CN111587716A - 土壤湿度自动控制系统，及其在地下灌溉、太空农场、及荒漠造田等的应用 - Google Patents

土壤湿度自动控制系统，及其在地下灌溉、太空农场、及荒漠造田等的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种土壤湿度自动控制系统的工艺技术及装置。本发明可用於农业区或植物暖房的地下灌溉系统，根据植物生长的最佳土壤含水量需求，提供自动及实时双向的供水或排水。鉴於太空无重力情况下土生植物的灌溉困难，本工艺技术也可根据植物生长时根部所需的最佳湿度需求，提供自动的灌溉。本工艺技术同时可用於荒漠治理，提供沙漠区的有效节水及水的实时收集及利用，协助荒漠造田的理想。本工艺技术亦可用於家庭、或商业以提供或控制盆景的自动灌溉需求。亦可用於工业界作为有些颗粒产品的湿度自动控制装置。

Description

土壤湿度自动控制系统，及其在地下灌溉、太空农场、及荒漠 造田等的应用
技术领域
本发明涉及一种土壤湿度自动控制系统的工艺技术及装置。本发明可用於农业区或植物暖房的地下灌溉系统，根据植物生长的最佳土壤含水量需求，提供自动及实时双向的供水或排水。鉴於太空无重力情况下土生植物的灌溉困难，本工艺技术也可根据植物生长时根部所需的最佳湿度需求，提供自动的灌溉。本工艺技术同时可用於荒漠治理，提供沙漠区的有效节水及水的实时收集及利用，协助荒漠造田的理想。本工艺技术亦可用於家庭、或商业以提供或控制盆景的自动灌溉需求。亦可用於工业界作为有些颗粒产品的湿度自动控制装置。
背景技术
全球淡水资源中约有70％做为农业用水已被广为报导。淡水资源中仅约20％做为工业给水及约10％用于都市给水。淡水的抽取量及应用量并非相同，做为农业用水，其抽取量约占全世界水资源的93％，而仅约水资源中的4％及3％为工业及都市实际抽取量的百分比。所以农业用水的小省可有效的解决水资源短缺问题。农业的地下灌溉便是为节水而开发应用。地下灌溉系统在近二、三十年来有许多改良及专利技术的开发。其使用的主要原因及目的是节水。这些问题国内外已有不少的新型专利在不断克服。
然而地下灌溉有关水渗漏损失的问题迄今仍然未真正解决。这几十年来有关土生植物成长的研发证明各类不同土壤的含水量与生长速度及开花结果息息相关。每种土生植物的最佳成长状况皆有其最佳的土壤湿度范囲。而植物在各不同成长期及外界的环境因子变化时，其最佳的土壤湿度亦隨之变化。在现有的国内外专利技术文献及学术报告中尚无法找到真正能依植物的最佳成长需求而实时并自动控制土壤湿度的方法。
土生植物的灌溉可分地面或地下灌溉。现行的地面灌溉一般含(1)喷灌法(Sprayor Sprinkler Irrigation)，(2)漫灌法(Flood Irrigation)，及(3)地面滴灌法(DripIrrigation)。而现行的地下灌溉法则为(1)地下渗灌法(subsurface percolationirrigation)，(2)地下滴灌法(subsurface drip irrigation)，及(3)毛细灌溉法(subsurface capillary irrigation)，等等。用地下灌溉代替地面灌溉的主要目的是减少蒸发和地表径流造成的水分流失。然而，伴随的问题是成本高昂的地下灌溉系统的安装，堵塞管道埋入地下时维修的难度和修理，通过重力难以有效地分布水分和土壤养分，并难以有效控制水灌溉率与植物的实时利用率。为了实现“灌溉的零浪费”，则控制灌溉率等於实时用水量率就必须解决。但迄今尚未有这方面技术的发明被提出。
另一个困难的问题是在干旱或半干旱农业地区如何通过地下灌溉设备收集多余的雨水及灌溉水。如果地下灌溉系统也可用于收集超出了植物的额外水分的需求，“灌溉的零浪费”的完美理想才能真正实现。这意味着，如果地下灌溉系统既可以用于供水，又可以根据植物的实时用水需求从土壤中收集水，这才是对水流失的真正预防。这便需要在农业区有自动化且实时的“土壤双向流地下灌溉系统”。只有当灌溉系统能够响应植物的实时水分消耗需求时才能真正实现“灌溉的零浪费”。本专利稍后会进一步提供设备及方法及开发数学模型以验证这些情况。
美国专利US3,819,118公开了一个毛细管滴漏设计的地下灌溉系统。如该发明所描述的，为了维持每小时1/4至1加仑的灌溉供水量，6至22psi之间的工作压力需求必需维持住。由于该发明使用压力推动土壤中的水分迁移，因此在这种情况下无法实现自动双向流动设计来实时保持植物所需的土壤水分。其他问题，例如防止重力渗漏水的流失及有效地分布水分及养分至土壤中均无法解决。
为了防止重力水的损失，并更有效地保持土壤湿度及水迁移，几项专利被开发，例如美国专利US5,374,138、US5,839,659、和US5,938,372。这些专利通常提供一种不可渗透的材料或使用疏水性的化学物质使地下灌溉系统下的土壤具有较低的渗透性。美国专利US5374138包括供水管线、导管、多重的水分配支管，并且每个水分配支管置于V字形不可渗透层上。并利用土壤中的毛细压力来移动水分。在美国专利US 5,839,659中，发明了一种系统，该系统包括一个或多个夹在毛细管布的上层和毛细管布的下层和/或不透水材料之间的穿孔导管。发明人声称他的系统可以提供灌溉水，同时可以达到许多目的，例如防止植物根的入侵，防止土壤颗粒阻塞导管穿孔，防止边坡种植中的水土流失，促进排水和防止水浸，防止水土流失。并可防止灌溉地下水使土壤盐碱化，提供空气以防止土壤中的厌氧状态，并为农业地区所需的需氧细菌提供氧气。在美国专利US5938372号中，其中包括一个衬垫系统的防水材料，供水管道，多个多孔水分配管道，及纤维层的水扩散器，和一个粗砂层纤维扩散器。此发明基本上类似于美国专利US5,839,659的设计，功能和目的。上面提到的三项发明都可以达到美国专利US 5,839,659所列举的目的,但是难以有效地依实时消耗量供给植物的灌溉水量，并且仍然无法利用双向流动功能来收集超出植物需要的多余水分。
最近美国专利US9,668,432B2也提供了与上述基本相同类型的系统。该系统中至少含一个穿孔的管，并含二个毛细管织物的纤维网。水由加压泵驱动以进入多孔管，并从套管渗入毛细管织物的纤维网，然后横穿纤维网进入土壤中。此项发明对有效地控制水灌溉率以及实时消耗率尚有困难，也不能由土中收集超出了植物需要的额外含水率。
中国在最近廿馀年来也有许多关于地下灌溉的专利发表。本发明亦将主要代表性专利的重要内涵、水流驱动力、湿度控制、水流控制、及重要的地下灌溉管线设计参数等作了比较。大部份地下灌溉专利均在提供一种或多种特殊设计针对单向流量(即水流由蓄水池流向灌溉区)的控制，或提供阻止杂质如砂子、泥浆等进入通孔，或微生物在通孔生长而堵水流(例如：CN87104234，CN2236735，CN1358417，CN2612230，CN2604868，CN1547886，CN101023732，CN201015336等)或将能吸附或吸水的物质填入地下灌溉管中以长期保存水分緩慢释水，或緩慢由供水管渗水避免蒸发(例如：CN1423924)等等。灌溉水流的驱动力绝大多数为蓄水池水压或压力泵。至今尚无灌溉水“自动双向流”的专利提出，更无“土壤湿度自动控制”能力的专利提出。为达最佳的节水要求、及提供植物最佳生长的土壤湿度控制，必须有上述自动双向流、及湿度自动控制的功能才可促成。
发明内容
蒸发、地表径流、和渗滤被认为是地上灌溉失水的主要原因。地下灌溉才被建议用以取代地上灌溉以达到节水的目的。地下灌溉也被认为是向作物土壤更有效地供应可溶性养分、杀虫剂、除草剂的较好方法。
然而，目前地下灌溉方法和装备仍不能解决相关的困难和问题。为了达到更好的节约用水情况，并达到实时的植物用水需求，需要更好的地下灌溉方法和装备，以解决：
(1)大多数地下灌溉方法和装备仍无法有效解决因重力引起的渗滤水损失。当土壤湿度大于田间持水量(Field Capacity)时灌溉水会被重力吸引而损失。特别是，当水在地下灌溉系统中被迫水平或接近水平迁移以覆盖较大的灌溉区域时，或者灌溉时间过长而导致过度灌溉时，将会损失更多的水。
(2)目前任何地下灌溉系统都无法自动控制和调节响应植物生长不同阶段的最佳土壤含水率，因此，缺乏避免水分流失和促进植物生长的完善灌溉系统迄今是不存在的。
(3)目前尚无地下灌溉系统可以自动收集土壤中额外的水分(尤其如暴雨或灌溉之后大于植物所需土壤含水量)以供将来使用，在这种情况才可以真正实现土壤水分流失达到节水目的。这对于干旱和半干旱的农业地区尤其重要。为了实现这种情况，需要具有“自动双向流动”能力的系统。
(4)能有效预防堵塞地下灌溉管道，并避免“水肥一体化”对施用化肥而导致土壤硬化或盐碱化，并易于维护和修理的地下灌溉系统。
(5)对于无重力的空间，例如将来太空站的太空农场，仍然缺少土生植物的灌溉系统。
本发明是为解决上述的困难和问题而提出。并希望对灌溉节水有较好的建议。本发明的基本原理，应用的方法和设备，以及操作条件如下述。
1.基本原理，目的及与不同灌溉方法的比较
1.1本工艺技术的原理
关於土壤的持水论述在土壤的物理学、水文学、水力学、土力学等已有许多文献。土壤的持水能力一般可由能量或压力表示之，如下式所示：
ψt＝ψg+ψp+ψm+ψ。………………………………………(1)
其中：ψt＝土中水压力(soil water potential)；
ψg＝重力水压力(gravitational potential)；
ψp＝水重或机械水压力(pressure potential)；
ψm＝基质势水压力(matric potential)；
ψo＝渗透水压力(osmotic potential)。
其中ψg，及ψp以正压力形式存在，而ψm及ψo则常以负压力形式存在。若土壤的水份来源是由地上而来(例如下雨或传统地上灌溉法)，重力水压力ψg促使水流向下形成土中的饱和含水量。但水源中断后土中的饱和水仍逐渐向下流动形成非饱和含水量。在非饱和状态下基质势水压ψm及渗透水压ψ。使土中水压呈负压力存在。当非饱和含水量降低至田间持水量(Field Capacity，大部份土质约在负1/3巴(Bar)压力)时若土中无其他致水减少的压力(例如蒸发、植物的蒸腾或其他微生物用水时)，此时负压力不变化而水向下流动也停止。若大地土壤的水份来源是由下或侧面(例如地下灌溉法)而来，则机械水压ψp(例如压力泵来的水源)使土壤中水份呈正压力存在且使土中空隙呈饱和水流动。在机械水压构成的土中饱和水之上或侧面，基质势水压会使饱和水更向上及水平移动，此即一般所称的毛细饱和水。但基质势水压使土中水流动则以负压力形成的吸力促成。故此毛细饱和水基本上是因负压力而存在，有别於机械水压的正压力促成的饱和含水量。因基质势水压由土颗粒对水的吸附力(adhesion)及水份子间构成的吸力(cohesion)共同构成，其毛细饱和水可由下式表示之：
ψ＝(2σlg Cosθ)/r………………………………………………(2)
其中：ψ＝表面张力，在cgs系统，单位为ergs/gram；
σlg＝表面张力系数，水对空气值在20℃为72.75dynes/cm；
θ＝水对颗粒产生的湿角(Wetting Angle)；
r＝颗粒间隙的平均半径。
此时若水的来源中断，水会因蒸发(气化)及植物吸收(即前述的ψo造成的负压)而渐减少。土壤中含水量越少则水负压力则越大，造成土性有更大的吸水能量。本发明“土壤湿度自动控制系统”即利用此种自然界小颗粒间隙中含水率与产生的负压力(即小於大气的压力)的绝对值成某种反比关系而开发的自动控制系统。此小颗粒间隙产生的负压力主要含基质势吸力及渗透吸力。此负压力为非饱和含水率的土壤颗粒吸水及持水的主要力量。此实际上由三种力量的相互作用(即土粒对水吸附力、水份子间吸力及渗透吸力)造成土粒中水流动的主要负压力来源。若能控制土粒中水的负压力，便可控制土中含水率。
本发明利用水负压力与土含水量的反比关系，且负压愈大吸水及持水能力愈大。根据以上理论若开发一套可实时双向控制水流及自动调控土壤含水率的设备，其完整系统须含土中水压探测器、双向流导管、双向流输水管、水源水压控制糟、及水净化器等组成。细节将于后详述。
1.2不同灌溉方法的节水比较
本工艺技术目的之一是将传统或现行农业区灌溉方法的节水目标进一步改良。
一般而言土生植物的灌溉可分地面或地下灌溉。现行的地面灌溉一般含(1)喷灌法(Spray or Sprinkler Irrigation)，(2)漫灌法(Flood Irrigation)，及(3)地面滴灌法(Drip Irrigation)。而现行的地下灌溉法则为(1)地下渗灌法，(2)地下滴灌法，及(3)毛细灌溉法，等等。依节水而言，不同灌溉法有其相异的灌溉水损失量。灌溉时或灌溉后水的损失可分三方面：蒸发(Evaporation)、地表迳流(Surface Runoff)、及渗漏(Percolation)损失。一般而言，地面或地下灌溉对节水的最大不同便是地面灌溉常含有蒸发及迳流水的损失。地面灌溉水损失率及量亦受控於水在土表的渗入率(Infiltration Rates)、水在土中的渗透率(Permeability)、根区深度、灌溉用水率(水流量)等影响。地下灌溉法一般虽可减少或避免迳流水损失及达到少量的蒸发损失，但其使用亦受控於水在土中的渗透率、土壤空隙率、田间持水率、根区深度、灌溉率、水压、及毛细饱和水层厚度等的影响。地下灌溉若无法控制得当，不意味著一定比地面灌溉省水！
为了比较本土壤湿度自动控制器在节水上的优越性，我们可由下面讨论估算各不同灌溉法可能的水损失量。因水在农地蒸发、迳流、渗漏的复杂性，以往数十年已有无数的经验模式的开发。例如合理公式(Rational Equation)、曲线数字法(Curve NumberMethod)、酷克法(Cook’s Method)等在水利及农业工程迳流估算的应用，地表状况及表土之雨前状况对渗入率的影响，及数百经验模式在蒸腾(Evapotranspiration)的应用，使灌溉水估算变为十分繁复。本文以下述方法简化灌溉水的估算。所有灌溉需水的比较均以能将整个根区深的含水率供给到田间持水量为原则。对灌溉而言，其水损失量可依下式估算：
ql＝qe+qr+qp
＝E(tRd)+qe50+rIR(tRd)+Rd(Vs–Vf)……………………………(3)
其中:
ql＝灌溉期间的总水损失量(单位为mm或cm)；
qe，qr，及qp＝分别为灌溉期间的蒸发、地表迳流、及渗漏水损失量(mm
或cm)；
qe50＝灌溉后上层5cm土中水份蒸发量(mm)；
E＝灌溉时或灌溉后的蒸发率(mm/hour)；
IR＝灌溉加水率，或单位面积灌溉率(mm/hour)；
r＝径流系数(根据上述的曲线数字法或合理公式，传统灌溉的r值一般多
在0.1至0.35间，无单位)；
Rd＝根区深(mm或cm)；
tRd＝整个根深区的土达水饱和时所需时间(hour)，
＝Rd/Ksi…………………………………………………………(4)
K＝土之滲透率(cm/sec或mm/hour；以Ks表示饱和渗透率，Ku表示未饱和
滲透率)；
i＝液位梯度；
Vs＝土壤空隙率，或土壤达饱和水的体积比(％,体积比)；
Vf＝土壤的田间持水率(％,体积比)。
地面喷灌及漫灌的水损失：
喷灌及漫灌时经常需滿足上层土含水饱和后水再往下流动。而滴灌则假设水渗入土中时可形成饱和(以Ks估算)或非饱和流(以Ku估算)。假设地面灌溉后，水由土中蒸发仅在上表面5cm发生，且土中饱和水(即Vs含水率)因重力而渗漏至Vf含水率。上述虽为估算，但因所有灌溉法皆基於相同的计算模式，故不影响节水的结果比较。一般而言，因qe，及qr的无法避免，地面喷灌及漫灌法会造成最大的灌溉水损失。若耕作区的根深区、蒸发率、土渗透率、及其他土质Vs及Vf固定，喷灌及漫灌的水损失与灌溉加水率及时间成正比。而地面滴灌法，若有适当的加水率控制，qr可避免之。但其蒸发损失仍无法避免且因灌溉时间所需的增长会相对增大。将上(3)及(4)式合并，喷灌及漫灌的水损失ql可以下式估算：
ql＝Rd(E/Ks+r IR/Ks+Vs–Vf)+qe50……………………………(5)
地面滴灌法的水损失：
因地面滴灌法的控制较复杂，水损失可分三种情况：
(1)加灌溉水时，水先造成上层土饱和再因重力往下流。若加水量正好能控制在整个Rd到达Vf则无qp损失。此时ql可用下式估算：
ql＝(E+rIR)[(RdVf)/(KsVs)]+qe50………………………………(6)
(2)加灌溉水时，水流缓慢而成不饱和往下流。若加水量正好能控制在整个Rd到达Vf则无qp损失。此时ql可用下式估算：
ql＝(E+rIR)[(RdVs)/(KsVf)]+qe50…………………………………(7)
(3)加灌溉水时整个Rd到达饱和水量。此时ql可用下式估算：
ql＝(E+rIR)(Rd/Ks)+Rd(Vs–Vf)+qe50…………………………(8)
如上述，耕作区的根深区深度、蒸发率、土渗透率、灌溉率、径流系数、及其他土质Vs及Vf等均会影响灌溉水的损失量，情况相当复杂。
地下灌溉的水损失：
与地面灌溉相比，地下灌溉一般可减除蒸发及迳流水损失，但渗漏水损失在所难免，除非有特别的防渗漏设计及灌溉率及时间的控制。目前已有的专利报告所示，绝大多数的地下灌溉法不管滴灌、喷灌、或毛细灌均先用水压将水灌入土中。如此是应用土中饱和水压及重力或毛细现象以驱动水流。因灌溉率、灌溉器深度、根区深度、土壤种类等影响地下灌溉水损失甚大，其灌溉水损失的估算可分下述五情况讨论：
(1)灌溉器在Rd浅处(一般需埋5cm以下深度以避免蒸发水损失)，利用上层土先达饱和
水再往下或侧面流动(此在土的渗透率低的情况常发生)，若造成Rd均达饱和水便停
止灌溉，此时灌溉水损失估算为：
ql＝Rd(Vs–Vf)+50Vf………………………………………………(9)
(2)灌溉器在Rd浅处，利用部份上层土先达饱和水再往下或侧面流动，若控制加入水量
正好造成Rd达田间持水量，此时渗漏水损失估算为零。若此时上述饱和层深度为Rs，
则Rs可估算为：
Rs＝(Vf/Vs)Rd……………………………………………………………(10)
若在灌溉时当Rs达到时立即关闭灌溉水则可正好造成Rd达田间持水量。此时的灌溉水损失为：
ql＝50Vf………………………………………………………………(11)
(3)灌溉器在等於或畧大於Rd深处，灌溉器之下无防水层。
此情况下灌溉水在土中的向上流动(即往上灌溉整个Rd深度)需靠饱和水压或毛细现象。既使靠毛细现象下层水也需先饱和才有法符合上式(2)所述。故土中的饱和水层的形成可分二个层次，先下层由水压造成(深度以Rs1表示)饱和水层，再由此饱和水层向上形成毛细饱和水层(深度以Rs2表示)。总饱和水层Rs为：
Rs＝Rs1+Rs2…………………………………………………………(12)
在实际情况，因无防水层，为了Rd能达到Vf，灌溉时则Rd一般需先达饱和水。故此时的灌溉水损失为：
ql＝2Rd(Vs–Vf)+50Vf…………………………………………(13)
(4)同上情况(3)但有防水层。
在此情况下若防水层完全不漏水，则由上方程式(2)得知除了沙质或粗矽质土壤外其饱和层Rs会太大而无法使用，否则灌溉器则需埋非常深而不实用。在实用的范囲内灌溉水损失估算为：
ql＝RdVf+50Vf………………………………………………………(14)
(5)灌溉器在Rd浅处，以滴灌方式进行。灌溉水损失估算为：
ql＝50Vf………………………………………………………………(15)
为了比较上述各不同灌溉法的节水情况，各不同灌溉法在各相同的因素影响下需计算其总灌溉需水量、灌溉水损失量、及水量有效存於根深区间可为植物利用之量。其总灌溉需水量(qT)及有效水量(qa)可以下二式估算之：
qT＝qa+ql……………………………………………………………(16)
qa＝RdVf-50Vf………………………………………………………(17)
因影响因素的复杂性，以下仅用粉壤土(clayey silt soil)为例:假设Rd由200mm至1000mm，Ks＝3.6mm/Hour，r＝0.25,E＝500mm/Year，Vs＝40％,and Vf＝20％.当比较r及K的影响时选Rd＝300mm做比较。其比较结果列於图5A至5D中。依不同灌溉法中灌溉水损失的严重性比较，由大至小的顺序为：
地面滴灌法(上述例二)>地面喷灌/漫灌及地面滴灌法(例三)>地下渗灌法(例三)>地面滴灌法(例一)>地下渗灌/毛细灌法(例三)>地下渗灌(例一)>地下渗灌(例二)>地下滴灌法(例五)
上估算结果发现灌溉水损失因不同灌溉法，可由5％至90％范囲。为了节水目的，不同灌溉法的选择至关重要。如上顺序所示，地下灌溉除了上述例三之外，一般较地面灌溉节水。而地下灌溉又以地下滴灌(上述情况五，即图中例五)及地下渗灌(例二)最佳，在500mm的根区深情况下其灌溉水可减少到10％的水损失率。
若与上述各不同灌溉法比较，因本工艺技术的供水是由植物所需而造成土的不饱和水流的地下灌溉法，灌溉需水量等於有效水量，故理论上不会造成水损失。本工艺技术亦有别於地下渗灌/毛细灌法(如上例三及例四所示)。毛细灌法的灌溉水在土中的向上或向侧流动需下层水先饱和才有法发生。若此饱和水之下无防水层，则渗漏水损失无法避免。而若有防水层则如上所述此法仅适用於较粗颗粒的土壤。
2.本工艺系统的设备及重要参数：
本工艺系统的主要组成设备如附图1A至图1D及图2A至图2B所示。其主要组成含土中水压探测器1(如附图1A至图1D中1所示)、双向流导管2、双向流输水管3、水源水压控制糟4(如附图2A及图2B所示)、及水净化器5等组成。在使用本工艺技术时，其他附属组成会因实际需要而被包含。例如在农田或荒漠造田的应用时，为了收集过量的雨水，在土中水压探测器之下可有防水层42(图1B)、含孔状排水管21(图1B及图2A,2B)、排水管17(图2A,2B)、集水罐6(图2A,2B)、缓冲罐7(图2A,2B)等设施。若本工艺技术应用於室内种植而需用天然光线时则可配合光收集器38及39(图4A)、光纤40(图4C)、光分离器/照明器41(图4A)等将光源导入种植盘36(图4A,4B)，如下具体实施方式所述。
本工艺技术重要组成中的土中水压探测器1的构造含内外二层细孔透水材料。内层27(图1C,1D)材料的材质可为硬性的陶瓷、玻璃或硬性或软性塑料构成，其形状可为管状、盘状、或不规则形状。其作用在控制并探测土中负压力，并促成双向流。而外层28(图1C,1D)主为保护层，材质可为多孔软性塑料、细砂过沪层、或其他多孔性陶瓷、玻璃等制成的材料附於内层之外。其作用除保护内层、传导压力、双向导水之外并过沪水中杂质及避免堵塞及微生物进入内层及其他导管中。此土中水压探测器除自动探测水压之外同时依设计负压范囲自动提供双向水流。探测器内层的孔隙直径一般需小於所测土壤的粒径。但为达到较佳的功能，内层的最大孔隙直径一般可以下式估算：内层最大孔隙直径范囲＝(P10)x p至(P50)x p。其中P10为10％土粒径通过之直径，P50为50％土粒径通过之直径，p为土壤空隙率。孔隙过小则导水率降低，但孔隙过大则水中小悬浮颗粒易进入系统中。外层的孔隙直径在接触内层处可与内层孔隙直径相同，但孔隙大小可由内往外逐渐增加。外层的最大孔隙直径应较P50土壤粒径为小为佳。土中水压探测器1的间距可小至10cm大至3m，视土质、负压范囲、与水源距离等而定。若探测器为管状，如图1C,1D所示，其安装可为水平埋入根深区下端，或垂直埋入植物根丛外圈，探测器管壁的细孔深度范囲约在土下15cm到根深区深为佳。若欲达到更佳的操作结果，探测器安装时外囲可包一层细沙做为过沪层。若有过沪层则探测器的细孔直径可因之放大。
双向流导管2可由塑料、玻璃或陶瓷管构成，其管径可小至数毫米或大至5公分或更大。双向流输水管3则以塑料管材质较佳，其管径须大於双向流导管，其最小管径依含盖设计的作物面积的需水率及暴雨时最大集水率计算，最大管径可达20公分或更大。
如前述，水源水压控制糟4由密封水糟构成，含负压调节器(如图2A,2B中用真空泵11及恒压控制器12调节，或以人工利用大气增压阀13及进出水管阀门10及15配合缓冲罐7调节)、进出水管等。此水源水压控制糟4的负压范囲基本上依作物成长的最佳需水量而调整。水槽内蓄水以供灌溉水源。糟内上端空间维持空气空间以便调节负压。此空气空间可在槽体积的5％至25％间。槽的负压可由此糟的空气空间调节控制。如上述，此负压可用电力驱动空气泵而抽气控制，或在无电力供应的田间，此负压亦可由人工操控水源水压控制糟4的气相压力而完成，可完全不需外界电能供应。对偏远或广大的农业区无电力供应时亦不受操作限制。
土中水压探测器1除自动探测水压之外同时依设计负压范囲自动提供双向水流。双向流导管2联接水压探测器1及双向流输水管3，提供压力的传输及双向水流的通过。而双向流输水管3则联结水源水压控制糟4及双向流导管2，提供压力的传输及双向水流的通过(如图2A,2B所示)。如上述此糟在双向供水/回流水14为自动驱动。水净化器5视需要而安装，可安装於水源水压控制糟4中或前端，主在控制灌溉水含塩量及小颗粒。缓冲罐7及集水罐6的结构及功能于下详述。
3.本工艺设备的应用
3.1农业区或植物暖房的地下灌溉系统
本发明可用於农业区或植物暖房的地下灌溉系统，根据植物生长的最佳土壤含水量需求，提供自动及双向的供水或排水。本工艺技术最核心的组成为土中水压探测器1及水源水压控制糟4。图1A至1D说明土中水压探测器在地下灌溉的一种安排，以及其构造图。而图2A,2B说明水源水压控制糟4及如何联接到土中水压探测器1，并叙述其有关的附属设备。
土中水压探测器1在地下灌溉的应用时，其水源由水源水压控制糟4供给。如图1A平面图所示，水源经由双向流输水管3分流至双向流导管2，再分流至土中水压探测器1。若土中水压探测器1为水平管状安置於农作物区23土壤中时，其深度应大於5cm，并埋於植物的根深区24间。一般最佳安排为2/3Rd深度24至根深区底部间。但若考虑作物需轮换而挖土至Rd深度24时，则可埋於Rd深度之下。若农业区土壤为高渗透率，且在该农业区有高强度暴雨时可在根深区Rd深度之下提供一排水层43以收集暴雨渗漏水。此时在排水层之下可提供一防水层或疏水层42。防水层材料可为塑料或夯实的黏土层。疏水层可为加入疏水剂的土层。若经过计算该农业区暴雨可造成的渗漏水率可为土中水压探测器1及时完全吸收，则不需排水层及防水层等的安排。一般农耕区土壤在雨季时，除非是大型暴雨，本土中水压探测器1可自动将超过植物所需的渗漏水吸走，以避免渗漏水损失。
土中水压探测器1的构造内壁27与外壁28合为一体，其材质及参数已如上述。在使用时土中水压探测器1内壁之内充滿负压水。其水压基本由水源水压控制糟4控制。但依植物不同生长阶段的需水率需求，水源水压控制糟4的负压可隨需要隨时调整。若在某时间段的负压相同，则水源水压控制糟4可用恒压器自动控制。在无外界其他水源(如雨水、雪水、空气冷疑水)进入土壤时，因植物不停的吸水造成稍大的负压，此时供水方向为由水源水压控制糟4自动流至根深区24。而有外界水源(如雨水或喷洒叶面而渗入土中之水)时则由土中水压探测器1实时吸取多余水份而反流至水源水压控制糟4。如此形成双向流。
如前述本发明若用为地下节水灌溉系统，一般将土中水压探测器1安置於被灌溉作物或植物的根区(Root Zone)间，但一般需低於土面以下5厘米以避免蒸发失水，而高於地下饱和水层(含毛细饱和水层)，若存在的话，以避免过分频繁吸水。一般为达到最佳节水情况，或在长期干旱区，或为(例如沙漠地区，后详述)集水时避免大的暴雨造成根区水涝，可在根区之下设计建造一蓄水层。蓄水层底部可用防水材料(例如铺塑料膜，或用疏水剂处理底层土)。此蓄水层厚度，若需要的话，以可能的暴雨量造成的土中饱和水层厚度加上毛细饱和水层厚度计算。暴雨量造成的土中饱和水层厚度可以该地区选择设计的最大暴雨量(例如选100年或500年一次的最大暴雨量，视需求而定)，减去根区低於田间持水量的厚度当量，加上根区下方土壤离饱和水含量的有效空隙率(即空气空隙)厚度当量计算，将於下具体实施方式举例述之。而毛细饱和水层厚度则可用上述方程式(2)计算之。若蓄水层计算出的厚度过大，为节省建造费用，可於土中混入适量的吸水保水材料(例如堆肥、活性有机肥、或其他工业制造的高吸水材料)以减厚度需求。
水源水压控制糟4及附属设备如图2A及2B所示。此糟内上端空间可由真空泵11造成负压。所需负压范囲可由恒压计控制器12调节。一般植物最佳需水量常在土壤的负0.2至负1巴(Bar)间。本水源水压控制糟4可由1大气压(约正1巴)调至负15巴(约为植物的枯萎点)间，视需要而设计。上所述的水源水压控制糟4可用于提供灌溉水和植物养分，或两者，通过该系统，可用控制系统调水源水压控制糟内负压以与种植区土壤负压协同形成实时双向流如下法：
(1)建立一个标准曲线显示种植区土壤含水率与土壤负压关系，
(2)通过进水口8，以补充缓冲罐7中的水和液体植物养分，以及
(3)将来自集水罐6收集的排水回收至水源水压控制糟4，
(4)用真空泵11和恒压控制器12在水源水压控制糟4调节糟内空气负压以形成水源水压控制糟4内的压力，以创建一个实时双向流系统以补充土壤含水率或收集种植区超出植物需要额外的水分流回水源水压控制糟4。
本水源水压控制糟亦设有人工调负压设备，以备无电力供应的广大农业区。此设备含大气增压阀13、进水阀门10、出水阀门15、以及缓冲罐7组成。以将水源水压控制糟4调至负0.4巴为例，其做法如下：
1.关闭阀门10及15及所有通往水源水压控制糟4的阀门，
2.打开阀门13(此时糟内上端空气变为约1巴)，
3.开启水泵37，将水由缓冲罐7打进水源水压控制糟4，直至糟内水面由观测管29观看水面达槽体积指示器22所标示的5％(或选定一个体积V1)，
4.此时关闭水泵37及阀门13，
5.开启阀门15，让水源水压控制糟4之水面下降至下式计算出的糟内空气体积：
P1 x V1＝P2 x V2
P1＝1巴,V1＝5％,P2＝0.4巴,故：
V2＝[(1巴)x(5％)]/(0.4巴)＝12.5％，
6.关闭阀门15。
如上做法，便可维持农田23的根深区24中的土壤达0.4巴。若因植物用水或雨水、雪水改变土壤中的负压时，可由负压计12见之。上述程序可隨时以人工进行而维持在所需的负压范囲。此负压需求亦可用真空泵11配合负压计12的自动控制恒压控制器调节(图中未示)。当负压调节后，所有水源水压控制糟4、双向流输水管3、双向流导管2，及土中水压探测器1中的水均会处於相同的负压。
水源水压控制糟4的水可由缓冲罐7及集水罐6补给。缓冲罐7之水源可为选用的灌溉水、收集并净化后的雨水或雪水等由进水口8补给。集水罐6之水源则由农田23的排水管17而来。此水源可用潜水泵18将水打至水净化器5处理后注入水源水压控制糟4中。缓冲罐7及集水罐6均配有排水管20及19，人孔25，以去除沉淀的杂质或罐中水的清除。
若土壤在长期的植物生长利用中因水质含塩分累积时或微细颗粒浓度过高时，上述水净化器5的需求便会存在。如图说明所示水净化器5可装於水源水压控制糟4之前，视水净化方法而变。水流可用水阀44控制，在广大的农业区应用时为了操作方便，水净化除塩方法可为离子交换法、薄膜法、或电极法等。
3.2自动灌溉的盆景
本工艺技术若用於家庭、或商业以提供或控制盆景的自动灌溉需求时，可设计盆景容器(图3A,3B)为双层壁构造。如图所示，本自动灌溉盆景33的设备可利用双层容器壁空间做为水源水压控制糟，而利用内壁为水压探测器1(内壁27与外壁28合为一体)及供水器双重目的。
如图所示，花盆的盆壁及底座为双壁式设计。内壁可制成土中水压探测器1,如前述此壁含内外二层细孔透水材料27及28。花盆内、外壁之间形成水源水压控制糟4，其灌溉水负压可由联接的手唧筒30抽气而形成。手唧筒30的气体可由手把31抽出。此气体经细管联通至水源水压控制糟4上端的空气空间。手把31在抽气到所需的负压后可固定在手把固定钉32上面。双壁内的水位水面由观测管29可观测之。双壁内调压和供水开口34，用于增加灌溉/营养水和释放压力。
3.3室内种植的自动灌溉及采光系统
本工艺技术也可提供室内种植的自动灌溉及采光系统,如图4A,4B所示。此在没有庭院的公寓尤其实用，可提供家庭种植安全的有机蔬菜及其他种植物。图中的室内种植器35含多层的种植盘36。盘中土层厚度及盘与盘间距离可因不同植物的根区深及植物成长后高度调节。盘内可安装双向流输水管3、双向流导管2、及土中水压探测器1。双向流输水管3联接到水源水压控制糟4,如图4A,4B所示。此控制糟的负压可由手唧筒30、手把31、及手把固定钉32调节。此室内种植器35的光源若需用天然光线时则可配合光收集器38及39、光纤40、光分离器/照明器41等将光源导入种植盘36。光照明也可采用电灯，安装於每层种植盘36上端。本图虽然仅提供公寓小型的种植图，但室内种植器35，多层的种植盘36，以及光源之安排基本上可放大成大型的室内农场。在种植器放大之后，其自动灌溉及双向流水源及压力设计可采用大型的水源水压控制糟4及附属设备如图2A,2B所示。此种大型的室内农场也可提供太空农场之用。
3.4太空农场及荒漠造田
鉴於太空无重力情况下土生植物的灌溉困难，本工艺技术也可根据植物生长时根部所需的最佳湿度需求，提供自动及双向流的实时灌溉，完全不受太空无重力影响。本发明若用为室内多层植物生长区的灌溉，或多层太空农场灌溉，除防水层或疏水层的设计外，光线来源若为自然光源(例如日光)可用光纤控制光强度以增单位空间面积的产量，如下文提供的具体实施方式所示。
本工艺技术同时可用於荒漠治理，提供沙漠区的有效节水及水的实时收集及利用，协助荒漠造田的理想。本工艺技术及其原理亦可用於工业界作为有些颗粒产品的湿度自动控制装置。
附图说明
图1A至图1D:土壤湿度自动控制系统的基本组成图,其中
图1A提供土壤湿度自动控制系统的管道及土中水压探测器在农业区的安排，
图1B提供图1A的B-B’截面图，
图1C为土中水压探测器1，
图1D提供图1C的A-A’截面图。
图2A及图2B:水源水压控制糟及附属设备,其中
图2A为水源水压控制糟及附属设备的平面示意图，
图2B为水源水压控制糟及附属设备的截面示意图。
图3A及图3B:自动灌溉的盆景,其中
图3A为自动灌溉的盆景含进水及水压控制的截面示意图，
图3B为自动灌溉的盆景含手唧筒的示意图。
图4A至图4C：室内种植的自动灌溉及采光系统,其中
图4A为室内种植器35含多层的种植盘36的截面示意图，
图4B为室内种植器35中的一层种植盘36的平面示意图，
图4C为室内种植器的附属设备含光收集器38及39、光纤40。
图5A至图5D:不同灌溉法中灌溉水损失与灌溉根深关系以及总需水量受土壤滲透率及径流系数的影响曲线,其中
图5A为不同灌溉法的灌溉水损失百分比与灌溉根区深比较图，其中
曲线101为地面喷灌及漫灌法；曲线102为地面滴灌法，例一；
曲线103为地面滴灌法，例二；曲线104为地面滴灌法，例三；
曲线105为地下渗灌法，例一；曲线106为地下渗灌法，例二；
曲线107为地下渗灌法，例三；曲线108为地下渗灌/毛细罐法；
曲线109为地下滴灌法。
图5B为不同灌溉法的灌溉水损失量与灌溉根区深比较图，其中
曲线所代表的不同灌溉法同图5A所示。
图5C为不同灌溉法的灌溉总需水量受土壤滲透率的影响，其中
曲线201灌溉整体根区至田间持水量所需的灌溉水量；
曲线202为地面喷灌及漫灌法；曲线203为地面滴灌法，例一；
曲线204为地面滴灌法，例二；曲线205为地面滴灌法，例三；
曲线206为地下渗灌法，例一；曲线207为地下渗灌法，例二；
曲线208为地下渗灌法，例三；曲线209为地下渗灌/毛细罐法；
曲线210为地下滴灌法。
图5D为不同灌溉法的灌溉总需水量受径流系数的影响，其中
曲线所代表的不同灌溉法同图5C所示。
具体实施方式
实施例一
某葡萄农场处於半干旱地区，年雨量平均约350mm，年蒸发量平均约1000mm。决定采用地下灌溉法以节水。経调查试验，发现该品种葡萄树长大后根深区约100cm深，种植区土质的渗透率约10mm/Hour，表土径流系数约0.15，土壤平均空隙率约40％，平均田间持水率约20％，葡萄每年成长发芽结菓过程约需550mm总需水量，最高的日需水量要求为7mm/Day，成长时最佳的土壤湿度需求为负0.4至0.6巴间，结菓时需要较多的水供应。该农场目前灌溉的方法为地面喷灌法，灌溉时习惯用10mm/Hour灌溉率，每次灌溉至整个根区达饱和水才停止。农场主人想知道用传统的地下灌溉及用本工艺技术的节水差别，并想知道本工艺技术设备如何安装？
依上资料以及前述方程式(5)、(9)、(15)等式的分析，并假设灌溉频率及时间安排得当，以下为计算结果比较：
Figure BDA0002387021630000171
如上表所示，传统地下灌溉在本情况下若能控制到最佳的灌溉安排(即采用上述地下灌溉法例一及例五)，其水最佳利用率约在47.5％至95％间。若与地面喷灌比较，可节水约26％[即(1571-1158)/1571＝26％]至63％间。若用本工艺技术则可节水约65％。但传统灌溉法在实际应用上因土壤的非均匀性以及最佳灌溉安排无法理想的控制，传统地上或地下灌溉水可利用率应较上表所示为低。若采用上述的地下渗灌例三之法(上述方程式13),则其水可利用率才约25％，比地面喷灌还差。
在应用本工艺技术时，可选用约0.6cm(即1/4英吋)直径管状的土中水压探测器1。此探测器可垂直插入挖好约2cm至3cm直径、100cm深度的洞中。其细孔深度范囲约土表面以下15cm至100cm间。洞中探测器细孔周囲可埋入细沙至约10cm深，而洞中上端约10cm则填回原土并夯实。土中水压探测器1上端联结到双向流导管2，然后再联结到双向流输水管3。导管及输水管可水平安装在地面上以省工程费用。每棵葡萄树可沿其根丛外囲一圈用等距安装三支垂直的土中水压探测器1。此三支探测器联结到同一约1.3cm直径的双向流导管上。每支双向流导管可供给约20至25棵葡萄树。每支约2.5cm直径的双向流输水管可联结约10支双向流导管。如此安排，若葡萄树平均间距为2m时，每100,000升(约12,500加仑)的水源水压控制糟4若用人工控制可连续在葡萄树最高需水量的情况下连续灌溉500棵约一周时间。若水源水压控制糟的水源供水时用恒压器控制，则糟体积可大大减小至数百升(例如55加仑硬塑料水糟)即可控制约500棵树，大大降低建造费用，且节省人工费用。
实施例二
人类建造太空站及在太空站能长期生活一直是梦想。因太空站距离地球遥远食物补给困难，太空农场将成太空站必要设施之一。但在太空无重力情况下会造成土生植物的灌溉困难。传统的地面灌溉法无法在太空站使用。传统的地下灌溉法虽可提供作物的给水，但因需用压力驱动土壤空隙中水流以致使整个根深区形成饱和水层。在无重力情况下此饱和水层无法如地球上可形成田间持水量而让植物根部可获得所需的空气。因在太空站的作物土壤中所需的最佳含水率可完全由本工艺技术调节，在此情况下，本工艺技术可解决上述太空农场的难题。如此可让许多人类日常享用的土生作物在太空生产成为可能。
太空农场的实现，可在太空站的封闭空间内建造大型多层的室内种植器35，大型多层的种植盘36，以及光源的安排基本上如图4A，4B所示。但种植区的灌溉水源及压力安排可采用大型的水源水压控制糟4及附属设备如图2A,2B所示。
实施例三
荒漠化是地球的最大生态危机之一。目前每年地球荒漠化面积不停地在继续扩大中,因此缩小了人类的生存和发展空间导致土地生产力严重衰退并造成自然灾害加剧，沙尘暴频繁,加深了沙区人民的贫困程度。此现象在中国尤其严重。人类对荒漠化防治一直未曾停过。各种防治技术的使用以及规模性的防治活动也未曾间断。但目前做法最多只能阻止恶化，而更多的情况是继续恶化而束手无策。荒漠化的治本问题在“水”。任何防治荒漠化之法若无真正解决水的问题也仅是治标之举。在真正解决荒漠化之后，更应在治理好的土地上更进一步地“造田”。如此不但可长治久安，更能将荒地转化为人类大型的高经济效益农业区。如此不但解决荒漠化问题，并可解决人类食物短缺的问题。
“荒漠造田”计划的施行必须用“精耕技术”。“精耕技术”以水为本，包含下列三套系统，缺一不可：
1.保水系统：荒(沙)漠化地区的土地无法将极难取得的水分保持住。尤其在干旱或半干旱地区，水分不是迅速被蒸发，就是立即流失，故植被无法存在。所以首要解决之道是改善荒漠土质的高度保水性。此可加入高品质有机肥解决。
2.节水系统：良田势必需要大量用水。而这在缺水地区，必须有一套高效率的地下灌溉系统，比现行的最佳地下灌溉法更経济有效，达到几乎不浪费水的境界。此可用本工艺技术解决。
3.集水系统：大部份荒漠之地若能经由雨水、雪水、冷凝水的有效收集，将可解决很大部份或全部的灌溉水问题。
本工艺技术可提供上述的节水系统，并可提供部份的保水及集水系统的功能。
其节水系统的实施如图1A至图1D及图2A,2B所示。在荒漠地区用现有的工程机械及农耕机械整地并建造如图1B及2B所示的作物区23。因荒漠地区土壤已沙化成为高渗透率土质，尤其有些荒漠区会有高强度暴雨发生，为保有宝贵的水源可在根深区24深度之下提供一排水层43以收集暴雨渗漏水。此时在排水层之下可提供一防水层或疏水层42。防水层材料可为塑料或夯实的黏土层，疏水层可为加入疏水剂的土层，这些材料均为现有之物可兹使用，可提供部份的集水功能。若经过计算该农业区暴雨可造成的渗漏水率可为土中水压探测器1及时完全吸收，则不需排水层及防水层等的安排，本工艺技术已可提供保水功能。本工艺技术对暴雨渗漏水的吸收能力视土中水压探测器的细孔大小及水源水压控制糟4及附属设备的大小及负压可含盖的范囲而定。若沙土加入保水材料例如高吸水性的有机肥或其他吸水材料，则防水层或疏水层経计算设计后亦可避免之。荒漠地区的雨水及雪水总量做为灌溉水若有短缺时，可用工程方法在紧邻区集水并导入本工艺技术的集水罐6中。荒漠地区亦可用冷凝器收集冷凝水而导入本工艺技术的集水罐6中。

Claims (12)

1.一种地下灌溉系统，包括：
多个土中水压探测器1，
多个双向流导管2，每个导管连接到一组多个土中水压探测器1，
双向流输水管3，其连接到多个双向流导管2，
水源水压控制糟4，连接到双向流输水管3，
缓冲罐7，其输入和输出管连接到水源水压控制糟4，
水净化器5其连接至水源水压控制糟4，
集水罐6，其连接到水净化器5，
多个含孔状排水管21被埋在农作物区23土壤的根深区24下方，以及
排水管17，其第一端连接多个含孔状排水管21，第二端连接至集水罐6。
2.如权利要求1中所述的地下灌溉系统，其中，所述土中水压探测器1被埋在农作物区23土壤的根深区24内，其形状可为管状、盘状、或不规则的形状，并进一步包括内外二层细孔透水材料：
(1)内层27的材质为硬性的陶瓷、玻璃或硬性或软性塑料构成，用以控制并探测土中负压力，并促成双向流，内层孔隙直径小於所测土壤的粒径，内层最大孔隙直径可以下式估算：内层最大孔隙直径范囲＝(P10)x p至(P50)x p，其中P10为10％土粒径通过之直径，P50为50％土粒径通过之直径，p为土壤空隙率，及
(2)外层28材质为多孔软性塑料、细砂过沪层、或其他多孔性陶瓷、玻璃等制成的材料附於内层之外，并且外层28的孔隙直径在接触内层处可与内层孔隙直径相同，但孔隙大小可由内往外逐渐增加，外层的最大孔隙直径应较P50土壤粒径为小，用以保护内层、传导压力、及双向导水。
3.如权利要求1中所述的地下灌溉系统，其中，所述水源水压控制糟4进一步包括：
真空泵11，用以提供一个负压力的范围为从1巴至负15巴(Bar)，
恒压控制器12，用以调节植物所需负压范囲一般在土壤的负0.2至负1巴间，
大气增压阀13，
缓冲罐7，
进水阀10，
出水阀15，
水泵37，
观测管29，
水槽体积指示器22，以及
水控制阀44，
其中所述水源水压控制糟4，用于存储灌溉水，所述灌溉水在水源水压控制糟4内的负压与农田土壤的负压相同。
4.如权利要求1中所述的地下灌溉系统，其中，集水罐6进一步包括：
潜水泵18，其水源由农田23的排水管17而来，
人孔25，和
水控制阀44，
其中集水罐6用于从农场收集排水。
5.如权利要求1中所述的地下灌溉系统可用于提供灌溉水和植物养分，或两者，通过该系统，如权利要求1中所述，进一步包括：
(1)建立一个标准曲线显示种植区土壤含水率与土壤负压关系，
(2)通过进水口8，以补充缓冲罐7中的水和液体植物养分，以及
(3)将来自集水罐6收集的排水回收至水源水压控制糟4，
(4)用真空泵11和恒压控制器12在水源水压控制糟4调节糟内空气负压以形成水源水压控制糟4内的压力，以创建一个实时双向流系统以补充土壤含水率或收集种植区超出植物需要额外的水分流回水源水压控制糟4。
6.根据权利要求5，其特征在于其步骤(4)亦可通过手动控制的方法调节糟内空气负压以形成水源水压控制糟4内的压力，以创建一个实时双向流系统以补充土壤含水率或收集种植区超出植物需要额外的水分流回水源水压控制糟4，以调至负0.4巴为例，其做法如下：
(1)关闭阀门10及15及所有通往水源水压控制糟4的阀门，
(2)打开阀门13(此时糟内上端空气变为约1巴)，
(3)开启水泵37，将水由缓冲罐7打进水源水压控制糟4，直至糟内水面由观测管29观看水面达槽体积指示器22所标示的5％(或选定一个体积V1)，
(4)此时关闭水泵37及阀门13，
(5)开启阀门15，让水源水压控制糟4之水面下降至下式计算出的糟内空气体积：
P1 x V1＝P2 x V2
P1＝1巴,V1＝5％,P2＝0.4巴,故：
V2＝[(1巴)x(5％)]/(0.4巴)＝12.5％，
(6)关闭阀门15，如上做法，便可维持农田23的根深区24中的土壤达0.4巴。
7.一种植物灌溉系统，包括：
(1)系统的内壁作为一个土中水压探测器1，内壁包括2层结构，其内层27和外层28，其中：
(i)内层27的材质为硬性的陶瓷、玻璃或硬性或软性塑料构成，用以控制并探测土中负压力，并促成双向流，内层孔隙直径小於所测土壤的粒径，内层最大孔隙直径可以下式估算：内层最大孔隙直径范囲＝(P10)x p至(P50)x p，其中P10为10％土粒径通过之直径，P50为50％土粒径通过之直径，p为土壤空隙率，
(ii)外层28的材质为多孔软性塑料、细砂过滤层、或其他多孔性陶瓷、玻璃等制成的材料附於内层之外，并且外层28的孔隙直径在接触内层处可与内层孔隙直径相同，但孔隙大小可由内往外逐渐增加，外层的最大孔隙直径应较P50土壤粒径为小，用以保护内层、传导压力、及双向导水，
(2)具有L形手把31的透明塑料手唧筒30，
(3)一系列用于固定L形手把31的固定钉32，以及
(4)调压和供水开口34，用于增加灌溉/营养水和释放压力。
8.如权利要求7中所述的植物灌溉系统,可做为植物实时自动灌溉盆景33，所述自动灌溉盆景33进一步包括盆壁及底座为双壁式设计,内、外壁之间形成水源水压控制糟4：
(1)内壁可制成土中水压探测器1,含内外二层细孔透水材料27及28,
(2)其水源水压控制糟4的灌溉水负压可由联接的手唧筒30抽气而形成,手唧筒30的气体可由手把31抽出,此气体经细管联通至水源水压控制糟4上端的空气空间,手把31在抽气到所需的负压后可固定在手把固定钉32上面,
(3)双壁内的水位由观测管29可观测之,并使用双壁内调压和供水开口34，用于增加灌溉/营养水和释放压力。
9.如权利要求7中所述的植物灌溉系统,可做为植物室内种植器35，所述室内种植器35进一步包括一个含多层的种植盘36,其中:
(1)包括多个土中水压探测器1，含内层27和外层28成为水分扩散探头，
(2)透明塑料手唧筒30，
(3)手把31,及一系列的手把固定钉32，
(4)减压和水供给开口34，
(5)多个双向流导管2，每个导管连接到一组多个土中水压探测器1，
(6)双向流输水管3，其连接到多个双向流导管2，
(7)水源水压控制糟4，连接到双向流输水管3，
(8)一组屋顶光收集器38，
(9)一组建筑物墙体光收集器39，
(10)光纤40用于光传输，和
(11)光分配器/照明器41，将光源导入种植盘36,
其中，种植盘36为多层设计形成室内自动且可实时灌溉的种植器35。
10.一个太空农场，位于一个太空站内，具有多个种植盘36，并具有小型或大型的自动灌溉/营养添加系统的植物室内种植器35，包括：
(1)多个土中水压探测器1，含内层27和外层28成为水分扩散探头，其包括
(i)内层27，材质为硬性的陶瓷、玻璃或硬性或软性塑料构成，用以控制并探测土中负压力，并促成双向流，内层孔隙直径小於所测土壤的粒径，内层最大孔隙直径可以下式估算：内层最大孔隙直径范囲＝(P10)x p至(P50)x p，其中P10为10％土粒径通过之直径，P50为50％土粒径通过之直径，p为土壤空隙率，及
(ii)外层28，材质为多孔软性塑料、细砂过滤层、或其他多孔性陶瓷、玻璃等制成的材料附於内层之外，并且外层28的孔隙直径在接触内层处可与内层孔隙直径相同，但孔隙大小可由内往外逐渐增加，外层的最大孔隙直径应较P50土壤粒径为小，用以保护内层、传导压力、及双向导水，
(2)多个双向流导管2，每个导管连接到一组多个土中水压探测器1，
(3)一个双向流输水管3，其连接到多个双向流导管2，
(4)水源水压控制糟4，连接到双向流输水管3，
(5)减压和水供给开口34供小型种植系统使用，
(6)一个缓冲罐7用于连接到水源水压控制糟4供大型种植系统使用，
(7)一组光收集器38，
(8)一组光收集器39，
(9)光纤40用于光传输，
(10)光分配器/照明器41，将光源导入种植盘36,
(11)一个透明的塑料手唧筒30，手把31,及一系列的手把固定钉32，供小型种植系统使用。
11.如权利要求10中所述的太空农场，其中，所述缓冲罐7是用于大型种植系统提供水源水压控制糟4的灌溉水供给，其水源水压控制糟4包括：
恒压控制器12,
真空泵11,
大气增压阀13，
水泵37,
进水阀10，和
出水阀15。
12.如权利要求10中所述的太空农场，其中，所述大型种植系统的水源水压控制糟4用于提供灌溉水或水和植物营养物在负压下通过双向流实时自动地供给作物水和植物营养物需求，其包括：
(1)建立一个标准曲线显示种植区土壤含水率与土壤负压关系，
(2)用真空泵11和恒压控制器12在水源水压控制糟4调节糟内空气负压以形成水源水压控制糟4内的压力，以创建一个实时双向流系统以补充土壤含水率或收集种植区超出植物需要额外的水分流回水源水压控制糟4，以及
(3)经由进水阀10输入水，将缓冲罐7内的水补充到水源水压控制糟4。
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