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　　【摘要】：有文献认为痕量灌溉基于毛细管原理和膜过滤技术，实现了“自适应”灌溉，并解决了灌水器堵塞问题。该文基于现有理论、试验资料及微灌实践，对痕量灌溉原理及特点进行了讨论，表明痕量灌溉所述原理及其实现“自适应”
　　灌溉、解决了灌水器堵塞的论述，其理论支撑和技术本身存在诸多问题，缺少依据论证和检验。
　　【关键词】：土壤；灌溉；膜；痕量；节水；毛细管力引 言
　　发展高效节水灌溉技术是解决水资源短缺的一条有效途径。地下滴灌将毛管和滴头埋入耕作层以下，在节水方面比地表滴灌更有优势。美国加利福尼亚大学灌溉技术中心主任Davi F. Zoldoske 曾预言灌溉的未来将是地下滴灌[1]。然而，滴头堵塞问题是制约地下滴灌发展的技术瓶颈之一。近年来，出现了痕量灌溉技术，据北京普泉科技有限公司、华中科技大学痕量灌溉研究中心的《痕量灌溉技术介绍》[2]，痕量灌溉技术不仅以其独特的控水头结构保证了在超低流量下控水头不发生堵塞，解决了长期困扰滴灌低流量下灌水器堵塞的世界难题，而且出水量可以和植物的需水量相匹配。痕量灌溉还被认为突破了“被动式”灌溉（人为控制灌溉时机和灌水量）的固有思维，达到了“自适应”灌溉的效果[3]。目前，痕量灌溉技术在西北、西南、中部、华北等地区进行了试点或推广应用[2]。该技术已经得到科技部的重视，2013 年“痕量灌溉关键技术与装备”列入“十二五国家科技支撑”
　　计划[2]，“痕量灌溉产品”列入《水利先进实用技术重点推广指导目录》[2]。
　　本文作者之一应邀参加了在新疆哈密召开的“极端干旱区痕量灌溉适宜性实验现场研讨会”，在深入了解了痕量灌溉原理、设备及试点现场后认为：这种技术是否有合理的理论支撑，是否真能达到其所述效果，有必要进一步讨论。
　　1 痕量灌溉
　　1.1 自适应灌溉的控水原理
　　文献[3]认为：痕量灌溉是基于土壤毛细管原理和膜过滤技术的灌溉系统，痕量灌溉技术的核心在于其可以实现“自适应”作用的灌水器；痕量灌水器由具有良好导水性能的微米级纤维束（原文称毛细管束）和具有过滤功能的痕灌膜（也叫滤膜）组成（如图1 所示），埋在根系附近；纤维束两端分别连接充满水的管道和土壤毛细管。连接土壤毛细管的一端可以感知土壤水势变化，从而使作物-土壤-灌溉系统形成一个水势平衡系统；当作物吸水导致根系周围水势降低时，痕灌灌水器内的水不断以毛细管水的形式，通过纤维束间空隙和土壤毛细管，以微小的速度（10～200 mL/h）输送到植物根系附近的土壤并流向根系周围，直至作物-土壤-灌水器系统水势重新达到平衡，作物停止吸水，毛细管水不再流出。“痕量灌溉技术以毛细管力为基础力，只需要配合一定重力（1～2 m 水压），即可实现对植物的长期稳定供水”[2]。“出水量可以和植物的需水量相匹配”[2]。
　　1.2 抗堵原理
　　根据文献[2-3]，痕量灌溉控水头依靠滤膜和纤维束之间的巧妙配合来防止滴头堵塞：滤膜面积大可以降低过膜流速，而滤膜上的微小孔径可以大幅提高过滤精度，使灌溉水中物理杂质被阻滞在滤膜上游，不会阻挡缓速的水流；滤膜拦截的杂质会受到来自管道中动荡水流的扰动，无法附着在滤膜上；输配水管网浅埋于地下后，遮光、低温，有效避免了灌溉水中化学物质结晶析出、藻类及其他微生物生长，有效避免了生物性、化学性堵塞；此外，灌水器内的纤维束间隙（即流道）远小于植物根系直径，完全杜绝因植物根系伸入出水流道引起的堵塞，同时，纤维束间隙远大于滤膜孔径，能通过滤膜的小颗粒及离子也能通过纤维束间隙进入土壤，保证纤维束不堵塞。痕量灌溉灌水器可以长久不堵塞[3]。
　　2 几个问题讨论
　　2.1 关于毛细管力是痕量灌溉技术的基础力
　　有文献[2-3]认为，痕量灌溉基于纤维束间和土壤的毛细管力；或者说“痕量灌溉技术以毛细管力为基础力”。
　　然而，毛细管力真的是基础力吗？
　　2.1.1 毛细管现象与毛细管力的基本特征
　　众所周知，将一根内径足够小的直管插入水中，水会沿管壁上升到最大高度hm（本文仅讨论水能够浸润管壁的情况），这就是水的毛细管现象。图2a 所示为毛细管长度L 大于水面上升高度hm 的情况；其实质是水气之间的凹形界面（简称：凹液面）表面张力F 在铅锤方向的分力（即毛细管力）与管内高度为hm 的水柱所受重力相等。即：
　　2 cos 2 n m πRα ? = γπR h 或 2 cos / m n h = α ? γ R （1）式中：γ 为水的容重；α 为表面张力系数；φn 为水与该材质管壁的最小接触角；R 为毛细管半径；hm 为毛细管水上升的最大高度。从图2a 可以看出：
　　1）凹液面是毛细管现象和毛细管力存在的必要条件；一旦凹液面消失，毛细管力就不存在了，也就没有毛细管现象。
　　2）毛细管水是指由毛细管力悬吊着的静态水柱，一旦在其他力作用下形成了连续水流，管内的凹液面、毛细管力都立即消失；所以连续水流不是毛细管水，毛细管力不是形成连续水流的动力。灌溉系统在灌水时均为连续出流，从系统进口到滴头出口都不存在毛细管现象和毛细管力，毛细管力不可能成为任何灌溉（包括痕量灌溉）技术的基础力。
　　3）因毛细管水中的压强≤0，如无其他力的作用，二根毛细管连接在一起是不可能无缝的；如果通过外力使其成为一根水柱（无缝连接），那么，下端管的凹液面消失，二根管中的水重将全部由上端管的毛细管力来悬吊；也就是说毛细管力是不可叠加的。
　　4）水与气的界面以下，是水的饱和区；只有在水饱和区内才可能出现毛细管现象。
　　5）毛细管现象中的管壁是不透水的，也就是说没有透过管壁的水交换是毛细管现象的侧向边界条件。
　　图2b 示出了毛细管长度L＜hm 的情况；此时水会从管顶流出来吗？答案是否定的。因为如果水从管顶连续流出，意味着不消耗任何能量却对水做了功，亦即出现了一台永动机；这与能量守恒定律相违背。需要指出：
　　此时水对管壁浸润的最高点为管顶，并同样遵循毛细管力与管内高度为h 的水所受重力相等；即：
　　2πRα cos? = γ πR2h 或h = 2α cos? /γ R （2）式中：h 为当L＜hm 时，水的上升高度；φ 为当L＜hm 时，水与管壁的接触角，且φn＜φ＜90°。从图2b 可以看出：
　　1）φn 仅取决于液体种类和管壁材质，而φ 还取决于毛细管长度L。
　　2）在L＜hm 的情况下，毛细管力小于最大值，且与h成正比（ h 与L 很接近）。
　　2.1.2 灌水器内的毛细管力对灌水的作用可以忽略笔者认同：痕灌灌水器内的微米级纤维束之间的空隙，可能形成异形断面细管束，有出现毛细管现象的可能。然而：
　　1）痕灌灌水器的纤维束长度仅约5 mm，属于L＜hm的情况，也就是说其毛细管力最大也就是管内5 mm 高水柱的重量，这与文献[2]所提“配合1～2 m 水压”相比，仅占0.25%～0.5%。与哈密试点痕灌管进口水头为5、7.5和10 m 相比，更是微不足道。
　　2）一旦水从灌水器连续出流，纤维束间细管中的凹液面就消失，毛细管力也就消失了。在整个灌水期间灌水器都是连续出流，故毛细管力只在纤维束上游端刚接触水流，至纤维束下游端流出水这一短暂的时间（几秒钟）内存在。整个出流期间，痕灌灌水器内没有毛细管力。
　　可见，灌水器内纤维束间细管的毛细管力既微小、又极为短暂，对灌水的作用基本可以忽略；不可能成为基础力。2.1.3 小流量点水源出口处土壤是否有毛细管现象尚待研究证实
　　土壤中水的毛细管现象，是指：在毛细管力的作用下，潜水沿着土壤微细空隙上升到一定高度；在这个高度以下，土壤是饱和的[4]。如把土壤中沿锤向微细空隙视为管的话，其管壁是开放的（可透水），可能有透过管壁的水交换，这不符合毛细管现象的侧向边界条件。然而，由于潜水位通常有一定的面积规模，除去周边一定范围之外的中间部分，可以近似地看作没有侧向的水交换，类同于管壁不透水；这可能是前人用毛细管现象来解释潜水升高的前提。
　　然而，地下滴灌与痕量灌溉均为点水源灌溉，水分以灌水器出口为中心向周边空间（土壤）扩散，不可能形成单向的水分扩散条件，也就不具备形成毛细管水的侧向边界条件。又因滴头出口处土壤的水饱和区范围很小；而痕量灌溉灌水器流量更小，土壤水饱和区的范围必然更小，水的毛细管现象即使存在，其范围也极小。
　　在小流量点水源的条件下，土壤中是否有毛细管现象？
　　未见到过相关报道；所以，微小流量的灌水器出口土壤中是否存在毛细管现象尚待证实；即使存在，它在水分运移中起多大作用更待研究。因此，认为土壤中的毛细管力是痕灌技术的基础力，目前还没有依据。
　　2.2 关于自适应灌溉
　　2.2.1 痕量灌溉所称“自适应灌溉”的含义
　　自适应现象，笔者的理解是：一个处于平衡状态的系统，如某个重要因素发生变化，系统在经历过渡过程之后，会自动达到新的平衡状态；这种现象自然界广泛存在，不胜枚举。对于灌水与作物之间，作物会对灌水是否适时、适量自动做出反应，即作物会自适应于灌水的时和量。如果灌水不能满足作物最低生存条件，作物的反应是死亡；如果完全按照作物实时需水规律供水，作物的反应是最高产量；这些都是自适应现象。所以自适应并不表示最优。痕量灌溉所称的“自适应灌溉”，其含义是：“出水量可以和植物的需水量相匹配”[2]的自适应，也就是说：灌水系统能实时地按照作物需水规律来供水，并及时到达作物根区，实现作物耗水与需水的高度一致；这是自适应现象中的最高境界。如果真能做到，将确实是开创性的技术成果。