【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。
2.2.2 痕量灌溉的灌水器没有比地下滴灌灌水器有更多的功能
靠什么来实现自适应灌溉？文献[3]认为：“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，痕灌灌水器出水口的毛细管束结构正是利用了这一原理（笔者注：指毛细管现象）达到作物需水触动式自适应自由供水效果的”。对此，笔者不能认同。
1）本文第2.1 节已经阐明了毛细管现象与毛细管力的基本特征，灌水器中的毛细管力很小且仅在数秒钟内存在，对灌水器出水的作用基本可以忽略。尤其是哈密试点，其灌水器出口向下，痕灌管进口水头为5～10 m，水压力才是其出流的动力。文献[3]的观点，源自对毛细管现象与毛细管力的错误认识。
既然出流状况下没有毛细管力，内装纤维束的痕灌控水头只是滴头的一种结构形式，它与其他结构形式的滴头相同，水力性能遵循：
Q=AHx （3）
式中：Q 为滴头流量；A 为系数；H 为滴头进出口的水头差；x 为水头指数。痕灌灌水器与地下滴灌任何结构形式的滴头相比，没有任何新的功能；靠它来实现最高境界的“自适应灌溉”，毫无依据。
2）关于“需水触动”，笔者的理解是：当作物需水而供水不足时，土壤会出现某种程度的干旱表达，埋设在土壤中的张力计会显示出负压值；这个负压值假定会传递到灌水器出口，从而使灌水器的流量发生变化，土壤越干旱，即土水势的负压绝对值越大，灌水器流量也将越大。
如上所述，包括痕灌灌水器在内的所有滴头，其水力性能均可由式（3）来表达；地表滴头出口为大气（压强为0），故H 即为滴头进口水头；地下滴灌的出口在土壤中，出口可为正压或零压。笔者于70 年代末在山西阳城上李村田间测到地下滴头出口有0.8 m 水头，原因在于滴头流量太大（4 L/h），超过了土壤的水分扩散能力，导致滴头出口处水压增高，既减小滴头流量，又增大土壤水分扩散能力，以达平衡。如果滴头流量小于土壤水分的扩散能力，那么滴头出口就是零压；美国堪萨斯州地下滴灌面积大、应用时间长，所用滴头的流量多在1 L/h以下（目前最小的为0.5 L/h），就没有发现过地下出流与地面出流的滴头流量有何不同。滴头出口如果为负压，文献[2]是指干旱条件下土壤的张力或作物根系的吸力所致；对此需要进一步讨论。
其一，如果滴头出口有负压，由式（3）可见，H 将增大，从而导致滴头流量增大，这可能就是文献[2]所说的“可以感知土壤水势变化”。然而，这不是痕灌灌水器所专有，也不是纤维束结构滴头所特有，而是地下滴头共有的水力性能。
其二，文献[2]没有说明土壤水势变化，是由什么指标来实现灌水器“感知”的。负土水势和张力计所测负压，仅表示土壤在该含水量时作物吸水的难易程度，并不表示土壤中有与其相等的负压存在；若将真空压力表测压口插入土壤中，是测不到负压值的。因此“痕量灌溉”提出者应说明纤维束出口是通过什么指标来“感知土壤的水势变化”；该不会是把土水势与土壤中的负压等同吧！
其三，即使灌水器出口能“感知”土水势，一旦滴头连续出水，滴头出口处土壤很快饱和，土水势迅速升高并趋于零，尽管作物尚未吸足水，滴头流量也会很快减小；靠灌水器“感知”土水势，也不可能实现实时地按照作物需水规律供水。
最后，文献[3]在自适应论述中还认为：“……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。”就是说：此时虽然痕灌系统并未关闭，痕灌灌水器将自动停止出水；但这更是不可能的。因为只要灌溉系统不关闭，痕灌系统内的重力与压力仍在，灌水器还将遵循式（3）继续工作。除满足作物耗水外，灌水的去向还可以为深层渗漏、地面积水蒸发及径流损失。
2.2.3 已有试验资料不支持痕量灌溉实现了“自适应灌溉”
专业从事痕灌技术理论研究、产品与技术开发、工程设计及施工的北京普泉科技有限公司已成立10 a，痕量灌溉技术试点范围已扩展到10 省（区、市）[2]，发表了一批试点的技术论文；很遗憾，没有看到有支撑其具有“自适应灌溉”功能的试验资料。
痕灌系统如果能够做到实时地按照作物需水规律来供水的“自适应灌溉”，在极端干旱区（如哈密）灌水流量时程线应该与作物耗水强度时程线基本一致。比如，作物在白天和晚上、冬天和盛夏耗水强度会有很大差别，那么这种差别应该在灌水器流量的日和月时程线上得到反映。新疆水利水电科学研究院的报告[2]中，提供了2014年在哈密市节水实验中心枣园内测得的痕量灌溉滴头流量日变化图（见图3），可以看出：测试时间段（12 h）内滴头流量的变化不超过7%，尤其是处理2 滴头流量白天平稳，21:00 左右达最大，这与作物耗水规律不符；报告认为：“从日变化图上看，不同处理的流量在日内各时刻均较稳定，基本不受作物蒸腾变化的影响[2]”；不支持痕量灌溉能实现“自适应灌溉”。
再者，目前只有痕量灌溉自称可做到“出水量可以和植物的需水量相匹配”[2]；若果真如此，痕灌作物吸水所耗能量最小，有利于作物高产。但文献[5]提供的温室草酶产量痕灌低于滴灌的资料，也不支持痕灌实现了“自适应灌溉”。
痕量灌溉与地下滴灌的滴头埋深基本一致，土壤及作物对水分运移的影响也相同；已经实践了30 多年的地下滴灌，没有数据证明其实现了灌水的“自适应”。痕量灌溉只是换用了3～5 mm 长微米级纤维束的灌水器，就认为可实现“自适应灌溉”，很可能是理论认识上的错误。
2.3 关于滴头堵塞
从文献[2-3]所述解决了地下小流量灌溉堵塞问题的论述中表明，相关作者对微灌堵塞问题的了解并不深入。
从过滤的角度看，微灌系统采用集中过滤（过滤器），过滤元件可冲洗与更换；故只存在滴头堵塞问题。痕灌系统将过滤分散到每个灌水器的进口，失去了冲洗与更换的条件；因此存在着滤膜和纤维束间隙流道二处的堵塞问题。
2.3.1 如何理解ISO“短周期堵塞测试程序”的试验结果2013 年北京普泉公司将痕灌控水头送中国农业大学做短周期（8 h）滴头堵塞检测，“检测结果表明随着泥沙浓度加大，滴灌对照流量逐渐下降，在第4 阶段之后发生堵塞，而痕量灌溉在整个试验过程中无堵塞发生。
由此可见痕量灌溉具有很好的抗堵性”[2]。笔者认为：这是对试验结果的错误解读。
1）ISO 标准草案规定“短周期堵塞测试程序”的测试目的为：“这种测试方法主要用来测试滴头让某尺寸粒径的固体颗粒通过或阻止其通过的能力，着眼于了解滴头内部最小的过流尺寸，以及建立对过滤系统尺寸要求的指导”。可见，它不是用来评价灌水器抗堵塞性能的依据。测试中被测滴头上游不装过滤器，泥沙将全部通过被测滴头流道，滴头处于完全不设防（非工作）状态；痕灌把过滤设在灌水器进口并与控水头成为一体，试验中痕灌控水头处于全设防（正常工作）状态，只有通过滤膜的颗粒才通过纤维束间流道；对照双方的工作状态完全不对等。以此来评判[2]抗堵性能谁优谁劣，完全没有说服力；也就是说痕灌控水头做此对比测试毫无意义。
2）如果把滤膜去除，使其也处于不设防（非工作）状态再行测试，最先堵塞的一定是痕灌控水头。当然，也不应由此得出痕灌灌水器抗堵塞性能最差的结论。
3）文献[2]公布的短周期堵塞测试结果见图4，可以看到：随试验阶段的进展，滴头的流量是渐减的，而痕灌控水头的流量却是渐增的。流量渐减是正常的，渐增却是异常的；只有流道断面积在逐渐增大，才可能出现流量递增的结果。那么什么情况下流道断面积会增大？
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