龍懷玉，武雪萍，張淑香，王佳佳,2，Patrick J. Drohan，張認連

作物主動汲水技術內(nèi)涵與研究進展

龍懷玉1，武雪萍1，張淑香1，王佳佳1,2，Patrick J. Drohan3，張認連1

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2. 中科鼎實環(huán)境工程有限公司，北京 100102；3. 賓西法尼亞州立大學生態(tài)系統(tǒng)科學與管理系，PA 16802，美國）

持續(xù)創(chuàng)新農(nóng)田灌溉技術，有利于應對農(nóng)業(yè)水資源短缺、耕地資源不足，也是確保中國糧食安全的重要技術基礎。該研究提出了“作物主動汲水”（Crop Initiate Drawing Water，CIDW）概念，并分析其得以實現(xiàn)的基本條件是土壤水非飽和性、外界水水勢始終小于大氣壓、外界水和作物根系的距離有效性、高效的水勢能差轉(zhuǎn)化界面。綜合文獻劃分出了壓力勢差（Pressure Potential Difference, P-CIDW）、滲透勢差（Osmotic Potential Difference, O-CIDW）和重力勢差作物主動汲水（Gravitational Potential Difference，G-CIDW）等3種形式的CIDW，并分析了其勢能特征和基本實現(xiàn)途徑。進一步，從硬件設備技術、作物表現(xiàn)、水鹽運移與分布、土壤生境等幾個方面，重點綜述了P-CIDW的研究進展。近十多年來的研究表明，相比漫灌、溝灌、滴灌等傳統(tǒng)灌溉技術，適宜參數(shù)的P-CIDW能夠顯著地提高作物產(chǎn)量與水分利用效率、養(yǎng)分吸收和肥料利用率、根際土壤酶活性和微生物多樣性、水肥耦合效應，明顯地影響了作物生理生化指標、土壤養(yǎng)分有效性和養(yǎng)分空間分布；土壤質(zhì)地及其剖面構型顯著地影響了P-CIDW下的水鹽運移與分布；利用初始土壤含水率和基質(zhì)勢、滲水器導水率、供水壓力以及時間等參數(shù)，可以半機理半經(jīng)驗地估測P-CIDW的累積入滲量。最后展望了CIDW研究的未來，認為，土壤水分-作物關系的基礎理論急需要突破、研發(fā)高效的勢能轉(zhuǎn)化界面材料仍然是發(fā)展CIDW技術的關鍵任務、盡快制定P-CIDW技術標準、P-CIDW控壓方法還需要革命性的創(chuàng)新。

農(nóng)業(yè)；灌溉；水資源；作物主動汲水；負壓；土壤水分-作物關系

0 引 言

作物生長發(fā)育需要吸收、消耗大量的水分，人類社會自從進入農(nóng)耕文明，灌溉就是一項重要的農(nóng)事活動，中國五千多年前就有了比較完善的灌溉系統(tǒng)[1]，沒有灌溉技術的創(chuàng)新發(fā)展，人類社會及其所依賴的糧食就不可能發(fā)展[2]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，灌溉更是作物水分消耗的最主要來源。將灌溉水從江河、溪流、湖泊、管井等水源引到農(nóng)田、灌溉到生長作物的土壤中，總是要消耗一些人類勞動和物資的，因此人們總是希望用最少的灌溉水消耗得到最高的作物產(chǎn)量、最好的作物品質(zhì)，一直持續(xù)注重研發(fā)高效灌溉技術。21世紀以來的20余年里，國內(nèi)外科技工作者、主要是國內(nèi)的科技工作者，在研究一種名為“負壓灌溉（Negative Pressure Irrigation，NPI)”的灌水技術，有時候也稱之為“負壓給水技術”[3]，國外有些學者也稱之為plant-controlled subsurface drip irrigation[4]。筆者認為“負壓灌溉”這個名稱只是體現(xiàn)了技術實現(xiàn)途徑，并不能十分準確地體現(xiàn)它的科學原理和技術內(nèi)涵，恰巧2012年科技部發(fā)布了《“十二五”國家科技計劃農(nóng)村領域2013年度備選項目公開征集指南》，其中專題五有水分養(yǎng)分調(diào)控方面的內(nèi)容，筆者于是以“作物主動式土壤水分養(yǎng)分平穩(wěn)供應技術”為題提出了申請，科技部經(jīng)過嚴格評審后通過了該項申請。在此后的多年研究過程中，項目組做了幾十個盆栽和田間小區(qū)試驗，同時國內(nèi)外也出現(xiàn)了不少有著類似涵義的文獻，筆者認為“作物主動式土壤水分平穩(wěn)供應技術”的概念逐漸清晰了，而且可以將之精簡為“作物主動汲水技術”（Crop Initiate Drawing Water, CIDW）。因此在本研究中對這一概念進行闡述，并結(jié)合國內(nèi)外最新文獻，概要地介紹了目前主要形式的“作物主動汲水技術”，即負壓灌溉技術的研究與應用現(xiàn)狀，對“作物主動汲水技術”今后的研發(fā)重點進行了展望，以期促進灌溉技術的發(fā)展。

1 “作物主動汲水”的技術內(nèi)涵

1.1 “作物主動汲水”的概念與辨析

“作物主動汲水”是指在一定條件下，位于土壤-作物根系系統(tǒng)外部的外界水在作物蒸騰耗水生理活動的驅(qū)動下進入土壤，變成土壤水、繼而供作物吸收利用的過程，而非被人力灌入土壤的供水過程。在宏觀世界里，任何改變物體狀態(tài)的驅(qū)動力都是勢能差，作物從土壤中吸收水分的過程，包括土壤水分向根際運動、水分從根際土壤進入作物根系，同樣是在水分勢能差的驅(qū)動下實現(xiàn)的。旱地作物（本研究泛指除水生植物以外的所有植物）一般情況下生長在土壤基質(zhì)勢小于0的非飽和土壤水分下，土壤基質(zhì)勢成為土壤水分運動的主要驅(qū)動力之一。旱地作物根系吸收土壤水分將導致根際土壤含水率減少、基質(zhì)勢下降，進而引發(fā)根系遠處土壤水分向根際運動，即作物為了滿足自身蒸騰作用生理活動的需要而產(chǎn)生的吸水力可以通過土壤向外傳播。如果將外界水放置于離作物根系一定距離內(nèi)的土壤中，當作物的主動吸水力通過土壤傳播到外界水，而且大于外界水吸力（水勢能的絕對值），外界水則通過土壤流向作物根系而被作物吸收，如當作物吸水力小于或者等于外界水吸力時，作物停止從土壤吸水，外界停止向土壤供水。即在作物吸水的主動驅(qū)使下，外界水向土壤供水，繼而土壤向作物根系供水的整個過程中，供水時間、供水強度、供水量等主要取決于作物的生理需求，作物很大程度上自主掌控著外界水進入土壤變成土壤水的過程，這就是所謂的“作物主動汲水”。而在澆灌、畦灌、溝灌、噴灌、滴灌、有壓滲灌等傳統(tǒng)灌溉技術下，外界水進入土壤變成土壤水的過程完全取決于人的潑、澆、滴、壓等動作或者自然水頭差，而與作物生理活動沒有任何直接關聯(lián)，作物根系-土壤系統(tǒng)完全處于被動地接受灌溉水的狀態(tài)。

1.2 實現(xiàn)“作物主動汲水”的基本條件

1.2.1 土壤水的非飽和性

根據(jù)前邊“作物主動汲水”的涵義可知，作物生理活動形成的吸水力必須通過土壤基質(zhì)勢才能向外傳播，而土壤基質(zhì)勢在飽和土壤中恒定為0，只有在水分非飽和土壤中才隨著含水率變化而變化，才能成為作物吸水力的傳播媒介，因此“作物主動汲水”的首要條件就是土壤必須是水分非飽和的，作物必須是旱地作物。

1.2.2 外界水的水勢恒定小于大氣壓

如前所述，“作物主動汲水”時，土壤必須是水分非飽和的，土壤水勢主要由以下4個分量組成：1）梯度恒定為重力加速度（g/(m·s2)）、方向恒定指向地心的重力勢Ψ（kPa）；2）數(shù)值恒定為大氣壓的壓力勢Ψ（kPa）；3）數(shù)值小于0且隨含水率而變化的基質(zhì)勢Ψ（kPa）；4）數(shù)值小于0且隨土壤溶液濃度而變化的滲透勢Ψ（kPa）。其中Ψ的大小取決于參照系的相對位置，如果以最先接觸外界水的土壤為基點，此處土壤的Ψ相對于外界水恒定為0，外界水相對于土壤的重力勢為±（外界水在上取“＋”，在下取“－”；為外界水與土壤的高度位置差，一般是外界水變成土壤水所要穿過的界面厚度，m；為水的密度，kg/m3）?？梢姡白魑镏鲃蛹乘睍r，最先接觸外界水的土壤的水勢為（Ψ+Ψ+Ψ），是永遠小于大氣壓的。外界水的水勢一般是恒定不變的，而且充分保障“受作物吸水調(diào)控的土壤水勢等于外界水的水勢（達到平衡而停止供水）”的可能性，是實現(xiàn)“作物主動汲水”的前提條件，因此外界水的水勢必須永遠小于大氣壓。

1.2.3 外界水與作物根系距離的有效性

作物吸水力的傳播必須憑借土壤水的運動才能實現(xiàn)，而非飽和條件下的土壤水分含量—土壤基質(zhì)勢的關系存在滯后性，土壤水分運動需要時間，運動的距離越長，需要的時間就越多，因此外界水與作物根系之間的距離不能太遠，否則外界水不能及時感知到作物需水信號，外界水通過土壤運動到根際的數(shù)量無法及時滿足作物的需求，導致作物遭受到水分脅迫、甚至死亡。從這點而言，外界水離作物根系越近，“作物主動汲水”過程越敏感高效，即外界水與作物根系之間的距離必須是有效的。

1.2.4 高效的水分勢能差轉(zhuǎn)化界面

如前所述，“作物主動汲水”時，土水勢分量中只有基質(zhì)勢和滲透勢是變量，土壤中的溶質(zhì)含量一般情況下不會劇烈變化，滲透勢在一定時期內(nèi)可以認為是穩(wěn)定的，因此土壤水勢的變化主要取決于基質(zhì)勢。外界水是放置在器皿內(nèi)的飽和水，其基質(zhì)勢恒定地為0，其總勢能取決于其他形式的勢能，而且外界水和土壤水之間始終存在基質(zhì)勢差和某種其他形式的勢能差，達到平衡時（即外界水停止向土壤供水時），這2種勢能差大小相等、方向相反。因此在外界水和土壤水之間需要一種界面，為外界水與土壤水之間的壓力勢差、滲透勢（溶質(zhì)勢）差、重力勢差等不同形態(tài)的勢能差以及與其方向相反的基質(zhì)勢差提供共存的場所，即水分勢能差轉(zhuǎn)化界面。

1.3 實現(xiàn)“作物主動汲水”的主要形式

在“作物主動汲水”下，不論何種勢能狀態(tài)下的外界水進入土壤后的行為過程是相同的，都是非飽和的土壤水運移和作物主動吸水過程，而且外界水和土壤水之間始終存在基質(zhì)勢差，因此不同形式“作物主動汲水”的差別只能體現(xiàn)在外界水變成土壤水的這個過程上，也就是體現(xiàn)在外界水與土壤水的基質(zhì)勢差之外的其他形式勢能差別上。從目前所見到的文獻看，可以歸納劃分出壓力勢差（Presure Potential Difference, PPD）、滲透勢差(Osmotic Potential Difference, OPD)、重力勢差（Gravitational Potential Difference, GPD）等3種形式的“作物主動汲水”。

1.3.1 壓力勢差-作物主動汲水

壓力勢差-作物主動汲水（P-CIDW），即目前國內(nèi)外學者較多研究與運用的所謂“負壓灌溉”、“負壓給水”，外界水與其首先接觸的土壤水的滲透勢、重力勢相同，兩者水勢差別主要體現(xiàn)為：外界水壓力勢Ψ小于大氣壓、基質(zhì)勢Ψ為0；土壤水壓力勢Ψ恒定為大氣壓、基質(zhì)勢Ψ小于0。將外界水與土壤水的壓力勢差轉(zhuǎn)化成基質(zhì)勢差的界面是親水性微孔材料，比如微孔陶瓷。其基本方法是：將親水性微孔材料做成空腔的、能與水源連接的器皿，文獻中一般稱之為灌水器、滲水器、供水器、給水器[3,5]，并將之埋入土壤中，調(diào)控器皿空腔中的外界水的壓力低于大氣壓，形成所謂的負壓，由于水分飽和的親水性微孔材料在一定范圍內(nèi)具有透水不透氣的特性，這個壓力差能夠得以持續(xù)存在，而且其最大絕對值為親水性微孔材料的發(fā)泡點值。盡管很多文獻中，均認為負壓灌溉是一種全自動、精確的灌水技術，但很少有文獻在名稱中體現(xiàn)出“作物主動”這個本質(zhì)特征。雖然“負壓”這個詞比較準確地體現(xiàn)了外界水的勢能狀態(tài)，但“灌溉”的普遍含義是“用人為方法引水澆灌植物、田地，以利生長”，即人為把水注入生長著植物的田地，以利于植物生長。英文irrigate的含義為to supply water to land, esp with man-made streams（canals）。因此，“負壓灌溉”、“negative pressure irrigation”的概念沒有體現(xiàn)出“灌溉水是在作物主動驅(qū)動下進入土壤，而不是在人力的驅(qū)動下進入土壤”這個本質(zhì)特征。

1.3.2 滲透勢差-作物主動汲水

所謂滲透勢差-作物主動汲水（O-CIDW），外界水的勢能構成以滲透勢占絕對優(yōu)勢，外界水與其所直接連接的土壤水的重力勢相同、壓力勢相差很小，兩者水勢差別主要體現(xiàn)為：外界水滲透勢Ψ小于0、基質(zhì)勢Ψ為0、壓力勢Ψ約等于大氣壓；土壤水滲透勢Ψ遠遠大于外界水滲透勢且基本穩(wěn)定、基質(zhì)勢Ψ小于0、壓力勢Ψ等于大氣壓。外界水與土壤水之間的勢能差主要為滲透勢差和基質(zhì)勢差，將滲透勢差轉(zhuǎn)化成基質(zhì)勢差的界面是半透膜。在一定的勢能差下半透膜具有通水不通溶質(zhì)離子、溶質(zhì)分子的特征，因此可以利用半透膜將溶液的滲透勢差轉(zhuǎn)化為基質(zhì)勢差。O-CIDW的研究文獻目前很少見，中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所等[6]提出了一種O-CIDW的方法，其做法是：在外界水中溶入溶質(zhì)，如高分子材料聚乙二醇（Polyethylene Glycol，PEG），將其滲透勢調(diào)節(jié)到某個需要的數(shù)值，然后通過半透性物質(zhì)與放置在土壤中的親水性微孔滲水器通過水管相連，只有土壤基質(zhì)勢低于外界水的滲透壓時，土壤基質(zhì)勢才能將水分從外界水通過半透膜、微孔滲水器吸收到土壤中，而土壤基質(zhì)勢主要受作物吸水影響，從而實現(xiàn)了作物主動汲水。現(xiàn)有少量文獻的技術內(nèi)涵是屬于O-CIDW，例如楊文君等[7]所描述“半透膜灌水技術”的內(nèi)涵屬于O-CIDW，但實施過程卻無法判斷是“作物主動汲水”、還是傳統(tǒng)的正壓滲灌。楊慶理等[8]所描述“半透膜土壤滲析法”的內(nèi)涵屬于O-CIDW，但實施過程卻是正壓滲灌。陳慶群[9]所描述“半透膜滴灌”的內(nèi)涵也屬于O-CIDW，卻沒有給出具體試驗設計，不清楚是如何具體實現(xiàn)的，但其試驗結(jié)果確實是“半透膜滴灌”要好于普通滴灌和噴灌。

1.3.3 重力勢差-作物主動汲水

有些研究者提出了毛管燈芯、毛管毯之類的毛管灌溉[10-16]，其基本做法是將生長有作物的土壤置于水源上方的一定距離，用燈芯、毯子等之類具有毛管作用的材料（毛管材料）將水源和土壤連接起來，通過毛管水上升作用將水分從水源傳遞到土壤，灌溉水水面以上的毛管材料始終處于非飽和狀態(tài)。達到平衡后，毛管材料上端的水分勢能和其接觸的土壤水勢能構成相同，下端的水分勢能與其所接觸的水源勢能構成相同。毛管材料上下端之間、毛管材料與土壤之間、毛管材料與水源之間均不存在半透膜，因此可以認為水源、毛管材料、土壤三者的溶質(zhì)勢基本相同。如果以毛管材料上端與土壤接觸處作為重力勢的起點，毛管材料上端（土壤）的勢能構成包括：值為大氣壓的壓力勢Ψ、值小于0的基質(zhì)勢Ψ、值約等于0的滲透勢Ψ、值為0的重力勢Ψ；毛管材料下端（灌溉水）的勢能構成為：值為大氣壓的壓力勢Ψ、值等于0的基質(zhì)勢Ψ、值約等于0的滲透勢Ψ、值為-的重力勢Ψ。即毛管材料上端（土壤）與下端（外界水）之間存在基質(zhì)勢差和重力勢差，將重力勢差轉(zhuǎn)化為基質(zhì)勢差的界面是毛管材料。當土壤基質(zhì)勢Ψ＜-時，供水自動進行。可見，所謂毛管灌溉符合CIDW的技術內(nèi)涵和運行的4個基本條件，可以稱之為“重力勢差作物主動式供水（Gravitational Potential Difference-Crop Initiative Water Supply, G-CIDW）”。G-CIDW本質(zhì)上就是具有穩(wěn)定地下水位的地下水滲灌，只不過把地下水位到耕作層之間的土壤用其他毛管材料替代，而且其“地下水”是裝在特定容器中的。同時，G-CIDW和最原始的水頭差式P-CIDW形式上非常類似，兩者都是把水源放置作物下方，G-CIDW中的重力勢差和P-CIDW中的壓力勢差的形式都是-，但P-CIDW水分是經(jīng)由管道的飽和水流動從水源到達土壤接界處的，外界水變成土壤水所穿越的界面厚度在1～10 mm之間，G-CIDW水分是經(jīng)由毛管材料中從下到上的非飽和水浸潤從水源到達土壤接界處的，外界水變成土壤水所穿越的界面厚度通常在100～1 000 mm之間。

2 壓力勢差-作物主動汲水的研究進展

目前O-CIDW、G-CIDW的文獻很少，離實際運用還很遙遠，而P-CIDW已經(jīng)積累了非常多的研究文獻，其硬件技術、理論基礎、作物表現(xiàn)等均得到了大量研究，因此在本節(jié)重點介紹P-CIDW的研究進展，又因其在文獻中的稱呼是“負壓灌溉”，在本節(jié)中仍然以之指代P-CIDW，以便閱讀。

2.1 負壓灌溉的硬件技術

負壓灌溉的硬件設備是實現(xiàn)負壓灌溉技術的基礎，近些年有了長足發(fā)展，主要體現(xiàn)在負壓形式、壓力維持技術、負壓滲水材料（滲水器）以及這些因素的不同組合而形成的整體負壓灌溉系統(tǒng)等幾個方面。

2.1.1 水頭差式負壓逐漸被氣壓差式負壓所取代

傳統(tǒng)負壓灌溉的負壓主要是水頭差，Moniruzzaman等[17-18]、雷廷武等[19]、段福義等[3]描述“負壓灌溉”為灌溉水源的高程低于灌水器的高程。水頭差式負壓的最大優(yōu)點就是設備簡單，但缺點也很明顯，一是需要將作物置于比水源高的地方，田間運用很不方便；二是能夠維持的負壓比較小，由于負壓下溶解在灌溉水中的空氣會逃逸出來，逐漸累積在灌水器內(nèi)或輸水管道內(nèi)易形成氣栓，致使灌溉水斷流、灌水過程中斷。雷廷武等[19]、梁錦陶等[20]、伍超等[21]的試驗分別表明，負水頭法所能維持的負壓只能達到?30、?20、?24 kPa。

針對水頭差式負壓的缺點，Lipiec等[22]和中國科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所[23]分別設計了氣壓差式負壓灌溉方法，前者的基本做法是將存放灌溉水的儲水器上方的空氣壓力調(diào)控在1個大氣壓以下，從而形成灌溉水的負壓，因為無法排除灌溉水水柱變化的影響，負壓在一定范圍內(nèi)波動；后者的基本做法是將具有馬氏瓶原理的儲水器下方進氣孔的空氣壓力調(diào)控在1個大氣壓以下，從而形成與灌溉水水柱高低無關的恒穩(wěn)負壓，并進一步研發(fā)了氣壓差式負壓灌溉系統(tǒng)[24]。在氣壓差式負壓下，水源可以放置在比灌水器高的位置，在田間運用就如傳統(tǒng)的滴灌一樣方便，從灌溉水中逃逸出來的空氣將自動匯集到儲水器，不會停留在灌水器和連接管道中，所控制的負壓理論上可以達到?80 kPa（一般張力計的最低測定閾）。國內(nèi)近些年來的負壓灌溉研究大多數(shù)采用了氣壓差式負壓，例如有些研究者運用電磁閥+數(shù)顯開關形成氣壓差式負壓灌溉，研究了烤煙[25]、紫葉生菜[26-27]、油菜[28]、黃瓜[29-31]、辣椒[32-33]等作物。有些研究者運用無能耗的重液式負壓閥[34-35]形成氣壓差式負壓灌溉，研究了小白菜[36-37]、辣椒[38]、櫻桃蘿卜[39]、茼蒿[40]、菠菜[41]等作物。嚴格地說，耿偉等[42-43]所采用的水柱調(diào)壓、鄒朝望等[44-45]采用的爬升水柱調(diào)壓也屬于氣壓差式負壓，只不過這些技術仍然采用水柱形成負壓，在體積、質(zhì)量、空間占用等方面和水頭差技術上并沒有優(yōu)越性。

2.1.2 負壓維持器向著小巧、輕量、精準、無能耗發(fā)展

在水頭差式負壓灌溉中，維持負壓的基本方法為懸掛水柱法，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壓[4,19-20,46-51]，不存在獨立的負壓維持器，由灌水器和儲水器構成一個虛擬的負壓發(fā)生器。Moniruzzaman等[17-18]、Lipiec等[22]、Iwama等[52]為了排除懸掛水柱法中因為氣栓阻斷灌溉水流的情況，設計了負壓泵持續(xù)抽氣法，即采用負壓泵持續(xù)抽氣、并保持灌溉水循環(huán)的方法維持負壓。耿偉等[42-43]設計了水柱調(diào)壓法。鄒朝望等[44-45]設計了“爬升水柱負壓控制裝置”。以上方法本質(zhì)上都是利用水頭差來維持負壓，其明顯缺點體現(xiàn)在體積大、質(zhì)量重、能維持的負壓小等方面。李生平等[29-31]、劉學勇等[25]、王相玲等[53]、肖海強等[54-55]、趙秀娟等[56-57]利用數(shù)字壓力開關與電磁閥的組合來控制負壓，這種方法的缺點是需要消耗能量、設備容易損壞。

中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所[34]、龍懷玉等[35]利用在灌溉水與土壤水之間勢能差的驅(qū)動下自發(fā)循環(huán)的重液的靜壓力來維持負壓，設計出了“重液式負壓閥”，相較于其他負壓維持方法具有顯著的比較優(yōu)勢，其高度只有懸掛水柱法、負壓泵循環(huán)法、水柱調(diào)壓法、爬升水柱法的8%～10%，體積、質(zhì)量遠遠小于水柱調(diào)壓法、爬升水柱、電磁閥，不像負壓循環(huán)泵、電磁閥那樣需要外部能量-電能，也不像懸掛水柱那樣只能在短時間下運行，控壓精度達0.1 kPa，控壓相對誤差小于5%。

2.1.3 負壓灌水器的材質(zhì)

灌水器是將外界水轉(zhuǎn)化成土壤水的界面，是影響負壓灌水速率的重要因素，研發(fā)高性能的負壓滲水材料是負壓灌溉技術研究的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)的負壓滲水器是陶土頭，無柔韌性、易碎、加工性差、價格高。為此，江培福等[50]提出了一種纖維灌水器，并發(fā)現(xiàn)在?5 kPa下，較陶土灌水器出水流量要高。中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所[58]提出了一種負壓滲水材料—聚乙烯醇縮甲醛（Poly-vinyl-alcohol Dimethyl-formal，PVFM），叢萍等[47-49]發(fā)現(xiàn)在適當?shù)姆磻獥l件下制作的PVFM的發(fā)泡點值可高達65.3 kPa，飽和導水率可達7.45×10-4cm/s，其負壓入滲速率、濕潤鋒運移速率、濕潤空間明顯地大于陶瓷，理論上可以作為高性能負壓滲水材料，并進一步發(fā)現(xiàn)可以利用SiO2粉末、高嶺土、硅油等助劑提高PVFM的機械性能、發(fā)泡點值。丁亞會等[59]建議使用5.0%液體聚硫橡膠改性PVFM，負壓滲水速率沒有明顯下降，但可有效改善PVFM的發(fā)泡點與力學性能。邊云等[41]比較了負壓灌溉下PVFM灌水器和陶瓷灌水器對菠菜的影響，發(fā)現(xiàn)PVFM灌水器更有利于菠菜的生長，提高水分利用效率、產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量。Yang等[40]也發(fā)現(xiàn)PVFM灌水器負壓灌溉下茼蒿的植株高度、水分利用效率、產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量要好于陶瓷灌水器的。

2.2 負壓灌溉下的作物表現(xiàn)

灌溉技術的好壞最終需要通過作物的表現(xiàn)加以評價，因此近些年來關于負壓灌溉下的作物表現(xiàn)的研究文獻相比負壓灌溉的硬件技術方面的文獻要多得多，其進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.2.1 絕大多數(shù)旱地作物存在適宜的負壓灌溉壓力值

篩選出合適的供水壓力值是運用負壓灌溉的一個基礎關鍵技術問題，現(xiàn)有研究主要是從作物產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率等方面進行綜合確定。從目前文獻來看，適宜的灌溉負壓值不僅因作物不同而不同，也受土壤、氣候等生態(tài)環(huán)境條件的影響。黃楚瑜等[36]發(fā)現(xiàn)長沙冬季（2014年12月—2015年2月）小白菜最適宜的壓力值在紅菜園土上為?10 kPa，在潮菜園土上為?5 kPa，而向艷艷等[37]在同一地點上2016年11月－2017年1月的試驗卻表明小白菜在潮菜園土、紅菜園土上的適宜負壓都是?5 kPa。向艷艷等[38]表明2016年5月－7月的辣椒在以上2種長沙土壤上的適宜負壓都是?5 kPa，因為此供水壓力下水分利用效率、果長、果徑和單果質(zhì)量都是最高的。馬艷華等[60]試驗表明在河南新鄉(xiāng)辣椒的適宜負壓值也是?5 kPa，而Li等[32]的研究表明在黑龍江大慶辣椒適宜的負壓灌溉是?10 kPa。

同時有研究表明，有些作物在不同生育期的適宜負壓灌溉壓力是不同的，例如Yang等[40]研究表明，茼蒿在生長前期的適宜供水壓力為?4 kPa，能夠形成最大的株高，生長中期和后期的適宜供水壓力為?8 kPa，能得到最高的產(chǎn)量、水分利用效率。劉勝堯等[61]發(fā)現(xiàn)當灌溉水鹽分含量小于3.0 g/kg時，日光溫室番茄花果期、果實膨大期、全生育期最適負壓值為?4.0 kPa，具有最高的產(chǎn)量和水分利用效率，而在成熟期對壓力不敏感。劉學勇等[25]考慮土壤水勢對烤煙各生育時間段各營養(yǎng)器官干物質(zhì)的積累與分配、根系活力和組織硝酸還原酶活性的影響，推斷烤煙各生育期最適宜的水勢為?18.5～?19.7 kPa（伸根期）、?12.5～?13.9 kPa（旺長期）、?16.2～?16.8 kPa（成熟期）。肖海強等[55]從潛在產(chǎn)量和水資源高效利用等角度綜合分析，認為烤煙田間適宜的土壤水勢值在伸根期為?30～?20 kPa、旺長期約為?10 kPa、成熟期約為?20 kPa。但若以烤煙干物質(zhì)積累為目標，肖海強等[54]的另外一項研究又認為烤煙田間適宜的土壤水勢值在伸根期為?20～?15 kPa、旺長期為?10 kPa、成熟期為?15～?10 kPa。

2.2.2 適宜的負壓灌溉能夠顯著地提高作物水分利用效率以及大部分作物的產(chǎn)量

負壓灌溉壓力對作物產(chǎn)量、水分利用效率的影響，總體上呈現(xiàn)為隨著供水壓力的降低（壓力值絕對值增大）先升高后降低，低于適宜壓力值后往往會造成產(chǎn)量的顯著降低，例如王相玲等[53]發(fā)現(xiàn)小白菜在?5 kPa灌溉下的產(chǎn)量顯著地高于在0、?10、?20 kPa灌溉以及澆灌下的產(chǎn)量，而水分利用效率是?10 kPa灌溉的顯著地高于0、?5、?20 kPa灌溉以及澆灌，因此只有在適宜的壓力值下談論作物水分利用效率才是有意義的。從表1中可以看出，幾乎所有現(xiàn)有文獻均表明，適宜壓力下負壓灌溉的水分利用效率均顯著地高于畦灌、澆灌、滴灌等灌溉技術。茼蒿?8.0 kPa灌溉的產(chǎn)量比澆灌顯著提高了60.4%～76.8%、耗水量顯著減少了33.7%～37.9%、水分利用效率顯著提高了144.3%～149.9%。隨水施肥?5.0 kPa灌溉黃瓜的產(chǎn)量比漫灌顯著提高了324%、耗水量減少2.7%、水分利用效率顯著提高314%。但也有些作物，比如蘋果，產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率都增加了。

表1 2015年以來有關作物適宜負壓灌溉及其與對照的比較效果的研究

注：只是采用了2015年以后發(fā)表的文獻，而且有明確的對比試驗設計；*表示達到了顯著水平（<0.05）。

Note: The literatures used here have published since 2015, and have a specific comparative experimental design; * indicates significantly difference (<0.05).

2.2.3 負壓灌溉明顯地影響了作物生理生化指標

不少研究者發(fā)現(xiàn)負壓灌溉對作物生理生化指標產(chǎn)生了顯著影響，但是不同研究者的結(jié)果不完全相同，甚至相反。王相玲等[53]的試驗結(jié)果表明在0～?20 kPa范圍內(nèi)小白菜的維生素C和可溶性糖含量隨著供水壓力的降低而升高，但向艷艷等[37]的試驗表明在?5～?15 kPa的供水壓力范圍內(nèi)，小白菜根系活力隨著供水壓力的降低而顯著下降，脯氨酸含量則以?10.0 kPa處理最高，葉綠素含量和類胡蘿卜素則沒有明顯變化。李生平等[29]的研究表明澆灌黃瓜的可溶性蛋白、硝酸鹽顯著地大于?5 kPa灌溉，但是顯著地小于?10、?15 kPa灌溉，?5 kPa灌溉的可溶性糖、維生素C含量顯著地大于澆灌，顯著或不顯著地小于?10、?15 kPa灌溉。李生平等[30]的另外一項試驗結(jié)果顯示在0～?15 kPa的范圍內(nèi)，不同生育時期黃瓜的凈光合速率和葉片水分利用效率隨著壓力的增加先增加后減小，開花期、盛瓜期、末花期凈光合速率最大的供水壓力分別是?5、0、?5 kPa，葉片水分利用效率最大的供水壓力分別是?10、?5、?5 kPa。Gao等[62]在2016年、2017年進行的試驗中，?5 kPa負壓灌溉隨水施肥番茄的可溶性糖、維生素C的含量均顯著地高于澆灌隨水施肥，而植株體內(nèi)硝酸根含量卻正好相反。

2.2.4 適當?shù)呢搲汗喔蕊@著地提高作物養(yǎng)分吸收和肥料利用效率

養(yǎng)分在土壤中的運移與轉(zhuǎn)化、吸附與固定等過程與土壤水分密切相關，負壓灌溉改變了土壤水分變化過程，必然也會影響作物對養(yǎng)分的吸收和肥料利用效率。例如相比澆灌，?10 kPa灌溉烤煙鉀素吸收量提高了47.9%[54]，?5 kPa灌溉黃瓜的氮肥表觀利用率比澆灌提高了52.3%[31]。目前文獻表明幾乎所有的旱地作物均存在一個使得養(yǎng)分吸收量高于傳統(tǒng)灌溉的負壓灌溉壓力，但不適宜的負壓灌溉反而會顯著降低養(yǎng)分吸收和肥料利用率。

適宜負壓灌溉通過提高植株養(yǎng)分元素含量而提高養(yǎng)分吸收量。?5.0 kPa灌溉菠菜地上部氮含量顯著地大于澆灌，使得氮吸收量也顯著地大于澆灌，而磷鉀含量和吸收在2種灌水方式下均沒有明顯差別[39]。相比滴灌施肥，?5 kPa負壓灌溉施肥番茄的產(chǎn)量沒有明顯差別，但植株氮磷鉀含量顯著提高，使得氮磷鉀吸收量顯著增加了16.8%～23.1%、14.4%～15.2%、11.9～15.2%[62]。

適宜負壓灌溉通過提高植株生物量而提高了養(yǎng)分吸收量。?8 kPa灌溉和澆灌相比，菠菜、茼蒿的植株氮磷鉀含量和澆灌沒有明顯差別，但是生物量/產(chǎn)量顯著地提高了，導致氮磷鉀吸收量也顯著增加了[40-41]。紫葉生菜?5 kPa負壓灌溉與滴灌相比，植株氮磷含量沒有明顯差別，但產(chǎn)量顯著地提高了，使得氮磷吸收量顯著提高了33.5%、33.3%[26]。

適宜負壓灌溉同時提高植株生物量和養(yǎng)分元素含量而提高了養(yǎng)分吸收量。?5 kPa負壓灌溉與澆灌相比，紫葉生菜和番茄的產(chǎn)量、氮磷鉀含量顯著地提高了，導致紫葉生菜的氮磷鉀吸收量顯著提高了90.2%、92.6%、135.5%[26]，番茄氮磷鉀吸收量顯著增加了38.3%～52.9%、39.2%～60.3%、26.1%～39.9%。

適宜負壓灌溉通過減少施肥量而提高了肥料利用效率。宋燕燕等[28]發(fā)現(xiàn)在負壓隨水施肥條件下，減氮30%并添加 10%的硝化抑制劑和1%的HQ脲酶抑制劑，顯著提高油菜產(chǎn)量25.2%，提高氮肥利用率85.2%，硝酸鹽含量顯著降低51.9%，同時油菜品質(zhì)、養(yǎng)分吸收也有明顯提高。丁亞會等[67]的試驗表明烤煙?15 kPa灌溉隨水施鉀量可以比傳統(tǒng)土壤施鉀減少25%～50%。

適宜負壓灌溉之外的負壓灌溉一般將降低養(yǎng)分吸收和肥料利用率，而且主要是由于降低了產(chǎn)量而導致養(yǎng)分吸收量減少，例如黑龍江大慶辣椒的適宜負壓是?10 kPa，?15 kPa灌溉的產(chǎn)量、氮鉀吸收量顯著地少于澆灌，也更加少于適宜的?10 kPa灌溉[32]。但也有研究表明，即使不適宜的負壓灌溉沒有降低產(chǎn)量，也會顯著地降低養(yǎng)分吸收量，比如菠菜?12 kPa灌溉時的產(chǎn)量、氮鉀含量和澆灌沒有明顯差別，但氮鉀吸收量顯著地少于澆灌，更加少于適宜的?8 kPa灌溉[41]。

2.2.5 負壓灌溉下存在明顯的水肥耦合效應

在常規(guī)灌溉下，水肥耦合效應是普遍存在的，現(xiàn)有文獻同樣表明負壓灌溉供水壓力和施肥量、施肥方式之間也存在顯著的耦合效應。

適當?shù)氖┓柿吭鰪娏素搲汗喔鹊脑霎a(chǎn)增效作用。李生平等[30]發(fā)現(xiàn)負壓灌溉壓力值和施氮量對黃瓜的產(chǎn)量、水分利用效率、品質(zhì)指標等存在顯著的交互作用，施用氮肥的水分利用效率隨著供水壓力的降低而升高，不施氮肥的則反之。趙秀娟等[56]的研究結(jié)果顯示，小油菜?5 kPa灌溉隨水施肥下，產(chǎn)量最佳施肥量為225 kg/hm2，過低和過高施肥量均會造成產(chǎn)量顯著下降。Zhao等[63]的試驗表明，油菜?5 kPa灌溉隨水施肥的肥料濃度從0.15%增加到2.0%，將產(chǎn)生產(chǎn)量輕微下降，適當?shù)氖┓史绞胶头柿吓浞皆鰪娏素搲汗喔鹊脑霎a(chǎn)增效作用。丁亞會等[67]的試驗表明，烤煙在?15 kPa灌溉下，隨水施鉀比傳統(tǒng)土壤施鉀，生物量顯著提高18.7%～20.4%、耗水量提高6.8%～14.4%、水分利用效率提高9.9%～15.2%、鉀肥利用效率提高20.7～21.1個百分點、鉀素吸收量增加34.65～53.85 kg/hm2。趙秀娟等[57]的研究結(jié)果顯示，負壓灌溉隨水施肥條件下，適當提高鉀的配比可以提高黃瓜的產(chǎn)量并改善其品質(zhì)。

2.3 負壓灌溉對土壤生境的影響

土壤生境直接影響了作物對土壤水分養(yǎng)分的吸收以及水肥氣熱的協(xié)調(diào)性，最終影響了作物產(chǎn)量和質(zhì)量，研究負壓灌溉與土壤生境之間的關系，有助于解釋作物對負壓灌溉的響應機理。目前這方面的研究文獻較少，但現(xiàn)有文獻表明負壓灌溉對土壤生境有比較明顯的影響，主要表現(xiàn)在對土壤水分和養(yǎng)分的空間分布和有效性、土壤微生物種群結(jié)構等產(chǎn)生了影響。

2.3.1 負壓灌溉對土壤養(yǎng)分有效性和空間分布的影響

負壓灌溉對土壤養(yǎng)分有效性和空間分布的影響在不同文獻中并不完全相同，甚至矛盾，就其原因主要是不同供水負壓下土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和作物對養(yǎng)分吸收的不同。李生平等[31]研究表明，負壓灌溉能顯著提高0～25 cm 土壤硝態(tài)氮分布的均勻性，在整個黃瓜生育時期，灌溉壓力在0、?5、?10和?15 kPa 時，土壤硝態(tài)氮沿垂直方向的平均變異系數(shù)分別比常規(guī)水壓處理降低了58.6%、65.8%、64.0%和71.2%。Zhao等[63]也表明，相同施肥量和隨水施肥下的黃瓜，澆灌和滴灌5～25 cm土壤內(nèi)的硝酸根含量均顯著地高于?5 kPa負壓灌溉。李迪等[33]的試驗表明，?5.0～?15.0 kPa負壓灌溉辣椒下的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量顯著地高于澆灌，其中?5 kPa提高量最大。Gao等[62]在2016年—2017年進行的試驗表明，相比澆灌施肥，?5 kPa負壓灌溉施肥番茄根際土壤的堿解氮顯著減少了10.8%～19.8%、速效鉀含量顯著減少了14.5%～18.0%，出現(xiàn)了明顯的根際養(yǎng)分耗竭，說明負壓灌溉提高了作物的養(yǎng)分吸收能力。

2.3.2 負壓灌溉顯著地提高了土壤微生物多樣性和土壤酶活性

有少量文獻研究了負壓灌溉對根際土壤微生物的影響，結(jié)果相對比較一致。Zhao等[63]在黃瓜上的研究結(jié)果顯示，相比澆灌和滴灌，?5 kPa負壓灌溉顯著地提高了微生物多樣性指標值。高翔等[26-27]通過高通量測序紫葉生菜根際土壤微生物群落發(fā)現(xiàn)，相比漫灌和滴灌，負壓灌溉顯著提高了微生物多樣性指數(shù)，同時也提高了放線菌門（）、綠彎菌門（）、疣微菌門（）和浮霉菌門（）在細菌門分類上的相對豐度。Gao等[62]在2016年和2017年進行的試驗表明，相比漫灌施肥，番茄?5 kPa負壓灌溉施肥顯著地增加了根際土壤的細菌多樣性以及芽孢桿菌（）、鏈霉菌（）和黃色桿菌（）在屬級的豐度。同時，李迪等[33]的試驗表明，?5.0～?15.0 kPa負壓灌溉辣椒下的土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶等酶活性顯著地高于漫灌，其中?5 kPa提高量最大。

2.4 負壓供水下土壤水鹽的運移與分布規(guī)律

灌溉下的土壤水分空間分布是決定灌溉效果的重要因素，分析清楚土壤水分鹽分的空間分布規(guī)律對于正確運用灌溉技術是至關重要的。

2.4.1 負壓灌溉下水鹽分布的普遍性規(guī)律

在負壓灌溉下，理論上土壤水分將以灌水器為中心向外逐漸降低，初始干燥的土壤經(jīng)過一段時間負壓灌溉后所形成的濕潤體呈現(xiàn)為橢球體；供水壓力越大，相同時間的累積入滲量越大，水平和垂直方向的濕潤峰運移距離也就越大[19,68]。對于具體的某個負壓灌溉試驗，研究者們一般會發(fā)現(xiàn)，最大水平濕潤、垂直濕潤距離等與入滲時間之間的關系可以用數(shù)學函數(shù)加以描述。例如雷廷武等[19]、肖娟等[69]、鄭福麗等[70]發(fā)現(xiàn)最大水平濕潤、垂直濕潤距離（，cm）與入滲時間（，h）之間的關系符合指數(shù)函數(shù)=at（、為沒有具體物理意義的擬合參數(shù)，在不同供水壓力、不同土壤質(zhì)地下不同，在水平、垂直方向也不相同）。雷廷武等[19]還發(fā)現(xiàn)供水時間相同時累計入滲量、水平和垂直濕潤距離隨供水壓力升高呈指數(shù)函數(shù)變化關系。Wang等[46]發(fā)現(xiàn)負壓灌溉后，越靠近灌水器的位置鹽分含量越低，隨著與灌水器距離的增加呈現(xiàn)先升高后大幅降低的趨勢，負壓灌溉對灌水器周圍的土壤具有淋洗作用，并且隨著負壓的壓力降低，鹽分淋洗程度和土壤水分入滲減小。

2.4.2 土壤質(zhì)地顯著地影響了負壓灌溉下的水鹽運移

土壤質(zhì)地以及土壤剖面質(zhì)地構型對負壓灌溉下的水鹽分布和運移具有顯著的影響，江培福等[50]發(fā)現(xiàn)負壓灌溉后，黏壤土的累計入滲量、水平和垂直濕潤距離以及濕潤體體積均較砂壤土明顯增大。梁錦陶等[20]發(fā)現(xiàn)壤砂土的濕潤體體積顯著地大于砂壤土。丁亞會等[71]發(fā)現(xiàn)黑鈣土B層土壤的負壓滲水特性比A層差，同時間內(nèi)累積吸滲量較少，吸滲率降低速度更快。Wang等[46]發(fā)現(xiàn)，相同壓力和供水時間的水分入滲量由大到小為壤土、砂壤土、粉壤土、壤砂土，鹽分淋洗程度由大到小為粉壤土、砂壤土、壤土、壤砂土。進一步地，Wang等[72]發(fā)現(xiàn)當壤土下墊壤砂土時，供水7 d后有97%的灌溉水積累于表土層中，僅3%入滲到下層，蒸發(fā)量增加了22%，當壤土下墊粉質(zhì)黏壤土和黏壤土時，地表蒸發(fā)量降低了7%和2%，分層土壤中黏粒含量較高的土層在交界面處易發(fā)生鹽分積累現(xiàn)象，導致鹽分濃度過高。

2.4.3 負壓灌溉水分入滲模型

很多研究者希望用模型去闡述負壓灌溉的水分入滲特征，卻發(fā)現(xiàn)不同試驗條件下的適用模型往往是不同的。例如上官玉鐸等[73]發(fā)現(xiàn)Kostiakov模型能準確地描述負壓入滲率與時間的關系，丁亞會等[71]發(fā)現(xiàn)Kostiakov模型與Philip 模型都能很好地描述黑鈣土不同土層?5 kPa負壓灌溉入滲特征。建立通用性模型毫無疑問是很重要的，Wang等[74]認為負壓灌溉下的水分入滲量不僅僅取決于時間，也受到了灌水導水率K的影響、土壤初始基質(zhì)勢0和含水率θ0、供水壓力以及與其相對應的土壤含水率θ等因素的影響，基于以上參數(shù)建立了負壓灌溉累積灌水量的半機理半經(jīng)驗的數(shù)學模型：

3 負壓灌溉技術存在的主要問題

3.1 作物覆蓋率較低、大田間應用研究較少

目前負壓灌溉主要應用于蔬菜、特別是適合于大棚生產(chǎn)的淺根系蔬菜，如油菜、黃瓜、番茄、辣椒等。而在大田作物和果樹上的研究很少，至今沒有看到負壓灌溉技術在主糧馬鈴薯、小麥上的研究，在主糧玉米上也只有零星的研究。在果樹方面，也只有極少數(shù)文獻研究了負壓灌溉對蘋果的影響。同時，現(xiàn)有研究大多采用了盆栽試驗，或者是溫室下的小區(qū)試驗，除了在經(jīng)濟作物烤煙上有露天田間試驗研究外，其他作物的露天田間試驗幾乎沒有。以上情況顯然是不利于充分評價負壓灌溉技術的。

3.2 實現(xiàn)水肥一體化的難度較大，相關研究不足

水肥一體化技術是當今最高效的水分養(yǎng)分綜合管理技術，能夠顯著地節(jié)水節(jié)肥、提高水肥利用效率、提高作物產(chǎn)量質(zhì)量、省工省時。受制于作物本身的養(yǎng)分需求規(guī)律，施肥具有比較固定的時間節(jié)點，在溝灌、滴灌和噴灌等傳統(tǒng)灌溉技術下，灌溉水進入土壤、變成土壤水的時間完全由人決定，因此很容易實現(xiàn)水肥一體化。在負壓灌溉下，灌溉水進入土壤、變成土壤水的時間很大程度上由受控于氣象條件的作物蒸散過程決定，具體年份下氣象條件是非確定性變化的，很難準確預測具體日期負壓灌溉的灌溉量，通過灌溉水為作物適時適量地提供養(yǎng)分的技術難度很大，但這方面的研究非常少。雖然有些研究表明負壓灌溉水肥一體化具有很好的技術效果，但這些研究并沒有闡明負壓灌溉下水肥是否實現(xiàn)了同步以及如何調(diào)控水肥的同步性。

3.3 灌水器的堵塞問題沒有得到足夠的重視

目前負壓灌溉系統(tǒng)中大量使用的灌水器是陶瓷滲水器，而陶瓷灌水器的使用壽命很短，只有1～2 a，甚至更短，這主要是由于灌水器上的微孔發(fā)生了堵塞、滲水性能嚴重下降所致。但很少有研究關注灌水器堵塞的形成機制、以及阻斷技術。

4 作物主動汲水未來的研究建議

中國是人均耕地資源很少的農(nóng)業(yè)大國，也是農(nóng)業(yè)水資源短缺大國，農(nóng)田灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水量的90%以上，但其水分利用效率僅有0.8～1.0 kg/m3左右，持續(xù)提高農(nóng)業(yè)水資源的利用效率是保障中國農(nóng)業(yè)、糧食安全和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。如前所述，CIDW可以顯著地提高作物水分利用效率、降低灌溉用水量，其中O-CIDW還可以直接利用咸水、微咸水、海水等作為灌溉水源，這對濱海鹽土、內(nèi)陸鹽堿地、海島等土地資源的開發(fā)利用以及海上移動載體的蔬菜保障等具有重要的意義。因此，CIDW是解決中國灌溉淡水資源短缺、耕地資源不足的重要技術途徑，然而即使是得到了較多關注的P-CIDW，目前主要是在實驗室、田間小區(qū)中運用于科學研究，還沒有在生產(chǎn)中得到實際性的運用，主要原因是：相關的理論不夠完善、技術標準缺失、設備成本高、勢能轉(zhuǎn)化界面材料性能不良或者缺乏等，在未來的研發(fā)中應該圍繞以下幾個方面展開：

4.1 土壤水分-作物關系的基礎理論急需要有突破

土壤水分變化過程在作物主動汲水技術下與在傳統(tǒng)灌溉技術下有著巨大的差異，在澆灌、漫灌、溝灌、噴灌、滴灌等傳統(tǒng)灌溉技術下，土壤水分呈現(xiàn)出鋸齒式的劇烈變化，每次灌水均形成一個土壤含水率的跳躍性增加，然后逐漸減小，直到下次灌水再次跳躍性增加。而在作物主動汲水技術下，土壤含水率要平穩(wěn)的多。兩者的土壤水分時間變異性差異巨大，比如邊云等[41]發(fā)現(xiàn)負壓種植菠菜的土壤含水率的時間變異系數(shù)為0.039～0.052，而澆灌的為0.103。目前指導節(jié)水灌溉的重要理論-缺水補償理論、根冠通訊機制等均是在具有強時間變異的土壤水分條件下形成的，在作物主動汲水技術所形成的弱時間變異土壤水分條件下，這些理論、特別是缺水補償理論沒有了發(fā)揮空間，然而現(xiàn)有的大多數(shù)研究均表明：在沒有明顯減產(chǎn)、甚至增產(chǎn)的條件下，選擇適當負壓供水壓力，能使作物水分利用效率要顯著地高于傳統(tǒng)灌溉，比如朱國龍等[39]發(fā)現(xiàn)土壤含水率和土壤水分時間變異性共同影響了櫻桃蘿卜的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成，平均含水率基本相同時弱時間變異的土壤水分條件能夠促進植株生長發(fā)育，顯著提高櫻桃蘿卜的產(chǎn)量及水分利用效率，那么P-CIDW水分高效的機理是什么？目前還不清楚，將來應該至少從3個方面展開基礎性研究：1）作物對土壤水分時間變異的響應規(guī)律，重點從作物蒸騰耗水、光合特征、根源信號物質(zhì)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等方面展開深入的研究；2）土壤生境對土壤水分時間變異的響應規(guī)律及其對作物生長發(fā)育、產(chǎn)質(zhì)量的影響，重點研究土壤水分變異→根際微生物/土壤養(yǎng)分有效性→作物響應關系；3）作物主動汲水技術的物理節(jié)水機制，重點研究在CIDW下的土壤水分、養(yǎng)分、鹽分的空間分布特征以及土壤水分的蒸發(fā)和滲漏規(guī)律。

4.2 研發(fā)高效的勢能轉(zhuǎn)化界面材料仍然是作物主動汲水技術的關鍵任務

目前，P-CIDW的灌水器材料普遍是陶瓷，生產(chǎn)過程需要經(jīng)過燒結(jié)，很難制造出幾米以上長度的灌水器，而且陶瓷韌性差、易碎，因此利用陶瓷制造出實際生產(chǎn)需要的灌水器是很困難的，而且成本高昂，其成本至少要占整個系統(tǒng)總成本的90%以上，而且微孔堵塞問題還未得到有效解決。有機高分子負壓滲水材料，比如最近幾年研發(fā)的PVFM負壓滲水材料具有高導水性、柔韌性，其性能表現(xiàn)在實驗室土柱模擬、盆栽試驗和小區(qū)試驗中比陶瓷灌水器優(yōu)良很多，但其在土壤中的時間耐久性和環(huán)保性能、防堵性能等還沒有得到充分觀測，而且只是在實驗室進行了手工模具法生產(chǎn)，能否實現(xiàn)工廠化大規(guī)模生產(chǎn)還有待實證。因此，對于P-CIDW，以后應該重點研究有機負壓滲水材料，特別是工業(yè)和生活中常用的PVC、PE等材料的微孔化和親水性改性研究。另外，水泥基混凝土是高親水性微孔材料，不需要進行燒結(jié)，很容易制造出5 m甚至更長的管材，而且原料廣泛、價格便宜，理論上可用來制作負壓灌水器，然而現(xiàn)有水泥基混凝土的發(fā)泡方法、發(fā)泡劑主要是用來形成保溫、阻燃、防滲、隔音的建筑與裝飾材料，其孔隙往往是100m以上的閉孔，如何得到具有高滲水性、微米級的開孔結(jié)構、適合P-CIDW的水泥基發(fā)泡混凝土，還需要較多研究。

O-CIDW需要高性能的半透膜，盡管在市場上已有大量的半透膜，比如凈水處理中的反滲透膜、納濾膜，但是它們大多數(shù)是疏水的，不適合用于O-CIDW，有些雖然是親水的，但其滲透壓力往往在一個大氣壓以上，O-CIDW所需要的壓力差僅僅是幾個千帕至幾十個千帕，目前現(xiàn)有的絕大多數(shù)反滲透膜、納濾膜還不能直接為O-CIDW所直接運用。因此，必須大力研發(fā)超低壓力的、高通量的半透膜，只有在這個方面取得了突破，O-CIDW才能真正走上實用。

在G-CIDW下，外界水在進入土壤前要經(jīng)過長距離的非飽和水運動，材料的非飽和導水率至關重要。根據(jù)非飽和水浸潤的原理，需要得到的重力勢差越大（即水源水面與土壤之間的距離），毛管材料的實際輸水能力越弱。南紀琴等[15]根據(jù)試驗數(shù)據(jù)推算了3種毛管材料的毛管水理論上升高度在70～140 cm，但只有重力勢差小于3～4 kPa（即30～40 cm水柱）才有較佳的供水效果，而很多作物在CIDW下所需要的土壤基質(zhì)勢絕對值要大于4 kPa。盡管市面上具有毛細作用的毛管材料很多，但被證明為可以用于G-CIDW的卻很少，得到輸水速率和輸水高度俱佳的毛管材料還需要做很多工作。

4.3 盡快制定壓力勢差-作物主動汲水的技術標準

P-CIDW已經(jīng)有了大量的試驗研究，硬件設備相對成熟，初步具備了運用于實際生產(chǎn)的條件，應該盡快提出相關技術標準，為實際生產(chǎn)運用奠定基礎。重點要針對不同氣象、土壤等生態(tài)條件，建立作物的適宜壓力勢標準；規(guī)范化P-CIDW滲水器的性能參數(shù)和規(guī)格參數(shù)，對灌水器的負壓導水性、抗壓性、拉斷性等提出適合性要求，針對不同運用條件對滲水器的形狀、厚薄等規(guī)格提出要求；規(guī)范化設備田間安裝過程，重點要規(guī)范化儲水器至灌水器之間的輸送管道的材質(zhì)、大小、降比、抗壓性、柔韌性等參數(shù)，提出滲水器的埋設深度、埋設間隔等關鍵參數(shù)的標準；建立壓力控制標準，重點是提出壓力波動抑制措施、壓力的允許晝夜波動誤差。

4.4 壓力勢差-作物主動式土壤供水的控壓系統(tǒng)還需要革命性的創(chuàng)新

根據(jù)龍懷玉等[35]的分析，重液式（水銀）負壓閥因其體積小、質(zhì)量輕、精確度高、穩(wěn)定性好等特點，被認為是當今最為優(yōu)良的P-CIDW控壓技術。然而目前的重液式（水銀）負壓閥是用玻璃制造的，在實際使用過程中，如果發(fā)生破碎，將導致水銀的揮發(fā)，水銀蒸汽是對人體有害的，特別是在溫室、大棚等密封性比較強的設施農(nóng)業(yè)下，設備環(huán)保安全性尤其重要。另外，重液式（水銀）負壓閥的控壓值是固定的，如果需要在作物的不同生長階段設置不同的壓力值，就必須更換整個控壓裝置，有些不方便。因此，需要研發(fā)性能更加高效、體積更加小巧、質(zhì)量更加輕盈的負壓控制器，建議重點研究利用親水性微孔材料進行控壓的技術途徑。

5 結(jié) 論

負壓灌溉、毛管灌溉等新型灌溉技術的本質(zhì)特征是：以非飽和土壤作為能量和水分的傳播介質(zhì)，在作物根系和外部水之間建立起勢能動態(tài)平衡，以作物蒸騰耗水作為動力驅(qū)動外界水進入土壤變成土壤水、并運動到根際而被作物吸收，供水時間、供水強度、供水量等主要取決于作物的生理需求，作物很大程度上自主掌控著外界水變成土壤水的過程。因此可以將這些新型技術精簡為“作物主動汲水技術”（Crop Initiate Drawing Water, CIDW）。實現(xiàn)CIDW有4個前提條件：土壤必須是水分非飽和的，外界水的水勢恒定小于大氣壓，外界水與作物根系距離的有效性，高效的水分勢能差轉(zhuǎn)化界面。根據(jù)外界水的勢能特征，CIDW有壓力勢差（Pressure Potential Difference，P-CIDW）、滲透勢差（Osmotic Potential Difference，O-CIDW）和重力勢差（Gravitational Potential Difference，G-CIDW）等3種形式。

目前O-CIDW、G-CIDW還是概念性技術，離實際運用還很遙遠。P-CIDW硬件技術、理論基礎取得了長足進展，作物表現(xiàn)、土壤性能變化等也得到了大量研究，相比漫灌、溝灌、滴灌等傳統(tǒng)灌溉技術，適宜參數(shù)的P-CIDW能夠顯著地提高作物產(chǎn)量與水分利用效率、養(yǎng)分吸收和肥料利用率、根際土壤酶活性和微生物多樣性、水肥耦合效應，從提高水肥資源利用效率、降低環(huán)境風險、減少勞動強度等角度，P-CIDW具有顯著的比較優(yōu)勢。但是由于土壤水分—作物關系基礎理論相對滯后、技術標準缺失、設備成本高、負壓滲水材料性能不良等因素制約，田間推廣運用P-CIDW還相當困難，還需要更多的研究。

CIDW是解決中國灌溉淡水資源短缺、耕地資源不足的重要技術途徑。為了發(fā)展好、利用好這個技術，應該發(fā)展完善缺水補償效應、根冠通訊機制等指導節(jié)水灌溉的基礎理論，研發(fā)價格便宜的有機和水泥基微孔負壓滲水材料、高親水性和低反滲透壓力的半透性材料、輸水速率和輸水高度俱佳的毛管材料等高效的勢能轉(zhuǎn)化界面材料，研制P-CIDW田間運用技術標準，革新P-CIDW的壓力控制技術。

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Connotation and research progress of crop initiate water drawing technology

Long Huaiyu1, Wu Xueping1, Zhang Shuxiang1, Wang Jiajia1,2, Patrick J. Drohan3, Zhang Renlian1

(1.,,100081,; 2.100102,; 3.,,16802,)

Continuous technological innovation of farmland irrigation is a critical component of the strategy for dealing with the shortage of water resources and arable land resources around the world, and is a key to ensuring food security for a growing population especially in developing countries such as China. In this study, a Concept of Crop Initiate Drawing Water (CIDW) was proposed, and four basic preconditions for its included: 1) soil is always water unsaturated, and planted crops must be upland crops; 2) external water potential outside the soil-root system is maintained less than atmospheric pressure; 3) the distance between external water and crop roots is kept as short as possible; and 4) a high efficiency water permeable interface capable of enduring the matric potential difference and another form opposite potential difference. For CIDW, there is invariably matric potential difference between the external water and soil-root system, and another mainly opposite potential difference which determinates the operation mechanism and its category. According to the literature, three type of CIDW were identified, namely Pressure Potential Difference (P-CIDW), Osmotic Potential Difference (O-CIDW) and Gravitational Potential Difference (G-CIDW). The characteristics and operating conditions of the these three types of potential differences were analyzed and described. At present, the overwhelming majority of published studies of CIDW have focused on P-CIDW, only few studies have explored O-CIDW and G-CIDW. The significant advances in hardware included: 1) the form of negative pressure in the P-CIDW system has gradually changed from water pressure to air pressure; 2) the devices used to maintain negative pressure are now small, light, require no energy and are high precise(volume and weight are only one to ten percent of that of traditional devices); and 3) a new organic negative pressure water seepage material, namely Polyvinyl Formal (PVFM), has been invented and verified to be significantly superior to traditional materials like ceramics. At the same time, a large body of literature investigating the most efficient and suitable way to apply P-CIDW fully showed: 1) compared with traditional irrigation technologies such as flood irrigation, furrow irrigation and drip irrigation, P-CIDW with suitable parameters could significantly improve crop yield or water use efficiency, nutrient uptake, fertilizer utilization efficiency, enzyme activity, microbial diversity in the soil rhizosphere, and a coupling effect of water and fertilizer; 2) P-CIDW could significantly affect crop physiological and biochemical indexes and soil nutrient availability and spatial distribution, and whether those effects were beneficial or not depended on different research conditions; 3) soil texture and its profile configuration significantly affected soil water and salt transport and distribution under P-CIDW; and 4) by integrating initial soil moisture content and matrix potential, hydraulic conductivity of emitter, head of water supply and time, the cumulative infiltration under P-CIDW could be semi-theoretically and semi-empirically estimated. Finally, the future of CIDW was speculated on, and it concluded: 1) there was an urgent need to develop a basic theory explaining the soil moisture to crop relationship, 2) development of high efficient potential difference interface materials for CIDW was key; 3) the technical standards for P-CIDW should be formulated as soon as possible; and 4) the revolutionary innovation for methods of maintaining pressure in P-CIDW system was needed.

agriculture; irrigation; water resources; crop initiate drawing water; negative pressure; soil moisture-crop relationship

龍懷玉，武雪萍，張淑香，等. 作物主動汲水技術內(nèi)涵與研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(23)：139-152.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.017 http://www.tcsae.org

Long Huaiyu, Wu Xueping, Zhang Shuxiang, et al. Connotation and research progress of crop initiate water drawing technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 139-152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.017 http://www.tcsae.org

2020-07-23

2020-11-01

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFE0112300）；國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2013AA102901）

龍懷玉，博士，研究員，博士生導師，主要從事土壤水肥調(diào)控研究。Email：longhuaiyu@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.017

S275

A

1002-6819(2020)-23-0139-14