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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 負(fù)壓自動(dòng)補(bǔ)給灌溉系統(tǒng)原理及可行性試驗(yàn)研究
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡介：
- 本作品以研究負(fù)壓灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為目的，描述了系統(tǒng)的主要組成部分，對負(fù)壓灌溉的可行性進(jìn)行了理論分析和調(diào)試運(yùn)行；在此基礎(chǔ)上，設(shè)置了不同的處理（不同負(fù)壓水頭、不同灌水器尺寸和孔徑、不同土壤質(zhì)地），進(jìn)行完全隨機(jī)試驗(yàn)；描述試驗(yàn)的材料和方法，通過試驗(yàn)觀測和結(jié)果分析，得出不同處理對負(fù)壓灌溉土壤水分運(yùn)移、分布及入滲量的影響，初步確定了不同灌水器和土壤條件下，負(fù)壓供水水頭的范圍。
- 詳細(xì)介紹：
- 負(fù)壓灌溉是一種新型的節(jié)水灌溉技術(shù)，可以在水源高程低于灌水器高程(供水水頭為負(fù)值) 情況下，自動(dòng)補(bǔ)給實(shí)現(xiàn)灌溉。 負(fù)壓灌溉是將灌水器埋入土壤，與土壤緊密接觸，利用土壤基質(zhì)勢為驅(qū)動(dòng)力吸水。負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中灌溉水源的高程低于灌水器的高程，供水水頭為負(fù)值。對作物的灌溉是在“負(fù)壓”情況下由作物的耗水后產(chǎn)生的土壤吸力來實(shí)現(xiàn)，以維持土壤水分恒定。如何將土壤水分保持在最適于植物生長的狀態(tài)，一直是科研工作者十分關(guān)心的重要問題。國內(nèi)外對如何控制土壤水分也進(jìn)行了許多研究。早在1908年Livingston就提出了一種控制土壤水分的自動(dòng)灌水缽，這被認(rèn)為是張力計(jì)有記載以來最早的形式，也首先提出了利用基質(zhì)勢吸水的概念。隨后，利用這一原理，1918年Livingston采用多孔粘土管進(jìn)行盆栽作物的自動(dòng)灌溉試驗(yàn)。Richards對這種自動(dòng)灌水體進(jìn)行了有益的探索，指出了這種自動(dòng)灌水體在控制植物生長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，將這種自動(dòng)灌水應(yīng)用于溫室盆栽。這些自動(dòng)灌水缽的基本原理與負(fù)壓灌溉相似，但比較完整地提出負(fù)壓灌溉方法的是日本的Kato和Teiima。他們利用負(fù)壓原理，將多孔管材應(yīng)用于地下灌溉，對負(fù)壓灌溉進(jìn)行了初步研究。但由于這些研究都處于理論階段，以及材料本身的限制，這些技術(shù)當(dāng)時(shí)并未在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用。到1996年，日本三菱化工集團(tuán)推出了“負(fù)壓灌溉器皿”。器皿由分為上下兩層的容器構(gòu)成，上層裝填土壤用于種植植物，下層容器裝水。多孔管埋入上層容器內(nèi)的土壤中，一端與下層盛水容器連接。與多孔管相接觸的土壤內(nèi)的水勢和多孔管內(nèi)的水勢差，形成了水由盛水容器向土壤流。自2001年開始，美國開始嘗試負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的研究，基礎(chǔ)研究工作表明了，這種灌溉系統(tǒng)的可行性。 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院劉明池于2001年建立了一種負(fù)壓自動(dòng)灌水蔬菜栽培系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對土壤水分的自動(dòng)調(diào)控，其突出優(yōu)點(diǎn)是能夠使土壤一直保持最適于作物生長的水分狀態(tài)，使作物達(dá)到了增產(chǎn)的目的。但這一栽培系統(tǒng)巨大的投資成本和能耗成本，限制了其推廣應(yīng)用。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的江培福和雷廷武提出了負(fù)壓自動(dòng)補(bǔ)給節(jié)水灌溉技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)壓灌溉系統(tǒng)無論從理論上還是從實(shí)踐上都是可行的。 本試驗(yàn)主要研究不同供水水頭、不同土壤質(zhì)地及不同負(fù)壓灌水器孔徑對負(fù)壓灌溉土壤水分運(yùn)移、分布及入滲量的影響，分析其影響機(jī)理，初步確定負(fù)壓供水水頭的范圍，為負(fù)壓灌水器的選取提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：為解決干旱地區(qū)水資源短缺及灌溉水利用效率低的現(xiàn)狀，本作品將研究一種新型的、利用土壤吸力進(jìn)行灌溉的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)，對負(fù)壓自動(dòng)補(bǔ)給灌溉可行性及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步探索。 基本思路：本作品設(shè)置了不同的處理進(jìn)行完全隨機(jī)試驗(yàn)；描述試驗(yàn)的材料和方法，通過試驗(yàn)觀測和結(jié)果分析，得出不同處理對負(fù)壓灌溉土壤水分運(yùn)移、分布及入滲量的影響，初步確定了不同灌水器和土壤條件下，負(fù)壓供水水頭的范圍。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 其科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特性主要表現(xiàn)在： 1、負(fù)壓灌溉系統(tǒng)在作物的吸水作用產(chǎn)生的土壤水吸力驅(qū)動(dòng)下工作，無需水泵，運(yùn)行節(jié)能； 2、負(fù)壓灌溉可以減少土壤深層滲漏，達(dá)到了節(jié)水的效果； 3、負(fù)壓灌溉利用土壤張力特性，實(shí)現(xiàn)了植物對水分連續(xù)自動(dòng)獲取，改變間歇灌溉概念，提高了灌溉精準(zhǔn)和自動(dòng)化程度，同時(shí)也可以使水分得到了高效利用。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 負(fù)壓智能化自動(dòng)補(bǔ)給灌溉不但具備節(jié)水、節(jié)能、節(jié)省占地和保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可以提高灌溉精準(zhǔn)與自動(dòng)化程度、降低灌溉成本。對水資源供需矛盾日益尖銳，農(nóng)業(yè)干旱缺水和水資源短缺的我國來說尋找一種新型高效節(jié)水灌溉技術(shù)顯得尤為重要。因此，本作品對實(shí)現(xiàn)旱作農(nóng)業(yè)水分高效利用和節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，也為尋找高效節(jié)水灌溉技術(shù)開辟了新途徑。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 負(fù)壓灌溉是一種新型的節(jié)水灌溉技術(shù)，可以在水源高程低于灌水器高程(供水水頭為負(fù)值) 情況下，自動(dòng)補(bǔ)給實(shí)現(xiàn)灌溉。灌溉過程中不產(chǎn)生深層滲漏損失，可以達(dá)到作物的精準(zhǔn)灌溉。試驗(yàn)采用30°扇柱體有機(jī)玻璃土槽，研究了不同土壤質(zhì)地、不同孔徑的負(fù)壓灌水器和不同供水水頭，對負(fù)壓灌溉濕潤峰動(dòng)態(tài)變化、累積入滲量、出水量和土壤水分運(yùn)移的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明: 1）各處理的濕潤鋒開始時(shí)運(yùn)移較快，等時(shí)間線較稀疏，隨著灌溉時(shí)間增加，運(yùn)移變慢，等時(shí)間線變密。濕潤體都近似為橢球體；2）不同處理的累計(jì)入滲量，最大水平和垂直濕潤距離都隨時(shí)間的增加而增大，入滲率隨時(shí)間的增加而減小。正壓和無壓的條件下，相同時(shí)間，同處理的砂土的累計(jì)入滲量、最大水平和垂直距離均比壤土大，而在負(fù)壓的情況下，則反之；3）灌溉時(shí)間相同時(shí)，濕潤體體積隨供水水頭的減小而減小；4）累計(jì)入滲量、最大水平和垂直濕潤距離隨高程差呈冪函數(shù)變化關(guān)系。灌水歷時(shí)相同時(shí)，H=0.5m、0m、-0.5m時(shí)，孔徑為5-6μm的灌水器出水量較大，而H=-1m、-2m時(shí)，孔徑為3-4μm的灌水器出水量較大；5）當(dāng)H=-2m時(shí)，負(fù)壓灌水非常困難。
獲獎(jiǎng)情況
- 暫無獲得獎(jiǎng)勵(lì)。
鑒定結(jié)果
- 情況屬實(shí)，同意申報(bào)。
參考文獻(xiàn)
- 【1】 江培福. 負(fù)壓灌溉技術(shù)原理及其試驗(yàn)研究【D】. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，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】 劉明池. 負(fù)壓自動(dòng)灌水蔬菜栽培系統(tǒng)的建立與應(yīng)用【D】. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2001. 【8】 雷廷武，江培福，Vincent F.Bralts, 等.負(fù)壓自動(dòng)補(bǔ)給灌溉原理及可行性試驗(yàn)研究. 水利學(xué)報(bào)，2005, 36（3）: 298～302. 【9】 張明炷，黎慶淮，石秀蘭．土壤與農(nóng)作學(xué), 北京: 中國水利水電出版社, 1994． 【10】 雷志棟，楊詩秀，謝森傳．土壤水動(dòng)力學(xué), 北京: 清華大學(xué)出版社, 1988．
同類課題研究水平概述
- 水資源短缺是當(dāng)前世界性的問題，許多國家和地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的生活受到水資源短缺的影響。 SDI技術(shù)自問世以來，便以其顯著的節(jié)水增產(chǎn)效益受到人們的廣泛關(guān)注，在資源十分短缺的今天，SDI技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景十分樂觀。雖然系統(tǒng)可能在很低的壓力下工作，仍然需要提水加壓裝備。地表的起伏和制造偏差常引起灌水器的灌水均勻度降低。正常情況下系統(tǒng)處于有壓狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部因某種原因產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，極易吸入土壤顆粒等，引發(fā)灌水器堵塞。 如何將土壤含水量控制在最適于作物生長的范圍，早在1908年Livingston，B.E首先提出負(fù)壓控制土壤含水量的方法。1942年Richards，L.A等及1962年Read，D.W.L先后利用負(fù)壓控水原理進(jìn)行了自動(dòng)灌水雙層栽培缽的研究，以實(shí)現(xiàn)在作物生長過程中自動(dòng)控制土壤含水量。1982年Kato.Z等首先將多孔的陶瓷管及負(fù)壓理論引入設(shè)施園藝灌水研究中，1995年Kojima.T等提出了一種新的陶瓷管地下灌溉系統(tǒng)，1996年日本三菱化工集團(tuán)推出了“負(fù)壓灌溉器皿”，用于作物的盆栽，但這些研究多處于理論研究階段，并且由于其材料、操作繁瑣的限制，負(fù)壓灌水技術(shù)一直未有很多的系統(tǒng)研究，并且在作物生產(chǎn)上也未得到應(yīng)用。 1996年，日本三菱化工集團(tuán)申請了一項(xiàng)專利—負(fù)壓灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)由分為上下兩層的容器構(gòu)成，上層裝填土壤用于種植植物，下層容器裝水。多孔管埋入上層容器內(nèi)的土壤中，一端與下層盛水容器連接。與多孔管相接觸的土壤內(nèi)的水勢和多孔管內(nèi)的水勢差，形成了水由盛水容器向土壤流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。該系統(tǒng)可用于作物的盆栽。1998年，該公司又申請了一項(xiàng)與之十分相象的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)，將多孔管改為了多孔板，其它未變。自2001年開始，美國開始嘗試負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的研究，基礎(chǔ)研究工作表明了，這種灌溉系統(tǒng)的可行性。 江培福在2006年初步研究了不同灌水器（陶土頭、纖維）對土壤濕潤峰及灌溉效率的影響，確定了這種灌溉系統(tǒng)的可行性，但幾乎沒有涉及到這種灌溉系統(tǒng)對作物生長的影響，灌水器的使用也不規(guī)范，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的推廣還有一定的差距。2007年耿偉等研究了負(fù)水頭灌溉技術(shù)在番茄栽培上的應(yīng)用，主要關(guān)注作物生理方面的研究，而對這種灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵，如灌水器以及管道的水力特性等缺乏研究。
