比滴灌更節(jié)水的灌溉技術——痕量灌溉

我國是一個極度缺水的國家，已被列入全世界13個人均水資源最貧乏的國家之一，而且分布不均，大量淡水資源集中在南方，北方淡水資源只有南方水資源的1/4。

據(jù)統(tǒng)計，全國600多個城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市也不例外，甚至更為嚴重。目前我國城市供水以地表水或地下水為主，或者兩種水源混合使用，有些城市因地下水過度開采，造成地下水位下降，有的城市形成了幾百平方公里的大漏斗，使海水倒灌數(shù)十公里。由于工業(yè)廢水的肆意排放，導致80%以上的地表水、地下水被污染。

面對如此嚴峻的形勢，國家采取各種政策措施提倡和發(fā)展節(jié)水灌溉技術。目前應用最廣也是最為大家所熟知的便是滴灌節(jié)水技術。滴灌是目前世界上先進的節(jié)水灌溉技術，比管道灌溉節(jié)水55%，比漫灌節(jié)水80%。但是本文要介紹的痕量灌溉卻比滴灌還要節(jié)水40%～60%。

痕量灌溉的技術原理

痕量灌溉是指在滿足植物水分需求的前提下，通過特制的控水頭，將低壓水轉化成極細小的水流，以極其微小的速度（1～200mL/h），均勻、不間斷地直接輸送到植物根系附近的土壤。我們通常所講的常量灌溉是按噸每小時計算的，微量灌溉是按升每小時計算的，而痕量灌溉則是按毫升每小時計算的。

痕量灌溉是依據(jù)土壤毛細管作用原理，結合現(xiàn)代膜過濾技術而研發(fā)的一種新型節(jié)水灌溉技術。它以土壤毛細管力為基礎力，以極其微小的速率直接將水或營養(yǎng)液輸送到植物根系附近，均勻、適量、連續(xù)濕潤植物根層土壤，為植物長久供水。

控水頭是痕量灌溉技術的核心部件。控水頭腔中安裝濾膜，出水口處是很多根毛細管構成的毛細頭。控水頭實現(xiàn)了適量、均勻、連續(xù)不間斷地向植物供水的目標。

當控水頭出水口的毛細管與土壤接觸時，控水頭中的水會被土壤中的毛細孔隙自動抽出，在控水頭內(nèi)部產(chǎn)生相當大的抽水力，迫使進水口處的水通過濾膜后流入控水頭出水口的毛細管中，并再次被土壤吸走。水分進入土壤后，除了毛細管力外，還受到重力和土粒中范德華力的作用，這些為水分移動提供了動力。植物根系吸收水分，根系周圍的土壤中水分減少，控水頭出水口附近較濕潤土壤中的水分在土壤毛細管力、重力和范德華力的作用下擴散到根系周圍土壤中，并最終經(jīng)由根毛區(qū)表皮細胞被植物吸收。

控水頭如何防堵

通過設置合理的濾膜與出水口毛細管頭面積比，降低濾膜的透水流速。當面積比超過臨界值后，濾膜幾乎無法堵塞。在濾膜阻擋下的雜質(zhì)會稀松地堆砌在濾膜表面，不僅不會阻擋緩速的水流，反而會變成一層層新濾膜。更大顆粒的雜質(zhì)由于濾膜微孔過小，也無法堵塞濾膜。尤其是在管道灌溉中使用的普泉控水頭，其濾膜攔截的雜質(zhì)會受到來自管道中動蕩水流的攪擾，雜質(zhì)無法附著在濾膜上，成功避免了物理性堵塞。輸配水管網(wǎng)淺埋于地下后，管道內(nèi)外溫度相對恒定，進而有效避免了灌溉水質(zhì)相對較硬時，化學物質(zhì)結晶析出而附著在管道內(nèi)壁，堵塞控水頭這一現(xiàn)象的發(fā)生

同時，輸配水管網(wǎng)淺埋于地表下，處于黑暗不見光狀態(tài)，故難以為藻類及其他微生物創(chuàng)造適宜生存環(huán)境，有效避免了此類型生物性堵塞問題的發(fā)生。

根系會向控水頭生長，但控水頭的出口處是由很多根并列在一起的表面能強大的納米材料填充而成，且間隙遠遠小于植物根系直徑，從而完全杜絕了植物根系伸入出水口引起的堵塞。管路在負壓存在的情況下可以依靠控水頭繼續(xù)正常抽水運行而不發(fā)生水分倒吸。

技術特點

痕量灌溉具有高效節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)能等環(huán)境友好的特性。痕灌管埋在地下，水分只濕潤作物根系附近土壤，避免了深層滲漏；隨水使用的肥料保留在土壤中或者直接被植物吸收。研究表明，痕量灌溉可比滴灌節(jié)水40%～60%，省肥20%～30%。痕量灌溉系統(tǒng)可以在無電的低壓條件下工作，與滴灌相比，節(jié)省了能源。

水質(zhì)適應性廣。滴灌對水質(zhì)要求較高。當水質(zhì)不良，尤其是含有泥沙、化學沉積物等時，即使安裝首部過濾裝置也無法從根本上解決堵塞問題，不僅增加了系統(tǒng)成本，也極大地限制了滴灌技術的使用范圍。痕量灌溉依靠控水頭特有的膜過濾方式保證控水頭穩(wěn)定工作不堵塞，因此水質(zhì)的適應性更廣。

適用范圍廣。水源和電力條件是某一區(qū)域能否實施灌溉和采取何種灌溉技術的影響因素。微灌需要大容量的水源和持續(xù)電力，特別是過濾和壓力裝置的使用更離不開電力。痕量灌溉依靠控水頭獨有的痕灌膜結合毛細管束結構，自動完成抽水和過濾，因此對水源的適應性更加廣泛，即使在無電力供給的地區(qū)同樣可以出色地完成灌溉任務；痕量灌溉管材輕便、結構簡單、布設容易，能適應各種復雜地形。對于入滲率很低的緊實土壤，可選擇小流量的控水頭，對于保水力差的沙土，可選用大流量的控水頭；除了能適應干旱地區(qū)和保護地栽培外，還可廣泛用于垂直綠化、屋頂綠化、取水不便地區(qū)的生態(tài)改良和防沙治沙等方面。

結構簡單，方便維護。痕量灌溉系統(tǒng)構成簡單，只需要一個貯水器，用管道將其與控水頭連為一體，系統(tǒng)就會自動工作；痕量灌溉系統(tǒng)流量低，可進行長距離鋪設，在保證良好灌溉均勻度的前提下，痕灌管的最大鋪設長度可達500～600米，地埋毛管可使用5～10年，節(jié)約了干、支管道的使用量，減少了系統(tǒng)的投資；痕灌管不易堵塞且機械拉伸力強，能多年使用；由于控水頭的流量小，水壓低，管材的損傷小，維護的工作量很小；單眼機井控制面積增加，既緩解了水資源緊缺的壓力，也減少了打井的數(shù)量，節(jié)省投資。但是現(xiàn)在痕量灌溉管生產(chǎn)是半機械化，生產(chǎn)規(guī)模不大，目前價格較高，痕量灌溉管每米造價5～6元（滴灌帶0.2～1.0元/米），畝投資是2000～3000元（果樹）、4000～5000元（溫室），而滴灌畝投資為600～1000元。

推廣應用

目前痕量灌溉技術在西北（新疆、內(nèi)蒙古）、西南（廣西）、中部（河南、山西）及華北（北京）等地區(qū)受到了廣泛的關注，已與當?shù)卣推髽I(yè)合作，完成了包括農(nóng)業(yè)（甘蔗、溫室、果樹）、荒漠治理、城市造林、空間綠化等在內(nèi)的多種領域示范。

經(jīng)過實踐表明，痕量灌溉田間耗水量減少。青花菜痕量灌溉的田間耗水量比滴灌每畝減少53立方米，即節(jié)水56.2%，球莖茴香痕量灌溉的田間耗水量比滴灌每畝減少42.5立方米，即節(jié)水49.7%。痕量灌溉條件下作物產(chǎn)量穩(wěn)定，水分利用效率顯著增加。痕量灌溉條件下青花菜、球莖茴香的經(jīng)濟產(chǎn)量與滴灌差異不顯著，但水分利用率比滴灌增加顯著，青花菜增加13.3千克每立方米（水），球莖茴香增加30.7千克每立方米（水）。痕量灌溉利于作物根系發(fā)育。由于痕量灌溉是地下供水且供水速度緩慢，尤其在冬季灌溉時可使到達植物根系的水分溫度維持在一個更適宜植物根系生長發(fā)育的范圍之內(nèi)，可有效避免低溫對根系的不利刺激，促進根系發(fā)育，從而有利于根系對水分和養(yǎng)分的吸收，改善了作物品質(zhì)，提高了作物產(chǎn)量。

痕量灌溉的田間生產(chǎn)示范效果良好，與滴灌對照，其節(jié)水效率為43%～58%，最高經(jīng)濟產(chǎn)量增幅為14%，水分利用率增幅為80%～173.2%，省工36.4%～57.9%。