解決低流量下膜堵塞難題諸鈞教授發明“痕量灌溉術”
2014-05-10 18:25:20
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據瞭望觀察網2013年11月19日訊 “提到以色列這個國家，人們會很自然地想到它發達的科學技術，比如，農業方面的滴灌技術，已成為以色列的一張國家名片。我相信不久的將來，痕量灌溉技術也能成為中國的一張名片。”從事滴灌技術研究七八年的華中科技大學教授史玉升的這番話，說到了諸鈞的心坎上。
諸鈞是華中科技大學教授，痕量灌溉技術的發明人。經過十余年的潛心研發和千余畝面積的整體示范，這項節水效果十分顯著的技術，被業內人士譽為節水灌溉技術的一場革命。
讓植物也能享用上“自助餐”
今年47歲的諸鈞1988年畢業于首都經貿大學工商行政管理專業，被分配至北京市朝陽區工商局工作，不久被抽調到由國家審計署、監察部、全國總工會等部門聯合組成的“清理整頓辦公室”，參與清理審查一些公司走私等非法行為。當年紛繁復雜的工作和環境讓這位剛出校門的年輕人很不適應，1991年他辭去公職“下海”，希望在“海”里闖出一片天地。
“下海”頭幾年，他應聘過外資企業，干過北京*早的“農家樂”，還搞過旅游，后來應聘深圳一家固體水公司的總經理。“這家從事固體水生產和應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。”諸鈞對本刊記者說。
諸鈞說的這家固體水公司，就是通過技術將水固化用來種樹或為其他種植物供水。具體而言，就是通過技術把水凝固成膠體，需要時可以把膠體切開，埋入土中，然后被土壤慢慢融化為植物供水，“不過產品的使用成本太高。”
諸鈞說，“在產業化過程中，我發現，植物的用水量實際并不大。但我們的供水方式還是太粗放。比如滴灌技術，是公認的目前世界上節水效果*好的灌溉技術，但它一小時的水流量也達到2千克以上。它將水滴在地表，水量小的話還沒滲入到植物根莖就蒸發了，水量大又會滲到根莖之下，存在很大浪費。而固化水技術的使用成本太高，很難大面積推廣。”
在長期從事節水產品的研發實踐中，諸鈞發現，植物生長真正需要從土壤中吸收的水分很少，但需要持續吸水。“有沒有一種技術，能根據植物自身的需求適時‘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，分析它們的長短優劣。
諸鈞告訴記者，我國現在常用的節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“被動式”灌溉，人為控制灌溉時機和灌水量。滴灌雖好，但它也不能控制水的流量，因為要實現灌水器更小流量的灌水以及長距離鋪設，就必須不斷減小流道尺寸，由此帶來了流道易堵塞及制造難等問題。一直沒能解決的灌水器堵塞問題，已成了世界性難題。
諸鈞希望能破解這道難題，并通過自己的努力，用物理的方法控制水的流量，以期與植物的需水規律相配合，讓植物也能享用上“自助餐”。
發明痕量灌溉技術
“我父母都是大學的物理老師，受他們的影響，我的理科功底還不錯。”一向對自己很有信心的諸鈞，把所有的業余時間都用來做實驗：研究不同孔隙與水頭之間的關系、不同材料與水的過濾精度及水頭過濾間的關系、不同膜材料的面積與控水頭的面積間的關系，等等。
實驗、失敗、總結、再實驗，一轉眼就是五六年的時間。這期間，諸鈞也想過放棄，但不服輸的性格讓他堅持了下來。終于，一種雙層膜結構的控水頭面世了。這一技術的研發成功，使我國節水灌溉領域的研究邁上了一個新臺階。
諸鈞解釋說，之前所有的節水灌溉使用的控水技術都可以理解為單層膜，包括滴灌、滲灌，即每一個出水孔既要控制出水又要被迫進行過濾。這兩項職能是相互矛盾的。而痕灌是將這兩項職能分解開，分別由兩層特性完全相反的膜來承擔：通過設置合理的痕灌膜與出水口毛細管頭的面積比，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，當面積比超過臨界值后，痕灌膜不再發生堵塞。痕量灌溉真正實現了可以在任意低流量下長久工作、不會堵塞的目標，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’，是受化學上微量元素與痕量元素概念的啟發，主要指能在超微流量下向作物長久供水。確切地說，痕量灌溉就是以毛細力為基礎力，按照植物的需求，以極其微小的速率（1～200毫升/小時）直接將水或營養液輸送到植物根系附近，均勻、適量、不間斷地濕潤植物根層土壤的新型灌溉技術。而控制水流出量的裝置，就是痕灌控水頭。”
諸鈞進一步解釋說，由于痕灌在低流量下的穩定工作，使毛細灌溉成為現實，痕灌的毛細頭可以感知土壤水勢變化，與植物的實際需水相匹配。“植物生長需要多少水，就從控水頭里吸多少水。控水頭可以和植物的需水達成平衡。”
接受記者采訪的幾位業內專家表示，類似的毛細管灌溉設想國外也有人提出過，但因為無法解決低流量下堵塞等問題而僅僅停留在設想階段。諸鈞這項技術的創新之處，就在于引進膜技術配合納米材料制成的毛細管束，形成結構獨特的控水頭，解決了控水頭堵塞難題。“不是對滴灌技術的‘修修補補’，而是從原理、制造、適應水質要求等方面，進行了系統變革。”
中國農業大學資源與環境學院資源科學中心主任黃元仿教授說，痕量灌溉技術采用的膜技術避免滴頭堵塞的思路創新性很強，設備也很新穎。這一灌溉新技術，不僅有利于實現更大幅度的節水，而且對現行的土肥技術、植物栽培技術都可能帶來很大的創新空間。
2012年5月中旬，水利部中國灌溉排水發展中心發布《關于痕量灌溉技術的調研報告》指出，痕量灌溉技術是一項自主研發的創新技術，其田間生產示范效果良好，以滴灌對照，痕灌不需要動力設備和首部過濾設備，其節水效率為43～58%，經濟產量增幅為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，毛管鋪設長度可達600米，是滴灌毛管鋪設長度的5～10倍，省工36.4～57.9%。
推廣遠比想象的復雜
1970年代末引進的滴灌技術，歷經30余年，已在我國廣泛應用。諸鈞深知，即使痕灌技術節水效果更顯著、技術優勢更明顯，一時也很難撼動滴灌技術在農業灌溉方面的“龍頭”地位，更遑論替代。“可是這項技術研發的初衷就是為了更好地節水，總不能寫兩篇論文就算完事兒。”
為了推廣這一新型節水技術，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”，希望痕灌技術的每個出水點就像一個泉眼，一直流淌，永不堵塞。
但痕灌技術的推廣遠比想象的要復雜。
諸鈞說，“為了展示痕灌技術在低壓運行中低流量不堵塞的優勢，我們養過花，做過‘花卉壁畫’工藝品；2011年國慶，北京長安街上一個高8米、寬8米的嵌草牌樓，利用的就是痕灌技術；2012年7月，北京海淀區在萬柳東路、上清橋南主輔隔離帶的綠地上也引入了痕灌技術，目前已建成360延米。”
為了推廣痕灌技術，公司還免費為種植戶提供成套設備。北京海淀區農民白永江說，他用一畝地種蘿卜，同時間內使用滴灌澆地需要86立方米水，用痕灌技術只需要48立方米水。從產量計算，用痕灌為5253公斤，滴灌為4799公斤。同時，采用痕灌技術種出的蘿卜個頭大、長得直，口感甜而不辣，而且地上不長草，少了病蟲，土質也好。
諸鈞解釋說，痕灌技術是地下灌溉，這使地表能始終保持干燥，同時避免灌溉過量造成的土質疏松、土壤板結和反鹽堿等弊病。使用痕灌技術能按照作物耗水規律適時、適量、均勻而又緩慢地供水供肥，沒有蒸發或滲漏損失，并且能夠使作物根系層土壤長期保持在watechliuhede水分、通氣和養分狀態，所以蔬菜大棚里也不容易長雜草、生蟲病，農藥也用得少，能實現無公害栽培。
“使用了這項技術的種植戶都說痕灌節水效果非常好，但他們表示，自己還是會選用滴灌，因為國家有補貼。”諸鈞無奈地說，為了籌措推廣資金，2007年他把自己的住房都賣了，“就是覺得國家這么缺水，既然這項技術可以大量節約水資源，能為國家作份貢獻也值了。”
自2007年起，諸鈞帶領他的同事連續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象，先后對痕灌系統的各項指標進行了試驗研究。目前，已在北京、新疆、內蒙古、廣西等地的1800畝露地及120座溫室中，完成了痕灌技術的中等規模試驗示范。
寧夏水利科學研究院副院長劉學軍說，由他們引進的痕灌技術在賀蘭山東麓葡萄種植試驗基地進行的為期一年的試驗結果顯示，痕灌不僅比滴灌技術節水40～60%，其鋪設長度遠超滴灌200米的極限，達到350米；還能通過獨特的控水頭完成對水源的自動過濾；并且能在灌溉的同時添加化肥，提高化肥的利用率避免生態污染。
“節水、防泥沙堵塞和長距離均勻供水是痕灌的三大技術優勢。”寧夏大學教授張維江認為，痕灌技術不僅在以沙地為主的寧夏中部干旱帶具有廣闊的發展前景，在全國甚至世界范圍內都可推廣應用。
來自新疆水利廳的消息稱，新疆2014年將擴大試驗范圍，在鄯善、哈密、瑪納斯、沙雅等地試驗痕灌技術，僅哈密一處種植大棗的試驗基地，就將由今年的50畝擴大到明年的500畝，用一眼機井控制原來兩眼機井灌溉的面積。若試驗成功，將對新疆工農業生產產生重大影響。
“目前我們已申請并獲得多項國內外發明專利認證，但還沒有獲得過國家級的科技獎勵，沒有一個過硬的‘標簽’，更沒有政府補貼。即使技術優勢明顯，也很難為使用者首選。但我們一直在努力，更希望得到國家在政策上和產業化方面的支持。”諸鈞憧憬道。