痕量灌溉理论支撑与技术特点的质疑.pdf

第 31 卷 第 6 期 农 业 工 程 学 报 Vol 31 No 6 2015 年 3月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar 2015 1 痕量灌溉 理论支撑与技术特点的质疑 张国祥 1 赵爱琴 2 1 原中国灌排技术开发公司 北京 100053 2 农业部规划设计研究院博士后工作站 北京 100125 摘 要 有文献认为痕量灌溉基于毛细管原理和膜过滤技术 实现了 自适应 灌溉 并解决了灌水器堵塞问题 该文 基于现有理论 试验资料及微灌实践 对痕量灌溉原理及特点进行了讨论 表明痕量灌溉所述原理及其实现 自适应 灌溉 解决了灌水器堵塞的论述 其理论支撑和技术本身存在诸多问题 缺少依据论证和检验 关键词 土壤 灌溉 膜 痕量 节水 毛细管力 doi 10 3969 j issn 1002 6819 2015 06 001 中图分类号 S275 4 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2015 06 001 07 张国祥 赵爱琴 痕量灌溉 理论支撑与技术特点的质疑 J 农业工程学报 2015 31 6 1 7 Zhang Guoxiang Zhao Aiqin Query about theory and technical properties of trace quantity irrigation J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2015 31 6 1 7 in Chinese with English abstract 0 引 言 发展高效节水灌溉技术是解决水资源短缺的一条有 效途径 地下滴灌将毛管和滴头埋入耕作层以下 在节 水方面比地表滴灌更有优势 美国加利福尼亚大学灌溉 技术中心主任 Davi F Zoldoske 曾预言灌溉的未来将是地 下滴灌 1 然而 滴头堵塞问题是制约地下滴灌发展的技 术瓶颈之一 近年来 出现了痕量灌溉技术 据北京普 泉科技有限公司 华中科技大学痕量灌溉研究中心的 痕 量灌溉技术介绍 2 痕量灌溉技术不仅以其独特的控水 收稿日期 2014 11 12 修订日期 2015 03 10 作者简介 张国祥 浙江衢州人 教授级高工 中国水利学会原微灌学组组 长 主要从事节水灌溉技术的研究与开发 Email zhguox928 通信作者 赵爱琴 山西孝义人 博士后 主要从事土壤水 农田水资源高 效利用研究 北京 农业部规划设计研究院 100125 Email zhaoaiqin tcsae org 头结构保证了在超低流量下控水头不发生堵塞 解决了 长期困扰滴灌低流量下灌水器堵塞的世界难题 而且出 水量可以和植物的需水量相匹配 痕量灌溉还被认为突 破了 被动式 灌溉 人为控制灌溉时机和灌水量 的 固有思维 达到了 自适应 灌溉的效果 3 目前 痕量 灌溉技术在西北 西南 中部 华北等地区进行了试点 或推广应用 2 该技术已经得到科技部的重视 2013 年 痕量灌溉关键技术与装备 列入 十二五国家科技支撑 计划 2 痕量灌溉产品 列入 水利先进实用技术重点 推广指导目录 2 本文作者之一应邀参加了在新疆哈密召开的 极端 干旱区痕量灌溉适宜性实验现场研讨会 在深入了解 了痕量灌溉原理 设备及试点现场后认为 这种技术是 否有合理的理论支撑 是否真能达到其所述效果 有必 要进一步讨论 编者按 科学的本质是民主自由 学术期刊作为科研成果记录 交流和传承的载体 当 为学者创造思想交锋 观点碰撞的平台 痕量灌溉 理论支撑与技术特点的质疑 一 文针对近几年发展起来的 痕量灌溉新技术 存在的一些问题提出了质疑 本刊编辑部 收到投稿后先后匿名送 13 位小同行专家评议 包括灌溉技术 灌溉设备 土壤学 土壤 水动力学 导水材料等领域的专家 以期得到对该文客观全面的评价 审核结果 3 位 审稿专家退审 共收到 10 位专家的审稿意见 其中 有 5 位审稿专家对该文给出肯定意 见 同意发表 3 位持否定意见 2 退稿 1 改投他刊 2 位专家认为修改后再审 可见行 业内对此技术颇有争议 每位审稿专家都提出了该文的问题及对该文进行修改完善较好 的意见 在处理稿件的过程中编者深深体会到作者及审稿专家追求科学 勇于探索的精 神和勇于担当的社会责任感 秉承 百花齐放 百家争鸣 的办刊宗旨 本刊决定刊出 痕量灌溉 理论支撑与技术特点的质疑 以激发对此问题进一步的探讨和研究 促 进我国节水灌溉技术的健康发展和完善 鉴于评审意见有相当的见地 本刊编辑部拟将 在征得审稿专家同意的基础上 在后续期刊中集中刊出对该文的审稿意见 欢迎各位专 家学者参与讨论 希望在讨论和争鸣中推动节水技术的健康发展 借此机会征集争鸣与讨论的观点及论文 有关该论文及其他涉及本刊内容 争鸣与讨论的文稿请发送至王柳邮箱 wangliu tcsae org 争鸣与讨论 农业工程学报 2015 年 2 1 痕量灌溉 1 1 自适应灌溉的控水原理 文献 3 认为 痕量灌溉是基于土壤毛细管原理和膜 过滤技术的灌溉系统 痕量灌溉技术的核心在于其可以 实现 自适应 作用的灌水器 痕量灌水器由具有良好 导水性能的微米级纤维束 原文称毛细管束 和具有过 滤功能的痕灌膜 也叫滤膜 组成 如图 1 所示 埋 在根系附近 纤维束两端分别连接充满水的管道和土壤 毛细管 连接土壤毛细管的一端可以感知土壤水势变化 从而使作物 土壤 灌溉系统形成一个水势平衡系统 当作 物吸水导致根系周围水势降低时 痕灌灌水器内的水不 断以毛细管水的形式 通过纤维束间空隙和土壤毛细管 以微小的速度 10 200 mL h 输送到植物根系附近的土 壤并流向根系周围 直至作物 土壤 灌水器系统水势重新 达到平衡 作物停止吸水 毛细管水不再流出 痕量 灌溉技术以毛细管力为基础力 只需要配合一定重力 1 2 m 水压 即可实现对植物的长期稳定供水 2 出水 量可以和植物的需水量相匹配 2 图 1 痕量灌溉灌水器结构示意图 4 Fig 1 Schematic diagram of water control tip of trace quantity irrigation 1 2 抗堵原理 根据文献 2 3 痕量灌溉控水头依靠滤膜和纤维束 之间的巧妙配合来防止滴头堵塞 滤膜面积大可以降低 过膜流速 而滤膜上的微小孔径可以大幅提高过滤精度 使灌溉水中物理杂质被阻滞在滤膜上游 不会阻挡缓速 的水流 滤膜拦截的杂质会受到来自管道中动荡水流的 扰动 无法附着在滤膜上 输配水管网浅埋于地下后 遮光 低温 有效避免了灌溉水中化学物质结晶析出 藻类及其他微生物生长 有效避免了生物性 化学性堵 塞 此外 灌水器内的纤维束间隙 即流道 远小于植 物根系直径 完全杜绝因植物根系伸入出水流道引起的 堵塞 同时 纤维束间隙远大于滤膜孔径 能通过滤膜 的小颗粒及离子也能通过纤维束间隙进入土壤 保证纤 维束不堵塞 痕量灌溉灌水器可以长久不堵塞 3 2 几个问题讨论 2 1 关于毛细管力是痕量灌溉技术的基础力 有文献 2 3 认为 痕量灌溉基于纤维束间和土壤的 毛细管力 或者说 痕量灌溉技术以毛细管力为基础力 然而 毛细管力真的是基础力吗 2 1 1 毛细管现象与毛细管力的基本特征 众所周知 将一根内径足够小的直管插入水中 水 会沿管壁上升到最大高度 h m 本文仅讨论水能够浸润管 壁的情况 这就是水的毛细管现象 图 2a 所示为毛细 管长度 L 大于水面上升高度 h m 的情况 其实质是水气之 间的凹形界面 简称 凹液面 表面张力 F 在铅锤方向 的分力 即毛细管力 与管内高度为 h m 的水柱所受重力 相等 即 2 2cos nm RRh 或 2cos mn hR 1 式中 为水的容重 为表面张力系数 n 为水与该材 质管壁的最小接触角 R 为毛细管半径 h m 为毛细管水 上升的最大高度 从图 2a 可以看出 1 凹液面是毛细管现象和毛细管力存在的必要条 件 一旦凹液面消失 毛细管力就不存在了 也就没有 毛细管现象 2 毛细管水是指由毛细管力悬吊着的静态水柱 一 旦在其他力作用下形成了连续水流 管内的凹液面 毛 细管力都立即消失 所以连续水流不是毛细管水 毛细 管力不是形成连续水流的动力 灌溉系统在灌水时均为 连续出流 从系统进口到滴头出口都不存在毛细管现象 和毛细管力 毛细管力不可能成为任何灌溉 包括痕量 灌溉 技术的基础力 3 因毛细管水中的压强 0 如无其他力的作用 二根毛细管连接在一起是不可能无缝的 如果通过外力 使其成为一根水柱 无缝连接 那么 下端管的凹液 面消失 二根管中的水重将全部由上端管的毛细管力来 悬吊 也就是说毛细管力是不可叠加的 4 水与气的界面以下 是水的饱和区 只有在水饱 和区内才可能出现毛细管现象 5 毛细管现象中的管壁是不透水的 也就是说没有 透过管壁的水交换是毛细管现象的侧向边界条件 注 L 为毛细管长度 h m 为水上升最大高度 R 为毛细管半径 F 为毛管力 h 为水上升高度 n 为水与该材质管壁的最小接触角 为水与管壁的接触角 Note L is length of tube h m is maximum of water height R is tube radius F is capillary force h is water height n is minimum contact angle of water and wall is contact angle of water and wall 图 2 毛细管现象示意图 Fig 2 Sketch of capillary phenomenon 第 6 期 张国祥等 痕量灌溉 理论支撑与技术特点的质疑 3 图 2b 示出了毛细管长度 L h m 的情况 此时水会从 管顶流出来吗 答案是否定的 因为如果水从管顶连续 流出 意味着不消耗任何能量却对水做了功 亦即出现 了一台永动机 这与能量守恒定律相违背 需要指出 此时水对管壁浸润的最高点为管顶 并同样遵循毛细管 力与管内高度为 h 的水所受重力相等 即 2 2 cos RRh 或 2cos hR 2 式中 h 为当 L h m 时 水的上升高度 为当 L h m 时 水与管壁的接触角 且 n 90 从图 2b 可以看出 1 n 仅取决于液体种类和管壁材质 而 还取决于 毛细管长度 L 2 在 L h m 的情况下 毛细管力小于最大值 且与 h 成正比 h 与 L 很接近 2 1 2 灌水器内的毛细管力对灌水的作用可以忽略 笔者认同 痕灌灌水器内的微米级纤维束之间的空 隙 可能形成异形断面细管束 有出现毛细管现象的可 能 然而 1 痕灌灌水器的纤维束长度仅约 5 mm 属于 L h m 的情况 也就是说其毛细管力最大也就是管内 5 mm 高水 柱的重量 这与文献 2 所提 配合 1 2 m 水压 相比 仅占 0 25 0 5 与哈密试点痕灌管进口水头为 5 7 5 和 10 m 相比 更是微不足道 2 一旦水从灌水器连续出流 纤维束间细管中的凹 液面就消失 毛细管力也就消失了 在整个灌水期间灌 水器都是连续出流 故毛细管力只在纤维束上游端刚接 触水流 至纤维束下游端流出水这一短暂的时间 几秒 钟 内存在 整个出流期间 痕灌灌水器内没有毛细管力 可见 灌水器内纤维束间细管的毛细管力既微小 又极 为短暂 对灌水的作用基本可以忽略 不可能成为基础力 2 1 3 小流量点水源出口处土壤是否有毛细管现象尚 待研究证实 土壤中水的毛细管现象 是指 在毛细管力的作用 下 潜水沿着土壤微细空隙上升到一定高度 在这个高 度以下 土壤是饱和的 4 如把土壤中沿锤向微细空隙视 为管的话 其管壁是开放的 可透水 可能有透过管 壁的水交换 这不符合毛细管现象的侧向边界条件 然 而 由于潜水位通常有一定的面积规模 除去周边一定 范围之外的中间部分 可以近似地看作没有侧向的水交 换 类同于管壁不透水 这可能是前人用毛细管现象来 解释潜水升高的前提 然而 地下滴灌与痕量灌溉均为点水源灌溉 水分 以灌水器出口为中心向周边空间 土壤 扩散 不可能 形成单向的水分扩散条件 也就不具备形成毛细管水的 侧向边界条件 又因滴头出口处土壤的水饱和区范围很 小 而痕量灌溉灌水器流量更小 土壤水饱和区的范围 必然更小 水的毛细管现象即使存在 其范围也极小 在小流量点水源的条件下 土壤中是否有毛细管现象 未见到过相关报道 所以 微小流量的灌水器出口土壤 中是否存在毛细管现象尚待证实 即使存在 它在水分 运移中起多大作用更待研究 因此 认为土壤中的毛细 管力是痕灌技术的基础力 目前还没有依据 2 2 关于自适应灌溉 2 2 1 痕量灌溉所称 自适应灌溉 的含义 自适应现象 笔者的理解是 一个处于平衡状态的 系统 如某个重要因素发生变化 系统在经历过渡过程 之后 会自动达到新的平衡状态 这种现象自然界广泛 存在 不胜枚举 对于灌水与作物之间 作物会对灌水 是否适时 适量自动做出反应 即作物会自适应于灌水 的时和量 如果灌水不能满足作物最低生存条件 作物 的反应是死亡 如果完全按照作物实时需水规律供水 作物的反应是最高产量 这些都是自适应现象 所以自 适应并不表示最优 痕量灌溉所称的 自适应灌溉 其含义是 出水量可以和植物的需水量相匹配 2 的自 适应 也就是说 灌水系统能实时地按照作物需水规律 来供水 并及时到达作物根区 实现作物耗水与需水的 高度一致 这是自适应现象中的最高境界 如果真能做 到 将确实是开创性的技术成果 2 2 2 痕量灌溉的灌水器没有比地下滴灌灌水器有更 多的功能 靠什么来实现自适应灌溉 文献 3 认为 痕量灌 溉技术的核心在于其可以实现自适应作用的灌水器 痕 灌灌水器出水口的毛细管束结构正是利用了这一原理 笔者注 指毛细管现象 达到作物需水触动式自适应自 由供水效果的 对此 笔者不能认同 1 本文第 2 1 节已经阐明了毛细管现象与毛细管力 的基本特征 灌水器中的毛细管力很小且仅在数秒钟内 存在 对灌水器出水的作用基本 可以忽略 尤其是哈密试 点 其灌水器出口向下 痕灌管进口水头为 5 10 m 水 压力才是其出流的动力 文献 3 的观点 源自对毛细管 现象与毛细管力的错误认识 既然出流状况下没有毛细管力 内装纤维束的痕灌 控水头只是滴头的一种结构形式 它与其他结构形式的 滴头相同 水力性能遵循 Q AH x 3 式中 Q 为滴头流量 A 为系数 H 为滴头进出口的水头 差 x 为水头指数 痕灌灌水器与地下滴灌任何结构形式 的滴头相比 没有任何新的功能 靠它来实现最高境界 的 自适应灌溉 毫无依据 2 关于 需水触动 笔者的理解是 当作物需水 而供水不足时 土壤会出现某种程度的干旱表达 埋设在 土壤中的张力计会显示出负压值 这个负压值假定会传递 到灌水器出口 从而使灌水器的流量发生变化 土壤越干 旱 即土水势的负压绝对值越大 灌水器流量也将越大 如上所述 包括痕灌灌水器在内的所有滴头 其水 力性能均可由式 3 来表达 地表滴头出口为大气 压 强为 0 故 H 即为滴头进口水头 地下滴灌的出口在 土壤中 出口可为正压或零压 笔者于 70 年代末在山西 阳城上李村田间测到地下滴头出口有 0 8 m 水头 原因在 于滴头流量太大 4 L h 超过了土壤的水分扩散能力 导致滴头出口处水压增高 既减小滴头流量 又增大土 农业工程学报 2015 年 4 壤水分扩散能力 以达平衡 如果滴头流量小于土壤水 分的扩散能力 那么滴头出口就是零压 美国堪萨斯州 地下滴灌面积大 应用时间长 所用滴头的流量多在 1 L h 以下 目前最小的为 0 5 L h 就没有发现过地下出流 与地面出流的滴头流量有何不同 滴头出口如果为负压 文献 2 是指干旱条件下土壤的张力或作物根系的吸力所 致 对此需要进一步讨论 其一 如果滴头出口有负压 由式 3 可见 H 将 增大 从而导致滴头流量增大 这可能就是文献 2 所说 的 可以感知土壤水势变化 然而 这不是痕灌灌水器 所专有 也不是纤维束结构滴头所特有 而是地下滴头 共有的水力性能 其二 文献 2 没有说明土壤水势变化 是由什么指 标来实现灌水器 感知 的 负土水势和张力计所测负 压 仅表示土壤在该含水量时作物吸水的难易程度 并 不表示土壤中有与其相等的负压存在 若将真空压力表 测压口插入土壤中 是测不到负压值的 因此 痕量灌 溉 提出者应说明纤维束出口是通过什么指标来 感知 土壤的水势变化 该不会是把土水势与土壤中的负压等 同吧 其三 即使灌水器出口能 感知 土水势 一旦滴 头连续出水 滴头出口处土壤很快饱和 土水势迅速升 高并趋于零 尽管作物尚未吸足水 滴头流量也会很快 减小 靠灌水器 感知 土水势 也不可能实现实时地 按照作物需水规律供水 最后 文献 3 在自适应论述中还认为 直至 作物 土壤 灌水器系统水势重新达到平衡 作物停止吸 水 毛细管水不再流出 就是说 此时虽然痕灌系统 并未关闭 痕灌灌水器将自动停止出水 但这更是不可 能的 因为只要灌溉系统不关闭 痕灌系统内的重力与 压力仍在 灌水器还将遵循式 3 继续工作 除满足作 物耗水外 灌水的去向还可以为深层渗漏 地面积水蒸 发及径流损失 2 2 3 已有试验资料不支持痕量灌溉实现了 自适应灌溉 专业从事痕灌技术理论研究 产品与技术开发 工 程设计及施工的北京普泉科技有限公司已成立 10 a 痕量 灌溉技术试点范围已扩展到 10 省 区 市 2 发表了 一批试点的技术论文 很遗憾 没有看到有支撑其具有 自适应灌溉 功能的试验资料 痕灌系统如果能够做到实时地按照作物需水规律来 供水的 自适应灌溉 在极端干旱区 如哈密 灌水 流量时程线应该与作物耗水强度时程线基本一致 比如 作物在白天和晚上 冬天和盛夏耗水强度会有很大差别 那么这种差别应该在灌水器流量的日和月时程线上得到 反映 新疆水利水电科学研究院的报告 2 中 提供了 2014 年在哈密市节水实验中心枣园内测得的痕量灌溉滴头流 量日变化图 见图 3 可以看出 测试时间段 12 h 内滴头流量的变化不超过 7 尤其是处理 2 滴头流量白 天平稳 21 00 左右达最大 这与作物耗水规律不符 报 告认为 从日变化图上看 不同处理的流量在日内各 时刻均较稳定 基本不受作物蒸腾变化的影响 2 不支 持痕量灌溉能实现 自适应灌溉 再者 目前只有痕量灌溉自称可做到 出水量可以 和植物的需水量相匹配 2 若果真如此 痕灌作物吸水 所耗能量最小 有利于作物高产 但文献 5 提供的温室 草酶产量痕灌低于滴灌的资料 也不支持痕灌实现了 自 适应灌溉 注 供水水头 7 5 m 处理 2 为顺坡供水 顺坡 350 m 逆坡 150 m 处理 4 为双侧供水 一侧 300 m 另一侧 200 m Note Water head is 7 5 m Treatment 2 and 4 are irrigation along slope 350 and 150 m down and up slope and from both sides of slope 300 and 200 m for both sides 图 3 痕灌灌溉滴头流量日变化 2 Fig 3 Daily change in flow velocity of trace quantity irrigation system 痕量灌溉与地下滴灌的滴头埋深基本一致 土壤及作 物对水分运移的影响也相同 已经实践了 30 多年的地下 滴灌 没有数据证明其实现了灌水的 自适应 痕量灌 溉只是换用了 3 5 mm 长微米级纤维束的灌水器 就认为 可实现 自适应灌溉 很可能是理论认识上的错误 2 3 关于滴头堵塞 从文献 2 3 所述解决了地下小流量灌溉堵塞问题的 论述中表明 相关作者对微灌堵塞问题的了解并不深入 从过滤的角度看 微灌系统采用集中过滤 过滤器 过滤元件可冲洗与更换 故只存在滴头堵塞问题 痕灌 系统将过滤分散到每个灌水器的进口 失去了冲洗与更 换的条件 因此存在着滤膜和纤维束间隙流道二处的堵 塞问题 2 3 1 如何理解 ISO 短周期堵塞测试程序 的试验结果 2013 年北京普泉公司将痕灌控水头送中国农业大学 做短周期 8 h 滴头堵塞检测 检测结果表明随着泥 沙浓度加大 滴灌对照流量逐渐下降 在第 4 阶段之后 发生堵塞 而痕量灌溉在整个试验过程中无堵塞发生 由此可见痕量灌溉具有很好的抗堵性 2 笔者认为 这 是对试验结果的错误解读 1 ISO 标准草案规定 短周期堵塞测试程序 的测 试目的为 这种测试方法主要用来测试滴头让某尺寸 粒径的固体颗粒通过或阻止其通过的能力 着眼于了解 滴头内部最小的过流尺寸 以及建立对过滤系统尺寸要 求的指导 可见 它不是用来评价灌水器抗堵塞性能 的依据 测试中被测滴头上游不装过滤器 泥沙将全部 通过被测滴头流道 滴头处于完全不设防 非工作 状 态 痕灌把过滤设在灌水器进口并与控水头成为一体 第 6 期 张国祥等 痕量灌溉 理论支撑与技术特点的质疑 5 试验中痕灌控水头处于全设防 正常工作 状态 只有 通过滤膜的颗粒才通过纤维束间流道 对照双方的工作状 态完全不对等 以此来评判 2 抗堵性能谁优谁劣 完全没有 说服力 也就是说痕灌控水头做此对比测试毫无意义 2 如果把滤膜去除 使其也处于不设防 非工作 状态再行测试 最先堵塞的一定是痕灌控水头 当然 也不应由此得出痕灌灌水器抗堵塞性能最差的结论 3 文献 2 公布的短周期堵塞测试结果见图 4 可以 看到 随试验阶段的进展 滴头的流量是渐减的 而痕 灌控水头的流量却是渐增的 流量渐减是正常的 渐增 却是异常的 只有流道断面积在逐渐增大 才可能出现 流量递增的结果 那么什么情况下流道断面积会增大 笔者认为很可能是 纤维束间流道出现了堵塞点 堵塞 点上游的水压力大幅增大 动水压变成静水压 受压面 积增大 堵塞点周边的纤维在水压力的推动下滑出灌 水器 从而增大了过流面积 这种局部堵塞陆续发生 致使出现流量渐增的结果 痕灌控水头在试验中其实已 经出现堵塞 并造成了控水头损坏 注 检测根据 ISO TC23 SC18 WG5 N4 Note Test is based on ISO TC23 SC18 WG5 N4 图 4 痕量灌溉抗堵塞性能检测结果 2 Fig 4 Result of anti clogging perance test of trace quantity irrigation system 2 3 2 滤膜的堵塞问题 国际微灌界对过滤精度的选择 普遍按过滤孔基 本尺寸为流道最小直径的 1 7 1 10 来考虑 有关痕 量灌溉的文献中未见报道纤维直径 纤维束间隙面积 及滤膜孔径等数据 笔者按纤维直径为 10 m 微米 级纤维 3 来估算 其滤孔直径约在 0 16 0 20 m 属于微滤膜 众所周知 膜过滤净水机的微滤膜和超滤膜都有堵 塞问题 需要冲洗或更换 在哈密会议上中国农大李光 永教授交流了痕灌滤膜被红色沉积物堵塞的实例照片 文献 10 提供了多种微滤膜抗堵塞措施等 均说明滤膜是 会堵塞的 文献 2 认为 杂质被缓慢地堆积在痕灌膜表 面 而无法堵塞膜孔 不知有何根据 膜过滤还存在以下情况 1 膜的孔径要比微灌过滤 孔小很多 仅为 120 目网过滤器基本尺寸的 0 13 滤孔 越小对化学堵塞越敏感 而且相同水质条件下 被拦截 的物理杂质比滴灌数量要多 甚至多得多 2 痕灌管埋 于地下 滤膜无法冲洗与更换 被拦截的物理杂质没有 出路 3 粒径 5 m 的颗粒为黏粒 滤膜拦截的杂质中 含有黏粒 会降低滤膜上游沉积物的透水性 4 尽管痕 量灌溉宣称 作物全生育期都灌水 但在二茬作物之间 总会有停灌的时段 在北方冬天停灌 不仅有可能产生 溶质析出 而且为膜上游面沉积物固结提供了条件 总之 痕灌系统需要在地下长期工作 日积月累 随着时间的推移 发生膜堵塞的几率会越来越大 需要 不同水质条件下的长期观测资料来验证 2 3 3 纤维束间隙流道的堵塞问题 按纤维直径为 0 01 mm 估算 纤维束间每条流道的 面积 约为直径 1 mm 微灌滴头流道面积的 10 万分之 5 下面仅提出二种可能堵塞的情况 1 目前痕灌纤维束间隙是最小的 微润管的孔径不 清 流道 如前所述 对化学堵塞应该极为敏感 痕灌 系统每年都有一段或数段时间停灌 这给水中溶质析出 提供了机会 2 即使如文献 2 所述 能通过滤膜的小颗粒及离 子也能通过纤维束间隙进入土壤 也还有堵塞的可能 绝大多数情况下毛管是有坡度的 也就是说痕灌灌水器 的埋深虽可一致 但各个灌水器的高程各异 当系统节 制阀门关闭后 阀下游的管系内还有余水 灌水器仍在出 水 位于顺坡毛管上游 或逆坡毛管下游 的灌水器会比 下游 或上游 灌水器早断水 毛管内水位不断降低 又 无补气通道 管内定会呈现负压 出现负压吸泥现象 正 好灌水器出口土壤中 有通过滤膜与纤维束间流道的小直 径颗粒 黏粒 会随水一起被吸入纤维束间流道 黏粒 有聚凝作用 并在停灌期间失水 造成纤维束间流道的堵 塞 这种现象早已被微灌滴头的实际所证实 总之 痕量灌溉灌水器可以长久不堵塞 3 的结论 显 得太过草率 2 4 关于节水 2 4 1 痕量灌溉所宣传的节水效果 从现有文献中摘录出痕量灌溉比其他灌溉方式的节 水增产效果 见表 1 总体而言 它比常规滴灌节水 22 63 比畦灌节水 39 44 比沟灌节水 40 50 比减量滴灌节水 0 51 2 2 4 2 痕量灌溉试点选错了比较对象 众所周知 地下灌溉可以减少地表蒸发 设施不占 耕地 故与地面灌溉相比 具有节地 节水等突出优点 痕量灌溉为地下灌溉技术 其主要比较对象应为地下滴 灌 可现有试点资料中唯独没有地下滴灌 2 4 3 所发表的节水结论性资料科学性不足 国家和水利行业标准对灌溉试验有明确的规定 但 所见文献中没有相应的说明 1 试验条件中未说明 底部是否隔绝了地下水补给 侧向是否阻断了水分流通 2 未说明耗水量中是否计入了播种与收获时的土壤 水分增 减 量 3 大田条件下 有没有计入降雨 4 多数文献中把灌水量之差作为节水量 进而算出 节水率 不符合技术标准规定 农业工程学报 2015 年 6 2 4 4 地下灌溉短时段 3 a 的试验数据极可能造 成判断错误 笔者之一曾于 20 世纪 70 年代末做过 0 2 hm 2 3 亩 大田地下滴灌试验 毛管 含滴头 埋深在 40 cm 犁底 层下 第 1 年每次灌水 20 m 3 667 m 2 地面可见湿润斑 效果很好 次年效果略差 到第 4 年后期 每次灌水 50 m 3 667 m 2 地面也不见湿 经开挖检查分析认为 因 无配套的开沟机 管沟宽达 20 cm 铁锨宽度 管沟打 破犁底层 显著改善了水分向上运移的条件 随着时间推 移 犁底层逐渐再形成 水分向上运移的条件逐年变差所 致 目前发表的文献基本上是第 1 年的试验结果 是滤膜 拦截的杂质数量最少 水分运移条件最优时的结果 凭此 就下结论 极易出现误判 因此 地下灌溉 包括痕灌 的节水 增产效果需要用第 4 5 年的试验数据来证实 表 1 痕量灌溉与其他灌溉技术对作物节水及产量影响的比较 Table 1 Comparisons of percentage of water saving and yields of crops 作物 Crops 种植环境 Cultivation environment 处理 灌水 Irrigation amount m 3 hm 2 节水率 Water saving percentage 产量 Yield kg hm 2 增产 Yield increase 资料源于文献 Literature source 萝卜 痕量灌溉 常规滴灌 720 0 1 290 0 43 78 795 71 985 9 2 3 叶用莴苣 痕量灌溉 常规滴灌 793 5 1 512 0 47 76 200 73 500 4 3 青花菜 痕量灌溉 常规滴灌 631 5 1 435 5 56 14 685 15 670 6 3 球茎茴香 痕量灌溉 常规滴灌 576 0 1 386 0 58 22 905 18 600 14 3 6 大桃 温室 痕量灌溉 常规滴灌 畦灌 22 29 比滴灌 39 44 比畦灌 25 3 比滴灌 11 5 比畦灌 7 葡萄 大田 痕量灌溉 沟灌 2 492 5 085 40 50 8 生菜 温室 痕量灌溉 常规滴灌 减量滴灌 40 1 63 比滴灌 0 51 2 比减量 0 9 草莓 温室 痕量灌溉 常规滴灌 微润灌溉 45 比滴灌 18 85 0 比滴灌 23 49 比微润灌溉 2 5 2 4 5 哈密试点枣园的痕灌系统可能供水不足 哈密试点枣园 28 hm 2 420 亩 枣树行距 3 m 滴 头间距 0 33 m 相当于每平方米 1 个滴头 按厂家提供 滴头在 10 m 水头下的流量为 0 11 L h 估算 日 24 h 灌水量为 2 64 L m 2 相当于日灌水深 2 64 mm 对于进 口水头为 5 m 的方案 滴头流量为 0 06 L h 日灌水深仅 1 44 mm 笔者估计在哈密盛果期枣树的月平均日耗水强 度峰值至少应 4 mm 对于地下滴灌 因此供水不足在 所难免 痕灌系统设计没有考虑这一问题 3 结 论 应该肯定 痕量灌溉对更小流量供水和膜过滤在地 下滴灌系统中的应用做了有益的尝试 但是在一些基本 问题未搞清之前 轻率地提出 2 在理论方面 痕量灌 溉以全新的原理实现了出水量与植物的需水量相匹配 使学术界重新审视植物的真实需水量 将改写植物生理 农田水利 作物栽培等学科的论述 运用痕量灌溉技术 可以精确地控制土壤含水量 痕量灌溉技术的发展 使中国第一次站在国际节水灌溉技术的前沿 将引领下 一轮节水灌溉创新 等 这不是科学的态度 1 根据毛细管现象的基本特征 痕灌灌水器及小流 量点水源的实际 毛细管力不可能成为灌溉系统的基础力 2 土水势与土壤内的负压是不能等同的二个量 土 水势目前还不能被滴头出口所感知 痕量灌溉能实现与 作物需水相匹配的 自适应灌溉 缺乏依据 3 滤膜及纤维束滴头流道可以长久不堵塞的结论 显得过于草率 4 地下灌溉需要用第 4 5 年的试点资料来验证其 节水 抗堵及增产效果 才比较可信 5 根据国际微灌界的共同认知 流量不大于 12 L h 的灌水器统称为滴头 痕量灌溉应归属于地下滴灌 只 是用了膜过滤和纤维束结构的滴头 总之 痕量灌溉作为新提出来的灌水技术 其理论 和技术本身存在诸多问题 失败的风险很大 该技术尚 处于原理探索阶段 目前最需要的是补做技术原理的小 面积试验验证 离中试或大面积推广应用距离尚远 参 考 文 献 1 李光永 世界微灌发展态势 J 节水灌溉 2001 106 2 24 27 Li Guangyong Micro irrigation developing tendency of the world J Water Saving Irrigation 2001 106 2 24 27 in Chinese with English abstract 2 哈密市水利局 北京普泉科技有限公司 华中科技大学痕 量灌溉研究中心 新疆水利水电科学研究院 极端干旱区 痕量灌溉适宜性实验现场会资料汇编 R 新疆哈密 2014 3 张锐 刘洁 诸钧 等 实现作物需水触动式自适应灌溉 的痕量灌溉技术分析 J 节水灌溉 2013 1 48 51 Zhang Rui Liu Jie Zhu Jun et al Trace quantity irrigation technology with crop water requirement triggering and 第 6 期 张国祥等 痕量灌溉 理论支撑与技术特点的质疑 7 self adaptive function J Water Saving Irrigation 2013 1 48 51 in Chinese with English abstract 4 张建国 赵惠君 地下水毛细上升高度及确定 J 地下水 1988 8 135 139 5 董瑾 新型节水设备及其在温室草莓上的应用效果对比 J 农业工程 2013 3 27 30 Dong Jin New water saving equipment and its application effect contrast used for greenhouse strawberries J Agricultural Engineering 2013 3 27 30 in Chinese with English abstract 6 诸钧 金基石 杨春祥 等 痕量灌溉对温室种植球茎茴 香产量 干物质分配和水分利用率的影响 J 排灌机械工 程学报 2014 32 4 338 342 Zhu Jun Jin Jishi Yang Chunxiang et al Effects of trace quantity irrigation on yield dry matter portioning and water use efficiency of spherical fennel grown in greenhouse J Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering 2014 32 4 338 342 in Chinese with English abstract 7 王志平 周继华 诸钧 等 痕量灌溉在温室大桃上的应 用 J 中国园艺文摘 2011 4 10 11 Wang Zhiping Zhou Jihua Zhujun et al Trace irrigation used on greenhouse peach J China Academic Journal 2011 4 10 11 in Chinese with English abstract 8 刘学军 周立华 张建忠 等 葡萄痕量灌溉技术试验研 究 J 水资源与水工程学报 2013 24 6 43 46 Liu Xuejun Zhou Lihua Zhang Jianzhong et al Experiment on trace irrigation technique of grape J Journal of Water Resources 2 Postdoctoral Research Stations Chinese Academy of Agricultural Engineering Beijing 100125 China Abstract In past few years a new irrigation is developed which is trace quantity irrigation Trace quantity irrigation is based on the capillary phenomena and membrane filtration technology can completely solve the problem of emitter clogging and achieve the self adaptive irrigation water supply following crop demand and has higher water utilization efficiency In this study we queried about theory and te