新型負(fù)壓滲灌技術(shù)對(duì)農(nóng)田土壤水分精準(zhǔn)控制應(yīng)用

趙 軍 孫明月 高 翔 趙成娟 崔四平 周寶元 郭 棟 馬 瑋

（1石家莊益康農(nóng)科技發(fā)展有限公司，050000，河北石家莊；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，100081，北京；3河北省農(nóng)林科學(xué)院，050051，河北石家莊；4河北一獸藥業(yè)有限公司，050000，河北石家莊；5東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，150030，黑龍江哈爾濱）

中國(guó)是歷史悠久的農(nóng)業(yè)大國(guó)，由于淡水資源稀缺，農(nóng)業(yè)用水量不斷加大，合理精準(zhǔn)控制農(nóng)田土壤水分的用量是現(xiàn)在亟需解決的問題。同時(shí)，隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水需求量的不斷上升，微灌技術(shù)在農(nóng)田生產(chǎn)中的普及，它在作物生產(chǎn)應(yīng)用中得到不斷提升。微灌技術(shù)包括滴灌、微噴灌及滲灌，由微灌演變的滴灌技術(shù)在糧食作物上得到了廣泛應(yīng)用，滴灌技術(shù)的范疇由棉花拓展到玉米、小麥、向日葵、馬鈴薯等作物領(lǐng)域[1-5]。龔時(shí)虹等[6]認(rèn)為滴灌屬于局部微灌技術(shù)，能將水輸送到植物的根系附近，達(dá)到水分的精確控制。Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)滴灌技術(shù)在馬鈴薯作物上能顯著提高土壤水的利用效率。徐盈盈[8]研究了滴灌技術(shù)在栽培中節(jié)水節(jié)肥等特點(diǎn)。麻瑋青等[9]研究了滴灌與施肥融為一體的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效等特點(diǎn)。總之，國(guó)內(nèi)外田間試驗(yàn)研究大量表明，滴灌對(duì)作物的水和氮的利用效率有顯著影響。近年來，在微灌技術(shù)上，一種新型負(fù)壓滲灌技術(shù)隨之在節(jié)水農(nóng)業(yè)研究上也在不斷變革與發(fā)展，它在農(nóng)田上更加便利準(zhǔn)確地控制土壤水分，也可以提高作物水分利用效率，以其土壤中直接供水和自動(dòng)與作物需水進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水等特點(diǎn)在節(jié)水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上引起高度重視，它的技術(shù)發(fā)展對(duì)構(gòu)建我國(guó)微灌節(jié)水技術(shù)的發(fā)揮起重要作用。綜上所述，滴灌技術(shù)雖然能控制水的用量以及提高水的利用效率，但是精準(zhǔn)控制農(nóng)田土壤水還需要進(jìn)一步的研究。為此，本課題開展負(fù)壓滲灌技術(shù)裝置的改進(jìn)以及對(duì)農(nóng)田土壤水的精準(zhǔn)控制效應(yīng)研究。在傳統(tǒng)灌溉的基礎(chǔ)上，更加準(zhǔn)確地改善裝置，根據(jù)不同作物的需水規(guī)律，研究不同裝置對(duì)農(nóng)田水的精準(zhǔn)控制效果，以期為節(jié)水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的灌溉制度的建立提供可借鑒的理論依據(jù)。

1 裝置調(diào)整與水分精準(zhǔn)調(diào)控

1.1 負(fù)壓滲灌裝置調(diào)整

1.1.1 輸水環(huán)形管直路化改良與控水 傳統(tǒng)的負(fù)壓滲灌系統(tǒng)多采用環(huán)形管輸水方式（圖1），密閉的負(fù)壓儲(chǔ)水器（1）上設(shè)置有加水口（2）、通氣口（3）和出水口（4）；出水口連接輸水豎管（6）和輸水橫管（7）；在輸水管上連接著滲水器（8），滲水器由陶土燒制而成，被水浸潤(rùn)后具有透水不透氣的特性；輸水管的末端與通氣豎管（9）及通氣橫管（12）連接，形成一個(gè)環(huán)形封閉連通器；在通氣豎管的下端不同高度開有若干進(jìn)氣口（11），其中一個(gè)與進(jìn)氣管（10）連接，其他進(jìn)氣口封閉；進(jìn)氣管上端是開口的，將進(jìn)氣管連接在不同高度的進(jìn)氣口上就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤含水量的控制。在此基礎(chǔ)上，將環(huán)形管改良為直路管，去除輸水的回路，在輸水管的末端加上放氣閥，可有效使空氣自動(dòng)放出，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、提高放氣效率的效果。同時(shí)要確定水口間距、出水口的流量以及灌水器鋪設(shè)間距，以達(dá)到農(nóng)田作物精準(zhǔn)控制水分的要求。

圖1 環(huán)形管輸水結(jié)構(gòu)Fig.1 Annular pipe water transport structure

1.1.2 直路負(fù)壓灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與精準(zhǔn)控水 直路負(fù)壓灌溉系統(tǒng)主要包括控制計(jì)量水箱（1）、減壓器（2）、輸水管（3）、滲水器（4）、放氣閥（5）（圖2），各個(gè)部分配合實(shí)現(xiàn)水分的精準(zhǔn)控制。

圖2 直路管輸水結(jié)構(gòu)Fig.2 Straight pipeline water delivery structure

1.1.3 控制計(jì)量水箱結(jié)構(gòu)與水分控制 控制計(jì)量水箱是根據(jù)土壤負(fù)壓變化及時(shí)有效精準(zhǔn)補(bǔ)水的裝置，水通過進(jìn)水口（4）、計(jì)量器（5）進(jìn)入水箱（1），計(jì)量器記錄進(jìn)入水箱的水量（圖3）。當(dāng)水箱的水位達(dá)到設(shè)定高度，浮球開關(guān)（2）關(guān)閉，停止供水；當(dāng)水箱的水位低于設(shè)定高度，浮球開關(guān)打開，開始供水。出水口與調(diào)壓管連接對(duì)系統(tǒng)供水?？刂朴?jì)量水箱各結(jié)構(gòu)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)負(fù)壓灌水系統(tǒng)的連續(xù)供水、全生長(zhǎng)期供水量的監(jiān)測(cè)和記錄，同時(shí)保證供水的壓力平穩(wěn)，便于系統(tǒng)的負(fù)壓調(diào)制。

圖3 控制計(jì)量水箱Fig.3 Controlling metering tank

1.1.4 氣柱式調(diào)壓器及其精準(zhǔn)控水 負(fù)壓滲灌的關(guān)鍵技術(shù)是負(fù)壓的產(chǎn)生，利用氣柱式調(diào)壓器達(dá)到控制滲灌系統(tǒng)的負(fù)壓產(chǎn)生和控制，并且可連續(xù)調(diào)節(jié)負(fù)壓。我們研制的減壓器為管式氣柱調(diào)壓器，圖4為調(diào)壓器結(jié)構(gòu)和調(diào)壓原理示意圖。

圖4 調(diào)壓器Fig.4 Voltage regulator

調(diào)壓器上端設(shè)有入水口，下端設(shè)有出水口，供水通過入水口經(jīng)過減壓腔減壓，再通過出水口連接系統(tǒng)的輸水管向滲水管供水（圖4）。將若干調(diào)壓器串聯(lián)使用，調(diào)壓效果可以累加，圖5為幾個(gè)調(diào)壓器串聯(lián)使用的工作示意圖。

圖5 組合式減壓器Fig.5 Combined pressure reducer

1.2 負(fù)壓滲灌田間布局

采用垂直方向安裝滲水管，距離玉米種植行60cm，與滲水管間距40cm（圖6）。圖7是負(fù)壓滲灌系統(tǒng)示意圖。

圖6 滲透管分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of seepage pipe distribution

圖7 負(fù)壓滲灌系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of negative pressure in filtration irrigation system

1.3 土壤含水量控制的穩(wěn)定性和精度

1.3.1 土壤水分控制穩(wěn)定性變化 測(cè)定了3種不同負(fù)壓控制條件下距離滲水器5cm土壤的含水量，各處理分別為滲水器承壓5、0和–5kPa。測(cè)定結(jié)果顯示，滲水開始后48h，3種處理距離滲水器5cm的土壤含水量達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，顯著性檢測(cè)達(dá)到5%差異水平。

圖8 壓力與土壤含水量關(guān)系Fig.8 The relationship between pressure and soil water content

圖9 灌水速率日變化Fig.9 The diurnal variation of irrigation rate

1.3.2 土壤水分日灌水動(dòng)態(tài)特征 圖9是在水泥隔離池滲灌的試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，從圖9可以看到，滲灌系統(tǒng)的灌水速率有明顯的日變化。連續(xù)7d的測(cè)定結(jié)果顯示出了7個(gè)灌溉速率變化的峰值。每個(gè)峰值都出現(xiàn)在每天的12∶00-18∶00之間；相應(yīng)的7個(gè)谷底的最低值都出現(xiàn)在每天的6∶00左右。

白天光照增多，氣孔開放，溫度升高，導(dǎo)致蒸騰耗水增加，需水量也增加；夜晚光照下降，氣孔關(guān)閉，氣溫降低，需水量下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)壓滲灌系統(tǒng)能根據(jù)作物需水規(guī)律實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)灌溉。

1.4 改裝后的負(fù)壓滲灌裝置的室內(nèi)試驗(yàn)

在河北省農(nóng)林科學(xué)院科技示范園區(qū)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)大棚為日光大棚，玉米品種為鄭單958。按照常規(guī)種植方式及管理方式，在試驗(yàn)溫室內(nèi)安裝了控制計(jì)量水箱、減壓管、輸水管和滲水器，滲水管采用垂直方向安裝，距離玉米種植行10cm，與滲水管間距40cm。本試驗(yàn)的系統(tǒng)負(fù)壓設(shè)定為–1.5kPa。對(duì)照溫室為漫灌澆水，生育期負(fù)壓滲灌用水與對(duì)照溫室用水比較結(jié)果見表1。

表1 負(fù)壓滲灌與對(duì)照漫灌用水量Table 1 Water supply volume of negative pressure in filtration and flooding irrigation

2 討論

2.1 負(fù)壓滲灌技術(shù)將為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究提供更精確的技術(shù)手段

科學(xué)新發(fā)現(xiàn)在有了新的技術(shù)手段之后，并沒有止步前進(jìn)。眾所周知，農(nóng)業(yè)科研離不開環(huán)境條件的人工模擬技術(shù)，至今為止，人工控制溫度、濕度已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)，而土壤水分控制技術(shù)卻一直是人工模擬環(huán)境技術(shù)的一塊短板。而農(nóng)業(yè)節(jié)水利用是我們現(xiàn)在面臨的一大問題，微灌包括滴灌、微噴灌以及滲灌，在此基礎(chǔ)上，改善微灌技術(shù)裝置，使之更準(zhǔn)確地控制農(nóng)田土壤水分的用量。本研究的負(fù)壓滲灌技術(shù)具有精確、穩(wěn)定控制土壤含水量的特性，結(jié)合了滴灌與微噴灌的特點(diǎn)，這將成為農(nóng)業(yè)科研中取得新突破的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。負(fù)壓滲灌技術(shù)能否運(yùn)用到農(nóng)田并大面積試用及推廣，是接下來需解決的問題。可以通過政府的扶持，比如加大資金的投入；也可以和企業(yè)聯(lián)合，幫助研究專家加大研究負(fù)壓滲灌技術(shù)的類型及投入資金給農(nóng)戶，最后達(dá)到收益和推廣的最大化。

2.2 負(fù)壓滲灌技術(shù)將為提高水分利用率提供技術(shù)手段

水資源短缺是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的嚴(yán)重問題，通過提高作物水分利用率來節(jié)約水資源是最好的解決途徑。負(fù)壓滲灌具有實(shí)時(shí)灌溉和土壤亞表層給水的特點(diǎn)，在最大限度滿足作物需水情況下還能降低水分的表面蒸發(fā)和深層滲漏損失，因此可以大幅度提高作物的水分利用率，加快負(fù)壓滲灌技術(shù)大面積應(yīng)用研究應(yīng)該得到足夠的重視。