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第 28 卷第 1 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.1 2012 年1 月Transactions of the CSAEJan. 2012123 极端干旱区漏斗状塑料瓶的节水栽培性能 曹林涛 1,高 斌1,2,王前道2,曹亦斌2 (1. 襄樊学院建筑工程学院,襄阳 441053;2. 襄阳市市政工程总公司,襄阳 441000) 摘要:为解决缺水高渗透地区新栽植物难以存活问题,该文通过室内实验与现场试验研究了塑料瓶的节水栽培性能。 室内模拟不同的水分散失条件,连续多日定时测试塑料瓶内砂土的含水量,回归分析剩余含水量随时间的变化函数。结 果表明:温度越高,水分散失速度越大;由饱和含水量至萎蔫含水量,在室温(221)下可以间隔 9 d 浇水 1 次;漏 斗状比直筒状瓶有利于延迟水分渗透;砂粒与有机肥比黏粒有利于锁住水分,可用以调节水分散失速度。现场栽植试验 (有瓶与无瓶)比较亦证实该方法的有效性。由于漏斗状塑料瓶具有留存水流与延迟渗透的节水功效,有利于缺水或高 渗透地区草、灌木植物的栽培。 关键词:节水,土壤含水率,渗透,节水栽培,塑料瓶,漏斗状 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.01.023 中图分类号:S275文献标志码:A文章编号:1002-6819(2012)-01-0123-04 曹林涛,高斌,王前道,等. 极端干旱区漏斗状塑料瓶的节水栽培性能J. 农业工程学报,2012,28(1):123126. Cao Lintao, Gao Bin, Wang Qiandao, et al. Performance of funnel- shaped plastic bottle for water saving cultivation in extreme arid regionJ. Transactions of the CSAE, 2012, 28(1): 123126. (in Chinese with English abstract) 0引言 位于内蒙古中西部的北疆大部分地区降雨稀少,浅 薄的草场覆盖地表,风起扬尘;位于黄河河套地区的毛 乌素砂地,虽然降雨充沛,但是渗透量大无法存水,公 路新创边坡难以绿化,新栽乔木亦难以存活。无论草场 或砂地,在地表附近较长时间地保存水分是采用植被固 沙、防治沙尘暴的关键。内蒙古早期修建高速公路,中 央分隔带也曾采用耐旱的刺柏,但是多数以枯萎告终。 北疆缺水城镇依靠反复间歇式浇水维持绿意;在居民集 中区及河湖边缘之外,基本见不到林地,既有草场也呈 退化之势1- 2。 这客观上要求更加节水的灌溉技术。 喷嘴3- 4、 灌溉制度5或控制系统6- 10等以减少浇水量实现节水目 的,无法解决环根系四周对水分的收集与留存,也就无 法通过“保存水分”实现节水目的。地下滴灌11- 12由于 较少的地表蒸发与深层渗漏,将成为节水灌溉的极佳途 径。受地下滴灌技术、垂直线源灌13以及采用地下塑胶 瓶培养植物14的启发,本文研究了以漏斗状塑料瓶为节 水栽植技术的节水性能。该技术材料来源广泛并且技术 简单,将有助于缺水或高渗透地区的植被恢复。 1材料与方法 1.1试验材料 取废弃的矿泉水瓶若干备用;典型特征是等周长的 柱状瓶身以及缩短周长的锥型端。本研究采用的矿泉水 瓶,总高约 15 cm,瓶体直径约 6 cm,瓶口直径约 2 cm。 收稿日期:2010- 12- 08修订日期:2011- 12- 09 作者简介:曹林涛(1978) ,男,湖北谷城人,博士,讲师。主要从事道 路工程研究。湖北省襄阳市隆中路 296 号建筑工程学院。 Email:30caolintao 取汉江襄阳段河砂(细度模数 2.39)代替毛乌素砂 地的风积砂,取河砂若干与襄樊学院校园内黏土(黏粒 80%,粉粒 20%)进行混合代替草原上的高渗透性砂土。 定义含砂率为干燥的砂占砂土总质量的百分数。河砂与 黏土混合配制成不同含砂率的砂土;均用自来水浸润, 以无自由水流出且手抓成团为宜。 1.2试样处理 塑料瓶初加工:齐根部切割去瓶底,拧松瓶盖,倒 立即呈漏斗状;瓶底与锥型瓶顶均切割掉,即呈直筒状。 漏斗效果检验:倒立塑料瓶,待向其内部灌水后,水滴 可以从松开的瓶口端成分离的珠状滴落而下。如此,埋 置漏斗状塑料瓶于土壤中则成为地下滴漏装置。 塑料瓶再加工:在瓶体近锥型端中下部(即瓶高 1/4 位置)用“十字锥”(外径 6 mm)沿水平轴线对称刺穿 瓶壁留下 4 个透气孔。刺穿时不仅留下内凹的圆孔,而 且在瓶壁上留下切痕,可便于根系向外侧扩张。 1.3试验方法 本研究以室内试验为主,辅以现场验证试验。室 内试验采用单因素分析,分别考虑温度、瓶体形状、 含砂率等对瓶内砂土含水量的影响。具体温度影响的 实验条件:含砂率固定为 70%,初始含水率包括 14% 和 19%,比对温度包括室温(221)与高温(烘箱 设定为(281))。瓶体形状的试验条件:含砂率为 70%,初始含水率为 14%,比对形状包括漏斗状与直 筒状。含砂率影响的实验条件:实验温度高温(烘箱 设定为(281),比对含砂率包括取 70%、80% 和 90%。每个条件下采用 5 个实验瓶,实验瓶容量基 本在 400 mL 左右。 试验步骤如下:首先对砂土进行初始饱水,测试初 始含水率;其次把初始饱水的砂土装入倒立的塑料瓶 农业工程学报2012 年 124 内,部分加入 20%质量分数的干燥鸡粪作为有肥砂土; 然后保持倒立状并固定塑料瓶于水平托盘上;继而连同 托盘移入已经调好温度的烘箱或无干扰房间;最后定时 逐日由瓶体中部取样,移入土盒中,并采用烘干法测试 其含水率15。 现场验证试验分别在毛乌素砂地的图克镇和赛白高 速沿线草场上进行。分别考虑草、灌木的瓶内栽培以及 灌木的瓶外栽培,用于检验该节水栽植方法的实际可行 性。由于现场不便于条件控制,均采用塑料瓶栽植与无 瓶栽植对比进行。 1.4数据处理 根据逐日记录的含水量情况,回归分析含水量与时 间(以天计)的函数。定义散失梯度为含水量随时间的 衰减速度,在含水量与时间的直线函数曲线上,表现为 斜率。 2结果与分析 2.1不同温度下的水分散失速度 在含沙率一定条件下取 2 个不同初始含水率,分别 在室温和烘箱控温条件下,进行漏斗状塑料瓶内含水量 随时间蒸发的观测,测试结果见图 1。结果发现:随蒸发 时间的延长,含水量逐渐降低;在室温条件下,降低一 半含水量大致耗时 6 d;在较高的温度条件下,降低一半 含水量约耗时 3 d。这说明,温度越高,水分蒸发散失的 越快。对实验数据回归分析,可以得出剩余含水量与时 间的函数以指数型最佳,但拟合为直线更为直观,见图 1;含水量与时间的函数见式(1)与式(2)。 室温下: W=- 1.42t+17.81,R2=0.92(1) 烘箱下: W=- 1.84t+13.56,R2=0.96(2) 式中,W 表示含水率,%;t 表示时间,d。 比较 2 条直线的斜率(即上述函数中自变量的系数) 可以发现,在较高温度下,土壤水分散失梯度大。这是 因为高温更加有利于水分的蒸发,这与实际一致。正是 如此,瓶身预留的侧向透气孔有助于塑料瓶内散热,并 减少蒸发。 图 1塑料瓶内砂土不同温度下水分散失 Fig.1Soil water loss in plastic bottle under different temperatures 根据资料16,取萎蔫含水率为 5%。以萎蔫含水率为 临界补偿浇水条件,根据式(1)与式(2)提供的漏斗 状塑料瓶内含水量的衰减曲线,计算可以得出:在含砂 率为 70%时,在室温下可以间隔 9 d 饱和浇水 1 次,在较 高温度下可以间隔 5 d 饱和浇水 1 次。这将有效提高水分 的利用率,减少浇水频率,并避免地下深层渗漏的浪费, 实现节水培养植物的目的。 2.2塑料瓶形状对水分散失的影响 漏斗状与直筒状渗透体的对比试验在烘箱中控温进 行,图 2 展示了不同渗透体形状下水分散失的过程,其 中直线表示萎蔫含水率线。对试验数据回归可得出直筒 状在较高温度下的水分散失函数,见式(3)。漏斗状的 见式(2)。 直筒状: W=- 2.15t+10.68,R2=0.78(3) 比较发现:直筒状水分散失速度大于漏斗状。当 渗透体为直筒状时,含水量降低一半约耗时 1 d,降低 至萎蔫含水量约耗时 1.5 d;然当渗透体为漏斗状时, 分别耗时 3 和 5 d。很明显,倒立塑料瓶呈漏斗状有助 于锁住水分,减缓水分渗透速度,延长水分渗透时间。 这是由于漏斗状渗透体比直筒状渗透体具有更小的渗 透面积,从而延迟渗透速度。这将有利于植物根茎持 续地获得水分补充,从而减少有限水分的深层下渗与 浪费。 图 2烘箱中不同形状塑料瓶内砂土水分散失过程 Fig.2Soil water loss in different type bottles in oven 2.3填充物对水分散失的影响 定义剩余含水率为蒸发后残余的含水率。图 3 给出 了不同含砂率下砂土内水分随蒸发时间的变化。结果发 现:随含砂率增大,剩余含水量趋于增大。图 3 也给出 了 80%含砂率下有肥砂土与无肥砂土对比,可以发现: 添加有机肥后,剩余含水量不仅在绝对数量上增大,而 且在衰减速度上趋于降低。2 个因素可解释该结果。其 一,有机肥的孔隙比砂粒丰富,砂粒孔隙比黏土丰富, 因此有机肥与砂粒更容易留存水分;其二,相对细长的 瓶身,塑料瓶的蒸发面积狭小且固定,初始留存水分越 多越不利于后期蒸发散失。这说明:改变填充物的多孔 特征有助于改变渗透性,同时可以借助砂粒与有机肥改 变填充物的孔隙特征。 第 1 期曹林涛等:极端干旱区漏斗状塑料瓶的节水栽培性能 125 图 3烘箱中不同填充物的水分散失过程 Fig.3Water loss of different filling matters in oven 3野外验证 3.1瓶内栽植 把 10 株沙柳幼苗分组,其中 5 株植入装填风积砂土 的 5 个漏斗状塑料瓶内并用水饱和,然后埋置于毛乌素 砂地的风积砂中;另 5 株采用无瓶栽植,直接埋入风积 砂中,并用水浇透砂地至塑料瓶等高的深度。无瓶栽植 区与有瓶栽植区间距 2 m,每区内部植株间距 0.5 m。时 值 2010 年 7 月,砂地白天气温在 25左右。栽植后不再 人工补充浇水,6 d 后与半月后均有一次自然降水。跟踪 观测发现:1 d 后,沙柳苗均萎蔫;3 d 后,有瓶栽植区 多数返青,无瓶栽植区仅少量返青;1 周后,有瓶栽植区 地表部分仅少量枯干,无瓶栽植区地表部分几乎全部枯 干;1 月后,无瓶栽植区得根茎均枯干,但有瓶栽植区多 数根茎鲜活,并有根系扩展。 3.2瓶外栽植 把 10 株沙柳幼苗分组栽植于草场上,植株间距 0.5 m。其中 5 株在树穴内有塑料瓶环绕四周;具体操作 如下:以灌木植株为中心,以 15 cm 为半径画圆,在圆 周的 4 分点埋置 4 个可透气的漏斗状塑料瓶。瓶内用当 地砂土填充,并用水饱和。另外 5 株则没有塑料瓶环绕。 用水浇透无瓶栽植区的砂地至塑料瓶等高的深度。首次 浇水或饱水后,不再人工补水,仅依靠自然降水。观测 发现:2 d 后,沙柳枝稍呈现枯干;6 d 后,塑料瓶内水 分有所散失,仅有瓶环绕的沙柳返青;1 月后,无瓶环绕 的沙柳根茎多数枯干,但有瓶环绕的沙柳根茎依然鲜 活,同时塑料瓶漏斗底儿依然湿润。 3.3适用性分析 野外栽植试验证明:漏斗状塑料瓶通过瓶体约束水 分于根茎四周,延迟了水分渗透,可以减少浇水频率, 提高初始水分利用效率;塑料瓶还可以把自然降水留存 在根茎附近,延长自然降水的利用率,有利于延长根茎 寿命;如果自然降雨间隔较长,需要向塑料瓶内人工补 充水分,以应对蒸发损失。 矿泉水瓶,绿茶瓶等各式废弃塑料瓶,大多具有“肚 大口小”的特征,倒立后均可呈现漏斗状,瓶体的容积 可以积存水分。沿瓶身用十字锥刺出的透气孔,不仅实 现透气,水分的迁移,而且便于根系的扩展。本技术, 材料来源广泛,加工手段简单,栽植技术简单,易于推 广。有望为缺水或高渗透地区的植被恢复提供新路径。 4结论 1)温度对塑料瓶内砂土(含砂率 70%)水分的散失 影响较大。随环境温度的升高,水分散失速度加大。在 室温(22)左右,塑料瓶内砂土由饱和含水率降低至 萎蔫含水率大约需要 9 d,在较高温度(28)下,大约 需要 5 d。 2)塑料瓶形状对渗透速度影响显著。漏斗状渗透口 凭借减少的渗透面积,降低水分散失速度,比直筒状渗 透口更加利于节水。 3)塑料瓶内充填物的孔隙对水分散失有一定影响。 多孔物质更加有利于锁住水分,延迟补偿浇水;根据植 被需要,利用砂、有机肥等多孔物质可以调节瓶内砂土 的渗透性能。 4)现场有瓶栽植与无瓶栽植的对比试验说明漏斗状 塑料瓶节水栽植的可行性。不论是瓶内栽植还是瓶外栽 植,塑料瓶均可以积存水流,延迟渗透,提高水分利用 效率,延长补水间隔。该方法材料来源广泛、加工手段 简单,适用于缺水或高渗透地区的植被恢复。 参考文献 1玛尔塔,戴维,佟绍敏,等. 内蒙古东部草场的现状和责 任制下将来管理的意义J. 内蒙古草业, 2001(1): 4850. Martha, David, Tong Shaomin, et al. State of easter Inner Mongolia grassland and significance of future management under the responsibility systemJ. Inner Mongolia Grassland, 2001(1): 4850. (in Chinese with English abstract) 2邹亚荣,张增祥,赵晓丽,等. GIS 支持下内蒙古草场动 态变化及其环境背景分析J. 遥感技术与应用,2002, 17(10):250254. Zou Yarong, Zhang Zengxiang, Zhao Xiaoli, et al. Analysis on grassland dynamics and its environment background in based on digital platform in case of Inner MongoliaJ. Remote Sensing Technology and Application, 2002, 17(10): 250254. (in Chinese with English abstract) 3Ohayon,Shalom.Automaticadjustablesprinklerfor precision irrigationP. US: 6079637, 2000- 06- 27. 4刘俊萍,袁寿其,李红,等. 摇臂式喷头组合喷洒均匀性 的改进J. 农业工程学报,2011,27(7):107111. LiuJunping,YuanShouqi, Li Hong, et al. Combinationuniformity improvement of impact sprinklerJ. Transactions of the CSAE, 2011,27(7):107111.(inChinesewithEnglishabstract) 5刘广明,杨劲松,姜艳,等. 基于控制灌溉理论的水稻优 化灌溉制度研究J. 农业工程学报,2005,21(5):2933. Liu Guangming, Yang Jinsong, Jiang Yan, et al. Optimized rice irrigation schedule based on controlling irrigation theoryJ. Transactions of the CSAE, 2005, 21(5): 2933. (in Chinese with English abstract) 6纪晓华,汤方平. 灌区灌溉自动化监控系统的设计与研究 J. 灌溉排水,2002,21(4):2527. 农业工程学报2012 年 126 Ji Xiaohua, Tang Fangping. An Auto- monitoring system for automatic water management in irrigation areaJ. Irrigation and Drainage, 2002, 21(4): 2527. (in Chinese with English abstract) 7匡秋明,赵燕东,白陈祥. 节水灌溉自动控制系统的研究 J. 农业工程学报,2007,23(6):136139. Kuang Qiuming, Zhao Yandong, Bai Chenxiang. Automatic monitor and control system of water saving irrigationJ. Transactions of the CSAE, 2007, 23(6): 136139. (in Chinese with English abstract) 8甘露萍,谭雪松,张黎骅. 基于太阳能和自制土壤湿度传感 器的自动灌溉控制系统J. 节水灌溉,2009(11):3133. GanLuping,TanXuesong,ZhangLihua.Automatic irrigation controlling system based on solar energy and self- design soil humidity sensorJ. Water Saving Irrigation, 2009(11): 3133. (in Chinese with English abstract) 9康立军,张仁陟,吴丽丽,等. 节水灌溉联动控制系统J. 农业工程学报,2011,27(8):232236. Kang Lijun, Zhang Renzhi, Wull Lili, et al. Linkage control system of water- saving irrigationJ. Transactions of the CSAE, 2011, 27(8): 232236. (in Chinese with English abstract) 10 匡迎春,沈岳,段建南,等. 模糊控制在水稻节水灌溉中 的应用J. 农业工程学报,2011,27(4):1821. Kuang Yingchun, Shen Yue, Duan Jiannan, et al. Application of fuzzy control to automatic water- saving irrigation of riceJ. Transactions of the CSAE, 2011, 27(4): 1821. (in Chinese with English abstract) 11 仵峰,范永申,李辉,等. 地下滴灌灌水器堵塞研究J. 农业工程学报,2004,20(1):8083. Wu Feng, Fan Yongshen, Li Hui, et al. Clogging of emitter in subsurface drip irrigation systemJ. Transactions of the CSAE, 2004, 20(1): 8083. (in Chinese with English abstract) 12 朱连勇, 崔春亮. 浅谈地下滴灌的堵塞问题及处理方法J. 水土保持研究,2005,12(2):111112. Zhu Liangyong, Cui Cunliang. Discussion on problem of block- up in drip irrigation underground and its treatmentJ. Research of Soil and Water Conservation, 2005, 12(2): 111 112. (in Chinese with English abstract) 13 陈慧娟,王全久,白云岗,等. 垂直线源灌线源长度对湿 润体特性的影响J. 农业工程学报,2010,26(6):3237. Cheng Huijuan, Wang Quanjiu, Bai Yungang, et al. Influence of line source length of vertical line source irrigation on wetted soil change characteristicsJ. Transactions of the CSAE, 2010, 26(6): 3237. (in Chinese with English abstract) 14 襄樊学院. 用于培养草、灌植物的塑胶瓶P. 中国专 利: CN201911105U, 2011- 08- 03. 15 JTG E40- 2007. 公路土工试验规程S. 16 熊亚兰,魏朝富. 坡面土壤水分特性的空间变异及其水库 储量J. 水土保持学报,2005,19(1):136139. Xiong Yalan, Wei Chaofu. Spatial variability of soil water properties and its volumetric capacity in hill slopeJ. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(1): 136139. (in Chinese with English abstract) Performance of funnel- shaped plastic bottle for water saving cultivation in extreme arid region Cao Lintao1, Gao Bin1,2, Wang Qiandao2, Cao Yibin2 (1. School of Engineering and Architecture, Xiangfan University, Xiangyang 441053, China; 2. Xiangyang Municipal Engineering General Corporation, Xiangyang 441000, China) Abstract: In order to resolve the plants survival difficulty in high permeability or water- shortage area, the water- saving cultivation by funnel- shaped plastic bottle was studied through laboratory and field tests. Different water losing conditions were simulated in the laborat

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