开放科学（资源服务）标识码（OSID）： 
中国是历史悠久的农业大国,由于淡水资源稀缺,农业用水量不断加大,合理精准控制农田土壤水分的用量是现在亟需解决的问题。同时,随着农业节水需求量的不断上升,微灌技术在农田生产中的普及,它在作物生产应用中得到不断提升。微灌技术包括滴灌、微喷灌及渗灌,由微灌演变的滴灌技术在粮食作物上得到了广泛应用,滴灌技术的范畴由棉花拓展到玉米、小麦、向日葵、马铃薯等作物领域[1,2,3,4,5]。龚时虹等[6]认为滴灌属于局部微灌技术,能将水输送到植物的根系附近,达到水分的精确控制。Wang等[7]研究发现滴灌技术在马铃薯作物上能显著提高土壤水的利用效率。徐盈盈[8]研究了滴灌技术在栽培中节水节肥等特点。麻玮青等[9]研究了滴灌与施肥融为一体的技术,可以实现作物高产高效等特点。总之,国内外田间试验研究大量表明,滴灌对作物的水和氮的利用效率有显著影响。近年来,在微灌技术上,一种新型负压渗灌技术随之在节水农业研究上也在不断变革与发展,它在农田上更加便利准确地控制土壤水分,也可以提高作物水分利用效率,以其土壤中直接供水和自动与作物需水进行自动补水等特点在节水农业生产上引起高度重视,它的技术发展对构建我国微灌节水技术的发挥起重要作用。综上所述,滴灌技术虽然能控制水的用量以及提高水的利用效率,但是精准控制农田土壤水还需要进一步的研究。为此,本课题开展负压渗灌技术装置的改进以及对农田土壤水的精准控制效应研究。在传统灌溉的基础上,更加准确地改善装置,根据不同作物的需水规律,研究不同装置对农田水的精准控制效果,以期为节水农业生产的灌溉制度的建立提供可借鉴的理论依据。
1 装置调整与水分精准调控
1.1 负压渗灌装置调整
1.1.1 输水环形管直路化改良与控水 传统的负压渗灌系统多采用环形管输水方式（图1）,密闭的负压储水器（1）上设置有加水口（2）、通气口（3）和出水口（4）;出水口连接输水竖管（6）和输水横管（7）;在输水管上连接着渗水器（8）,渗水器由陶土烧制而成,被水浸润后具有透水不透气的特性;输水管的末端与通气竖管（9）及通气横管（12）连接,形成一个环形封闭连通器;在通气竖管的下端不同高度开有若干进气口（11）,其中一个与进气管（10）连接,其他进气口封闭;进气管上端是开口的,将进气管连接在不同高度的进气口上就可以实现对土壤含水量的控制。在此基础上,将环形管改良为直路管,去除输水的回路,在输水管的末端加上放气阀,可有效使空气自动放出,实现节约成本、提高放气效率的效果。同时要确定水口间距、出水口的流量以及灌水器铺设间距,以达到农田作物精准控制水分的要求。
图1
1.1.2 直路负压灌溉系统结构与精准控水 直路负压灌溉系统主要包括控制计量水箱（1）、减压器（2）、输水管（3）、渗水器（4）、放气阀（5）（图2）,各个部分配合实现水分的精准控制。
图2
1.1.3 控制计量水箱结构与水分控制 控制计量水箱是根据土壤负压变化及时有效精准补水的装置,水通过进水口（4）、计量器（5）进入水箱（1）,计量器记录进入水箱的水量（图3）。当水箱的水位达到设定高度,浮球开关（2）关闭,停止供水;当水箱的水位低于设定高度,浮球开关打开,开始供水。出水口与调压管连接对系统供水。控制计量水箱各结构协同工作实现负压灌水系统的连续供水、全生长期供水量的监测和记录,同时保证供水的压力平稳,便于系统的负压调制。
图3
1.1.4 气柱式调压器及其精准控水 负压渗灌的关键技术是负压的产生,利用气柱式调压器达到控制渗灌系统的负压产生和控制,并且可连续调节负压。我们研制的减压器为管式气柱调压器,图4为调压器结构和调压原理示意图。
图4
图5
1.2 负压渗灌田间布局
图6
图7
图7
负压渗灌系统示意图
Fig.7
Schematic diagram of negative pressure infiltration irrigation system
1.3 土壤含水量控制的稳定性和精度
1.3.1 土壤水分控制稳定性变化 测定了3种不同负压控制条件下距离渗水器5cm土壤的含水量,各处理分别为渗水器承压5、0和-5kPa。测定结果显示,渗水开始后48h,3种处理距离渗水器5cm的土壤含水量达到了稳定状态,显著性检测达到5%差异水平。
图8
图9
白天光照增多,气孔开放,温度升高,导致蒸腾耗水增加,需水量也增加;夜晚光照下降,气孔关闭,气温降低,需水量下降。试验结果表明,负压渗灌系统能根据作物需水规律实现实时灌溉。
1.4 改装后的负压渗灌装置的室内试验
在河北省农林科学院科技示范园区内进行试验。试验大棚为日光大棚,玉米品种为郑单958。按照常规种植方式及管理方式,在试验温室内安装了控制计量水箱、减压管、输水管和渗水器,渗水管采用垂直方向安装,距离玉米种植行10cm,与渗水管间距40cm。本试验的系统负压设定为-1.5kPa。对照温室为漫灌浇水,生育期负压渗灌用水与对照温室用水比较结果见表1。
表1 负压渗灌与对照漫灌用水量
Table 1
| 灌溉日期 Irrigation date | 负压温室用水量 Water consumption of negative pressure greenhouse (m3) | 对照温室用水量 Control greenhouse water consumption (m3) | 说明 Explain |
|---|---|---|---|
| 2018-08-03 | 0 | 15 | 1.负压室温时阶段性水的总和,即从上一行时期到本行时期的总 用水量。 2.负压比对照温室少用水28m3,节约用水37.8%。 |
| 2018-09-24 | 9 | 12 | |
| 2018-10-13 | 7 | 12 | |
| 2018-11-04 | 10 | 12 | |
| 2018-11-25 | 9 | 12 | |
| 2018-12-15 | 7 | 11 | |
| 2018-12-29 | 4 | 0 | |
| 合计Total | 46 | 74 |
2 讨论
2.1 负压渗灌技术将为农业科学研究提供更精确的技术手段
科学新发现在有了新的技术手段之后,并没有止步前进。众所周知,农业科研离不开环境条件的人工模拟技术,至今为止,人工控制温度、湿度已经是比较成熟的技术,而土壤水分控制技术却一直是人工模拟环境技术的一块短板。而农业节水利用是我们现在面临的一大问题,微灌包括滴灌、微喷灌以及渗灌,在此基础上,改善微灌技术装置,使之更准确地控制农田土壤水分的用量。本研究的负压渗灌技术具有精确、稳定控制土壤含水量的特性,结合了滴灌与微喷灌的特点,这将成为农业科研中取得新突破的一项基础技术。负压渗灌技术能否运用到农田并大面积试用及推广,是接下来需解决的问题。可以通过政府的扶持,比如加大资金的投入;也可以和企业联合,帮助研究专家加大研究负压渗灌技术的类型及投入资金给农户,最后达到收益和推广的最大化。
2.2 负压渗灌技术将为提高水分利用率提供技术手段
水资源短缺是现代农业生产面临的严重问题,通过提高作物水分利用率来节约水资源是最好的解决途径。负压渗灌具有实时灌溉和土壤亚表层给水的特点,在最大限度满足作物需水情况下还能降低水分的表面蒸发和深层渗漏损失,因此可以大幅度提高作物的水分利用率,加快负压渗灌技术大面积应用研究应该得到足够的重视。
参考文献
精确灌溉技术体系研究
介绍了精确灌溉的基本概念,并在近几年理论研究和实践的基础上,提出了精确灌溉技术体系,认为:建立完整的精确灌溉技术体系需要有多种技术知识和先进技术装备的集成支持,数据采集、信息处理和分布调控构成了农田精确灌溉的完整技术体系.精确灌溉使用信息技术将灌溉区域划分为较小的单元,测定每个单元的各自特性,制定科学的灌溉方案,以最少的投入获得最大的综合效益,实现了真正意义上的需求灌溉.结论认为:精确灌溉技术体系对建立我国21世纪精确灌溉管理系统,促进农业可持续发展具有重要意义.
用盘式负压入渗仪数据计算土壤导水参数
本研究提出了用盘式负压入渗仪(Disc infiltrometer)测定的入渗数据计算土壤导水参数的一种新方法.该方法可以用大于10min入渗时间的任何入渗率数据计算土壤导水参数.一种迅速准确的数值迭代法被用于解所得的高度非线形的方程组.新方法所计算的土壤导水参数与实验室测定数据比较吻合,与其他计算方法相比,新方法所得到的导水率与宏观毛管上升高度准确合理.
滴灌模式对农田土壤水氮空间分布及冬小麦产量的影响
大田作物最优滴灌模式的研究是滴灌技术深入推广应用过程中的重要研究内容，通过田间试验，选取地表滴灌和地下滴灌两种滴灌类型，研究其在4种不同灌溉制度下农田水、氮空间分布规律以及冬小麦产量的差异。试验结果表明，在土壤水分控制范围相同时，不同滴灌类型下冬小麦生育期内所需的灌水总量和灌水频率不存在显著差异；在施肥量和灌水定额基本相同时，地下滴灌较地表滴灌促使硝态氮向深层土壤运移的几率更大。但总体而言，不同滴灌类型相同灌溉制度下，硝态氮运移规律基本相似；同种滴灌类型不同滴灌制度下的各处理冬小麦产量存在显著差异。而且，在充分灌时，不同滴灌模式下的冬小麦产量差异性不显著；非充分灌时，滴灌模式对冬小麦产量存在显著影响。
Alternate partial root-zone irrigation improves fertilizer-N use efficiency in tomatoes
DOI:10.1007/s00271-012-0335-3
URL
[本文引用: 1]
The objective of this study was to investigate the comparative effects of alternative partial root-zone irrigation (PRI) and deficit irrigation (DI) on fertilizer-N use efficiency in tomato plants under mineral N and organic N fertilizations. The plants were grown in split-root pots in a climate-controlled glasshouse and were subjected to PRI and DI treatments during early fruiting stage. When analyzed across the N fertilizer treatments, PRI treatment led to significantly higher N yield, agronomic N use efficiency (ANUE), and apparent N recovery efficiency (ANRE) as compared with the DI treatment, indicating significantly higher fertilizer-N use efficiency and soil N availability as well as enhanced plant's N acquisition ability in the PRI treatment. Analysis across the irrigation treatments showed that the mineral N fertilizer treatment (MinN) significantly increased N yield, ANUE and ANRE relative to the organic N fertilizer treatment (OrgN). Compared with DI, the rhizosphere and bulk soil mineral N content in the soil were significantly lowered in the PRI treatment, indicating the enhanced root N uptake efficiency. It is suggested that PRI-enhanced soil water dynamics may have increased soil nitrate mass/diffusive flow to the root surfaces and root N uptake efficiency in the wetting soil and stimulated soil N mineralization and plant N demand, contributing to the improved fertilizer-N use efficiency in the PRI relative to the DI treatment.
