負(fù)壓灌溉簡(jiǎn)述

熊峰+周明濤+鄭旭超+鄭曉冬

摘要 在農(nóng)業(yè)水資源短缺的背景下，介紹了負(fù)壓灌溉這一節(jié)水灌溉方式。簡(jiǎn)述了負(fù)壓灌溉的原理，介紹了其早期的發(fā)展歷史；然后根據(jù)負(fù)壓灌溉的裝置闡述了其應(yīng)用于實(shí)踐的設(shè)計(jì)思路，列舉了現(xiàn)有的負(fù)壓灌溉在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用并將其與其他灌溉方式進(jìn)行對(duì)比；最后對(duì)負(fù)壓灌溉的研究進(jìn)行了展望：研究廉價(jià)灌水器材料，加強(qiáng)灌水器田間布局方式的研究，深化系統(tǒng)時(shí)效性和耐久性的研究，結(jié)合無壓灌溉建立復(fù)合式灌溉系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 負(fù)壓灌溉；節(jié)水灌溉；土壤基質(zhì)吸力

中圖分類號(hào) S275 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）11-0167-03

Brief Introduction of Negative Pressure Irrigation

XIONG Feng 1 ZHOU Ming-tao 1 ZHENG Xu-chao 1 ZHENG Xiao-dong 2

（1 China Three Gorges University，Yichang Hubei 443000； 2 China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group 1st Engineering Co.，Ltd.）

Abstract Negative pressure irrigation that was one of water-saving irrigation was introduced in the background of water shortage in agriculture. The mechanism of negative pressure irrigation was sketched and its history of development was introduced.Then the design ideas for applying it to practice were explained according to its devices and applications in agriculture were enumerated besides it was contrasted with other irrigation methods.Finally，the future of negative pressure irrigation was looked：developing cheap emitter，enhancing the research of emitters′layout，researching the timeliness and durability in-depth，establishing compound system combining it with non-pressure irrigation.

Key words negative pressure irrigation；water-saving irrigation；matric suction of soil

水資源短缺是當(dāng)今的全球性問題[1]，在我國(guó)該問題尤為突出[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的70%[3]，世界上先進(jìn)國(guó)家在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)λ挠行Ю孟禂?shù)為0.7～0.8，而我國(guó)僅為0.5[4]，因而提高農(nóng)業(yè)灌溉水的利用率對(duì)緩解水資源的短缺具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉以漫灌為主，水資源利用率不足50%，浪費(fèi)嚴(yán)重[5]，新型節(jié)水灌溉技術(shù)也早已開始發(fā)展應(yīng)用，但都有自身的局限性。噴灌對(duì)水資源的利用有所提高，技術(shù)相對(duì)成熟，成本相對(duì)較低，但水資源利用率為70%～80%，提高程度不大。微灌包括滴灌、微噴灌、涌泉灌等，水利用率可達(dá)到80%～95%[6-8]，但是成本相對(duì)比較高，而且存在滴頭宜堵塞等問題。負(fù)壓灌溉作為一種效果好、能耗低的灌溉方式[9]，將來很有可能在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。因此，本文針對(duì)負(fù)壓灌溉的研究情況進(jìn)行詳細(xì)論述，分析其優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行展望。

1 負(fù)壓灌溉發(fā)展歷史

負(fù)壓灌溉本質(zhì)上是利用土壤基質(zhì)吸力，將水自行抽吸到高處而后灌溉的方式，其基本裝置包括水源、輸水管和灌水器，要求灌水器與土壤充分接觸，輸水管內(nèi)充滿水，利用土壤自身的基質(zhì)吸力作用使水從灌水器流出，并運(yùn)移到植物根際區(qū)的土壤[10-11]。因此，灌水器透水不透氣是負(fù)壓灌溉的首要條件[12]，對(duì)管材性能的要求極高，但水資源利用率高，運(yùn)營(yíng)成本性相對(duì)較低。與之相似的一種技術(shù)為無壓灌溉，也是利用土壤基質(zhì)吸力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，二者根本區(qū)別在于負(fù)壓灌溉的供水水頭低于灌水器所在點(diǎn)的水頭，而無壓灌溉則基本相等。當(dāng)前的研究多以負(fù)壓灌溉為主，當(dāng)然也可以認(rèn)為無壓灌溉屬于負(fù)壓灌溉的特例。

負(fù)壓灌溉起源于1908年，Livingston首次提出利用基質(zhì)勢(shì)吸水的概念，隨后在1918年Livingston基于該原理發(fā)明了一種使用多孔粘土管作為灌水器的自動(dòng)灌水缽，并且進(jìn)行盆栽作物的自動(dòng)灌溉試驗(yàn)[13]。Richard等在1942年對(duì)該灌水缽進(jìn)行了深入的研究后，指出了其在控制土壤水分含量和作物生長(zhǎng)方面存在的不足[14]。Read在1962年將該灌水缽改進(jìn)后應(yīng)用到溫室盆栽中，其原理和工作方式已經(jīng)與負(fù)壓灌溉非常類似[15]，后來日本的Kato和Tejima在1982年首次比較完整地提出了負(fù)壓灌溉的方法，并利用多孔管材進(jìn)行了實(shí)踐探索[16]，而且取得了一定的進(jìn)步，但是其他領(lǐng)域的技術(shù)尤其是材料科學(xué)限制了其發(fā)展和應(yīng)用，一直未能被廣泛地推廣應(yīng)用。

1996年，日本三菱化工集團(tuán)推出了一種可以用于盆栽的“負(fù)壓灌溉器皿”，該器皿分為上下2層，上層裝有土壤、植物和有機(jī)質(zhì)等，下層裝有一定量的水，上下層之間通過多根內(nèi)空管連通，內(nèi)空管向上深入土壤中與土壤基質(zhì)緊密接觸，向下與下層的水充分接觸，利用土壤與內(nèi)空管中的水勢(shì)差驅(qū)動(dòng)下層的水向上層的土壤滲入。后來在1998年，三菱化工集團(tuán)在該裝置中內(nèi)空管的上頂端布設(shè)多孔板，以增加與土壤基質(zhì)的接觸面積，提高吸水效果[17]。但是，該裝置主要用于盆栽，沒有形成可以大規(guī)模應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。2001年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院的劉明池利用陶土管，配之以負(fù)壓控制技術(shù)，建立了陶土管自動(dòng)灌水、控溫與供肥系統(tǒng)[18]，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，控制精準(zhǔn)，但是成本太高，也不利于大面積推廣。

2 負(fù)壓灌溉構(gòu)成

負(fù)壓灌溉由三部分構(gòu)成，即水源、輸水管和灌水器[19]，由于技術(shù)尚不成熟且設(shè)備昂貴無法大面積推廣等原因，至今還未有成熟的設(shè)計(jì)體系，但是很多學(xué)者在這些方面已開展了大量研究，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)雷廷武等在2001申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)第1個(gè)負(fù)壓灌溉的專利，提出了一種負(fù)壓節(jié)水灌溉裝置[20]，可以認(rèn)為是國(guó)內(nèi)第一個(gè)真正意義上的負(fù)壓灌溉裝置。

2.1 水源

對(duì)于水源，主要設(shè)計(jì)參數(shù)為水源相對(duì)灌水器的水頭（以下所述水頭均為水源相對(duì)灌水器的水頭），其是負(fù)壓灌溉可以行性的判定依據(jù)。從理論上來講，-2 m以上的水源水頭均可實(shí)現(xiàn)負(fù)壓灌溉[21]，但是土壤入滲能力與自身特性相關(guān)，同等條件下黏性土入滲能力比砂性土要高50%左右[22-23]。水源水頭越低，土壤入滲情況越差，有研究表明入滲量與水源水頭呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，因而應(yīng)該根據(jù)地形等原始條件盡量提高水源水頭且宜將其控制在-0.5 m以內(nèi)[24]。另外，水頭需保持恒定。

2.2 輸水管

輸水管為水源與灌水器的連接通道，負(fù)壓灌溉的流量非常小，市場(chǎng)上多數(shù)管道均可滿足其流量的要求。輸水管必須具備優(yōu)良的密閉性，要求工作過程中不能有空氣出入。然而，即使在運(yùn)行初始時(shí)已將管內(nèi)空氣全部排出，但使用過程中由于壓差和溫度對(duì)空氣在水中溶解度的影響，水中溶解的空氣會(huì)在管內(nèi)溢出，一旦所溢出的空氣匯集形成氣柱，系統(tǒng)將無法運(yùn)行。為解決該問題，目前比較成熟也是被認(rèn)可的一種方法就是在輸水管中間增加儲(chǔ)水管以儲(chǔ)存溢出的空氣，儲(chǔ)水管與水源的連接改為毛束管[11]，其運(yùn)行方式為：土壤含水率降低→基質(zhì)吸力增加土壤吸水→儲(chǔ)水管水位降低→形成氣壓差儲(chǔ)水管通過毛束管從水源吸水→達(dá)到平衡狀態(tài)，該方案在不影響灌溉效果的前提下解決了輸水管溢氣的問題，且增加成本不大，具有實(shí)用價(jià)值。

2.3 灌水器

灌水器是負(fù)壓灌溉最重要的裝置，應(yīng)著重考慮其材料、形狀及田間布局。

灌水器的材料要求透水不透氣，當(dāng)前使用較多的是陶土材料，但是其存在滲水量小、易堵塞、脆性過強(qiáng)等問題。其他材料有纖維、聚乙烯醇縮甲醛泡沫塑料（PVFM）等，這些材料相對(duì)陶土有一定的優(yōu)勢(shì)，所制作的灌水器滲水性能好，亦不易破碎[25-26]。但這些新材料的制作工藝尚不成熟，應(yīng)用于負(fù)壓灌溉時(shí)的穩(wěn)定性和耐久性還有待研究。

在設(shè)計(jì)灌水器的形狀時(shí)，應(yīng)盡可能增大其與土壤的接觸面積，因?yàn)槠渌蛩丶炊ㄇ闆r下，灌水器、土壤兩者之間的接觸面積與累計(jì)入滲量的大小成正比[27]。當(dāng)然，形狀的合理設(shè)計(jì)還應(yīng)兼顧其經(jīng)濟(jì)性、作物耗水量等實(shí)際情況。

灌水器在田間的布局應(yīng)根據(jù)土壤蒸發(fā)量、作物耗水量等信息，充分考慮水分入滲后在土壤中的運(yùn)移情況。水分入滲后土壤濕潤(rùn)體為橢球體，濕潤(rùn)鋒的寬深比隨入滲時(shí)間和供水水頭的增加而增加[28]，不同的水質(zhì)運(yùn)移情況不同，淡水運(yùn)移距離大于咸水[29]，而且濕潤(rùn)鋒各方向最大運(yùn)移距離隨鹽分濃度的增加和鈉吸附比的減小而增加[30]。水分運(yùn)移過程可以使用有限元軟件HYDRUS-2D中的Van Genuchten模型實(shí)現(xiàn)模擬，實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差小于5%[31]，進(jìn)一步可以在模型中加入作物耗水的影響[32]以及鹽分的影響[10]，可以更加準(zhǔn)確地對(duì)水分運(yùn)移過程進(jìn)行模擬，從而設(shè)計(jì)出灌水器的最優(yōu)布局。

3 負(fù)壓灌溉在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

雖然負(fù)壓灌溉技術(shù)還沒有規(guī)?；貞?yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，但已經(jīng)有許多學(xué)者在實(shí)驗(yàn)田開始了負(fù)壓灌溉與作物生長(zhǎng)的相關(guān)研究。李 邵等[33]研究了負(fù)壓灌溉條件下，番茄的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的相關(guān)情況，張偉娟等[34]研究了負(fù)壓灌溉對(duì)溫室番茄植株蒸騰規(guī)律的影響，研究結(jié)果均表明負(fù)壓灌溉下番茄植株長(zhǎng)勢(shì)更好，且可以有效減少地表蒸發(fā)和深層滲漏，提高水資源利用率。

毛思帥等[35]將負(fù)壓灌溉與基質(zhì)栽培技術(shù)相結(jié)合，配制不同濃度的磷酸二氫鉀（KH2PO4）營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行櫻桃番茄基質(zhì)栽培試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性，并得出了營(yíng)養(yǎng)液最佳濃度。在此基礎(chǔ)上，周繼華等[36]和毛思帥等進(jìn)行了負(fù)壓灌溉系統(tǒng)實(shí)施營(yíng)養(yǎng)液供給的番茄生產(chǎn)及耗水試驗(yàn)，并取得了相應(yīng)的研究成果。劉勝堯等[37]用咸水作為灌溉水，研究負(fù)壓灌溉對(duì)番茄生長(zhǎng)和土壤鹽分的影響，結(jié)果表明適量咸水灌溉對(duì)株體發(fā)育具有“控上促下”調(diào)節(jié)效應(yīng)，有利于降低耗水量、提高番茄產(chǎn)量與水分利用效率。姜紅娜等[38]結(jié)合前人研究將水肥一體的灌溉理念用于負(fù)壓灌溉，研究了3種負(fù)壓灌溉施肥模式對(duì)日光溫室番茄生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，結(jié)果證明了負(fù)壓灌溉施肥模式對(duì)于日光溫室蔬菜生產(chǎn)是值得推廣的一項(xiàng)技術(shù)。肖海強(qiáng)等[39]用盆栽試驗(yàn)研究了負(fù)壓灌溉對(duì)烤煙生長(zhǎng)及水肥利用率的影響；王相玲[40]選用油菜和奶白菜為試驗(yàn)作物，研究了負(fù)壓灌溉時(shí)土壤水分運(yùn)移規(guī)律及作物生長(zhǎng)的相關(guān)情況；李 霞等[41]研究了負(fù)壓灌溉條件下茄子的生長(zhǎng)狀況及生理特性，研究結(jié)果均表明，負(fù)壓灌溉可使土壤含水率始終保持在適宜植物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，能達(dá)到增產(chǎn)節(jié)水的目的。

因此，負(fù)壓灌溉應(yīng)用于農(nóng)業(yè)從效果上講是可行的，相對(duì)于現(xiàn)有的其他灌溉方式，其對(duì)比如表1所示。

4 展望

負(fù)壓灌溉雖然具有節(jié)水效果好、水資源利用率高、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、能使土壤始終保持適宜植物生長(zhǎng)的含水率等優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)尚存在以下幾方面問題，今后研究應(yīng)該以此為重點(diǎn)。

（1）裝置造價(jià)比較高，在灌水器的取材上應(yīng)該開發(fā)廉價(jià)材料。主要原因是要求負(fù)壓灌溉的灌水器透水不透氣，從而對(duì)材料提出了較嚴(yán)苛的要求，使得在實(shí)踐應(yīng)用中負(fù)壓灌溉系統(tǒng)建設(shè)成本較高，但是目前對(duì)灌水器材料的改進(jìn)研究相對(duì)較少，在廉價(jià)且易生產(chǎn)的新灌水器誕生以前，負(fù)壓灌溉難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

（2）系統(tǒng)運(yùn)行滲水與作物生長(zhǎng)對(duì)土壤密實(shí)度的需求之間存在著矛盾，應(yīng)該加強(qiáng)灌水器在田間布局的研究。負(fù)壓灌溉系統(tǒng)要求土壤與灌水器緊密結(jié)合才能取得較比好的滲水效果，實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)要求土壤相對(duì)密實(shí)，但是作物的生長(zhǎng)卻需要土壤具有一定的孔隙率，由此可見二者在一定范圍內(nèi)存在沖突。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)效性與耐久性有待進(jìn)一步的深入研究。當(dāng)前所有的研究從試驗(yàn)方法上看大致可以分為3類，即室內(nèi)試驗(yàn)、盆栽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容大多不包括作物的影響，然而后兩者研究時(shí)都選取的是生長(zhǎng)周期短的作物，缺乏對(duì)負(fù)壓灌溉系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)的研究。而負(fù)壓灌溉技術(shù)要想得到應(yīng)用推廣，其耐久性必然是重要的參數(shù)之一。

（4）結(jié)合無壓灌溉設(shè)計(jì)一種復(fù)合式灌溉系統(tǒng)。無壓灌溉作為負(fù)壓灌溉的一種特例，其灌溉效果與負(fù)壓灌溉接近，但對(duì)灌水器和系統(tǒng)的密閉性沒有很高的要求，造價(jià)低，目前也有學(xué)者對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證[42-43]，并對(duì)其水分運(yùn)移情況做了研究[44-48]，結(jié)果證明是可行的。我國(guó)農(nóng)業(yè)基地多為平原地區(qū)，無壓灌溉具有適用的條件，當(dāng)局部無法滿足時(shí)再采用負(fù)壓灌溉裝置。

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