新型负压渗灌技术对农田土壤水分精准控制应用

赵 军 孙明月 高 翔 赵成娟 崔四平 周宝元 郭 栋 马 玮

（1石家庄益康农科技发展有限公司，050000，河北石家庄；2中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态与栽培重点开放实验室，100081，北京；3河北省农林科学院，050051，河北石家庄；4河北一兽药业有限公司，050000，河北石家庄；5东北农业大学农学院，150030，黑龙江哈尔滨）

中国是历史悠久的农业大国，由于淡水资源稀缺，农业用水量不断加大，合理精准控制农田土壤水分的用量是现在亟需解决的问题。同时，随着农业节水需求量的不断上升，微灌技术在农田生产中的普及，它在作物生产应用中得到不断提升。微灌技术包括滴灌、微喷灌及渗灌，由微灌演变的滴灌技术在粮食作物上得到了广泛应用，滴灌技术的范畴由棉花拓展到玉米、小麦、向日葵、马铃薯等作物领域[1-5]。龚时虹等[6]认为滴灌属于局部微灌技术，能将水输送到植物的根系附近，达到水分的精确控制。Wang等[7]研究发现滴灌技术在马铃薯作物上能显著提高土壤水的利用效率。徐盈盈[8]研究了滴灌技术在栽培中节水节肥等特点。麻玮青等[9]研究了滴灌与施肥融为一体的技术，可以实现作物高产高效等特点。总之，国内外田间试验研究大量表明，滴灌对作物的水和氮的利用效率有显著影响。近年来，在微灌技术上，一种新型负压渗灌技术随之在节水农业研究上也在不断变革与发展，它在农田上更加便利准确地控制土壤水分，也可以提高作物水分利用效率，以其土壤中直接供水和自动与作物需水进行自动补水等特点在节水农业生产上引起高度重视，它的技术发展对构建我国微灌节水技术的发挥起重要作用。综上所述，滴灌技术虽然能控制水的用量以及提高水的利用效率，但是精准控制农田土壤水还需要进一步的研究。为此，本课题开展负压渗灌技术装置的改进以及对农田土壤水的精准控制效应研究。在传统灌溉的基础上，更加准确地改善装置，根据不同作物的需水规律，研究不同装置对农田水的精准控制效果，以期为节水农业生产的灌溉制度的建立提供可借鉴的理论依据。

1 装置调整与水分精准调控

1.1 负压渗灌装置调整

1.1.1 输水环形管直路化改良与控水 传统的负压渗灌系统多采用环形管输水方式（图1），密闭的负压储水器（1）上设置有加水口（2）、通气口（3）和出水口（4）；出水口连接输水竖管（6）和输水横管（7）；在输水管上连接着渗水器（8），渗水器由陶土烧制而成，被水浸润后具有透水不透气的特性；输水管的末端与通气竖管（9）及通气横管（12）连接，形成一个环形封闭连通器；在通气竖管的下端不同高度开有若干进气口（11），其中一个与进气管（10）连接，其他进气口封闭；进气管上端是开口的，将进气管连接在不同高度的进气口上就可以实现对土壤含水量的控制。在此基础上，将环形管改良为直路管，去除输水的回路，在输水管的末端加上放气阀，可有效使空气自动放出，实现节约成本、提高放气效率的效果。同时要确定水口间距、出水口的流量以及灌水器铺设间距，以达到农田作物精准控制水分的要求。

图1 环形管输水结构Fig.1 Annular pipe water transport structure

1.1.2 直路负压灌溉系统结构与精准控水 直路负压灌溉系统主要包括控制计量水箱（1）、减压器（2）、输水管（3）、渗水器（4）、放气阀（5）（图2），各个部分配合实现水分的精准控制。

图2 直路管输水结构Fig.2 Straight pipeline water delivery structure

1.1.3 控制计量水箱结构与水分控制 控制计量水箱是根据土壤负压变化及时有效精准补水的装置，水通过进水口（4）、计量器（5）进入水箱（1），计量器记录进入水箱的水量（图3）。当水箱的水位达到设定高度，浮球开关（2）关闭，停止供水；当水箱的水位低于设定高度，浮球开关打开，开始供水。出水口与调压管连接对系统供水。控制计量水箱各结构协同工作实现负压灌水系统的连续供水、全生长期供水量的监测和记录，同时保证供水的压力平稳，便于系统的负压调制。

图3 控制计量水箱Fig.3 Controlling metering tank

1.1.4 气柱式调压器及其精准控水 负压渗灌的关键技术是负压的产生，利用气柱式调压器达到控制渗灌系统的负压产生和控制，并且可连续调节负压。我们研制的减压器为管式气柱调压器，图4为调压器结构和调压原理示意图。

图4 调压器Fig.4 Voltage regulator

调压器上端设有入水口，下端设有出水口，供水通过入水口经过减压腔减压，再通过出水口连接系统的输水管向渗水管供水（图4）。将若干调压器串联使用，调压效果可以累加，图5为几个调压器串联使用的工作示意图。

图5 组合式减压器Fig.5 Combined pressure reducer

1.2 负压渗灌田间布局

采用垂直方向安装渗水管，距离玉米种植行60cm，与渗水管间距40cm（图6）。图7是负压渗灌系统示意图。

图6 渗透管分布示意图Fig.6 Schematic diagram of seepage pipe distribution

图7 负压渗灌系统示意图Fig.7 Schematic diagram of negative pressure in filtration irrigation system

1.3 土壤含水量控制的稳定性和精度

1.3.1 土壤水分控制稳定性变化 测定了3种不同负压控制条件下距离渗水器5cm土壤的含水量，各处理分别为渗水器承压5、0和–5kPa。测定结果显示，渗水开始后48h，3种处理距离渗水器5cm的土壤含水量达到了稳定状态，显著性检测达到5%差异水平。

图8 压力与土壤含水量关系Fig.8 The relationship between pressure and soil water content

图9 灌水速率日变化Fig.9 The diurnal variation of irrigation rate

1.3.2 土壤水分日灌水动态特征 图9是在水泥隔离池渗灌的试验测定结果，从图9可以看到，渗灌系统的灌水速率有明显的日变化。连续7d的测定结果显示出了7个灌溉速率变化的峰值。每个峰值都出现在每天的12∶00-18∶00之间；相应的7个谷底的最低值都出现在每天的6∶00左右。

白天光照增多，气孔开放，温度升高，导致蒸腾耗水增加，需水量也增加；夜晚光照下降，气孔关闭，气温降低，需水量下降。试验结果表明，负压渗灌系统能根据作物需水规律实现实时灌溉。

1.4 改装后的负压渗灌装置的室内试验

在河北省农林科学院科技示范园区内进行试验。试验大棚为日光大棚，玉米品种为郑单958。按照常规种植方式及管理方式，在试验温室内安装了控制计量水箱、减压管、输水管和渗水器，渗水管采用垂直方向安装，距离玉米种植行10cm，与渗水管间距40cm。本试验的系统负压设定为–1.5kPa。对照温室为漫灌浇水，生育期负压渗灌用水与对照温室用水比较结果见表1。

表1 负压渗灌与对照漫灌用水量Table 1 Water supply volume of negative pressure in filtration and flooding irrigation

2 讨论

2.1 负压渗灌技术将为农业科学研究提供更精确的技术手段

科学新发现在有了新的技术手段之后，并没有止步前进。众所周知，农业科研离不开环境条件的人工模拟技术，至今为止，人工控制温度、湿度已经是比较成熟的技术，而土壤水分控制技术却一直是人工模拟环境技术的一块短板。而农业节水利用是我们现在面临的一大问题，微灌包括滴灌、微喷灌以及渗灌，在此基础上，改善微灌技术装置，使之更准确地控制农田土壤水分的用量。本研究的负压渗灌技术具有精确、稳定控制土壤含水量的特性，结合了滴灌与微喷灌的特点，这将成为农业科研中取得新突破的一项基础技术。负压渗灌技术能否运用到农田并大面积试用及推广，是接下来需解决的问题。可以通过政府的扶持，比如加大资金的投入；也可以和企业联合，帮助研究专家加大研究负压渗灌技术的类型及投入资金给农户，最后达到收益和推广的最大化。

2.2 负压渗灌技术将为提高水分利用率提供技术手段

水资源短缺是现代农业生产面临的严重问题，通过提高作物水分利用率来节约水资源是最好的解决途径。负压渗灌具有实时灌溉和土壤亚表层给水的特点，在最大限度满足作物需水情况下还能降低水分的表面蒸发和深层渗漏损失，因此可以大幅度提高作物的水分利用率，加快负压渗灌技术大面积应用研究应该得到足够的重视。