痕量灌溉：突破世界级难题

    核心提示：痕量灌溉实现了灌溉理念和技术的两个创新，达到了防虫、防草、防蒸发和省水、省工、省能、省钱的效果，是灌溉技术的一次革命。 

　　(记者 孙英兰)初春时节乍暖还寒，但在北京市海淀区苏家坨镇前沙涧村农场的蔬菜大棚里，却是暖意融融。大棚里的应时蔬菜早已被搬上了市民的餐桌，新种的蔬菜还只是嫩苗，却吸引了不少“特殊”的参观者，包括从新疆水利厅远道而来的专业人士。

　　吸引来访者的，是被业内人士称作中国节水灌溉技术重大突破的创新成果――由华中科技大学教授诸钧历时十余年潜心研发的、具有自主知识产权的痕量灌溉技术(下称痕灌技术)。

　　作物节水的新途径

　　自2008年起，诸钧和他的同事先后在北京、新疆、内蒙古、广西等地的1800亩露地及120座温室中，以蔬菜、果树、花卉、甘蔗等作物为研究对象，对痕灌系统的灌水均匀度、土壤含水量、作物生长发育、生理生化、产量品质和水分利用等进行了大量试验研究，目前已完成了中等规模试验示范。结果表明，在保证良好灌溉均匀度、不减产甚至增产条件下，痕灌比滴灌节水40%--60%，同时还能避免灌溉过量造成的养分流失、次生盐渍化、土壤板结等弊病。相关专家表示，该技术在节水效率、抗堵塞及无需动力远距离均匀供水等方面达到国际领先水平。

　　“不光是大棚，那里的几十亩桃林，用的都是这项技术，节水效果特别明显。”北京科润维德生物技术有限公司常务副总经理李荣旗告诉记者，他们是最早采用痕灌技术的，那几个大棚就是他们提供给诸钧教授用作该项技术的试验示范基地。

　　李荣旗说，北京是个极度缺水的城市，农业又是一个耗水量很大的产业，必须依靠科技发展都市农业。“痕灌技术就为未来都市农业发展提供了有力的技术支撑。”

　　据他介绍，“以前用滴灌灌溉，一亩桃树林一年至少需要150吨水。用了痕灌技术后，2010年降雨少，用了60吨水;2011年和2012年降的雨水较多，分别只用了补充水13吨和15吨。”

　　北京恒源嘉达科技有限公司是以现代农业为主的高科技生态农业公司，这家公司的总经理甄永利告诉记者，公司在京郊的葡萄园，位于密云溪翁庄镇尖岩村的山坡地带，“水井打到180米深仍不出水”，是个极度干旱地区。为了保证葡萄的品质，他们一直采用漫灌或滴灌的浇灌方式。用漫灌，一年至少要用150吨水/亩;用滴灌，每年至少也要70--80吨水/亩，需水量极大。“2010年我们采用痕灌技术，一亩地一年只用水10吨左右。7亩大的葡萄园，长势非常好，两年苗的挂果量800斤/亩，今年能达到1100--1200斤/亩，产量不受任何影响;对葡萄品质进行的40余项检测也没有差异，但节水效果十分显著。”

　　身为高级农艺师的李荣旗分析说，痕灌技术的核心是控水头，它依靠土壤的毛细力即自然力使水进入土壤，植物则靠蒸腾拉力吸走毛细管中的水分，整个过程不需要任何动力;而控水头本身则创新性地将纳米材料与膜技术引入控水头的设计中，通过特殊的结构形式解决了滴头堵塞问题，“是一项伟大发明。”

　　北京市植保站站长王克武介绍说，类似的毛细管灌溉的设想国外也有人提出过，但因为无法解决低流量下的堵塞问题而停留在设想阶段。诸钧教授的创新之处，就在于引入膜技术并配合纳米材料制成的毛细管束，形成结构独特的控水头。“我们和市农委曾连续进行了5年的种植试验，面积达几百亩，试验品种包括番茄、球茎茴香、草莓、桃树等果蔬。数据显示，在果蔬产量和滴灌方式产量持平的前提下，痕量灌溉比滴灌节水40%--50%。”

　　据王克武介绍，2010年8月，北京市农委曾组织“痕量灌溉系统及其技术应用”专家鉴定会，来自中国农业大学、华北电力大学、北京市农林科学院、北京市水科所的与会专家认为，痕灌技术解决了长期困扰滴灌技术的低流量下滴头堵塞这一世界难题，实现了控水头出水量低于每小时200毫升而长期不堵塞;比滴灌用水更少，而且地表干燥、杂草少，减少了病虫害的发生;该技术无需电源，仅靠重力即可运行，可广泛适用于滴灌无法使用的各种环境。在农业生产、植树造林及荒漠化治理方面应用前景十分广泛。由于省去了大部分动力设备，且维护成本低，相较滴灌，痕量灌溉具有较高的投入产出比。本文来源：?望观察网

　　2012年5月中旬，中国灌溉排水发展中心发布的《关于痕量灌溉技术的调研报告》指出，痕灌技术是一项自主研发的创新技术，其田间生产示范效果良好，以滴灌对照，痕灌不需要动力设备和首部过滤设备，其节水效率为43%--58%，经济产量增幅为0--14%，水分利用率增幅为80%--173.2%;痕灌的控水头比普通滴头抗堵性强，毛管铺设长度可达600米，是滴灌毛管铺设长度的5--10倍，省工36.4%--57.9%。 

　　科学独特的设计理念

　　据了解，我国目前常用的灌溉方法包括喷灌、微喷灌、渗灌和滴灌等，均是人为控制灌溉时机和灌水量，属于“被动式”灌溉模式。上世纪70年代末，我国引进了以色列的滴灌技术，但这项被国际社会公认为目前节水效果最好的灌溉技术，在更小流量灌溉以及长距离铺设方面，还存在滴灌灌水器流道易堵塞和制造难等问题，一直未找到最佳解决方案。

　　诸钧在长期从事节水产品的研发实践中发现，植物生长真正需要从土壤中吸收的水分其实很少，“蔬菜一天的需水量不到300毫升”，但需要持续吸水。由此可见，较为科学的方式是连续、少量地给植物的根系提供所需的水分，在保证植物需求的同时，最大限度地减少蒸发和渗漏损失。“理想的灌溉技术应该与植物的需水特性相匹配，让植物根据自身生长需要按需取用。这样，不但可以改变人为供水的被动式灌溉模式，也可节约大量宝贵的水资源。”

　　诸钧告诉记者，痕量灌溉就是配合植物的需水规律，以毛细管力为基础，通过特制的控水头，将低压水转化成极细小的水流，以极其微小的速度(10--200mL/h)适量、不间断地直接输送到植物根系附近基质的灌溉技术。

　　“之所以取名‘痕灌’，是受化学上微量元素与痕量元素概念的启发，主要指能在超微流量下向作物长久供水，痕灌单位时间的出水量可达到滴灌的百分之一到千分之一。而控制水的流出量的装置，就是痕量灌溉的核心部件――痕灌控水头。”

　　诸钧解释说，痕灌控水头是由具有过滤功能的痕灌膜和有良好导水性能的毛细管束组成，控水头腔中安装滤膜，出水口处是由很多毛细管构成的毛细头。当控水头出水口的毛细管与土壤接触时，控水头中的水会被土壤中的毛细孔隙自动抽出，并在控水头内部产生相当大的抽水力，迫使进水口处的水通过滤膜后流入控水头出水口的毛细管中，进而被埋在作物根系附近的土壤吸走。

　　从2002年就开始从事滴灌制造研究的华中科技大学教授史玉升说，“国内不少攻关项目是对滴灌技术的‘修修补补’，并没有质的变化。而痕灌技术，从原理、制造到适应水质要求等方面都进行了系统变革。”

　　在李荣旗看来，现在人们餐桌上的食用菌，如鸡腿菇等，都是工厂化栽培的，远不如自然条件下栽培的好吃。他说，食用菌栽培，最难的是控水。“水多会烂，水少又不出蘑菇。痕灌技术就解决了这个难题。不仅先进适用，栽培方式简单，成本不高，而且还可以调控出菇时间，省水、省工，产量高，品相还好。可以说，痕灌技术为食用菌产业带来了一场革命，为达到一次播种多年采摘的目标提供了技术支撑。”

　　宁夏大学土木与水利工程学院教授张维江表示，从宁夏引进痕灌技术种植酿酒葡萄、马铃薯的试验来看，效果令人满意，这是节水灌溉的发展方向。

　　今年1月底，水利部副部长李国英在考察痕灌技术后表示，痕量灌溉实现了灌溉理念和技术的两个创新，达到了防虫、防草、防蒸发和省水、省工、省能、省钱的效果，是灌溉技术的一次革命。

　　自主技术推广应用之困

　　受访专家表示，我国水资源量供需矛盾日益突出，但水资源利用方式粗放，农田灌溉水有效利用系数仅为0.5，与世界先进水平的0.7--0.8还有较大差距。痕灌技术比滴灌能实现更大幅度的节水，而且还有抗堵塞、低能耗、长距离铺设等多项优势，对改善我国农业耗水现状、荒漠化治理都有重要意义。

　　许多业内人士认为，我国存在大量因干旱而不能利用的荒地，尤其在一些干旱山区，难以进行农业种植和林业利用。使用痕灌技术，就可以在这些地区进行农业及林业种植与开发，从而恢复甚至增加可耕地面积。在矿山修复、荒漠化治理、生态改良等领域，痕灌技术也有巨大的应用潜力。若能规模化推广应用，很有可能替代滴灌技术，甚至有助于我国占领世界节水灌溉技术的制高点，获得节水产品的“定价权”。

　　王克武表示，痕灌技术经过5年多的试验取得了可喜的成果，但对痕灌的作用机理尚缺乏理论层面的分析认识，比如毛细管力、蒸腾拉力和重力之间的具体关系，水在控水头内的运移规律等，当前急需根据试验结果进行深入的基础理论研究，并建立理论体系和完善的行业技术标准体系，为该项技术的推广应用以及未来走出国门提供支撑。

　　据了解，滴灌技术已在国内应用多年，政府还有相应的政策补贴。在这方面，痕灌技术显得“先天不足”。诸钧说，痕灌技术是自主研发的，虽然已获得多项国内外发明专利认证，但还没有获得过国家级的科技奖励，没有一个过硬的“标签”，更没有政府补贴。即使技术优势明显，也很难成为使用者的首选。本文来源：?望观察网

　　李荣旗、甄永利等业内专家表示，任何一项新技术、新发明都需要在不断的试验、应用中得到完善。国家应在基础研究和市场培育方面给予痕灌技术大力扶持;在大面积推广应用的基础上，应该加大对植物吸水规律等系统理论的研究力度，充分利用高校、研究院所和企业的科研力量，不断建立试验样本，尽快拿出技术规程，为实现产业化提供更多样的参考模型。

　　中科院寒旱所研究员董治宝建议，尽快组织痕量灌溉万亩级以上的示范项目，跨越规模化应用的障碍;加大力量进行基础研究，让这一自主创新技术为民造福并逐步走向世界。