微孔陶瓷灌水器开发与应用基础研究
地下滴灌可直接向作物根部供水,蒸发损失小,水分利用效率高,具有明显的节水增产效果,但目前仍然存在系统能耗高、塑料难降解、灌水器易堵塞等问题,严重影响了其大面积推广应用。为此,本文借鉴古代陶罐灌溉经验,将微孔陶瓷材料引入到节水灌溉产品研发中,结合现代灌溉技术基本要求和发展趋势,以开发节能环保的微孔陶瓷灌水器为目标,较为系统地研究了微孔陶瓷灌水器的材料配方与制备工艺,揭示了微孔陶瓷灌水器的出流机理,确定了其田间应用关键技术参数,并综合评价了微孔陶瓷根灌技术的节水增产效果,初步得出如下结论:（1）研发出2种制备微孔陶瓷灌水器的材料配方,开发出3种不同结构形式的微孔陶瓷灌水器以粘土为主要原料,硅藻土（最佳掺量为15%）为造孔剂,硫酸钙为性能改良剂,硅溶胶为黏结剂,采用模压-烧结法（最佳烧结温度为1075℃）制备了粘土基微孔陶瓷;以石英砂（适宜粒径为38-75μm）为主要原料,糊精为造孔剂,滑石粉为性能改良剂,硅溶胶为黏结剂,采用模压-烧结法（最佳烧结温度为1200℃）制备了砂基微孔陶瓷。针对不同水质,满足不同作物需水要求,开发了旁通式、管间式微孔陶瓷灌水器和微孔陶瓷贴片式地下滴灌管。旁通式微孔陶瓷灌水器在0.2 m工作压力下流量为0.72 L/h,性能优良。管间式微孔陶瓷灌水器在0.2-0.5 m工作压力下流量为0.02-0.09L/h（通过改变石英砂粒径可以调节其流量）,制造偏差小,便于冲洗。微孔陶瓷贴片式地
下滴灌管在0.5 m工作压力下流量为0.07-0.18 L/h（通过改变微孔陶瓷材质可以调节其流量）,制造简便。（2）建立了微孔陶瓷灌水器出流过程模型,阐明了负压、无压和微压条件下灌水器出流机理以旁通式微孔陶瓷灌水器为例,通过理论分析和试验验证,构建了微孔陶瓷灌水器3阶段出流模型:一是基质势作用阶段（负压无压条件下仅有此阶段）,灌水器流量逐渐下降至设计流量（设计工作压力下空气中出流量）,灌水器出流量和土壤含水率之间存在耦合关系,在土壤水分耗散时,灌水器出流会自动补充土壤水分,土壤水分耗散量与灌水器出流量基本相当;二是压力势作用阶段,灌水器流量继续下降至稳定流量,流量下降的主要原因是饱和区域面积的增加;三是稳定出流阶段,灌水器流量维持稳定。以上述出流模型为基础,结合土壤水动力学,进一步揭示了微孔陶瓷灌水器出流机理:出流源动力为灌水器内外水势差（内部:工作压力,外部:土壤水势）,灌水器流量变化的直接原因是土壤水势,根本原因是土壤含水率和饱和区域面积。因此灌水器可根据土壤水分状况自动调节出流量,根据作物需求实时补充土壤水分,达到连续、主动灌溉的目的。（3）提出了微孔陶瓷灌水器应用参数确定方法,并针对不同土壤质地初步确定了蔬菜和林果灌溉技术参数采用数值模拟和试验研究相结合的方法,依据土壤水分运动规律,结合作物根系分布特征,满足作物需水要求,考虑深层渗漏风险,提出了微孔陶瓷灌水器应用参数确定方法。针对砂土、壤土、粘土和砂质黏壤土等
4种代表性土壤,初步确定了果树（苹果）和蔬菜（番茄和黄瓜）的灌溉技术参数（工作压力、设计流量和埋深）。对于苹果:砂质粘壤土中陶瓷灌水器适宜工作压力、设计流量和埋深分别为40-50 cm、1.16-1.20 L h<sup>-1</sup>和25 cm;壤土中分别为20-50 cm、0.72-0.98 L h<sup>-1</sup>和45 cm;粉质粘壤土中分别为40-50 cm、1.79-2.08 L h<sup>-1</sup>和45 cm;由于深层渗漏风险较大,在砂土中不建议使用陶瓷灌水器。对于番茄、黄瓜:砂质粘壤土中陶瓷灌水器适宜工作压力、设计流量和埋深分别为0 cm、0 L h<sup>-1</sup>和25 cm;壤土中分别为0 cm、0 L h<sup>-1</sup>和15 cm;粘土中分别为10 cm、0.006 L h<sup>-1</sup>和25 cm;砂土中分别为0-20 cm、0-0.03 L h<sup>-1</sup>和15 cm。（4）构建了微孔陶瓷根灌系统,并在田间进行了初步应用以开发的旁通式、管间式和贴片式微孔陶瓷灌水器为核心,构建了微孔陶瓷根灌技术系统,并将其在黄土高原山地苹果中进行了初步应用。结果表明:在灌水量基本一致时（陶瓷根灌:93.2 mm;地下滴灌:94.5 mm）,相比地下滴灌,陶瓷根灌可使苹果树新梢长度增加15.9%,产量提高7.6%,水分利用效率提升10.1%。按照2017、2018年当地苹果平均收购价（3.0元/斤）,可使农民年增收709元/亩。
