解决低流量下膜堵塞难题诸钧教授发明“痕量灌溉术”
2014-05-10 18:25:20
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据瞭望观察网2013年11月19日讯 “提到以色列这个国家，人们会很自然地想到它发达的科学技术，比如，农业方面的滴灌技术，已成为以色列的一张国家名片。我相信不久的将来，痕量灌溉技术也能成为中国的一张名片。”从事滴灌技术研究七八年的华中科技大学教授史玉升的这番话，说到了诸钧的心坎上。
诸钧是华中科技大学教授，痕量灌溉技术的发明人。经过十余年的潜心研发和千余亩面积的整体示范，这项节水效果十分显著的技术，被业内人士誉为节水灌溉技术的一场革命。
让植物也能享用上“自助餐”
今年47岁的诸钧1988年毕业于首都经贸大学工商行政管理专业，被分配至北京市朝阳区工商局工作，不久被抽调到由国家审计署、监察部、全国总工会等部门联合组成的“清理整顿办公室”，参与清理审查一些公司走私等非法行为。当年纷繁复杂的工作和环境让这位刚出校门的年轻人很不适应，1991年他辞去公职“下海”，希望在“海”里闯出一片天地。
“下海”头几年，他应聘过外资企业，干过北京*早的“农家乐”，还搞过旅游，后来应聘深圳一家固体水公司的总经理。“这家从事固体水生产和应用的公司引起了我的极大兴趣和好奇心，也改变了我的人生轨迹。”诸钧对本刊记者说。
诸钧说的这家固体水公司，就是通过技术将水固化用来种树或为其他种植物供水。具体而言，就是通过技术把水凝固成胶体，需要时可以把胶体切开，埋入土中，然后被土壤慢慢融化为植物供水，“不过产品的使用成本太高。”
诸钧说，“在产业化过程中，我发现，植物的用水量实际并不大。但我们的供水方式还是太粗放。比如滴灌技术，是公认的目前世界上节水效果*好的灌溉技术，但它一小时的水流量也达到2千克以上。它将水滴在地表，水量小的话还没渗入到植物根茎就蒸发了，水量大又会渗到根茎之下，存在很大浪费。而固化水技术的使用成本太高，很难大面积推广。”
在长期从事节水产品的研发实践中，诸钧发现，植物生长真正需要从土壤中吸收的水分很少，但需要持续吸水。“有没有一种技术，能根据植物自身的需求适时‘按需供水’，变目前人为供水为植物‘自主’吸水？”诸钧陷入了深思。
这位学了四年工商管理的“文科男”，工作之余频繁出入图书馆、高校了解各种灌溉方式，分析它们的长短优劣。
诸钧告诉记者，我国现在常用的节水灌溉方式主要有渠道防渗、喷灌、微喷灌、渗灌和滴灌等，但都属于“被动式”灌溉，人为控制灌溉时机和灌水量。滴灌虽好，但它也不能控制水的流量，因为要实现灌水器更小流量的灌水以及长距离铺设，就必须不断减小流道尺寸，由此带来了流道易堵塞及制造难等问题。一直没能解决的灌水器堵塞问题，已成了世界性难题。
诸钧希望能破解这道难题，并通过自己的努力，用物理的方法控制水的流量，以期与植物的需水规律相配合，让植物也能享用上“自助餐”。
发明痕量灌溉技术
“我父母都是大学的物理老师，受他们的影响，我的理科功底还不错。”一向对自己很有信心的诸钧，把所有的业余时间都用来做实验：研究不同孔隙与水头之间的关系、不同材料与水的过滤精度及水头过滤间的关系、不同膜材料的面积与控水头的面积间的关系，等等。
实验、失败、总结、再实验，一转眼就是五六年的时间。这期间，诸钧也想过放弃，但不服输的性格让他坚持了下来。终于，一种双层膜结构的控水头面世了。这一技术的研发成功，使我国节水灌溉领域的研究迈上了一个新台阶。
诸钧解释说，之前所有的节水灌溉使用的控水技术都可以理解为单层膜，包括滴灌、渗灌，即每一个出水孔既要控制出水又要被迫进行过滤。这两项职能是相互矛盾的。而痕灌是将这两项职能分解开，分别由两层特性完全相反的膜来承担：通过设置合理的痕灌膜与出水口毛细管头的面积比，可以制造出任意使用寿命的痕灌管。随着降低痕灌膜的透水流速，当面积比超过临界值后，痕灌膜不再发生堵塞。痕量灌溉真正实现了可以在任意低流量下长久工作、不会堵塞的目标，用全新的思路解决了低流量下易堵塞的世界性难题。
“之所以取名‘痕灌’，是受化学上微量元素与痕量元素概念的启发，主要指能在超微流量下向作物长久供水。确切地说，痕量灌溉就是以毛细力为基础力，按照植物的需求，以极其微小的速率（1～200毫升/小时）直接将水或营养液输送到植物根系附近，均匀、适量、不间断地湿润植物根层土壤的新型灌溉技术。而控制水流出量的装置，就是痕灌控水头。”
诸钧进一步解释说，由于痕灌在低流量下的稳定工作，使毛细灌溉成为现实，痕灌的毛细头可以感知土壤水势变化，与植物的实际需水相匹配。“植物生长需要多少水，就从控水头里吸多少水。控水头可以和植物的需水达成平衡。”
接受记者采访的几位业内专家表示，类似的毛细管灌溉设想国外也有人提出过，但因为无法解决低流量下堵塞等问题而仅仅停留在设想阶段。诸钧这项技术的创新之处，就在于引进膜技术配合纳米材料制成的毛细管束，形成结构独特的控水头，解决了控水头堵塞难题。“不是对滴灌技术的‘修修补补’，而是从原理、制造、适应水质要求等方面，进行了系统变革。”
中国农业大学资源与环境学院资源科学中心主任黄元仿教授说，痕量灌溉技术采用的膜技术避免滴头堵塞的思路创新性很强，设备也很新颖。这一灌溉新技术，不仅有利于实现更大幅度的节水，而且对现行的土肥技术、植物栽培技术都可能带来很大的创新空间。
2012年5月中旬，水利部中国灌溉排水发展中心发布《关于痕量灌溉技术的调研报告》指出，痕量灌溉技术是一项自主研发的创新技术，其田间生产示范效果良好，以滴灌对照，痕灌不需要动力设备和首部过滤设备，其节水效率为43～58%，经济产量增幅为0～14%，水分利用率增幅为80～173.2%；痕灌的控水头比普通滴头抗堵性强，毛管铺设长度可达600米，是滴灌毛管铺设长度的5～10倍，省工36.4～57.9%。
推广远比想象的复杂
1970年代末引进的滴灌技术，历经30余年，已在我国广泛应用。诸钧深知，即使痕灌技术节水效果更显著、技术优势更明显，一时也很难撼动滴灌技术在农业灌溉方面的“龙头”地位，更遑论替代。“可是这项技术研发的初衷就是为了更好地节水，总不能写两篇论文就算完事儿。”
为了推广这一新型节水技术，2004年诸钧和几位志同道合的伙伴成立了“普泉”公司，寓意“普及泉水”，希望痕灌技术的每个出水点就像一个泉眼，一直流淌，永不堵塞。
但痕灌技术的推广远比想象的要复杂。
诸钧说，“为了展示痕灌技术在低压运行中低流量不堵塞的优势，我们养过花，做过‘花卉壁画’工艺品；2011年国庆，北京长安街上一个高8米、宽8米的嵌草牌楼，利用的就是痕灌技术；2012年7月，北京海淀区在万柳东路、上清桥南主辅隔离带的绿地上也引入了痕灌技术，目前已建成360延米。”
为了推广痕灌技术，公司还免费为种植户提供成套设备。北京海淀区农民白永江说，他用一亩地种萝卜，同时间内使用滴灌浇地需要86立方米水，用痕灌技术只需要48立方米水。从产量计算，用痕灌为5253公斤，滴灌为4799公斤。同时，采用痕灌技术种出的萝卜个头大、长得直，口感甜而不辣，而且地上不长草，少了病虫，土质也好。
诸钧解释说，痕灌技术是地下灌溉，这使地表能始终保持干燥，同时避免灌溉过量造成的土质疏松、土壤板结和反盐碱等弊病。使用痕灌技术能按照作物耗水规律适时、适量、均匀而又缓慢地供水供肥，没有蒸发或渗漏损失，并且能够使作物根系层土壤长期保持在watechliuhede水分、通气和养分状态，所以蔬菜大棚里也不容易长杂草、生虫病，农药也用得少，能实现无公害栽培。
“使用了这项技术的种植户都说痕灌节水效果非常好，但他们表示，自己还是会选用滴灌，因为国家有补贴。”诸钧无奈地说，为了筹措推广资金，2007年他把自己的住房都卖了，“就是觉得国家这么缺水，既然这项技术可以大量节约水资源，能为国家作份贡献也值了。”
自2007年起，诸钧带领他的同事连续5年在北京海淀、昌平等地以蔬菜、果树、花卉三大类九种作物为研究对象，先后对痕灌系统的各项指标进行了试验研究。目前，已在北京、新疆、内蒙古、广西等地的1800亩露地及120座温室中，完成了痕灌技术的中等规模试验示范。
宁夏水利科学研究院副院长刘学军说，由他们引进的痕灌技术在贺兰山东麓葡萄种植试验基地进行的为期一年的试验结果显示，痕灌不仅比滴灌技术节水40～60%，其铺设长度远超滴灌200米的极限，达到350米；还能通过独特的控水头完成对水源的自动过滤；并且能在灌溉的同时添加化肥，提高化肥的利用率避免生态污染。
“节水、防泥沙堵塞和长距离均匀供水是痕灌的三大技术优势。”宁夏大学教授张维江认为，痕灌技术不仅在以沙地为主的宁夏中部干旱带具有广阔的发展前景，在全国甚至世界范围内都可推广应用。
来自新疆水利厅的消息称，新疆2014年将扩大试验范围，在鄯善、哈密、玛纳斯、沙雅等地试验痕灌技术，仅哈密一处种植大枣的试验基地，就将由今年的50亩扩大到明年的500亩，用一眼机井控制原来两眼机井灌溉的面积。若试验成功，将对新疆工农业生产产生重大影响。
“目前我们已申请并获得多项国内外发明专利认证，但还没有获得过国家级的科技奖励，没有一个过硬的‘标签’，更没有政府补贴。即使技术优势明显，也很难为使用者首选。但我们一直在努力，更希望得到国家在政策上和产业化方面的支持。”诸钧憧憬道。