微潤灌溉技術研究進展及展望

鄒小陽, 全天惠, 周夢娜, 楊慶理, 石 懿

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.深圳市微潤灌溉技術有限公司, 廣東 深圳518000)

微潤灌溉技術研究進展及展望

鄒小陽1, 全天惠2, 周夢娜2, 楊慶理2, 石 懿2

(1.中國科學院水利部水土保持研究所,陜西楊凌712100; 2.深圳市微潤灌溉技術有限公司,廣東深圳518000)

[目的] 對近年來國內外關于微潤灌溉技術的研究成果進行綜述，探討微潤灌溉的未來研究方向，為微潤灌溉制度和灌溉參數的制定及該節水技術的推廣提供依據。 [方法] 總結微潤灌溉的發展歷程和應用現狀，微潤灌溉條件下土壤水分運動規律，微潤灌溉對作物生長的影響，并分析微潤灌溉技術的不足之處。 [結果] 微潤灌溉是一種新型地下灌溉技術，以連續灌溉方式不間斷地向作物根系供應適量水分，使植物吸水過程與田間灌溉過程具有同步性，灌水量與植物耗水量相匹配，實現無脅迫灌溉，改善作物品質和產量。該技術已成為國際領先的仿生型連續灌溉系統，在干旱半干旱地區具有廣闊的應用前景。 [結論] 今后應加強的研究領域主要包括：微潤灌溉對土壤養分運移的影響；微潤灌溉對不同種植模式作物生長的影響；微潤灌溉對農田生態系統溫室氣體排放的影響。

微潤灌溉; 應用現狀; 水分運移; 作物生長

文獻參數： 鄒小陽, 全天惠, 周夢娜, 等.微潤灌溉技術研究進展及展望[J].水土保持通報，2017,37(4)：150-155.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.025； Zou Xiaoyang, Quan Tianhui, Zhou Mengna, et al. Progress and prospects of moistube irrigation technology research[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：150-155.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.025

微潤灌溉是一種新型地下灌溉技術，微潤管壁分布著數量巨大的微孔，微孔孔徑達到納米級(10～900 nm)，水分透過半透膜管微孔緩慢滲出，輸送至植物根區土壤；其主要驅動力為膜內外水勢差，微潤管出水量根據土壤含水率變化可精準調節，有效減少田間蒸發和提高灌溉水利用率，在干旱半干旱地區具有廣闊的應用前景[1-3]。微潤灌溉模擬植物24 h不間斷吸水過程，以連續灌溉方式不停地向作物根系供應適量水分，使植物吸水過程與田間灌溉過程實現時間上的同步性，灌水量與植物耗水量相匹配，實現無脅迫灌溉，改善作物品質和產量，該技術已成為國際領先的仿生型連續灌溉系統[4-5]。此外，微潤灌溉技術運行的驅動能量為水位能和土壤勢能，不需動力設備，運行成本較低。由于微潤灌溉技術具有較高的節水效益、改善農田生態系統環境、運行成本較低和抗堵塞性能強等優勢，總結現有關于微潤灌溉技術的研究成果，探討微潤灌溉的未來研究方向，對于制定微潤灌溉制度和灌溉參數及推廣該節水技術具有重要意義。

1 微潤灌溉的發展歷程和應用現狀

微潤管是由深圳市微潤灌溉技術有限公司于2007年研制出的一種新型節水灌溉產品，研制初期也稱為“水纜灌溉”或“半透膜灌溉”[6]。微潤管第一代產品為薄納米孔膜，外有無紡布套層保護，具有雙層結構的第一代產品在園林綠化，農業灌溉等領域具有高效的節水效果。隨著微潤管應用范圍及應用面積的不斷擴大，要求微潤管安裝更加簡單方便，可操作性更強，特別是在沙漠治理、生態恢復方面需要更可靠更穩定的微潤管產品，因此研究出了第二代微潤管，其為單層的厚薄膜納米管，厚度約為1 mm。第二代微潤管較第一代產品的優勢有：出水量穩定、抗高溫高寒、機械強度高、安裝和維護簡單方便等，在西部地區嚴峻的沙漠環境以及山丘地區中應用具有突出優勢。第三代微潤管是在第二代的基礎上進行了改造，其出水穩定性、抗堵性進一步加強。第一代微潤管至最新的第三代微潤管如圖1所示。

第一代微潤管 第二代微潤管 第三代微潤管

圖1不同類型微潤管

微潤灌溉技術已廣泛應用于中國湖北、新疆、貴州、云南、內蒙古等地區，在促進蔬菜、果樹和玉米等作物增產方面發揮了不可替代的作用。張立坤等[7]研究了微潤灌和滴灌兩種灌溉方式對娃娃菜生長的影響，發現地下微潤灌溉適宜作為溫室作物的灌溉方式。史麗艷等[8]以盆栽玉米為研究對象，分析了微潤灌對玉米生長、葉綠素含量、光合速率和蒸發速率等生理指標的影響。湯英等[9]研究了桃樹微潤灌溉條件下土壤水分入滲和水分變化特征，期望將微潤灌溉技術引入果樹種植。何玉琴等[10]以膜下滴灌為對照，研究微潤管不同埋設深度、間距和壓力對玉米生長和產量的影響。魏鎮華等[11]研究了交替灌溉與微潤灌溉對番茄耗水和產量的調控效應，以探明微潤灌溉技術在西北干旱區的適用性。韓慶忠等[12-13]研究了微潤灌水肥一體化在湖北省三峽庫區臍橙園的適用性。姚付啟等[14]對比了微潤灌溉、常規灌溉和雨養灌溉對臍橙生長過程中生理生態參數的影響。柳祥林[15-16]介紹了微潤灌溉水肥一體化技術在湖北省秭歸縣的推廣情況，發現該技術改善了當地的農業灌溉模式、提高了灌溉水利用效率和灌溉質量。張子卓等[17-18]研究了微潤管埋深和壓力對番茄生長的影響，探明了微潤灌溉對番茄株高、氣孔導度和光合速率的影響規律。薛萬來等[19]對比了微潤灌溉和滴灌兩種技術對溫室番茄生長的影響，從而證明微潤灌溉技術更適合于設施農業。余瑩瑩等[20]分析了微潤灌溉技術在江蘇省徐州市的應用效益，發現該系統具有維護成本低、投資回收期短和經濟效益高等優點。巴音克西克[21]分析了微潤灌溉技術在新疆地區的推廣前景，發現微潤灌溉技術可為葡萄、紅棗提供連續、充分的水分，微潤灌溉系統生產成本和運行費用較低，在新疆地區具有廣闊的推廣前景。

深圳市微潤灌溉技術有限公司自成立初就致力于我國微潤灌溉新技術的推廣。2012年水利部牧區水科所在內蒙古地區種植牧草百余公頃，微潤灌溉處理的牧草產量較滴灌增加81%。2013年青海省水科所使用微潤灌溉技術在鹽堿荒灘種植枸杞，實現了枸杞高產和減輕鹽堿化的雙重目標；微潤灌溉顯著減輕植物的鹽堿脅迫，促進枸杞早熟和生長發育，且節水節能效益高于滴灌。2013年湖北省秭歸縣水利局推廣“雨洪集蓄+微潤灌溉”的農業灌溉模式，廣泛應用于柑橘、茶葉和核桃等作物的種植，應用面積高達1 000 hm2。2014年湖北省丹江口水利局將微潤灌溉技術運用于茶葉種植，應用面積100 hm2，提高了當地高效農業節水灌溉技術水平，提高了丹江口市農業水資源的利用率。2015年云南省新平木道農業科技有限公司將微潤灌溉技術大多應用于沃柑苗的種植上，使用面積為40 hm2，使用效果與同期采用滴灌處理的幼苗進行對比，發現采用微潤灌溉后沃柑苗抽梢較滴灌早，新梢生長快，長勢好且更加節水節人工，地面雜草少等。2015年廣西省水利廳建設火龍果微潤灌示范區，微潤灌溉面積達20 hm2；微潤灌溉明顯促進了火龍果的長勢，較滴灌節水50%以上，節省人力物力。2016年建設了貴州省山區現代水利微潤灌溉區，微潤灌溉面積達66.7 hm2，明顯促進了葡萄、桃和杏的生長，實現良好的經濟效益。2016年，內蒙古烏拉特國家級自然保護區引進微潤灌溉技術，將其應用于自然保護區梭梭林的種植，有效改善了烏拉特梭梭林蒙古野驢國家級自然保護區生態壞境，提高保護區防沙治沙、改善土壤及水資源利用率。目前，微潤灌溉技術的推廣應用集中于我國的西北和西南地區，正逐步向中部及東北部擴展，微潤灌溉技術不僅具有高效節水功能，還具有改善土壤環境、提高肥效和降低運行成本等優勢。因此，在我國濕潤半濕潤地區應加強微潤灌溉技術的推廣應用。

2 微潤灌溉條件下土壤水分運動規律研究進展

微潤管是利用功能性半透膜材料制成的灌水器，可實現作物根系周圍區域的實時微壓灌溉。微潤灌溉引入了半透膜仿生技術，實現微潤管的供水過程在時間上與植物的吸水過程同步，是一種持續向土壤供水的灌溉方式[22]。微潤管內部充水后埋入植物根部附近土壤，因膜外側相對干燥的根區土壤水勢較低，膜內水勢相對較高，在土壤水勢梯度差的驅動下，微潤管中的水分透過半透膜向外部運移，實現土壤濕潤的目標。當植物根區土壤水分被根系吸收后，根區土壤含水量降低，膜內外的水勢差增大，微潤管向土壤滲透水分的速率逐漸加快，增加土壤含水量[8-9]。現有研究主要通過室內土箱和土柱試驗等方法分析微潤灌溉條件下土壤水分運移規律。張俊等[4]研究發現，微潤灌溉條件下，濕潤鋒推進速率和地表濕潤時間均隨著土壤初始含水量增加而增大，并與灌水時間呈冪函數關系；濕潤鋒體形狀呈圓形，濕潤體內土壤水分呈同心圓分布，灌溉均勻系數隨土壤初始含水量的增加而增大。薛萬來等[23-24]通過室內土箱模擬試驗，發現濕潤鋒運移距離隨土壤容重增加而減小，隨土壤初始含水量和壓力水頭的增大而增大，但與微潤管埋深相關性不顯著；土壤水分分布范圍隨著壓力水頭的增加而擴大，且土壤含水量也呈增加趨勢。祁世磊等[25]通過室內低壓微潤管出流和入滲試驗，發現微潤管在空氣和土壤中的出流量與壓力存在顯著線性相關，濕潤鋒運移距離與通水時間呈良好的冪函數關系。謝香文等[26]通過室內土槽試驗發現，微潤灌溉形成的濕潤體接近于圓形，濕潤鋒運移距離、運移速度與入滲時間存在良好的冪函數關系。史麗艷等[8]研究發現，微潤灌溉穩定后土壤水分主要分布于10—30 cm土層。張珂萌等[27]研究發現，微潤灌溉條件下，土壤含水量和水勢均呈對稱分布，微潤灌溉的濕潤面積高于地下滴灌。牛文全等[28]研究發現，礦化度對土壤濕潤體形狀無顯著影響，礦化水濕潤體體積大于清水處理，且微潤灌的累積入滲量隨礦化度增加而增大；壓力水頭是影響微潤管流量的決定因素，濕潤鋒水平運移距離與寬深比均隨埋深的增加而減小，垂直運移距離隨埋深的增加而略微增大。邱照寧等[29]研究發現微潤管出流量與水溫具有較好的線性關系，水溫對微潤管出流量的影響程度隨壓力水頭增大而增強。張俊等[5]基于室內土箱試驗，發現微潤灌溉濕潤體是以微潤管為軸心的柱狀體，黏壤土近似為圓柱體，砂土濕潤體的橫剖面為“倒梨”形，微潤灌溉均勻度高達95.62%。李朝陽等[30]研究發現，微潤灌溉呈立體供水狀態，灌水均勻度高，且表土層易形成干燥層，0—30 cm土層土壤含水量變異系數較小。張國祥等[31]發現，微潤灌溉條件下，土壤水分累積入滲量與土壤黏粒含量呈負相關關系，水分運移速率隨土壤黏粒含量增高而減緩。

3 微潤灌溉對作物生長影響的研究進展

現有研究主要關注微潤灌溉對玉米、番茄、柑橘等作物產量和品質的影響。微潤灌溉的水分利用率高于其他微灌方式，微潤灌溉有利于玉米籽粒發育和百粒質量的增加，微潤管的工作壓力對玉米產量和水分利用率的影響最大[10]。微潤灌溉條件下番茄根系集中分布于0—30 cm，根系纏繞著微潤管；并增強根系吸收土壤水分的能力，降低番茄耗水量，提高水分利用效率；微潤管壓力水頭180 cm、埋深15 cm處理的番茄株高分別較埋深10和20 cm處理增加9.17%和7.55%，增產率分別為3.24%和7.45%[11]。深圳市微潤灌溉技術有限公司于2013年在三峽庫區開展臍橙微潤灌水肥一體化試驗，樹冠直徑和新稍長較降雨灌溉分別增加了8.7%和55.6%，臍橙果徑和單果重分別增大了66.7%和190%，臍橙色澤和口感均明顯好于雨養處理；且臍橙葉片最大光合速率、葉片呼吸強度、表觀初始量子效率、光合補償點和葉片比表面積均優于雨養處理[12]。薛萬來等[19]通過微潤灌溉和滴灌培育溫室番茄的對比試驗，發現微潤灌處理的土壤含水量基本維持在20%，微潤處理的番茄株高、莖粗較滴灌處理分別高于6.36%和3.11%，產量較滴灌處理提高0.49%。董瑾[33]對比了微潤灌溉和常規滴灌對溫室草莓生長的影響差異，微潤灌溉條件下草莓的品質和產量均優于常規灌溉，微潤灌溉處理草莓的VC含量較高；且微潤灌溉處理的草莓平均生長速率、葉片總含水量、根長和根系數量均高于其他灌溉方式。

傳統的間歇式灌溉方式，如滴灌、噴灌和根系分區交替灌溉等，是通過灌水量來控制土壤含水量的，而且控制時間僅局限于灌水當時的很短一段時間。水分一旦進入土壤，該控制過程即結束。間歇式灌溉過程中，受土壤基質勢和重力勢的共同影響，水分從灌溉原點進入土壤時隨著時間的不斷推移向周圍區域擴散[34]。當土壤中的水分分布范圍達到一個合理的范圍才能實現供應作物需水和提高灌溉水分利用率的雙重目標。間歇式灌溉條件下，土壤濕潤體內的含水量隨濕潤鋒距離的增加而降低，濕潤體臨界邊緣的土壤含水率接近于土壤初始自然風干狀態下的含水量[35]。灌水流量越大，土壤濕潤體內的含水量也相應增加，灌溉原點附近的土壤含水率與灌水流量成正相關關系[36]。與其他間歇式灌溉方式相比，微潤灌溉不會形成地表積水的問題。滴灌等間歇式灌溉方式的灌水流量不易控制，當滴頭流量高于土壤入滲速率時，滴頭附近易形成地表積水，從而降低灌溉水利用率[37]。間歇式灌溉停止供水后，土壤水分在土壤基質勢和重力勢梯度的作用下繼續運移，從灌溉原點向四周遷移，補充土壤含水率較低的區域，形成土壤水分再分布過程[38]。土壤水分再分布達到平衡時應是整個土體勢能平衡的時刻，在濕潤體整體剖面上任意不同位置的總勢能處處相等。在間歇式灌溉條件下，一般將土壤濕度的上限定為田間持水量θf，下限為萎蔫系數θp，每一個灌溉周期土壤含水量都經歷一次由θf至θp的變化。這種不斷變化的含水量將直接影響植物的生長狀態及生長速度。大量的研究[32]表明，作物不同生育階段的生長狀態與土壤含水量密切相關。

作物生長速度與土壤水分關系為一極大值曲線，在土壤含水量達到植物理想生長點之前，作物的生長速率或產量隨著土壤含水量的增加而增大。土壤含水量超過理想生長點時，相應的作物生長速率下降[32]，植物生長速率達到理想生長點對應的土壤含水量低于田間持水量，稱為土壤最佳含水量θa，植物在特定生長期內θa為唯一的。將土壤含水量控制在θa水平，就意味著使植物的生長速率達到最高水平。同時，θa水平保持的時間越長，植物的高速率生長時間就越長，干物質積累越多。因此，土壤含水率維持在 水平的時間對農業生長而言是很有意義的。微潤灌溉以地下灌溉方式將水分直接送達植物的根部，并根據作物不同生育期的需水差異控制土壤的含水量。微潤管半透膜與植物根半透膜以土壤為媒介組成一個水分的動態平衡系統。在灌溉過程中，通過壓力調節，準確控制微潤管給水量，使土壤水分處于收支平衡狀態。大量研究[39-40]表明，通過調節灌溉系統的工作壓力，可以獲得不同的土壤含水量水平。在n天的一個灌溉周期中，如果始終保持某壓力 ，則n天內土壤含水量將一直保持在θi水平。這說明在微潤灌溉條件下，突破了灌水后的n-1 d土壤含水量不可控難題，實現了全灌溉周期的土壤含水量可控。通過控制可以將土壤水分控制在θa水平，并可在n天內穩定地保持，使作物在n天內一直以理想的最高生長速率生長。

4 微潤灌溉技術的不足

微潤灌溉技術具有灌水均勻、節省勞力、水肥一體化、增溫保墑、抑制病蟲害和便于作物管理等諸多優點，但也存在一些不足。

4.1 耗水型植物和植物生長旺盛期的適用性

植物耗水性的差異主要受植物本身的生理結構、代謝能力和環境因子影響，外界環境因子包括光照強度、空氣溫度、空氣濕度、土壤含水率和風速等[41]。灌溉條件直接影響土壤含水率，進而影響植物的生長發育。前人的研究僅關注了微潤灌溉對番茄、枸杞和娃娃菜等作物生長發育的影響，而缺少對耗水量較大作物及作物生長旺盛期的影響研究。為適應不同需水量作物的種植，深圳市微潤灌溉技術有限公司于2015年研制的第三代微潤管增加了出水量，通過設置不同水平的納米孔密度，生產出不同出水量的微潤管。

4.2 微潤灌溉系統鋪設成本較高

微潤灌溉是一種地下灌溉方式，微潤管需埋設在地下20～30 cm，鋪設微潤管所需的勞力較多，增加了微潤灌溉系統的前期投入。為提高微潤管布設的自動化和降低前期成本，深圳市微潤灌溉技術有限公司與中國農業大學工學院依托車輛與交通工程試驗中心共同研發微潤管鋪設裝置，以適應不同環境條件的作業。

4.3 抗堵塞問題

灌溉水中的泥沙顆粒會影響微潤管的出水量，當泥沙顆粒較大時，微潤管易發生堵塞。微潤灌溉系統堵塞主要是有物理堵塞、化學堵塞和生物堵塞3個方面組成。物理堵塞是因為灌溉水體中的無機物懸浮顆粒、微生物殘體和生物代謝產物引起的[22]。化學和生物堵塞均是由灌溉水中的可溶性鹽分、氫氧化物和硅酸鹽等化學成分及藻類、細菌、微生物分解物等生物成分引起的堵塞[42-43]。通過合理的灌溉系統管理并使用微潤管活化劑(深圳市微潤灌溉技術有限公司產)可有效消除微潤管堵塞問題。

5 結論與展望

微潤灌溉是一項全新思維和理念的節水灌溉技術，首次將高分子半透膜材料引入節水灌溉領域。微潤管是以聚乙烯為主要材料，納米膜級惰性填料為成孔劑載體，表面活性劑為成孔劑，制成的半透膜材料。水分子透過微潤管管壁上的納米孔向外滲透，濕潤植物的根區土壤。微潤灌溉可實現持續低流量灌溉，灌溉水量與作物消耗量相匹配，在時間節律上與作物吸水的生理過程同步。并且微潤灌溉以地下埋設方式直接供給植物水分，提高了灌溉水分利用效率，避免了地表蒸發損失、徑流損失和滲漏損失；使水分和養分直接運移至植物根系，改善作物品質，增產增收。微潤灌溉技術具有諸多優點，但現有研究主要關注微潤灌溉對土壤水分運移和作物生長等方面的影響。為全面揭示微潤灌溉對土壤性質和作物生長的交互影響，今后應重點關注以下方面： ① 土壤中水分和養分運移是決定農業生產力的2個重要因子，也是評價灌溉技術優劣的重要指標。兩個因子存在緊密的相互依賴性，適宜的水肥條件是實現作物高產穩產的基礎?；诂F有的微潤灌溉對土壤水分運移的大量研究，今后需加強微潤灌溉條件下土壤養分運移規律的研究，可為制定合理的微潤灌溉制度提供理論依據，對提高水肥利用效率和減少施肥污染等具有重要意義。 ② 大田試驗和溫室試驗因降雨、氣溫、土壤微生物和病蟲害等因素存在差異，導致微潤灌溉對作物生長的影響程度不同。今后深入研究微潤灌溉對大田作物生長的影響規律，將有利于探明不同種植模式下微潤灌溉對作物生長影響的差異性，為微潤灌溉技術的大面積推廣應用提供理論基礎。 ③ 日益增加的農業源溫室氣體排放是全球農田生態系統主要面臨的環境問題，農田生態系統對灌溉方式等措施的變化具有敏感而強烈的響應。今后應加強微潤灌溉對農田生態系統溫室氣體排放和碳足跡的影響研究，以探明微潤灌溉技術在溫室氣體減排方面的優勢。

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Progress and Prospects of Moistube Irrigation Technology Research

ZOU Xiaoyang1, QUAN Tianhui2, ZHOU Mengna2, YANG Qingli2, SHI Yi2

(1.Institute of Soil and Water Conservation, CAS & MWR, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2.Shenzhen Moisture Irrigation Science and Technology, Shenzhen， Guangzhou 518000, China)

[Objective] The research progress of moistube irrigation technology was reviewed to investigate the future research direction and provide available bases for the formulation of water-saving irrigation system and parameters. In addition, this review would play a key role in popularizing moistube irrigation technology. [Methods] The paper summarized the development history and application status of moistube irrigation technology, soil water movement under moistube irrigation, effects of moistube irrigation on crops growth, etc. and the drawbacks of moistube irrigation technology were analyzed. [Results] Moistube irrigation is an underground irrigation technology, having the advantages of uninterrupted adequate water supply for plant absorption and field irrigation were synchronicity. Moistube irrigation water was matched with plant water consumption. Meanwhile, moistube irrigation can come into being no-stress irrigation. In addition, moistube irrigation plays an important role in improving crop quality and yield. The moistube irrigation technology has become a leading international bionic type continuous irrigation system, and will have broad prospect of popularization in arid and semi-arid region. [Conclusion] This paper reviewed the development history and application status of moistube irrigation, the research progress of moistube irrigation technology mechanism, migration rules of soil water and the effects of moistube irrigation on crop growth, and put forward the key research fields needed to be further study, including the effects of moistube irrigation on soil nutrient migration; the effects of moistube irrigation on crop growth with different planting patterns; the effects of moistube irrigation on greenhouse gas emissions of farmland ecosystem.

moistubeirrigation;applicationstatus;soilwatermovement;cropgrowth

B

： 1000-288X(2017)04-0150-06

： TU991.64， S275

2016-10-24

：2016-11-27

深圳市第五批科技攻關項目“用于實現精準地下連續灌溉的新型半透膜材料關鍵技術研發”(重2014-137)

鄒小陽(1993—),男(漢族),江西省新余市人,碩士研究生,研究方向為灌溉理論與節水技術。E-mail:1543102669@qq.com。

全天惠(1989—),女(漢族),海南省?？谑腥?碩士,助理工程師,主要從事微潤灌溉節水技術研究。E-mail:594429081@qq.com。