仿生灌溉Word下载.doc

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2011年全国有2800多万人因旱发生饮水困难，主要集中在西南地区和内蒙古、甘肃等地，其中西南5省、自治区、直辖市9月上旬旱情高峰时有1405万人发生饮水困难，是全国多年同期人数的2倍，部分居住在山区和半山区的群众饮水困难时间长达半年以上。

我国还没有从根本上扭转农业“靠天吃饭”的局面，全国有54%的耕地缺少基本的灌排条件，将近2亿多农民饮水存在不安全因素，可见，加快改革发展水利基础薄弱环节，保护节约珍贵水资源、发展高效节水技术刻不容缓、时不我待。

二、中央大力倡导发展高效节水灌溉技术

2011年中央一号文件的提出，中央水利工作会议的召开为我国的水利的发展指明了方向。

特别是针对近年来我国频繁发生的严重水旱灾害，造成重大生命财产损失，暴露出农田水利等基础设施十分薄弱的问题，党中央作出了明确的部署，力争通过5年到10年努力，从根本上扭转水利建设明显滞后的局面，基本建成水资源合理配置和高效利用体系，全国年用水总量力争控制在6700亿立方米以内，农田灌溉水有效利用系数提高到0.55以上，“十二五”期间新增农田有效灌溉面积4000万亩。

到2020年，基本完成大型灌区、重点中型灌区续建配套和节水改造任务。

结合全国新增千亿斤粮食生产能力规划实施，在水土资源条件具备的地区，新建一批灌区，增加农田有效灌溉面积。

实施大中型灌溉排水泵站更新改造，加强重点涝区治理，完善灌排体系。

健全农田水利建设新机制，中央和省级财政要大幅增加专项补助资金，市、县两级政府也要切实增加农田水利建设投入，引导农民自愿投工投劳。

加快推进小型农田水利重点县建设，优先安排产粮大县，加强灌区末级渠系建设和田间工程配套，促进旱涝保收高标准农田建设。

因地制宜兴建中小型水利设施，支持山丘区小水窖、小水池、小塘坝、小泵站、小水渠等“五小水利”工程建设，重点向革命老区、民族地区、边疆地区、贫困地区倾斜。

大力发展节水灌溉，推广渠道防渗、管道输水、喷灌滴灌等技术，扩大节水、抗旱设备补贴范围。

积极发展旱作农业，采用地膜覆盖、深松深耕、保护性耕作等技术。

稳步发展牧区水利，建设节水高效灌溉饲草料地。

与此同时，实行最严格的水资源管理制度，建立了建立用水总量控制制度、用水效率控制制度、水功能区限制纳污制度，明确了水资源开发利用控制、用水效率控制、水功能区限制纳污三条红线。

2012年1月10日，水利部农业部签署合作备忘录，陈雷在讲话中强调，促进农业农村长期稳定发展，事关现代化建设全局。

水利部将与农业部携手并肩，齐心协力，认真落实合作备忘录明确的各项任务，并在共同做好的六个方面的工作中强调了要大力发展高效节水农业，推广普及先进适用的节水灌溉技术，积极发展旱作节水农业特别是集雨窖灌农业，共同推进工程、农艺、生物等措施相结合的农业节水技术集成与示范，进一步扩大节水、抗旱设备补贴范围。

三、高效、人性化节水灌溉技术——仿生灌溉

一、仿生灌溉技术原理

仿生灌溉技术是根据膜技术渗透压原理，利用渗透压差及植物根系吸力做为驱动力实现灌溉系统自动运行，其核心产品为膜材料灌溉管（MP管）。

工作原理如下：

1---MP管2---作物根系

图1：

MP管工作原理

MP管之所以能既是输水器又是灌水器的关键，是因为它是一种具有半透膜性质的功能性膜材料。

半透膜的一项主要功能是依靠自然渗透压力实现单向渗透性，而这种渗透性是由渗透压差决定并驱动的，即含水量不同，就会产生不同的渗透压差。

MP管管壁是半透膜，该膜将其内部的水与外部的干燥土壤隔离开来。

MP管内部灌溉水的含水量为100%，外部干燥土壤的含水量明显低于100%，在二者之间就会产生渗透压差，在渗透压差驱动下，灌溉水穿过MP管壁向干燥土壤迁移，使土壤润湿，含水量增加。

随着土壤中含水量的增加，土壤中含水量与MP管内灌溉水含水量的差值逐渐变小，导致驱动MP管内水穿越半透膜向土壤渗透的驱动力逐渐降低，单位时间内通过单位面积的水量逐渐减小。

当土壤中含水量逐渐升高，MP管内外含水量一样，即渗透压差为零时，MP管内的水不再向外迁移。

MP管内外处于平衡状态。

这种平衡状态称为灌溉暂时平衡状态。

灌溉暂时平衡状态是灌溉的最佳状态，这时，土壤中的水分状况是：

1）土壤毛细管内全部充满水分，是土壤有效水的最高值出现的状态。

2）土壤颗粒间隙内没有水，土壤处于含气量充足的良好状态。

土壤中的这种含水量状态被称为“田间持水量”状态。

此时，灌溉有效水的峰值和与之对应的土壤含气量状态均适合于植物生长，是最有利于作物生长的状态。

由于植物的生长及蒸腾需要从土壤中吸水，此时土壤中含水量又降低，原有的灌溉平衡被破坏，MP管内外重新出现渗透压差，使MP管又开始重新向土壤供水，直至达到新的平衡，这是因为：

1）植物在其生命周期的全过程中吸收土壤中水分是一个连续不停的过程，由于含水量不同而产生的渗透压差的存在，使得MP管灌溉过程必然呈现出一个连续灌溉过程。

2）灌溉过程是一个自动发生的过程，其灌溉的频率及供水的量值取决于植物对水的消耗速度和消耗数量，MP管灌溉过程完全拟合了植物的耗水过程，这种灌溉过程也是对植物的连续和充分灌溉过程。

其关键是将半透膜工作机制引入到仿生灌溉系统。

二、仿生灌溉技术优点

（1）在植物生长生命周期的全过程中实现了连续灌溉、更具人性化

植物吸水的过程是一个连续的过程，但以往的所有灌溉方式均是间歇式灌溉，无论是渠灌、畦灌还是喷灌、滴灌，它们的灌溉曲线均是锯齿形的。

从图2中可以看出，在时间T1T2及T3T4二段对应的土壤含水量线AP1及P2A’段，此时土壤含水量不足，低于植物吸水曲线P1P2，植物吸水困难，吸水过程付出较高的能量代价，影响植物的生长及干物质积累。

当灌溉频率较低时，T3T4段很长，植物长期处于干旱状态，将严重影响植物的生长和产量。

图2

图中，1）A点是灌溉起始点。

随灌溉的进行，土壤含水量不断提高，到达B点后，停止灌溉，一个灌溉周期完成。

在蒸腾、蒸发消耗下，土壤含水量逐渐降低，降至波谷处A’点，又开始第二次重复灌溉

2）A至B段为土壤含水量上升线，在正常灌溉情况下，灌水量增加AB段增长。

因此，可将AB段视为每次灌水的灌水量。

3）A至A’段对应的是两次灌水的时间间隔，T1——T4即灌溉频率。

4）P为植物吸收水分曲线，其中P1点为时间T2时植物的吸水量

时间T2T3段对应的曲线为P1B和BP2，在这个时间段内，土壤含水量高于植物的吸水量，植物吸水顺畅。

但是由于土壤中含水量较高，土壤中空气被水挤出，含气量不足，使植物呼吸不畅，影响植物根部的呼吸及代谢过程，从而影响植物生长。

如果土壤水分状况长时间（如3天以上）停留于B点附近，植物呼吸长期受阻，处于受涝灾状态，严重的甚至发生烂根、死亡。

最佳的灌溉方式应该是：

1）A、B两点离P曲线越近越好。

这意味着，每次灌溉的灌水量越少越好。

2）T1T4之间的时间之隔越小越好，即灌溉频率越高越好。

大量田间实验观测证明：

将同样数量的水一次浇入田间和分多次浇入，效果差别很大，分的次数越多，每次用水量越少（即灌溉频率高，灌水定额小）对农作物生长越有利。

随着农业灌溉技术的进步，特别是喷灌、微灌等现代灌溉技术的出现，灌溉频率得到极大的提高，单次灌溉量得到了恰当的控制，使灌溉曲线更接近于理想曲线：

图３

滴灌将T1至T4的时间之隔由过去渠灌的几天一次降为一天一次，甚至几小时一次。

但是它的灌溉曲线仍是锯齿形的，灌溉方式从本质上讲还属于间歇灌溉，只有当T1T4间的时间趋向于无限小且供水量极小时，AB两点才能落到P线上，达到理想灌溉状态，即连续灌溉状态。

但是，对喷、微灌而言，要想达到连续灌溉状态，必须要水泵24小时连续运行，能耗费用将使灌溉成本高到无法承受的程度。

所以，以滴灌为例，用滴灌设备灌溉一般是每天1～2次，每次1～2小时，但仍属间歇灌溉模式。

间歇式灌溉的要点是以数量换时间，即在一次灌溉中向土壤中灌入大于作物需求量的水，使土壤含水量曲线出现一个峰值（B点）。

多余水量的损耗是需要一定时间的，在这段时间内土壤可保持一定的湿度和向作物供水能力。

可见，这段时间是水量换来的，是以水的损耗、浪费为代价的。

峰值越高，水的浪费量越大。

滴灌的峰值比渠灌的峰值低很多，所以滴灌是一种有效的节水灌溉方式。

大量应用实践表明，滴灌可以比漫灌节水60～70%。

仿生灌溉系统实现了连续灌溉，其灌溉曲线为：

图４

图中S线为用MP管灌溉条件下土壤含水量曲线，它是一条圆滑的，与P曲线拟合很好的曲线，这条曲线上锯齿形的峰值与谷值完全消失。

峰值消失意味着灌溉过程没有多余的水进入土壤，进入土壤的水与作物的耗水恰当匹配，是一种非常节水的灌溉方式，大量对比试验表明：

仿生灌溉系统可以比滴灌系统节水50%或者以上。

谷值的消失意味着作物在整个生命周期中，不会受到多次间歇式水分胁迫，而是一直受到充分灌溉，从而最大限度保证了作物的正常发育和顺利成长。

某些作物不同的生长期对水分的需求特点不同。

如生长前期需水量大而后期需水量小，可以通过调节，方便地将供水曲线调节成如下形态：

图５

连续灌溉是一种精准的可调控性很强的新型灌溉方式。

经国际联机检索，到目前为止，尚未有任何一种其它的灌溉方式可以实现连续灌溉。

（2）实现了一种高效节水的灌溉方法

地面灌溉水损失主要有三种途径：

蒸发损失、径流损失和渗漏损失。

如前所述，由仿生灌溉系统的供水方式决定，在灌溉过程中，不会产生径流损失。

灌溉水直接到达植物根层区，在土壤中以毛细管水状态存在也不会发生渗漏损失。

蒸发损失是地面灌溉水分损失的主要方式，约占水分损失总量的50%左右。

仿生灌溉系统是一种地下灌溉方式，灌水器和润湿体均在地下，通常在地表层有一层3～5cm的干土层，干土层的土壤水分处于毛管断裂湿度以下，导水率很低，层内几乎没有液态水迁移，只有少量汽化水分扩散。

因此，对其下部润湿体中水分起到阻隔作用。

像绝缘层一样保护润湿体水分免受蒸发损失。

总之，仿生灌溉系统避免或大幅度降低了灌溉水损失，减少水的浪费，在节约用水方面，达到了一个任何地面灌溉方式均无法达到的水平，为农田灌溉提供了一种高效节水的灌溉方法。

应用实验表明，在保证充分灌溉的前提下，其用水量约为滴灌用水量的50%或者更低。

尤其值得指出的是仿生灌溉系统的防渗漏能力。

在沙漠地区，沙土蓄水能力很低，渗漏损失使得间歇式地面灌溉系统很难实施有效灌溉。

仿生灌溉使沙生植物的根旁随时有一条蓄满水的水管，随时保证植物的用水需求。

使沙土地的灌溉变得像普通农田灌溉一样容易实施。

（3）灌溉过程中不消耗动力

仿生灌溉系统除向贮水箱供水需消耗部分动力外，其自身系统结构非常简单，主