水肥一體化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析及優(yōu)化應(yīng)用策略

王寧寧 馬德新 ，2，3

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動漫與傳媒學(xué)院，山東 青島 266109；2.山東省科學(xué)院計算中心，山東 濟(jì)南 250101；3.山東大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，山東 濟(jì)南 250101）

1 我國農(nóng)業(yè)用水與水肥一體化技術(shù)背景

1.1 我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)是我國的重要產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。結(jié)合我國實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)作物增產(chǎn)，需要將科學(xué)灌溉、高效節(jié)約地使用水資源和科學(xué)施肥等有效結(jié)合起來。

我國是一個嚴(yán)重缺水的國家。雖然擁有全球6%的水資源，位居世界第四位，但人均擁有量僅為2 300 m3，是世界平均水平的1/4，在全球位列121位［1］，僅高于埃及、阿曼、阿聯(lián)酋、佛得角、布隆迪、沙特阿拉伯、巴巴多斯、阿爾及利亞、約旦、科威特、科比亞、馬耳他、巴林和也門等國家。

據(jù)報告，我國的農(nóng)業(yè)灌溉施肥和噴灑農(nóng)藥等用水約為3 900億m3，約為我國用水量的70%。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，灌溉用水約占全部用水的90%以上，占全國所有用水量的63%左右。長期以來，因我國農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)落后，水土管理方法不科學(xué)，農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)較多，大大降低了水肥資源的利用率。據(jù)報道，我國年農(nóng)業(yè)澆灌用水利用系數(shù)平均約為0.43，而先進(jìn)國家約0.70～0.80［2］。按照年水利用系數(shù)的水平計算，若灌溉用水的利用率提高，那么節(jié)省水量可近百億立方米。

1.2 水肥一體化技術(shù)的產(chǎn)生背景

目前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用水持續(xù)增多加劇了整體水資源的匱乏程度；化肥過度使用，導(dǎo)致土壤貧瘠和環(huán)境污染日益嚴(yán)重。在這種情況下，國家加大了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧化和精細(xì)化管理，推動并產(chǎn)生了水肥一體化技術(shù)。

2 國外水肥一體化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 水肥一體化技術(shù)的基本概念

水肥一體化指的是讓灌溉和施肥一起作業(yè)，同時供給植物水分和營養(yǎng)。從狹義上講，是將肥料溶解于水中，利用微灌系統(tǒng)進(jìn)行灌溉，同時達(dá)到灌溉與施肥目的，可均勻地滿足植物對水分和營養(yǎng)的需求，以此減少重復(fù)勞動作業(yè)，實(shí)現(xiàn)高效率水分和養(yǎng)肥同步化管理的農(nóng)業(yè)技術(shù)。

2.2 世界水肥一體化的發(fā)展歷程分析

1790年左右，歐洲的John Woodward用土壤提取液進(jìn)行植物種植，此為水肥一體化的初始記錄。國際上第一個進(jìn)行的有關(guān)細(xì)流灌溉技術(shù)的試驗(yàn)可以追尋到1900年之前，但該試驗(yàn)真正起源于1950—1960年間[3]。20世紀(jì)70年代，隨著廉價塑料管大批生產(chǎn)，滴灌技術(shù)得以快速發(fā)展，滴灌、微噴灌等技術(shù)得到加強(qiáng)。

2.2.1 以色列水肥一體化技術(shù)的發(fā)展歷程。在以色列，水肥一體化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程非常顯著。1950年左右，隨著塑料工業(yè)的興起，滴灌也得以蓬勃發(fā)展，水肥一體化技術(shù)逐漸得到應(yīng)用。目前，該技術(shù)已普遍應(yīng)用于各個方面，如果園、溫室、田地以及植物綠化等，施肥系統(tǒng)也從單一的施肥罐發(fā)展到文丘里真空泵和液壓驅(qū)動的肥料注入器，且伴隨著計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備的引入，各種養(yǎng)分的分布均勻度明顯提高。在以色列，水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用率在50%以上，居世界第一位。

2.2.2 美國水肥一體化技術(shù)的發(fā)展歷程。1913年，第一批滴管事業(yè)在美國起步。因其起步較早，國家扶持力度大、農(nóng)場認(rèn)可，現(xiàn)在成為微灌面積最大的國家。灌溉農(nóng)業(yè)中60%的馬鈴薯、25%的玉米、33%的果樹均采用水肥一體化；用于水肥一體化的專用肥料占肥料總量的38%以上。［3］目前，加州的果樹種植管理大都采取滴管、滲灌等水肥一體化技術(shù)，且已建立了完善的水肥一體化技術(shù)應(yīng)用設(shè)備和服務(wù)系統(tǒng)，成為世界現(xiàn)代高價值農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代化生產(chǎn)的典范。

2.2.3 德國水肥一體化技術(shù)的發(fā)展歷程。1920年，德國農(nóng)技人員經(jīng)過多次探索試驗(yàn)，使水通過孔眼流出，大大提高了水資源利用率，實(shí)現(xiàn)了水出流的突破。1950年左右，世界塑料工業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，高效灌溉技術(shù)也隨之迅猛發(fā)展，灌水作業(yè)與施肥作業(yè)被聯(lián)合應(yīng)用，成為一種可精準(zhǔn)控制土壤水分、養(yǎng)分的新農(nóng)業(yè)技術(shù)。

3 我國水肥一體化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國農(nóng)業(yè)智能化技術(shù)的初期發(fā)展較為遲緩，基本皆是從美國、墨西哥、以色列等國引進(jìn)的。由于我國的科學(xué)技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家存在一定差距，特別是在工藝、原材料等方面，導(dǎo)致國內(nèi)在這方面的技術(shù)相對落后于較早進(jìn)入智能化農(nóng)業(yè)發(fā)展階段的國家。

3.1 我國水肥一體化技術(shù)的發(fā)展歷程

1974年，我國從墨西哥引進(jìn)了滴灌設(shè)備，此后，滴灌技術(shù)水平得到進(jìn)一步提高。1988年，我國成功自主研發(fā)制造出首代整套滴灌設(shè)備。此后，隨著國外高新生產(chǎn)技術(shù)的引進(jìn)，我國滴灌作業(yè)逐漸形成規(guī)模，水肥一體化技術(shù)逐漸從理論試驗(yàn)與試點(diǎn)示范領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。到20世紀(jì)下旬，我國逐步將理論與實(shí)踐相結(jié)合，水肥一體化的技術(shù)受到高度關(guān)注。

3.2 水肥一體化技術(shù)應(yīng)用存在的不足

首先，想要提高施肥率的農(nóng)田大部分使用的是水溶性肥料，但如果水溶性肥料不能完全均勻溶解于水，很容易造成施肥不均勻，繼而出現(xiàn)燒苗、傷根、幼苗不健康等現(xiàn)象。其次，水溶性肥料的養(yǎng)分含量高，肥效釋放所需時間短，在土壤中的留存效果不佳，如果不高精度控制肥料使用量，避免肥料損失，則將降低施肥的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)不到產(chǎn)量高、質(zhì)量優(yōu)、效果好的目的。

4 水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用策略

4.1 提高微灌施肥的性能

提高微灌用肥的水溶性，加大對水溶性肥料的研發(fā)力度，確保利用科學(xué)的配方，同時降低成本，讓農(nóng)民以適宜的價格加以使用；提高微灌施肥設(shè)備的性能，在不影響其他功能的前提下，提升其防堵性。從針對性、簡潔性和可行性方面對灌溉施肥制度進(jìn)行完善。

4.2 創(chuàng)新多種水肥一體化模式

開發(fā)不同的技術(shù)形式，對比研制灌溉設(shè)備、檢測儀器等，摸索技術(shù)具體參數(shù)，大力開發(fā)多種環(huán)境下的水肥一體化技術(shù)實(shí)施模式，提升水肥一體化技術(shù)的使用率，將其優(yōu)勢發(fā)揮至最大化。

4.3 大力發(fā)展示范基地

建立水肥一體化技術(shù)的綜合多層次示范網(wǎng)絡(luò)，形成示范基地。通過互聯(lián)網(wǎng)連接各地示范基地，在全國范圍內(nèi)進(jìn)行及時有效的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)技術(shù)同步。

4.4 結(jié)合資本力量促進(jìn)發(fā)展

結(jié)合資本力量，形成有效的推廣機(jī)制。高鵬等［4］認(rèn)為，應(yīng)加大水肥一體化技術(shù)研發(fā)力度，并擴(kuò)大示范推廣范圍，提供切實(shí)有效的理論支撐和科學(xué)化的技術(shù)指導(dǎo)；充分發(fā)揮農(nóng)村專業(yè)合作社的效用，增強(qiáng)水肥一體化技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)范化；公司創(chuàng)立以技術(shù)服務(wù)為主、產(chǎn)品營銷為輔的市場銷售模式，滿足廣大農(nóng)戶對系統(tǒng)維護(hù)和技術(shù)支持等增值服務(wù)的需求[4]。

4.5 應(yīng)用新型現(xiàn)代栽種模式

根據(jù)水肥一體化對環(huán)境及生產(chǎn)機(jī)械各方面的需求，圍繞水肥一體化為中心研發(fā)農(nóng)業(yè)栽種新模式。確保土壤信息準(zhǔn)確收集與實(shí)時有效的傳遞，把握土壤養(yǎng)分信息和植物蓄水狀態(tài)，通過計算機(jī)分析數(shù)據(jù)，科學(xué)合理地制訂灌溉方案。

5 結(jié)語

水肥一體化技術(shù)的科學(xué)運(yùn)用會扭轉(zhuǎn)我國原有的農(nóng)業(yè)灌溉模式，其作為目前提升水肥利用率的最有效途徑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍愈來愈廣泛，特別是水資源短缺的我國。近年來，我國水肥一體化技術(shù)在政府的推進(jìn)下迅速發(fā)展，技術(shù)體系框架已經(jīng)建立，但不夠成熟，仍然存在很大的提升空間。結(jié)合實(shí)際國情，加速開發(fā)和研制適用的灌溉施肥設(shè)備，完善灌溉施肥制度和栽培措施等，全面提升水肥一體化技術(shù)應(yīng)用水平，是將來重要的任務(wù)和努力方向。