基于热交换和集水仿生原理的作物蒸散凝结灌溉技术.pdf

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1、第26卷第儿期82010年11月农业工程学报Tr龃sactionsofmeCSAEVr01．26No．1lNov．2010基于热交换和集水仿生原理的作物蒸散凝结灌溉技术龚道枝1，一，郝卫平1，梅旭荣1※(1．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部早作节水农业重点开放实验室，北京10008l；2．清华大学水利水电工程系，水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：根据作物蒸散、热交换、水气凝结、集水仿生学和节水灌溉的原理，系统提出一项农业节水新途径——作物蒸散凝结灌溉。通过创造低温凝

2、结条件，聚集、冷凝作物蒸散发的湿热水气并高效收集，最后回灌到土壤中供根系吸收，如此循环往复，形成闭合的土壤．植物．大气连续体(SP：AC)水分微循环。蒸散水气凝结和收集效率，水气回收率、能耗效率是衡量该项技术的关键参数。该技术适合严重缺水但新能源丰富的干旱、半干旱地区，实施方式分温室地源热泵型、空调除湿型和大田仿生集水型3种类型。未来技术研发重点在于高效集水仿生材料的突破和系统结构与运行流程的优化。关键词：蒸发，水气，凝结，集水仿生学，水分回收率，能耗效率doi：10．3969a．issn．1002—6819

3、．20lO．11．002中图分类号：s275文献标志码：A文章编号：1002—6819(2010卜11—0008一05龚道枝，郝卫平，梅旭荣．基于热交换和集水仿生原理的作物蒸散凝结灌溉技术[J]．农业工程学报，2010，26(11)：8—12．GongDaozhi，H∞Wjiping，MeiXlⅡong．Conde嬲ingevapon孤spirati∞for硎galionb邪ed∞heatexch姐gcandbionicsforcollectingIiquidwater限T船nsacdonsoftheCSAE

4、，2010，26(11)：8一12．(inChin雠谢mEnglishab咖ct)O技术背景在过去的农业节水技术研究中，一方面是采用管道和防渗渠道高效输送灌溉水，减少输水过程中的损失，提高输水效率；一方面是利用喷微灌、精细地面灌溉技术以及覆盖、耕作农艺技术，充分利用农田降水和灌溉水，减少非生产性水分损失，提高水分利用率；再是利用植物的遗传特性和水分生理机制，培育、筛选和布局抗旱节水品种，优化调控作物水分生产过程，最大限度提高作物水分利用效掣11。这些研究均忽视了一个重要的环节，就是对作物蒸散水气的回收利用。近

5、年来，国内外学者对作物蒸散发水气回收利用技术进行了尝试性的研究。Guille咖。等构建了W缸ergy系统，通过高大的冷凝管道系统循环凝结湿热水气，在密闭温室内实现了能量和水分的循环利用【2】。JeIlIly等结合太阳能咸水淡化装置和灌溉系统提出了劣质水凝结灌溉技术，通过太阳能分馏室蒸发咸水，将湿热空气通入地下管道系统冷凝成淡水，经过管道小孔渗入土壤中供作物根系吸收利用，是一项有前景的咸水替代灌溉技术【3J。但该技术未考虑到利用作物蒸散发产生湿热水气的凝结灌溉利用。这些研究均局限在密闭温室内，也未考虑凝收稿日期

6、：20lO．09．17修订日期：20lo．10．20基金项目：国家自然科学基金项目(50709040，30871447)；教育部优博资金专项(200965)：中央基本科研业务费项目(BS砌砣00901)作者简介：龚道枝(1976一)，湖南澧县人，博士，副研究员，中国农业工程学会会员(E04010002lM)，主要从事农业节水研究。北京中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所。1000引。Emajl：gon蚴ieda．o曙cⅡ．※通讯作者：梅旭荣(1963一)，山东莱州人，研究员，博士生导师，主要从事农业水资源

7、与水环境研究。北京中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，IO0081．Email：删妇r@i司&o琅．姐结作物蒸散水气就地灌溉利用。以色列科学家发明了可直接放在开放环境中的w孔蛐装置，凝结少量作物蒸散水气供应干旱地区饮用水。综合上述研究表明，通过采用一定技术手段，建立水气凝结条件，循环利用作物蒸散水分，提高水分利用率和利用效率，技术上完全可行。因此，有必要在总结过去对农田蒸散过程、水热交换原理、水气凝集机理、集水仿生学、节水灌溉原理等研究的基础上，从农田水分循环过程控制的角度，系统提出一种崭新的农田节水调

8、控思路——作物蒸散凝结灌溉，将大幅度提高水分利用率和利用效率，同时循环利用能量，将极大地促进水资源严重紧缺但太阳能、风能等新能源丰富的干旱、半干旱地区的农业生产快速发展【4】o1技术原理和关键参数作物蒸散凝结灌溉(c彻densingevapo㈣irationfj盯irrigation，CEI)是依据农田作物蒸散90％以上的水分未参与代谢的机制，借助风机和管道循环系统聚集湿热水气，创造低温条件和凝结面