负压灌溉简述

摘要 在农业水资源短缺的背景下，介绍了负压灌溉这一节水灌溉方式。简述了负压灌溉的原理，介绍了其早期的发展历史；然后根据负压灌溉的装置阐述了其应用于实践的设计思路，列举了现有的负压灌溉在农业领域的应用并将其与其他灌溉方式进行对比；最后对负压灌溉的研究进行了展望：研究廉价灌水器材料，加强灌水器田间布局方式的研究，深化系统时效性和耐久性的研究，结合无压灌溉建立复合式灌溉系统。

关键词 负压灌溉；节水灌溉；土壤基质吸力

中图分类号 S275 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）11-0167-03

Brief Introduction of Negative Pressure Irrigation

XIONG Feng 1 ZHOU Ming-tao 1 ZHENG Xu-chao 1 ZHENG Xiao-dong 2

（1 China Three Gorges University，Yichang Hubei 443000； 2 China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group 1st Engineering Co.，Ltd.）

Abstract Negative pressure irrigation that was one of water-saving irrigation was introduced in the background of water shortage in agriculture. The mechanism of negative pressure irrigation was sketched and its history of development was introduced.Then the design ideas for applying it to practice were explained according to its devices and applications in agriculture were enumerated besides it was contrasted with other irrigation methods.Finally，the future of negative pressure irrigation was looked：developing cheap emitter，enhancing the research of emitters′layout，researching the timeliness and durability in-depth，establishing compound system combining it with non-pressure irrigation.

Key words negative pressure irrigation；water-saving irrigation；matric suction of soil

水Y源短缺是当今的全球性问题[1]，在我国该问题尤为突出[2]。据统计，我国农业用水约占总用水量的70%[3]，世界上先进国家在农业领域对水的有效利用系数为0.7～0.8，而我国仅为0.5[4]，因而提高农业灌溉水的利用率对缓解水资源的短缺具有重要的现实意义。

传统农业灌溉以漫灌为主，水资源利用率不足50%，浪费严重[5]，新型节水灌溉技术也早已开始发展应用，但都有自身的局限性。喷灌对水资源的利用有所提高，技术相对成熟，成本相对较低，但水资源利用率为70%～80%，提高程度不大。微灌包括滴灌、微喷灌、涌泉灌等，水利用率可达到80%～95%[6-8]，但是成本相对比较高，而且存在滴头宜堵塞等问题。负压灌溉作为一种效果好、能耗低的灌溉方式[9]，将来很有可能在农业领域中被广泛应用。因此，本文针对负压灌溉的研究情况进行详细论述，分析其优缺点并进行展望。

1 负压灌溉发展历史

负压灌溉本质上是利用土壤基质吸力，将水自行抽吸到高处而后灌溉的方式，其基本装置包括水源、输水管和灌水器，要求灌水器与土壤充分接触，输水管内充满水，利用土壤自身的基质吸力作用使水从灌水器流出，并运移到植物根际区的土壤[10-11]。因此，灌水器透水不透气是负压灌溉的首要条件[12]，对管材性能的要求极高，但水资源利用率高，运营成本性相对较低。与之相似的一种技术为无压灌溉，也是利用土壤基质吸力实现自动灌溉，二者根本区别在于负压灌溉的供水水头低于灌水器所在点的水头，而无压灌溉则基本相等。当前的研究多以负压灌溉为主，当然也可以认为无压灌溉属于负压灌溉的特例。

负压灌溉起源于1908年，Livingston首次提出利用基质势吸水的概念，随后在1918年Livingston基于该原理发明了一种使用多孔粘土管作为灌水器的自动灌水钵，并且进行盆栽作物的自动灌溉试验[13]。Richard等在1942年对该灌水钵进行了深入的研究后，指出了其在控制土壤水分含量和作物生长方面存在的不足[14]。Read在1962年将该灌水钵改进后应用到温室盆栽中，其原理和工作方式已经与负压灌溉非常类似[15]，后来日本的Kato和Tejima在1982年首次比较完整地提出了负压灌溉的方法，并利用多孔管材进行了实践探索[16]，而且取得了一定的进步，但是其他领域的技术尤其是材料科学限制了其发展和应用，一直未能被广泛地推广应用。

1996年，日本三菱化工集团推出了一种可以用于盆栽的“负压灌溉器皿”，该器皿分为上下2层，上层装有土壤、植物和有机质等，下层装有一定量的水，上下层之间通过多根内空管连通，内空管向上深入土壤中与土壤基质紧密接触，向下与下层的水充分接触，利用土壤与内空管中的水势差驱动下层的水向上层的土壤渗入。后来在1998年，三菱化工集团在该装置中内空管的上顶端布设多孔板，以增加与土壤基质的接触面积，提高吸水效果[17]。但是，该装置主要用于盆栽，没有形成可以大规模应用于农业的自动灌溉系统。2001年，中国农业科学院的刘明池利用陶土管，配之以负压控制技术，建立了陶土管自动灌水、控温与供肥系统[18]，该系统自动化程度高，控制精准，但是成本太高，也不利于大面积推广。

2 负压灌溉构成

负压灌溉由三部分构成，即水源、输水管和灌水器[19]，由于技术尚不成熟且设备昂贵无法大面积推广等原因，至今还未有成熟的设计体系，但是很多学者在这些方面已开展了大量研究，中国农业大学雷廷武等在2001申请了国内第1个负压灌溉的专利，提出了一种负压节水灌溉装置[20]，可以认为是国内第一个真正意义上的负压灌溉装置。

2.1 水源

对于水源，主要设计参数为水源相对灌水器的水头（以下所述水头均为水源相对灌水器的水头），其是负压灌溉可以行性的判定依据。从理论上来讲，-2 m以上的水源水头均可实现负压灌溉[21]，但是土壤入渗能力与自身特性相关，同等条件下黏性土入渗能力比砂性土要高50%左右[22-23]。水源水头越低，土壤入渗情况越差，有研究表明入渗量与水源水头呈现指数函数关系，因而应该根据地形等原始条件尽量提高水源水头且宜将其控制在-0.5 m以内[24]。另外，水头需保持恒定。

2.2 输水管

输水管为水源与灌水器的连接通道，负压灌溉的流量非常小，市场上多数管道均可满足其流量的要求。输水管必须具备优良的密闭性，要求工作过程中不能有空气出入。然而，即使在运行初始时已将管内空气全部排出，但使用过程中由于压差和温度对空气在水中溶解度的影响，水中溶解的空气会在管内溢出，一旦所溢出的空气汇集形成气柱，系统将无法运行。为解决该问题，目前比较成熟也是被认可的一种方法就是在输水管中间增加储水管以储存溢出的空气，储水管与水源的连接改为毛束管[11]，其运行方式为：土壤含水率降低基质吸力增加土壤吸水储水管水位降低形成气压差储水管通过毛束管从水源吸水达到平衡状态，该方案在不影响灌溉效果的前提下解决了输水管溢气的问题，且增加成本不大，具有实用价值。

2.3 灌水器

灌水器是负压灌溉最重要的装置，应着重考虑其材料、形状及田间布局。

灌水器的材料要求透水不透气，当前使用较多的是陶土材料，但是其存在渗水量小、易堵塞、脆性过强等问题。其他材料有纤维、聚乙烯醇缩甲醛泡沫塑料（PVFM）等，这些材料相对陶土有一定的优势，所制作的灌水器渗水性能好，亦不易破碎[25-26]。但这些新材料的制作工艺尚不成熟，用于负压灌溉时的稳定性和耐久性还有待研究。

在设计灌水器的形状时，应尽可能增大其与土壤的接触面积，因为其他因素即定情况下，灌水器、土壤两者之间的接触面积与累计入渗量的大小成正比[27]。当然，形状的合理设计还应兼顾其经济性、作物耗水量等实际情况。

灌水器在田间的布局应根据土壤蒸发量、作物耗水量等信息，充分考虑水分入渗后在土壤中的运移情况。水分入渗后土壤湿润体为椭球体，湿润锋的宽深比随入渗时间和供水水头的增加而增加[28]，不同的水质运移情况不同，淡水运移距离大于咸水[29]，而且湿润锋各方向最大运移距离随盐分浓度的增加和钠吸附比的减小而增加[30]。水分运移过程可以使用有限元软件HYDRUS-2D中的Van Genuchten模型实现模拟，实测值的相对误差小于5%[31]，进一步可以在模型中加入作物耗水的影响[32]以及盐分的影响[10]，可以更加准确地对水分运移过程进行模拟，从而设计出灌水器的最优布局。

3 负压灌溉在农业领域的应用

虽然负压灌溉技术还没有规模化地应用到生产实践中，但已经有许多学者在实验田开始了负压灌溉与作物生长的相关研究。李 邵等[33]研究了负压灌溉条件下，番茄的生长、产量和品质的相关情况，张伟娟等[34]研究了负压灌溉对温室番茄植株蒸腾规律的影响，研究结果均表明负压灌溉下番茄植株长势更好，且可以有效减少地表蒸发和深层渗漏，提高水资源利用率。

毛思帅等[35]将负压灌溉与基质栽培技术相结合，配制不同浓度的磷酸二氢钾（KH2PO4）营养液进行樱桃番茄基质栽培试验，验证了方案的可行性，并得出了营养液最佳浓度。在此基础上，周继华等[36]和毛思帅等进行了负压灌溉系统实施营养液供给的番茄生产及耗水试验，并取得了相应的研究成果。刘胜尧等[37]用咸水作为灌溉水，研究负压灌溉对番茄生长和土壤盐分的影响，结果表明适量咸水灌溉对株体发育具有“控上促下”调节效应，有利于降低耗水量、提高番茄产量与水分利用效率。姜红娜等[38]结合前人研究将水肥一体的灌溉理念用于负压灌溉，研究了3种负压灌溉施肥模式对日光温室番茄生长及产量的影响，结果证明了负压灌溉施肥模式对于日光温室蔬菜生产是值得推广的一项技术。肖海强等[39]用盆栽试验研究了负压灌溉对烤烟生长及水肥利用率的影响；王相玲[40]选用油菜和奶白菜为试验作物，研究了负压灌溉时土壤水分运移规律及作物生长的相关情况；李 霞等[41]研究了负压灌溉条件下茄子的生长状况及生理特性，研究结果均表明，负压灌溉可使土壤含水率始终保持在适宜植物生长的范围内，能达到增产节水的目的。

因此，负压灌溉应用于农业从效果上讲是可行的，相对于现有的其他灌溉方式，其对比如表1所示。

4 展望

负压灌溉虽然具有节水效果好、水资源利用率高、调节能力强、能使土壤始终保持适宜植物生长的含水率等优点，但是该技术尚存在以下几方面问题，今后研究应该以此为重点。

（1）装置造价比较高，在灌水器的取材上应该开发廉价材料。主要原因是要求负压灌溉的灌水器透水不透气，从而对材料提出了较严苛的要求，使得在实践应用中负压灌溉系统建设成本较高，但是目前对灌水器材料的改进研究相对较少，在廉价且易生产的新灌水器诞生以前，负压灌溉难以实现大规模应用。

（2）系统运行渗水与作物生长对土壤密实度的需求之间存在着矛盾，应该加强灌水器在田间布局的研究。负压灌溉系统要求土壤与灌水器紧密结合才能取得较比好的渗水效果，实现该点要求土壤相对密实，但是作物的生长却需要土壤具有一定的孔隙率，由此可见二者在一定范围内存在冲突。

（3）系统运行的时效性与耐久性有待进一步的深入研究。当前所有的研究从试验方法上看大致可以分为3类，即室内试验、盆栽试验和田间试验，室内试验的研究内容大多不包括作物的影响，然而后两者研究时都选取的是生长周期短的作物，缺乏对负压灌溉系统长期运行状态的研究。而负压灌溉技术要想得到应用推广，其耐久性必然是重要的参数之一。

（4）结合无压灌溉设计一种复合式灌溉系统。无压灌溉作为负压灌溉的一种特例，其灌溉效果与负压灌溉接近，但对灌水器和系统的密闭性没有很高的要求，造价低，目前也有学者对其可行性进行了验证[42-43]，并对其水分运移情况做了研究[44-48]，结果证明是可行的。我国农业基地多为平原地区，无压灌溉具有适用的条件，当局部无法满足时再采用负压灌溉装置。

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