本发明涉及农业灌溉技术，尤其涉及一种土壤自控式灌水装置。
背景技术：
农作物在生长发育过程中所蒸腾掉的水分往往是其自身生物量的数百倍甚至数万倍，由于土壤往往难以提供农作物生长发育所必需的水分，因此，在现代农业生产过程中，通过灌溉给土壤补充水分，继而满足农作物对水分的需求是必不可少的农事活动。但该传统灌溉方式，灌溉水资源浪费较为严重，且我国是水资源十分匮乏的国家，人均水资源量不到世界的25％，而且时空分布极其不均，使得我国绝大部分农田均需要灌溉。据估计，正常年份我国农业年缺水量300多亿立方米，在缺水的同时，我国农业水资源的利用率并不高。因此，我国面临的粮食安全、保护环境、节约资源等形势十分严峻，亟需大力推广先进农业技术，以最小的水分消耗生产出更多、更好的粮食、蔬菜、水果、纤维等农产品。
调控农作物生长土壤水分状况的基本手段是灌水，现有技术中，如喷灌、滴灌、微喷、分根区交替灌溉等，均是基于供水压力为正的有压灌溉，会使灌溉后表层土壤局部或者全部达到饱和，且灌溉强度不易控制，易产生地表径流，甚至冲破畦土导致露根、伤根，造成水源浪费、养分流失、土壤板结，而且土面水分蒸发量相对较大。而且每两次灌水之间总有一定的时间间隔，是一种脉冲式的灌水方式。因而，在脉冲式灌水过程中，土壤水分含量呈现出脉冲式的变化，即土壤含水量突然跃升至饱和状态，然后逐渐降低。由于农作物在不同的生长阶段，对土壤水分条件的需求不同，而采用脉冲式的灌水方式，只有部分阶段的土壤水分条件是适合农作物的。因而，在土壤水分的高含量阶段，非常容易因为水分含量过高而对农作物产生湿害或涝害，而在土壤水分的低含量阶段，又非常容易产生干旱胁迫和养分匮乏胁迫，导致减产、品质变劣，甚至死亡。
生产经验和科学研究均表明，除了水生植物外，旱地农作物生长发育的最佳水分条件是比饱和含水量低的某个非饱和水分状态，而且当农作物吸水后会导致根系周围的水势下降，进一步引发根系周围远处的水分向根系周围移动，以图维持根系水势不下降，也就是说农作物对于维持根系周围土壤水分状态具有一定的主动性。然而，在目前的灌水技术中，土壤和农作物是被动式接受灌溉水的，农作物的主动性没有得到利用，灌溉效率较低。
为了有效降低水资源的浪费，近10多年来，提出了一种新型灌水技术，即负压灌溉技术得到逐步发展和应用，该技术可以有效地抑制地表湿润导致的无效蒸发和地下渗漏导致的无效灌溉和养分流失，能够节省大量的人力和物力，从而极大地提高灌溉效率和水分生产率。
然而，负压灌溉一直只是停留在实验室和试验地，没有在田间实际运用，使得田间灌溉效率仍较低。可能是由于：系统的稳定性和可靠性难以得到保障。负压灌溉系统复杂，整个系统的稳定运行需要良好的密闭性作保证，系统运行前，需将输水管及供水器里面充满水并排出里面的气体，有研究采用在小温室里面采用边抽气边灌水的方法，虽然达到充水排气效果，但需要的时间较长，且效果不是很理想，导致灌溉效率不高。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供一种土壤自控式灌水装置，提升田间灌溉效率。
本发明实施例提供一种土壤自控式灌水装置，包括：灌水器、软质塑料管、没有弹性的固定圈套以及聚氨酯弹性体，其中，
软质塑料管一端与灌水器相连，另一端连接提供灌溉水的外部有压水源；
聚氨酯弹性体紧靠在软质塑料管上，而且位于软质塑料管两端之间；
没有弹性的固定圈套紧箍在聚氨酯弹性体以及软质塑料管上，而且不能自由滑动；
聚氨酯弹性体具有吸水膨胀、失水收缩的性能，且吸水膨胀所产生的弹性力大于软质塑料管形变所产生的弹性力；
所述聚氨酯弹性体与所需要灌溉的土壤埋设式接触；
所述灌水器可以埋设在土壤中，也可以不埋设在土壤中。
较佳地，所述聚氨酯弹性体可以为一长方体结构，贴附在软质塑料管的一侧。固定圈套没有弹性，可以是硬质的，也可以是软质的。固定圈套紧密地套在软质塑料管和聚氨酯弹性体外边，而且不能滑移。
较佳地，所述聚氨酯弹性体也可以为一环状结构，内环半径与软质塑料管外径相匹配，聚氨酯弹性体的内环紧箍软质塑料管，没有弹性的固定圈套为一环状结构，固定圈套紧箍聚氨酯弹性体的外环，而且不能滑移。
较佳地，所述聚氨酯弹性体还可以为一半环状结构，内环半径与软质塑料管外径相匹配，聚氨酯弹性体的内半环紧箍并裹住软质塑料管。没有弹性的固定圈套为一环状结构，固定圈套一侧紧箍聚氨酯弹性体的外环，相对的另一侧紧箍软质塑料管外侧，而且不能滑移。
本发明实施例提供的一种土壤自控式灌水装置，包括：灌水器、软质塑料管、没有弹性的固定圈套以及聚氨酯弹性体，其中，软质塑料管一端与灌水器相连，另一端连接提供灌溉水的外部有压水源；聚氨酯弹性体紧靠在软质塑料管上，而且位于软质塑料管两端之间；没有弹性的固定圈套紧箍在聚氨酯弹性体以及软质塑料管上，而且不能自由滑动；聚氨酯弹性体具有吸水膨胀、失水收缩的性能，且吸水膨胀所产生的弹性力大于软质塑料管形变所产生的弹性力；所述聚氨酯弹性体与所需要灌溉的土壤埋设式接触；所述灌水器可以埋设在土壤中，也可以不埋设在土壤中，能够提升田间灌溉效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的实施例土壤自控式灌水装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例中，针对以上现有灌水技术的缺点，提出一种新的土壤自控式灌水装置，以期既能克服传统有压灌溉的缺点，也能克服负压灌溉的缺点，同时兼具有压灌溉和负压灌溉的有点。
图1为本发明的实施例土壤自控式灌水装置结构示意图，如图1所示，包括：灌水器11、软质塑料管12、没有弹性的固定圈套14以及聚氨酯弹性体13，其中，
软质塑料管12一端与灌水器11相连，另一端连接提供灌溉水的外部有压水源；
聚氨酯弹性体13紧靠在软质塑料管12上，而且位于软质塑料管12两端之间；
没有弹性的固定圈套14紧箍在聚氨酯弹性体13以及软质塑料管12上，而且不能自由滑动；
聚氨酯弹性体13具有吸水膨胀、失水收缩的性能，且吸水膨胀所产生的弹性力大于软质塑料管12形变所产生的弹性力；
聚氨酯弹性体13与所需要灌溉的土壤埋设式接触；
灌水器11可以埋设在土壤中，也可以不埋设在土壤中。
本实施例中，灌水器11与软质塑料管12相连；聚氨酯弹性体13贴附在软质塑料管12上；没有弹性的固定圈套14的内侧紧箍在聚氨酯弹性体13以及软质塑料管12上，外侧固定不动。
软质塑料管12的一端密封固定在灌水器11上，软质塑料管12的另一端连接提供灌溉水的外部有压水源；
在软质塑料管12的两端之间，贴附有吸水膨胀、失水收缩的聚氨酯弹性体13，且吸水膨胀所产生的弹性力大于软质塑料管12形变所产生的弹性力；
利用没有弹性的固定圈套14，将贴附的聚氨酯弹性体13外侧紧箍在没有弹性的固定圈套14的内侧，没有弹性的固定圈套14的外侧固定，不能滑移。
本实施例中，聚氨酯弹性体13与所需要灌溉的土壤埋设式接触。
作为一可选实施例，灌水器11为微孔陶瓷灌水器，该微孔陶瓷灌水器可以埋入土壤。作为另一可选实施例，微孔陶瓷灌水器也可裸露于地表，即不埋设在土壤中。
本实施例中，作为一可选实施例，灌水器11顶部开设有灌水孔，灌水孔内密封固定软质塑料管12，软件塑料管用于从外部有压水源引入灌溉水。
本实施例中，作为一可选实施例，聚氨酯弹性体13为高分子材料聚氨酯弹性体。该高分子材料聚氨酯弹性体吸水膨胀、失水收缩，且吸水膨胀所产生的弹性力远远大于软质塑料管12形变所产生的弹性力。
本实施例中，作为一可选实施例，聚氨酯弹性体13可以为一长方体结构，贴附在软质塑料管12的一侧。没有弹性的固定圈套14为一中空的长方体结构，软质塑料管12的另一侧贴附在没有弹性的固定圈套14没有弹性，可以是硬质的，也可以是软质的。固定圈套14紧密地套在软质塑料管12和聚氨酯弹性体13外边，而且不能滑移。
本实施例中，作为一可选实施例，没有弹性的固定圈套14的一内侧壁上，聚氨酯弹性体13贴附在没有弹性的固定圈套14相对的另一内侧壁上，贴附软质塑料管12以及聚氨酯弹性体13所在的没有弹性的固定圈套14的外侧固定，不能滑移。
本实施例中，作为一可选实施例，贴附的聚氨酯弹性体13的初始状态为失水收缩的状态，吸水膨胀所产生的弹性力至少可挤压软质塑料管12的内壁至无缝隙状态。
本实施例中，作为另一可选实施例，聚氨酯弹性体13也可以为一环状结构，内环半径与软质塑料管12外径相匹配，聚氨酯弹性体13的内环紧箍软质塑料管12，没有弹性的固定圈套14为一环状结构，没有弹性的固定圈套14的内环紧箍聚氨酯弹性体13的外环，没有弹性的固定圈套14为一环状结构，固定圈套14紧箍聚氨酯弹性体13的外环，而且不能滑移。
本实施例中，作为一可选实施例，没有弹性的固定圈套14的外环固定，不能滑移。
本实施例中，作为再一可选实施例，聚氨酯弹性体13还可以为一半环状结构，内环半径与软质塑料管12外径相匹配，聚氨酯弹性体13的内半环紧箍并裹住软质塑料管12。没有弹性的固定圈套14为一环状结构，固定圈套一侧紧箍聚氨酯弹性体的外环，相对的另一侧紧箍软质塑料管外侧，而且不能滑移。
本实施例中，没有弹性的固定圈套14的内环一侧紧箍聚氨酯弹性体13的外环，相对的另一侧紧箍软质塑料管12外侧，没有弹性的固定圈套14的外环固定，不能滑移。
本实施例中，没有弹性的固定圈套14套在软质塑料管12上和聚氨酯弹性体13外围。
本实施例中，聚氨酯弹性体13紧紧贴附在软质塑料管12的预先设置的位置上，该位置处于灌水器11和外部有压水源之间。作为一可选实施例，贴附聚氨酯弹性体13的位置被埋入土壤中。
本实施例中，可依据作物生长发育的最佳水分条件以及确定的软质塑料管12的挤压特性选取聚氨酯弹性体13的相关参数，使得聚氨酯弹性体13吸水膨胀所产生的弹性力可挤压软质塑料管12的内壁至无缝隙状态，即使软质塑料管12无法向灌水器11供水。
本实施例的土壤自控式灌水装置的灌水过程如下：
在灌溉开始时，土壤含水量低，高分子材料聚氨酯弹性体含水量也较低，处于收缩状态，软质塑料管12未受挤压，外部有压水源中的灌溉水可通过软质塑料管12运输到灌水器11中，灌水器11开始向土壤供水，灌水压力调节可通过控制有压水源的水压来实现，为有压灌溉；
随着灌水器11向土壤供水，土壤含水量变大，使得土壤水分吸力逐渐变小，当土壤水分吸力小于高分子材料聚氨酯弹性体的水分吸力时，土壤中的水分开始流向高分子材料聚氨酯弹性体，高分子材料聚氨酯弹性体吸水开始膨胀；
由于高分子材料聚氨酯弹性体的外侧受到没有弹性的固定圈套14的束缚，不能向外膨胀，只能向软质塑料管12方向膨胀，从而挤压软质塑料管12，使得软质塑料管12运输的水量越来越小；
随着高分子材料聚氨酯弹性体的不断吸水，膨胀导致的形变逐渐变大，最终截断软质塑料管12内的灌溉水，使得软质塑料管12停止灌溉水运输；
当灌水器11被埋设在土壤中，且灌水器11是亲水性材料，则由于从截断的软质塑料管12到灌水器11之间的管道内以及灌水器11内仍然储存着一定量的水量，随着其灌溉水继续流向土壤，逐渐形成一动态的负压灌溉系统，直至储存的灌溉水的水势与土壤水分吸力相同，停止向土壤供水并形成动态平衡；
后续中，由于作物蒸腾吸水、土壤裸土蒸发、渗漏、再分配等水分运行(其中作物蒸腾是主要方面)，导致土壤含水量逐渐下降；
随着土壤含水量的逐渐降低，土壤水分吸力逐渐增大，当土壤水分吸力大于高分子材料聚氨酯弹性体的水分吸力时，高分子材料聚氨酯弹性体中吸附的水分将逐渐流向土壤，使得高分子材料聚氨酯弹性体失水而引起收缩，被挤压的软质塑料管12逐渐恢复，外部有压水源与灌水器11之间的灌水通路导通，外部有压水源中的灌溉水通过软质塑料管12被运输到灌水器11中，灌水器11又开始向土壤供水；
以上过程循环反复，通过设置高分子材料聚氨酯弹性体的相关参数，最终将土壤含水量控制在适当的范围内。
本实施例中，通过考虑将灌水器(比如：滴管头、微喷头、负压渗水器等)的前部输水管(软质塑料管)与能够吸水膨胀、失水收缩的功能性材料(聚氨酯弹性体)结合，利用功能性材料的形变控制软质塑料管内灌水通路的导通或截断(即功能性材料吸水膨胀时，灌水通路被截断；功能性材料失水收缩时，灌水通路导通，将外部有压水源中的灌溉水运输到灌水器中)。
本实施例中，通过将功能性材料与土壤直接接触，或者，通过能够传递水分的材料与土壤间接接触，当土壤含水量低时，因为土壤水分吸力大，功能材料水分吸力小，功能性材料中的水分将逐渐流向土壤，功能性材料失水而引起收缩，灌水通路导通，灌溉水通过外部有压水源、软质塑料管以及灌水器进入土壤；向土壤供水导致土壤含水量逐渐变大，使得土壤水分吸力逐渐变小，当土壤水分吸力小于功能材料水分吸力，土壤中的水分开始流向功能性材料，功能性材料吸水膨胀，进而挤压软质塑料管，从而截断灌水通路(作为输水管的软质塑料管内的灌溉水)。
当作物由于蒸腾吸水、土壤裸土蒸发、渗漏、再分配等水分运行(其中作物蒸腾是主要方面)，导致土壤含水量逐渐下降，土壤水分吸力逐渐增大，以上过程循环反复，最终将土壤含水量控制在适当的范围内。
本实施例中，通过选用适当的功能性材料及其与输水管的组装方式，可以得到不同的输水管导通与截断的临界点。
本实施例中，作为另一可选实施例，灌水器也可以不放置于土壤中，则在输水管导通的情况下，为普通的滴管、微喷灌等传统有压灌溉，具备传统滴管、微喷灌的所有优点。如果灌水器被埋入土壤中，在输水管导通的情况下，则是普通的有压渗灌，具备其所有的优点；在输水管截断的情况下，由于从截断点到灌水器之间的管道内仍然储存着一定量的水量，形成了一个负压灌溉系统，具备了负压灌溉的所有优点。因此，在灌水器被埋入土壤中的情况下，随着输水管中灌溉水的“导通”与“截断”，系统也在有压渗灌与负压灌溉之间转换，在保有传统有压渗灌、负压灌溉的优点的同时，克服它们的缺点。总之，不论灌水器与土壤接触与否，输水管中灌溉水的“导通”与“截断”是由土壤含水量的“低”与“高”决定的，而土壤含水量由“高”到“低”，主要是由作物蒸腾作用推动的，系统供给灌溉水的多少、快慢、时机主要取决于作物蒸腾作用强烈、需水量多少，因此土壤和农作物不再是被动地接受灌溉水，农作物的主动性得到了较好的利用，降低了灌溉管理的劳动量，减少了无效灌溉水量，从而有效提升了田间的灌溉效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。