解決低流量下膜堵塞難題諸鈞教授發(fā)明“痕量灌溉術(shù)”
2014-05-10 18:25:20
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據(jù)瞭望觀察網(wǎng)2013年11月19日訊 “提到以色列這個(gè)國(guó)家，人們會(huì)很自然地想到它發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)，比如，農(nóng)業(yè)方面的滴灌技術(shù)，已成為以色列的一張國(guó)家名片。我相信不久的將來(lái)，痕量灌溉技術(shù)也能成為中國(guó)的一張名片?！睆氖碌喂嗉夹g(shù)研究七八年的華中科技大學(xué)教授史玉升的這番話，說(shuō)到了諸鈞的心坎上。
諸鈞是華中科技大學(xué)教授，痕量灌溉技術(shù)的發(fā)明人。經(jīng)過(guò)十余年的潛心研發(fā)和千余畝面積的整體示范，這項(xiàng)節(jié)水效果十分顯著的技術(shù)，被業(yè)內(nèi)人士譽(yù)為節(jié)水灌溉技術(shù)的一場(chǎng)革命。
讓植物也能享用上“自助餐”
今年47歲的諸鈞1988年畢業(yè)于首都經(jīng)貿(mào)大學(xué)工商行政管理專業(yè)，被分配至北京市朝陽(yáng)區(qū)工商局工作，不久被抽調(diào)到由國(guó)家審計(jì)署、監(jiān)察部、全國(guó)總工會(huì)等部門聯(lián)合組成的“清理整頓辦公室”，參與清理審查一些公司走私等非法行為。當(dāng)年紛繁復(fù)雜的工作和環(huán)境讓這位剛出校門的年輕人很不適應(yīng)，1991年他辭去公職“下?！保Ｍ凇昂！崩镪J出一片天地。
“下?！鳖^幾年，他應(yīng)聘過(guò)外資企業(yè)，干過(guò)北京*早的“農(nóng)家樂(lè)”，還搞過(guò)旅游，后來(lái)應(yīng)聘深圳一家固體水公司的總經(jīng)理?！斑@家從事固體水生產(chǎn)和應(yīng)用的公司引起了我的極大興趣和好奇心，也改變了我的人生軌跡?！敝T鈞對(duì)本刊記者說(shuō)。
諸鈞說(shuō)的這家固體水公司，就是通過(guò)技術(shù)將水固化用來(lái)種樹或?yàn)槠渌N植物供水。具體而言，就是通過(guò)技術(shù)把水凝固成膠體，需要時(shí)可以把膠體切開，埋入土中，然后被土壤慢慢融化為植物供水，“不過(guò)產(chǎn)品的使用成本太高。”
諸鈞說(shuō)，“在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)，植物的用水量實(shí)際并不大。但我們的供水方式還是太粗放。比如滴灌技術(shù)，是公認(rèn)的目前世界上節(jié)水效果*好的灌溉技術(shù)，但它一小時(shí)的水流量也達(dá)到2千克以上。它將水滴在地表，水量小的話還沒(méi)滲入到植物根莖就蒸發(fā)了，水量大又會(huì)滲到根莖之下，存在很大浪費(fèi)。而固化水技術(shù)的使用成本太高，很難大面積推廣。”
在長(zhǎng)期從事節(jié)水產(chǎn)品的研發(fā)實(shí)踐中，諸鈞發(fā)現(xiàn)，植物生長(zhǎng)真正需要從土壤中吸收的水分很少，但需要持續(xù)吸水?！坝袥](méi)有一種技術(shù)，能根據(jù)植物自身的需求適時(shí)‘按需供水’，變目前人為供水為植物‘自主’吸水？”諸鈞陷入了深思。
這位學(xué)了四年工商管理的“文科男”，工作之余頻繁出入圖書館、高校了解各種灌溉方式，分析它們的長(zhǎng)短優(yōu)劣。
諸鈞告訴記者，我國(guó)現(xiàn)在常用的節(jié)水灌溉方式主要有渠道防滲、噴灌、微噴灌、滲灌和滴灌等，但都屬于“被動(dòng)式”灌溉，人為控制灌溉時(shí)機(jī)和灌水量。滴灌雖好，但它也不能控制水的流量，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)灌水器更小流量的灌水以及長(zhǎng)距離鋪設(shè)，就必須不斷減小流道尺寸，由此帶來(lái)了流道易堵塞及制造難等問(wèn)題。一直沒(méi)能解決的灌水器堵塞問(wèn)題，已成了世界性難題。
諸鈞希望能破解這道難題，并通過(guò)自己的努力，用物理的方法控制水的流量，以期與植物的需水規(guī)律相配合，讓植物也能享用上“自助餐”。
發(fā)明痕量灌溉技術(shù)
“我父母都是大學(xué)的物理老師，受他們的影響，我的理科功底還不錯(cuò)。”一向?qū)ψ约汉苡行判牡闹T鈞，把所有的業(yè)余時(shí)間都用來(lái)做實(shí)驗(yàn)：研究不同孔隙與水頭之間的關(guān)系、不同材料與水的過(guò)濾精度及水頭過(guò)濾間的關(guān)系、不同膜材料的面積與控水頭的面積間的關(guān)系，等等。
實(shí)驗(yàn)、失敗、總結(jié)、再實(shí)驗(yàn)，一轉(zhuǎn)眼就是五六年的時(shí)間。這期間，諸鈞也想過(guò)放棄，但不服輸?shù)男愿褡屗麍?jiān)持了下來(lái)。終于，一種雙層膜結(jié)構(gòu)的控水頭面世了。這一技術(shù)的研發(fā)成功，使我國(guó)節(jié)水灌溉領(lǐng)域的研究邁上了一個(gè)新臺(tái)階。
諸鈞解釋說(shuō)，之前所有的節(jié)水灌溉使用的控水技術(shù)都可以理解為單層膜，包括滴灌、滲灌，即每一個(gè)出水孔既要控制出水又要被迫進(jìn)行過(guò)濾。這兩項(xiàng)職能是相互矛盾的。而痕灌是將這兩項(xiàng)職能分解開，分別由兩層特性完全相反的膜來(lái)承擔(dān)：通過(guò)設(shè)置合理的痕灌膜與出水口毛細(xì)管頭的面積比，可以制造出任意使用壽命的痕灌管。隨著降低痕灌膜的透水流速，當(dāng)面積比超過(guò)臨界值后，痕灌膜不再發(fā)生堵塞。痕量灌溉真正實(shí)現(xiàn)了可以在任意低流量下長(zhǎng)久工作、不會(huì)堵塞的目標(biāo)，用全新的思路解決了低流量下易堵塞的世界性難題。
“之所以取名‘痕灌’，是受化學(xué)上微量元素與痕量元素概念的啟發(fā)，主要指能在超微流量下向作物長(zhǎng)久供水。確切地說(shuō)，痕量灌溉就是以毛細(xì)力為基礎(chǔ)力，按照植物的需求，以極其微小的速率（1～200毫升/小時(shí)）直接將水或營(yíng)養(yǎng)液輸送到植物根系附近，均勻、適量、不間斷地濕潤(rùn)植物根層土壤的新型灌溉技術(shù)。而控制水流出量的裝置，就是痕灌控水頭?！?BR> 諸鈞進(jìn)一步解釋說(shuō)，由于痕灌在低流量下的穩(wěn)定工作，使毛細(xì)灌溉成為現(xiàn)實(shí)，痕灌的毛細(xì)頭可以感知土壤水勢(shì)變化，與植物的實(shí)際需水相匹配。“植物生長(zhǎng)需要多少水，就從控水頭里吸多少水?？厮^可以和植物的需水達(dá)成平衡。”
接受記者采訪的幾位業(yè)內(nèi)專家表示，類似的毛細(xì)管灌溉設(shè)想國(guó)外也有人提出過(guò)，但因?yàn)闊o(wú)法解決低流量下堵塞等問(wèn)題而僅僅停留在設(shè)想階段。諸鈞這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新之處，就在于引進(jìn)膜技術(shù)配合納米材料制成的毛細(xì)管束，形成結(jié)構(gòu)獨(dú)特的控水頭，解決了控水頭堵塞難題?！安皇菍?duì)滴灌技術(shù)的‘修修補(bǔ)補(bǔ)’，而是從原理、制造、適應(yīng)水質(zhì)要求等方面，進(jìn)行了系統(tǒng)變革?！?BR> 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院資源科學(xué)中心主任黃元仿教授說(shuō)，痕量灌溉技術(shù)采用的膜技術(shù)避免滴頭堵塞的思路創(chuàng)新性很強(qiáng)，設(shè)備也很新穎。這一灌溉新技術(shù)，不僅有利于實(shí)現(xiàn)更大幅度的節(jié)水，而且對(duì)現(xiàn)行的土肥技術(shù)、植物栽培技術(shù)都可能帶來(lái)很大的創(chuàng)新空間。
2012年5月中旬，水利部中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心發(fā)布《關(guān)于痕量灌溉技術(shù)的調(diào)研報(bào)告》指出，痕量灌溉技術(shù)是一項(xiàng)自主研發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)，其田間生產(chǎn)示范效果良好，以滴灌對(duì)照，痕灌不需要?jiǎng)恿υO(shè)備和首部過(guò)濾設(shè)備，其節(jié)水效率為43～58%，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量增幅為0～14%，水分利用率增幅為80～173.2%；痕灌的控水頭比普通滴頭抗堵性強(qiáng)，毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度可達(dá)600米，是滴灌毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的5～10倍，省工36.4～57.9%。
推廣遠(yuǎn)比想象的復(fù)雜
1970年代末引進(jìn)的滴灌技術(shù)，歷經(jīng)30余年，已在我國(guó)廣泛應(yīng)用。諸鈞深知，即使痕灌技術(shù)節(jié)水效果更顯著、技術(shù)優(yōu)勢(shì)更明顯，一時(shí)也很難撼動(dòng)滴灌技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉方面的“龍頭”地位，更遑論替代?！翱墒沁@項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的初衷就是為了更好地節(jié)水，總不能寫兩篇論文就算完事兒?！?BR> 為了推廣這一新型節(jié)水技術(shù)，2004年諸鈞和幾位志同道合的伙伴成立了“普泉”公司，寓意“普及泉水”，希望痕灌技術(shù)的每個(gè)出水點(diǎn)就像一個(gè)泉眼，一直流淌，永不堵塞。
但痕灌技術(shù)的推廣遠(yuǎn)比想象的要復(fù)雜。
諸鈞說(shuō)，“為了展示痕灌技術(shù)在低壓運(yùn)行中低流量不堵塞的優(yōu)勢(shì)，我們養(yǎng)過(guò)花，做過(guò)‘花卉壁畫’工藝品；2011年國(guó)慶，北京長(zhǎng)安街上一個(gè)高8米、寬8米的嵌草牌樓，利用的就是痕灌技術(shù)；2012年7月，北京海淀區(qū)在萬(wàn)柳東路、上清橋南主輔隔離帶的綠地上也引入了痕灌技術(shù)，目前已建成360延米?！?BR> 為了推廣痕灌技術(shù)，公司還免費(fèi)為種植戶提供成套設(shè)備。北京海淀區(qū)農(nóng)民白永江說(shuō)，他用一畝地種蘿卜，同時(shí)間內(nèi)使用滴灌澆地需要86立方米水，用痕灌技術(shù)只需要48立方米水。從產(chǎn)量計(jì)算，用痕灌為5253公斤，滴灌為4799公斤。同時(shí)，采用痕灌技術(shù)種出的蘿卜個(gè)頭大、長(zhǎng)得直，口感甜而不辣，而且地上不長(zhǎng)草，少了病蟲，土質(zhì)也好。
諸鈞解釋說(shuō)，痕灌技術(shù)是地下灌溉，這使地表能始終保持干燥，同時(shí)避免灌溉過(guò)量造成的土質(zhì)疏松、土壤板結(jié)和反鹽堿等弊病。使用痕灌技術(shù)能按照作物耗水規(guī)律適時(shí)、適量、均勻而又緩慢地供水供肥，沒(méi)有蒸發(fā)或滲漏損失，并且能夠使作物根系層土壤長(zhǎng)期保持在watechliuhede水分、通氣和養(yǎng)分狀態(tài)，所以蔬菜大棚里也不容易長(zhǎng)雜草、生蟲病，農(nóng)藥也用得少，能實(shí)現(xiàn)無(wú)公害栽培。
“使用了這項(xiàng)技術(shù)的種植戶都說(shuō)痕灌節(jié)水效果非常好，但他們表示，自己還是會(huì)選用滴灌，因?yàn)閲?guó)家有補(bǔ)貼。”諸鈞無(wú)奈地說(shuō)，為了籌措推廣資金，2007年他把自己的住房都賣了，“就是覺(jué)得國(guó)家這么缺水，既然這項(xiàng)技術(shù)可以大量節(jié)約水資源，能為國(guó)家作份貢獻(xiàn)也值了?！?BR> 自2007年起，諸鈞帶領(lǐng)他的同事連續(xù)5年在北京海淀、昌平等地以蔬菜、果樹、花卉三大類九種作物為研究對(duì)象，先后對(duì)痕灌系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。目前，已在北京、新疆、內(nèi)蒙古、廣西等地的1800畝露地及120座溫室中，完成了痕灌技術(shù)的中等規(guī)模試驗(yàn)示范。
寧夏水利科學(xué)研究院副院長(zhǎng)劉學(xué)軍說(shuō)，由他們引進(jìn)的痕灌技術(shù)在賀蘭山東麓葡萄種植試驗(yàn)基地進(jìn)行的為期一年的試驗(yàn)結(jié)果顯示，痕灌不僅比滴灌技術(shù)節(jié)水40～60%，其鋪設(shè)長(zhǎng)度遠(yuǎn)超滴灌200米的極限，達(dá)到350米；還能通過(guò)獨(dú)特的控水頭完成對(duì)水源的自動(dòng)過(guò)濾；并且能在灌溉的同時(shí)添加化肥，提高化肥的利用率避免生態(tài)污染。
“節(jié)水、防泥沙堵塞和長(zhǎng)距離均勻供水是痕灌的三大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。”寧夏大學(xué)教授張維江認(rèn)為，痕灌技術(shù)不僅在以沙地為主的寧夏中部干旱帶具有廣闊的發(fā)展前景，在全國(guó)甚至世界范圍內(nèi)都可推廣應(yīng)用。
來(lái)自新疆水利廳的消息稱，新疆2014年將擴(kuò)大試驗(yàn)范圍，在鄯善、哈密、瑪納斯、沙雅等地試驗(yàn)痕灌技術(shù)，僅哈密一處種植大棗的試驗(yàn)基地，就將由今年的50畝擴(kuò)大到明年的500畝，用一眼機(jī)井控制原來(lái)兩眼機(jī)井灌溉的面積。若試驗(yàn)成功，將對(duì)新疆工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。
“目前我們已申請(qǐng)并獲得多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利認(rèn)證，但還沒(méi)有獲得過(guò)國(guó)家級(jí)的科技獎(jiǎng)勵(lì)，沒(méi)有一個(gè)過(guò)硬的‘標(biāo)簽’，更沒(méi)有政府補(bǔ)貼。即使技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，也很難為使用者首選。但我們一直在努力，更希望得到國(guó)家在政策上和產(chǎn)業(yè)化方面的支持。”諸鈞憧憬道。