現(xiàn)代灌溉水肥精量調(diào)控原理與應用

李久生，李益農(nóng)，栗巖峰，趙偉霞，王 珍，王 軍

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048）

1 引言

噴灌和微灌作為現(xiàn)代灌溉技術的主要形式，在我國的應用已有40余年歷史，尤其近10余年間，在持續(xù)增加的財政投入和土地流轉(zhuǎn)政策直接推動下，我國的噴、微灌進入快速發(fā)展時期。微灌面積以每年27%的速度增長，2015年已增至527萬hm2，世界排名第一；噴灌面積也在快速增長，2015年已達到373萬hm2，世界排名第三（CNCID，2016）［1］?！笆濉逼陂g，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》要求新增高效節(jié)水灌溉面積666.7萬hm2，其中噴、微灌面積399萬hm2，加快推進高效節(jié)水灌溉已成為重大的國家戰(zhàn)略需求?，F(xiàn)代灌溉農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展對灌溉工程和系統(tǒng)運行管理提出了新的更高要求。當前，我國灌溉工程裝備水平不斷提升和灌溉管理水平相對滯后的矛盾愈顯突出，農(nóng)田水肥利用率低以及由此引發(fā)的面源污染風險等問題仍在不斷加劇。我國化肥用量仍居高不下，農(nóng)作物畝均化肥施用量21.9 kg，是美國的2.6倍，歐盟的2.5倍，面源污染等生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴重［2］。面對發(fā)展現(xiàn)代灌溉農(nóng)業(yè)的集約化和精量化要求，提升噴、微灌技術的研究尺度、克服土壤和環(huán)境參數(shù)空間變異的影響、突破規(guī)?；瘒?、微灌系統(tǒng)設計和水肥管理中的技術難題，成為進一步發(fā)揮噴灌和微灌技術水肥調(diào)控優(yōu)勢、推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變的關鍵因素。

中國水利水電科學研究院水利研究所在灌溉水肥管理方向的研究始于2000年代初期，在改進噴、微灌設計、運行和管理及提高水肥利用率等方面進行了廣泛深入的研究，對于消除應用初期存在的水肥一體化可能對根區(qū)環(huán)境產(chǎn)生危害、導致水氮淋失等疑慮，系統(tǒng)解決施肥灌溉設備配套、系統(tǒng)設計和運行管理等方面的技術難題，推動噴、微灌技術和水肥一體化管理規(guī)?；l(fā)展發(fā)揮了積極作用?，F(xiàn)代灌溉技術的規(guī)模化應用和集約化管理促使傳統(tǒng)的灌溉活動發(fā)生許多深刻的變化，農(nóng)田尺度提升、應用區(qū)域變化以及灌溉水源多樣化都給灌溉技術的應用和發(fā)展提出了新的課題。本文對近15年間，水利研究所在現(xiàn)代水肥精量調(diào)控方面取得的主要成果及創(chuàng)新進行回顧和綜述。

2 水肥精量調(diào)控理論與方法提升

2.1 非均質(zhì)土壤滴灌水氮運移分布規(guī)律全面掌握滴灌條件下不同質(zhì)地土壤中的水肥運移分布規(guī)律是科學制定滴灌水肥管理措施的基礎。以往的研究中多將土壤簡化為均質(zhì)，忽略了實際應用中廣泛存在的土壤層狀質(zhì)地變化。層狀結(jié)構(gòu)土壤會改變施肥灌溉中的水肥運移分布模式，進而影響作物生長及產(chǎn)量。為此，選取了砂土-砂壤土（SL）、砂壤土-砂土（LS）、砂壤土-砂土-砂壤土（LSL）等幾種常見的層狀質(zhì)地結(jié)構(gòu)研究了地表和地下滴灌條件的土壤水氮運移規(guī)律及其對作物產(chǎn)量與品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，地表滴灌施肥條件下［3］，在上細下粗或上粗下細的層狀土壤中均存在一個限制水流向下運動并增加水平向運移的阻水界面。相對于均質(zhì)土壤，灌水器流量對上細下粗土壤（LS、LSL）的水分分布影響較小。在均質(zhì)土壤的滴灌系統(tǒng)設計中為了獲得較大的濕潤深度，常會選擇小流量灌水器，但該方法對層狀土壤不一定有效。地下滴灌室內(nèi)試驗表明［4］，在SL層狀土壤中，灌水器埋設在質(zhì)地變化界面以下較埋設在界面以上更能促進水分向下層土壤運動。對于LSL層狀土壤，灌水器埋設在上層壤土時，77%的水分會儲存在上層土壤中，而埋設在下層壤土中時，93%的水分分布在下層土壤中。在華北平原日光溫室番茄生長季節(jié)內(nèi)，進一步研究了層狀土壤質(zhì)地變化對田間水肥動態(tài)和作物生長的影響［5］。對土壤水分的監(jiān)測表明，層狀土表層20 cm的土壤含水量明顯低于砂壤土（圖1），2006年SL、LSL和未擾動的砂壤土對照處理（L）的土壤含水率的季節(jié)平均值分別為0.19、0.22和0.25 cm3/cm3，2007年分別為0.18、0.19和0.26 cm3/cm3。層狀土表層土壤含水率的大幅下降導致果實產(chǎn)量的顯著降低（表1）。將兩年產(chǎn)量數(shù)據(jù)平均后，SL和LSL處理的產(chǎn)量比L處理分別降低33%和12%。室內(nèi)和田間試驗結(jié)果均表明，在設計地下滴灌系統(tǒng)時，遇到層狀結(jié)構(gòu)土壤時需謹慎選擇灌水器的埋設深度。對于上粗下細層狀土壤，應避免選擇地下滴灌。

圖1 土壤含水量的季節(jié)性變化（試驗于華北平原溫室內(nèi)進行，各處理滴灌器埋深為15cm）

表1 番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的比較

2.2 微灌系統(tǒng)性能分區(qū)評價理論均勻系數(shù)是微灌系統(tǒng)設計和評價的關鍵指標。采用高的均勻系數(shù)雖有利于獲得均勻的水分和養(yǎng)分分布，但可能增加系統(tǒng)投資和運行費用。目前，不同國家已制定出了各自的滴灌系統(tǒng)均勻性的設計和評價標準。如美國農(nóng)業(yè)工程師學會標準EP405.1（ASAE，2003）推薦均勻系數(shù)（Emission Uniformity， EU）標準為70% ～95%［6］。我國國家標準《微灌工程技術規(guī)范》（GB/T 50485-2009）建議克里斯琴森均勻系數(shù)CU高于80%［7］。然而，我國多數(shù)微灌工程的實際運行壓力長期低于設計工作壓力，對于現(xiàn)行均勻系數(shù)標準是否有進一步降低空間存在很多爭議。由于國內(nèi)外均缺乏噴、微灌均勻系數(shù)對土壤水肥分布和作物產(chǎn)量、品質(zhì)的系統(tǒng)研究，對均勻系數(shù)降低產(chǎn)生的水氮淋失風險缺乏定量評估，進而無法對滴灌發(fā)展中提出的這一問題予以準確回答。為此，提出了考慮水肥施入過程、土壤中分布和淋失及作物吸收狀況的均勻性評價新思路，在灌溉施肥性能研究中，首次闡明了施肥與灌水均勻性之間的差異，提出系統(tǒng)設計和運行管理要同時考慮灌水和施肥均勻性的觀點。在均勻系數(shù)分區(qū)標準研究中，綜合考慮了華北和西北等不同的氣候區(qū)及土壤空間變異特性的影響，針對玉米、棉花和溫室蔬菜等4種作物連續(xù)開展15季試驗［8-11］，研究提出了不同生態(tài)區(qū)的微灌均勻系數(shù)標準，克服了單純水力學觀點的不足，創(chuàng)立了考慮水力學、作物響應、水肥動態(tài)及淋失全過程均勻性的系統(tǒng)性能評價理論。

在灌溉施肥性能研究方面，選取國內(nèi)常用的商業(yè)化施肥裝置，利用田間試驗評估了施肥裝置類型對施肥灌溉均勻性的影響［12］，結(jié)果表明，水動式比例泵和文丘里施肥器的施肥量變異系數(shù)與灌水變異系數(shù)非常接近（式（1）、式（2）），而壓差施肥罐的施肥量變異系數(shù)（CVF）約為灌水變異系數(shù)（CVW）的兩倍（式（3））。

以上結(jié)果表明，微灌系統(tǒng)在實現(xiàn)均勻灌溉的同時不一定能夠?qū)崿F(xiàn)均勻施肥。建立的施肥與灌水均勻性之間的定量關系為微灌系統(tǒng)的設計和管理中施肥裝置的性能評價與選型提供了依據(jù)。

在均勻系數(shù)分區(qū)標準研究方面，從2009年開始，針對微灌均勻系數(shù)對水、氮和鹽動態(tài)變化以及作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響開展了連續(xù)多年的試驗研究。供試作物包括華北平原半濕潤地區(qū)的溫室蔬菜［8］和玉米［11］以及中國西北干旱地區(qū)的棉花［10］等，試驗中CU變化范圍為55%～90%。在砂壤土和粉砂壤土中，3種作物全生育期內(nèi)的土壤含水率均表現(xiàn)出較高的均勻性。通過對土壤氮素空間分布的定期觀測發(fā)現(xiàn)，均勻系數(shù)對土壤氮素分布的均勻性沒有顯著（P＜0.05）影響。均勻系數(shù)對作物生長和產(chǎn)量的影響與區(qū)域有關。圖2給出了6年田間試驗的結(jié)果，可以看出在華北平原半濕潤地區(qū)，當均勻系數(shù)變化范圍為57%～99%時，玉米和白菜產(chǎn)量沒有明顯變化，相對產(chǎn)量變化范圍為0.99～1.02。這與5年的德克薩斯州高原試驗結(jié)論相一致［13］。而在干旱地區(qū)，當均勻系數(shù)從65%增至80%時，棉花產(chǎn)量隨均勻系數(shù)的增加明顯增長。主要原因是，半濕潤地區(qū)較大的降雨量削弱了低均勻系數(shù)引起的土壤水肥分布不均勻性。因此，在干旱地區(qū)宜采用比濕潤地區(qū)更高的均勻系數(shù)。近年來，利用二維土壤水分運移和作物生長耦合模型對棉花產(chǎn)量與CU的響應關系的模擬結(jié)果也印證了田間試驗的結(jié)論，并確定滴灌系統(tǒng)最佳均勻系數(shù)為75%［14］。

灌溉施肥不均勻引起的深層滲漏和氮素淋失是優(yōu)化滴灌系統(tǒng)均勻系數(shù)的重要指標。在半濕潤地區(qū)透水性較好的砂壤土中，強降雨和較大的作物氮需求量極易引起深層滲漏和氮素淋失，因此在華北平原四個玉米生長季節(jié)內(nèi)開展了評估CU的田間試驗［15-16］，CU的變化范圍為59%～97%。結(jié)果表明，深層滲漏主要由灌溉季節(jié)中的強降雨引起，氮素淋失主要受施氮量影響，均勻系數(shù)的影響相對較小?；谠摰貐^(qū)32年（1980—2011年）的氣象資料的數(shù)值模擬結(jié)果也獲得了類似結(jié)論［16］。

圖2 干旱地區(qū)黏壤土的棉花產(chǎn)量、半濕潤地區(qū)砂壤土的玉米和白菜產(chǎn)量與滴灌系統(tǒng)克里斯琴森均勻系數(shù)（CU）的函數(shù)關系；相對產(chǎn)量為作物產(chǎn)量與平均產(chǎn)量的比值

圖3 灌水器水力參數(shù)、土壤特性、作物吸氮量以及產(chǎn)量變異系數(shù)的比較試驗于華北平原玉米生長期內(nèi)進行，試驗設計包括3個灌水器埋深（0、15和30cm）和2種施肥裝置（壓差式施肥罐和文丘里施肥器）

土壤空間變異也是造成作物生長和產(chǎn)量不均勻的一個重要原因。為研究微灌系統(tǒng)水力性能和土壤空間變異對作物產(chǎn)量的相對重要性，在華北平原進行了相關的地下滴灌玉米試驗［17］。供試農(nóng)田為砂壤土，空間變異程度弱到中等。圖3比較了水力特性（制造偏差、滴頭流量和施肥量）、土壤參數(shù)（飽和導水率、土壤含水率、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量）和作物參數(shù)（地上生物量、吸氮量和籽粒產(chǎn)量）的變異系數(shù)。結(jié)果表明，灌水不均勻僅能解釋38%的土壤含水率均勻系數(shù)變化，施肥不均勻可分別解釋硝態(tài)氮和銨態(tài)氮變異系數(shù)變化的26%和49%。值得注意的是作物吸氮量和產(chǎn)量比滴頭流量、施肥量和土壤水氮含量的分布更均勻?？梢钥闯?，土壤空間變異在一定程度上造成了產(chǎn)量分布的不均勻。利用數(shù)學模型進一步針對滴灌系統(tǒng)均勻系數(shù)和土壤空間變異性對氮素淋失的影響進行了數(shù)值模擬研究［18］。結(jié)果表明，氮素淋失量隨CU的升高而減少，隨土壤質(zhì)地空間差異的增大顯著增大，與田間試驗的結(jié)論一致。經(jīng)過8年試驗和模擬研究，得出在半濕潤或濕潤地區(qū)，從提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)、減小氮素淋失等方面考慮，微灌均勻系數(shù)不宜低于60%；在干旱地區(qū)推薦使用更高的均勻系數(shù)（75%～80%）。

2.3 再生水滴灌技術滴灌在使用再生水灌溉時較地面灌溉和噴灌具有明顯的優(yōu)勢。再生水滴灌的堵塞問題往往成為事關系統(tǒng)成敗的關鍵。再生水中有機物質(zhì)沉積、細菌滋生、活性離子氧化和高pH值可能會促進生物膜生長，從而導致灌水器堵塞。為評估再生水滴灌系統(tǒng)堵塞問題，分別使用二級再生水和地下水開展了為期83 d的灌溉試驗［19］，試驗過程中，每隔10 d對灌水器流量進行測定，對有/無壓力補償裝置、流量范圍為1.0～2.6 L/h的6種灌水器進行了測試，發(fā)現(xiàn)使用再生水灌溉的灌水器堵塞更嚴重，其平均流量比使用地下水的灌水器低26%。在灌溉初期灌水器中堵塞物的形成非常緩慢，一旦平均流量比（Dra，%，式（4））降至90%～95%堵塞會迅速增加。后續(xù)研究［20］及中國農(nóng)業(yè)大學針對不同水源（地下水、不同鹽度的地表水和再生水）和灌水器的研究［21］均證實了灌水器堵塞閾值的存在。因此，為防止灌水器堵塞，應盡量控制流量百分數(shù)在堵塞閾值之上，長時間維持系統(tǒng)高性能運行，而加氯加酸處理是控制灌水器堵塞的最經(jīng)濟方式之一。為評估不同加氯模式對灌水器堵塞的控制效果，開展了一系列針對不同灌水器的相關試驗，試驗中加氯量以控制毛管末端余氯濃度范圍為0～10 mg/L進行調(diào)整，加氯間隔設置為1周～4周［22］。研究發(fā)現(xiàn)，加氯處理可明顯減輕灌水器堵塞，對小流量灌水器堵塞控制效果更好。與低頻高濃度加氯方式相比，高頻低濃度加氯方式可更好的保持系統(tǒng)處于良好的運行狀態(tài)。在此基礎上，課題組又開展了針對不同再生水水質(zhì)條件下的灌水器加氯加酸模式優(yōu)化試驗［23-24］。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生水中典型化學離子（如Fe2+和Ca2+）濃度對灌水器內(nèi)堵塞物質(zhì)形成過程及堵塞物質(zhì)成分影響顯著。較低濃度的Fe2+（0.8 mg/L）會明顯促進微生物生長和堵塞物質(zhì)的形成，采用一周一次加氯措施（保持系統(tǒng)余氯濃度2 mg/L）可有效降低堵塞風險；再生水中Ca2+濃度≥180 mg/L時，灌水器堵塞以化學堵塞為主，僅采取加酸措施（pH值5.0，2周一次）即可有效減輕系統(tǒng)堵塞。

式中：qi為堵塞試驗過程中第i個灌水器的流量（L/h）；為試驗開始前新灌水器的平均流量（L/h）；n為測試流量的灌水器個數(shù)。

土壤環(huán)境及作物對加氯措施的響應也是判斷加氯模式適宜性的重要指標。為研究加氯間隔和加氯濃度對植株生長、產(chǎn)量、果實品質(zhì)以及灌水器堵塞的影響，我們分別在日光溫室和大田內(nèi)以番茄和玉米為研究對象進行了4個生長季的二級再生水滴灌試驗［25］。日光溫室番茄試驗中，加氯間隔為2周～8周，加氯濃度為2～50 mg/L，研究結(jié)果表明，加氯間隔、加氯濃度以及二者的交互作用對兩年番茄的株高、葉面積、產(chǎn)量或品質(zhì)均無顯著影響。大田玉米試驗中，加氯濃度設置為1～8 mg/L，加氯歷時設置為0.5～3 h，研究結(jié)果表明，隨著加氯次數(shù)的增加，0～40 cm土壤中氯離子含量增加，根區(qū)土壤酶活性和玉米吸氮量呈降低趨勢，但余氯濃度和加氯歷時對作物生長和產(chǎn)量的影響未達到顯著水平。綜上可知，對于像番茄和玉米這種對氯中度敏感的作物，加氯處理是安全的。為進一步評估余氯分布不均勻性對土壤環(huán)境及作物生長的影響，在大田試驗中對余氯分布及土壤酶活性和作物生長指標進行了監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)再生水滴灌系統(tǒng)采用加氯處理，余氯濃度隨距毛管入口距離增加呈指數(shù)函數(shù)衰減，余氯濃度及其沿毛管的不均勻性對華北平原滴灌玉米的土壤酶活性、作物生長和產(chǎn)量未產(chǎn)生不利影響，但仍推薦采用低濃度、長歷時的加氯運行方式，以降低高濃度余氯對土壤環(huán)境可能產(chǎn)生的負面影響。

再生水中富含的養(yǎng)分元素及鹽分離子等物質(zhì)可能會對土壤肥力及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生影響。為評估這一影響，進行了2年大田玉米試驗，試驗中設置灌溉水質(zhì)（二級再生水和地下水）、滴灌帶埋深（0 cm、15 cm和30 cm）和灌水量（70%ETc、100%ETc和130%ETc，ETc為作物需水量），選擇土壤介質(zhì)中參與氮、磷等養(yǎng)分循環(huán)的脲酶、磷酸酶、蔗糖酶等為研究對象，定量評價了不同灌溉方式、灌溉制度下土壤酶活性的響應規(guī)律［26］。結(jié)果表明，再生水地面灌和滴灌后堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在土壤剖面均呈層狀分布。灌水量對土壤酶活性的影響隨土壤深度、生育階段和酶活性類型而變化；較小滴灌帶埋深明顯提高了表層土壤酶活性，而較大滴灌帶埋深顯著提高了深層土壤酶活性。灌溉前后堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性與土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和pH顯著相關；脲酶活性在玉米生育前期促進尿素水解和氮素礦化，后期促進氮素吸收和生物固持。與地下水灌溉相似，再生水地下滴灌提高了根區(qū)土壤酶活性，沒有干擾和改變土壤C、N、P養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，不會對土壤肥力水平造成負面影響。

在再生水灌溉養(yǎng)分有效性方面，開展了再生水滴灌盆栽和大田試驗，定量評估了再生水氮素對玉米生長的有效性［27-29］。結(jié)果表明，再生水灌溉提高了土壤氮素含量，特別是增加了氮素在深層土壤中的分布。盆栽試驗中，增加施氮量抑制了玉米對再生水氮的吸收，施氮量從0增加到2.64 g/盆時，再生水氮利用率從45%降到33%。和地下水灌溉相比，再生水灌溉能促進玉米對肥料氮的吸收，提高總氮吸收量，但降低了肥料氮對玉米吸氮量的貢獻率。15N示蹤-肥料當量法可用于定量評估再生水氮對玉米生長的有效性，再生水氮的肥料替代當量與施氮量之間為二次曲線關系，增加施氮量會降低再生水氮的有效性，等氮素施入量下再生水中的氮對玉米生長的有效性僅相當于50%～69%尿素氮。再生水灌溉能促進玉米生長和提高玉米產(chǎn)量。在試驗基礎上，基于HYDRUS-2D/3D和DNDC模型，構(gòu)建了滴灌條件下土壤水分、氮素運移轉(zhuǎn)化模型及玉米作物生長模型，評價了不同灌溉水質(zhì)、不同施氮量和不同灌水量對氮素淋失、轉(zhuǎn)化及玉米生長的影響。綜合試驗及模型模擬結(jié)果得出，NO3-淋失和氮素表觀損失量與施氮量呈正相關關系，再生水灌溉時適當降低施氮量能有效減少氮素損失，提高氮素利用率；華北平原再生水滴灌玉米優(yōu)化灌水量為75%ETc，施氮量為140～160 kg/hm2，玉米再生水滴灌可減施約20 kg/hm2尿素氮。

再生水中可能存在的鹽分離子、重金屬及微生物可能會對人類健康和環(huán)境構(gòu)成威脅。為了評估再生水滴灌條件下病原體污染風險，以大腸埃希氏菌（Escherichia coli，E.coli）為對象開展了一系列研究。通過室內(nèi)試驗，在不同流量（1.05～5.76 L/h）和大腸桿菌濃度（102～107CFU/ml）條件下，對大腸桿菌在非飽和砂土和砂壤土中的運移情況進行了研究［30］。結(jié)果表明，土壤質(zhì)地對大腸桿菌遷移過程影響明顯，砂土中E.coli濃度沿遠離滴頭方向逐漸減小，在距濕潤鋒5～10 cm的范圍內(nèi)無E.coli，砂壤土條件下，土壤對E.coli的吸附作用較強，灌溉水中E.coli絕大部分被截留在表層5 cm范圍內(nèi)，且集中在飽和濕潤區(qū)附近。灌水器流量和E.coli濃度的增加會促進大腸桿菌的遷移，從而使大腸桿菌在兩種土壤中的分布范圍更廣，濃度更高。在污水處理過程中，減少再生水中細菌濃度對于降低再生水灌溉引發(fā)土壤病原體污染風險是非常重要的。之后，我們利用室內(nèi)試驗成功構(gòu)建了土壤水分和大腸桿菌運移模型［31］。模型的模擬效果較好，并幫助我們更清晰認識了大腸桿菌在非飽和土壤中運移過程。為了探究中等濃度大腸桿菌再生水用于滴灌的可能性，在溫室內(nèi)開展了2年萵筍地表和地下滴灌試驗，試驗設置了3個灌溉周期（4、8和12 d）和3個灌水量水平（蒸發(fā)皿系數(shù)0.6、0.8和1.0）［32］。結(jié)果表明，地下滴灌可以防止病原體污染。頻繁灌溉和高濃度大腸桿菌會增加短期內(nèi)土壤大腸桿菌污染。收獲時，萵筍莖中未發(fā)現(xiàn)大腸桿菌，而在葉子上發(fā)現(xiàn)了少量的大腸桿菌，但葉片大腸桿菌污染與灌溉無必然聯(lián)系。以上結(jié)果表明，利用再生水灌溉時，采用較長的灌水間隔（如7 d左右），地下滴灌可避免大腸桿菌污染。

3 變量灌溉理論與控制技術研究與應用

隨著我國農(nóng)村新型城鎮(zhèn)化建設和土地流轉(zhuǎn)制度的改革，農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、現(xiàn)代化發(fā)展趨勢為大型噴灌機的應用提供了更為廣闊的空間。在集約化農(nóng)田尺度內(nèi)，定點灌溉解決土壤特性和作物生長的空間變異問題將為研究者和設計者帶來新的挑戰(zhàn)。變量灌溉具有解決這些困難的潛力，目前研究較多的國家有美國、加拿大、澳大利亞等［33-35］。2012年我們率先在國內(nèi)開始了變量灌溉研究與探索，成功研發(fā)出中國第一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的圓形噴灌機變量灌溉系統(tǒng)［36］，該系統(tǒng)為3跨加懸臂組成的長140 m的圓形噴灌機，可通過調(diào)節(jié)安裝在噴頭上方的電磁閥占空比和噴灌機運行速度實現(xiàn)變量灌溉。與傳統(tǒng)變量灌溉系統(tǒng)不同，各管理區(qū)內(nèi)的噴頭數(shù)量和沿噴灌機桁架方向的控制分區(qū)數(shù)量均不是預先設定，而是根據(jù)實際生成的管理區(qū)形狀和大小進行設定；基于無線射頻識別技術研發(fā)的地緣識別器，可代替GPS實現(xiàn)沿噴灌機行走方向的角度分區(qū)控制。

對變量灌溉系統(tǒng)水力性能的測試結(jié)果表明，由于電磁閥開-閉狀態(tài)和噴灌機走-停狀態(tài)的非耦合作用，變量灌溉系統(tǒng)的實際灌水深度與設計水深之差略大于均一灌溉系統(tǒng)［36］，這種現(xiàn)象也同樣出現(xiàn)在商業(yè)化的圓形噴灌機變量灌溉系統(tǒng)中。將電磁閥的脈沖周期設定為圓形噴灌機行走時間和停止時間的最大公約數(shù)，可更加精確的控制灌水深度［37］。表2為田間觀測試驗結(jié)果，當噴灌機百分率計時器限制為60 s且時間百分數(shù)設定為50%時，將電磁閥脈沖周期設為30 s可實現(xiàn)灌水深度平均絕對誤差（MAE）和平均偏差（MBE）的最小化。

在華北平原沖積區(qū)，建立了基于土壤可利用水量的變量灌溉管理分區(qū)方法［38］，根據(jù)1.0 m深度土壤可利用水量變化范圍，田塊被劃分成4個管理區(qū)。通過田間試驗，研究了冬小麥和夏玉米對變量灌溉和均一灌溉的響應。結(jié)果表明，與均一灌溉相比，變量灌溉的節(jié)水效果與作物生長季節(jié)中的降雨量高度相關。對于夏玉米，生長季節(jié)中降雨頻繁，變量灌溉的總灌水量比均一灌溉處理低14%，而冬小麥均一灌溉與變量灌溉的總灌水量大致相等［38］。作物生長和產(chǎn)量的差異在管理區(qū)之間達到了顯著水平，提出了同一田塊內(nèi)不同管理區(qū)具有不同水分生產(chǎn)潛力的假定［39］。為了發(fā)展半干旱氣候條件下的冬小麥非充分變量灌溉理論，在不同管理區(qū)內(nèi)設置了不同水分虧缺程度的非充分灌溉試驗。試驗驗證了不同管理區(qū)具有不同水分生產(chǎn)函數(shù)的假定，以水分生產(chǎn)效率最高為目標得到的管理區(qū)1、2、3內(nèi)適宜變量灌水比例為100%、89%和94%［40］。為了發(fā)展半濕潤氣候條件下的夏玉米變量灌溉制度，在不同管理區(qū)內(nèi)對比研究了土壤水分傳感器法、水量平衡法、水量平衡+降雨預報法對夏玉米生長和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，與基于水量平衡法、水量平衡+降雨預報法制定的變量灌溉制度相比，土壤水分傳感器法分別節(jié)水22%和20%，且產(chǎn)量無顯著差異［41］。

表2 不同電磁閥工作周期下變量灌溉系統(tǒng)灌水深度的平均絕對誤差（MAE）和平均偏差（MBE）

受限于土壤水分傳感器較高的成本，選擇土壤水分傳感器適宜埋設位置，減少監(jiān)測點密度，是土壤水分傳感器技術在精準農(nóng)業(yè)中應用時亟待解決的關鍵問題之一。借助變量灌溉技術分區(qū)管理的思想，提出了均一灌溉管理方式下，根據(jù)作物對水分虧缺的敏感程度，將土壤水分傳感器布置在最易發(fā)生干旱的管理區(qū)或面積最大的管理區(qū)內(nèi)的布設方法［42］。通過田間試驗，對比研究了均一灌溉和變量灌溉處理土壤含水率時間穩(wěn)定性。結(jié)果表明，變量灌溉管理雖然改變了整個農(nóng)田土壤含水率的空間分布結(jié)構(gòu)，但每個管理區(qū)內(nèi)的土壤含水率時間穩(wěn)定性依然存在，因此基于土壤含水率時間穩(wěn)定性原理，提出了將變量灌溉系統(tǒng)土壤水分傳感器網(wǎng)絡布置在每個管理區(qū)內(nèi)直接代表平均土壤含水率點位的方法［43］。為了克服通過時間穩(wěn)定性原理找到直接代表平均土壤含水率點位至少需要通過一季田間試驗，周期較長［44］的缺陷，提出了基于土壤黏粒含量的土壤水分傳感器埋設位置預判方法。研究發(fā)現(xiàn)，直接代表平均土壤含水率點位的黏粒含量與對應管理區(qū)內(nèi)平均黏粒含量之間呈線性關系（圖4）［43］，這一關系可以作為確定土壤水分傳感器埋設位置的預判準則。

圖4 冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)0～0.6m土層直接代表平均含水率點位的黏粒含量（y）與管理區(qū)內(nèi)平均黏粒含量（x）的線性關系

4 灌水施肥設備性能改進與配套裝置研發(fā)

4.1 低壓高均勻灌水器針對低壓下灌水器均勻系數(shù)下降、流道易堵塞等世界性難題，借助多因素正交試驗與CFD數(shù)值模擬手段，研究揭示了2～6 m工作壓力下流道內(nèi)流態(tài)轉(zhuǎn)化特征以及懸浮顆粒分布規(guī)律變化的機制，首次提出兼顧水力性能和抗堵塞性能的低壓滴灌灌水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計指標，確定了低壓下影響灌水器抗堵塞性能的流道寬度閾值為0.6 mm。創(chuàng)建的常壓和低壓下高均勻性灌水器設計理論與方法，保證了灌水器的流態(tài)指數(shù)始終處于0.43～0.49之間，灌水器流量偏差低于2.5%，達到國際上公認的高灌水性能。基于創(chuàng)建的地表滴灌高均勻性灌水器設計理論與方法，創(chuàng)制出系列化的高均勻性灌水器，常壓下灌水器出流均勻性較同類產(chǎn)品提高10%以上，低壓下的高均勻灌水器流量偏差為1.25%，流態(tài)指數(shù)0.45，達到國際A類產(chǎn)品標準?；跇?gòu)建的低壓壓力調(diào)節(jié)器設計方法，研發(fā)出具有啟動壓力低、調(diào)壓范圍寬、性能穩(wěn)定的低壓壓力調(diào)節(jié)器，出口預置壓力分別為0.06、0.08和0.1 MPa，產(chǎn)品性能達到國際A類產(chǎn)品標準，保障了地形起伏較大狀況下的滴灌系統(tǒng)均勻精量施灌，適宜不同地區(qū)（特別是山丘區(qū)）規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)對精量灌水（施肥）的需求［45］。

4.2 多功能系列噴頭針對現(xiàn)有噴頭適用范圍窄、運行穩(wěn)定性差的缺陷，發(fā)明了具有記憶功能的旋轉(zhuǎn)角度控制裝置和自動換向裝置，實現(xiàn)噴灑角度40°～360°連續(xù)可調(diào)，使噴頭在人為觸碰后，能夠在下次啟動時自動回復到原來設定的角度，噴頭旋轉(zhuǎn)到設定的噴灑角度后，自動實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)；同時在換向裝置及旋轉(zhuǎn)角度控制裝置之間增設具有離合器功能的彈片導軌部件，使得噴頭在有外力扭動時做自由旋轉(zhuǎn)，保護噴頭部件免受損壞。為了進一步簡化噴頭結(jié)構(gòu)，發(fā)明了無需齒輪傳動機構(gòu)的射線噴頭旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)裝置和外置流量調(diào)節(jié)裝置，解決了現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)射線噴頭無法在噴頭工作狀態(tài)下對旋轉(zhuǎn)角度進行有效調(diào)節(jié)的問題，擴大了噴頭的流量調(diào)節(jié)范圍，噴頭的流量調(diào)節(jié)范圍擴大到0.46～0.94 m3/h，覆蓋了國內(nèi)外射線噴頭全部系列規(guī)格的流量范圍，制造成本降低了20%。定型了齒輪傳動、散射式、渦輪驅(qū)動和旋轉(zhuǎn)射線噴頭等4個系列多功能噴頭產(chǎn)品［46］，年產(chǎn)逾160萬只，累計銷售額逾1億元，國內(nèi)市場占有率達20%，產(chǎn)量的1/3出口美國、巴西、墨西哥、伊朗等國家。

4.3 智能灌溉施肥機針對目前國產(chǎn)灌溉施肥機功能單一、智能化程度低、運行不穩(wěn)定等突出問題，研制開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能灌溉施肥機。系統(tǒng)研究了微灌上常用的5種文丘里施肥器，采用工業(yè)CT掃描和三維成像技術相結(jié)合的方法，對不同類型文丘里施肥器的內(nèi)部流場尺寸進行了精確標定，在此基礎上研發(fā)了適用于智能灌溉施肥機的短流道文丘里施肥器。重新設計了施肥機的系統(tǒng)構(gòu)架，克服了傳統(tǒng)國產(chǎn)施肥機功能單一的問題，深入探索了將加壓單元、注肥單元、過濾單元和控制單元進行系統(tǒng)集成的組構(gòu)方案，實現(xiàn)了加壓、調(diào)酸、注肥、灌溉等多功能的智能化集成，并可根據(jù)環(huán)境條件、作物類型和灌溉面積等條件靈活設置輪灌組、灌水頻率、灌水時長等灌溉控制技術參數(shù)。在設計原理上，該施肥機與傳統(tǒng)的施肥機具有較大差別，采用的無肥液混合罐設計節(jié)省了施肥機結(jié)構(gòu)空間，提高了肥液的pH、EC值的穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)施肥機運行不穩(wěn)定的問題。同時，基于免費的開源安卓系統(tǒng)，開發(fā)了具有水肥調(diào)控、環(huán)境監(jiān)控、故障診斷、云服務、系統(tǒng)設置等多種功能的控制軟件系統(tǒng)。與國外同類產(chǎn)品相比，成本降低一半，具有廣闊的市場前景［47］。

5 區(qū)域化應用及適用性評價

5.1 噴灌水肥高效利用模式在華北平原和內(nèi)蒙古地區(qū)分別開展了灌水和施肥交互作用對土壤水氮運移和玉米生長指標及產(chǎn)量影響的田間試驗［48］，同時，利用根區(qū)水質(zhì)模型（RZWQM）和作物生長DS?SAT模型開展了灌溉施肥制度優(yōu)化模擬研究，定量評估了影響作物生長的主控因子，構(gòu)建和完善了玉米模型數(shù)據(jù)庫，在利用田間試驗數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證的基礎上，利用40年氣象資料對不同水文年型下灌溉制度和施肥制度進行模擬優(yōu)化，得出內(nèi)蒙古地區(qū)枯水年的最優(yōu)方案為玉米生育期內(nèi)灌水11次，灌溉定額269 mm，施氮總量為170～175 kg/hm2，1次追施；平水年為玉米生育期內(nèi)灌9次水，灌溉定額220 mm，施氮總量為165～170 kg/hm2，1次追施；豐水年為玉米生育期內(nèi)灌7次水，灌溉定額180 mm，施氮總量為180 kg/hm2，分3次追施。

5.2 滴灌水肥熱高效利用模式針對華北秋冬季溫室白菜，對比了不同滴灌水熱調(diào)控措施的可行性，發(fā)現(xiàn)灌溉水加溫僅對灌水過程中的表層土壤影響較大，覆膜的影響主要體現(xiàn)在生育前期，而覆膜與灌溉水加溫相結(jié)合的水熱調(diào)控效果最為顯著，可以明顯提高白菜生育后期的土壤溫度，結(jié)球期10～30 cm土層的日平均土壤溫度可以增加1～3℃，增產(chǎn)幅度達11%。首次系統(tǒng)研究了滴灌水熱調(diào)控對氮素轉(zhuǎn)化機制的影響，發(fā)現(xiàn)覆膜與增加灌溉水溫結(jié)合可使表層土壤脲酶活性增強18%～30%，天門冬酰胺酶活性增強50%～180%，極大地促進了尿素水解和有機氮礦化等氮素轉(zhuǎn)化過程，使0～20 cm表層土壤有機氮礦化量提高5%～38%。

針對東北半濕潤區(qū)膜下滴灌玉米，系統(tǒng)研究了覆膜滴灌對土壤水肥熱變化、農(nóng)田小氣候特征、水氮運移吸收規(guī)律以及產(chǎn)量的影響機理，揭示了膜下滴灌技術的節(jié)水增產(chǎn)機制，得出膜下滴灌的平均產(chǎn)量分別比不覆膜滴灌和地面灌提高11%和21%，水分利用效率分別提高9%和18%。通過開展玉米膜下滴灌水肥優(yōu)化管理試驗，發(fā)現(xiàn)膜下滴灌的水肥調(diào)控機制在于通過分次施氮和合理控制施氮量，改善氮素在生育期內(nèi)的分配狀況和土壤中的分布特征。提出了黑龍江地區(qū)玉米膜下滴灌的水肥優(yōu)化管理模式為生育期分3次施氮，施氮量150～200 kg/hm2［49］。

5.3 基于分布式農(nóng)業(yè)水文模型和遙感數(shù)據(jù)的節(jié)水灌溉技術地區(qū)適應性評價方法為了回答不同地區(qū)和不同降雨年型節(jié)水灌溉技術的適應性問題，以松嫩平原為研究對象，實地調(diào)查分析研究區(qū)現(xiàn)有灌溉技術模式以及投入與產(chǎn)出情況，查閱文獻資料獲取研究區(qū)土壤類型、種植結(jié)構(gòu)、氣象數(shù)據(jù)和灌水數(shù)據(jù)?？紤]區(qū)域尺度各要素的空間變異性，建立了基于分布式農(nóng)業(yè)水文模型（GSWAP-EPIC）的區(qū)域節(jié)水灌溉效益評價方法，彌補了以往僅利用效益評價指標體系進行統(tǒng)計和打分評價的不足，實現(xiàn)了對灌溉效益的動力學模擬［50］。利用試驗數(shù)據(jù)和遙感反演ET數(shù)據(jù)以及產(chǎn)量數(shù)據(jù)等率定模型參數(shù)，評價了松嫩平原發(fā)展節(jié)水灌溉的效益，得出平水年和干旱年節(jié)水灌溉（大型噴灌機與小型移動式噴灌系統(tǒng)）玉米單產(chǎn)可增加達20%～30%，凈收益提高11%～52%（圖5），為制定節(jié)水灌溉區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略提供了依據(jù)。

圖5 2000—2013年松嫩平原不同水文年不同灌水情景玉米產(chǎn)量和凈收益比較

6 進一步研究方向

（1）水肥虧缺診斷和決策?，F(xiàn)代測試、遙感和信息技術等在農(nóng)業(yè)上的大量應用，為實現(xiàn)水分和養(yǎng)分實時監(jiān)測和科學診斷提供了有效手段。在當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向集約化和智能化轉(zhuǎn)變的新形勢下，農(nóng)田土壤水肥含量和作物虧缺狀況的大范圍、無損和快速檢測技術成為研究的熱點。應用光譜探測技術、無人機遙感和無線網(wǎng)絡等技術，研發(fā)遙感、便攜式、車載和無人機機載等多樣化的水肥診斷和實時監(jiān)測技術與裝備，進一步開展多尺度、多源水肥決策信息的識別、表達與融合方法研究是急需努力的方向。

（2）水肥精量調(diào)控。實現(xiàn)由靜態(tài)管理向動態(tài)管理轉(zhuǎn)變，建立集作物水肥需求信息采集、智能化預報決策支持、水肥精量控制為一體的灌溉施肥系統(tǒng)成為當前灌溉水肥管理的發(fā)展方向。進一步深入研究集約化管理模式下灌溉施肥過程中的水肥損耗機制和途徑，建立適合不同作物、不同生態(tài)區(qū)域、不同生產(chǎn)條件及灌溉方式的水肥管理參數(shù)優(yōu)化方法，開發(fā)包括灌水施肥性能評價、土壤水肥分布、作物吸收和生長模擬的灌溉施肥系統(tǒng)運行全過程模擬技術，將為實現(xiàn)灌溉施肥系統(tǒng)的智能化管理措施提供有力工具。

（3）灌溉施肥的環(huán)境效應。農(nóng)業(yè)灌溉活動對生態(tài)環(huán)境的影響日益受到重視，不合理灌溉施肥引發(fā)的面源污染風險也在逐漸增加。系統(tǒng)研究氣候變化環(huán)境下農(nóng)田生態(tài)環(huán)境與灌溉施肥活動的相互影響機理，探索不確定性耦合參數(shù)影響下的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多過程協(xié)同調(diào)控方法，建立科學的灌溉施肥管理環(huán)境影響評價體系，提出安全、高效的灌溉水肥調(diào)控措施對推動現(xiàn)代灌溉技術的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。