本實用新型涉及農業灌溉技術，尤其涉及一種土壤自控式灌水裝置。
背景技術：
農作物在生長發育過程中所蒸騰掉的水分往往是其自身生物量的數百倍甚至數萬倍，由于土壤往往難以提供農作物生長發育所必需的水分，因此，在現代農業生產過程中，通過灌溉給土壤補充水分，繼而滿足農作物對水分的需求是必不可少的農事活動。但該傳統灌溉方式，灌溉水資源浪費較為嚴重，且我國是水資源十分匱乏的國家，人均水資源量不到世界的25％，而且時空分布極其不均，使得我國絕大部分農田均需要灌溉。據估計，正常年份我國農業年缺水量300多億立方米，在缺水的同時，我國農業水資源的利用率并不高。因此，我國面臨的糧食安全、保護環境、節約資源等形勢十分嚴峻，亟需大力推廣先進農業技術，以最小的水分消耗生產出更多、更好的糧食、蔬菜、水果、纖維等農產品。
調控農作物生長土壤水分狀況的基本手段是灌水，現有技術中，如噴灌、滴灌、微噴、分根區交替灌溉等，均是基于供水壓力為正的有壓灌溉，會使灌溉后表層土壤局部或者全部達到飽和，且灌溉強度不易控制，易產生地表徑流，甚至沖破畦土導致露根、傷根，造成水源浪費、養分流失、土壤板結，而且土面水分蒸發量相對較大。而且每兩次灌水之間總有一定的時間間隔，是一種脈沖式的灌水方式。因而，在脈沖式灌水過程中，土壤水分含量呈現出脈沖式的變化，即土壤含水量突然躍升至飽和狀態，然后逐漸降低。由于農作物在不同的生長階段，對土壤水分條件的需求不同，而采用脈沖式的灌水方式，只有部分階段的土壤水分條件是適合農作物的。因而，在土壤水分的高含量階段，非常容易因為水分含量過高而對農作物產生濕害或澇害，而在土壤水分的低含量階段，又非常容易產生干旱脅迫和養分匱乏脅迫，導致減產、品質變劣，甚至死亡。
生產經驗和科學研究均表明，除了水生植物外，旱地農作物生長發育的最佳水分條件是比飽和含水量低的某個非飽和水分狀態，而且當農作物吸水后會導致根系周圍的水勢下降，進一步引發根系周圍遠處的水分向根系周圍移動，以圖維持根系水勢不下降，也就是說農作物對于維持根系周圍土壤水分狀態具有一定的主動性。然而，在目前的灌水技術中，土壤和農作物是被動式接受灌溉水的，農作物的主動性沒有得到利用，灌溉效率較低。
為了有效降低水資源的浪費，近10多年來，提出了一種新型灌水技術，即負壓灌溉技術得到逐步發展和應用，該技術可以有效地抑制地表濕潤導致的無效蒸發和地下滲漏導致的無效灌溉和養分流失，能夠節省大量的人力和物力，從而極大地提高灌溉效率和水分生產率。
然而，負壓灌溉一直只是停留在實驗室和試驗地，沒有在田間實際運用，使得田間灌溉效率仍較低。可能是由于：系統的穩定性和可靠性難以得到保障。負壓灌溉系統復雜，整個系統的穩定運行需要良好的密閉性作保證，系統運行前，需將輸水管及供水器里面充滿水并排出里面的氣體，有研究采用在小溫室里面采用邊抽氣邊灌水的方法，雖然達到充水排氣效果，但需要的時間較長，且效果不是很理想，導致灌溉效率不高。
技術實現要素：
有鑒于此，本實用新型實施例提供一種土壤自控式灌水裝置，提升田間灌溉效率。
本實用新型實施例提供一種土壤自控式灌水裝置，包括：灌水器、軟質塑料管、沒有彈性的固定圈套以及聚氨酯彈性體，其中，
軟質塑料管一端與灌水器相連，另一端連接提供灌溉水的外部有壓水源；
聚氨酯彈性體緊靠在軟質塑料管上，而且位于軟質塑料管兩端之間；
沒有彈性的固定圈套緊箍在聚氨酯彈性體以及軟質塑料管上，而且不能自由滑動。
較佳地，所述聚氨酯彈性體與所需要灌溉的土壤埋設式接觸。
較佳地，所述聚氨酯彈性體為一長方體結構，貼附在軟質塑料管的一側；沒有彈性的固定圈套為硬質或軟質；沒有彈性的固定圈套緊密地套在軟質塑料管和聚氨酯彈性體外邊，而且不能滑移。
較佳地，所述聚氨酯彈性體為一環狀結構，內環半徑與軟質塑料管外徑相匹配，聚氨酯彈性體的內環緊箍軟質塑料管，沒有彈性的固定圈套為一環狀結構，緊箍聚氨酯彈性體的外環，而且不能滑移。
較佳地，所述聚氨酯彈性體為一半環狀結構，內環半徑與軟質塑料管外徑相匹配，聚氨酯彈性體的內半環緊箍并裹住軟質塑料管；沒有彈性的固定圈套為一環狀結構，沒有彈性的固定圈套一側緊箍聚氨酯彈性體的外環，相對的另一側緊箍軟質塑料管外側，而且不能滑移。
本實用新型實施例提供的一種土壤自控式灌水裝置，包括：灌水器、軟質塑料管、沒有彈性的固定圈套以及聚氨酯彈性體，其中，軟質塑料管一端與灌水器相連，另一端連接提供灌溉水的外部有壓水源；聚氨酯彈性體緊靠在軟質塑料管上，而且位于軟質塑料管兩端之間；沒有彈性的固定圈套緊箍在聚氨酯彈性體以及軟質塑料管上，而且不能自由滑動，能夠提升田間灌溉效率。
附圖說明
為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
圖1為本實用新型的實施例土壤自控式灌水裝置結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本實用新型實施例進行詳細描述。
應當明確，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
本實施例中，針對以上現有灌水技術的缺點，提出一種新的土壤自控式灌水裝置，以期既能克服傳統有壓灌溉的缺點，也能克服負壓灌溉的缺點，同時兼具有壓灌溉和負壓灌溉的有點。
圖1為本實用新型的實施例土壤自控式灌水裝置結構示意圖，如圖1所示，包括：灌水器11、軟質塑料管12、沒有彈性的固定圈套14以及聚氨酯彈性體13，其中，
軟質塑料管12一端與灌水器11相連，另一端連接提供灌溉水的外部有壓水源；
聚氨酯彈性體13緊靠在軟質塑料管12上，而且位于軟質塑料管12兩端之間；
沒有彈性的固定圈套14緊箍在聚氨酯彈性體13以及軟質塑料管12上，而且不能自由滑動；
聚氨酯彈性體13具有吸水膨脹、失水收縮的性能，且吸水膨脹所產生的彈性力大于軟質塑料管12形變所產生的彈性力；
聚氨酯彈性體13與所需要灌溉的土壤埋設式接觸；
灌水器11可以埋設在土壤中，也可以不埋設在土壤中。
本實施例中，灌水器11與軟質塑料管12相連；聚氨酯彈性體13貼附在軟質塑料管12上；沒有彈性的固定圈套14的內側緊箍在聚氨酯彈性體13以及軟質塑料管12上，外側固定不動。
軟質塑料管12的一端密封固定在灌水器11上，軟質塑料管12的另一端連接提供灌溉水的外部有壓水源；
在軟質塑料管12的兩端之間，貼附有吸水膨脹、失水收縮的聚氨酯彈性體13，且吸水膨脹所產生的彈性力大于軟質塑料管12形變所產生的彈性力；
利用沒有彈性的固定圈套14，將貼附的聚氨酯彈性體13外側緊箍在沒有彈性的固定圈套14的內側，沒有彈性的固定圈套14的外側固定，不能滑移。
本實施例中，聚氨酯彈性體13與所需要灌溉的土壤埋設式接觸。
作為一可選實施例，灌水器11為微孔陶瓷灌水器，該微孔陶瓷灌水器可以埋入土壤。作為另一可選實施例，微孔陶瓷灌水器也可裸露于地表，即不埋設在土壤中。
本實施例中，作為一可選實施例，灌水器11頂部開設有灌水孔，灌水孔內密封固定軟質塑料管12，軟件塑料管用于從外部有壓水源引入灌溉水。
本實施例中，作為一可選實施例，聚氨酯彈性體13為高分子材料聚氨酯彈性體。該高分子材料聚氨酯彈性體吸水膨脹、失水收縮，且吸水膨脹所產生的彈性力遠遠大于軟質塑料管12形變所產生的彈性力。
本實施例中，作為一可選實施例，聚氨酯彈性體13可以為一長方體結構，貼附在軟質塑料管12的一側。沒有彈性的固定圈套14為一中空的長方體結構，軟質塑料管12的另一側貼附在沒有彈性的固定圈套14沒有彈性，可以是硬質的，也可以是軟質的。固定圈套14緊密地套在軟質塑料管12和聚氨酯彈性體13外邊，而且不能滑移。
本實施例中，作為一可選實施例，沒有彈性的固定圈套14的一內側壁上，聚氨酯彈性體13貼附在沒有彈性的固定圈套14相對的另一內側壁上，貼附軟質塑料管12以及聚氨酯彈性體13所在的沒有彈性的固定圈套14的外側固定，不能滑移。
本實施例中，作為一可選實施例，貼附的聚氨酯彈性體13的初始狀態為失水收縮的狀態，吸水膨脹所產生的彈性力至少可擠壓軟質塑料管12的內壁至無縫隙狀態。
本實施例中，作為另一可選實施例，聚氨酯彈性體13也可以為一環狀結構，內環半徑與軟質塑料管12外徑相匹配，聚氨酯彈性體13的內環緊箍軟質塑料管12，沒有彈性的固定圈套14為一環狀結構，沒有彈性的固定圈套14的內環緊箍聚氨酯彈性體13的外環，沒有彈性的固定圈套14為一環狀結構，固定圈套14緊箍聚氨酯彈性體13的外環，而且不能滑移。
本實施例中，作為一可選實施例，沒有彈性的固定圈套14的外環固定，不能滑移。
本實施例中，作為再一可選實施例，聚氨酯彈性體13還可以為一半環狀結構，內環半徑與軟質塑料管12外徑相匹配，聚氨酯彈性體13的內半環緊箍并裹住軟質塑料管12。沒有彈性的固定圈套14為一環狀結構，固定圈套一側緊箍聚氨酯彈性體的外環，相對的另一側緊箍軟質塑料管外側，而且不能滑移。
本實施例中，沒有彈性的固定圈套14的內環一側緊箍聚氨酯彈性體13的外環，相對的另一側緊箍軟質塑料管12外側，沒有彈性的固定圈套14的外環固定，不能滑移。
本實施例中，沒有彈性的固定圈套14套在軟質塑料管12上和聚氨酯彈性體13外圍。
本實施例中，聚氨酯彈性體13緊緊貼附在軟質塑料管12的預先設置的位置上，該位置處于灌水器11和外部有壓水源之間。作為一可選實施例，貼附聚氨酯彈性體13的位置被埋入土壤中。
本實施例中，可依據作物生長發育的最佳水分條件以及確定的軟質塑料管12的擠壓特性選取聚氨酯彈性體13的相關參數，使得聚氨酯彈性體13吸水膨脹所產生的彈性力可擠壓軟質塑料管12的內壁至無縫隙狀態，即使軟質塑料管12無法向灌水器11供水。
本實施例的土壤自控式灌水裝置的灌水過程如下：
在灌溉開始時，土壤含水量低，高分子材料聚氨酯彈性體含水量也較低，處于收縮狀態，軟質塑料管12未受擠壓，外部有壓水源中的灌溉水可通過軟質塑料管12運輸到灌水器11中，灌水器11開始向土壤供水，灌水壓力調節可通過控制有壓水源的水壓來實現，為有壓灌溉；
隨著灌水器11向土壤供水，土壤含水量變大，使得土壤水分吸力逐漸變小，當土壤水分吸力小于高分子材料聚氨酯彈性體的水分吸力時，土壤中的水分開始流向高分子材料聚氨酯彈性體，高分子材料聚氨酯彈性體吸水開始膨脹；
由于高分子材料聚氨酯彈性體的外側受到沒有彈性的固定圈套14的束縛，不能向外膨脹，只能向軟質塑料管12方向膨脹，從而擠壓軟質塑料管12，使得軟質塑料管12運輸的水量越來越小；
隨著高分子材料聚氨酯彈性體的不斷吸水，膨脹導致的形變逐漸變大，最終截斷軟質塑料管12內的灌溉水，使得軟質塑料管12停止灌溉水運輸；
當灌水器11被埋設在土壤中，且灌水器11是親水性材料，則由于從截斷的軟質塑料管12到灌水器11之間的管道內以及灌水器11內仍然儲存著一定量的水量，隨著其灌溉水繼續流向土壤，逐漸形成一動態的負壓灌溉系統，直至儲存的灌溉水的水勢與土壤水分吸力相同，停止向土壤供水并形成動態平衡；
后續中，由于作物蒸騰吸水、土壤裸土蒸發、滲漏、再分配等水分運行(其中作物蒸騰是主要方面)，導致土壤含水量逐漸下降；
隨著土壤含水量的逐漸降低，土壤水分吸力逐漸增大，當土壤水分吸力大于高分子材料聚氨酯彈性體的水分吸力時，高分子材料聚氨酯彈性體中吸附的水分將逐漸流向土壤，使得高分子材料聚氨酯彈性體失水而引起收縮，被擠壓的軟質塑料管12逐漸恢復，外部有壓水源與灌水器11之間的灌水通路導通，外部有壓水源中的灌溉水通過軟質塑料管12被運輸到灌水器11中，灌水器11又開始向土壤供水；
以上過程循環反復，通過設置高分子材料聚氨酯彈性體的相關參數，最終將土壤含水量控制在適當的范圍內。
本實施例中，通過考慮將灌水器(比如：滴管頭、微噴頭、負壓滲水器等)的前部輸水管(軟質塑料管)與能夠吸水膨脹、失水收縮的功能性材料(聚氨酯彈性體)結合，利用功能性材料的形變控制軟質塑料管內灌水通路的導通或截斷(即功能性材料吸水膨脹時，灌水通路被截斷；功能性材料失水收縮時，灌水通路導通，將外部有壓水源中的灌溉水運輸到灌水器中)。
本實施例中，通過將功能性材料與土壤直接接觸，或者，通過能夠傳遞水分的材料與土壤間接接觸，當土壤含水量低時，因為土壤水分吸力大，功能材料水分吸力小，功能性材料中的水分將逐漸流向土壤，功能性材料失水而引起收縮，灌水通路導通，灌溉水通過外部有壓水源、軟質塑料管以及灌水器進入土壤；向土壤供水導致土壤含水量逐漸變大，使得土壤水分吸力逐漸變小，當土壤水分吸力小于功能材料水分吸力，土壤中的水分開始流向功能性材料，功能性材料吸水膨脹，進而擠壓軟質塑料管，從而截斷灌水通路(作為輸水管的軟質塑料管內的灌溉水)。
當作物由于蒸騰吸水、土壤裸土蒸發、滲漏、再分配等水分運行(其中作物蒸騰是主要方面)，導致土壤含水量逐漸下降，土壤水分吸力逐漸增大，以上過程循環反復，最終將土壤含水量控制在適當的范圍內。
本實施例中，通過選用適當的功能性材料及其與輸水管的組裝方式，可以得到不同的輸水管導通與截斷的臨界點。
本實施例中，作為另一可選實施例，灌水器也可以不放置于土壤中，則在輸水管導通的情況下，為普通的滴管、微噴灌等傳統有壓灌溉，具備傳統滴管、微噴灌的所有優點。如果灌水器被埋入土壤中，在輸水管導通的情況下，則是普通的有壓滲灌，具備其所有的優點；在輸水管截斷的情況下，由于從截斷點到灌水器之間的管道內仍然儲存著一定量的水量，形成了一個負壓灌溉系統，具備了負壓灌溉的所有優點。因此，在灌水器被埋入土壤中的情況下，隨著輸水管中灌溉水的“導通”與“截斷”，系統也在有壓滲灌與負壓灌溉之間轉換，在保有傳統有壓滲灌、負壓灌溉的優點的同時，克服它們的缺點。總之，不論灌水器與土壤接觸與否，輸水管中灌溉水的“導通”與“截斷”是由土壤含水量的“低”與“高”決定的，而土壤含水量由“高”到“低”，主要是由作物蒸騰作用推動的，系統供給灌溉水的多少、快慢、時機主要取決于作物蒸騰作用強烈、需水量多少，因此土壤和農作物不再是被動地接受灌溉水，農作物的主動性得到了較好的利用，降低了灌溉管理的勞動量，減少了無效灌溉水量，從而有效提升了田間的灌溉效率。
以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。