我國水肥一體化技術應用現(xiàn)狀與發(fā)展對策

黃語燕 劉現(xiàn) 王濤 陳永快

摘要?在綜述國外水肥一體化發(fā)展情況的基礎上，介紹了我國水肥一體化技術的應用現(xiàn)狀，主要包括水肥一體化技術的應用模式、施肥方法以及控制系統(tǒng)研究。分析了目前我國水肥一體化技術發(fā)展中存在的問題，并提出了一些發(fā)展建議，以期使水肥一體化技術得到更好的發(fā)展和運用，并推動我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。

關鍵詞?水肥一體化;現(xiàn)狀;發(fā)展對策

中圖分類號?S365?文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2021）09-0196-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.054

Abstract?On the basis of reviewing the development status of water and fertilizer integration in foreign countries，we introduced the application status of water and fertilizer integration technology in China，which mainly included the application mode of water and fertilizer integration technology，fertilization methods and research status of control systems.Then we analyzed the existing problems in the development of water and fertilizer integration technology in China，and put forward some development suggestions，so that water and fertilizer integration technology could get better development and application，and promote the rapid development of Chinas agriculture.

Key words?Water and fertilizer integration;Status;Development countermeasures

水肥是植物生長不可缺少的條件，目前廣泛采用的灌溉施肥方式為漫灌和經(jīng)驗性施肥，缺乏水肥耦合[1]。2018年，我國農(nóng)業(yè)用水量為3 693.1億m3，占總用水量的61.4%，灌溉水有效利用率僅為30%～40%，遠低于以色列、荷蘭等國家[2-3]。2018年我國農(nóng)用化肥施用量為5 653.4萬t，是世界上化肥施用量最多的國家，化肥的平均利用率僅為33%，其中氮肥利用率為30%～35%，磷肥利用率為20%～25%，鉀肥利用率也低于50%[2，4]。傳統(tǒng)的施肥方式存在浪費水肥資源、土壤板結(jié)等問題，阻礙了我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。水肥一體化技術是將肥料溶解在水中，配制成一定濃度的營養(yǎng)液后，再輸送到作物根部實現(xiàn)自動灌溉及施肥[5]。近幾年來，國家大力倡導發(fā)展水肥一體化技術，并出臺了相關文件來支持節(jié)水灌溉、水肥一體化技術的發(fā)展，比如《推進水肥一體化實施方案（2016—2020年）》文件指出應“推廣普及水肥一體化等農(nóng)田節(jié)水技術”;《國家節(jié)水行動方案》指出“大力推進節(jié)水灌溉”，“推廣噴灌、微灌、滴灌、低壓管道輸水灌溉、集雨補灌、水肥一體化、覆蓋保墑等技術”;2019年中央一號文件指出應該“發(fā)展高效節(jié)水灌溉”“開展農(nóng)業(yè)節(jié)肥節(jié)藥行動”;2020年中央一號文件指出“加大農(nóng)業(yè)節(jié)水力度”[6-8]。與傳統(tǒng)灌溉模式相比，水肥一體化技術具有節(jié)水節(jié)肥、省時省力、改善土壤環(huán)境等優(yōu)點，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、解決我國農(nóng)業(yè)灌溉施肥問題的關鍵[9]。筆者在綜述國外水肥一體化發(fā)展情況的基礎上，介紹了我國水肥一體化技術的應用現(xiàn)狀，主要包括水肥一體化技術的應用模式、施肥方法以及控制系統(tǒng)的研究。分析了目前我國水肥一體化技術發(fā)展存在的問題，并提出了一些發(fā)展建議，以期使水肥一體化技術得到更好的發(fā)展和運用，并推動我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。

1?國外水肥一體化技術發(fā)展現(xiàn)狀

國外的灌溉施肥技術起步較早，以色列、荷蘭、美國等都已經(jīng)普及推廣水肥一體化技術，并形成灌溉施肥機系列產(chǎn)品，比如以色列NETAFIM公司的NetaJet和Fertikit系列，Eldar-Shany公司的Frtimix系列，荷蘭PRIVA公司的Nutri-line系列，韓國普賢BH系列等灌溉施肥機[10]。這些灌溉施肥機能夠精確提供作物的養(yǎng)分和水分，有些還可以根據(jù)作物類型、不同生育期特點、環(huán)境參數(shù)等提出不同的灌溉策略，實現(xiàn)智能化灌溉施肥[11]。

以色列從“沙漠之國”變成“農(nóng)業(yè)強國”，其主要措施是將灌溉技術、水溶肥技術、傳感器技術及智能設施設備相結(jié)合并廣泛應用于育苗、大田作物、果園、溫室蔬菜與花卉等。截至2018年，以色列90%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)實現(xiàn)了水肥一體化管理。以色列在推廣水肥一體化技術的過程中研制出多種灌溉施肥設備，實現(xiàn)了施肥的定時、定量控制，75%的農(nóng)用廢水被回收利用，使得水分利用率提高了40%～60%，肥料利用率提高了30%～50%，同時有效提高了資源利用率，實現(xiàn)了節(jié)水、增產(chǎn)、增效[5]。

美國節(jié)水灌溉技術已經(jīng)達到世界先進水平，其中50%的農(nóng)場面積進行噴灌，43%的農(nóng)場面積采用地面灌溉，7%的農(nóng)場面積采用其他灌溉方法，是世界上推廣微灌面積最多的國家[12]。美國60%的馬鈴薯、33%的果樹和25%的玉米都采用水肥一體化技術，水肥一體化專用肥料占肥料總量的38%以上，使肥料可以被作物快速吸收[5]。為了保證水肥的有效管理，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部專門成立了一個水肥一體化管理部門，并建立了服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的云平臺，制定了一系列灌溉制度，有效提高了水肥利用率[13]。

為了在有限的土地產(chǎn)出更多的農(nóng)作物，荷蘭采用智能化水肥一體化灌溉技術，電腦可根據(jù)作物不同時期需要水肥的量，自動配比水肥進行灌溉，實現(xiàn)智能化控制[4]。

2?我國水肥一體化技術應用現(xiàn)狀

1974年，我國從墨西哥引進了滴灌設備，并建立了5.3 hm2的試驗研究基地，我國水肥一體化技術研究自此拉開了序幕。自1974年以來，我國水肥一體化灌溉技術得到了一定的發(fā)展，研究力度不斷加大，運用范圍也不斷擴大，并獲得了良好的示范效果[14-15]。

2.1?我國水肥一體化技術主要應用模式

目前主要的技術應用模式有噴灌、滴灌、微噴灌和膜下滴灌等模式，其中以色列滴灌技術應用最為廣泛。

噴灌是利用噴頭將具有一定壓力的水噴射到空中，形成細小水滴或形成彌霧降落到作物上和土壤中的灌溉方式。噴灌可用于各種類型的土壤和作物，對各種地形的適應性較強，可以控制噴水量和均勻性，避免產(chǎn)生地面徑流和深層滲漏損失，一般比漫灌節(jié)水30%～50%。劉釗[16]以新疆馬鈴薯種植業(yè)為試驗對象，研究畦灌、大型噴灌機噴灌等灌溉方式下的綜合效益，結(jié)果表明大型噴灌機噴灌是最優(yōu)選擇，1.333 hm2的栽培面積中，15年純效益為16.09萬元，為畦灌的1.7倍。除了自壓噴灌系統(tǒng)外，噴灌系統(tǒng)都需要加壓，噴灌受風力的影響較大，有空中損失，對空氣濕度的影響較大，存在表層土壤潤濕充分、深層土壤潤濕不足的缺點[15]。

滴灌是將具有一定壓力的營養(yǎng)液，利用灌溉管道將營養(yǎng)液通過滴頭，將水分和養(yǎng)分一滴一滴、均勻而又緩慢地滴入作物根區(qū)土壤中的灌溉技術[17]。滴灌技術不破壞土壤結(jié)構，需要的工作壓力小，可以減少無效的棵間蒸發(fā)，幾乎沒有深層滲漏，一次灌水延續(xù)時間較長，可以做到小水勤灌，具有較好的節(jié)水效果。于舜章[18]利用滴灌施肥技術，在黃瓜大棚種植試驗中，與農(nóng)戶習慣施肥相比，可以節(jié)肥3.7%～49.5%，節(jié)水21.0%～27.1%，增產(chǎn)9.9%～17.6%，每公頃減少成本3.86萬～5.91萬元。滴灌的缺點是滴頭易結(jié)垢和堵塞，可能造成滴灌區(qū)鹽分的累積，影響作物根系的發(fā)展。因此，滴灌對水質(zhì)的要求較大，初期投資較大，必須安裝過濾器并需要定期清理和維護[4]。

微噴灌水肥一體化技術是營養(yǎng)液以較大的流速由低壓管道系統(tǒng)的微噴頭噴出，通過微噴頭噴灑在土壤和農(nóng)作物表面。微噴灌的優(yōu)點是水肥利用率高、靈活性大、實用方便，可調(diào)節(jié)田間小氣候。李娜等[19]在小麥種植中采用微噴灌水肥一體化技術，與常規(guī)施肥相比增產(chǎn)545 kg/hm2，節(jié)約成本450～750元/hm2。微噴灌的缺點是對灌溉水源水質(zhì)的要求較高，必須對灌溉水進行過濾，田間微噴灌的噴頭易被雜草、作物莖稈等雜物阻塞，而噴灑質(zhì)量、均勻度等受風的影響較大[4]。

膜下滴灌技術是將滴灌管道鋪設在膜下，通過管道系統(tǒng)將水肥送入滴灌帶，由滴灌帶上的滴頭將水肥不斷滴入土壤中。膜下滴灌水肥一體化的缺點如下：灌溉器容易阻塞，會引起淺層土壤鹽分積累，限制根系的發(fā)展，高頻率灌溉要求水電保證率高。調(diào)查顯示，與傳統(tǒng)灌溉相比，膜下滴灌可以節(jié)水30%～50%，增產(chǎn)20%～30%[20]。在新疆地區(qū)，有200萬hm2面積的耕地在使用膜下滴灌技術，尤其是棉花膜下滴灌技術運用最為成熟，研究表明運用此技術可獲得最優(yōu)的經(jīng)濟產(chǎn)量以及最高的水分利用效率[21-22]。焦有權等[23]在設施番茄種植中使用膜下滴灌水肥一體化技術，與原有的大水漫灌的人工施肥方式相比，節(jié)水率為54%～57%，節(jié)肥37.5%。

2.2?水肥一體化系統(tǒng)的施肥方法

施肥是水肥一體化系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)肥料溶液加入方式不同，水肥一體化施肥方法主要有文丘里施肥法、壓差式施肥法、重力自壓式施肥法等[24]。

文丘里施肥法的工作原理如圖1所示。當水流由管道的高壓區(qū)向低壓區(qū)流動時，經(jīng)過文丘里管道喉部時流速加大，壓力下降并形成負壓，在管道內(nèi)產(chǎn)生真空吸力，將肥料母液從肥料管吸取至灌溉系統(tǒng)。文丘里施肥法的優(yōu)點是結(jié)構簡單，成本低，安裝方便，無需外部能耗，吸肥量范圍大，可實現(xiàn)按比例施肥和保持恒定的養(yǎng)分濃度。因此，文丘里施肥法在施肥設備中應用范圍最廣。其缺點是壓力損失較大，一般適于灌溉面積不大的場合[25]。

壓差式施肥法又稱旁通罐施肥法，它由2根細管與主管道相連接，在主管道上2條細管（分別為進水管、排液管）之間設置一個調(diào)壓閥，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥使施肥罐上的進水管和排液管之間形成壓力差，使得一部分水由進水管流入施肥罐，水溶解罐中肥料后，肥料溶液由排液管進入主管道，將肥料帶到作物根系[26]。壓差式施肥法的工作原理如圖2所示。壓差式施肥法的優(yōu)點是制造成本低，操作簡單，可直接使用固體肥料，無需預配肥料母液，不需要外加動力設備;其缺點是施肥濃度不恒定，肥料溶液濃度隨施肥時間的延長而逐漸降低，施肥罐容積有限，反復添加肥料母液，操作過于煩瑣[4]。

重力自壓式施肥法是在灌溉水池處建一個高于水池液面的肥料母液池，池底安裝肥液流出管道，利用肥液自身重力流入灌溉水池。該方法適用于有地勢落差的場合，如丘陵山區(qū)果園等。該方法的優(yōu)點是可以控制施肥濃度和速度，無需外部能耗，投資小，操作簡便。該方法的缺點是灌溉水池易滋生藻類、苔蘚等植物，需要定期清理[26-27]。重力自壓式施肥法的工作原理如圖3所示。

2.3?水肥一體化控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

水肥一體化控制系統(tǒng)是整個水肥一體化技術的核心，目前采用的控制器類型主要有單片機、PLC、ARM等。近年來，我國引進了國外一些先進的水肥一體化設備，比如張金良等[3]引進了以色列NETAFIM公司福萊斯3G開放桶式施肥機，以黃瓜為試材，與傳統(tǒng)手動簡易灌溉施肥模式相比，自動灌溉水一體化系統(tǒng)可節(jié)肥30.4%，節(jié)水22.4%，使產(chǎn)量提高11.1%。我國在引進國外水肥一體機先進技術的基礎上，也因地制宜地研發(fā)了多種水肥一體化精量灌溉控制系統(tǒng)，有些注重控制算法研究，有些結(jié)合各種傳感器、圖像識別實現(xiàn)精準灌溉，有些結(jié)合專家知識實現(xiàn)灌溉。

袁洪波等[28]設計了一種水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)，采用滴灌基質(zhì)無土栽培模式并構建回收管路，實現(xiàn)水肥循環(huán)利用。在番茄栽培試驗中，與傳統(tǒng)土壤栽培模式相比，用水量是傳統(tǒng)土栽模式的69.4%，水分利用效率是傳統(tǒng)土栽模式的1.92倍。

阮俊瑾等[29]研制了一種球混式精確施肥灌溉系統(tǒng)，采用文丘里管吸取肥料母液，配備STM32系列微控制器，搭載一套智能灌溉施肥應用軟件，從而實現(xiàn)自動配肥、自動灌溉和自動決策，系統(tǒng)控制精度高、運行穩(wěn)定，大大提高了水肥利用效率。

江新蘭等[30]設計了基于兩線解碼技術和云計算的設施農(nóng)業(yè)水肥一體化灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過兩線解碼技術，利用各種傳感器實時采集作物生長環(huán)境信息，并存儲于數(shù)據(jù)管理云平臺，根據(jù)作物需水需肥規(guī)律，利用云平臺的計算和分析能力，科學制訂不同環(huán)境中作物生長的水肥需求和灌溉施肥制度，實現(xiàn)水肥一體化的智能控制。應用試驗表明，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，肥料利用率提高了15%～35%，水分利用率提高了25%～40%。

李友麗等[31]設計了一種基于有機液肥制備的水肥一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有有機液肥制備、濃度調(diào)節(jié)和自動灌溉等功能，實現(xiàn)了有機栽培的營養(yǎng)液制備與管理一體化。將該系統(tǒng)運用在溫室黃瓜基質(zhì)栽培系統(tǒng)中，運行穩(wěn)定，黃瓜總產(chǎn)量可達48 165 kg/hm2。

張育斌等[32]研究了PID控制，建立了遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制模型，有效解決了傳統(tǒng)PID控制在面向不確定、非線性對象時的局限性，并設計了可以同時完成氮肥、磷肥、鉀肥和微量元素等肥液灌溉的系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了水肥精量配比，大大提高了灌溉效率。

師志剛等[33]設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括農(nóng)田氣象及土壤墑情系統(tǒng)、智能灌溉施肥系統(tǒng)、作物長勢視頻監(jiān)控系統(tǒng)、能效監(jiān)測系統(tǒng)、遠程監(jiān)控平臺等。應用結(jié)果表明系統(tǒng)節(jié)水省工效果好，系統(tǒng)運行20年后的凈現(xiàn)值為普通滴灌的7倍多。

姜巖等[34]設計了基于專家系統(tǒng)的水肥一體化智能控制系統(tǒng)，通過接收專家系統(tǒng)的控制策略實現(xiàn)施肥的自動化、智能化，養(yǎng)分專家系統(tǒng)可根據(jù)輸入的大棚基礎信息、氣象和土壤資料，快速推薦施肥方案。通過2016—2017年的草莓土壤種植試驗表明，按照專家系統(tǒng)推薦的肥料比例及用量，與農(nóng)戶習慣施肥相比，分別增產(chǎn)43.3%和22.9%，維生素含量分別增加6.54%和12.74%。

陳東等[35]利用機器視覺測量植物生長參數(shù)，并監(jiān)測環(huán)境和土壤參數(shù)，以植物生長模型和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法形成農(nóng)作物智能水肥一體化管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了精準水肥灌溉、PC和手機端的監(jiān)控。與傳統(tǒng)施肥模式相比，節(jié)水率在30%以上，節(jié)省肥料在40%以上，節(jié)省人工成本20%左右。

金永奎等[36]設計了云端服務器為核心的水肥一體化管控平臺，實現(xiàn)了灌溉智能決策，具有現(xiàn)場和遠程查看、操作、控制等功能。系統(tǒng)運用在種植面積約15 hm2的蘆筍滴灌種植中，每次僅灌溉150 m3/hm2，與傳統(tǒng)漫灌方式相比可節(jié)水60%以上。

李頎等[37]設計了一種全自動在線監(jiān)測和實時調(diào)節(jié)的精準智能化控制系統(tǒng)，采用改進非線性自抗擾解耦控制器，實現(xiàn)了灌溉營養(yǎng)液pH和EC的快速精確控制，pH和EC的調(diào)節(jié)時間分別為39和44 s，輸出絕對誤差分別小于0.2和0.1 mS/cm。番茄種植試驗中與傳統(tǒng)人啟停灌溉模式相比，系統(tǒng)用水量、用肥量、用工量分別降低33.13%、35.75%和35.01%，作物產(chǎn)量提升15.16%。

3?我國水肥一體化技術發(fā)展存在的問題

隨著水肥一體化設備的引進、自主研發(fā)與推廣應用，我國水肥一體化技術有了一定的進步，產(chǎn)品基本可以滿足農(nóng)作物水肥一體化灌溉的要求，但目前與發(fā)達國家相比還有很大的差距，無論是在推廣、農(nóng)技人才、服務以及技術本身等方面都還存在很多不足之處。①連片種植困難，水肥一體化一次性投入較高，一些市場產(chǎn)品仿照國外，產(chǎn)品價格偏高也不適用與國內(nèi)生產(chǎn)的實際情況，影響推廣速度。②缺乏專業(yè)農(nóng)業(yè)科技人才，農(nóng)民對水肥一體化設備的操作使用不夠熟練，不了解整個的操作流程，許多農(nóng)戶只會進行簡易操作，農(nóng)戶基本不懂科學維護設備。③培訓及企業(yè)后期維護技術服務跟不上，維修費用高，使設備使用過程中出現(xiàn)問題不能及時解決。④目前缺乏性價比高的智能型水肥一體化灌溉設備，肥料配方、營養(yǎng)液濃度、施肥量、管理方法等一般僅靠農(nóng)戶個人經(jīng)驗，缺少成熟的針對不同作物的專家決策知識，缺乏智能的灌溉決策系統(tǒng)。

4?對策與建議

（1）加大政策和資金扶持力度。因地制宜，加強水肥一體化技術示范區(qū)推廣，建設農(nóng)民專業(yè)合作組織，為農(nóng)民提供相應技術支持和設備維護。

（2）加強農(nóng)業(yè)人才的培養(yǎng)，積極開展培訓，不斷提高農(nóng)民科技文化水平。特別是要加強水肥一體化系統(tǒng)使用培訓，制定簡單明了的操作規(guī)程，讓農(nóng)戶真正掌握水肥一體化技術。

（3）加強管護力量。建立健全、良好的售后維修制度，配備專業(yè)運維人員定期檢修，并從技術層面降低運維成本。

（4）因地制宜，加大自主研發(fā)力度。加強農(nóng)機與農(nóng)藝的融合，結(jié)合遙感、人工智能技術，建立相關的專家決策系統(tǒng)，提高設備性能、精度和智能性，保證水肥一體化發(fā)展的實際需要。

水肥一體化技術具有節(jié)水、節(jié)肥、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)等優(yōu)點，該技術對于緩解我國水資源短缺，節(jié)能減排、生態(tài)文明建設，推動農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在加大政策和資金支持、加強人才培養(yǎng)，加強管護，進一步提升水肥一體化技術的基礎上，未來水肥一體化技術必將被越來越多的農(nóng)民所使用，從而推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

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