張國祥，趙愛琴

（1. 原中國灌排技術(shù)開發(fā)公司，北京 100053；2. 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院博士后工作站，北京 100125）

專家推薦

“痕量灌溉”理論支撐與技術(shù)特點(diǎn)的質(zhì)疑

張國祥1，趙愛琴2

（1. 原中國灌排技術(shù)開發(fā)公司，北京 100053；2. 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院博士后工作站，北京 100125）

學(xué)科：農(nóng)業(yè)工程

推薦專家：魏秀菊編審（中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)）

推薦論文：張國祥，趙愛琴.痕量灌溉理論支撐與技術(shù)特點(diǎn)的質(zhì)疑［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（6）： 1-7

·專家點(diǎn)評(píng)·

該文是一篇學(xué)術(shù)爭(zhēng)鳴文章.作者基于現(xiàn)有理論、試驗(yàn)資料及微灌實(shí)踐，對(duì)痕量灌溉原理、特點(diǎn)及節(jié)水效果進(jìn)行了討論，并認(rèn)為痕量灌溉所述原理及其實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)”灌溉、解決了灌水器堵塞的論述，及其技術(shù)本身存在諸多問題，缺乏依據(jù)論證和檢驗(yàn).

該文的發(fā)表，有利于推動(dòng)關(guān)于痕量灌溉技術(shù)的深入討論，促進(jìn)對(duì)此技術(shù)更為嚴(yán)謹(jǐn)和深入細(xì)致的研究探索，糾正學(xué)術(shù)誤區(qū)，并進(jìn)而推動(dòng)我國節(jié)水灌溉技術(shù)體系的健康發(fā)展和完善.除了對(duì)提高痕量灌溉應(yīng)用基礎(chǔ)研究的科學(xué)性具有極為重要的指導(dǎo)意義外，該爭(zhēng)鳴性文章對(duì)于倡導(dǎo)科學(xué)研究自由探索、“百家爭(zhēng)鳴”的精神，以及推動(dòng)學(xué)術(shù)的繁榮也有積極的意義.

0　引 言

發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)是解決水資源短缺的一條有效途徑.地下滴灌將毛管和滴頭埋入耕作層以下，在節(jié)水方面比地表滴灌更有優(yōu)勢(shì).美國加利福尼亞大學(xué)灌溉技術(shù)中心主任Davi F. Zoldoske曾預(yù)言灌溉的未來將是地下滴灌［1］.然而，滴頭堵塞問題是制約地下滴灌發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一.近年來，出現(xiàn)了痕量灌溉技術(shù)，據(jù)北京普泉科技有限公司、華中科技大學(xué)痕量灌溉研究中心的《痕量灌溉技術(shù)介紹》［2］，痕量灌溉技術(shù)不僅以其獨(dú)特的控水頭結(jié)構(gòu)保證了在超低流量下控水頭不發(fā)生堵塞，解決了長(zhǎng)期困擾滴灌低流量下灌水器堵塞的世界難題，而且出水量可以和植物的需水量相匹配.痕量灌溉還被認(rèn)為突破了“被動(dòng)式”灌溉（人為控制灌溉時(shí)機(jī)和灌水量）的固有思維，達(dá)到了“自適應(yīng)”灌溉的效果［3］.目前，痕量灌溉技術(shù)在西北、西南、中部、華北等地區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn)或推廣應(yīng)用［2］.該技術(shù)已經(jīng)得到科技部的重視，2013年“痕量灌溉關(guān)鍵技術(shù)與裝備”列入“十二五國家科技支撐”計(jì)劃［2］，“痕量灌溉產(chǎn)品”列入《水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》［2］.

本文作者之一應(yīng)邀參加了在新疆哈密召開的“極端干旱區(qū)痕量灌溉適宜性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)研討會(huì)”，在深入了解了痕量灌溉原理、設(shè)備及試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)后認(rèn)為：這種技術(shù)是否有合理的理論支撐，是否真能達(dá)到其所述效果，有必要進(jìn)一步討論.

1　痕量灌溉

1.1自適應(yīng)灌溉的控水原理

文獻(xiàn)［3］認(rèn)為：痕量灌溉是基于土壤毛細(xì)管原理和膜過濾技術(shù)的灌溉系統(tǒng)，痕量灌溉技術(shù)的核心在于其可以實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)”作用的灌水器；痕量灌水器由具有良好導(dǎo)水性能的微米級(jí)纖維束（原文稱毛細(xì)管束）和具有過濾功能的痕灌膜（也叫濾膜）組成（如圖1所示），埋在根系附近；纖維束兩端分別連接充滿水的管道和土壤毛細(xì)管.連接土壤毛細(xì)管的一端可以感知土壤水勢(shì)變化，從而使作物-土壤-灌溉系統(tǒng)形成一個(gè)水勢(shì)平衡系統(tǒng)；當(dāng)作物吸水導(dǎo)致根系周圍水勢(shì)降低時(shí)，痕灌灌水器內(nèi)的水不斷以毛細(xì)管水的形式，通過纖維束間空隙和土壤毛細(xì)管，以微小的速度（10～200 mL/h）輸送到植物根系附近的土壤并流向根系周圍，直至作物-土壤-灌水器系統(tǒng)水勢(shì)重新達(dá)到平衡，作物停止吸水，毛細(xì)管水不再流出.“痕量灌溉技術(shù)以毛細(xì)管力為基礎(chǔ)力，只需要配合一定重力（1～2 m水壓），即可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的長(zhǎng)期穩(wěn)定供水”［2］.“出水量可以和植物的需水量相匹配”［2］.

1.2抗堵原理

根據(jù)文獻(xiàn)［2-3］，痕量灌溉控水頭依靠濾膜和纖維束之間的巧妙配合來防止滴頭堵塞：濾膜面積大可以降低過膜流速，而濾膜上的微小孔徑可以大幅提高過濾精度，使灌溉水中物理雜質(zhì)被阻滯在濾膜上游，不會(huì)阻擋緩速的水流；濾膜攔截的雜質(zhì)會(huì)受到來自管道中動(dòng)蕩水流的擾動(dòng)，無法附著在濾膜上；輸配水管網(wǎng)淺埋于地下后，遮光、低溫，有效避免了灌溉水中化學(xué)物質(zhì)結(jié)晶析出、藻類及其他微生物生長(zhǎng)，有效避免了生物性、化學(xué)性堵塞；此外，灌水器內(nèi)的纖維束間隙（即流道）遠(yuǎn)小于植物根系直徑，完全杜絕因植物根系伸入出水流道引起的堵塞，同時(shí)，纖維束間隙遠(yuǎn)大于濾膜孔徑，能通過濾膜的小顆粒及離子也能通過纖維束間隙進(jìn)入土壤，保證纖維束不堵塞.痕量灌溉灌水器可以長(zhǎng)久不堵塞［3］.

2　幾個(gè)問題討論

2.1關(guān)于毛細(xì)管力是痕量灌溉技術(shù)的基礎(chǔ)力

有文獻(xiàn)［2-3］認(rèn)為，痕量灌溉基于纖維束間和土壤的毛細(xì)管力；或者說“痕量灌溉技術(shù)以毛細(xì)管力為基礎(chǔ)力”.然而，毛細(xì)管力真的是基礎(chǔ)力嗎？

2.1.1毛細(xì)管現(xiàn)象與毛細(xì)管力的基本特征

眾所周知，將一根內(nèi)徑足夠小的直管插入水中，水會(huì)沿管壁上升到最大高度 hm（本文僅討論水能夠浸潤(rùn)管壁的情況），這就是水的毛細(xì)管現(xiàn)象.圖2a所示為毛細(xì)管長(zhǎng)度L大于水面上升高度hm的情況；其實(shí)質(zhì)是水氣之間的凹形界面（簡(jiǎn)稱：凹液面）表面張力F在鉛錘方向的分力（即毛細(xì)管力）與管內(nèi)高度為hm 的水柱所受重力相等.

從圖2a可以看出：

1）凹液面是毛細(xì)管現(xiàn)象和毛細(xì)管力存在的必要條件；一旦凹液面消失，毛細(xì)管力就不存在了，也就沒有毛細(xì)管現(xiàn)象.

2）毛細(xì)管水是指由毛細(xì)管力懸吊著的靜態(tài)水柱，一旦在其他力作用下形成了連續(xù)水流，管內(nèi)的凹液面、毛細(xì)管力都立即消失；所以連續(xù)水流不是毛細(xì)管水，毛細(xì)管力不是形成連續(xù)水流的動(dòng)力.灌溉系統(tǒng)在灌水時(shí)均為連續(xù)出流，從系統(tǒng)進(jìn)口到滴頭出口都不存在毛細(xì)管現(xiàn)象和毛細(xì)管力，毛細(xì)管力不可能成為任何灌溉（包括痕量灌溉）技術(shù)的基礎(chǔ)力.

3）因毛細(xì)管水中的壓強(qiáng)≤0，如無其他力的作用，二根毛細(xì)管連接在一起是不可能無縫的；如果通過外力使其成為一根水柱（無縫連接），那么，下端管的凹液面消失，二根管中的水重將全部由上端管的毛細(xì)管力來懸吊；也就是說毛細(xì)管力是不可疊加的.

4）水與氣的界面以下，是水的飽和區(qū)；只有在水飽和區(qū)內(nèi)才可能出現(xiàn)毛細(xì)管現(xiàn)象.

5）毛細(xì)管現(xiàn)象中的管壁是不透水的，也就是說沒有透過管壁的水交換是毛細(xì)管現(xiàn)象的側(cè)向邊界條件.

圖2b示出了毛細(xì)管長(zhǎng)度L＜hm的情況；此時(shí)水會(huì)從管頂流出來嗎？答案是否定的.因?yàn)槿绻畯墓茼斶B續(xù)流出，意味著不消耗任何能量卻對(duì)水做了功，亦即出現(xiàn)了一臺(tái)永動(dòng)機(jī)；這與能量守恒定律相違背.需要指出：此時(shí)水對(duì)管壁浸潤(rùn)的最高點(diǎn)為管頂，并同樣遵循毛細(xì)管力與管內(nèi)高度為h 的水所受重力相等.

從圖2b可以看出：

1）φn僅取決于液體種類和管壁材質(zhì)，而φ還取決于毛細(xì)管長(zhǎng)度L.

2）在L＜hm的情況下，毛細(xì)管力小于最大值，且與h成正比（h與L很接近）.

2.1.2灌水器內(nèi)的毛細(xì)管力對(duì)灌水的作用可以忽略

筆者認(rèn)同：痕灌灌水器內(nèi)的微米級(jí)纖維束之間的空隙，可能形成異形斷面細(xì)管束，有出現(xiàn)毛細(xì)管現(xiàn)象的可能.然而：

1）痕灌灌水器的纖維束長(zhǎng)度僅約5 mm，屬于L＜hm的情況，也就是說其毛細(xì)管力最大也就是管內(nèi)5 mm高水柱的重量，這與文獻(xiàn)［2］所提“配合1～2 m水壓”相比，僅占0.25%～0.5%.與哈密試點(diǎn)痕灌管進(jìn)口水頭為5、7.5和10 m相比，更是微不足道.

2）一旦水從灌水器連續(xù)出流，纖維束間細(xì)管中的凹液面就消失，毛細(xì)管力也就消失了.在整個(gè)灌水期間灌水器都是連續(xù)出流，故毛細(xì)管力只在纖維束上游端剛接觸水流，至纖維束下游端流出水這一短暫的時(shí)間（幾秒鐘）內(nèi)存在.整個(gè)出流期間，痕灌灌水器內(nèi)沒有毛細(xì)管力.可見，灌水器內(nèi)纖維束間細(xì)管的毛細(xì)管力既微小、又極為短暫，對(duì)灌水的作用基本可以忽略；不可能成為基礎(chǔ)力.

2.1.3小流量點(diǎn)水源出口處土壤是否有毛細(xì)管現(xiàn)象尚待研究證實(shí)

土壤中水的毛細(xì)管現(xiàn)象，是指：在毛細(xì)管力的作用下，潛水沿著土壤微細(xì)空隙上升到一定高度；在這個(gè)高度以下，土壤是飽和的［4］.如把土壤中沿錘向微細(xì)空隙視為管的話，其管壁是開放的（可透水），可能有透過管壁的水交換，這不符合毛細(xì)管現(xiàn)象的側(cè)向邊界條件.然而，由于潛水位通常有一定的面積規(guī)模，除去周邊一定范圍之外的中間部分，可以近似地看作沒有側(cè)向的水交換，類同于管壁不透水；這可能是前人用毛細(xì)管現(xiàn)象來解釋潛水升高的前提.

然而，地下滴灌與痕量灌溉均為點(diǎn)水源灌溉，水分以灌水器出口為中心向周邊空間（土壤）擴(kuò)散，不可能形成單向的水分?jǐn)U散條件，也就不具備形成毛細(xì)管水的側(cè)向邊界條件.又因滴頭出口處土壤的水飽和區(qū)范圍很?。欢哿抗喔裙嗨髁髁扛?，土壤水飽和區(qū)的范圍必然更小，水的毛細(xì)管現(xiàn)象即使存在，其范圍也極小.在小流量點(diǎn)水源的條件下，土壤中是否有毛細(xì)管現(xiàn)象？未見到過相關(guān)報(bào)道；所以，微小流量的灌水器出口土壤中是否存在毛細(xì)管現(xiàn)象尚待證實(shí)；即使存在，它在水分運(yùn)移中起多大作用更待研究.因此，認(rèn)為土壤中的毛細(xì)管力是痕灌技術(shù)的基礎(chǔ)力，目前還沒有依據(jù).

2.2關(guān)于自適應(yīng)灌溉

2.2.1痕量灌溉所稱“自適應(yīng)灌溉”的含義

自適應(yīng)現(xiàn)象，筆者的理解是：一個(gè)處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，如某個(gè)重要因素發(fā)生變化，系統(tǒng)在經(jīng)歷過渡過程之后，會(huì)自動(dòng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)；這種現(xiàn)象自然界廣泛存在，不勝枚舉.對(duì)于灌水與作物之間，作物會(huì)對(duì)灌水是否適時(shí)、適量自動(dòng)做出反應(yīng)，即作物會(huì)自適應(yīng)于灌水的時(shí)和量.如果灌水不能滿足作物最低生存條件，作物的反應(yīng)是死亡；如果完全按照作物實(shí)時(shí)需水規(guī)律供水，作物的反應(yīng)是最高產(chǎn)量；這些都是自適應(yīng)現(xiàn)象.所以自適應(yīng)并不表示最優(yōu).痕量灌溉所稱的“自適應(yīng)灌溉”，其含義是：“出水量可以和植物的需水量相匹配”［2］的自適應(yīng)，也就是說：灌水系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地按照作物需水規(guī)律來供水，并及時(shí)到達(dá)作物根區(qū)，實(shí)現(xiàn)作物耗水與需水的高度一致；這是自適應(yīng)現(xiàn)象中的最高境界.如果真能做到，將確實(shí)是開創(chuàng)性的技術(shù)成果.

2.2.2痕量灌溉的灌水器沒有比地下滴灌灌水器有更多的功能

靠什么來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)灌溉？文獻(xiàn)［3］認(rèn)為：“痕量灌溉技術(shù)的核心在于其可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)作用的灌水器，痕灌灌水器出水口的毛細(xì)管束結(jié)構(gòu)正是利用了這一原理（筆者注：指毛細(xì)管現(xiàn)象）達(dá)到作物需水觸動(dòng)式自適應(yīng)自由供水效果的”.對(duì)此，筆者不能認(rèn)同.

1）本文第2.1節(jié)已經(jīng)闡明了毛細(xì)管現(xiàn)象與毛細(xì)管力的基本特征，灌水器中的毛細(xì)管力很小且僅在數(shù)秒鐘內(nèi)存在，對(duì)灌水器出水的作用基本可以忽略.尤其是哈密試點(diǎn)，其灌水器出口向下，痕灌管進(jìn)口水頭為5～10 m，水壓力才是其出流的動(dòng)力.文獻(xiàn)［3］的觀點(diǎn)，源自對(duì)毛細(xì)管現(xiàn)象與毛細(xì)管力的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí).

既然出流狀況下沒有毛細(xì)管力，內(nèi)裝纖維束的痕灌控水頭只是滴頭的一種結(jié)構(gòu)形式，它與其他結(jié)構(gòu)形式的滴頭相同.痕灌灌水器與地下滴灌任何結(jié)構(gòu)形式的滴頭相比，沒有任何新的功能；靠它來實(shí)現(xiàn)最高境界的“自適應(yīng)灌溉”，毫無依據(jù).

2）關(guān)于“需水觸動(dòng)”，筆者的理解是：當(dāng)作物需水而供水不足時(shí)，土壤會(huì)出現(xiàn)某種程度的干旱表達(dá)，埋設(shè)在土壤中的張力計(jì)會(huì)顯示出負(fù)壓值；這個(gè)負(fù)壓值假定會(huì)傳遞到灌水器出口，從而使灌水器的流量發(fā)生變化，土壤越干旱，即土水勢(shì)的負(fù)壓絕對(duì)值越大，灌水器流量也將越大.

如上所述，包括痕灌灌水器在內(nèi)的所有滴頭，其水力性能均可由式（3）來表達(dá)；地表滴頭出口為大氣（壓強(qiáng)為0），故H即為滴頭進(jìn)口水頭；地下滴灌的出口在土壤中，出口可為正壓或零壓.筆者于70年代末在山西陽城上李村田間測(cè)到地下滴頭出口有0.8 m水頭，原因在于滴頭流量太大（4 L/h），超過了土壤的水分?jǐn)U散能力，導(dǎo)致滴頭出口處水壓增高，既減小滴頭流量，又增大土壤水分?jǐn)U散能力，以達(dá)平衡.如果滴頭流量小于土壤水分的擴(kuò)散能力，那么滴頭出口就是零壓；美國堪薩斯州地下滴灌面積大、應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，所用滴頭的流量多在1 L/h以下（目前最小的為0.5 L/h），就沒有發(fā)現(xiàn)過地下出流與地面出流的滴頭流量有何不同.滴頭出口如果為負(fù)壓，文獻(xiàn)［2］是指干旱條件下土壤的張力或作物根系的吸力所致；對(duì)此需要進(jìn)一步討論.

其一，如果滴頭出口有負(fù)壓，由式（3）可見，H將增大，從而導(dǎo)致滴頭流量增大，這可能就是文獻(xiàn)［2］所說的“可以感知土壤水勢(shì)變化”.然而，這不是痕灌灌水器所專有，也不是纖維束結(jié)構(gòu)滴頭所特有，而是地下滴頭共有的水力性能.

其二，文獻(xiàn)［2］沒有說明土壤水勢(shì)變化，是由什么指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)灌水器“感知”的.負(fù)土水勢(shì)和張力計(jì)所測(cè)負(fù)壓，僅表示土壤在該含水量時(shí)作物吸水的難易程度，并不表示土壤中有與其相等的負(fù)壓存在；若將真空壓力表測(cè)壓口插入土壤中，是測(cè)不到負(fù)壓值的.因此“痕量灌溉”提出者應(yīng)說明纖維束出口是通過什么指標(biāo)來“感知土壤的水勢(shì)變化”；該不會(huì)是把土水勢(shì)與土壤中的負(fù)壓等同吧！

其三，即使灌水器出口能“感知”土水勢(shì)，一旦滴頭連續(xù)出水，滴頭出口處土壤很快飽和，土水勢(shì)迅速升高并趨于零，盡管作物尚未吸足水，滴頭流量也會(huì)很快減小；靠灌水器“感知”土水勢(shì)，也不可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地按照作物需水規(guī)律供水.

最后，文獻(xiàn)［3］在自適應(yīng)論述中還認(rèn)為：“……直至作物-土壤-灌水器系統(tǒng)水勢(shì)重新達(dá)到平衡，作物停止吸水，毛細(xì)管水不再流出.”就是說：此時(shí)雖然痕灌系統(tǒng)并未關(guān)閉，痕灌灌水器將自動(dòng)停止出水；但這更是不可能的.因?yàn)橹灰喔认到y(tǒng)不關(guān)閉，痕灌系統(tǒng)內(nèi)的重力與壓力仍在，灌水器還將遵循式（3）繼續(xù)工作.除滿足作物耗水外，灌水的去向還可以為深層滲漏、地面積水蒸發(fā)及徑流損失.

2.2.3已有試驗(yàn)資料不支持痕量灌溉實(shí)現(xiàn)了“自適應(yīng)灌溉”

專業(yè)從事痕灌技術(shù)理論研究、產(chǎn)品與技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計(jì)及施工的北京普泉科技有限公司已成立10 a，痕量灌溉技術(shù)試點(diǎn)范圍已擴(kuò)展到10省（區(qū)、市）［2］，發(fā)表了一批試點(diǎn)的技術(shù)論文；很遺憾，沒有看到有支撐其具有“自適應(yīng)灌溉”功能的試驗(yàn)資料.

痕灌系統(tǒng)如果能夠做到實(shí)時(shí)地按照作物需水規(guī)律來供水的“自適應(yīng)灌溉”，在極端干旱區(qū)（如哈密）灌水流量時(shí)程線應(yīng)該與作物耗水強(qiáng)度時(shí)程線基本一致.比如，作物在白天和晚上、冬天和盛夏耗水強(qiáng)度會(huì)有很大差別，那么這種差別應(yīng)該在灌水器流量的日和月時(shí)程線上得到反映.新疆水利水電科學(xué)研究院的報(bào)告［2］中，提供了2014年在哈密市節(jié)水實(shí)驗(yàn)中心棗園內(nèi)測(cè)得的痕量灌溉滴頭流量日變化圖（見圖3），可以看出：測(cè)試時(shí)間段（12 h）內(nèi)滴頭流量的變化不超過7%，尤其是處理2滴頭流量白天平穩(wěn)，21：00左右達(dá)最大，這與作物耗水規(guī)律不符；報(bào)告認(rèn)為：“從日變化圖上看，不同處理的流量在日內(nèi)各時(shí)刻均較穩(wěn)定，基本不受作物蒸騰變化的影響［2］”；不支持痕量灌溉能實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)灌溉”.

再者，目前只有痕量灌溉自稱可做到“出水量可以和植物的需水量相匹配”［2］；若果真如此，痕灌作物吸水所耗能量最小，有利于作物高產(chǎn).但文獻(xiàn)［5］提供的溫室草酶產(chǎn)量痕灌低于滴灌的資料，也不支持痕灌實(shí)現(xiàn)了“自適應(yīng)灌溉”.

痕量灌溉與地下滴灌的滴頭埋深基本一致，土壤及作物對(duì)水分運(yùn)移的影響也相同；已經(jīng)實(shí)踐了30多年的地下滴灌，沒有數(shù)據(jù)證明其實(shí)現(xiàn)了灌水的“自適應(yīng)”.痕量灌溉只是換用了3～5 mm長(zhǎng)微米級(jí)纖維束的灌水器，就認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)灌溉”，很可能是理論認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤.

2.3關(guān)于滴頭堵塞

從文獻(xiàn)［2-3］所述解決了地下小流量灌溉堵塞問題的論述中表明，相關(guān)作者對(duì)微灌堵塞問題的了解并不深入.從過濾的角度看，微灌系統(tǒng)采用集中過濾（過濾器），過濾元件可沖洗與更換；故只存在滴頭堵塞問題.痕灌系統(tǒng)將過濾分散到每個(gè)灌水器的進(jìn)口，失去了沖洗與更換的條件；因此存在著濾膜和纖維束間隙流道二處的堵塞問題.

2.3.1如何理解ISO“短周期堵塞測(cè)試程序”的試驗(yàn)結(jié)果

2013年北京普泉公司將痕灌控水頭送中國農(nóng)業(yè)大學(xué)做短周期（8 h）滴頭堵塞檢測(cè)，“檢測(cè)結(jié)果表明隨著泥沙濃度加大，滴灌對(duì)照流量逐漸下降，在第 4階段之后發(fā)生堵塞，而痕量灌溉在整個(gè)試驗(yàn)過程中無堵塞發(fā)生.由此可見痕量灌溉具有很好的抗堵性”［2］.筆者認(rèn)為：這是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的錯(cuò)誤解讀.

1）ISO標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定“短周期堵塞測(cè)試程序”的測(cè)試目的為：“這種測(cè)試方法主要用來測(cè)試滴頭讓某尺寸粒徑的固體顆粒通過或阻止其通過的能力，著眼于了解滴頭內(nèi)部最小的過流尺寸，以及建立對(duì)過濾系統(tǒng)尺寸要求的指導(dǎo)”.可見，它不是用來評(píng)價(jià)灌水器抗堵塞性能的依據(jù).測(cè)試中被測(cè)滴頭上游不裝過濾器，泥沙將全部通過被測(cè)滴頭流道，滴頭處于完全不設(shè)防（非工作）狀態(tài)；痕灌把過濾設(shè)在灌水器進(jìn)口并與控水頭成為一體，試驗(yàn)中痕灌控水頭處于全設(shè)防（正常工作）狀態(tài)，只有通過濾膜的顆粒才通過纖維束間流道；對(duì)照雙方的工作狀態(tài)完全不對(duì)等.以此來評(píng)判［2］抗堵性能誰優(yōu)誰劣，完全沒有說服力；也就是說痕灌控水頭做此對(duì)比測(cè)試毫無意義.

2）如果把濾膜去除，使其也處于不設(shè)防（非工作）狀態(tài)再行測(cè)試，最先堵塞的一定是痕灌控水頭.當(dāng)然，也不應(yīng)由此得出痕灌灌水器抗堵塞性能最差的結(jié)論.

3）文獻(xiàn)［2］公布的短周期堵塞測(cè)試結(jié)果見圖4，可以看到：隨試驗(yàn)階段的進(jìn)展，滴頭的流量是漸減的，而痕灌控水頭的流量卻是漸增的.流量漸減是正常的，漸增卻是異常的；只有流道斷面積在逐漸增大，才可能出現(xiàn)流量遞增的結(jié)果.那么什么情況下流道斷面積會(huì)增大？筆者認(rèn)為很可能是：纖維束間流道出現(xiàn)了堵塞點(diǎn)，堵塞點(diǎn)上游的水壓力大幅增大（動(dòng)水壓變成靜水壓、受壓面積增大），堵塞點(diǎn)周邊的纖維在水壓力的推動(dòng)下滑出灌水器，從而增大了過流面積，這種局部堵塞陸續(xù)發(fā)生，致使出現(xiàn)流量漸增的結(jié)果.痕灌控水頭在試驗(yàn)中其實(shí)已經(jīng)出現(xiàn)堵塞，并造成了控水頭損壞.

2.3.2濾膜的堵塞問題

國際微灌界對(duì)過濾精度的選擇，普遍按過濾孔基本尺寸為流道最小直徑的1/7～1/10來考慮.有關(guān)痕量灌溉的文獻(xiàn)中未見報(bào)道纖維直徑、纖維束間隙面積及濾膜孔徑等數(shù)據(jù).筆者按纖維直徑為10 μm（微米級(jí)纖維［3］）來估算，其濾孔直徑約在0.16～0.20 μm，屬于微濾膜.

眾所周知，膜過濾凈水機(jī)的微濾膜和超濾膜都有堵塞問題，需要沖洗或更換；在哈密會(huì)議上中國農(nóng)大李光永教授交流了痕灌濾膜被紅色沉積物堵塞的實(shí)例照片，文獻(xiàn)［10］提供了多種微濾膜抗堵塞措施等，均說明濾膜是會(huì)堵塞的.文獻(xiàn)［2］認(rèn)為“雜質(zhì)被緩慢地堆積在痕灌膜表面，而無法堵塞膜孔”，不知有何根據(jù).

膜過濾還存在以下情況：1）膜的孔徑要比微灌過濾孔小很多，僅為120目網(wǎng)過濾器基本尺寸的0.13%.濾孔越小對(duì)化學(xué)堵塞越敏感；而且相同水質(zhì)條件下，被攔截的物理雜質(zhì)比滴灌數(shù)量要多，甚至多得多；2）痕灌管埋于地下，濾膜無法沖洗與更換，被攔截的物理雜質(zhì)沒有出路；3）粒徑≤5 μm的顆粒為黏粒，濾膜攔截的雜質(zhì)中含有黏粒，會(huì)降低濾膜上游沉積物的透水性；4）盡管痕量灌溉宣稱：作物全生育期都灌水.但在二茬作物之間，總會(huì)有停灌的時(shí)段；在北方冬天停灌.不僅有可能產(chǎn)生溶質(zhì)析出，而且為膜上游面沉積物固結(jié)提供了條件.

總之，痕灌系統(tǒng)需要在地下長(zhǎng)期工作，日積月累，隨著時(shí)間的推移，發(fā)生膜堵塞的幾率會(huì)越來越大；需要不同水質(zhì)條件下的長(zhǎng)期觀測(cè)資料來驗(yàn)證.

2.3.3纖維束間隙流道的堵塞問題

按纖維直徑為0.01 mm估算，纖維束間每條流道的面積，約為直徑1 mm微灌滴頭流道面積的10萬分之5.下面僅提出二種可能堵塞的情況.

1）目前痕灌纖維束間隙是最小的（微潤(rùn)管的孔徑不清）流道，如前所述，對(duì)化學(xué)堵塞應(yīng)該極為敏感；痕灌系統(tǒng)每年都有一段或數(shù)段時(shí)間停灌，這給水中溶質(zhì)析出提供了機(jī)會(huì).

2）即使如文獻(xiàn)［2］所述：“能通過濾膜的小顆粒及離子也能通過纖維束間隙進(jìn)入土壤“，也還有堵塞的可能.絕大多數(shù)情況下毛管是有坡度的，也就是說痕灌灌水器的埋深雖可一致，但各個(gè)灌水器的高程各異.當(dāng)系統(tǒng)節(jié)制閥門關(guān)閉后，閥下游的管系內(nèi)還有余水，灌水器仍在出水；位于順坡毛管上游（或逆坡毛管下游）的灌水器會(huì)比下游（或上游）灌水器早斷水，毛管內(nèi)水位不斷降低，又無補(bǔ)氣通道，管內(nèi)定會(huì)呈現(xiàn)負(fù)壓，出現(xiàn)負(fù)壓吸泥現(xiàn)象.正好灌水器出口土壤中，有通過濾膜與纖維束間流道的小直徑顆?！ち?，會(huì)隨水一起被吸入纖維束間流道；黏粒有聚凝作用，并在停灌期間失水，造成纖維束間流道的堵塞.這種現(xiàn)象早已被微灌滴頭的實(shí)際所證實(shí).

總之，痕量灌溉灌水器可以長(zhǎng)久不堵塞［3］的結(jié)論，顯得太過草率.

2.4關(guān)于節(jié)水

2.4.1痕量灌溉所宣傳的節(jié)水效果

從現(xiàn)有文獻(xiàn)中摘錄出痕量灌溉比其他灌溉方式的節(jié)水增產(chǎn)效果，見表 1.總體而言，它比常規(guī)滴灌節(jié)水 22%～63%、比畦灌節(jié)水39%～44%、比溝灌節(jié)水40%～50%、比減量滴灌節(jié)水0～51.2%.

2.4.2痕量灌溉試點(diǎn)選錯(cuò)了比較對(duì)象

眾所周知，地下灌溉可以減少地表蒸發(fā)，設(shè)施不占耕地；故與地面灌溉相比，具有節(jié)地、節(jié)水等突出優(yōu)點(diǎn).痕量灌溉為地下灌溉技術(shù)，其主要比較對(duì)象應(yīng)為地下滴灌；可現(xiàn)有試點(diǎn)資料中唯獨(dú)沒有地下滴灌.

2.4.3所發(fā)表的節(jié)水結(jié)論性資料科學(xué)性不足

國家和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)灌溉試驗(yàn)有明確的規(guī)定，但所見文獻(xiàn)中沒有相應(yīng)的說明.

1）試驗(yàn)條件中未說明：底部是否隔絕了地下水補(bǔ)給、側(cè)向是否阻斷了水分流通.

2）未說明耗水量中是否計(jì)入了播種與收獲時(shí)的土壤水分增（減）量.

3）大田條件下，有沒有計(jì)入降雨.

4）多數(shù)文獻(xiàn)中把灌水量之差作為節(jié)水量，進(jìn)而算出節(jié)水率，不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.

2.4.4地下灌溉短時(shí)段（≤3 a）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)極可能造成判斷錯(cuò)誤

筆者之一曾于20世紀(jì)70年代末做過0.2 hm2（3畝）大田地下滴灌試驗(yàn)，毛管（含滴頭）埋深在40 cm（犁底層下）.第1年每次灌水20 m3/667 m2，地面可見濕潤(rùn)斑，效果很好；次年效果略差，到第4年后期，每次灌水50 m3/667 m2，地面也不見濕.經(jīng)開挖檢查分析認(rèn)為：因無配套的開溝機(jī)，管溝寬達(dá)20 cm（鐵锨寬度），管溝打破犁底層，顯著改善了水分向上運(yùn)移的條件，隨著時(shí)間推移，犁底層逐漸再形成，水分向上運(yùn)移的條件逐年變差所致.目前發(fā)表的文獻(xiàn)基本上是第1年的試驗(yàn)結(jié)果，是濾膜攔截的雜質(zhì)數(shù)量最少、水分運(yùn)移條件最優(yōu)時(shí)的結(jié)果；憑此就下結(jié)論，極易出現(xiàn)誤判.因此，地下灌溉（包括痕灌）的節(jié)水、增產(chǎn)效果需要用第4～5年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來證實(shí).

2.4.5哈密試點(diǎn)棗園的痕灌系統(tǒng)可能供水不足

哈密試點(diǎn)棗園28 hm2（420畝），棗樹行距3 m，滴頭間距0.33 m，相當(dāng)于每平方米1個(gè)滴頭；按廠家提供滴頭在10 m水頭下的流量為0.11 L/h估算，日（24 h）灌水量為2.64 L/m2，相當(dāng)于日灌水深2.64 mm；對(duì)于進(jìn)口水頭為5 m的方案，滴頭流量為0.06 L/h，日灌水深僅1.44 mm.筆者估計(jì)在哈密盛果期棗樹的月平均日耗水強(qiáng)度峰值至少應(yīng)＞4 mm（對(duì)于地下滴灌），因此供水不足在所難免；痕灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有考慮這一問題.

3　結(jié)論

應(yīng)該肯定：痕量灌溉對(duì)更小流量供水和膜過濾在地下滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用做了有益的嘗試.但是在一些基本問題未搞清之前，輕率地提出［2］：“在理論方面，痕量灌溉以全新的原理實(shí)現(xiàn)了出水量與植物的需水量相匹配，使學(xué)術(shù)界重新審視植物的真實(shí)需水量，將改寫植物生理、農(nóng)田水利、作物栽培等學(xué)科的論述；運(yùn)用痕量灌溉技術(shù)可以精確地控制土壤含水量”，“痕量灌溉技術(shù)的發(fā)展，使中國第一次站在國際節(jié)水灌溉技術(shù)的前沿，將引領(lǐng)下一輪節(jié)水灌溉創(chuàng)新”等；這不是科學(xué)的態(tài)度.

1）根據(jù)毛細(xì)管現(xiàn)象的基本特征、痕灌灌水器及小流量點(diǎn)水源的實(shí)際，毛細(xì)管力不可能成為灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)力.

2）土水勢(shì)與土壤內(nèi)的負(fù)壓是不能等同的二個(gè)量，土水勢(shì)目前還不能被滴頭出口所感知，痕量灌溉能實(shí)現(xiàn)與作物需水相匹配的“自適應(yīng)灌溉”，缺乏依據(jù).

3）濾膜及纖維束滴頭流道可以長(zhǎng)久不堵塞的結(jié)論，顯得過于草率.

4）地下灌溉需要用第4～5 年的試點(diǎn)資料來驗(yàn)證其節(jié)水、抗堵及增產(chǎn)效果，才比較可信.

5）根據(jù)國際微灌界的共同認(rèn)知，流量不大于12 L/h的灌水器統(tǒng)稱為滴頭，痕量灌溉應(yīng)歸屬于地下滴灌，只是用了膜過濾和纖維束結(jié)構(gòu)的滴頭.

總之，痕量灌溉作為新提出來的灌水技術(shù)，其理論和技術(shù)本身存在諸多問題，失敗的風(fēng)險(xiǎn)很大；該技術(shù)尚處于原理探索階段，目前最需要的是補(bǔ)做技術(shù)原理的小面積試驗(yàn)驗(yàn)證；離中試或大面積推廣應(yīng)用距離尚遠(yuǎn).