CN110946063A - 一种自适应性节水灌溉的纤维集束体以及芯吸灌溉方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应性节水灌溉的纤维集束体以及芯吸灌溉方法，属于农业节水技术领域。纤维集束体包括纤维和可降解材料空心管；纤维组成纤维集束体，纤维之间设有毛细管通道，纤维集束体外周设有包裹纤维集束体的可降解材料空心管。本发明仿生植物养分传输原理实现植物自适应性灌溉的低成本农林业节水灌溉，摆脱对机械泵的依赖，节水效果好，自动化程度高，符合可持续发展理念，生产成本低，结构简单，操作方便，适用的栽培空间和地域广。

Description

一种自适应性节水灌溉的纤维集束体以及芯吸灌溉方法

技术领域

本发明涉及一种自适应性节水灌溉的纤维集束体以及芯吸灌溉方法，属于农业节水技术领域。

背景技术

我国作为一个水资源缺乏和分布不平衡的农业大国，所消耗的70％淡水资源为农业用水，而农业用水中约90％为灌溉用水，传统的灌溉用水方式很不合理，引水漫灌作物所在的地表，这样的灌溉方式会造成水分的大量蒸发浪费，因此发展节水灌溉技术，提高用水效率，是解决我国水资源紧缺和实现水资源可持续使用的解决途径。现在农林业发展使用的节水灌溉多使用管道输水和灌溉技术进行灌溉，管道输水和浇灌技术是一种以管道代替明渠输水，并以管道浇灌的灌溉系统。管道输水是使用机械泵把水输送到田间沟、畦、灌溉农田，或在田里的植物根部一定深度埋设一定排列密度的水管进行根部滴灌。管道输水与浇灌技术能够很好的减少农林业灌溉中水运输和浇灌过程中的渗透和蒸发损失，提高水的利用效率。但管道输水与浇灌技术同时存在很多的问题，首先，管道多为塑料材质，不能降解，达到使用寿命后，形成白色污染，对环境造成一定的污染，不符合环保和绿色发展的理念。其次，管道输水灌溉必须要在机械泵的支持下实现，且无法根据作物的需要调控作物的灌溉用水。所以该技术领域需探索一种成本较低、高效、符合可持续发展理念、可调控用水量的农业节水灌溉方法。

发明内容

本发明的目的是为解决目前农林业灌溉中使用管道输水与浇灌过程中存在的管道本身会成为白色污染的技术问题。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种自适应性节水灌溉的纤维集束体，包括纤维和可降解材料空心管；所述纤维组成纤维集束体，纤维之间设有毛细管通道，纤维集束体内部设有类植物木质部导管结构；所述纤维集束体外周设有包裹纤维集束体的可降解材料空心管。

优选地，所述的纤维为可降解的、亲水性能好、吸水快、价格实惠的纤维。

优选地，所述的纤维为苎麻和棉。

优选地，所述的可降解空心管选取不透水的材料制造。

本发明还提供一种自适应性节水灌溉的纤维集束体芯吸灌溉方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：应用纺织技术制备纤维集合体，再通过可降解材料空心管对纤维集合体进行包裹约束，控制纤维集合体在合适的集束密度，形成具有良好芯吸性能的纤维集束体；空心管上按照2-20厘米的间距留有直径1-8毫米的出水孔；

步骤2：纤维集束体的一端与水源直接接触；

步骤3：纤维集束体另一端放置于农作物的根部附近活动区，通过纤维集束体的毛细管作用将水分从水源处运输到作物的根部，实现自适应灌溉。

现有的节水灌溉系统中，各个系统的差别主要在于如何调控作物灌溉用水上，智能化高的节水灌溉系统成本高，而成本较低的灌溉系统节水灌溉效果不好，因此都无法全面推广应用。本发明主要探究仿生植物养分传输原理的能实现植物自适应性灌溉的低成本农林业节水灌溉方法，同时摆脱对机械泵的依赖，实现节能环保理念。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)节水效果好，解决了农林业灌溉中土壤水分容易蒸发和渗漏，大面积浇灌造成的水分消耗，土壤湿度过大造成的作物根部溃烂甚至引发虫害等问题。

(2)自动化程度高，待达到灌溉自平衡后，能够保持土壤水分含量保持不变，根据作物生长需要调控输送水分的量，实现自适应性灌溉，满足作物不同时期的用水需求。

(3)符合可持续发展理念，纤维集束体芯吸灌溉技术的原料为可降解材料，待其完成灌溉任务后，在土壤中被微生物降解，不会对环境造成污染，且节省了回收灌溉材料的人工和成本。

(4)滴灌、微灌等属于主动式灌溉，需要机械泵的动力支持，自适应性纤维集束体芯吸灌溉技术为被动式节水灌溉，以纤维集束体内部的类植物木质部导管结构提供的毛细管力，节能环保。

(5)滴灌、微灌等灌溉技术的微灌灌水器容易发生堵塞，从而导致滴灌、微灌设备性能下降甚至损坏至报废，而纤维集束体直接从水源依靠芯吸作用输送水分，另一端在作物根部附近，不存在堵塞情况，适用性强。

(6)生产成本低，结构不复杂，操作简单。

(7)适用于一切栽培空间和地域。

附图说明

图1是本发明纤维之间的集聚能够形成良好的毛细管通道结构示意图；

图2是本发明纤维间形成的毛细管通道的水表面示意图；

图3是本发明一种自适应性节水灌溉的约束条件下纤维集束体的结构示意图；

图4是本发明一种自适应性节水灌溉的纤维集束体运用示意图；

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：如图1-4所示，本发明提供了一种自适应性节水灌溉的纤维集束体，包括纤维和可降解材料空心管；纤维组成纤维集束体，纤维之间设置有毛细管通道，纤维集束体内部设有类植物木质部导管结构；纤维集束体外周设有包裹纤维集束体的可降解材料空心管。纤维为可降解的、亲水性能好、吸水快、价格实惠的纤维，如苎麻和棉；可降解空心管选取不透水的材料制造。

一种自适应性节水灌溉的纤维集束体芯吸灌溉方法，包括如下步骤：

步骤1：应用纺织技术制备纤维集合体，再通过可降解材料空心管对纤维集合体进行包裹约束，控制纤维集合体在合适的集束密度，形成具有良好芯吸性能的纤维集束体；

步骤2：纤维集束体的一端与水源直接接触；

步骤3：纤维集束体另一端放置于农作物的根部附近活动区，通过纤维集束体的毛细管作用将水分从水源处运输到作物的根部，实现自适应灌溉。

本发明基于植物养分传输原理，通过纤维集束体的芯吸效应实现作物的自适应性灌溉，达到节水目的。如附图1所示，纤维集束体内部具有类植物木质部导管结构，单纤维1之间的集聚能够形成良好的毛细管通道7，基于此，纤维集束体3跟植物一样，能够依靠毛细作用实现液体的长距离运输。由于使用的纤维具备良好的亲水性，纤维间形成的毛细管通道的水表面8是一个弯月形，如附图2所示，使得其表面积增大，水的表面张力和收缩作用，使得液面要恢复水平，于是拉着毛细管内的液体向上运动，以减小表面积，直到表面张力的垂直分力与管内的液体重量相等才停止上升。

自适应性灌溉技术的实现方法：将应用纺织技术制备的纤维集合体3通过可降解材料空心管2进行包裹约束，控制在合适的集束密度下，形成具有良好芯吸性能的约束条件下的纤维集束体4，如附图3所示。其中，单纤维1需要选取可降解的、亲水性能好、吸水快、价格实惠的纤维，如苎麻、粘胶、棉等。可降解空心管2一方面对纤维集合体3进行包裹约束，控制其集束密度，保证纤维集束体良好的输水能力；另一方面需要选取不透水的材料，防止纤维集束体运输中的水分外渗流失。纤维集束体的一端与水源直接接触，另一端放置于作物的根部附近活动区，通过纤维集束体的毛细管作用将水分从水源处运输到作物的根部，实现自适应灌溉。

实现自适应灌溉的两种情况：

第一种情况：纤维集束体的吸水速率大于土壤的吸水速率；

纤维集束体的吸水速率与纤维集束体的组成材料、集束密度、伸直平行度、结构均匀性、集束体高度都有关。当纤维集束体的吸水速率大于土壤的吸水速率的时，由纤维集束体决定土壤的湿度，当作用足够长的时间后，土壤的湿度维持在一个定值。当作物根部汲取土壤中的水分时，汲取多少水量，纤维集束体就会及时的补充相应的水分，做到按需供给。

第二种情况：纤维集束体的吸水速率小于土壤的吸水速率；

土壤的吸水速率与土壤的湿度有关，湿度越大，吸水速率越小。当纤维集束体的吸水速率小于土壤的吸水速率时，土壤的湿度取决于自身。土壤的吸水速率随着湿度的增加逐渐变小，直到纤维集束体的吸水速率与土壤的吸水速率相等时，达到平衡，当作物根部吸收水分时，土壤吸水速率变大，吸收纤维集束体内的水分，同时拉动纤维集束体内部的水分输送，又达到新的平衡，不断的为作物提供所需的水分。

综上，两种情况都能很好的实现自适应型灌溉，实际需要根据作物的需水量、适合生长的土壤湿度、栽培密度、输送高度等进行具体的实验设计，

实施例一：

直接通过纤维集束体将作物根部与水源相连接：盛水容器和栽培容器相连接自适应性灌溉。使用纤维集束体直接将盛水容器和栽培容器进行连接，可广泛应用于室内盆栽和景区的观光植物栽培中。盛水容器可在栽培容器的上方或者下方都行，可制作成不同的组合造型，相互搭配，增加艺术欣赏性。

实施例二：

具体的实施如附图4所示，在纤维集束体4外层包裹材料上根据作物的栽培密度在长度方向上开均匀排列的孔洞5，纤维集束体一端直接与水源6接触，水分通过纤维集束体的孔洞输送给作物根部附近土壤区域9。甚至可以在孔洞5中分出一部分纤维集束体作为运输介质，达到更好的灌溉效果。

实施例三：

可以将蓄水池、天然河流、地下水甚至人工管道作为水源，纤维集束体一端与水源连接，另一端与作物根部连接，形成灌溉。例如，在平原或者坡地建立集水防渗的储水容器，将降雨进行收集作为水源，纤维集束体一端放置于储水容器中，另一端与作物连接，形成天然的节水灌溉体系。

纤维集束体搭配连通管网络进行灌溉。使用连通管网络作为水分输送载体，纤维集束体与连通管和作物根部区域连接。连通管包括主干道和支干道。主干道可以直接通过机械输水或者主干道直接使用纤维集束体作为输水介质，支管道内部放置纤维集束体，将主干道的水分输送到作物根部。该系统可以满足例如大城市大厦屋顶的的大面积绿化灌溉，满足田间甚至荒漠灌溉。

纤维集束体与雾中集水装置搭配在荒漠中对一些珍贵植物进行灌溉。在荒漠中，利用雾中集水装置收集水分到封闭的储水槽中，纤维集束体一端与储水槽连接，另一端与作物根部区域连接，实现对荒漠珍稀作物的按需灌溉，保护生物物种多样性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种自适应性节水灌溉的纤维集束体，其特征在于：包括纤维和可降解材料空心管；所述纤维组成纤维集束体，纤维之间设有毛细管通道，纤维集束体内部设有类植物木质部导管结构；所述纤维集束体外周设有包裹纤维集束体的可降解材料空心管。

2.如权利要求1所述的一种自适应性节水灌溉的纤维集束体，其特征在于：所述的纤维为可降解的、亲水性能好、吸水快、价格实惠的纤维。

3.如权利要求1所述的一种自适应性节水灌溉的纤维集束体，其特征在于：所述的纤维为苎麻和棉。

4.如权利要求1所述的一种自适应性节水灌溉的纤维集束体，其特征在于：所述的可降解空心管选取不透水的材料制造，根据作物的栽培密度在长度方向上凿均匀排列的孔洞。

5.一种自适应性节水灌溉的纤维集束体芯吸灌溉方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：应用纺织技术制备纤维集合体，再通过可降解材料空心管对纤维集合体进行包裹约束，控制纤维集合体在合适的集束密度，形成具有良好芯吸性能的纤维集束体；空心管上按照2-20厘米的间距留有直径1-8毫米的出水孔；

步骤2：纤维集束体的一端与水源直接接触；

步骤3：纤维集束体另一端放置于农作物的根部附近活动区，通过纤维集束体的毛细管作用将水分从水源处运输到作物的根部，实现自适应灌溉。

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