納米孔半透膜微潤灌溉技術研究

周夢娜+全天惠+石懿

【摘要】為研究納米孔半透膜微潤灌溉技術在現代農業中的應用，綜述了該技術的研究現狀，并通過理論分析及實地應用反饋，總結該技術的灌溉機理與應用效果，對該技術的發展進行了展望。

作為水資源緊缺的國家，目前中國面臨著日益嚴重的水資源危機，作為國民經濟“第一用水大戶”的農業灌溉，也一直是水資源“第一浪費大戶”。統計表明，目前中國農業用水占到65%左右，但利用率只有45%[1]，所以發展節水灌溉技術已成為解決農用水利用率的主要方法之一。同樣數量的水，若在不同時間，以不同方式進行灌溉，則對植物的生長產生的效果不同。在研究如何節水灌溉的同時，也要考慮有效灌溉。

納米孔半透膜微潤灌溉是一種新型的地下灌溉技術，以連續、微量、精準的方式向作物根系進行供水，使植物吸水過程與田間灌溉過程具有同步性，灌水量與植物耗水量相匹配，實現無脅迫灌溉，節水的同時還可以改善作物品質，提高產量。

納米孔半透膜微潤灌溉技術[2-4]

微潤管及其開發歷史

微潤管是由膜技術制成的新型節水灌水器，管壁分布著數量巨大的納米孔，其灌溉過程就如皮膚出汗一樣向土壤緩慢滲出水分，在植物根區附近的土壤形成均勻濕潤體，為植物生長創造良好的水土環境。實現植物的無脅迫灌溉，使植物生長良好。

微潤管第一代產品為薄納米孔膜，外有無紡布套層保護，具有雙層結構的第一代產品應用在園林綠化、農業灌溉上，具有高效的節水效果。隨著微潤管應用范圍及面積的不斷擴大，要求微潤管安裝更加簡單方便，可操作性更強，特別是在進行沙漠治理、生態恢復方面需要更可靠更穩定的微潤管，因此研究出了第二代微潤管，其為單層的厚半透膜納米管，厚度約為1 mm。第二代微潤管較第一代產品的優勢有出水量穩定、抗高溫高寒、機械強度高、安裝和維護簡單方便等，在西部地區的沙漠環境以及山丘地區中應用具有突出優勢。第三代微潤管在第二代的基礎上進行了改造，其穩定性、抗堵性進一步加強（圖1）。

微潤灌溉的技術原理

納米孔半透膜微潤地下連續灌溉的基本原理：灌溉給水過程盡量擬合植物的生理吸水過程，使給水和吸水之間建立起數量上匹配、時間上同步的平衡關系，依據植物24 h不停吸水的生理特點，最大限度滿足植物的即時水分需求。植物隨時消耗，灌溉系統隨時補充，消耗多少，補充多少。農田水分總體上處于動態的收支平衡狀態。從而使土壤含水量可長時間穩定地處于特定的最佳狀態，消除旱澇脅迫，為植物提供有利的生長環境。

以微潤管為給水器，將其埋入地下。通水后，微潤管管壁潤出水分，首先使與之接觸的土壤濕潤，濕潤的土壤通過毛細作用力將水分傳遞給外層干土，在水分逐層傳遞過程中，漸漸形成以微潤管為軸心的圓柱形濕潤體，控制濕潤體的體積使之足以包容植物根系，使作物受到灌溉。濕潤體內的含水量可調易控，可按作物在每個生長期內所需的最佳水分進行控制灌溉。

微潤灌技術的主要研究內容

微潤管的基本性能

微潤管出水量

微潤管是低壓給水器，通常的工作壓力在0.02 MPa左右。微潤管的出水量是和工作壓力呈線性正相關，壓力越大出水量越大。所以可以通過調整壓力參數，精確控制系統的供水量。

微潤管出流行為由弛豫期和穩定期2個部分組成。微潤管投入使用后，產品須先經歷弛豫期后，才能進入穩定運行狀態。在弛豫期內，微潤管的日出水量逐日快速下降，約30天后才能進入穩定流量期，穩定流量期的流量才是微潤管長期運行的真實流量。因此，在進行灌溉系統的流量設計時應以穩定流量為依據。微潤管出水量進入穩定期后，可長時間保持基本衡定的流量。隨時間推移，流量衰減幅度微小，不影響灌溉過程精準度的控制。

微潤管抗堵塞性能

微潤管不會產生堵塞累加。因為微潤管管壁的孔徑為納米級別，水中達到納米級別的雜質較少，且不容易造成堵塞；另外，微潤管是線性出水源，整條管壁均為出水孔，除非整條微潤管全部堵塞，否則微潤管都會持續出水；再者，微潤管在維護的過程中可以進行“常壓沖洗”及“高壓沖孔”，保證微潤管的長期正常運行。在考察研究微潤管的抗堵塞性能時，正確的時間起點應選擇在流量穩定期內。如果對產品的弛豫期沒有了解，將微潤管的初始流量作為測試研究的起點，那么所得出的研究結果很可能是錯誤的。

納米孔半透膜微潤地下連續灌溉系統的布局

該系統由水源（水庫、蓄水池、水塔、提水泵站等）、施肥系統、過濾系統、輸水管網、微潤管、壓力調節裝置、配件組成，系統安裝可以形成模塊化。

系統布局盡量采用自壓灌溉，降低運行成本；采用水池（水箱），減輕灌溉對水源狀況和供水設施的依賴性；應使管道總長最短，防止水錘和降低造價；灌溉單元采用回路方式連接，單元內設置自動排氣及排污裝置；定期“常壓沖管、高壓沖孔”。

根據植物不同的生長情況及種植方式，微潤管可采用不同的鋪設方式，也可根據實際情況，進行組合鋪設。

（1）微潤管沿種植行鋪埋安裝，適用于根系體積不大且株距小的植株灌溉，如需要密植的作物。

（2）微潤管在根系附近豎直插入，適用于樹木類深根作物灌溉，埋設距離及微潤管的用量與樹木根系體積大小有關，以微潤管形成的濕潤體足以包容樹木根系為準。

（3）微潤管水平環形圓圈鋪設安裝，適用于株距較大，根系較淺的作物。

（4）微潤管半圓環形鋪設安裝，適用于坡地株距較大，根系較淺的作物。

微潤灌溉水肥一體化技術

微潤灌溉水肥一體化是通過灌溉系統施肥，作物在吸收水分的同時吸收養分。通常在灌溉的同時，在壓力作用下，將肥料溶液注入灌溉輸水管道，溶有肥料的灌溉水，通過微潤管，將肥液持續、緩慢、精確地施用到作物根區。

微潤灌水肥一體化系統可根據用戶的需求進行配置，既可利用物聯網技術實現遠程的水肥一體自動化、智能化灌溉，也可利用簡單的施肥泵、施肥罐達到“簡易水肥一體化灌溉”（圖2～4），可有效節約肥料成本和人工管理成本，促進作物增產增收。

微潤管管壁上的納米孔只有離子和水分子才能通過，如要施肥均勻，肥料一定要溶解才能被吸收，不溶解的肥料不能通過管壁上的納米孔。所以微潤灌溉用肥選擇及施用應注意：溶解度、純凈度高，沒雜質；相容性好，使用時相互不會形成沉淀物；養分含量高，養分多元，見效快；不會引起灌溉水pH的劇烈變化；灌溉設備的腐蝕性小；對土壤沒有污染；施肥后，不能停水，需繼續灌水，保證管壁在肥料隨水灌溉后保持干凈。

納米孔半透膜土壤滲析法鹽堿地原位淡化

納米孔半透膜土壤滲析法鹽堿地原位淡化是通過半透膜的單向滲透功能實現，用半透膜管（微潤管）構建成連續供水系統，連續水流攜帶鹽分不停地向遠離根區方向單向運移，最后移至根區之外，在濕潤鋒處富集，變成無鹽害。該過程同時使濕潤體內部的土壤淡化，使根區附近土壤含鹽量降至正常土壤水平，實現原位淡化。其主要技術特點是淡化后的土體可永不返鹽。該方法不僅解決了鹽堿地利用問題，還完成了節水灌溉。

微潤灌溉技術的應用效果

微潤灌溉技術已成為國內灌溉學界的關注熱點，很多學者都對此進行了深入研究。湯英等[5]研究了桃樹微潤灌溉條件下土壤水分入滲和水分變化特征，期望將微潤灌溉技術引入果樹種植。姚付啟等[6]對比了微潤灌溉、常規灌溉和雨養灌溉對臍橙生長過程中生理生態參數的影響。巴音克西克[7]分析了微潤灌溉技術在新疆地區的推廣前景，認為微潤灌溉技術可為葡萄、紅棗提供連續、充分的水分，微潤灌溉系統生產成本和運行費用較低，在新疆地區具有廣闊的推廣前景。用戶反饋微潤灌溉的節水效果明顯，且有效促進作物的生長（表1）。

結語

微潤灌溉是將微潤管埋在根系附近進行緩慢出水，如果土壤濕度一直保持在一個數值，表示此時灌溉水和作物需水是一致的；如果土壤濕度變化小于或大于設定值，則表明灌溉水和作物需水不一致，此時可以通過調節灌水壓力來調節灌水量，從而使灌溉與作物需水實現平衡。納米孔半透膜微潤灌溉技術不但能提高水資源的利用效率，還能降低水輸送和使用時相關的能耗，大幅度降低人工、維護成本、為用戶帶來益處。針對世界嚴峻的水資源短缺問題，該種膜灌溉技術應用到節水灌溉行業是必然趨勢。納米孔半透膜地下灌溉技術（微潤灌）是深圳市微潤灌溉技術有限公司的專利技術。目前，在國內21個省、國外8個國家中應用了微潤灌溉技術，總面積超過5萬畝（3333 hm2）。公司曾參與國家863計劃，并擁有國際國內專利20多項。深圳市微潤灌溉技術有限公司通過多年的試驗和用戶反饋發現，未來微潤灌溉的應用范圍除了農業外，在綠化、鹽堿地種植、荒漠化治理、生態修復等領域也具有廣闊的發展空間。

參考文獻

[1] 加強農業節水 減輕抗旱壓力[EB/OL].[2011-02-18].http：//news.xinhuanet.com/politics/2011-02/18/c_121098372.htm.

[2] 楊慶理.納米孔膜及制造方法：中國，ZL200910071769.1[P].2010-10-20.

[3] 楊慶理.農業灌溉用滲水管道或膜或容器、制造方法及其應用：中國，ZL200710071720.7[P].2008-

08-06.

[4] 高祥照，楊慶理.半透膜小型給水器：中國，ZL200910073031.9[P].2010-09-15.

[5] 湯英，杜歷，楊維仁，等.果樹微潤灌溉條件下土壤水分變化特征試驗研究[J].節水灌溉，2014（4）：7.

[6] 姚付啟，劉惠英，李亞龍，等.微潤灌溉對臍橙生理生態參數的影響研究[J].南昌工程學院學報，2014，33（6）：11-14.

[7] 巴音克西克.微潤灌溉技術在新疆的推廣價值分析[J].2014（5）：191-192.