半透膜灌溉系统的原理及应用

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1、半透膜灌溉系统的原理及应用养过花的人都知道，总浇水会将花浇死，总不浇水会将花干死，这两种“死”都是浇水(灌溉)不当引起的。在农业生产中，浇水的过程称为灌溉，农业灌溉方法的不当，虽然不至于使农作物浇死或干死，但是灌溉过程中使作物先尝到淹的滋味，后受到干渴煎熬，从而影响作物的生长产量。这是现行的几乎所有的灌溉方法的通病，现分析如下：现行灌溉方式的弊端灌溉的目的是使土壤润湿土壤含水量过大，土壤孔隙大部分被水占据，致使土壤空气含量不足，植物的根只能从适度润湿的土壤中正常的吸收水分。所谓适度润湿的土壤是指，土壤湿度太大

2、或太小都不行，太大将影响(或抑制)根部的呼吸代谢，抑制其吸收营养、吸收水分及生长发育等正常的生理活动，严重时可引起萎蔫甚至死亡。这种泡在水中而不能吸到水的现象称之为“生理干旱”，在生理干旱状况下，植物的表现与缺水干旱时的表现非常相似：首先是叶片萎蔫，然后整个枝株枯萎死亡。另一方面土壤中的水分太少当然不行，将会发生缺水性干旱。那么什么样的润湿程度为适宜的润湿度呢？大量的研究表明，适于植物生长的土壤含水量的上限为土壤田间持水量的80%，下限为植物的萎蔫系数，以重壤土为例，其田间持水量为26%，萎蔫含水量为11%，

3、依此推断这种土最适于植物生长的含水量为21%至11%。也就是说，如果能始终保持土壤含水量在21%~11%之间，水分波动范围不大于10%，是利于作物生长的最佳状态。超过21%或低于11%都将对植物的生长产生抑制，影响作物的生长，从而影响到作物的产量。目前，农业生产中普遍使用的灌溉方法是浇灌、喷灌和滴灌。这几种灌溉方式在向植物供水的同时，均不同程度地对植物的生长产生一定的抑制作用，简单分析如下：13浇灌是目前我国使用最普遍的灌溉方法，浇灌时农民最常用的量度指标是“浇透”，所谓浇透就是土壤中的水分已经完全饱和，土壤

4、空气已被完全排出，所有孔隙均被水充满，此时土壤含水量约50%。由于根系附近没有空气，根的呼吸活动受抑制，代谢活动在无氧状态下进行，生长发育受到影响。影响持续的时间随土质不同而有很大差异，以质地优良的壤土为例，一般要持续24~48小时左右，直至土壤含水量降至21%，这段时间称为浇灌的第一无效期。当含水量降至21%左右时，土壤孔隙或毛管中，既含足够量的水分，又含有相当量的空气，植物正常生长发育，这一阶段称为浇灌的适宜灌溉期。随着水分的蒸发和蒸腾，土壤含水量逐渐降低，毛管水断裂，土水势下降至15MPa以下，此时，土

5、壤中虽然仍含有相当数量的水分(如11%)但植物已无法吸收，成为无效水。土壤在这种水分状态下延续的时间，称为此次灌溉的第二无效期。由此可见，每次浇入土地的大量水分，只有很少一部分(如10%)起到了滋润作物的作用，其余的大部分被无效地浪费了，水利部2007年的一份调查表明，农业用水的利用系数为0.45。由些可见，每浇灌一次，作物将在两个无效期中经受一次生理干旱------适宜-------缺水干旱之间的折腾，示意图如下：ⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ13Ⅰ浇灌期，土壤含水量迅速达饱合含水量Ⅱ第一无效期，有水无气，呼吸协迫Ⅲ适宜

6、期Ⅳ第二无效期，水少气足，干旱协迫Ⅴ第二次浇灌，上述过程再次重复。Ⅰ’、Ⅱ’、Ⅲ’例如灌溉制度定为每七天浇灌一次，那么头一两天，土壤中空气不足，植物在缺氧协迫状态下生长。接下来的3～4天，土壤中水、气比例适宜植物正常生长。最后1～2天土壤含水量降的较低，植物开始受到干旱协迫，直至再次灌水，上述过程又重复一次。一棵作物的一生将在多次协迫-----适宜-----协迫的反复折腾中渡过，怎么会不影响它的生长和产量呢？植物反复受到旱涝协迫的主要原因是：①植物的吸水过程是连续的，在相等的时间间隔内作物吸水量是近乎相同的(

7、如图1)。而现行的灌溉方式是间歇的，在不同的时间间隔内土壤的含水量是剧烈波动的，如图1所示。可以清楚看出，在某一特定时间T内，土壤含水量与植物吸水量偏离，偏离越多，协迫越烈，t1的正偏离和t2的负偏离其结果是同样的，都将影响植物的生产发育。②植物根系的正常生长，即需要一定量的水分，又需要一定量的空气，二者必须同时俱备，缺一不可。但传统灌溉时，某一时间段内水分多了空气不足，使根系受到呼吸协迫；另一时间段，空气多了水分不足，又造成水分协迫。一个灌溉周期中，只有很短的一段时间土壤的水、气条件与植物的吸水呼吸相匹配，

8、13是作物适宜生长的条件(如图1中的时间段3)。而很多时间植物都是在协迫条件下生长的。我们将由灌溉的周期性引起的呼吸协迫和干旱协迫统称为灌溉协迫。灌溉协迫影响作物生长的事实是早已被学术界认识到了的，但是苦于找不到一种植物需要多少就供给多少的精准灌溉方法，无法实施与植物连续吸收同步供水的连续灌溉过程。因此，只能以“打提前量”方式，一次性灌入远远超过当时植物需求量的水。以超量换时间，以求在水分慢慢的消耗