基本信息
- 项目名称：
- 负压自动补给灌溉系统原理及可行性试验研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品以研究负压灌溉系统关键技术为目的，描述了系统的主要组成部分，对负压灌溉的可行性进行了理论分析和调试运行；在此基础上，设置了不同的处理（不同负压水头、不同灌水器尺寸和孔径、不同土壤质地），进行完全随机试验；描述试验的材料和方法，通过试验观测和结果分析，得出不同处理对负压灌溉土壤水分运移、分布及入渗量的影响，初步确定了不同灌水器和土壤条件下，负压供水水头的范围。
- 详细介绍：
- 负压灌溉是一种新型的节水灌溉技术，可以在水源高程低于灌水器高程(供水水头为负值) 情况下，自动补给实现灌溉。 负压灌溉是将灌水器埋入土壤，与土壤紧密接触，利用土壤基质势为驱动力吸水。负压灌溉系统中灌溉水源的高程低于灌水器的高程，供水水头为负值。对作物的灌溉是在“负压”情况下由作物的耗水后产生的土壤吸力来实现，以维持土壤水分恒定。如何将土壤水分保持在最适于植物生长的状态，一直是科研工作者十分关心的重要问题。国内外对如何控制土壤水分也进行了许多研究。早在1908年Livingston就提出了一种控制土壤水分的自动灌水钵，这被认为是张力计有记载以来最早的形式，也首先提出了利用基质势吸水的概念。随后，利用这一原理，1918年Livingston采用多孔粘土管进行盆栽作物的自动灌溉试验。Richards对这种自动灌水体进行了有益的探索，指出了这种自动灌水体在控制植物生长土壤水分方面的不足。1942年Richards，L.A等及1962年Read利用相同原理，将这种自动灌水应用于温室盆栽。这些自动灌水钵的基本原理与负压灌溉相似，但比较完整地提出负压灌溉方法的是日本的Kato和Teiima。他们利用负压原理，将多孔管材应用于地下灌溉，对负压灌溉进行了初步研究。但由于这些研究都处于理论阶段，以及材料本身的限制，这些技术当时并未在生产实际中应用。到1996年，日本三菱化工集团推出了“负压灌溉器皿”。器皿由分为上下两层的容器构成，上层装填土壤用于种植植物，下层容器装水。多孔管埋入上层容器内的土壤中，一端与下层盛水容器连接。与多孔管相接触的土壤内的水势和多孔管内的水势差，形成了水由盛水容器向土壤流。自2001年开始，美国开始尝试负压灌溉系统的研究，基础研究工作表明了，这种灌溉系统的可行性。 中国农业科学院刘明池于2001年建立了一种负压自动灌水蔬菜栽培系统。这种系统可以实现对土壤水分的自动调控，其突出优点是能够使土壤一直保持最适于作物生长的水分状态，使作物达到了增产的目的。但这一栽培系统巨大的投资成本和能耗成本，限制了其推广应用。中国农业大学的江培福和雷廷武提出了负压自动补给节水灌溉技术，通过实验验证了负压灌溉系统无论从理论上还是从实践上都是可行的。 本试验主要研究不同供水水头、不同土壤质地及不同负压灌水器孔径对负压灌溉土壤水分运移、分布及入渗量的影响，分析其影响机理，初步确定负压供水水头的范围，为负压灌水器的选取提供试验基础。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：为解决干旱地区水资源短缺及灌溉水利用效率低的现状，本作品将研究一种新型的、利用土壤吸力进行灌溉的负压灌溉系统，对负压自动补给灌溉可行性及关键技术进行了初步探索。 基本思路：本作品设置了不同的处理进行完全随机试验；描述试验的材料和方法，通过试验观测和结果分析，得出不同处理对负压灌溉土壤水分运移、分布及入渗量的影响，初步确定了不同灌水器和土壤条件下，负压供水水头的范围。
科学性、先进性及独特之处
- 其科学性、先进性及独特性主要表现在： 1、负压灌溉系统在作物的吸水作用产生的土壤水吸力驱动下工作，无需水泵，运行节能； 2、负压灌溉可以减少土壤深层渗漏，达到了节水的效果； 3、负压灌溉利用土壤张力特性，实现了植物对水分连续自动获取，改变间歇灌溉概念，提高了灌溉精准和自动化程度，同时也可以使水分得到了高效利用。
应用价值和现实意义
- 负压智能化自动补给灌溉不但具备节水、节能、节省占地和保护农业生态环境、保护土地等农业自然资源等优点，同时也可以提高灌溉精准与自动化程度、降低灌溉成本。对水资源供需矛盾日益尖锐，农业干旱缺水和水资源短缺的我国来说寻找一种新型高效节水灌溉技术显得尤为重要。因此，本作品对实现旱作农业水分高效利用和节水农业发展具有非常重要的现实意义。同时，也为寻找高效节水灌溉技术开辟了新途径。
学术论文摘要
- 负压灌溉是一种新型的节水灌溉技术，可以在水源高程低于灌水器高程(供水水头为负值) 情况下，自动补给实现灌溉。灌溉过程中不产生深层渗漏损失，可以达到作物的精准灌溉。试验采用30°扇柱体有机玻璃土槽，研究了不同土壤质地、不同孔径的负压灌水器和不同供水水头，对负压灌溉湿润峰动态变化、累积入渗量、出水量和土壤水分运移的影响。试验结果表明: 1）各处理的湿润锋开始时运移较快，等时间线较稀疏，随着灌溉时间增加，运移变慢，等时间线变密。湿润体都近似为椭球体；2）不同处理的累计入渗量，最大水平和垂直湿润距离都随时间的增加而增大，入渗率随时间的增加而减小。正压和无压的条件下，相同时间，同处理的砂土的累计入渗量、最大水平和垂直距离均比壤土大，而在负压的情况下，则反之；3）灌溉时间相同时，湿润体体积随供水水头的减小而减小；4）累计入渗量、最大水平和垂直湿润距离随高程差呈幂函数变化关系。灌水历时相同时，H=0.5m、0m、-0.5m时，孔径为5-6µm的灌水器出水量较大，而H=-1m、-2m时，孔径为3-4µm的灌水器出水量较大；5）当H=-2m时，负压灌水非常困难。
获奖情况
- 暂无获得奖励。
鉴定结果
- 情况属实，同意申报。
参考文献
- 【1】 江培福. 负压灌溉技术原理及其试验研究【D】. 北京: 中国农业大学，2006. 【2】 Livingston, B. E. A method for controlling plant moisture．Plant World, 1908，11: 39～40. 【3】 Livingston, B. E. Porous clay cones for the auto-irrigation of potted plants．Plant Worm，1918, 21: 202～208． 【4】 Richards，L.A. and W.E.Loomis. Limitation of auto-irrigators for controlling soil moisture under growing plant. Plant Physiology, 1942, 17: 223～235. 【5】 Read, D. w. L.，S.V Fleck, and W.L.Pelion． Self-irrigating greenhouse pots．Agronomy Journal, 1962, 54: 467～468. 【6】 Z. Kate，and S. Tejima. Theory and fundamental studies on subsurface method by use of negative pressure. Transactions Of JSIDRE, 1982, 101: 46～54. 【7】 刘明池. 负压自动灌水蔬菜栽培系统的建立与应用【D】. 北京: 中国农业科学院, 2001. 【8】 雷廷武，江培福，Vincent F.Bralts, 等.负压自动补给灌溉原理及可行性试验研究. 水利学报，2005, 36（3）: 298～302. 【9】 张明炷，黎庆淮，石秀兰．土壤与农作学, 北京: 中国水利水电出版社, 1994． 【10】 雷志栋，杨诗秀，谢森传．土壤水动力学, 北京: 清华大学出版社, 1988．
同类课题研究水平概述
- 水资源短缺是当前世界性的问题，许多国家和地区的工农业生产及人们的生活受到水资源短缺的影响。 SDI技术自问世以来，便以其显著的节水增产效益受到人们的广泛关注，在资源十分短缺的今天，SDI技术的发展与应用前景十分乐观。虽然系统可能在很低的压力下工作，仍然需要提水加压装备。地表的起伏和制造偏差常引起灌水器的灌水均匀度降低。正常情况下系统处于有压状态，当系统内部因某种原因产生负压时，极易吸入土壤颗粒等，引发灌水器堵塞。 如何将土壤含水量控制在最适于作物生长的范围，早在1908年Livingston，B.E首先提出负压控制土壤含水量的方法。1942年Richards，L.A等及1962年Read，D.W.L先后利用负压控水原理进行了自动灌水双层栽培钵的研究，以实现在作物生长过程中自动控制土壤含水量。1982年Kato.Z等首先将多孔的陶瓷管及负压理论引入设施园艺灌水研究中，1995年Kojima.T等提出了一种新的陶瓷管地下灌溉系统，1996年日本三菱化工集团推出了“负压灌溉器皿”，用于作物的盆栽，但这些研究多处于理论研究阶段，并且由于其材料、操作繁琐的限制，负压灌水技术一直未有很多的系统研究，并且在作物生产上也未得到应用。 1996年，日本三菱化工集团申请了一项专利—负压灌溉系统。系统由分为上下两层的容器构成，上层装填土壤用于种植植物，下层容器装水。多孔管埋入上层容器内的土壤中，一端与下层盛水容器连接。与多孔管相接触的土壤内的水势和多孔管内的水势差，形成了水由盛水容器向土壤流动的驱动力。该系统可用于作物的盆栽。1998年，该公司又申请了一项与之十分相象的负压灌溉系统，将多孔管改为了多孔板，其它未变。自2001年开始，美国开始尝试负压灌溉系统的研究，基础研究工作表明了，这种灌溉系统的可行性。 江培福在2006年初步研究了不同灌水器（陶土头、纤维）对土壤湿润峰及灌溉效率的影响，确定了这种灌溉系统的可行性，但几乎没有涉及到这种灌溉系统对作物生长的影响，灌水器的使用也不规范，实现该系统的推广还有一定的差距。2007年耿伟等研究了负水头灌溉技术在番茄栽培上的应用，主要关注作物生理方面的研究，而对这种灌溉系统的关键，如灌水器以及管道的水力特性等缺乏研究。
