負(fù)壓灌溉重液式負(fù)壓閥設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

龍懷玉，張懷志，岳現(xiàn)錄，張認(rèn)連

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

0 引 言

負(fù)壓灌溉（negative pressure irrigation，NPI）是近十多年來(lái)在中國(guó)比較受關(guān)注的一種灌溉技術(shù)。它通過(guò)土壤水分吸力和植物蒸騰耗水實(shí)現(xiàn)了植物對(duì)水分的精準(zhǔn)、連續(xù)和自動(dòng)獲取，能可靠地根據(jù)作物自身需水要求進(jìn)行土壤水分補(bǔ)充，極大地提高了灌溉效率和水分生產(chǎn)率[1]。負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中負(fù)壓的形成與持續(xù)存在是負(fù)壓灌溉的基礎(chǔ)。盡管負(fù)壓灌溉系統(tǒng)有多種形式，但在整個(gè)系統(tǒng)中一定有一個(gè)維持系統(tǒng)負(fù)壓的裝置，從文獻(xiàn)來(lái)看，現(xiàn)有的負(fù)壓維持方法與裝置大體上有5種。1）懸掛水柱法，即將水源置于一個(gè)比灌水器低的位置，兩者的高度差即為所需要的負(fù)壓，不存在獨(dú)立的負(fù)壓維持器，由灌水器和儲(chǔ)水器構(gòu)成一個(gè)虛擬的負(fù)壓發(fā)生器。在早期的負(fù)壓灌溉研究以及在實(shí)驗(yàn)室土柱模擬研究中，基本上都是采用懸掛水柱法[2-10]，該法的最大優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)也是顯著的，因?yàn)橐獙⑺粗糜诠嗨鞯南路?，在?shí)際生產(chǎn)中需要將灌溉水儲(chǔ)藏到生長(zhǎng)作物的地面以下，很不方便。更為不利的是，在負(fù)壓狀態(tài)下，溶解在水中的空氣會(huì)溢出，積累到一定量了，會(huì)形成氣泡滯留在輸水管的上部，阻斷連續(xù)的水流，致使灌水停止。2）負(fù)壓泵持續(xù)抽氣法，Lipiec等[11]、Iwama等[12]為了排除空氣溢出、導(dǎo)致負(fù)壓灌溉水流中斷的情況，采用負(fù)壓泵持續(xù)抽氣、并保持灌溉水循環(huán)的方法維持負(fù)壓，這種方法需要額外的動(dòng)力，而且負(fù)壓值容易受循環(huán)泵的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中是難以運(yùn)用的，很少看到采用這種方法的研究文獻(xiàn)，僅看到Moniruzzaman等[13-14]運(yùn)用這種方法研究了負(fù)壓灌溉下的土壤水分平衡，建立了不同負(fù)壓下土壤水分儲(chǔ)量、蒸發(fā)量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?）水柱調(diào)壓法，耿偉等[15-16]設(shè)計(jì)了水柱調(diào)壓法，并被許高平等[17]、冀榮華等[18]所采用。4）爬升水柱調(diào)壓法，鄒朝望等[19]、李邵等[20]設(shè)計(jì)了“爬升水柱負(fù)壓控制裝置”，這種方法不同于水柱法的地方在于，水柱不僅用來(lái)控壓，而且也用來(lái)供水，這種方法被不少研究者所采用[21-24]。水柱法、爬升水柱法簡(jiǎn)單可靠，但是體積龐大，不利于在田間實(shí)際使用。5）電磁閥開(kāi)關(guān)法，劉學(xué)勇等[25]利用數(shù)字壓力開(kāi)關(guān)與電磁閥的組合來(lái)控制負(fù)壓，此后不少研究者[26-30]也采用了電磁開(kāi)關(guān)法，該法的優(yōu)點(diǎn)是精準(zhǔn)度高、能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、體積小、質(zhì)量輕，但是需要電源，需要價(jià)格昂貴的數(shù)字壓力開(kāi)關(guān)和電池閥，而且特別容易發(fā)生故障，特別是在雷雨天氣下。

從以上闡述中，可以看出：目前負(fù)壓灌溉的負(fù)壓維持器，各有優(yōu)點(diǎn)，也均有比較明顯的缺點(diǎn)。懸掛水柱法需要將水源置于灌水器的下方，而且容易被從灌溉水中溢出的空氣阻斷灌溉水流。負(fù)壓泵循環(huán)法需要額外的動(dòng)力，而且負(fù)壓值容易受循環(huán)泵的影響。水柱調(diào)壓法、爬升水柱法的設(shè)備體積龐大。電磁閥法需要電源和價(jià)格昂貴的數(shù)字壓力開(kāi)關(guān)和電池閥，并且容易出故障。為了促進(jìn)負(fù)壓灌溉技術(shù)實(shí)用化，使其能夠得到大面積使用，就必須要克服現(xiàn)有負(fù)壓維持方法存在的以上缺點(diǎn)，研制出操作簡(jiǎn)單、精確度可靠、成本低、體積小巧的負(fù)壓維持器。因此，本文在分析負(fù)壓灌溉的負(fù)壓過(guò)程的基礎(chǔ)上，介紹了課題組近年來(lái)研制的重液式負(fù)壓閥，該負(fù)壓閥在科研和實(shí)際中運(yùn)用了近4 a，能克服現(xiàn)有方法缺點(diǎn)、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)能耗、易于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 重液式負(fù)壓閥的設(shè)計(jì)

1.1 科學(xué)依據(jù)

在負(fù)壓灌溉中，灌溉水變成土壤水的基本過(guò)程是：生長(zhǎng)在水分不飽和的土壤中的作物蒸散耗水導(dǎo)致土壤含水量減少、土壤水勢(shì)降低，使得土壤水分吸力大于滲水器內(nèi)的負(fù)壓吸力，負(fù)壓灌水器中的灌溉水被土壤吸引到土壤中而變成土壤水，由于水分流向了土壤，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中空氣的體積變大、氣壓變小，使得負(fù)壓灌溉系統(tǒng)內(nèi)部的總壓強(qiáng)小于外界大氣壓，這就是所謂的負(fù)壓。隨著土壤水吸收水分過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，這個(gè)負(fù)壓值越來(lái)越大，直到達(dá)到所設(shè)置的負(fù)壓值，負(fù)壓維持器開(kāi)始發(fā)生作用，讓外界空氣或者灌溉水進(jìn)入負(fù)壓灌溉系統(tǒng)，阻止了負(fù)壓值進(jìn)一步擴(kuò)大?？梢?jiàn)，負(fù)壓灌溉中的所謂負(fù)壓是由于土壤吸水而產(chǎn)生的，土壤吸水過(guò)程是個(gè)逐漸過(guò)程，因此負(fù)壓形成與變大也是逐漸過(guò)程。而且只要土壤蒸發(fā)、作物蒸騰作用存在，這個(gè)負(fù)壓發(fā)生過(guò)程就會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去。總之，負(fù)壓灌溉中的負(fù)壓是由于土壤吸水而產(chǎn)生的，是緩慢的持續(xù)的單向過(guò)程。因此所謂的負(fù)壓維持器，其實(shí)是負(fù)壓限制器，其作用是限制負(fù)壓不進(jìn)一步擴(kuò)大，使得系統(tǒng)的負(fù)壓度小于或等于某個(gè)值，在負(fù)壓灌溉系統(tǒng)運(yùn)行的大部分時(shí)間里，負(fù)壓維持器處于非運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或是緩慢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此理論上可以用液體的靜壓力來(lái)維持負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中的負(fù)壓，根據(jù)基礎(chǔ)物理學(xué)可知，任何液體都有靜壓力，文獻(xiàn)中所采用的懸掛水柱法、水柱調(diào)壓法、爬升水柱調(diào)壓法，其實(shí)就利用水的靜壓力來(lái)維持負(fù)壓的。液體靜壓力可以通過(guò)其高度和密度準(zhǔn)確計(jì)算，比如1 mm水銀柱的靜壓力是0.133 kPa，水銀柱的高度用肉眼觀測(cè)均能準(zhǔn)確到毫米，同時(shí)在負(fù)壓灌溉中很少將壓力值設(shè)置到-30 kPa以下，30 kPa約合水銀柱22.5 cm。對(duì)于給定的靜壓力，液體密度越大，所需要液體高度就越小。顯然，如果利用密度最大的重液—水銀的靜壓力來(lái)為負(fù)壓灌溉系統(tǒng)維持負(fù)壓，設(shè)計(jì)出來(lái)的負(fù)壓維持裝置就有可能實(shí)現(xiàn)體積小、精度高、操作簡(jiǎn)單的目標(biāo)。

1.2 基本構(gòu)造

如圖 1所示，重液式負(fù)壓閥（heavy liquid－type negative pressure valve, HLNPV）的主體由一個(gè)U型玻璃管、一個(gè)S型玻璃管、一個(gè)空心玻璃球以及水銀所構(gòu)成。其中：玻璃球的上部是空腔，稱(chēng)為負(fù)壓室，下部是水銀，可在水銀上部擱置一層揮發(fā)性極弱的、用以防止水銀揮發(fā)的保護(hù)液（在本文試驗(yàn)中選用的是石蠟油或者水）；U型玻璃管的A端是連通大氣的進(jìn)氣口（圖1中A端倒扣著的塑料試管以及與之相連的橡皮塞、毛細(xì)管構(gòu)成了一個(gè)進(jìn)氣限速裝置，詳見(jiàn)1.4），B端連接儲(chǔ)水器，是將重液式負(fù)壓閥所維持的負(fù)壓傳遞到灌溉水的通道。U型玻璃管底部與玻璃球內(nèi)水銀液面之間的高度為 H，U型管 B邊也可以稱(chēng)之為回流管；S型玻璃管，即控壓管，其最上端與最下端之間的高度為h，在任何情況下h要小于H。

圖1 重液式負(fù)壓閥的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of heavy liquid-type negative pressure valve

1.3 工作機(jī)制

負(fù)壓室所能得到的最大負(fù)壓是控壓管內(nèi)水銀所能形成的最大靜壓力ρgh，ρ是水銀的密度，g是重力加速度。其工作過(guò)程大致如下：1）在負(fù)壓灌溉剛開(kāi)始的時(shí)候，負(fù)壓室內(nèi)的氣壓與外界大氣壓相等，U形管 A、B邊和 S形管內(nèi)的水銀液面處于相同的高度；2）隨著灌溉的進(jìn)行，由于土壤的吸水，負(fù)壓室內(nèi)的部分空氣經(jīng) B口流出而進(jìn)入儲(chǔ)水器，氣壓下降，U形管A邊水銀液面下降，U形管B邊水銀液面（一般也就是玻璃球內(nèi)的水銀液面）和控壓管的水銀液面上升；3）隨著步驟2）過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)U形管A邊液面下降至分岔點(diǎn)C時(shí)，控壓管中水銀和U形管中水銀獨(dú)立開(kāi)來(lái)，因?yàn)镠永遠(yuǎn)大于h，所以控壓管中水銀柱所能形成的最大壓力ρgh永遠(yuǎn)小于回流管所能形成的最大壓力ρgH；4）隨著步驟 3）繼續(xù)進(jìn)行，負(fù)壓室中的負(fù)壓繼續(xù)減少，當(dāng)其氣壓與外界大氣壓之差的絕對(duì)值＞ρgh時(shí)，控壓管中的水銀快速流進(jìn)玻璃球，控壓管變成空氣通道，外界空氣進(jìn)入負(fù)壓室，使得負(fù)壓室氣壓升高；5）負(fù)壓室的氣壓升高，使得水銀經(jīng)過(guò)回流管回流，U形管A邊液面升高，當(dāng)升高至C點(diǎn)，水銀再次進(jìn)入控壓管，阻止空氣繼續(xù)進(jìn)入負(fù)壓室。以上 2）～5）步驟循環(huán)進(jìn)行，使得負(fù)壓室內(nèi)的負(fù)壓度維持在ρgh左右。

1.4 進(jìn)氣速率限制器的設(shè)計(jì)

在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如圖1所示的HLNPV在A端沒(méi)有倒扣塑料試管的情況下實(shí)現(xiàn)不了控壓，因?yàn)橐坏┛貕汗茏兂煽諝馔ǖ?，氣壓差的?qū)動(dòng)力非常強(qiáng)，如果水銀從回流管回到分岔點(diǎn)C的速度不夠快、進(jìn)入控壓管中的水銀量不夠多，控壓管中的水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)就會(huì)總是小于氣壓差，水銀就會(huì)被強(qiáng)有力的空氣流攜帶著通過(guò)控壓管回到負(fù)壓室，結(jié)果水銀會(huì)在“回流管→控壓管→回流管”內(nèi)發(fā)生氣爆式的劇烈回流，直至負(fù)壓室的氣壓與外界氣壓（即大氣壓）相同，而且這個(gè)過(guò)程非常短暫，往往不超過(guò)10 S。其原因是水銀的回流速度相對(duì)慢、而A端的進(jìn)氣速率相對(duì)過(guò)快所致，水銀的回流速率是難以調(diào)控的，但是A端的進(jìn)氣速率是可以調(diào)控的。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果A管上端的進(jìn)氣速率受到一定程度的限制，氣爆現(xiàn)象明顯減弱，A端口的進(jìn)氣速率對(duì)控壓效果有著明顯影響。于是設(shè)計(jì)了對(duì)A端的進(jìn)氣速率進(jìn)行限制的裝置（如圖1中虛線框所示），即：將容積25 ml、內(nèi)徑25.5 mm的試管，用橡膠塞塞住，然后倒扣在A管上端（A管穿過(guò)橡膠塞），在橡膠塞上穿一根內(nèi)徑0.3 mm、外徑0.6 mm的聚四氟乙烯毛細(xì)管，空氣需要經(jīng)過(guò)這個(gè)毛細(xì)管進(jìn)入塑料試管，然后才進(jìn)入A端。

空氣流動(dòng)是靠壓力梯度驅(qū)使的，根據(jù)常識(shí)，在相同的管材、相同的管道內(nèi)徑下，壓力梯度越大空氣流速就越大，也就是毛細(xì)管的通氣速率隨著壓力差的增大而增大、隨著管長(zhǎng)的增大而減小。在目前所見(jiàn)負(fù)壓灌溉研究文獻(xiàn)中[2-6,10-30]，負(fù)壓值基本上在-2.0～-30.0 kPa之間。為了確定在這個(gè)負(fù)壓范圍內(nèi)的適宜毛細(xì)管長(zhǎng)度，運(yùn)用理論控壓為-30.0 kPa的HLNPV分別測(cè)試了5.0、10.0、25.0、50.0 cm毛細(xì)管長(zhǎng)度的控壓效果。其測(cè)試方法是：將HLNPV的B連接到一個(gè)2 500 ml的抽濾瓶，用抽濾瓶的真空度模擬負(fù)壓灌溉中土壤吸水產(chǎn)生負(fù)壓的情況。首先，將HLNPV與抽濾瓶之間的硅膠管用夾子夾住、阻斷其氣體通道，用抽氣機(jī)將抽濾瓶抽到-35 kPa的負(fù)壓度；接著，將抽濾瓶與抽氣機(jī)之間的硅膠管用夾子夾住、阻斷其氣體通道，松開(kāi)HLNPV與抽濾瓶之間的硅膠管，用高精度電子負(fù)壓計(jì)以秒為時(shí)間步長(zhǎng)自動(dòng)記錄抽氣瓶中的負(fù)壓度，以壓力值在30 s中沒(méi)有變化作為最終的穩(wěn)定負(fù)壓，也就是HLNPV所維持的穩(wěn)定負(fù)壓，同時(shí)目測(cè)HLNPV的運(yùn)動(dòng)情況。其結(jié)果如表1，從中可以看出，毛細(xì)管長(zhǎng)度對(duì)控壓的影響是明顯的，隨著毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加，從-35 kPa達(dá)到穩(wěn)定負(fù)壓的時(shí)間顯著變長(zhǎng)，從5 cm的115 s增加到50 cm的690 s。毛細(xì)管長(zhǎng)度似乎對(duì)實(shí)際穩(wěn)定壓力與理論壓力之間的相對(duì)誤差沒(méi)有明顯影響，其誤差均在可以接受的范圍內(nèi)，但是在10、25 cm時(shí)，相對(duì)誤差更小。根據(jù)這個(gè)測(cè)試結(jié)果，同時(shí)考慮節(jié)省材料、操作方便等，在實(shí)際使用中，一般選擇毛細(xì)管長(zhǎng)度為5～15 cm。

表1 進(jìn)氣毛細(xì)管長(zhǎng)度對(duì)30 kPa重液式負(fù)壓閥精度的影響Table 1 Effect of length air entering capillary of on the pressure of 30 kPa heavy liquid-type negative pressure valve

2 負(fù)壓維持試驗(yàn)

為了考察HLNPV的壓力控制精度，從2017年制作的用于田間示范的200支HLNPV中隨機(jī)抽取了一批樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，包括理論設(shè)計(jì)控壓為-10、-20、-30 kPa的HLNPV各5個(gè)，從表2中可以看出，除-10 kPa重液式負(fù)壓閥的 5號(hào)樣品的相對(duì)誤差比較大外，其他樣品的相對(duì)誤差均沒(méi)有超過(guò)5%，是可以接受的。推測(cè)這些誤差主要來(lái)自于控壓管的制作過(guò)程，控壓高度1 mm的誤差將帶來(lái)0.13 kPa的壓力誤差，控壓管在上下兩端均有彎曲部分，目前采用手工制作，很難將控壓管的高度制作的非常精確。

表2 3種設(shè)計(jì)負(fù)壓重液式負(fù)壓閥的抽樣檢測(cè)Table 2 Sampling inspection on heavy liquid－type negative pressure valves with 3 designed negative pressure

3 田間使用情況調(diào)查

2014、2015、2016年以及2017年上半年在山東濟(jì)南、湖南長(zhǎng)沙、北京、黑龍江大慶、云南玉溪等地實(shí)際采用HLNPV研究了負(fù)壓灌溉對(duì)玉米、辣椒、黃瓜、油菜、甜菜、棉花、菠菜、萵苣、小白菜、甘藍(lán)、花生、西瓜、烤煙等作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量質(zhì)量的影響，及其最佳土壤水分條件的篩選（相關(guān)研究數(shù)據(jù)另文發(fā)表）。從試驗(yàn)中HLNPV運(yùn)行的結(jié)果來(lái)看，大致可以分成3種類(lèi)型（如圖2）：1）在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中具有很好的負(fù)壓維持能力，沒(méi)有氧化變黑現(xiàn)象，覆蓋液也沒(méi)有明顯減少（圖 2a）；2）當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到一定時(shí)期后產(chǎn)生了水銀氧化變黑現(xiàn)象，但能夠?qū)⒇?fù)壓維持在設(shè)置值到試驗(yàn)結(jié)束（圖 2b）；3）當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到一定時(shí)期后產(chǎn)生了較多的黑色水銀氧化沉淀物，堵塞管道而導(dǎo)致負(fù)壓維持能力喪失（圖2c）。從表3展示的部分作物使用結(jié)果來(lái)看，大多數(shù)HLNPV的效果是比較好的，而且以水作為覆蓋液的效果似乎要好于以石蠟油作為覆蓋液。在以水作覆蓋液的5次不同作物試驗(yàn)、55個(gè)壓力不同的HLNPV中，即使長(zhǎng)達(dá)4個(gè)多月的烤煙試驗(yàn)中，HLNPV都能平穩(wěn)運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)生水銀氧化現(xiàn)象，覆蓋液也沒(méi)有明顯減少，說(shuō)明以水作為覆蓋液時(shí)能夠長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。

表3 HLNPV在部分作物負(fù)壓灌溉上的使用情況調(diào)查T(mén)able 3 Application of HLNPV on some crops under (negative pressure irrigation)

以石蠟油作為覆蓋液的 HLNPV的使用效果要略差子以水作為覆蓋液的HLNPV，在9次不同作物試驗(yàn)中，有3次試驗(yàn)的部分HLNPV的水銀發(fā)生氧化變黑，甚至黑色沉淀堵塞玻璃管而使其喪失負(fù)壓維持能力。但是水銀變黑、HLNPV負(fù)壓維持能力喪失的時(shí)間不盡相同，而且可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生氧化的是壓力比較高的-5 kPa和-10 kPa的HLNPV。2014年在北京進(jìn)行的黃瓜試驗(yàn)，-5 kPa的HLNPV在25-30天水銀變黑、45～50 d黑色沉淀堵死玻璃管，-10 kPa的HLNPV在45～50 d水銀變黑，但直到試驗(yàn)結(jié)束，都還有負(fù)壓控制能力。2015年在北京進(jìn)行的玉米試驗(yàn)，-5、-10 kPa的HLNPV都在50～55 d水銀變黑，-5 kPa的HLNPV在60-65天黑色沉淀堵死玻璃管，-10 kPa的 HLNPV能夠保持負(fù)壓維持能力直到試驗(yàn)結(jié)束。而2016年在濟(jì)南進(jìn)行的棉花試驗(yàn)，直到試驗(yàn)進(jìn)行了90天左右，才有-5 kPa的水銀開(kāi)始變黑，而且能夠保持維持負(fù)壓維持能力直到試驗(yàn)結(jié)束。水銀理論上是一種性能穩(wěn)定的金屬，在常溫下是不會(huì)與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)的，HLNPV中水銀發(fā)生的氧化變黑現(xiàn)象，可能是水銀與石蠟油發(fā)生了氧化反應(yīng)，也可能是由于有些試驗(yàn)中沒(méi)有對(duì)HLNPV進(jìn)行充分遮光，使其遭受陽(yáng)光照射而產(chǎn)生了表面高溫的同時(shí)接觸了較多空氣所致。即便如此，以石蠟油為覆蓋液的LVPV仍然是可以實(shí)際使用的，在表3所展示的 9次不同作物試驗(yàn)的、129個(gè)石蠟油為覆蓋液的LVPV中，只有20個(gè)、約為15.5%的HLNPV發(fā)生了水銀氧化現(xiàn)象，最終只有8個(gè)、約為6.2%的HLNPV因?yàn)樗y氧化而喪失了維持負(fù)壓能力。

圖2 田間試驗(yàn)結(jié)束后重液式負(fù)壓閥的狀況Fig.2 Photographs of HLNPV when field experiments were over

4 討 論

4.1 重液式負(fù)壓閥與其他負(fù)壓維持方法的比較

本文設(shè)計(jì)的重液式負(fù)壓閥（HLNPV）是比較新穎的，不論是設(shè)計(jì)思路，還是具體產(chǎn)品，很難查到類(lèi)似的文獻(xiàn)，雖然從能夠維持穩(wěn)定負(fù)壓的廣義上來(lái)看，文獻(xiàn)中的水柱調(diào)壓法[19-24]也是一種重液式負(fù)壓閥，但是和本文設(shè)計(jì)的HLNPV有著本質(zhì)的區(qū)別。在水柱調(diào)壓法中維持負(fù)壓的水柱是靜止不動(dòng)的，空氣進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)需穿過(guò)水體本身，和水存在一個(gè)先混合、再分離的過(guò)程，而HLNPV是通過(guò)水銀循環(huán)的方式，為空氣直接提供了可以開(kāi)關(guān)的通道，空氣進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)不需穿過(guò)水銀本身，空氣與重液的接觸面、接觸時(shí)間都要小的多。

從限制負(fù)壓不低于某個(gè)值的角度看，在工業(yè)上廣泛使用的負(fù)壓閥、真空閥等之類(lèi)的機(jī)械器件似乎可以用來(lái)維持負(fù)壓灌溉中的負(fù)壓，然而工業(yè)上的負(fù)壓閥或真空閥的根本作用是破壞管道中的負(fù)壓，由膜瓣、彈性元件等固體機(jī)械元件組成，其真空破壞作用是靠氣壓差驅(qū)動(dòng)下的彈性元件控制膜瓣的開(kāi)關(guān)而實(shí)現(xiàn)，精度一般只能達(dá)到0.01 MPa（也就是10 kPa），而在絕大多數(shù)負(fù)壓灌溉的文獻(xiàn)中均將負(fù)壓值準(zhǔn)確設(shè)置到kPa，即運(yùn)用于負(fù)壓灌溉的負(fù)壓閥的精度需要達(dá)到0.1 kPa。筆者咨詢(xún)了數(shù)十家負(fù)壓閥或真空閥廠家，沒(méi)有一家能生產(chǎn)出精度小于1 kPa的負(fù)壓閥。另外，目前市場(chǎng)上的機(jī)械負(fù)壓閥沒(méi)有穩(wěn)定負(fù)壓的作用。2013年筆者委托江西省航博科技開(kāi)發(fā)有限公司制作了一批-0.01～-0.08 MPa的機(jī)械真空限壓閥，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果表明這些真空限壓閥的開(kāi)啟閾值很寬（一般為標(biāo)示值±0.01 MPa，比如標(biāo)示值為-0.02 MPa的真空限壓閥開(kāi)啟的實(shí)際值是-0.01～-0.03 MPa），而且一旦真空閥開(kāi)啟了，就會(huì)一直保持開(kāi)啟，直到真空度上升到0.00 MPa為止，不具備穩(wěn)定負(fù)壓的作用。因此，目前的機(jī)械式負(fù)壓閥是不能被運(yùn)用到負(fù)壓灌溉的。

表4 不同負(fù)壓維持方法的簡(jiǎn)要對(duì)比Table 4 Simple comparison about different methods maintaining negative pressure

從表 4中可以發(fā)現(xiàn)，雖然懸掛水柱法、負(fù)壓泵循環(huán)法、水柱調(diào)壓法、爬升水柱法、電磁閥法均比HLNPV具有更好的精度（分辨率），但HLNPV精度（分辨率）也已經(jīng)達(dá)到了0.13 kPa，在負(fù)壓灌溉文獻(xiàn)中負(fù)壓值一般只是設(shè)置到kPa，因此比0.1 kPa再高的精度沒(méi)有實(shí)際意義。從外形尺度、質(zhì)量看，HLNPV的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于懸掛水柱法、負(fù)壓泵循環(huán)法、水柱調(diào)壓法、爬升水柱法，大約只有它們的9.6%～17.2%，體積、質(zhì)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水柱調(diào)壓法、爬升水柱法。盡管電磁閥法的高度要小于HLNPV，但其體積、質(zhì)量要明顯大于HLNPV。此外，HLNPV沒(méi)有能耗，顯著優(yōu)于電磁閥法、負(fù)壓泵循環(huán)法。在穩(wěn)定性方面，HLNPV顯著優(yōu)于電磁閥法、負(fù)壓泵循環(huán)法、懸掛水柱法。

4.2 重液式負(fù)壓閥性能的可能改進(jìn)

4年的實(shí)際使用表明，HLNPV有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著不足，有必要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，在進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)該著重考慮以下3個(gè)方面：

1）減少玻璃管內(nèi)徑，減少水銀消耗量和整體質(zhì)量。在目前少批量手工生產(chǎn)條件下，玻璃儀器工廠選擇的玻璃管內(nèi)徑最小為 3mm，-5～-30 kPa的理論控壓至少需要水銀16～52 g，如果將玻璃管直徑降低到1 mm，水銀用量將下降到2～6 g。

2）需篩選高效的覆蓋液。當(dāng)覆蓋液為石蠟油時(shí)，在連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行大約20多天～3個(gè)月后，在部分 HLNPV中發(fā)生了水銀氧化反應(yīng)，形成大量黑色沉淀，堵塞了管道，致使系統(tǒng)喪失功能。壓力越高，這種情況也就越嚴(yán)重。如果用水作為覆蓋液，雖然不會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象，但理論上水有一定的揮發(fā)性，如果作物生長(zhǎng)期比較長(zhǎng)，可能需要多次添加作為覆蓋液的水，增加勞動(dòng)。因此，需要需找一種揮發(fā)性極小，不與空氣、水銀發(fā)生反應(yīng)的覆蓋液。

3）目前的HLNPV不能動(dòng)態(tài)設(shè)置系統(tǒng)負(fù)壓值。HLNPV的控壓管是硬性的，其控壓值是固定的，如果需要在作物的不同生長(zhǎng)階段設(shè)置不同的負(fù)壓值，就必須更換HLNPV，有些不方便。如果將控壓管設(shè)置成柔性的、其高度可調(diào)，必然大大地提高方便性，有利于動(dòng)態(tài)設(shè)置系統(tǒng)負(fù)壓值。

5 結(jié) 論

本文利用彼此相連的U型玻璃管、S型玻璃管、空心玻璃球以及能在這三者之間進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)的水銀，為負(fù)壓灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了重液式負(fù)壓閥（HLNPV），利用水銀的靜壓力維持負(fù)壓，利用石蠟油或水覆蓋在水銀液面上防止其揮發(fā)。在試驗(yàn)室中對(duì)HLNPV的控壓精度進(jìn)行了檢測(cè)，在田間對(duì)HLNPV控壓效果進(jìn)行了觀察，對(duì)比分析了 HLNPV與負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中現(xiàn)有負(fù)壓維持器的性能指標(biāo)，取得了以下結(jié)論：

1）HLNPV具有較高的壓力分辨率和負(fù)壓維持準(zhǔn)確度，其分辨率為0.1 kPa，在-30 kPa以?xún)?nèi)的負(fù)壓下維持負(fù)壓的相對(duì)誤差小于5%。

2）大部分HLNPV在實(shí)際田間條件下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。在以水作覆蓋液的5種作物上的55個(gè)HLNPV，在2～4個(gè)月的試驗(yàn)期間內(nèi)均能平穩(wěn)運(yùn)行。在以石蠟油作為覆蓋液9種作物上的129個(gè)LVPV，在2～3個(gè)月的試驗(yàn)期間內(nèi)，有15.5%的發(fā)生了水銀氧化變黑現(xiàn)象，其中只有 6.2%的因?yàn)楹谏趸恋砦锒氯艿蓝绊懥素?fù)壓維持功能。

3）HLNPV相對(duì)于現(xiàn)有負(fù)壓維持方法具有顯著的比較優(yōu)勢(shì)。在-5.0～-20.0 kPa下，其高度只有懸掛水柱法、負(fù)壓泵循環(huán)法、水柱調(diào)壓法、爬升水柱法的9.6～17.2%，體積、質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水柱調(diào)壓法、爬升水柱、電磁閥，不像負(fù)壓循環(huán)泵、電磁閥那樣需要電能，也不像懸掛水柱那樣只能在短時(shí)間下運(yùn)行。

總體上，HLNPV能夠比較準(zhǔn)確地長(zhǎng)時(shí)間維持系統(tǒng)的負(fù)壓，動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)壓，高度短、體積小、質(zhì)量輕、安裝調(diào)試簡(jiǎn)便，可以替代現(xiàn)有的負(fù)壓維持方法。

致謝：

感謝山東農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所譚德水研究員、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)黃運(yùn)湘教授、黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)王鵬教授、云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬二登博士提供了重液式負(fù)壓閥部分作物田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[1] 丁亞會(huì)，張認(rèn)連，龍懷玉. 負(fù)壓灌溉技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2015，34. (增刊)：81－85.Ding Yahui, Zhang Renlian, Long Huaiyu. Research progress and prosepect of negative pressure irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(Supp): 81－85. (in Chinese with English abstract)

[2] 雷廷武，江培福，Vincent F. Bralts，等. 負(fù)壓自動(dòng)補(bǔ)給灌溉原理及可行性試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2005，36(3)：1－7.Lei Tingwu, Jiang Peifu, Vincent F. Bralts, et al. Principle of negative pressure difference irrigation system and feasibility experimental study[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2005, 36(3): 1－7. (in Chinese with English abstract)

[3] 江培福，雷廷武，V incent F Bralts，等. 土壤質(zhì)地和灌水器材料對(duì)負(fù)壓灌溉出水流量及土壤水運(yùn)移的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(4)：19－22.Jiang Peifu, Lei Tingwu, Vincent F Bralts, et al. Effects of soil textures and emit ter material on the soil water movement and efficiency of negatively pressurized irrigation system [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2006, 22(4): 19－22. (in Chinese with English abstract)

[4] Nalliah V, Ranjan R S, Kahimba F C. Evaluation of a plantcontrolled subsurface drip irrigation system[J]. Biosystems Engineering, 2009, 102(3): 313–320.

[5] 梁錦陶，孫西歡，肖娟. 土壤質(zhì)地和供水水頭對(duì)負(fù)壓灌溉土壤水分運(yùn)移的影響研究[J]. 節(jié)水灌溉，2011，6：31－34.Liang Jingtao, Sun Xihuan, Xiao Juan. Influence of soil texture and water supply head on soil water transportation under negative pressure irrigation[J]. Water Saving Irrigation,2011, 6: 31－34. (in Chinese with English abstract)

[6] 趙亞楠，肖娟，梁錦陶，等. 供水水頭和灌水器對(duì)負(fù)壓灌溉土壤水運(yùn)移的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2011，30(5)：71－74.Zhao Yanan, Xiao Juan, Liang Jintao, et al. Effects of hydraulic head and emitter on the soil water movement under negative pressure irrigation system[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2011, 30(5): 71－74. (in Chinese with English abstract)

[7] 叢萍，龍懷玉，岳現(xiàn)錄. PVFM滲水器規(guī)格對(duì)其負(fù)壓滲水性能的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2015a，34(9)：7－14.Cong Ping, Long Huaiyu, Yue Xianlu. Effect of PVFM seepage cup specifications on the seepage capacity under negative pressure[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015,34(9): 7－14. (in Chinese with English abstract)

[8] 叢萍，龍懷玉，岳現(xiàn)錄，等. 聚乙烯醇縮甲醛負(fù)壓滲水材料的制備及可行性分析[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2015，31(10)：133－139.Cong Ping, Long Huaiyu, Yue Xianlu, et al. Preparation of polyvinyl formal negative pressure seepage materials and feasibility assessment[J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2015, 31(10): 133－139. (in Chinese with English abstract)

[9] 叢萍，龍懷玉，張認(rèn)連. 助劑對(duì)聚乙烯醇縮甲醛機(jī)械性能及負(fù)壓滲水性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：112－118.Cong Ping, Long Huaiyu, Zhang Renlian. Effects of auxiliaries on mechanical properties and negative pressure water permeability of polyvinyl formal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 112－118. (in Chinese with English abstract)

[10] Wang Jiajia, Huang Yuanfang, Long Huaiyu. Water and salt movement in different soil textures under various negative irrigating pressures[J]. Journal of Integrative Agriculture,2016, 15(6): 1874－1882.

[11] Lipiec J, Kubota T, Iwama H, et al. Measurement of plant water use under controlled soil moisture conditions by the negative pressure water circulation technique[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2012, 34(3): 417－428.

[12] Iwama H, Kubota T, Ushiroda T, et al. Control of soil water potential using negative pressure water circulation technique[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1991, 37(1): 7－14.

[13] Moniruzzaman S M, Fukuhara T, Terasaki H. Experimental study on water balance in a negative pressure difference irrigation system[J]. Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. B1 (Hydraulic Engineering), 2012, 67(4): 103－108.

[14] Moniruzzaman S M, Fukuhara T, Ito M, Ishii Y. Seepage flow dynamics in a negative pressure difference irrigation system[J]. Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser.B1 (Hydraulic Engineering), 2011, 67(4): 97－102.

[15] 耿偉，王春艷，薛緒掌，等. 不同水分處理對(duì)豇豆光合生理特性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2006，25(5)：72－74.Geng Wei, Wang Chunyan, Xue Xuzhang, et al. Effect of different water treatments on photosynthetic physiological characteristics of cowpea[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2006, 25(5): 72－74. (in Chinese with English abstract)

[16] 耿偉，薛緒掌，王志敏. 不同供水吸力下豆角若干生理指標(biāo)的變化[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2006，22(5)：206－209.Geng Wei, Xue Xuzhang, Wang Zhimin. Changes of some physiological indices in common bean under water supply tension[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2006,22(5): 206－209. (in Chinese with English abstract)

[17] 許高平，王璞，薛緒掌，等. 負(fù)壓控水下不同株型玉米水分利用效率和產(chǎn)量的盆栽試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(15)：148－156.Xu Gaoping, Wang Pu, Xue Xuzhang, et al. Experiment on water use efficiency and yield of different plant type of potted maize under negative pressure water control[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(15): 148－156. (in Chinese with English abstract)

[18] 冀榮華，王婷婷，祁力鈞，等. 基于HYDRUS-2D 的負(fù)壓灌溉土壤水分入滲數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(4)：113－119.Ji Ronghua, Wang Tingting, Qi Lijun, et al. Numerical simulation of soil moisture infiltration under negative pressure irrigation based on HYDRUS-2D[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2015,46(4): 113－119. (in Chinese with English abstract)

[19] 鄒朝望，薛緒掌，張仁鐸，等. 負(fù)水頭灌溉原理與裝置[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(11)：17－22.Zou Chaowang, Xue Xuzhang, Zhang Renduo, et al.Principle and equipment of negative pressure irrigation[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2007, 23(11): 17－22. (in Chinese with English abstract)

[20] 李邵，薛緒掌，郭文善，等. 負(fù)水頭供水控水盆栽裝置及灌溉系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào). (農(nóng)業(yè)科學(xué)版. )，2008，26(5)：478－482.Li Shao, Xue Xuzhang, Guo Wenshan, et al. Study and application of negative pressure water supplying, controlling pot device and irrigation system[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University(Agricultural Science), 2008, 26(5): 478－482. (in Chinese with English abstract)

[21] 李邵，耿偉，薛緒掌，等. 日光溫室負(fù)壓自動(dòng)灌溉下番茄蒸騰規(guī)律研究[J]. 節(jié)水灌溉，2008，1：25－28，32.Li Shao, Geng Wei, Xue Xuzhang, et al. Research on transpiration of tomato under negative pressure automatic irrigation in greenhouse[J]. Water Saving Irrigation, 2008, 1:25－28, 32. (in Chinese with English abstract)

[22] 毛思帥，胡躍高，薛緒掌，等. 負(fù)水頭供不同營(yíng)養(yǎng)液對(duì)溫室櫻桃番茄生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響. 中國(guó)蔬菜，2012，(24)：73－79.Mao Sishuai, Hu Yuegao, Xue Xuzhang, et al. Effects of different nutrient solutions on growth and yield of cherry tomato under negative pressure water irrigation device in green house[J]. China Vegetables, 2012, (24): 73－79. (in Chinese with English abstract)

[23] 李霞，解迎革，王國(guó)棟，等。日光溫室內(nèi)負(fù)水頭灌溉條件下茄子生長(zhǎng)及生理特性的研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，44(5)：163－169.Li Xia, Xie Yingge, Wang Guodong, et al. Growth and physiological characteristics of eggplant under negative hydraulic head irrigation in greenhouse[J]. Journal of Northwest A&F University (Nat. Sci. Ed), 2016, 44(5): 163－169. (in Chinese with English abstract)

[24] Li Yinkun, Wang Lichun, Xue Xuzhang, et al. Comparison of drip fertigation and negative pressure fertigation on soil water dynamics and water use efficiency of greenhouse tomato grown in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2017, 184: 1–8

[25] 劉學(xué)勇，趙松義，龍懷玉，等. 煙田適宜土壤水勢(shì)指標(biāo)研究[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，25( 2)：5－9.Liu Xueyong, Zhao Songyi, Long Huaiyu, et al. Research on suitable soil water potential index of tobacco field[J]. Acta Agriculturae Jiangxi, 2013, 25(2): 5－9. (in Chinese with English abstract)

[26] 王相玲，武雪萍，肖海強(qiáng)，等. 負(fù)壓灌溉對(duì)土壤水分含量分布與利用的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2015，34(增刊)：64－68.Wand Xiangling, Wu Xueping, Xiao Haiqiang, et al. Effeects of negative pressure irrigation on soil moisture content, yield and quality of pakchoi[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2015, 34(Supp): 64－68. (in Chinese with English abstract)

[27] 肖海強(qiáng)，劉學(xué)勇，龍懷玉，等. 土壤水勢(shì)對(duì)烤煙生長(zhǎng)及其耗水特性的影響[J]. 中國(guó)煙草科學(xué)，2015，36(1)：35－41.Xiao Haiqiang, Liu Xueyong, Long Huaiyu, et al. The effects of soil water potential on the growth and water consumption of flue-cured tobacco[J]. Chinese Tobacco Science, 2015,36(1): 35－41. (in Chinese with English abstract)

[28] 肖海強(qiáng)，丁亞會(huì)，黃楚瑜，等. 負(fù)壓灌溉對(duì)烤煙生長(zhǎng)及水肥利用率的影響[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào). 2016，22(2)：52－60.Xiao Haiqiang, Ding Yahui, Huang Chuyu, et al. Effect of negative pressure irrigation on water fertilizer utilization and flue-cured tobacco growth[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016,22(2): 52－60. (in Chinese with English abstract)

[29] 趙秀娟，宋燕燕，岳現(xiàn)錄，等. 負(fù)壓灌溉下不同鉀水平對(duì)小油菜生長(zhǎng)影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50(4)：689－697.Zhao Xiujuan, Song Yanyan, Yue Xianlu, et al. Effect of different potassium levels on the growth of bok choy under negative pressure[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(4):689－697. (in Chinese with English abstract)

[30] 李生平，武雪萍，龍懷玉，等. 負(fù)壓水肥一體化灌溉對(duì)黃瓜產(chǎn)量和水、氮利用效率的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2017，23 (2)：416－426.Li Shengping, Wu Xueping, Long Huaiyu, et al. Water and nitrogen use efficiencies of cucumber under negatively pressurized fertigation[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2017, 23 (2): 416－426. (in Chinese with English abstract)