半透膜灌溉系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

1、PAGE PAGE 13半透膜灌溉系統(tǒng)的原理及應(yīng)用養(yǎng)過花的人都知道，總澆水會將花澆死，總不澆水會將花干死，這兩種“死”都是澆水(灌溉)不當(dāng)引起的。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，澆水的過程稱為灌溉，農(nóng)業(yè)灌溉方法的不當(dāng)，雖然不至于使農(nóng)作物澆死或干死，但是灌溉過程中使作物先嘗到淹的滋味，后受到干渴煎熬，從而影響作物的生長產(chǎn)量。這是現(xiàn)行的幾乎所有的灌溉方法的通病，現(xiàn)分析如下：現(xiàn) 行 灌 溉 方 式 的 弊 端灌溉的目的是使土壤潤濕土壤含水量過大，土壤孔隙大部分被水占據(jù)，致使土壤空氣含量不足，植物的根只能從適度潤濕的土壤中正常的吸收水分。所謂適度潤濕的土壤是指，土壤濕度太大或太小都不行，太大將影響(或抑制)根部的呼吸代

2、謝，抑制其吸收營養(yǎng)、吸收水分及生長發(fā)育等正常的生理活動，嚴(yán)重時可引起萎蔫甚至死亡。這種泡在水中而不能吸到水的現(xiàn)象稱之為“生理干旱”，在生理干旱狀況下，植物的表現(xiàn)與缺水干旱時的表現(xiàn)非常相似：首先是葉片萎蔫，然后整個枝株枯萎死亡。另一方面土壤中的水分太少當(dāng)然不行，將會發(fā)生缺水性干旱。那么什么樣的潤濕程度為適宜的潤濕度呢？大量的研究表明，適于植物生長的土壤含水量的上限為土壤田間持水量的80%，下限為植物的萎蔫系數(shù)，以重壤土為例，其田間持水量為26%，萎蔫含水量為11%，依此推斷這種土最適于植物生長的含水量為21%至11%。也就是說，如果能始終保持土壤含水量在21%11%之間，水分波動范圍不大于10%

3、，是利于作物生長的最佳狀態(tài)。超過21%或低于11%都將對植物的生長產(chǎn)生抑制，影響作物的生長，從而影響到作物的產(chǎn)量。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的灌溉方法是澆灌、噴灌和滴灌。這幾種灌溉方式在向植物供水的同時，均不同程度地對植物的生長產(chǎn)生一定的抑制作用，簡單分析如下：澆灌是目前我國使用最普遍的灌溉方法，澆灌時農(nóng)民最常用的量度指標(biāo)是“澆透”，所謂澆透就是土壤中的水分已經(jīng)完全飽和，土壤空氣已被完全排出，所有孔隙均被水充滿，此時土壤含水量約50%。由于根系附近沒有空氣，根的呼吸活動受抑制，代謝活動在無氧狀態(tài)下進(jìn)行，生長發(fā)育受到影響。影響持續(xù)的時間隨土質(zhì)不同而有很大差異，以質(zhì)地優(yōu)良的壤土為例，一般要持續(xù)244

4、8小時左右，直至土壤含水量降至21%，這段時間稱為澆灌的第一無效期。當(dāng)含水量降至21%左右時，土壤孔隙或毛管中，既含足夠量的水分，又含有相當(dāng)量的空氣，植物正常生長發(fā)育，這一階段稱為澆灌的適宜灌溉期。隨著水分的蒸發(fā)和蒸騰，土壤含水量逐漸降低，毛管水?dāng)嗔?，土水勢下降?5MPa以下，此時，土壤中雖然仍含有相當(dāng)數(shù)量的水分(如11%)但植物已無法吸收，成為無效水。土壤在這種水分狀態(tài)下延續(xù)的時間，稱為此次灌溉的第二無效期。由此可見，每次澆入土地的大量水分，只有很少一部分(如10%)起到了滋潤作物的作用，其余的大部分被無效地浪費(fèi)了，水利部2007年的一份調(diào)查表明，農(nóng)業(yè)用水的利用系數(shù)為0.45。由些可見，每

5、澆灌一次，作物將在兩個無效期中經(jīng)受一次生理干旱適宜缺水干旱之間的折騰，示意圖如下： 澆灌期，土壤含水量迅速達(dá)飽合含水量 第一無效期，有水無氣，呼吸協(xié)迫 適宜期 第二無效期，水少氣足，干旱協(xié)迫 第二次澆灌，上述過程再次重復(fù)。、例如灌溉制度定為每七天澆灌一次，那么頭一兩天，土壤中空氣不足，植物在缺氧協(xié)迫狀態(tài)下生長。接下來的34天，土壤中水、氣比例適宜植物正常生長。最后12天土壤含水量降的較低，植物開始受到干旱協(xié)迫，直至再次灌水，上述過程又重復(fù)一次。一棵作物的一生將在多次協(xié)迫適宜協(xié)迫的反復(fù)折騰中渡過，怎么會不影響它的生長和產(chǎn)量呢？植物反復(fù)受到旱澇協(xié)迫的主要原因是：植物的吸水過程是連續(xù)的，在相等的時間

6、間隔內(nèi)作物吸水量是近乎相同的 (如圖1) 。而現(xiàn)行的灌溉方式是間歇的，在不同的時間間隔內(nèi)土壤的含水量是劇烈波動的，如圖1所示?？梢郧宄闯觯谀骋惶囟〞r間T內(nèi)，土壤含水量與植物吸水量偏離，偏離越多，協(xié)迫越烈，t1的正偏離和t2的負(fù)偏離其結(jié)果是同樣的，都將影響植物的生產(chǎn)發(fā)育。植物根系的正常生長，即需要一定量的水分，又需要一定量的空氣，二者必須同時俱備，缺一不可。但傳統(tǒng)灌溉時，某一時間段內(nèi)水分多了空氣不足，使根系受到呼吸協(xié)迫；另一時間段，空氣多了水分不足，又造成水分協(xié)迫。一個灌溉周期中，只有很短的一段時間土壤的水、氣條件與植物的吸水呼吸相匹配，是作物適宜生長的條件(如圖1中的時間段3)。而很多時間

7、植物都是在協(xié)迫條件下生長的。我們將由灌溉的周期性引起的呼吸協(xié)迫和干旱協(xié)迫統(tǒng)稱為灌溉協(xié)迫。灌溉協(xié)迫影響作物生長的事實(shí)是早已被學(xué)術(shù)界認(rèn)識到了的，但是苦于找不到一種植物需要多少就供給多少的精準(zhǔn)灌溉方法，無法實(shí)施與植物連續(xù)吸收同步供水的連續(xù)灌溉過程。因此，只能以“打提前量”方式，一次性灌入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)時植物需求量的水。以超量換時間，以求在水分慢慢的消耗散過程的時間段內(nèi)，根系周圍有一定量可吸之水。幾乎現(xiàn)行的所有灌溉方式在制定灌溉制度時，均是以“以數(shù)量換時間”為基本指導(dǎo)原則，因此，灌溉協(xié)迫是不可避免的。是明知不對也不得不為之的無奈之舉。半 透 膜 灌 溉 的 原 理 和 特 點(diǎn) 半透膜灌溉是在充分考慮土壤水

8、的能量狀態(tài)前題下，利用功能性膜材料開發(fā)出的國際最新型的灌溉技術(shù)，用這種方法灌溉可以使土壤長時間保持水分充足的同時又保持空氣充足，克服灌溉協(xié)迫，使植物根系周圍處于最佳水氣條件，從而保障作物在最適宜條件下順利生長，豐產(chǎn)豐收。半透膜是一種功能性膜材料，其功能是：當(dāng)膜的兩側(cè)存在勢能差時，水分會自動地由高能區(qū)向低能區(qū)遷移。例如：膜的兩側(cè)是不同濃度的鹽溶液，由于濃度低的一側(cè)水勢高，使得其中的水分會自動地穿過半透膜向濃度高的一側(cè)遷移，遷移的數(shù)量取決于二者的濃度差值。遷移的過程是一個緩慢的過程，隨著水分的定向遷移，高濃度側(cè)的水分不斷增加，低濃度側(cè)水不斷減少，二者的水勢差逐漸變小。最后，當(dāng)膜兩側(cè)的水勢差相當(dāng)，遷

9、移過程達(dá)到平衡，膜兩側(cè)的水在數(shù)量上不再變化。用這種膜材料制成容器，內(nèi)部裝水后埋入植物根部的土壤中，該容器就充當(dāng)一個自動供水器的角色：由于膜外側(cè)干燥土壤的水勢很低為負(fù)值，膜內(nèi)的水勢為零，在二者水勢差的驅(qū)動下，容器內(nèi)的水穿過半透膜向外部遷移，使土壤受到潤濕。隨著土壤含水量的增加，土水勢逐漸升高，膜內(nèi)外勢能差逐漸變小，水分遷移速度也逐漸變慢。當(dāng)土壤中水分被植物吸收蒸騰擴(kuò)散到大氣中，土壤含水量逐漸降低時，膜內(nèi)外功能差增大，膜向土壤釋放水分的速度自動加快，使土壤水分增高。A由此可清楚地看到在作物耗水，土壤含水量和供水器之間形成了一個連續(xù)的系統(tǒng) 。系統(tǒng)內(nèi)各單元間以能量為鏈條相互關(guān)連，并依據(jù)能差的變化自動調(diào)

10、適系統(tǒng)內(nèi)水分的流向和流量，使系統(tǒng)處于一種穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，圖示如下：A植物蒸騰水水分進(jìn)入大氣F土壤含水量，降低水勢降低植物得到充分供應(yīng)FB E膜內(nèi)外勢差增大土壤含水量高水勢升高 CC D供水器釋水量增大圖4：大氣土壤植物系統(tǒng)中水分運(yùn)行示意圖在上述系統(tǒng)中，供水器D起到自動供水的角色，其供水量大小是由B決定的，土壤含水量降低越多，C越大，D向土壤供水量越大，其結(jié)果是E以充足的水分満足F的需求。由于當(dāng)土壤水分含量達(dá)到田間持水量時，土水勢升高至零，膜內(nèi)外水勢差消失，所以半透膜供水器向土壤的最大供水量使土壤達(dá)到田間持水量。這是半透膜灌溉的重要特征，其意義在于：田間持水量是土壤有效水的最大值(max),超過

11、此值灌溉水均屬無效水。目前已知的所有灌溉方法都無可避免地要灌入一定量的無效水u，在很多情況下u的灌入量高達(dá)50%150%以上。半透膜灌溉法供入土壤的水全部是有效水，從而避免了水源的浪費(fèi)，為節(jié)水農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了一種有力的工具。 由于土壤含水量達(dá)到田間持水量時，土壤中的所有毛細(xì)管內(nèi)的空氣均被水排出，土壤含氣量不足，抑制作物生長。所以，田間持水量不是作物生長的最佳含水量。大量的農(nóng)學(xué)研究表明：當(dāng)土壤含水量是田間持水量的80%時，土壤中的水分充足，水氣比例恰當(dāng)，是最適于植物生長的水氣條件。將這種最佳土壤含水氣狀態(tài)記為80。測定80時土壤水勢，并將測定信號傳送到水蓄槽中的水位控制器上，通過水位為膜內(nèi)水

12、增加一個位能差P，使膜內(nèi)總勢能由零變?yōu)檎齈。通過調(diào)整P的大小調(diào)整D的供水量使B與E之間保持動態(tài)平衡。使土壤含水穩(wěn)定在80水平，并且可長期保持穩(wěn)定。通過上述極簡單的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了半透膜灌溉的自動控制，實(shí)現(xiàn)了植物消耗多少水，供水器自動向土壤中補(bǔ)充多少水的理想狀態(tài)。 綜上所述：半透膜灌溉供水的三大特點(diǎn)是：1、所供之水全部是土壤有效水 2、所供之水可以使土壤長時間地保持適于植物生長的最佳含水量80狀態(tài)。半透膜灌溉可以完全克服以往的“灌溉協(xié)迫”，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉：3、灌溉過程是24小時不斷的連續(xù)過程；灌溉量可隨植物晝夜不同耗水量波動而波動，與植物的吸水曲線擬合；灌溉過程不抑制根系呼吸，使植物代謝過程正常順利。

13、半透膜灌溉的特點(diǎn)一、節(jié)約用水水可自天而降，可遍地橫流，在人們印像中，水是取之不盡，用之不竭的。很難把它與“資源”二字聯(lián)系起來，而實(shí)際情況是在廿一世紀(jì)的今天，全世界大部分國家都面臨著淡水資源短缺這一共同問題。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，全球淡水灌溉消耗量20世紀(jì)初以來增加了67倍，全球有14億人缺乏安全飲用水。估計到2025年，全世界將有1/3的人口缺水，波及到40多個國家和地區(qū)。中國現(xiàn)在已是嚴(yán)重缺水國家，水資源占有量僅為世界平均水平的1/4。部分地區(qū)因缺水，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已難以為繼。為解決燃眉之急，國家不惜巨額投資，南水北調(diào)，海水淡化，想方設(shè)法解決水資源問題。另一方面，卻是水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。據(jù)報導(dǎo)，某些地區(qū)種植

14、水稻單位面積耗水量達(dá)1800毫米，這意味著與北京昆明湖面積相等的一塊稻田，一年消耗一個昆明湖的水量。這雖然是典型事例，但普遍而言農(nóng)業(yè)用水的浪費(fèi)情況是相當(dāng)嚴(yán)重的，全國平均灌溉水有效系數(shù)僅45%，大部分屬浪費(fèi)水。半透膜灌溉可以大量節(jié)約用水，其原因是：1、半透膜的灌溉方式為地下灌溉。灌溉器埋入地表下的植物根區(qū)內(nèi)，其上部有一層干土層可使供出水的蒸發(fā)損失大為減少。2、如前所述，半透膜向土壤提供的水，均為土壤有效水，全部在植物可吸收的水勢范圍內(nèi)，避免了徑流、田面蒸發(fā)和滲漏損失，使水的有效利用系數(shù)大為提高。3、半透膜對田地中有作物部分進(jìn)行選擇性局部灌溉，可依據(jù)作物不同生長階段調(diào)控潤濕率的大小，田間裸地部分保

15、持干燥，從而大量地降低了蒸發(fā)損失，同時抑制了雜草生長。二、節(jié)省動力半透膜灌溉的驅(qū)動是土壤水勢能，這種能量自然存在于土壤之中，并隨土壤干、濕程度隨時波動。土壤干燥，驅(qū)動能差大，供水量增大；土壤濕潤后驅(qū)動能差變小，供水量隨之變小，從而使土壤始終保持在一個適宜的濕度水平上。上述過程是自動發(fā)生的，無須外加機(jī)械動力驅(qū)動，也無須人為管理。因此，半透膜系統(tǒng)也可以稱之為無動力灌溉系統(tǒng)，與噴灌、滴灌等高壓灌溉相比可節(jié)約大量動力設(shè)備和動力消耗費(fèi)用，簡化了維修管理，更便于普通農(nóng)民操控使用。這一特點(diǎn)帶來的一個很大益處是，在遠(yuǎn)離動力設(shè)施的荒山、荒原上也可以用上自動灌溉系統(tǒng)，對林果業(yè)發(fā)展提供了有力的幫助。三、降低投資半透

16、膜灌溉系統(tǒng)是由蓄水池、主管、支管、和膜管四部分組成，前三部分與滴灌系統(tǒng)相似，第四部分膜管是用半透膜材料制成的軟管，該管既可輸水，管壁又可以向土壤滲出水分，用這樣一條管取代滴灌系統(tǒng)中的毛管和與之連接的數(shù)十個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的滴灌頭，使建造成本大幅度降低，與滴溉系統(tǒng)相比，半透膜可以：(1)不用增壓水泵及配套的電纜、開關(guān)。(2)不用過濾器，較臟的水也不會造成膜管堵塞。(3)不用專設(shè)的施肥器，肥料可直接投入到蓄水池中，通過膜管緩慢釋放到作物根部。上述的三個“不用”，使灌溉設(shè)施大為減化，設(shè)備投資大幅度降低，每畝半透膜灌溉系統(tǒng)的投入約400元左右。四、降低運(yùn)行及管理費(fèi)用半透膜一旦建造完畢，就可以自動運(yùn)行，不需專人

17、監(jiān)控管理，既節(jié)約勞力又可減少人為誤差。五、設(shè)備埋入地下，便于人與機(jī)械進(jìn)行田間作業(yè)六、灌溉水量隨作物耗量波動并與之?dāng)M合，使作物既不缺水，又不受澇，克服了灌溉協(xié)迫弊端，使作物在全生長期內(nèi)均保持適宜的水、氣條件，有利用作物生長和豐產(chǎn)豐收。七、大棚或溫室內(nèi)空氣濕度過大往往容易引發(fā)病蟲害，半透膜可避免室內(nèi)濕度過大，減少病蟲害發(fā)生幾率。半 透 膜 灌 溉 的 技 術(shù) 創(chuàng) 新點(diǎn)以地下供水方式向植物的根部直接供水并且以植物的吸水速度進(jìn)行灌溉，是人們長期追求的理想灌溉方式。上世紀(jì)初德國科學(xué)家用陶土管進(jìn)行了首次嘗試未有取得成功。一個世紀(jì)來，人們不斷的用水泥、塑料、橡膠等各種材料，采用化學(xué)發(fā)泡、激光打孔等各種技術(shù)手

18、段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但都因使用過程中出水孔堵塞這一巨大技術(shù)障阻而未能取得成功。迄今為止，各國仍處于實(shí)驗(yàn)階段，尚沒達(dá)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用水平。滴灌系統(tǒng)現(xiàn)已被世界各國廣泛使用，但滴灌頭堵塞問題仍是困擾該系統(tǒng)的主要問題，如果過濾部分稍出問題或者管路內(nèi)積存空氣未及時排出，停泵回流，造成大量滴頭堵塞，影響系統(tǒng)正常工作。由于半透膜材料中的孔隙極其微小，是分子尺寸的孔徑，比泥土顆粒的粒徑小幾個數(shù)量級，不要說泥土粒子無法穿越或堵塞，甚至某些尺寸較大的分子都不能穿越半透膜(即半透膜的選擇透過性能)。另一方面，這些孔隙在數(shù)量上極其龐大，也是分子數(shù)量級的，保證了單位時間內(nèi)穿越膜的水分?jǐn)?shù)量，從而使半透膜即透水又不堵塞。半透膜特有的功

19、能使得半透膜系統(tǒng)成功地突破了該項(xiàng)技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)了灌溉器永不堵塞，系統(tǒng)可長期穩(wěn)定運(yùn)行的目的。實(shí)驗(yàn)表明：將泥土 以1：10比例加入水中制成泥漿后，灌入膜管中，膜管仍能正常供水，不會堵塞。這也是該系統(tǒng)不需要裝備過濾裝置的原因。半 透 膜 灌 溉 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 及 應(yīng) 用1、半透膜管網(wǎng)溉灌系統(tǒng)蓄水池半透膜由蓄水池、主管、支管、膜管四部分組成主管P支管膜管其中，蓄水池內(nèi)裝有水位控制器通過調(diào)控水位使池中水與膜管內(nèi)的水保持一定的水位差P，依據(jù)P大小適當(dāng)調(diào)節(jié)供水量。主管和支管將水輸送到膜管內(nèi)，膜管埋于植物根系旁，埋入深度1015cm：埋入時須將管內(nèi)空氣排凈，待膜管內(nèi)全部充滿水后，回填土履蓋。地面膜管 這

20、種灌溉系統(tǒng)適用于溫室、大棚及大田灌溉。如果需要施肥，將水溶性化肥按所需數(shù)量直接投入蓄水池中，肥料溶化后，隨供水緩慢供至作物根部。2、半透膜點(diǎn)式灌溉對于果樹類單位面積株數(shù)較少的作物可進(jìn)行點(diǎn)式灌溉。半透膜點(diǎn)式灌溉器是一個用半透膜制成的、帶有注水口的袋狀容器，根據(jù)作物需水量的不同可制成不同規(guī)格不同供水量的產(chǎn)品，使用時將它埋入植物根系附近，注満水后它就開始自動向植物供水：該供水器的特點(diǎn)是：1、根據(jù)植物需水量不同，可選用一個或多個供水器2、不同容量的供水器連續(xù)供水時間不同。可一次性注滿水后供水一個月、二個月或三個月。3、第一次注入的水用光后，可再次充水。4、如果需要施肥，可將肥料溶解于水后注入容器內(nèi)。半透膜點(diǎn)式灌溉器避免了水分的蒸發(fā)、滲漏損失，所供之水全部有效水。由于它的供水過程是一個緩慢的連續(xù)過程，同樣數(shù)量如3KG水，若直接澆灌，有效期為3天，用半透膜點(diǎn)式灌溉器澆灌，有效期可長達(dá)30天。因此半透膜點(diǎn)式灌溉是可以使水的有效灌溉期延長的器具，簡稱長水器。這種設(shè)備特別適用于下述情況：1、在凸凹不平的荒山荒坡造林，避免了地勢不平造成的灌溉困難和大量運(yùn)輸水的困難。2、蒸發(fā)量大，滲漏量大的沙漠地區(qū)植樹造林。3、發(fā)生嚴(yán)重干旱地區(qū)果樹或珍稀樹木搶救和保護(hù)。在這些樹旁埋入長水器，用少量水可以在長時間內(nèi)保證樹木正常生長