纳米孔半透膜微润灌溉技术研究

周梦娜+全天惠+石懿

【摘要】为研究纳米孔半透膜微润灌溉技术在现代农业中的应用，综述了该技术的研究现状，并通过理论分析及实地应用反馈，总结该技术的灌溉机理与应用效果，对该技术的发展进行了展望。

作为水资源紧缺的国家，目前中国面临着日益严重的水资源危机，作为国民经济“第一用水大户”的农业灌溉，也一直是水资源“第一浪费大户”。统计表明，目前中国农业用水占到65%左右，但利用率只有45%[1]，所以发展节水灌溉技术已成为解决农用水利用率的主要方法之一。同样数量的水，若在不同时间，以不同方式进行灌溉，则对植物的生长产生的效果不同。在研究如何节水灌溉的同时，也要考虑有效灌溉。

纳米孔半透膜微润灌溉是一种新型的地下灌溉技术，以连续、微量、精准的方式向作物根系进行供水，使植物吸水过程与田间灌溉过程具有同步性，灌水量与植物耗水量相匹配，实现无胁迫灌溉，节水的同时还可以改善作物品质，提高产量。

纳米孔半透膜微润灌溉技术[2-4]

微润管及其开发历史

微润管是由膜技术制成的新型节水灌水器，管壁分布着数量巨大的纳米孔，其灌溉过程就如皮肤出汗一样向土壤缓慢渗出水分，在植物根区附近的土壤形成均匀湿润体，为植物生长创造良好的水土环境。实现植物的无胁迫灌溉，使植物生长良好。

微润管第一代产品为薄纳米孔膜，外有无纺布套层保护，具有双层结构的第一代产品应用在园林绿化、农业灌溉上，具有高效的节水效果。随着微润管应用范围及面积的不断扩大，要求微润管安装更加简单方便，可操作性更强，特别是在进行沙漠治理、生态恢复方面需要更可靠更稳定的微润管，因此研究出了第二代微润管，其为单层的厚半透膜纳米管，厚度約为1 mm。第二代微润管较第一代产品的优势有出水量稳定、抗高温高寒、机械强度高、安装和维护简单方便等，在西部地区的沙漠环境以及山丘地区中应用具有突出优势。第三代微润管在第二代的基础上进行了改造，其稳定性、抗堵性进一步加强（图1）。

微润灌溉的技术原理

纳米孔半透膜微润地下连续灌溉的基本原理：灌溉给水过程尽量拟合植物的生理吸水过程，使给水和吸水之间建立起数量上匹配、时间上同步的平衡关系，依据植物24 h不停吸水的生理特点，最大限度满足植物的即时水分需求。植物随时消耗，灌溉系统随时补充，消耗多少，补充多少。农田水分总体上处于动态的收支平衡状态。从而使土壤含水量可长时间稳定地处于特定的最佳状态，消除旱涝胁迫，为植物提供有利的生长环境。

以微润管为给水器，将其埋入地下。通水后，微润管管壁润出水分，首先使与之接触的土壤湿润，湿润的土壤通过毛细作用力将水分传递给外层干土，在水分逐层传递过程中，渐渐形成以微润管为轴心的圆柱形湿润体，控制湿润体的体积使之足以包容植物根系，使作物受到灌溉。湿润体内的含水量可调易控，可按作物在每个生长期内所需的最佳水分进行控制灌溉。

微润灌技术的主要研究内容

微润管的基本性能

微润管出水量

微润管是低压给水器，通常的工作压力在0.02 MPa左右。微润管的出水量是和工作压力呈线性正相关，压力越大出水量越大。所以可以通过调整压力参数，精确控制系统的供水量。

微润管出流行为由弛豫期和稳定期2个部分组成。微润管投入使用后，产品须先经历弛豫期后，才能进入稳定运行状态。在弛豫期内，微润管的日出水量逐日快速下降，约30天后才能进入稳定流量期，稳定流量期的流量才是微润管长期运行的真实流量。因此，在进行灌溉系统的流量设计时应以稳定流量为依据。微润管出水量进入稳定期后，可长时间保持基本衡定的流量。随时间推移，流量衰减幅度微小，不影响灌溉过程精准度的控制。

微润管抗堵塞性能

微润管不会产生堵塞累加。因为微润管管壁的孔径为纳米级别，水中达到纳米级别的杂质较少，且不容易造成堵塞；另外，微润管是线性出水源，整条管壁均为出水孔，除非整条微润管全部堵塞，否则微润管都会持续出水；再者，微润管在维护的过程中可以进行“常压冲洗”及“高压冲孔”，保证微润管的长期正常运行。在考察研究微润管的抗堵塞性能时，正确的时间起点应选择在流量稳定期内。如果对产品的弛豫期没有了解，将微润管的初始流量作为测试研究的起点，那么所得出的研究结果很可能是错误的。

纳米孔半透膜微润地下连续灌溉系统的布局

该系统由水源（水库、蓄水池、水塔、提水泵站等）、施肥系统、过滤系统、输水管网、微润管、压力调节装置、配件组成，系统安装可以形成模块化。

系统布局尽量采用自压灌溉，降低运行成本；采用水池（水箱），减轻灌溉对水源状况和供水设施的依赖性；应使管道总长最短，防止水锤和降低造价；灌溉单元采用回路方式连接，单元内设置自动排气及排污装置；定期“常压冲管、高压冲孔”。

根据植物不同的生长情况及种植方式，微润管可采用不同的铺设方式，也可根据实际情况，进行组合铺设。

（1）微润管沿种植行铺埋安装，适用于根系体积不大且株距小的植株灌溉，如需要密植的作物。

（2）微润管在根系附近竖直插入，适用于树木类深根作物灌溉，埋设距离及微润管的用量与树木根系体积大小有关，以微润管形成的湿润体足以包容树木根系为准。

（3）微润管水平环形圆圈铺设安装，适用于株距较大，根系较浅的作物。

（4）微润管半圆环形铺设安装，适用于坡地株距较大，根系较浅的作物。

微润灌溉水肥一体化技术

微润灌溉水肥一体化是通过灌溉系统施肥，作物在吸收水分的同时吸收养分。通常在灌溉的同时，在压力作用下，将肥料溶液注入灌溉输水管道，溶有肥料的灌溉水，通过微润管，将肥液持续、缓慢、精确地施用到作物根区。

微润灌水肥一体化系统可根据用户的需求进行配置，既可利用物联网技术实现远程的水肥一体自动化、智能化灌溉，也可利用简单的施肥泵、施肥罐达到“简易水肥一体化灌溉”（图2～4），可有效节约肥料成本和人工管理成本，促进作物增产增收。

微润管管壁上的纳米孔只有离子和水分子才能通过，如要施肥均匀，肥料一定要溶解才能被吸收，不溶解的肥料不能通过管壁上的纳米孔。所以微润灌溉用肥选择及施用应注意：溶解度、纯净度高，没杂质；相容性好，使用时相互不会形成沉淀物；养分含量高，养分多元，见效快；不会引起灌溉水pH的剧烈变化；灌溉设备的腐蚀性小；对土壤没有污染；施肥后，不能停水，需继续灌水，保证管壁在肥料随水灌溉后保持干净。

纳米孔半透膜土壤渗析法盐碱地原位淡化

纳米孔半透膜土壤渗析法盐碱地原位淡化是通过半透膜的单向渗透功能实现，用半透膜管（微润管）构建成连续供水系统，连续水流携带盐分不停地向远离根区方向单向运移，最后移至根区之外，在湿润锋处富集，变成无盐害。该过程同时使湿润体内部的土壤淡化，使根区附近土壤含盐量降至正常土壤水平，实现原位淡化。其主要技术特点是淡化后的土体可永不返盐。该方法不仅解决了盐碱地利用问题，还完成了节水灌溉。

微润灌溉技术的应用效果

微润灌溉技术已成为国内灌溉学界的关注热点，很多学者都对此进行了深入研究。汤英等[5]研究了桃树微润灌溉条件下土壤水分入渗和水分变化特征，期望将微润灌溉技术引入果树种植。姚付启等[6]对比了微润灌溉、常规灌溉和雨养灌溉对脐橙生长过程中生理生态参数的影响。巴音克西克[7]分析了微润灌溉技术在新疆地区的推广前景，认为微润灌溉技术可为葡萄、红枣提供连续、充分的水分，微润灌溉系统生产成本和运行费用较低，在新疆地区具有广阔的推广前景。用户反馈微润灌溉的节水效果明显，且有效促进作物的生长（表1）。

结语

微润灌溉是将微润管埋在根系附近进行缓慢出水，如果土壤湿度一直保持在一个数值，表示此时灌溉水和作物需水是一致的；如果土壤湿度变化小于或大于设定值，则表明灌溉水和作物需水不一致，此时可以通过调节灌水压力来调节灌水量，从而使灌溉与作物需水实现平衡。纳米孔半透膜微润灌溉技术不但能提高水资源的利用效率，还能降低水输送和使用时相关的能耗，大幅度降低人工、维护成本、为用户带来益处。针对世界严峻的水资源短缺问题，该种膜灌溉技术应用到节水灌溉行业是必然趋势。纳米孔半透膜地下灌溉技术（微润灌）是深圳市微润灌溉技术有限公司的专利技术。目前，在国内21个省、国外8个国家中应用了微润灌溉技术，总面积超过5万亩（3333 hm2）。公司曾参与国家863计划，并拥有国际国内专利20多项。深圳市微润灌溉技术有限公司通过多年的試验和用户反馈发现，未来微润灌溉的应用范围除了农业外，在绿化、盐碱地种植、荒漠化治理、生态修复等领域也具有广阔的发展空间。

参考文献

[1] 加强农业节水 减轻抗旱压力[EB/OL].[2011-02-18].http：//news.xinhuanet.com/politics/2011-02/18/c_121098372.htm.

[2] 杨庆理.纳米孔膜及制造方法：中国，ZL200910071769.1[P].2010-10-20.

[3] 杨庆理.农业灌溉用渗水管道或膜或容器、制造方法及其应用：中国，ZL200710071720.7[P].2008-

08-06.

[4] 高祥照，杨庆理.半透膜小型给水器：中国，ZL200910073031.9[P].2010-09-15.

[5] 汤英，杜历，杨维仁，等.果树微润灌溉条件下土壤水分变化特征试验研究[J].节水灌溉，2014（4）：7.

[6] 姚付启，刘惠英，李亚龙，等.微润灌溉对脐橙生理生态参数的影响研究[J].南昌工程学院学报，2014，33（6）：11-14.

[7] 巴音克西克.微润灌溉技术在新疆的推广价值分析[J].2014（5）：191-192.