微孔陶瓷灌水器開發(fā)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究
地下滴灌可直接向作物根部供水,蒸發(fā)損失小,水分利用效率高,具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)效果,但目前仍然存在系統(tǒng)能耗高、塑料難降解、灌水器易堵塞等問題,嚴(yán)重影響了其大面積推廣應(yīng)用。為此,本文借鑒古代陶罐灌溉經(jīng)驗(yàn),將微孔陶瓷材料引入到節(jié)水灌溉產(chǎn)品研發(fā)中,結(jié)合現(xiàn)代灌溉技術(shù)基本要求和發(fā)展趨勢,以開發(fā)節(jié)能環(huán)保的微孔陶瓷灌水器為目標(biāo),較為系統(tǒng)地研究了微孔陶瓷灌水器的材料配方與制備工藝,揭示了微孔陶瓷灌水器的出流機(jī)理,確定了其田間應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),并綜合評(píng)價(jià)了微孔陶瓷根灌技術(shù)的節(jié)水增產(chǎn)效果,初步得出如下結(jié)論:（1）研發(fā)出2種制備微孔陶瓷灌水器的材料配方,開發(fā)出3種不同結(jié)構(gòu)形式的微孔陶瓷灌水器以粘土為主要原料,硅藻土（最佳摻量為15%）為造孔劑,硫酸鈣為性能改良劑,硅溶膠為黏結(jié)劑,采用模壓-燒結(jié)法（最佳燒結(jié)溫度為1075℃）制備了粘土基微孔陶瓷;以石英砂（適宜粒徑為38-75μm）為主要原料,糊精為造孔劑,滑石粉為性能改良劑,硅溶膠為黏結(jié)劑,采用模壓-燒結(jié)法（最佳燒結(jié)溫度為1200℃）制備了砂基微孔陶瓷。針對(duì)不同水質(zhì),滿足不同作物需水要求,開發(fā)了旁通式、管間式微孔陶瓷灌水器和微孔陶瓷貼片式地下滴灌管。旁通式微孔陶瓷灌水器在0.2 m工作壓力下流量為0.72 L/h,性能優(yōu)良。管間式微孔陶瓷灌水器在0.2-0.5 m工作壓力下流量為0.02-0.09L/h（通過改變石英砂粒徑可以調(diào)節(jié)其流量）,制造偏差小,便于沖洗。微孔陶瓷貼片式地
下滴灌管在0.5 m工作壓力下流量為0.07-0.18 L/h（通過改變微孔陶瓷材質(zhì)可以調(diào)節(jié)其流量）,制造簡便。（2）建立了微孔陶瓷灌水器出流過程模型,闡明了負(fù)壓、無壓和微壓條件下灌水器出流機(jī)理以旁通式微孔陶瓷灌水器為例,通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,構(gòu)建了微孔陶瓷灌水器3階段出流模型:一是基質(zhì)勢作用階段（負(fù)壓無壓條件下僅有此階段）,灌水器流量逐漸下降至設(shè)計(jì)流量（設(shè)計(jì)工作壓力下空氣中出流量）,灌水器出流量和土壤含水率之間存在耦合關(guān)系,在土壤水分耗散時(shí),灌水器出流會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充土壤水分,土壤水分耗散量與灌水器出流量基本相當(dāng);二是壓力勢作用階段,灌水器流量繼續(xù)下降至穩(wěn)定流量,流量下降的主要原因是飽和區(qū)域面積的增加;三是穩(wěn)定出流階段,灌水器流量維持穩(wěn)定。以上述出流模型為基礎(chǔ),結(jié)合土壤水動(dòng)力學(xué),進(jìn)一步揭示了微孔陶瓷灌水器出流機(jī)理:出流源動(dòng)力為灌水器內(nèi)外水勢差（內(nèi)部:工作壓力,外部:土壤水勢）,灌水器流量變化的直接原因是土壤水勢,根本原因是土壤含水率和飽和區(qū)域面積。因此灌水器可根據(jù)土壤水分狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)出流量,根據(jù)作物需求實(shí)時(shí)補(bǔ)充土壤水分,達(dá)到連續(xù)、主動(dòng)灌溉的目的。（3）提出了微孔陶瓷灌水器應(yīng)用參數(shù)確定方法,并針對(duì)不同土壤質(zhì)地初步確定了蔬菜和林果灌溉技術(shù)參數(shù)采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,依據(jù)土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律,結(jié)合作物根系分布特征,滿足作物需水要求,考慮深層滲漏風(fēng)險(xiǎn),提出了微孔陶瓷灌水器應(yīng)用參數(shù)確定方法。針對(duì)砂土、壤土、粘土和砂質(zhì)黏壤土等
4種代表性土壤,初步確定了果樹（蘋果）和蔬菜（番茄和黃瓜）的灌溉技術(shù)參數(shù)（工作壓力、設(shè)計(jì)流量和埋深）。對(duì)于蘋果:砂質(zhì)粘壤土中陶瓷灌水器適宜工作壓力、設(shè)計(jì)流量和埋深分別為40-50 cm、1.16-1.20 L h<sup>-1</sup>和25 cm;壤土中分別為20-50 cm、0.72-0.98 L h<sup>-1</sup>和45 cm;粉質(zhì)粘壤土中分別為40-50 cm、1.79-2.08 L h<sup>-1</sup>和45 cm;由于深層滲漏風(fēng)險(xiǎn)較大,在砂土中不建議使用陶瓷灌水器。對(duì)于番茄、黃瓜:砂質(zhì)粘壤土中陶瓷灌水器適宜工作壓力、設(shè)計(jì)流量和埋深分別為0 cm、0 L h<sup>-1</sup>和25 cm;壤土中分別為0 cm、0 L h<sup>-1</sup>和15 cm;粘土中分別為10 cm、0.006 L h<sup>-1</sup>和25 cm;砂土中分別為0-20 cm、0-0.03 L h<sup>-1</sup>和15 cm。（4）構(gòu)建了微孔陶瓷根灌系統(tǒng),并在田間進(jìn)行了初步應(yīng)用以開發(fā)的旁通式、管間式和貼片式微孔陶瓷灌水器為核心,構(gòu)建了微孔陶瓷根灌技術(shù)系統(tǒng),并將其在黃土高原山地蘋果中進(jìn)行了初步應(yīng)用。結(jié)果表明:在灌水量基本一致時(shí)（陶瓷根灌:93.2 mm;地下滴灌:94.5 mm）,相比地下滴灌,陶瓷根灌可使蘋果樹新梢長度增加15.9%,產(chǎn)量提高7.6%,水分利用效率提升10.1%。按照2017、2018年當(dāng)?shù)靥O果平均收購價(jià)（3.0元/斤）,可使農(nóng)民年增收709元/畝。
