任冬云1 刘浩1 杨晓彤1 张嘉麟1 王杰1
(1. 北京润泽润丰应用技术研究院有限公司)
摘要:胶粉基渗灌管是一种新型、环保、高效的节水灌溉技术。它比目前广泛使用的各种地表面节水灌溉技术可节水30%左右,保墒时间长,有利于农作物的生长。废旧轮胎胶粉作为生产渗灌管的主要原料,渗灌技术将对再生资源的回收再利用以及节能减排做出贡献。
关键词:渗灌,高效节水,资源再利用
任冬云,刘浩,杨晓彤,张嘉麟,王杰.胶粉基渗灌管在农业高效节水灌溉中的应用.生物多样性保护与绿色发展.百家.2024年12月24日.ISSN2749-9065
1. 概述
1.1 废旧轮胎回收循环利用
目前,全世界每年有15亿条轮胎报废,其中北美大约4亿条,西欧近2亿条,日本1亿条,我国约为0.5-0.7亿条。2017年,我国废旧轮胎产生量3.7亿条,约1400万吨。废橡胶属于热固性聚合物塑料,在自然条件下很难降解,若弃于地表或埋于地下十几年都不会腐烂变质,废橡胶的堆积占用土地,污染环境,整条废轮胎堆积在一起还容易滋生蚊虫,不但损害居民健康,还容易引发火灾。因此,尽管废橡胶在固体废弃物中所占比例很小,却是固体废弃物处理的主要问题之一。胶粉基渗灌管以废旧轮胎胶粉作为主要生产原料。每铺设100万亩渗灌管,需要回收利用约10万吨废旧轮胎。
1.2 农业用水概况
我国北方大部分地区是干旱缺水地区,尤其在新疆、内蒙古、甘肃、宁夏等地还有大面积的沙漠,南方许多地区也存在季节性缺水问题。2022年中央一号文件中提到,2022年建设高标准农田1亿亩,累计建成高效节水灌溉面积4亿亩。国家发展改革委和水利部于2019年联合印发的《<国家节水行动方案>分工方案》中提到,“2020年前,每年发展高效节水灌溉面积2000万亩、水肥一体化面积2000万亩”。目前,国家在大田农业高效节水灌溉技术推广目录中有喷灌、微灌、滴灌、低压管道输水灌溉等。
自2024年5月1日起施行的《全国农业灌溉用水定额汇编》,收集了水利部和各省区市的农业灌溉用水定额标准。作为我国首部节约用水行政法规,其将促进全社会节约用水,为保障国家水安全、推进生态文明建设、推动高质量发展提供有力的法治保障。该文件明确,对主要农作物、重点工业产品和服务业等实行用水定额管理,推进农业节水增效,健全农业用水精准补贴机制和节水奖励机制。全国节约用水办公室广泛开展各地农业灌溉用水现状调查,对地方灌溉用水定额全面评估,研究确定了全国主要作物灌溉用水定额编制的技术路线和方法,制定了首个国家农业用水定额。农业灌溉用水定额依据地理位置、气候特点和灌溉方式等,对定额指标进行分类细化。根据大中型灌区斗口、小型灌区渠首、井灌区井口位置,设定灌溉用水定额通用值;根据采取渠道防渗输水灌溉、管道输水灌溉、喷灌、微灌等节水灌溉方式等,设置灌溉用水定额先进值。通过制定农业灌溉用水定额来倒逼农业节水。
在干旱缺水的北方地区(西北、华北、东北),大田农业粮食种植目前主要采用的高效节水灌溉技术有:浅埋滴灌、深埋滴灌、膜下滴灌、喷灌等,比传统的大水漫灌节水60%以上。这几种节水灌溉技术均属于地表面浇灌技术。在我国北方干燥地区,地表水的蒸发量相当大。另一方面,大田农作物的生长,主要靠作物根部获取水分和养分,而根部到地表的土壤层中的水利用率较低。这些是地表灌溉避免不了的缺陷。目前采用的较为先进节水灌溉技术滴灌管,需要每年铺设更换一次,劳动力成本较大。因此,采用更为先进灌溉技术,是国家节水灌溉的发展方向。由于废胶粉基渗灌管可以埋入地下,相比其他灌溉方式,具有节水效果更佳、节能、不破坏土壤结构等优势。
2. 渗灌技术的高效节水灌溉原理及优势
2.1 渗灌技术高效节水原理
将渗灌管埋在地下30-50厘米土壤中,通水后水会从渗灌管表面均匀渗出,湿润渗灌管周围的土壤,并因物理现象逐渐向上湿润上方的土壤,可在地表面见到水从地下渗到地表面。经试验证明,这种渗灌管双向均匀渗出水的长度可达到100米。
灌溉技术的控制流程图如下所示:
渗灌管网系统示意图:
地块管网示意图如上图所示。每个地块单元由变频水泵(潜水泵/深井泵)、过滤机组、瞬时流量计、压力表、控制阀、主管道、分管道、支管道、渗灌管管网和放空阀组成。
根据不同作物的水量需求和不同土壤的渗透能力,将渗灌管深埋于地下30-50cm,通过智能控制系统将水源通入渗灌管网中,逐渐浇透目标地块。通过温湿度传感器对地块湿度情况的反馈,智能控制管网中的电磁阀,实现精准、高效的灌溉自动化。
2.2 渗灌高效节水灌溉的优势
废胶粉基渗灌管灌溉技术,为我国节水灌溉提供了一个全新的选择。这项技术的优点是:
1. 颠覆性技术:废胶粉基渗灌节水技术是一项全新的技术,它彻底改变了传统灌溉方法,实现了高效的水资源利用。
2. 节水效益显著:该技术不存在浇灌时的地表水分蒸发,与滴灌节水技术相比可再节水30%左右,显著减少了水资源的浪费。在河南驻马店、内蒙古通辽等地区,共计近20公顷试验农田,将渗灌节水技术与滴灌技术进行全面的对比,试验结果表明:渗灌节水技术能够在滴灌的基础上再节水30%。
3. 保墒时间提升:废胶粉基渗灌技术使土壤中的水分更加持久,保墒效果明显提升,有助于提高作物的生长。
4. 增产效果显著:这一技术有助于提高农产品的产量,例如小麦和玉米的产量可增加5%以上,提升农业经济效益。
5. 智能化控制:该技术支持智能化控制,使灌溉过程更加精准和高效,同时减少了人力投入。
6. 长期使用和可维护性:根据不同的作物和土壤渗透能力,可将渗灌管铺设在地面以下30-50cm的深度,无需每年更换,可持续使用8-10年,适用于农田、林地等不同地形,并支持地面机械化操作,可节省可观的劳动力成本。
3. 胶粉基渗灌管制作工艺
本项目渗灌管生产,首先把塑料混合粒料、二次胶粉按配方要求经过双螺杆挤出造粒机组制成半成品橡塑粒料;然后将半成品橡塑粒料经过单螺杆挤管生产机组生产得到成型制品的二次胶粉基渗灌管,通过冷却定型、自动化收卷、输送装置进行包装入库。
4. 渗灌技术试验的应用实例
a) 2019年至2020年小麦夏收期间,北京润泽润丰在河南驻马店西平县老王坡农场铺设了170亩地(11.3公顷),对渗灌节水技术与滴灌技术的节水和产量情况进行了对比试验。试验结果表明:使用渗灌节水技术能够在滴灌技术的基础上使小麦增产约5%。
b) 2022年,北京润泽润丰依托于北京化工大学科技帮扶项目在内蒙古通辽市科左中旗的花吐古拉镇韩家窝堡村铺设了100亩(6.7公顷),对比深埋渗灌与滴灌的对比试验。试验结果表明:使用渗灌节水技术能够在滴灌的基础上再次节水23.6%;由于深埋渗灌完全避免了浇灌过程中地表水分的蒸发浪费,该技术下土壤保墒时间更久,土壤浇灌频次减少,滴灌区浇水三次,渗灌区只浇水两次。产量方面,使用渗灌技术所得玉米产量比滴灌区玉米增长4.2%。
c) 2024年7月,在甘肃兰州永登县铺设600平米,作物选用食叶草,对比渗灌节水技术与喷灌技术。相比于喷灌技术,渗灌节水技术能够避免地表水分蒸发损失,管网不会受到当地恶劣天气的影响,明显减少了水源的使用和劳动力的投入。9月份,渗灌区的食叶草长势明显更好,相关试验正在持续跟进。
5. 渗灌技术在智慧农业中的应用
渗灌管埋入地下,水肥可以从地下向上渗透,通过土壤温湿度传感器实时监测水肥向上渗透到农作物根部的位置,建立起基于渗灌技术智慧灌溉系统。以具有自主知识产权的“胶粉基农林渗灌管”为基础,可开创性地搭建符合渗灌要求的灌溉枢纽,并将先进的物联网、自动化技术与渗灌技术相结合,建成自动控制、高效节水节能的灌溉系统。在应用上可大幅提高水资源的利用率和人工效率,对农业增产、精准农业、智慧农业、大农业具有巨大的推动作用。
6. 结论
废胶粉基渗灌管技术的应用,是一种全新的节水灌溉方式,为节水灌溉提供了一种新的选择。不仅达到了新的节水灌溉技术高度,还能够进一步推动粮田稳产增产、数字化农业的发展,并为再生资源的回收再利用、节能减排做出贡献。
文:任冬云 刘浩 杨晓彤 张嘉麟 王杰
审:Sherry
【期刊简介】
《生物多样性保护与绿色发展》(简称《生绿》,英文名称为BioGreen - Biodiversity Conservation and Green Development)是一本开放性科学期刊,国际刊号为ISSN 2749-9065。本刊聚焦生物多样性、可持续发展、环境科学和生态文明方面的最新研究成果与动态热点,具有科普性、前沿性、创新性、综合性、便捷性,涵盖思想、学术、研究、产业、文化、教育、国际、NGO等诸多领域,并提供关于环境政策和环境管理框架等问题的实时新闻和趋势。
作为一本科学期刊,本刊下设卷首语、聚焦/封面故事、科学论文、观点、影像、动态、广角和专栏几个固定栏目,以中英文双语形式刊发,并可免费阅读和开放下载。
中文投稿:v31@cbcgdf.org
英文投稿:sherry@wbag.org
咨询电话:010-88431370
期刊官网:http://z.cbcgdf.org
来稿写作要求请参见《生绿》官网征稿格式要求。
本刊长期关注/欢迎以下主题的投稿与研究:
野生动植物保护、入侵物种管理、迁徙物种保护、气候变化影响与对策、“双碳”目标与实践、环境、社会与治理(ESG)、塑料污染防治、可持续发展策略、资源可持续利用、生态农业发展、土壤健康与修复、生态系统恢复与管理、森林保护与管理、湿地保护、海洋生态保护、生物多样性保护、生态系统服务、环境污染治理、环境教育与宣传、生态旅游、绿色金融、环境政策与法律、城市生态建设、环保技术创新、能源节约与可再生能源开发、农业生态工程、绿色建筑与基础设施、循环经济、环保产业发展、同一健康。我们期待您的研究与贡献,共同推进生物多样性保护与绿色发展事业。