龍懷玉，張懷志，岳現(xiàn)錄，張認(rèn)連

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

0 引 言

負(fù)壓灌溉（negative pressure irrigation，NPI）是近十多年來在中國比較受關(guān)注的一種灌溉技術(shù)。它通過土壤水分吸力和植物蒸騰耗水實現(xiàn)了植物對水分的精準(zhǔn)、連續(xù)和自動獲取，能可靠地根據(jù)作物自身需水要求進(jìn)行土壤水分補充，極大地提高了灌溉效率和水分生產(chǎn)率[1]。負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中負(fù)壓的形成與持續(xù)存在是負(fù)壓灌溉的基礎(chǔ)。盡管負(fù)壓灌溉系統(tǒng)有多種形式，但在整個系統(tǒng)中一定有一個維持系統(tǒng)負(fù)壓的裝置，從文獻(xiàn)來看，現(xiàn)有的負(fù)壓維持方法與裝置大體上有5種。1）懸掛水柱法，即將水源置于一個比灌水器低的位置，兩者的高度差即為所需要的負(fù)壓，不存在獨立的負(fù)壓維持器，由灌水器和儲水器構(gòu)成一個虛擬的負(fù)壓發(fā)生器。在早期的負(fù)壓灌溉研究以及在實驗室土柱模擬研究中，基本上都是采用懸掛水柱法[2-10]，該法的最大優(yōu)點就是簡單，但其缺點也是顯著的，因為要將水源置于灌水器的下方，在實際生產(chǎn)中需要將灌溉水儲藏到生長作物的地面以下，很不方便。更為不利的是，在負(fù)壓狀態(tài)下，溶解在水中的空氣會溢出，積累到一定量了，會形成氣泡滯留在輸水管的上部，阻斷連續(xù)的水流，致使灌水停止。2）負(fù)壓泵持續(xù)抽氣法，Lipiec等[11]、Iwama等[12]為了排除空氣溢出、導(dǎo)致負(fù)壓灌溉水流中斷的情況，采用負(fù)壓泵持續(xù)抽氣、并保持灌溉水循環(huán)的方法維持負(fù)壓，這種方法需要額外的動力，而且負(fù)壓值容易受循環(huán)泵的影響，在實際生產(chǎn)中是難以運用的，很少看到采用這種方法的研究文獻(xiàn)，僅看到Moniruzzaman等[13-14]運用這種方法研究了負(fù)壓灌溉下的土壤水分平衡，建立了不同負(fù)壓下土壤水分儲量、蒸發(fā)量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?）水柱調(diào)壓法，耿偉等[15-16]設(shè)計了水柱調(diào)壓法，并被許高平等[17]、冀榮華等[18]所采用。4）爬升水柱調(diào)壓法，鄒朝望等[19]、李邵等[20]設(shè)計了“爬升水柱負(fù)壓控制裝置”，這種方法不同于水柱法的地方在于，水柱不僅用來控壓，而且也用來供水，這種方法被不少研究者所采用[21-24]。水柱法、爬升水柱法簡單可靠，但是體積龐大，不利于在田間實際使用。5）電磁閥開關(guān)法，劉學(xué)勇等[25]利用數(shù)字壓力開關(guān)與電磁閥的組合來控制負(fù)壓，此后不少研究者[26-30]也采用了電磁開關(guān)法，該法的優(yōu)點是精準(zhǔn)度高、能夠動態(tài)監(jiān)測、體積小、質(zhì)量輕，但是需要電源，需要價格昂貴的數(shù)字壓力開關(guān)和電池閥，而且特別容易發(fā)生故障，特別是在雷雨天氣下。

從以上闡述中，可以看出：目前負(fù)壓灌溉的負(fù)壓維持器，各有優(yōu)點，也均有比較明顯的缺點。懸掛水柱法需要將水源置于灌水器的下方，而且容易被從灌溉水中溢出的空氣阻斷灌溉水流。負(fù)壓泵循環(huán)法需要額外的動力，而且負(fù)壓值容易受循環(huán)泵的影響。水柱調(diào)壓法、爬升水柱法的設(shè)備體積龐大。電磁閥法需要電源和價格昂貴的數(shù)字壓力開關(guān)和電池閥，并且容易出故障。為了促進(jìn)負(fù)壓灌溉技術(shù)實用化，使其能夠得到大面積使用，就必須要克服現(xiàn)有負(fù)壓維持方法存在的以上缺點，研制出操作簡單、精確度可靠、成本低、體積小巧的負(fù)壓維持器。因此，本文在分析負(fù)壓灌溉的負(fù)壓過程的基礎(chǔ)上，介紹了課題組近年來研制的重液式負(fù)壓閥，該負(fù)壓閥在科研和實際中運用了近4 a，能克服現(xiàn)有方法缺點、體積小、質(zhì)量輕、無能耗、易于動態(tài)監(jiān)測。

1 重液式負(fù)壓閥的設(shè)計

1.1 科學(xué)依據(jù)

在負(fù)壓灌溉中，灌溉水變成土壤水的基本過程是：生長在水分不飽和的土壤中的作物蒸散耗水導(dǎo)致土壤含水量減少、土壤水勢降低，使得土壤水分吸力大于滲水器內(nèi)的負(fù)壓吸力，負(fù)壓灌水器中的灌溉水被土壤吸引到土壤中而變成土壤水，由于水分流向了土壤，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中空氣的體積變大、氣壓變小，使得負(fù)壓灌溉系統(tǒng)內(nèi)部的總壓強小于外界大氣壓，這就是所謂的負(fù)壓。隨著土壤水吸收水分過程的持續(xù)進(jìn)行，這個負(fù)壓值越來越大，直到達(dá)到所設(shè)置的負(fù)壓值，負(fù)壓維持器開始發(fā)生作用，讓外界空氣或者灌溉水進(jìn)入負(fù)壓灌溉系統(tǒng)，阻止了負(fù)壓值進(jìn)一步擴大。可見，負(fù)壓灌溉中的所謂負(fù)壓是由于土壤吸水而產(chǎn)生的，土壤吸水過程是個逐漸過程，因此負(fù)壓形成與變大也是逐漸過程。而且只要土壤蒸發(fā)、作物蒸騰作用存在，這個負(fù)壓發(fā)生過程就會持續(xù)進(jìn)行下去。總之，負(fù)壓灌溉中的負(fù)壓是由于土壤吸水而產(chǎn)生的，是緩慢的持續(xù)的單向過程。因此所謂的負(fù)壓維持器，其實是負(fù)壓限制器，其作用是限制負(fù)壓不進(jìn)一步擴大，使得系統(tǒng)的負(fù)壓度小于或等于某個值，在負(fù)壓灌溉系統(tǒng)運行的大部分時間里，負(fù)壓維持器處于非運動狀態(tài)或是緩慢運動狀態(tài)。因此理論上可以用液體的靜壓力來維持負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中的負(fù)壓，根據(jù)基礎(chǔ)物理學(xué)可知，任何液體都有靜壓力，文獻(xiàn)中所采用的懸掛水柱法、水柱調(diào)壓法、爬升水柱調(diào)壓法，其實就利用水的靜壓力來維持負(fù)壓的。液體靜壓力可以通過其高度和密度準(zhǔn)確計算，比如1 mm水銀柱的靜壓力是0.133 kPa，水銀柱的高度用肉眼觀測均能準(zhǔn)確到毫米，同時在負(fù)壓灌溉中很少將壓力值設(shè)置到-30 kPa以下，30 kPa約合水銀柱22.5 cm。對于給定的靜壓力，液體密度越大，所需要液體高度就越小。顯然，如果利用密度最大的重液—水銀的靜壓力來為負(fù)壓灌溉系統(tǒng)維持負(fù)壓，設(shè)計出來的負(fù)壓維持裝置就有可能實現(xiàn)體積小、精度高、操作簡單的目標(biāo)。

1.2 基本構(gòu)造

如圖 1所示，重液式負(fù)壓閥（heavy liquid－type negative pressure valve, HLNPV）的主體由一個U型玻璃管、一個S型玻璃管、一個空心玻璃球以及水銀所構(gòu)成。其中：玻璃球的上部是空腔，稱為負(fù)壓室，下部是水銀，可在水銀上部擱置一層揮發(fā)性極弱的、用以防止水銀揮發(fā)的保護液（在本文試驗中選用的是石蠟油或者水）；U型玻璃管的A端是連通大氣的進(jìn)氣口（圖1中A端倒扣著的塑料試管以及與之相連的橡皮塞、毛細(xì)管構(gòu)成了一個進(jìn)氣限速裝置，詳見1.4），B端連接儲水器，是將重液式負(fù)壓閥所維持的負(fù)壓傳遞到灌溉水的通道。U型玻璃管底部與玻璃球內(nèi)水銀液面之間的高度為 H，U型管 B邊也可以稱之為回流管；S型玻璃管，即控壓管，其最上端與最下端之間的高度為h，在任何情況下h要小于H。

圖1 重液式負(fù)壓閥的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of heavy liquid-type negative pressure valve

1.3 工作機制

負(fù)壓室所能得到的最大負(fù)壓是控壓管內(nèi)水銀所能形成的最大靜壓力ρgh，ρ是水銀的密度，g是重力加速度。其工作過程大致如下：1）在負(fù)壓灌溉剛開始的時候，負(fù)壓室內(nèi)的氣壓與外界大氣壓相等，U形管 A、B邊和 S形管內(nèi)的水銀液面處于相同的高度；2）隨著灌溉的進(jìn)行，由于土壤的吸水，負(fù)壓室內(nèi)的部分空氣經(jīng) B口流出而進(jìn)入儲水器，氣壓下降，U形管A邊水銀液面下降，U形管B邊水銀液面（一般也就是玻璃球內(nèi)的水銀液面）和控壓管的水銀液面上升；3）隨著步驟2）過程持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)U形管A邊液面下降至分岔點C時，控壓管中水銀和U形管中水銀獨立開來，因為H永遠(yuǎn)大于h，所以控壓管中水銀柱所能形成的最大壓力ρgh永遠(yuǎn)小于回流管所能形成的最大壓力ρgH；4）隨著步驟 3）繼續(xù)進(jìn)行，負(fù)壓室中的負(fù)壓繼續(xù)減少，當(dāng)其氣壓與外界大氣壓之差的絕對值＞ρgh時，控壓管中的水銀快速流進(jìn)玻璃球，控壓管變成空氣通道，外界空氣進(jìn)入負(fù)壓室，使得負(fù)壓室氣壓升高；5）負(fù)壓室的氣壓升高，使得水銀經(jīng)過回流管回流，U形管A邊液面升高，當(dāng)升高至C點，水銀再次進(jìn)入控壓管，阻止空氣繼續(xù)進(jìn)入負(fù)壓室。以上 2）～5）步驟循環(huán)進(jìn)行，使得負(fù)壓室內(nèi)的負(fù)壓度維持在ρgh左右。

1.4 進(jìn)氣速率限制器的設(shè)計

在試制過程中發(fā)現(xiàn)，如圖1所示的HLNPV在A端沒有倒扣塑料試管的情況下實現(xiàn)不了控壓，因為一旦控壓管變成空氣通道，氣壓差的驅(qū)動力非常強，如果水銀從回流管回到分岔點C的速度不夠快、進(jìn)入控壓管中的水銀量不夠多，控壓管中的水銀柱所產(chǎn)生的壓強就會總是小于氣壓差，水銀就會被強有力的空氣流攜帶著通過控壓管回到負(fù)壓室，結(jié)果水銀會在“回流管→控壓管→回流管”內(nèi)發(fā)生氣爆式的劇烈回流，直至負(fù)壓室的氣壓與外界氣壓（即大氣壓）相同，而且這個過程非常短暫，往往不超過10 S。其原因是水銀的回流速度相對慢、而A端的進(jìn)氣速率相對過快所致，水銀的回流速率是難以調(diào)控的，但是A端的進(jìn)氣速率是可以調(diào)控的。通過試驗發(fā)現(xiàn)，如果A管上端的進(jìn)氣速率受到一定程度的限制，氣爆現(xiàn)象明顯減弱，A端口的進(jìn)氣速率對控壓效果有著明顯影響。于是設(shè)計了對A端的進(jìn)氣速率進(jìn)行限制的裝置（如圖1中虛線框所示），即：將容積25 ml、內(nèi)徑25.5 mm的試管，用橡膠塞塞住，然后倒扣在A管上端（A管穿過橡膠塞），在橡膠塞上穿一根內(nèi)徑0.3 mm、外徑0.6 mm的聚四氟乙烯毛細(xì)管，空氣需要經(jīng)過這個毛細(xì)管進(jìn)入塑料試管，然后才進(jìn)入A端。

空氣流動是靠壓力梯度驅(qū)使的，根據(jù)常識，在相同的管材、相同的管道內(nèi)徑下，壓力梯度越大空氣流速就越大，也就是毛細(xì)管的通氣速率隨著壓力差的增大而增大、隨著管長的增大而減小。在目前所見負(fù)壓灌溉研究文獻(xiàn)中[2-6,10-30]，負(fù)壓值基本上在-2.0～-30.0 kPa之間。為了確定在這個負(fù)壓范圍內(nèi)的適宜毛細(xì)管長度，運用理論控壓為-30.0 kPa的HLNPV分別測試了5.0、10.0、25.0、50.0 cm毛細(xì)管長度的控壓效果。其測試方法是：將HLNPV的B連接到一個2 500 ml的抽濾瓶，用抽濾瓶的真空度模擬負(fù)壓灌溉中土壤吸水產(chǎn)生負(fù)壓的情況。首先，將HLNPV與抽濾瓶之間的硅膠管用夾子夾住、阻斷其氣體通道，用抽氣機將抽濾瓶抽到-35 kPa的負(fù)壓度；接著，將抽濾瓶與抽氣機之間的硅膠管用夾子夾住、阻斷其氣體通道，松開HLNPV與抽濾瓶之間的硅膠管，用高精度電子負(fù)壓計以秒為時間步長自動記錄抽氣瓶中的負(fù)壓度，以壓力值在30 s中沒有變化作為最終的穩(wěn)定負(fù)壓，也就是HLNPV所維持的穩(wěn)定負(fù)壓，同時目測HLNPV的運動情況。其結(jié)果如表1，從中可以看出，毛細(xì)管長度對控壓的影響是明顯的，隨著毛細(xì)管長度的增加，從-35 kPa達(dá)到穩(wěn)定負(fù)壓的時間顯著變長，從5 cm的115 s增加到50 cm的690 s。毛細(xì)管長度似乎對實際穩(wěn)定壓力與理論壓力之間的相對誤差沒有明顯影響，其誤差均在可以接受的范圍內(nèi)，但是在10、25 cm時，相對誤差更小。根據(jù)這個測試結(jié)果，同時考慮節(jié)省材料、操作方便等，在實際使用中，一般選擇毛細(xì)管長度為5～15 cm。

表1 進(jìn)氣毛細(xì)管長度對30 kPa重液式負(fù)壓閥精度的影響Table 1 Effect of length air entering capillary of on the pressure of 30 kPa heavy liquid-type negative pressure valve

2 負(fù)壓維持試驗

為了考察HLNPV的壓力控制精度，從2017年制作的用于田間示范的200支HLNPV中隨機抽取了一批樣品在實驗室進(jìn)行檢測，包括理論設(shè)計控壓為-10、-20、-30 kPa的HLNPV各5個，從表2中可以看出，除-10 kPa重液式負(fù)壓閥的 5號樣品的相對誤差比較大外，其他樣品的相對誤差均沒有超過5%，是可以接受的。推測這些誤差主要來自于控壓管的制作過程，控壓高度1 mm的誤差將帶來0.13 kPa的壓力誤差，控壓管在上下兩端均有彎曲部分，目前采用手工制作，很難將控壓管的高度制作的非常精確。

表2 3種設(shè)計負(fù)壓重液式負(fù)壓閥的抽樣檢測Table 2 Sampling inspection on heavy liquid－type negative pressure valves with 3 designed negative pressure

3 田間使用情況調(diào)查

2014、2015、2016年以及2017年上半年在山東濟南、湖南長沙、北京、黑龍江大慶、云南玉溪等地實際采用HLNPV研究了負(fù)壓灌溉對玉米、辣椒、黃瓜、油菜、甜菜、棉花、菠菜、萵苣、小白菜、甘藍(lán)、花生、西瓜、烤煙等作物生長發(fā)育、產(chǎn)量質(zhì)量的影響，及其最佳土壤水分條件的篩選（相關(guān)研究數(shù)據(jù)另文發(fā)表）。從試驗中HLNPV運行的結(jié)果來看，大致可以分成3種類型（如圖2）：1）在整個試驗過程中具有很好的負(fù)壓維持能力，沒有氧化變黑現(xiàn)象，覆蓋液也沒有明顯減少（圖 2a）；2）當(dāng)試驗進(jìn)行到一定時期后產(chǎn)生了水銀氧化變黑現(xiàn)象，但能夠?qū)⒇?fù)壓維持在設(shè)置值到試驗結(jié)束（圖 2b）；3）當(dāng)試驗進(jìn)行到一定時期后產(chǎn)生了較多的黑色水銀氧化沉淀物，堵塞管道而導(dǎo)致負(fù)壓維持能力喪失（圖2c）。從表3展示的部分作物使用結(jié)果來看，大多數(shù)HLNPV的效果是比較好的，而且以水作為覆蓋液的效果似乎要好于以石蠟油作為覆蓋液。在以水作覆蓋液的5次不同作物試驗、55個壓力不同的HLNPV中，即使長達(dá)4個多月的烤煙試驗中，HLNPV都能平穩(wěn)運行，沒有發(fā)生水銀氧化現(xiàn)象，覆蓋液也沒有明顯減少，說明以水作為覆蓋液時能夠長期平穩(wěn)運行。

表3 HLNPV在部分作物負(fù)壓灌溉上的使用情況調(diào)查Table 3 Application of HLNPV on some crops under (negative pressure irrigation)

以石蠟油作為覆蓋液的 HLNPV的使用效果要略差子以水作為覆蓋液的HLNPV，在9次不同作物試驗中，有3次試驗的部分HLNPV的水銀發(fā)生氧化變黑，甚至黑色沉淀堵塞玻璃管而使其喪失負(fù)壓維持能力。但是水銀變黑、HLNPV負(fù)壓維持能力喪失的時間不盡相同，而且可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生氧化的是壓力比較高的-5 kPa和-10 kPa的HLNPV。2014年在北京進(jìn)行的黃瓜試驗，-5 kPa的HLNPV在25-30天水銀變黑、45～50 d黑色沉淀堵死玻璃管，-10 kPa的HLNPV在45～50 d水銀變黑，但直到試驗結(jié)束，都還有負(fù)壓控制能力。2015年在北京進(jìn)行的玉米試驗，-5、-10 kPa的HLNPV都在50～55 d水銀變黑，-5 kPa的HLNPV在60-65天黑色沉淀堵死玻璃管，-10 kPa的 HLNPV能夠保持負(fù)壓維持能力直到試驗結(jié)束。而2016年在濟南進(jìn)行的棉花試驗，直到試驗進(jìn)行了90天左右，才有-5 kPa的水銀開始變黑，而且能夠保持維持負(fù)壓維持能力直到試驗結(jié)束。水銀理論上是一種性能穩(wěn)定的金屬，在常溫下是不會與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)的，HLNPV中水銀發(fā)生的氧化變黑現(xiàn)象，可能是水銀與石蠟油發(fā)生了氧化反應(yīng)，也可能是由于有些試驗中沒有對HLNPV進(jìn)行充分遮光，使其遭受陽光照射而產(chǎn)生了表面高溫的同時接觸了較多空氣所致。即便如此，以石蠟油為覆蓋液的LVPV仍然是可以實際使用的，在表3所展示的 9次不同作物試驗的、129個石蠟油為覆蓋液的LVPV中，只有20個、約為15.5%的HLNPV發(fā)生了水銀氧化現(xiàn)象，最終只有8個、約為6.2%的HLNPV因為水銀氧化而喪失了維持負(fù)壓能力。

圖2 田間試驗結(jié)束后重液式負(fù)壓閥的狀況Fig.2 Photographs of HLNPV when field experiments were over

4 討 論

4.1 重液式負(fù)壓閥與其他負(fù)壓維持方法的比較

本文設(shè)計的重液式負(fù)壓閥（HLNPV）是比較新穎的，不論是設(shè)計思路，還是具體產(chǎn)品，很難查到類似的文獻(xiàn)，雖然從能夠維持穩(wěn)定負(fù)壓的廣義上來看，文獻(xiàn)中的水柱調(diào)壓法[19-24]也是一種重液式負(fù)壓閥，但是和本文設(shè)計的HLNPV有著本質(zhì)的區(qū)別。在水柱調(diào)壓法中維持負(fù)壓的水柱是靜止不動的，空氣進(jìn)入系統(tǒng)時需穿過水體本身，和水存在一個先混合、再分離的過程，而HLNPV是通過水銀循環(huán)的方式，為空氣直接提供了可以開關(guān)的通道，空氣進(jìn)入系統(tǒng)時不需穿過水銀本身，空氣與重液的接觸面、接觸時間都要小的多。

從限制負(fù)壓不低于某個值的角度看，在工業(yè)上廣泛使用的負(fù)壓閥、真空閥等之類的機械器件似乎可以用來維持負(fù)壓灌溉中的負(fù)壓，然而工業(yè)上的負(fù)壓閥或真空閥的根本作用是破壞管道中的負(fù)壓，由膜瓣、彈性元件等固體機械元件組成，其真空破壞作用是靠氣壓差驅(qū)動下的彈性元件控制膜瓣的開關(guān)而實現(xiàn)，精度一般只能達(dá)到0.01 MPa（也就是10 kPa），而在絕大多數(shù)負(fù)壓灌溉的文獻(xiàn)中均將負(fù)壓值準(zhǔn)確設(shè)置到kPa，即運用于負(fù)壓灌溉的負(fù)壓閥的精度需要達(dá)到0.1 kPa。筆者咨詢了數(shù)十家負(fù)壓閥或真空閥廠家，沒有一家能生產(chǎn)出精度小于1 kPa的負(fù)壓閥。另外，目前市場上的機械負(fù)壓閥沒有穩(wěn)定負(fù)壓的作用。2013年筆者委托江西省航博科技開發(fā)有限公司制作了一批-0.01～-0.08 MPa的機械真空限壓閥，實驗室檢測結(jié)果表明這些真空限壓閥的開啟閾值很寬（一般為標(biāo)示值±0.01 MPa，比如標(biāo)示值為-0.02 MPa的真空限壓閥開啟的實際值是-0.01～-0.03 MPa），而且一旦真空閥開啟了，就會一直保持開啟，直到真空度上升到0.00 MPa為止，不具備穩(wěn)定負(fù)壓的作用。因此，目前的機械式負(fù)壓閥是不能被運用到負(fù)壓灌溉的。

表4 不同負(fù)壓維持方法的簡要對比Table 4 Simple comparison about different methods maintaining negative pressure

從表 4中可以發(fā)現(xiàn)，雖然懸掛水柱法、負(fù)壓泵循環(huán)法、水柱調(diào)壓法、爬升水柱法、電磁閥法均比HLNPV具有更好的精度（分辨率），但HLNPV精度（分辨率）也已經(jīng)達(dá)到了0.13 kPa，在負(fù)壓灌溉文獻(xiàn)中負(fù)壓值一般只是設(shè)置到kPa，因此比0.1 kPa再高的精度沒有實際意義。從外形尺度、質(zhì)量看，HLNPV的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于懸掛水柱法、負(fù)壓泵循環(huán)法、水柱調(diào)壓法、爬升水柱法，大約只有它們的9.6%～17.2%，體積、質(zhì)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水柱調(diào)壓法、爬升水柱法。盡管電磁閥法的高度要小于HLNPV，但其體積、質(zhì)量要明顯大于HLNPV。此外，HLNPV沒有能耗，顯著優(yōu)于電磁閥法、負(fù)壓泵循環(huán)法。在穩(wěn)定性方面，HLNPV顯著優(yōu)于電磁閥法、負(fù)壓泵循環(huán)法、懸掛水柱法。

4.2 重液式負(fù)壓閥性能的可能改進(jìn)

4年的實際使用表明，HLNPV有顯著的優(yōu)點，但是也存在著不足，有必要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，在進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)該著重考慮以下3個方面：

1）減少玻璃管內(nèi)徑，減少水銀消耗量和整體質(zhì)量。在目前少批量手工生產(chǎn)條件下，玻璃儀器工廠選擇的玻璃管內(nèi)徑最小為 3mm，-5～-30 kPa的理論控壓至少需要水銀16～52 g，如果將玻璃管直徑降低到1 mm，水銀用量將下降到2～6 g。

2）需篩選高效的覆蓋液。當(dāng)覆蓋液為石蠟油時，在連續(xù)平穩(wěn)運行大約20多天～3個月后，在部分 HLNPV中發(fā)生了水銀氧化反應(yīng)，形成大量黑色沉淀，堵塞了管道，致使系統(tǒng)喪失功能。壓力越高，這種情況也就越嚴(yán)重。如果用水作為覆蓋液，雖然不會發(fā)生氧化現(xiàn)象，但理論上水有一定的揮發(fā)性，如果作物生長期比較長，可能需要多次添加作為覆蓋液的水，增加勞動。因此，需要需找一種揮發(fā)性極小，不與空氣、水銀發(fā)生反應(yīng)的覆蓋液。

3）目前的HLNPV不能動態(tài)設(shè)置系統(tǒng)負(fù)壓值。HLNPV的控壓管是硬性的，其控壓值是固定的，如果需要在作物的不同生長階段設(shè)置不同的負(fù)壓值，就必須更換HLNPV，有些不方便。如果將控壓管設(shè)置成柔性的、其高度可調(diào)，必然大大地提高方便性，有利于動態(tài)設(shè)置系統(tǒng)負(fù)壓值。

5 結(jié) 論

本文利用彼此相連的U型玻璃管、S型玻璃管、空心玻璃球以及能在這三者之間進(jìn)行循環(huán)流動的水銀，為負(fù)壓灌溉系統(tǒng)設(shè)計出了重液式負(fù)壓閥（HLNPV），利用水銀的靜壓力維持負(fù)壓，利用石蠟油或水覆蓋在水銀液面上防止其揮發(fā)。在試驗室中對HLNPV的控壓精度進(jìn)行了檢測，在田間對HLNPV控壓效果進(jìn)行了觀察，對比分析了 HLNPV與負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中現(xiàn)有負(fù)壓維持器的性能指標(biāo)，取得了以下結(jié)論：

1）HLNPV具有較高的壓力分辨率和負(fù)壓維持準(zhǔn)確度，其分辨率為0.1 kPa，在-30 kPa以內(nèi)的負(fù)壓下維持負(fù)壓的相對誤差小于5%。

2）大部分HLNPV在實際田間條件下能夠長期穩(wěn)定地運行。在以水作覆蓋液的5種作物上的55個HLNPV，在2～4個月的試驗期間內(nèi)均能平穩(wěn)運行。在以石蠟油作為覆蓋液9種作物上的129個LVPV，在2～3個月的試驗期間內(nèi)，有15.5%的發(fā)生了水銀氧化變黑現(xiàn)象，其中只有 6.2%的因為黑色氧化沉淀物堵塞管道而影響了負(fù)壓維持功能。

3）HLNPV相對于現(xiàn)有負(fù)壓維持方法具有顯著的比較優(yōu)勢。在-5.0～-20.0 kPa下，其高度只有懸掛水柱法、負(fù)壓泵循環(huán)法、水柱調(diào)壓法、爬升水柱法的9.6～17.2%，體積、質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水柱調(diào)壓法、爬升水柱、電磁閥，不像負(fù)壓循環(huán)泵、電磁閥那樣需要電能，也不像懸掛水柱那樣只能在短時間下運行。

總體上，HLNPV能夠比較準(zhǔn)確地長時間維持系統(tǒng)的負(fù)壓，動態(tài)地監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)壓，高度短、體積小、質(zhì)量輕、安裝調(diào)試簡便，可以替代現(xiàn)有的負(fù)壓維持方法。

致謝：

感謝山東農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所譚德水研究員、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)黃運湘教授、黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)王鵬教授、云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬二登博士提供了重液式負(fù)壓閥部分作物田間試驗數(shù)據(jù)。

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