基于平江旱期與油茶果期重疊的抗旱保墑裝置

本期點評專家

譚迪熬 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

我的家鄉(xiāng)平江縣多山地和丘陵，自古就有很多油茶樹在此自然生長。近年來，縣政府推行鄉(xiāng)村振興舉措，發(fā)展油茶業(yè)是其中之一，催生了眾多油茶樹種植園和相關企業(yè)，但平江油茶果的產(chǎn)量和質量低下。如何實現(xiàn)增收提質？

我的爺爺、叔伯們都是油茶種植團隊的成員，我在家中常聽長輩們交流經(jīng)驗。2022年，平江遭遇特大旱災，2022年9月起，我先后來到平江縣岑川鎮(zhèn)等地的油茶種植山地，走訪了當?shù)夭糠址N植油茶樹的村民，他們告訴我，油茶果基本上呈現(xiàn)“望天收”狀態(tài)。

經(jīng)調研，要平衡平江縣氣候環(huán)境與油茶樹生長特點間的矛盾，在干旱期間必須實施人工灌溉。我還發(fā)現(xiàn)了一個問題：無論抗旱技術如何先進，水資源的儲備是最關鍵的，其次才是對水資源的合理利用。于是我從實驗入手，先了解土壤保墑的需水量，再考慮儲水問題。

一、滴灌實驗

（一）滴灌技術的啟示

2022年5月，我和同學一起來到平江某蔬菜研學基地，調查植物的田間管理。技術員叔叔告訴我：植物必須注重雨季排澇、旱季保墑的基本要求。接著，他帶我們參觀了基地的滴灌保墑技術。該技術的主要特點是：將滴水頭埋在地表以下，對植物根系土壤進行灌溉。這種方法節(jié)水省工，蒸發(fā)量少，保墑效果較好。

由此我聯(lián)想到，如果能將此滴灌技術應用到種植油茶樹的山上，根據(jù)其旱季所需提供水分，就能解決油茶果期需水與平江旱季缺水的問題。

（二）滴灌實驗

1.實驗準備

2022年7月，我在岑川鎮(zhèn)的油茶樹山上選取生長條件相似的20棵成年普通油茶樹，每10棵為一組，分成滴灌A組、不灌溉B組并編號，開展滴灌對照實驗。

2.組裝滴灌實驗裝置

實驗用滴灌裝置如圖1。

3.實驗過程

在A組每棵油茶樹根部表層土壤中埋入一把滴水槍，通過管道和連接頭與總控閥門、貯水桶接通。打開總控閥門，將滴水速率調整為每分鐘約60滴。每天測試A、B組每棵油茶樹根周圍土壤的濕度，關注貯水桶內水位的變化，記錄每棵油茶樹的滴灌水量。

4.結果及分析

（1）實驗結果表明，以每分鐘約60滴的速率進行滴灌，每棵樹平均每天滴灌耗水量約5 kg時，能基本滿足旱季油茶樹結果對土壤墑情的最低需要。

（2）2022年10月23日，分別采摘A、B組中油茶樹的鮮茶果并稱量、記錄產(chǎn)量。每畝按90棵種植量推算，滴灌A組畝產(chǎn)鮮果約為295.2 kg，是林業(yè)局產(chǎn)業(yè)辦2022年12月統(tǒng)計數(shù)據(jù)介紹的“平均畝產(chǎn)為164 kg”的1.8倍。

這表明，我為平江旱季油茶樹設計的滴灌保墑思路具有可行性。

二、人工應急灌溉實驗與研討

我于2022年7月12日開始進行滴灌實驗，當時并不知道會發(fā)生特大干旱。到7月底，滿山的油茶樹葉萎蔫變黃，此時我的滴灌實驗已全面步入正軌，于是我又開始實施第二套抗旱實驗，觀察了解人工應急灌溉對油茶樹的作用情況。人工應急灌溉分噴灌、溝灌、穴灌，其中效果由高到低依次為溝灌、穴灌、噴灌。

本實驗需水量大，在實際大面積抗旱中是難以實施的，主要原因是在旱季，河溪斷流、庫塘露底，水資源捉襟見肘。

三、油茶樹山滴灌保墑的實際應用設計

抗旱首先要解決水源的問題。如何獲取山野的地表水源？我從地理課所學的知識中獲得啟示，依據(jù)等高線地形圖，在山坡上挖出等高溝渠，截流蓄水，就可在山野上開創(chuàng)出若干類似“梯田”的蓄水單元層，海拔高的上蓄水單元層給海拔低的下蓄水單元層供水。具體方案如下。

（一）油茶樹山滴灌保墑的整體設計

如圖2，依據(jù)山形、坡面、油茶樹的分布等要素，開挖等高集水渠。在渠邊適宜地域填埋該梯級蓄水罐，儲存春季、夏季的雨水。從蓄水罐的底部引出滴灌輸水管，向下一階梯的油茶樹根部供水。

（二）集水渠、蓄水罐、輸水管的施工設計

工作流程為：雨季，山坡地表水被等高集水渠截流，經(jīng)粗濾網(wǎng)濾除漂浮物，注入沉淀池，池中上層儲水經(jīng)精濾網(wǎng)二次濾除細小雜物，由進水管流入梯級蓄水罐儲存。到旱季需水保墑時，開啟安裝在出水管上的控制閥，蓄水罐內儲存的地表水通過出水管末端的滴灌槍流向下一階梯的油茶樹根部土壤，完成滴灌保墑任務。

四、制作滴灌裝置演示模型

本模型有一個木質總承，該總承由木支架、面板、能顯露埋在地下的沉淀池和蓄水罐的窗口等構成。

木支架設三層，頂層為虛擬的上一級山體等高階梯，僅表現(xiàn)出該階的等高集水渠，收集該階及以上的雨水，流入沉淀池。中層支架的作用是支撐沉淀池和蓄水罐。底層為下一級山體等高階梯，該層設有較寬的等高階梯地面，放置用花缽模擬等高階梯地面的油茶樹。支架正面敷實木板，模擬山體斜坡面。

沉淀池、蓄水池選用2 L的塑料油壺，進、出水管選用直徑為20 mm的PE水管，并配用同規(guī)格的直接、彎頭和控制閥門，按圖4所示進行連接。滴灌槍選用醫(yī)用輸液套件，針頭用筆管自制，再用防堵篩孔套管套住，組成可任意插入泥中防外堵的滴灌槍管，保證滴灌輸水的暢通。等高集水渠選用直徑為75 mm的PVC水管，從中線切割成兩個半圓槽而成。

本模型成品可操作演示，為油茶樹種植戶推介，讓其掌握工程施工要領。

五、創(chuàng)新點

（一）提出了一種“山地等高截流、雨季階梯蓄水、旱季滴灌保墑”的依地勢調蓄抗旱理念。

（二）設計了一種利用蓄水罐儲存地表水，經(jīng)管網(wǎng)由高階梯向低階梯供水，通過閥門按需控制供水量，且無需提供動力支持的新技術。

（三）本研究以平江油茶樹抗旱保墑為例，論證了等高截流的“微型山塘”的可行性，可為山區(qū)種植業(yè)的抗旱儲備水資源，為防止森林火災預存了一定的滅火資源。（指導老師：朱擁軍? ?趙勇? ?楊銀江）

專家點評

朱智晗同學的基于平江旱期與油茶果期重疊的抗旱保墑裝置，是一件富有實用性的發(fā)明作品。這項作品的選題，體現(xiàn)了現(xiàn)在倡導的“源于日常生活，能夠為經(jīng)濟社會發(fā)展或社會生活帶來便利的B類作品”的青少年科創(chuàng)選題要求。雖然它似乎科技含量不高，看起來也不那么“高大上”，但它能解決實際問題，充分體現(xiàn)了小發(fā)明簡單、實用的特點。

這件發(fā)明作品突出體現(xiàn)了：其一，朱智晗同學對科學探索具有濃厚的興趣，對本人研究的成果具有強烈的分享意愿，具有一定的科學素養(yǎng)和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，對科學研究工作的基本規(guī)律和方法有一定理解，基礎科學理論和知識掌握扎實、運用準確；其二，有一定的科學研究工作量，原始實驗數(shù)據(jù)等記錄規(guī)范、資料齊全，研究和分析數(shù)據(jù)充分，有說服力，作品已取得階段性研究成果，正在被相關企業(yè)應用推廣；其三，提出“山地等高截流、雨季階梯蓄水、旱季滴灌保墑”的依地勢調蓄抗旱新理念，符合青少年創(chuàng)新成長的規(guī)律。