李松敏，王仰仁，張 輝

(1. 天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384；2. 水利部海河水利委員會，天津 300170)

0 引 言

目前，很多家庭都喜歡在家中養(yǎng)殖一些盆栽，而盆栽的養(yǎng)殖需要有人看護，否則就會導(dǎo)致植物因缺水而死亡，這就給忙碌的上班族帶來了不便，尤其是長時間出差時就更為麻煩。且定期灌水會導(dǎo)致土壤處于一定范圍內(nèi)的干濕交替，土壤含水量的過度波動會使植物遭受旱澇脅迫，導(dǎo)致硝態(tài)氮被淋移出植物根區(qū)以外，不利于植物生長，因此需要一種簡單易行的持續(xù)供水裝置，保證土壤含水量處于一個穩(wěn)定狀態(tài)。

國內(nèi)外對利用負壓原理精確控制土壤含水量進行了多種研究，1908年Livingston首先提出了負壓灌溉[1]，Richards和Read利用這一原理對自動灌水缽進行了研究[2]；1982年Kato利用負壓原理對多孔材料應(yīng)用于亞表層土壤灌溉進行了理論上的探索[3]；日本三菱化工集團于1996年推出了“負壓灌溉器皿”，該系統(tǒng)可用于作物盆栽[4]。1998年,該公司將“負壓灌溉器皿”中多孔管改為多孔板[5]。我國雷廷武等進行了負壓灌溉的可行性法分析，采用土壤物理中懸掛水柱法測定水分特征曲線的裝置進行負壓灌溉的理論分析[6]。薛緒掌等研究了負水頭灌溉技術(shù)，基于盤式負壓入滲的負壓控制原理研制出了負水頭供水控水盆栽裝置，后又將裝置中的膜式供水器改為陶瓷盤供水器[7,8]，該裝置能通過設(shè)置不同的供水吸力值來控制土壤不同的含水率。但這些供水裝置制作精細，成本較高，如何在家庭盆栽的養(yǎng)殖過程中實現(xiàn)價格低廉、安裝簡易的負壓供水裝置，就成了我們研究的重點。

1 負壓灌溉原理

負壓灌溉是一種將灌水器埋入地下的亞表層灌溉技術(shù)。之所以稱之為“負壓”,是因為系統(tǒng)中灌溉水源的高程低于灌水器的高程,運行時供水水頭為負值。在土壤吸力作用下,灌水器內(nèi)的水流入土壤,輸水管內(nèi)形成負壓,在大氣壓的作用下,水被“壓入”輸水管以補充流入土壤的水分,保證整個系統(tǒng)能不間斷地運行，使得土壤的含水量在長時間內(nèi)保持某一指定值(最適宜的土壤含水量)不變化，土壤水分變化幅度達到盡可能小的值，以保證植物可以始終處于最優(yōu)土壤含水率的生長環(huán)境[6，9]。從而實現(xiàn)自動補給功能,無需提水加壓設(shè)備。負壓灌溉變斷續(xù)灌溉為連續(xù)給水，并達到精準控制,減少土壤滲漏和蒸發(fā)損失, 達到節(jié)水。

2 材料與方法

2.1 實驗裝置

使用9個大小相等的透明塑料盆，在其中8個盆底分別鉆孔，并編號為1～8號,未鉆孔盆為0號。在1～4號盆底接入內(nèi)徑為30 mm的玻璃管，在其中裝滿沙壤土，并同時在4號盆玻璃管中接入尼龍繩一根。在5～8號盆底接入內(nèi)徑為15 mm的玻璃管，在其中裝滿沙壤土，并同時在8號盆玻璃管中接入尼龍繩一根。

向9個塑料盆中分別裝入質(zhì)地相同，重量相等的土壤，另準備8個盛水燒杯，在其中盛放體積相等的水，將盛水燒杯置于組裝好的上部供水裝置下方，并保證每個塑料盆組裝好的玻璃管下端都能等長度的被水浸沒。在9個塑料盆中分別種植生長情況大致相同的蘭花，裝置示意圖如圖1。

圖1 實驗裝置示意圖

2.2 實驗方法

通過調(diào)整底部供水燒杯的高度控制供水高度,供水裝置不同處理設(shè)置情況如表1所示。定期對盛水燒杯中進行補水，并記錄補水量，保證玻璃管下端等長度浸沒于水中，以保持1～8號蘭花盆中水分的供應(yīng)。由于室內(nèi)環(huán)境中水分蒸發(fā)蒸騰量較少，因此認為各處理補水量即為各處理土壤吸水量。對0號花盆不進行澆水。

表1 試驗處理設(shè)置明細表

3 結(jié)果與分析

3.1 不同供水高度累計吸水量變化過程

當(dāng)供水采用的有機玻璃管直徑分別為30和15 mm時，供水高度從30到50 cm變化，即處理1到處理3變化以及處理5到處理7變化，土壤累計吸水量均相應(yīng)的有所減少，如圖2所示，說明供水高度對負壓灌溉的供水能力有一定的影響，供水高度較低(30 cm)時，兩種內(nèi)徑玻璃導(dǎo)水管的吸水能力均高于供水高度為40和50 cm時的供水能力，且優(yōu)勢明顯，說明在進行盆栽種植時，應(yīng)根據(jù)植物的品種，考慮其對水的需求量，適當(dāng)調(diào)整供水高度，實現(xiàn)既滿足植物生長需水，同時又做到節(jié)約用水。

圖2 各處理累計吸水量隨時間變化過程

圖3 各處理階段吸水量柱狀圖

3.2 各處理階段吸水能力對比

由圖2和圖3綜合可以看出,各處理階段吸水能力變化均呈現(xiàn)先快速增加之后逐漸達到穩(wěn)定的趨勢,說明采用這種簡易的負壓灌溉裝置,能夠在較短時間內(nèi)很快達到一定的土壤含水率,供給植物生長需要,根據(jù)負壓灌溉的原理,當(dāng)土壤含水率達到某個定值后,靠負壓供給土壤的水分只是維持植物生長所需要消耗的水分,土壤含水率不會再發(fā)生較大的變化,因此達到了精準控制土壤水分的目的,同時避免了水分的浪費。

對比處理1、5，處理2、6、處理3、7和處理4、8，即相同供水高度情況下不同導(dǎo)水管直徑對吸水能力的影響。由圖3可以看出，相同供水高度情況下，導(dǎo)水管直徑為15 mm處理的吸水能力均高于直徑為30 mm的處理，說明在一定的范圍內(nèi)，導(dǎo)水管直徑越小，供水能力越強。

3.3 內(nèi)置繩索對土壤吸水能力的影響

處理4和處理8在導(dǎo)水管中出裝滿沙壤土之外，還分別加入了導(dǎo)水尼龍繩一根，由圖2和圖3可以看出，在供水高度和導(dǎo)水管直徑均相同的情況下(處理1、4，處理5、8)，加入尼龍繩情況下的土壤吸水能力明顯高于未加尼龍繩的情況，說明在土壤中加入吸水材料會明顯提高土壤的吸水能力，在植物對水分需求量加大的時候可以考慮采用吸水材料提高水分供應(yīng)量。

3.4 負壓灌溉情況下植物的生長情況

實驗結(jié)束時部分植物生長見圖4。

圖4 實驗結(jié)束時處理4處理8以及無供水情況下的蘭花生長情況對比

由圖4可以清楚地看到處理4、處理8以及無供水處理0情況下蘭花的生長情況。在采用負壓灌溉方式對蘭花進行水分補充的情況下，各處理蘭花生長情況均呈現(xiàn)良好態(tài)勢，葉片翠綠，且均有新生葉片不斷長出，由于蘭花喜水，因此供水較為充足的處理8的蘭花生長尤為茁壯。而無水分供應(yīng)情況下的蘭花，在經(jīng)過30多天之后，已經(jīng)枯死，盆中土壤也已經(jīng)干裂。

4 結(jié) 論

通過簡易的負壓灌溉供水裝置對蘭花盆栽的供水試驗研究，可以看出在家庭盆栽種植中，采用這種簡單的負壓灌溉裝置對盆栽實行自動灌水，是非常簡單而且可行的，并且可以根據(jù)植物的品種和種植條件來調(diào)整供水高度和導(dǎo)水管的直徑。供水高度增高，供水效率會相應(yīng)的有所降低；在一定范圍內(nèi)，導(dǎo)水管直徑縮小，供水效率提高。當(dāng)植物對水分的需求量較大時，還可以考慮在導(dǎo)水管中加入導(dǎo)水材料(尼龍繩等)，以提高供水效率。這種簡易的供水裝置制作簡單，成本低，又能實現(xiàn)良好的供水效果，可以為喜歡盆栽但又無暇照料的上班族提供一種很好的解決辦法。

[1] Livingston B E. A method of controlling plant moisture[J]. Plant World, 1908,(11):39-40.

[2] Richard L A, W E Loomis. Limitation of auto-irrigations for controlling soil moisture under growing plant[J]. Plant Physicol, 1942,17:223-235.

[3] Kato Z S Tejima. Theory and fundamental studies on subsurface method by use of negative pressure[J]. Trans Jsidre, 1982,101:46-54.

[4] MITSUBISHI CHEM CROP(MITU). Negative pressure difference irrigation system has permeable porous pipe embedded in soil for irrigation water to flow[P]. Japan : JP093083962A,1996-05-18.

[5] MITSUBISHI CHEM CROP(MITU). Negative pressure difference irrigation system has pair of pipes which connect ends of porous pipe, embedded in soil layer, to separate reservoirs, arranged at lower level, to perform forced water flow[P]. Japan: JP103231332A,1998-09-15.

[6] 雷廷武,江培福,Vincent F.Bralts等.負壓自動補給灌溉原理及可行性試驗研究[J].水利學(xué)報，2005，26(3)：298-302.

[7] 鄒朝望, 薛緒掌, 張仁鐸, 等. 負水頭灌溉原理與裝置[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2007,23(11):17-21.

[8] 李 邵, 薛緒掌, 郭文善, 等. 負水頭供水控水盆栽裝置及灌溉系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報: 農(nóng)業(yè)科學(xué)版,2008,26(5):478-482.

[9] 李 邵，薛緒掌，郭文善,等．負水頭灌溉系統(tǒng)供水規(guī)律研究[J]．灌溉排水學(xué)報，2008，27(5)：55-58．