第 31 卷 第 6 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 31 No 6 2015 年 3月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar 2015 1 痕量灌溉 理論支撐與技術(shù)特點(diǎn)的質(zhì)疑 張國祥 1 趙愛琴 2 1 原中國灌排技術(shù)開發(fā)公司 北京 100053 2 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院博士后工作站 北京 100125 摘 要 有文獻(xiàn)認(rèn)為痕量灌溉基于毛細(xì)管原理和膜過濾技術(shù) 實(shí)現(xiàn)了 自適應(yīng) 灌溉 并解決了灌水器堵塞問題 該文 基于現(xiàn)有理論 試驗(yàn)資料及微灌實(shí)踐 對痕量灌溉原理及特點(diǎn)進(jìn)行了討論 表明痕量灌溉所述原理及其實(shí)現(xiàn) 自適應(yīng) 灌溉 解決了灌水器堵塞的論述 其理論支撐和技術(shù)本身存在諸多問題 缺少依據(jù)論證和檢驗(yàn) 關(guān)鍵詞 土壤 灌溉 膜 痕量 節(jié)水 毛細(xì)管力 doi 10 3969 j issn 1002 6819 2015 06 001 中圖分類號 S275 4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2015 06 001 07 張國祥 趙愛琴 痕量灌溉 理論支撐與技術(shù)特點(diǎn)的質(zhì)疑 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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 發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)是解決水資源短缺的一條有 效途徑 地下滴灌將毛管和滴頭埋入耕作層以下 在節(jié) 水方面比地表滴灌更有優(yōu)勢 美國加利福尼亞大學(xué)灌溉 技術(shù)中心主任 Davi F Zoldoske 曾預(yù)言灌溉的未來將是地 下滴灌 1 然而 滴頭堵塞問題是制約地下滴灌發(fā)展的技 術(shù)瓶頸之一 近年來 出現(xiàn)了痕量灌溉技術(shù) 據(jù)北京普 泉科技有限公司 華中科技大學(xué)痕量灌溉研究中心的 痕 量灌溉技術(shù)介紹 2 痕量灌溉技術(shù)不僅以其獨(dú)特的控水 收稿日期 2014 11 12 修訂日期 2015 03 10 作者簡介 張國祥 浙江衢州人 教授級高工 中國水利學(xué)會原微灌學(xué)組組 長 主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)的研究與開發(fā) Email zhguox928 通信作者 趙愛琴 山西孝義人 博士后 主要從事土壤水 農(nóng)田水資源高 效利用研究 北京 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 100125 Email zhaoaiqin tcsae org 頭結(jié)構(gòu)保證了在超低流量下控水頭不發(fā)生堵塞 解決了 長期困擾滴灌低流量下灌水器堵塞的世界難題 而且出 水量可以和植物的需水量相匹配 痕量灌溉還被認(rèn)為突 破了 被動式 灌溉 人為控制灌溉時機(jī)和灌水量 的 固有思維 達(dá)到了 自適應(yīng) 灌溉的效果 3 目前 痕量 灌溉技術(shù)在西北 西南 中部 華北等地區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn) 或推廣應(yīng)用 2 該技術(shù)已經(jīng)得到科技部的重視 2013 年 痕量灌溉關(guān)鍵技術(shù)與裝備 列入 十二五國家科技支撐 計(jì)劃 2 痕量灌溉產(chǎn)品 列入 水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn) 推廣指導(dǎo)目錄 2 本文作者之一應(yīng)邀參加了在新疆哈密召開的 極端 干旱區(qū)痕量灌溉適宜性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場研討會 在深入了解 了痕量灌溉原理 設(shè)備及試點(diǎn)現(xiàn)場后認(rèn)為 這種技術(shù)是 否有合理的理論支撐 是否真能達(dá)到其所述效果 有必 要進(jìn)一步討論 編者按 科學(xué)的本質(zhì)是民主自由 學(xué)術(shù)期刊作為科研成果記錄 交流和傳承的載體 當(dāng) 為學(xué)者創(chuàng)造思想交鋒 觀點(diǎn)碰撞的平臺 痕量灌溉 理論支撐與技術(shù)特點(diǎn)的質(zhì)疑 一 文針對近幾年發(fā)展起來的 痕量灌溉新技術(shù) 存在的一些問題提出了質(zhì)疑 本刊編輯部 收到投稿后先后匿名送 13 位小同行專家評議 包括灌溉技術(shù) 灌溉設(shè)備 土壤學(xué) 土壤 水動力學(xué) 導(dǎo)水材料等領(lǐng)域的專家 以期得到對該文客觀全面的評價 審核結(jié)果 3 位 審稿專家退審 共收到 10 位專家的審稿意見 其中 有 5 位審稿專家對該文給出肯定意 見 同意發(fā)表 3 位持否定意見 2 退稿 1 改投他刊 2 位專家認(rèn)為修改后再審 可見行 業(yè)內(nèi)對此技術(shù)頗有爭議 每位審稿專家都提出了該文的問題及對該文進(jìn)行修改完善較好 的意見 在處理稿件的過程中編者深深體會到作者及審稿專家追求科學(xué) 勇于探索的精 神和勇于擔(dān)當(dāng)?shù)纳鐣?zé)任感 秉承 百花齊放 百家爭鳴 的辦刊宗旨 本刊決定刊出 痕量灌溉 理論支撐與技術(shù)特點(diǎn)的質(zhì)疑 以激發(fā)對此問題進(jìn)一步的探討和研究 促 進(jìn)我國節(jié)水灌溉技術(shù)的健康發(fā)展和完善 鑒于評審意見有相當(dāng)?shù)囊姷?本刊編輯部擬將 在征得審稿專家同意的基礎(chǔ)上 在后續(xù)期刊中集中刊出對該文的審稿意見 歡迎各位專 家學(xué)者參與討論 希望在討論和爭鳴中推動節(jié)水技術(shù)的健康發(fā)展 借此機(jī)會征集爭鳴與討論的觀點(diǎn)及論文 有關(guān)該論文及其他涉及本刊內(nèi)容 爭鳴與討論的文稿請發(fā)送至王柳郵箱 wangliu tcsae org 爭鳴與討論 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 年 2 1 痕量灌溉 1 1 自適應(yīng)灌溉的控水原理 文獻(xiàn) 3 認(rèn)為 痕量灌溉是基于土壤毛細(xì)管原理和膜 過濾技術(shù)的灌溉系統(tǒng) 痕量灌溉技術(shù)的核心在于其可以 實(shí)現(xiàn) 自適應(yīng) 作用的灌水器 痕量灌水器由具有良好 導(dǎo)水性能的微米級纖維束 原文稱毛細(xì)管束 和具有過 濾功能的痕灌膜 也叫濾膜 組成 如圖 1 所示 埋 在根系附近 纖維束兩端分別連接充滿水的管道和土壤 毛細(xì)管 連接土壤毛細(xì)管的一端可以感知土壤水勢變化 從而使作物 土壤 灌溉系統(tǒng)形成一個水勢平衡系統(tǒng) 當(dāng)作 物吸水導(dǎo)致根系周圍水勢降低時 痕灌灌水器內(nèi)的水不 斷以毛細(xì)管水的形式 通過纖維束間空隙和土壤毛細(xì)管 以微小的速度 10 200 mL h 輸送到植物根系附近的土 壤并流向根系周圍 直至作物 土壤 灌水器系統(tǒng)水勢重新 達(dá)到平衡 作物停止吸水 毛細(xì)管水不再流出 痕量 灌溉技術(shù)以毛細(xì)管力為基礎(chǔ)力 只需要配合一定重力 1 2 m 水壓 即可實(shí)現(xiàn)對植物的長期穩(wěn)定供水 2 出水 量可以和植物的需水量相匹配 2 圖 1 痕量灌溉灌水器結(jié)構(gòu)示意圖 4 Fig 1 Schematic diagram of water control tip of trace quantity irrigation 1 2 抗堵原理 根據(jù)文獻(xiàn) 2 3 痕量灌溉控水頭依靠濾膜和纖維束 之間的巧妙配合來防止滴頭堵塞 濾膜面積大可以降低 過膜流速 而濾膜上的微小孔徑可以大幅提高過濾精度 使灌溉水中物理雜質(zhì)被阻滯在濾膜上游 不會阻擋緩速 的水流 濾膜攔截的雜質(zhì)會受到來自管道中動蕩水流的 擾動 無法附著在濾膜上 輸配水管網(wǎng)淺埋于地下后 遮光 低溫 有效避免了灌溉水中化學(xué)物質(zhì)結(jié)晶析出 藻類及其他微生物生長 有效避免了生物性 化學(xué)性堵 塞 此外 灌水器內(nèi)的纖維束間隙 即流道 遠(yuǎn)小于植 物根系直徑 完全杜絕因植物根系伸入出水流道引起的 堵塞 同時 纖維束間隙遠(yuǎn)大于濾膜孔徑 能通過濾膜 的小顆粒及離子也能通過纖維束間隙進(jìn)入土壤 保證纖 維束不堵塞 痕量灌溉灌水器可以長久不堵塞 3 2 幾個問題討論 2 1 關(guān)于毛細(xì)管力是痕量灌溉技術(shù)的基礎(chǔ)力 有文獻(xiàn) 2 3 認(rèn)為 痕量灌溉基于纖維束間和土壤的 毛細(xì)管力 或者說 痕量灌溉技術(shù)以毛細(xì)管力為基礎(chǔ)力 然而 毛細(xì)管力真的是基礎(chǔ)力嗎 2 1 1 毛細(xì)管現(xiàn)象與毛細(xì)管力的基本特征 眾所周知 將一根內(nèi)徑足夠小的直管插入水中 水 會沿管壁上升到最大高度 h m 本文僅討論水能夠浸潤管 壁的情況 這就是水的毛細(xì)管現(xiàn)象 圖 2a 所示為毛細(xì) 管長度 L 大于水面上升高度 h m 的情況 其實(shí)質(zhì)是水氣之 間的凹形界面 簡稱 凹液面 表面張力 F 在鉛錘方向 的分力 即毛細(xì)管力 與管內(nèi)高度為 h m 的水柱所受重力 相等 即 2 2cos nm RRh 或 2cos mn hR 1 式中 為水的容重 為表面張力系數(shù) n 為水與該材 質(zhì)管壁的最小接觸角 R 為毛細(xì)管半徑 h m 為毛細(xì)管水 上升的最大高度 從圖 2a 可以看出 1 凹液面是毛細(xì)管現(xiàn)象和毛細(xì)管力存在的必要條 件 一旦凹液面消失 毛細(xì)管力就不存在了 也就沒有 毛細(xì)管現(xiàn)象 2 毛細(xì)管水是指由毛細(xì)管力懸吊著的靜態(tài)水柱 一 旦在其他力作用下形成了連續(xù)水流 管內(nèi)的凹液面 毛 細(xì)管力都立即消失 所以連續(xù)水流不是毛細(xì)管水 毛細(xì) 管力不是形成連續(xù)水流的動力 灌溉系統(tǒng)在灌水時均為 連續(xù)出流 從系統(tǒng)進(jìn)口到滴頭出口都不存在毛細(xì)管現(xiàn)象 和毛細(xì)管力 毛細(xì)管力不可能成為任何灌溉 包括痕量 灌溉 技術(shù)的基礎(chǔ)力 3 因毛細(xì)管水中的壓強(qiáng) 0 如無其他力的作用 二根毛細(xì)管連接在一起是不可能無縫的 如果通過外力 使其成為一根水柱 無縫連接 那么 下端管的凹液 面消失 二根管中的水重將全部由上端管的毛細(xì)管力來 懸吊 也就是說毛細(xì)管力是不可疊加的 4 水與氣的界面以下 是水的飽和區(qū) 只有在水飽 和區(qū)內(nèi)才可能出現(xiàn)毛細(xì)管現(xiàn)象 5 毛細(xì)管現(xiàn)象中的管壁是不透水的 也就是說沒有 透過管壁的水交換是毛細(xì)管現(xiàn)象的側(cè)向邊界條件 注 L 為毛細(xì)管長度 h m 為水上升最大高度 R 為毛細(xì)管半徑 F 為毛管力 h 為水上升高度 n 為水與該材質(zhì)管壁的最小接觸角 為水與管壁的接觸角 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 圖 2 毛細(xì)管現(xiàn)象示意圖 Fig 2 Sketch of capillary phenomenon 第 6 期 張國祥等 痕量灌溉 理論支撐與技術(shù)特點(diǎn)的質(zhì)疑 3 圖 2b 示出了毛細(xì)管長度 L h m 的情況 此時水會從 管頂流出來嗎 答案是否定的 因?yàn)槿绻畯墓茼斶B續(xù) 流出 意味著不消耗任何能量卻對水做了功 亦即出現(xiàn) 了一臺永動機(jī) 這與能量守恒定律相違背 需要指出 此時水對管壁浸潤的最高點(diǎn)為管頂 并同樣遵循毛細(xì)管 力與管內(nèi)高度為 h 的水所受重力相等 即 2 2 cos RRh 或 2cos hR 2 式中 h 為當(dāng) L h m 時 水的上升高度 為當(dāng) L h m 時 水與管壁的接觸角 且 n 90 從圖 2b 可以看出 1 n 僅取決于液體種類和管壁材質(zhì) 而 還取決于 毛細(xì)管長度 L 2 在 L h m 的情況下 毛細(xì)管力小于最大值 且與 h 成正比 h 與 L 很接近 2 1 2 灌水器內(nèi)的毛細(xì)管力對灌水的作用可以忽略 筆者認(rèn)同 痕灌灌水器內(nèi)的微米級纖維束之間的空 隙 可能形成異形斷面細(xì)管束 有出現(xiàn)毛細(xì)管現(xiàn)象的可 能 然而 1 痕灌灌水器的纖維束長度僅約 5 mm 屬于 L h m 的情況 也就是說其毛細(xì)管力最大也就是管內(nèi) 5 mm 高水 柱的重量 這與文獻(xiàn) 2 所提 配合 1 2 m 水壓 相比 僅占 0 25 0 5 與哈密試點(diǎn)痕灌管進(jìn)口水頭為 5 7 5 和 10 m 相比 更是微不足道 2 一旦水從灌水器連續(xù)出流 纖維束間細(xì)管中的凹 液面就消失 毛細(xì)管力也就消失了 在整個灌水期間灌 水器都是連續(xù)出流 故毛細(xì)管力只在纖維束上游端剛接 觸水流 至纖維束下游端流出水這一短暫的時間 幾秒 鐘 內(nèi)存在 整個出流期間 痕灌灌水器內(nèi)沒有毛細(xì)管力 可見 灌水器內(nèi)纖維束間細(xì)管的毛細(xì)管力既微小 又極 為短暫 對灌水的作用基本可以忽略 不可能成為基礎(chǔ)力 2 1 3 小流量點(diǎn)水源出口處土壤是否有毛細(xì)管現(xiàn)象尚 待研究證實(shí) 土壤中水的毛細(xì)管現(xiàn)象 是指 在毛細(xì)管力的作用 下 潛水沿著土壤微細(xì)空隙上升到一定高度 在這個高 度以下 土壤是飽和的 4 如把土壤中沿錘向微細(xì)空隙視 為管的話 其管壁是開放的 可透水 可能有透過管 壁的水交換 這不符合毛細(xì)管現(xiàn)象的側(cè)向邊界條件 然 而 由于潛水位通常有一定的面積規(guī)模 除去周邊一定 范圍之外的中間部分 可以近似地看作沒有側(cè)向的水交 換 類同于管壁不透水 這可能是前人用毛細(xì)管現(xiàn)象來 解釋潛水升高的前提 然而 地下滴灌與痕量灌溉均為點(diǎn)水源灌溉 水分 以灌水器出口為中心向周邊空間 土壤 擴(kuò)散 不可能 形成單向的水分?jǐn)U散條件 也就不具備形成毛細(xì)管水的 側(cè)向邊界條件 又因滴頭出口處土壤的水飽和區(qū)范圍很 小 而痕量灌溉灌水器流量更小 土壤水飽和區(qū)的范圍 必然更小 水的毛細(xì)管現(xiàn)象即使存在 其范圍也極小 在小流量點(diǎn)水源的條件下 土壤中是否有毛細(xì)管現(xiàn)象 未見到過相關(guān)報(bào)道 所以 微小流量的灌水器出口土壤 中是否存在毛細(xì)管現(xiàn)象尚待證實(shí) 即使存在 它在水分 運(yùn)移中起多大作用更待研究 因此 認(rèn)為土壤中的毛細(xì) 管力是痕灌技術(shù)的基礎(chǔ)力 目前還沒有依據(jù) 2 2 關(guān)于自適應(yīng)灌溉 2 2 1 痕量灌溉所稱 自適應(yīng)灌溉 的含義 自適應(yīng)現(xiàn)象 筆者的理解是 一個處于平衡狀態(tài)的 系統(tǒng) 如某個重要因素發(fā)生變化 系統(tǒng)在經(jīng)歷過渡過程 之后 會自動達(dá)到新的平衡狀態(tài) 這種現(xiàn)象自然界廣泛 存在 不勝枚舉 對于灌水與作物之間 作物會對灌水 是否適時 適量自動做出反應(yīng) 即作物會自適應(yīng)于灌水 的時和量 如果灌水不能滿足作物最低生存條件 作物 的反應(yīng)是死亡 如果完全按照作物實(shí)時需水規(guī)律供水 作物的反應(yīng)是最高產(chǎn)量 這些都是自適應(yīng)現(xiàn)象 所以自 適應(yīng)并不表示最優(yōu) 痕量灌溉所稱的 自適應(yīng)灌溉 其含義是 出水量可以和植物的需水量相匹配 2 的自 適應(yīng) 也就是說 灌水系統(tǒng)能實(shí)時地按照作物需水規(guī)律 來供水 并及時到達(dá)作物根區(qū) 實(shí)現(xiàn)作物耗水與需水的 高度一致 這是自適應(yīng)現(xiàn)象中的最高境界 如果真能做 到 將確實(shí)是開創(chuàng)性的技術(shù)成果 2 2 2 痕量灌溉的灌水器沒有比地下滴灌灌水器有更 多的功能 靠什么來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)灌溉 文獻(xiàn) 3 認(rèn)為 痕量灌 溉技術(shù)的核心在于其可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)作用的灌水器 痕 灌灌水器出水口的毛細(xì)管束結(jié)構(gòu)正是利用了這一原理 筆者注 指毛細(xì)管現(xiàn)象 達(dá)到作物需水觸動式自適應(yīng)自 由供水效果的 對此 筆者不能認(rèn)同 1 本文第 2 1 節(jié)已經(jīng)闡明了毛細(xì)管現(xiàn)象與毛細(xì)管力 的基本特征 灌水器中的毛細(xì)管力很小且僅在數(shù)秒鐘內(nèi) 存在 對灌水器出水的作用基本 可以忽略 尤其是哈密試 點(diǎn) 其灌水器出口向下 痕灌管進(jìn)口水頭為 5 10 m 水 壓力才是其出流的動力 文獻(xiàn) 3 的觀點(diǎn) 源自對毛細(xì)管 現(xiàn)象與毛細(xì)管力的錯誤認(rèn)識 既然出流狀況下沒有毛細(xì)管力 內(nèi)裝纖維束的痕灌 控水頭只是滴頭的一種結(jié)構(gòu)形式 它與其他結(jié)構(gòu)形式的 滴頭相同 水力性能遵循 Q AH x 3 式中 Q 為滴頭流量 A 為系數(shù) H 為滴頭進(jìn)出口的水頭 差 x 為水頭指數(shù) 痕灌灌水器與地下滴灌任何結(jié)構(gòu)形式 的滴頭相比 沒有任何新的功能 靠它來實(shí)現(xiàn)最高境界 的 自適應(yīng)灌溉 毫無依據(jù) 2 關(guān)于 需水觸動 筆者的理解是 當(dāng)作物需水 而供水不足時 土壤會出現(xiàn)某種程度的干旱表達(dá) 埋設(shè)在 土壤中的張力計(jì)會顯示出負(fù)壓值 這個負(fù)壓值假定會傳遞 到灌水器出口 從而使灌水器的流量發(fā)生變化 土壤越干 旱 即土水勢的負(fù)壓絕對值越大 灌水器流量也將越大 如上所述 包括痕灌灌水器在內(nèi)的所有滴頭 其水 力性能均可由式 3 來表達(dá) 地表滴頭出口為大氣 壓 強(qiáng)為 0 故 H 即為滴頭進(jìn)口水頭 地下滴灌的出口在 土壤中 出口可為正壓或零壓 筆者于 70 年代末在山西 陽城上李村田間測到地下滴頭出口有 0 8 m 水頭 原因在 于滴頭流量太大 4 L h 超過了土壤的水分?jǐn)U散能力 導(dǎo)致滴頭出口處水壓增高 既減小滴頭流量 又增大土 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 年 4 壤水分?jǐn)U散能力 以達(dá)平衡 如果滴頭流量小于土壤水 分的擴(kuò)散能力 那么滴頭出口就是零壓 美國堪薩斯州 地下滴灌面積大 應(yīng)用時間長 所用滴頭的流量多在 1 L h 以下 目前最小的為 0 5 L h 就沒有發(fā)現(xiàn)過地下出流 與地面出流的滴頭流量有何不同 滴頭出口如果為負(fù)壓 文獻(xiàn) 2 是指干旱條件下土壤的張力或作物根系的吸力所 致 對此需要進(jìn)一步討論 其一 如果滴頭出口有負(fù)壓 由式 3 可見 H 將 增大 從而導(dǎo)致滴頭流量增大 這可能就是文獻(xiàn) 2 所說 的 可以感知土壤水勢變化 然而 這不是痕灌灌水器 所專有 也不是纖維束結(jié)構(gòu)滴頭所特有 而是地下滴頭 共有的水力性能 其二 文獻(xiàn) 2 沒有說明土壤水勢變化 是由什么指 標(biāo)來實(shí)現(xiàn)灌水器 感知 的 負(fù)土水勢和張力計(jì)所測負(fù) 壓 僅表示土壤在該含水量時作物吸水的難易程度 并 不表示土壤中有與其相等的負(fù)壓存在 若將真空壓力表 測壓口插入土壤中 是測不到負(fù)壓值的 因此 痕量灌 溉 提出者應(yīng)說明纖維束出口是通過什么指標(biāo)來 感知 土壤的水勢變化 該不會是把土水勢與土壤中的負(fù)壓等 同吧 其三 即使灌水器出口能 感知 土水勢 一旦滴 頭連續(xù)出水 滴頭出口處土壤很快飽和 土水勢迅速升 高并趨于零 盡管作物尚未吸足水 滴頭流量也會很快 減小 靠灌水器 感知 土水勢 也不可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時地 按照作物需水規(guī)律供水 最后 文獻(xiàn) 3 在自適應(yīng)論述中還認(rèn)為 直至 作物 土壤 灌水器系統(tǒng)水勢重新達(dá)到平衡 作物停止吸 水 毛細(xì)管水不再流出 就是說 此時雖然痕灌系統(tǒng) 并未關(guān)閉 痕灌灌水器將自動停止出水 但這更是不可 能的 因?yàn)橹灰喔认到y(tǒng)不關(guān)閉 痕灌系統(tǒng)內(nèi)的重力與 壓力仍在 灌水器還將遵循式 3 繼續(xù)工作 除滿足作 物耗水外 灌水的去向還可以為深層滲漏 地面積水蒸 發(fā)及徑流損失 2 2 3 已有試驗(yàn)資料不支持痕量灌溉實(shí)現(xiàn)了 自適應(yīng)灌溉 專業(yè)從事痕灌技術(shù)理論研究 產(chǎn)品與技術(shù)開發(fā) 工 程設(shè)計(jì)及施工的北京普泉科技有限公司已成立 10 a 痕量 灌溉技術(shù)試點(diǎn)范圍已擴(kuò)展到 10 省 區(qū) 市 2 發(fā)表了 一批試點(diǎn)的技術(shù)論文 很遺憾 沒有看到有支撐其具有 自適應(yīng)灌溉 功能的試驗(yàn)資料 痕灌系統(tǒng)如果能夠做到實(shí)時地按照作物需水規(guī)律來 供水的 自適應(yīng)灌溉 在極端干旱區(qū) 如哈密 灌水 流量時程線應(yīng)該與作物耗水強(qiáng)度時程線基本一致 比如 作物在白天和晚上 冬天和盛夏耗水強(qiáng)度會有很大差別 那么這種差別應(yīng)該在灌水器流量的日和月時程線上得到 反映 新疆水利水電科學(xué)研究院的報(bào)告 2 中 提供了 2014 年在哈密市節(jié)水實(shí)驗(yàn)中心棗園內(nèi)測得的痕量灌溉滴頭流 量日變化圖 見圖 3 可以看出 測試時間段 12 h 內(nèi)滴頭流量的變化不超過 7 尤其是處理 2 滴頭流量白 天平穩(wěn) 21 00 左右達(dá)最大 這與作物耗水規(guī)律不符 報(bào) 告認(rèn)為 從日變化圖上看 不同處理的流量在日內(nèi)各 時刻均較穩(wěn)定 基本不受作物蒸騰變化的影響 2 不支 持痕量灌溉能實(shí)現(xiàn) 自適應(yīng)灌溉 再者 目前只有痕量灌溉自稱可做到 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 有利于作物高產(chǎn) 但文獻(xiàn) 5 提供的溫室 草酶產(chǎn)量痕灌低于滴灌的資料 也不支持痕灌實(shí)現(xiàn)了 自 適應(yīng)灌溉 注 供水水頭 7 5 m 處理 2 為順坡供水 順坡 350 m 逆坡 150 m 處理 4 為雙側(cè)供水 一側(cè) 300 m 另一側(cè) 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 圖 3 痕灌灌溉滴頭流量日變化 2 Fig 3 Daily change in flow velocity of trace quantity irrigation system 痕量灌溉與地下滴灌的滴頭埋深基本一致 土壤及作 物對水分運(yùn)移的影響也相同 已經(jīng)實(shí)踐了 30 多年的地下 滴灌 沒有數(shù)據(jù)證明其實(shí)現(xiàn)了灌水的 自適應(yīng) 痕量灌 溉只是換用了 3 5 mm 長微米級纖維束的灌水器 就認(rèn)為 可實(shí)現(xiàn) 自適應(yīng)灌溉 很可能是理論認(rèn)識上的錯誤 2 3 關(guān)于滴頭堵塞 從文獻(xiàn) 2 3 所述解決了地下小流量灌溉堵塞問題的 論述中表明 相關(guān)作者對微灌堵塞問題的了解并不深入 從過濾的角度看 微灌系統(tǒng)采用集中過濾 過濾器 過濾元件可沖洗與更換 故只存在滴頭堵塞問題 痕灌 系統(tǒng)將過濾分散到每個灌水器的進(jìn)口 失去了沖洗與更 換的條件 因此存在著濾膜和纖維束間隙流道二處的堵 塞問題 2 3 1 如何理解 ISO 短周期堵塞測試程序 的試驗(yàn)結(jié)果 2013 年北京普泉公司將痕灌控水頭送中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 做短周期 8 h 滴頭堵塞檢測 檢測結(jié)果表明隨著泥 沙濃度加大 滴灌對照流量逐漸下降 在第 4 階段之后 發(fā)生堵塞 而痕量灌溉在整個試驗(yàn)過程中無堵塞發(fā)生 由此可見痕量灌溉具有很好的抗堵性 2 筆者認(rèn)為 這 是對試驗(yàn)結(jié)果的錯誤解讀 1 ISO 標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定 短周期堵塞測試程序 的測 試目的為 這種測試方法主要用來測試滴頭讓某尺寸 粒徑的固體顆粒通過或阻止其通過的能力 著眼于了解 滴頭內(nèi)部最小的過流尺寸 以及建立對過濾系統(tǒng)尺寸要 求的指導(dǎo) 可見 它不是用來評價灌水器抗堵塞性能 的依據(jù) 測試中被測滴頭上游不裝過濾器 泥沙將全部 通過被測滴頭流道 滴頭處于完全不設(shè)防 非工作 狀 態(tài) 痕灌把過濾設(shè)在灌水器進(jìn)口并與控水頭成為一體 第 6 期 張國祥等 痕量灌溉 理論支撐與技術(shù)特點(diǎn)的質(zhì)疑 5 試驗(yàn)中痕灌控水頭處于全設(shè)防 正常工作 狀態(tài) 只有 通過濾膜的顆粒才通過纖維束間流道 對照雙方的工作狀 態(tài)完全不對等 以此來評判 2 抗堵性能誰優(yōu)誰劣 完全沒有 說服力 也就是說痕灌控水頭做此對比測試毫無意義 2 如果把濾膜去除 使其也處于不設(shè)防 非工作 狀態(tài)再行測試 最先堵塞的一定是痕灌控水頭 當(dāng)然 也不應(yīng)由此得出痕灌灌水器抗堵塞性能最差的結(jié)論 3 文獻(xiàn) 2 公布的短周期堵塞測試結(jié)果見圖 4 可以 看到 隨試驗(yàn)階段的進(jìn)展 滴頭的流量是漸減的 而痕 灌控水頭的流量卻是漸增的 流量漸減是正常的 漸增 卻是異常的 只有流道斷面積在逐漸增大 才可能出現(xiàn) 流量遞增的結(jié)果 那么什么情況下流道斷面積會增大 筆者認(rèn)為很可能是 纖維束間流道出現(xiàn)了堵塞點(diǎn) 堵塞 點(diǎn)上游的水壓力大幅增大 動水壓變成靜水壓 受壓面 積增大 堵塞點(diǎn)周邊的纖維在水壓力的推動下滑出灌 水器 從而增大了過流面積 這種局部堵塞陸續(xù)發(fā)生 致使出現(xiàn)流量漸增的結(jié)果 痕灌控水頭在試驗(yàn)中其實(shí)已 經(jīng)出現(xiàn)堵塞 并造成了控水頭損壞 注 檢測根據(jù) ISO TC23 SC18 WG5 N4 Note Test is based on ISO TC23 SC18 WG5 N4 圖 4 痕量灌溉抗堵塞性能檢測結(jié)果 2 Fig 4 Result of anti clogging performance test of trace quantity irrigation system 2 3 2 濾膜的堵塞問題 國際微灌界對過濾精度的選擇 普遍按過濾孔基 本尺寸為流道最小直徑的 1 7 1 10 來考慮 有關(guān)痕 量灌溉的文獻(xiàn)中未見報(bào)道纖維直徑 纖維束間隙面積 及濾膜孔徑等數(shù)據(jù) 筆者按纖維直徑為 10 m 微米 級纖維 3 來估算 其濾孔直徑約在 0 16 0 20 m 屬于微濾膜 眾所周知 膜過濾凈水機(jī)的微濾膜和超濾膜都有堵 塞問題 需要沖洗或更換 在哈密會議上中國農(nóng)大李光 永教授交流了痕灌濾膜被紅色沉積物堵塞的實(shí)例照片 文獻(xiàn) 10 提供了多種微濾膜抗堵塞措施等 均說明濾膜是 會堵塞的 文獻(xiàn) 2 認(rèn)為 雜質(zhì)被緩慢地堆積在痕灌膜表 面 而無法堵塞膜孔 不知有何根據(jù) 膜過濾還存在以下情況 1 膜的孔徑要比微灌過濾 孔小很多 僅為 120 目網(wǎng)過濾器基本尺寸的 0 13 濾孔 越小對化學(xué)堵塞越敏感 而且相同水質(zhì)條件下 被攔截 的物理雜質(zhì)比滴灌數(shù)量要多 甚至多得多 2 痕灌管埋 于地下 濾膜無法沖洗與更換 被攔截的物理雜質(zhì)沒有 出路 3 粒徑 5 m 的顆粒為黏粒 濾膜攔截的雜質(zhì)中 含有黏粒 會降低濾膜上游沉積物的透水性 4 盡管痕 量灌溉宣稱 作物全生育期都灌水 但在二茬作物之間 總會有停灌的時段 在北方冬天停灌 不僅有可能產(chǎn)生 溶質(zhì)析出 而且為膜上游面沉積物固結(jié)提供了條件 總之 痕灌系統(tǒng)需要在地下長期工作 日積月累 隨著時間的推移 發(fā)生膜堵塞的幾率會越來越大 需要 不同水質(zhì)條件下的長期觀測資料來驗(yàn)證 2 3 3 纖維束間隙流道的堵塞問題 按纖維直徑為 0 01 mm 估算 纖維束間每條流道的 面積 約為直徑 1 mm 微灌滴頭流道面積的 10 萬分之 5 下面僅提出二種可能堵塞的情況 1 目前痕灌纖維束間隙是最小的 微潤管的孔徑不 清 流道 如前所述 對化學(xué)堵塞應(yīng)該極為敏感 痕灌 系統(tǒng)每年都有一段或數(shù)段時間停灌 這給水中溶質(zhì)析出 提供了機(jī)會 2 即使如文獻(xiàn) 2 所述 能通過濾膜的小顆粒及離 子也能通過纖維束間隙進(jìn)入土壤 也還有堵塞的可能 絕大多數(shù)情況下毛管是有坡度的 也就是說痕灌灌水器 的埋深雖可一致 但各個灌水器的高程各異 當(dāng)系統(tǒng)節(jié) 制閥門關(guān)閉后 閥下游的管系內(nèi)還有余水 灌水器仍在出 水 位于順坡毛管上游 或逆坡毛管下游 的灌水器會比 下游 或上游 灌水器早斷水 毛管內(nèi)水位不斷降低 又 無補(bǔ)氣通道 管內(nèi)定會呈現(xiàn)負(fù)壓 出現(xiàn)負(fù)壓吸泥現(xiàn)象 正 好灌水器出口土壤中 有通過濾膜與纖維束間流道的小直 徑顆粒 黏粒 會隨水一起被吸入纖維束間流道 黏粒 有聚凝作用 并在停灌期間失水 造成纖維束間流道的堵 塞 這種現(xiàn)象早已被微灌滴頭的實(shí)際所證實(shí) 總之 痕量灌溉灌水器可以長久不堵塞 3 的結(jié)論 顯 得太過草率 2 4 關(guān)于節(jié)水 2 4 1 痕量灌溉所宣傳的節(jié)水效果 從現(xiàn)有文獻(xiàn)中摘錄出痕量灌溉比其他灌溉方式的節(jié) 水增產(chǎn)效果 見表 1 總體而言 它比常規(guī)滴灌節(jié)水 22 63 比畦灌節(jié)水 39 44 比溝灌節(jié)水 40 50 比減量滴灌節(jié)水 0 51 2 2 4 2 痕量灌溉試點(diǎn)選錯了比較對象 眾所周知 地下灌溉可以減少地表蒸發(fā) 設(shè)施不占 耕地 故與地面灌溉相比 具有節(jié)地 節(jié)水等突出優(yōu)點(diǎn) 痕量灌溉為地下灌溉技術(shù) 其主要比較對象應(yīng)為地下滴 灌 可現(xiàn)有試點(diǎn)資料中唯獨(dú)沒有地下滴灌 2 4 3 所發(fā)表的節(jié)水結(jié)論性資料科學(xué)性不足 國家和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對灌溉試驗(yàn)有明確的規(guī)定 但 所見文獻(xiàn)中沒有相應(yīng)的說明 1 試驗(yàn)條件中未說明 底部是否隔絕了地下水補(bǔ)給 側(cè)向是否阻斷了水分流通 2 未說明耗水量中是否計(jì)入了播種與收獲時的土壤 水分增 減 量 3 大田條件下 有沒有計(jì)入降雨 4 多數(shù)文獻(xiàn)中把灌水量之差作為節(jié)水量 進(jìn)而算出 節(jié)水率 不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 年 6 2 4 4 地下灌溉短時段 3 a 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)極可能造 成判斷錯誤 筆者之一曾于 20 世紀(jì) 70 年代末做過 0 2 hm 2 3 畝 大田地下滴灌試驗(yàn) 毛管 含滴頭 埋深在 40 cm 犁底 層下 第 1 年每次灌水 20 m 3 667 m 2 地面可見濕潤斑 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 地面也不見濕 經(jīng)開挖檢查分析認(rèn)為 因 無配套的開溝機(jī) 管溝寬達(dá) 20 cm 鐵锨寬度 管溝打 破犁底層 顯著改善了水分向上運(yùn)移的條件 隨著時間推 移 犁底層逐漸再形成 水分向上運(yùn)移的條件逐年變差所 致 目前發(fā)表的文獻(xiàn)基本上是第 1 年的試驗(yàn)結(jié)果 是濾膜 攔截的雜質(zhì)數(shù)量最少 水分運(yùn)移條件最優(yōu)時的結(jié)果 憑此 就下結(jié)論 極易出現(xiàn)誤判 因此 地下灌溉 包括痕灌 的節(jié)水 增產(chǎn)效果需要用第 4 5 年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來證實(shí) 表 1 痕量灌溉與其他灌溉技術(shù)對作物節(jié)水及產(chǎn)量影響的比較 Table 1 Comparisons of percentage of water saving and yields of crops 作物 Crops 種植環(huán)境 Cultivation environment 處理 灌水 Irrigation amount m 3 hm 2 節(jié)水率 Water saving percentage 產(chǎn)量 Yield kg hm 2 增產(chǎn) Yield increase 資料源于文獻(xiàn) Literature source 蘿卜 痕量灌溉 常規(guī)滴灌 720 0 1 290 0 43 78 795 71 985 9 2 3 葉用萵苣 痕量灌溉 常規(guī)滴灌 793 5 1 512 0 47 76 200 73 500 4 3 青花菜 痕量灌溉 常規(guī)滴灌 631 5 1 435 5 56 14 685 15 670 6 3 球莖茴香 痕量灌溉 常規(guī)滴灌 576 0 1 386 0 58 22 905 18 600 14 3 6 大桃 溫室 痕量灌溉 常規(guī)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 溝灌 2 492 5 085 40 50 8 生菜 溫室 痕量灌溉 常規(guī)滴灌 減量滴灌 40 1 63 比滴灌 0 51 2 比減量 0 9 草莓 溫室 痕量灌溉 常規(guī)滴灌 微潤灌溉 45 比滴灌 18 85 0 比滴灌 23 49 比微潤灌溉 2 5 2 4 5 哈密試點(diǎn)棗園的痕灌系統(tǒng)可能供水不足 哈密試點(diǎn)棗園 28 hm 2 420 畝 棗樹行距 3 m 滴 頭間距 0 33 m 相當(dāng)于每平方米 1 個滴頭 按廠家提供 滴頭在 10 m 水頭下的流量為 0 11 L h 估算 日 24 h 灌水量為 2 64 L m 2 相當(dāng)于日灌水深 2 64 mm 對于進(jìn) 口水頭為 5 m 的方案 滴頭流量為 0 06 L h 日灌水深僅 1 44 mm 筆者估計(jì)在哈密盛果期棗樹的月平均日耗水強(qiáng) 度峰值至少應(yīng) 4 mm 對于地下滴灌 因此供水不足在 所難免 痕灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有考慮這一問題 3 結(jié) 論 應(yīng)該肯定 痕量灌溉對更小流量供水和膜過濾在地 下滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用做了有益的嘗試 但是在一些基本 問題未搞清之前 輕率地提出 2 在理論方面 痕量灌 溉以全新的原理實(shí)現(xiàn)了出水量與植物的需水量相匹配 使學(xué)術(shù)界重新審視植物的真實(shí)需水量 將改寫植物生理 農(nóng)田水利 作物栽培等學(xué)科的論述 運(yùn)用痕量灌溉技術(shù) 可以精確地控制土壤含水量 痕量灌溉技術(shù)的發(fā)展 使中國第一次站在國際節(jié)水灌溉技術(shù)的前沿 將引領(lǐng)下 一輪節(jié)水灌溉創(chuàng)新 等 這不是科學(xué)的態(tài)度 1 根據(jù)毛細(xì)管現(xiàn)象的基本特征 痕灌灌水器及小流 量點(diǎn)水源的實(shí)際 毛細(xì)管力不可能成為灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)力 2 土水勢與土壤內(nèi)的負(fù)壓是不能等同的二個量 土 水勢目前還不能被滴頭出口所感知 痕量灌溉能實(shí)現(xiàn)與 作物需水相匹配的 自適應(yīng)灌溉 缺乏依據(jù) 3 濾膜及纖維束滴頭流道可以長久不堵塞的結(jié)論 顯得過于草率 4 地下灌溉需要用第 4 5 年的試點(diǎn)資料來驗(yàn)證其 節(jié)水 抗堵及增產(chǎn)效果 才比較可信 5 根據(jù)國際微灌界的共同認(rèn)知 流量不大于 12 L h 的灌水器統(tǒng)稱為滴頭 痕量灌溉應(yīng)歸屬于地下滴灌 只 是用了膜過濾和纖維束結(jié)構(gòu)的滴頭 總之 痕量灌溉作為新提出來的灌水技術(shù) 其理論 和技術(shù)本身存在諸多問題 失敗的風(fēng)險(xiǎn)很大 該技術(shù)尚 處于原理探索階段 目前最需要的是補(bǔ)做技術(shù)原理的小 面積試驗(yàn)驗(yàn)證 離中試或大面積推廣應(yīng)用距離尚遠(yuǎn) 參 考 文 獻(xiàn) 1 李光永 世界微灌發(fā)展態(tài)勢 J 節(jié)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 華中科技大學(xué)痕 量灌溉研究中心 新疆水利水電科學(xué)研究院 極端干旱區(qū) 痕量灌溉適宜性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場會資料匯編 R 新疆哈密 2014 3 張銳 劉潔 諸鈞 等 實(shí)現(xiàn)作物需水觸動式自適應(yīng)灌溉 的痕量灌溉技術(shù)分析 J 節(jié)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 張國祥等 痕量灌溉 理論支撐與技術(shù)特點(diǎn)的質(zhì)疑 7 self adaptive function J Water Saving Irrigation 2013 1 48 51 in Chinese with English abstract 4 張建國 趙惠君 地下水毛細(xì)上升高度及確定 J 地下水 1988 8 135 139 5 董瑾 新型節(jié)水設(shè)備及其在溫室草莓上的應(yīng)用效果對比 J 農(nóng)業(yè)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 諸鈞 金基石 楊春祥 等 痕量灌溉對溫室種植球莖茴 香產(chǎn)量 干物質(zhì)分配和水分利用率的影響 J 排灌機(jī)械工 程學(xué)報(bào) 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 周繼華 諸鈞 等 痕量灌溉在溫室大桃上的應(yīng) 用 J 中國園藝文摘 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 劉學(xué)軍 周立華 張建忠 等 葡萄痕量灌溉技術(shù)試驗(yàn)研 究 J 水資源與水工程學(xué)報(bào) 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 method 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