲水量的大小及滲水均勻度主要取決于水頭壓力，并且還與泡狀微孔的孔徑和材料的均勻性有關(guān)[6]。

中國(guó)采用滲灌灌溉方法也有一段很長(zhǎng)的歷史，可以追溯到200多年前的河南省濟(jì)源縣，當(dāng)時(shí)該縣就采用了地下暗管進(jìn)行灌溉。在20世紀(jì)80年代初期中國(guó)才真正意義上開(kāi)始研究滲灌灌溉技術(shù)，并且用于果樹(shù)栽培的試驗(yàn)。1987年中國(guó)對(duì)法國(guó)贈(zèng)送的滲灌灌溉設(shè)備進(jìn)行水力性能測(cè)試和田間試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)該設(shè)備的制造工藝進(jìn)行了大量的研究，最終成功地仿制該灌水設(shè)備，并于1989年通過(guò)了試驗(yàn)成果鑒定。但是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的不發(fā)達(dá)和設(shè)備的不成熟等主客觀因素的限制，仿制出來(lái)的設(shè)備出水均勻度非常低，雖然通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，但是最終難以投入到生產(chǎn)實(shí)踐中使用[7，8]。近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，不同學(xué)科之間的互動(dòng)也越來(lái)越頻繁，這同時(shí)也加速了各個(gè)學(xué)科之間的合作，微潤(rùn)灌溉就是基于跨學(xué)科合作誕生的灌溉技術(shù)。深圳市微潤(rùn)灌溉技術(shù)有限公司首次將半透膜技術(shù)原理引進(jìn)灌溉領(lǐng)域。微潤(rùn)管（圖1）作為微潤(rùn)灌溉技術(shù)的一種專用灌水器，它是一種軟管狀給水器，其主要的核心部分是半透膜，該設(shè)備具有雙層結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是軟管壁上分布著數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微孔（圖2），這些微孔隨意無(wú)序分布，并且沒(méi)有固定孔距[9，10]?？讖椒植荚诎胪改こ叨确秶鷥?nèi)，具有半透膜特性。當(dāng)灌溉系統(tǒng)開(kāi)始供水時(shí)，微潤(rùn)管內(nèi)充滿水，水分子就會(huì)通過(guò)這些微孔向管壁外遷移，若微潤(rùn)管埋在土壤中，水分就會(huì)進(jìn)一步向土壤遷移使土壤濕潤(rùn)，起到灌溉作用。

2 微潤(rùn)灌溉技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 微潤(rùn)灌溉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

微潤(rùn)灌溉技術(shù)具有灌水均勻、節(jié)省勞力、水肥結(jié)合、降低室內(nèi)濕度、地溫下降小、減少病蟲(chóng)害，便于作物管理、提高產(chǎn)量、提前上市九大優(yōu)點(diǎn)[11]。除了以上的優(yōu)點(diǎn)，和傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)相比還具有以下優(yōu)點(diǎn)。

2.1.1 實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲灌灌溉 作物吸水是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，不同的生長(zhǎng)階段對(duì)水分需求量也是不同的[12]。但是以往的灌溉方式都是間歇的，無(wú)論是澆灌、噴灌、還是滴灌，都是根據(jù)作物不同階段生長(zhǎng)的需水量進(jìn)行人為間歇性供水，供水精度低，容易造成作物水分虧缺或者過(guò)量灌溉，不利于作物的生長(zhǎng)，降低田間水分的利用率。微潤(rùn)灌溉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了作物需水連續(xù)動(dòng)態(tài)灌溉，根據(jù)作物生長(zhǎng)各個(gè)階段需水量進(jìn)行實(shí)時(shí)供水，提高灌溉水的利用率，同時(shí)保證了作物的產(chǎn)量。

2.1.2 節(jié)水效率高 農(nóng)田主要有三種途徑會(huì)造成的水分損失：分別是蒸發(fā)損失、滲漏損失以及徑流損失[13]。由于微潤(rùn)管既是輸送管又是灌水器，因此在灌溉供水的過(guò)程中都不會(huì)出現(xiàn)徑流損失。微潤(rùn)管灌溉是直接采用地埋式，灌溉水直接流入作物的根區(qū)，并且土壤中的水都是以毛管水的狀態(tài)存在，所以不會(huì)產(chǎn)生滲漏損失，同時(shí)又降低了土壤蒸發(fā)損失。整個(gè)試驗(yàn)充分證明，在灌溉供水充足的情況下，滴灌的用水量約是微潤(rùn)管灌溉的5倍，微潤(rùn)管灌溉設(shè)備的節(jié)水效果約是滴管設(shè)備的1.7倍[14]。

2.1.3 無(wú)動(dòng)力消耗、運(yùn)行成本低 微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)主要由水塔、減壓閥、微潤(rùn)帶三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)水泵、水表、逆止閥、排氣閥等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，整個(gè)設(shè)備主要是由減壓閥或者自動(dòng)水位控制器進(jìn)行控制的[15]。灌溉系統(tǒng)主要驅(qū)動(dòng)力是利用了土吸力以及半透膜內(nèi)外水勢(shì)梯度，相比于滴灌系統(tǒng)等需要依靠其他設(shè)備供水，無(wú)須外加機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，節(jié)省大量動(dòng)力設(shè)備及機(jī)械能，減少能源消耗和浪費(fèi)[16]。微潤(rùn)管灌溉系統(tǒng)是節(jié)能系統(tǒng)，無(wú)動(dòng)力消耗、運(yùn)行成本低。

2.1.4 適用于環(huán)境條件較差的地區(qū) 微潤(rùn)灌溉技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)灌溉，并且不消耗動(dòng)力，便于管理，該設(shè)施可以在沙漠中和偏遠(yuǎn)山區(qū)使用，為山區(qū)果樹(shù)的種植、沙漠草原的恢復(fù)、沙產(chǎn)業(yè)以及荒山造林中的運(yùn)用提供了設(shè)備支撐。

2.2 微潤(rùn)灌溉技術(shù)的缺點(diǎn)

微潤(rùn)灌溉技術(shù)雖然具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.2.1 堵塞問(wèn)題 灌水器堵塞問(wèn)題直接影響微潤(rùn)灌溉技術(shù)的發(fā)展，堵塞造成的灌水不均勻，不僅會(huì)影響作物生長(zhǎng)，而且嚴(yán)重時(shí)也會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行[17]。Nakayama等[18]認(rèn)為微灌系統(tǒng)堵塞主要是由物理堵塞、生物堵塞、化學(xué)堵塞這三方面造成的。

物理堵塞的主要原因是水體中那些無(wú)法過(guò)濾掉的無(wú)機(jī)物質(zhì)懸浮顆粒（如細(xì)小的沙粒）、微生物死后殘留下的遺體和生物的代謝有機(jī)物引起的[19]。對(duì)于根部微灌系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在關(guān)閉整個(gè)灌溉系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)突然產(chǎn)生負(fù)壓，將灌水器出水口附近的一些土壤雜質(zhì)生物倒吸入灌水器中，造成灌水器堵塞，稱為負(fù)壓堵塞[20]。

微潤(rùn)灌溉屬于根部微灌的一種，理論上也有可能發(fā)生負(fù)壓堵塞，但是由于微潤(rùn)灌溉是一個(gè)連續(xù)灌水的過(guò)程，因此它不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓堵塞的情況。微潤(rùn)灌溉的半透膜作為整個(gè)管件的核心部分，其材料上的微孔孔徑大小為10～900 nm，而土壤顆粒中的小顆粒，一般粒徑也在5 μm以上[21]，因此土壤顆粒不可能進(jìn)入膜上的微孔引起出水口的堵塞。雖然土壤微粒不會(huì)引起微孔的堵塞，但有可能會(huì)造成管道堵塞。謝香文等[22]在灌溉水泥沙量及粒徑對(duì)微潤(rùn)管出流的影響中得出微潤(rùn)管初始流量隨著泥沙量的增加而降低，且懸浮物粒徑在0.037～0.074 mm時(shí)，微潤(rùn)管易產(chǎn)生堵塞，在出流后期和泥沙量較低時(shí)更加明顯。微潤(rùn)管在抗負(fù)壓堵塞和出水口堵塞有一定的效果，但是不能完全消除物理堵塞，微潤(rùn)管管道內(nèi)容易出現(xiàn)堵塞。

從謝香文的研究可以猜測(cè)微潤(rùn)灌溉技術(shù)的堵塞只可能發(fā)生在微潤(rùn)管內(nèi)部，水質(zhì)極有可能是引起微潤(rùn)管堵塞的主要原因。上面已經(jīng)分析過(guò)灌溉水中土壤顆粒問(wèn)題，下面將分析灌溉水中的化學(xué)成分和生物成分。相比于物理堵塞，從化學(xué)和生物堵塞的機(jī)制分析來(lái)看，均是由于傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)屬于間歇式灌溉，化學(xué)成分（如可溶性鹽類(lèi)、氫氧化物和硅酸鹽等）和生物成分（如藻類(lèi)、細(xì)菌以及微生物分解物）在流道內(nèi)積累引起堵塞[23-25]。微潤(rùn)管灌溉是一個(gè)連續(xù)灌水的過(guò)程，理論上能夠有效地沖刷管道內(nèi)積累的化學(xué)成分和生物成分。但是這些都只是理論上的判斷，缺少試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。并且灌溉水中的微生物的大小也可以達(dá)到納米級(jí)[26]，所以微生物極有可能會(huì)進(jìn)入微孔中造成堵塞。

2.2.2 缺少大型田間試驗(yàn) 任何新發(fā)明的產(chǎn)品，都必須要經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)才能夠完全投入到生產(chǎn)實(shí)踐中。微潤(rùn)灌溉是一種新型的灌溉技術(shù)，缺少一些大型的種植試驗(yàn)進(jìn)行研究，并且研究的年限也較短。目前涉及到微潤(rùn)管灌溉半透膜技術(shù)在大田應(yīng)用的試驗(yàn)研究還未見(jiàn)報(bào)道，亟需加強(qiáng)這方面的研究[27]。

2.2.3 運(yùn)行管理費(fèi)用高，更換灌水器時(shí)容易破壞作物根系 微潤(rùn)灌溉屬于地下滲灌技術(shù)，由于微潤(rùn)灌溉的灌水器是采用地埋式，一旦系統(tǒng)發(fā)生堵塞故障后，必須對(duì)微潤(rùn)灌溉的灌水器進(jìn)行更換處理，提高了整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)用。并且在更換灌水器時(shí)，需要翻開(kāi)土壤，容易破壞作物的根系，最終影響作物的生長(zhǎng)。

3 微潤(rùn)灌溉技術(shù)的研究進(jìn)展

微潤(rùn)灌溉作為新型的節(jié)水灌溉技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入人們的視野。也因其高效節(jié)水，連續(xù)灌溉的特性和巨大的潛力逐漸受到農(nóng)民的歡迎和專家的重視。

3.1.1 微潤(rùn)灌溉技術(shù)設(shè)備研究 針對(duì)微潤(rùn)灌溉技術(shù)的設(shè)備研究，竇超銀等[28]和于國(guó)豐等[29]分別開(kāi)展了吸力式微潤(rùn)灌水器的研制，并在實(shí)踐中開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。魏鎮(zhèn)華等[30]在交替控水條件下微潤(rùn)灌溉對(duì)番茄耗水和產(chǎn)量的影響研究中得出該條件下微潤(rùn)灌溉技術(shù)節(jié)水效果與水分利用效率有顯著提高。邱照寧等[11，31]研究認(rèn)為微潤(rùn)管出流存在一定的誘導(dǎo)時(shí)間，且出流量與水溫存在一定的聯(lián)系。

3.1.2 微潤(rùn)灌溉技術(shù)埋深方面 Devitt等[32]、Lamm等[33]、Camp[34]研究得出適當(dāng)?shù)穆裆顚?duì)作物的生長(zhǎng)有很大的促進(jìn)作用，各類(lèi)作物都有各自相適宜的埋深。牛文全等[35]在埋深與壓力對(duì)微潤(rùn)灌濕潤(rùn)體水分運(yùn)移的影響中得出微潤(rùn)管的埋深影響濕潤(rùn)體的形狀，同時(shí)通過(guò)建立不同埋深累計(jì)入滲量預(yù)測(cè)模型得出土壤濕潤(rùn)均勻系數(shù)與埋深呈正相關(guān)，黏壤土微潤(rùn)灌最適埋深為15～20 cm。張子卓等[36]研究認(rèn)為微潤(rùn)管灌溉埋深在15 cm左右對(duì)番茄生長(zhǎng)最適宜。湯英等[2]認(rèn)為果樹(shù)最適埋深應(yīng)在30～40 cm之間，有利于果樹(shù)根系的生長(zhǎng)。

3.1.3 微潤(rùn)灌溉技術(shù)土壤水分運(yùn)動(dòng)方面 探索微潤(rùn)灌溉技術(shù)的土壤水分分布和作用規(guī)律，對(duì)提高微潤(rùn)灌溉效率有著非常重要的作用。李朝陽(yáng)等[3]對(duì)低壓微潤(rùn)灌灌水均勻性及土壤水分分布特性進(jìn)行研究，得出在新疆沙性土壤中微潤(rùn)灌溉灌水均勻度較高，微潤(rùn)灌溉的濕潤(rùn)區(qū)大概在5～30 cm。謝香文等[37]在地埋微潤(rùn)管入滲試驗(yàn)中得出沙質(zhì)壤土中微潤(rùn)管灌溉濕潤(rùn)體是以微潤(rùn)管為中心對(duì)稱分布的，且遠(yuǎn)離微潤(rùn)管的水分含量也將降低。毛曉超[38]的研究認(rèn)為微潤(rùn)管灌溉濕潤(rùn)體開(kāi)始時(shí)是以微潤(rùn)管為中心的圓形，但是會(huì)隨灌溉時(shí)間的增長(zhǎng)，逐漸變?yōu)椴灰?guī)則的橢圓形。不同水質(zhì)和水頭壓力對(duì)濕潤(rùn)體與濕潤(rùn)鋒距離都有一定的影響。牛文全等[9]研究得出礦化度對(duì)濕潤(rùn)體的形狀影響小，對(duì)濕潤(rùn)體的體積影響較大，并且礦化度的濕潤(rùn)體的體積大于清水。薛萬(wàn)來(lái)等[39]研究認(rèn)為壓力水頭的大小與微潤(rùn)管滲水量呈正相關(guān)，并且濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離也是隨水頭壓力的增加而增加。灌溉土壤容重對(duì)微潤(rùn)管的濕潤(rùn)鋒距離也有較大的影響，薛萬(wàn)來(lái)等[15]認(rèn)為土壤容重越大，微潤(rùn)管的濕潤(rùn)鋒距離減少。張俊等[40]通過(guò)對(duì)初始含水率對(duì)微潤(rùn)管線源入滲特征的研究得出含水率梯度隨著初始含水率的增大而減??；微潤(rùn)灌均勻系數(shù)隨初始含水率的增大而增大。

4 結(jié)語(yǔ)

微潤(rùn)灌溉是一種高效節(jié)水的灌溉技術(shù)。但是目前微潤(rùn)灌溉技術(shù)還存在著一些問(wèn)題，如灌水器堵塞問(wèn)題還沒(méi)有完全解決，缺少堵塞試驗(yàn)研究的依據(jù)；大田種植試驗(yàn)不足；運(yùn)行管理費(fèi)用高，更換灌水器時(shí)容易破壞作物根系等。因此需要對(duì)微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)的復(fù)雜性及特殊性進(jìn)行研究，克服微潤(rùn)灌溉技術(shù)還存在的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮其諸多優(yōu)勢(shì)，為微潤(rùn)灌溉技術(shù)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及管理提供合理的理論依據(jù)，對(duì)推動(dòng)中國(guó)的節(jié)水灌溉發(fā)展有著重要的實(shí)際意義。

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