采用水肥一體化技術(shù)統(tǒng)籌工農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展

安　迪，王亭杰，金　涌

（清華大學化學工程系，北京100084）

采用水肥一體化技術(shù)統(tǒng)籌工農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展

安迪，王亭杰，金涌

（清華大學化學工程系，北京100084）

我國化肥利用率低，面源污染嚴重，同時農(nóng)業(yè)耗水量大，水資源短缺問題突出。本文提出一種以水肥一體化滴灌技術(shù)為核心的高效設施農(nóng)業(yè)發(fā)展方式。通過滴灌技術(shù)可以實現(xiàn)養(yǎng)分和水對作物的定量供應，提高化肥利用率并提高灌溉用水效率和作物產(chǎn)量；將過濾后的沼肥沼液與滴灌相結(jié)合，可將畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈變廢為寶，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境；工業(yè)上排放的CO2經(jīng)過無害化處理后，可通入附近的溫室大棚，為作物提供碳源；應用和推廣水肥一體化滴灌技術(shù)，能夠拉動聚氯乙烯（PVC）的需求，消化部分PVC的過剩產(chǎn)能，進而拉動氯堿行業(yè)。通過滴灌設備租賃、廢舊設備回收環(huán)節(jié)，完善整個產(chǎn)業(yè)鏈條，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工業(yè)農(nóng)業(yè)平衡發(fā)展。

化肥；節(jié)水；利用率；滴灌；PVC

1　我國化肥和農(nóng)業(yè)用水利用率低

我國人均耕地面積不足世界平均水平的40%，糧食安全是我國的立國之本?；适羌Z食的“糧食”，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最基礎(chǔ)和最重要的物質(zhì)投入，農(nóng)作物增產(chǎn)的30%～50%來源于化肥的貢獻[1]。我國化肥消費量大，長期居世界首位。2013年我國化肥施用量為5.911 9×107t（折合N、P2O5、K2O）[2]，約占世界總消費量（1.867×108t）的1/3[3]，其中約90%是氮肥、磷肥和復合肥，分別為2.394 2×107t、8.306×106t和2.057 5×107t，其中鉀肥施用量為6.274×106t[2]。

化肥生產(chǎn)消耗大量天然氣、煤炭、磷礦、硫資源和鉀資源。然而，我國化肥的利用率很低，氮肥利用率只有30%～35%，磷肥當季利用率僅為10%～25%，鉀肥也只有35%～50%[4]。如此低的利用率，不僅造成巨大的資源浪費，也帶來嚴重的環(huán)境污染。2010年的全國污染源普查公報顯示[5]，我國水體污染的主要因素是面源污染，湖泊中氮、磷污染分別有57.2%和67.3%來自于農(nóng)業(yè)面源污染，而來自于化肥的氮、磷污染分別占農(nóng)業(yè)面源污染的59.1%和38.2%。化肥流失已經(jīng)成為量大、面廣、累積的龐大污染源。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)同時消耗大量的水資源。我國是一個水資源嚴重短缺的國家，人均水資源占有量為2 713 m3，僅為世界水平的1/4[6]。2013年，我國用水總量為6.183 4×1011m3，其中農(nóng)業(yè)用水占用水總量的63%，工業(yè)用水占用水總量的23%，是用水的主要消耗途徑，城鎮(zhèn)農(nóng)村居民生活用水以及為維護現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)平衡所需的生態(tài)用水比例較低，分別為12%和2%[2]。我國農(nóng)業(yè)灌溉大多采用漫灌方式，水的利用率很低，只有40%～50%，而發(fā)達國家可達到70%～80%[6]。而隨著城市和工業(yè)的快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出。據(jù)統(tǒng)計，全國每年缺水量近4×1010m3，其中農(nóng)業(yè)每年缺水3×1010m3，城市和工業(yè)缺水6×109m3，造成工業(yè)損失年產(chǎn)值超過2 300億元[7]。全國669個城市中，有400多個城市缺水，其中110個城市嚴重缺水[8]。

提高化肥和水的利用率，特別是灌溉用水效率，不僅是當務之急，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

2　水肥一體化滴灌技術(shù)

水肥一體化滴灌技術(shù)是將灌溉和施肥結(jié)合、高效集約的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)。將可溶性的化肥與水配成肥液，通過管道系統(tǒng)將肥液與灌溉水通過管道和滴頭噴灑到作物上或滴入植物根系生長發(fā)育區(qū)，能夠定量控制供給作物的水分和養(yǎng)分。水肥一體化滴灌的主要優(yōu)點包括[9，10]：a.水滴入土壤，能夠防止水分徑流，減小蒸發(fā)面積，降低水分滲漏等，從而有效地提高水的利用率；b.滴灌施肥將肥液直接輸送到作物根系最發(fā)達、最集中的部位，可充分保證養(yǎng)分的供應和根系的吸收，提高化肥利用率；c.滴灌技術(shù)可以根據(jù)氣候環(huán)境、土壤特征和不同作物不同生長階段對養(yǎng)分的需求，定量調(diào)節(jié)供給肥液養(yǎng)分的量、種類和比例等，滿足作物對水分和養(yǎng)分的需求。

我國耕地面積約為1.2×108hm2，截至2013年年底，全國耕地有效灌溉面積為6.347 3×107hm2，占全國耕地面積的52.9%，其中噴、滴灌面積6.847× 106hm2[11]，僅占有效灌溉面積的10.8%，可見我國大部分灌溉耕地采用耗水量大的傳統(tǒng)灌溉方法。美國的有效灌溉面積為2.553 3×107hm2，但是噴灌和滴灌面積占54.4%左右，歐洲主要國家的噴灌和滴灌面積占有效灌溉面積的比例都達到了80%以上[12]，我國在滴灌技術(shù)的應用和推廣與發(fā)達國家相比還有很大差距。

2.1滴灌技術(shù)可實現(xiàn)養(yǎng)分的定量供應

化肥利用率低的主要原因是其養(yǎng)分釋放速率與作物需求速率不匹配，過量施用化肥，養(yǎng)分流失嚴重。水肥一體化滴灌技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)向作物供應化肥養(yǎng)分的定量控制，保持土壤中養(yǎng)分濃度在較低的水平，有效抑制養(yǎng)分氮的流失與促使養(yǎng)分磷的固定[13]。通過大田實驗研究表明，采用水肥一體化滴灌技術(shù)可以提高氮、磷、鉀化肥的利用率。Kwong等[14]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌條件下甘蔗對氮的利用率可達75%～80%。方劍等[15]通過漫灌沖肥的方式對黃瓜施肥，氮肥的利用率只有16.4%，通過滴灌的方式施用氮肥的利用率達到49.3%。郭新正等[16]對棉花進行膜下滴灌顯著提高了水和化肥的利用率，其中滴灌施用酸性液體化肥的氮肥利用率為47%～66%，平均為55%。趙玲等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)，壤土和粘土棉田滴灌施用磷肥的利用率分別為32.56%、27.65%，而基施磷肥的利用率分別只有22.32%、20.22%。郭新正等[16]研究顯示，滴灌磷肥利用率在24%～38%，平均為31%。唐琳[9]通過滴灌技術(shù)對櫻桃番茄施肥，鉀肥的利用率為83.38%。尹飛虎等[18]對小麥進行常規(guī)施肥，鉀肥的利用率為51.4%，而滴灌施用鉀肥的利用率為54.6%。

由此可見，采用水肥一體化滴灌技術(shù)施用氮肥的利用率可達到50%以上，磷肥和鉀肥的利用率也顯著提高。按照目前我國氮、磷、鉀肥的施用量估算，如果將滴灌面積（占有效灌溉面積）從現(xiàn)在的10.8%提高到30%，并采用水肥一體化滴灌技術(shù)，能夠節(jié)約2×106t氮肥、6×105t磷肥和2×105t鉀肥，進而節(jié)約大量的磷、鉀礦產(chǎn)資源。

不同作物在生育期內(nèi)對氮、磷、鉀養(yǎng)分的需求量不同，圖1、圖2為小麥和油菜在不同的生育階段對氮、磷、鉀的累積需求規(guī)律[19，20]。圖中顯示，作物對養(yǎng)分的需求基本呈現(xiàn)慢、快、慢的“S”型特征，在生長初期，作物對養(yǎng)分的需求量較小，在生殖期和成熟期，作物對養(yǎng)分需求量較大。在同一時期，作物對氮、磷、鉀不同養(yǎng)分的需求量也不同。利用水肥一體化滴灌設備結(jié)合智能化控制可以按照作物對養(yǎng)分的需求規(guī)律，對肥液進行定量配制、輸送和供給，使養(yǎng)分的供應量和作物的需求量相匹配。

圖1　小麥在全生育期對氮、磷、鉀的累積吸收曲線[19]Fig.1　Accumulative uptake of N，P，K in the whole growth life of wheat[19]

圖2　油菜在全生育期對氮、磷、鉀的累積吸收曲線[20]Fig.2　Accumulative uptake of N，P，K in the whole growth life of cole[20]

2.2滴灌技術(shù)節(jié)約灌溉用水

大田實驗結(jié)果表明，采用水肥一體化滴灌技術(shù)能夠提高灌溉用水效率。范文波等[21]以棉花為例分析了滴灌技術(shù)的應用效果，結(jié)果表明，采用滴灌比溝灌平均節(jié)水41.92%。韓建會等[22]對番茄滴灌和溝灌用水量進行比較，得出滴灌比溝灌節(jié)水66.25%。李亮等[23]研究了不同灌溉方式下番茄灌溉用水量，滴灌用水量僅為節(jié)水溝灌用水量的52.36%。Lamm等[24]研究了玉米在不同灌溉方式下的用水量，與溝灌相比，滴灌能夠節(jié)水50%，通過控制土壤表面水分蒸發(fā)以及地下滲透損失，滴灌的用水效率能夠達到95%～99%。由此可見，滴灌與目前普遍采用的漫灌、溝灌相比，滴灌用水量僅占漫灌、溝灌用水量的約50%。如果將滴灌面積比例從現(xiàn)在的10.8%提高到30%，可節(jié)約農(nóng)業(yè)用水4.1× 1010m3，不僅能夠填補3×1010m3的農(nóng)業(yè)用水缺口，還能夠?qū)⑹Ｓ嗟?.1×1010m3水轉(zhuǎn)移到工業(yè)用水和生活用水中，緩解用水短缺問題。

此外，我國水稻常年種植面積約為3×107hm2，約占耕地面積的1/4。水稻膜下滴灌栽培技術(shù)通過滴灌、機械直播覆膜等技術(shù)與水稻種植相結(jié)合，能夠在很大程度上改變傳統(tǒng)的水田水作的方式，其優(yōu)勢在于全生育期無水層，只是局部灌溉，比水稻傳統(tǒng)種植節(jié)水60%以上，肥料利用率提高10%以上[25，26]。這種種植方式一旦完善推廣，將大幅度提高化肥和水的利用率。

2.3滴灌技術(shù)提高作物產(chǎn)量

中國人均耕地面積約為0.08 hm2，而美國、俄羅斯和英國人均耕地面積分別為0.5 hm2、0.8 hm2和0.1 hm2[27]。我國耕地面積少，只能通過提高單產(chǎn)保障糧食安全。自2011年起，我國糧食增產(chǎn)幅度分別是4.5%、3.2%、2.1%、0.9%，通過科技增加糧食單產(chǎn)的壓力不斷增大[28]。水肥一體化滴灌技術(shù)由于施肥量少，能有效地防止植株營養(yǎng)生長過快而影響生殖生長[9]。文獻研究表明，采用水肥一體化滴灌技術(shù)能夠提高作物產(chǎn)量。Breschini等[29]研究表明，在滴灌條件下，通過對灌水量、灌溉頻率進行調(diào)控，可以提高芹菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。Henggeler等[30]通過大田實驗結(jié)果得出，滴灌與溝灌相比，棉花產(chǎn)量增加20%左右。Phene等[31，32]對滴灌和溝灌進行了多年的田間實驗，結(jié)果表明，利用滴灌使得甜玉米和西紅柿的產(chǎn)量分別比溝灌高14%和20%。周建偉等[33]通過大田實驗得出，利用滴灌方式使棉花蕾鈴脫落率低，具有較強的結(jié)鈴性和抗早性，棉花的單鈴重和纖維長度均有所提高，與常規(guī)灌溉相比增產(chǎn)45.63%。由此可見，在現(xiàn)有耕地面積下采用水肥一體化滴灌技術(shù)能夠提高作物單產(chǎn)。

3　沼肥與滴灌技術(shù)相結(jié)合

我國畜禽養(yǎng)殖規(guī)模很大，每年畜禽糞便產(chǎn)量約為2.17×109t[34]，同樣，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量也很大，2008年為8.4×108t[35]，養(yǎng)殖業(yè)畜禽糞便的排放和秸稈的焚燒會帶來環(huán)境污染。畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈含有大量的有機質(zhì)，可以經(jīng)過微生物發(fā)酵制得沼肥和沼液。沼肥中含有大量的有機質(zhì)和腐殖酸，同時沼液中有豐富的氮、磷、鉀、鈣、鐵、銅等營養(yǎng)元素，以及氨基酸和植物生長激素，能夠促進作物生長。徐衛(wèi)紅[36]等通過實驗得出，向萵筍施用通過人畜糞便和作物秸稈發(fā)酵來的沼液使萵筍產(chǎn)量增加21.4%，氨基酸含量增加37.6%。M?ller[37]等研究表明，施用發(fā)酵后的沼液后，可以顯著提高作物的吸氮量和產(chǎn)量。沼肥和沼液的濾液是優(yōu)質(zhì)的有機肥料，可通過滴灌的方式將肥料施用到田間。陳永明等[38]研究了滴灌沼液對茶樹的施肥效果，得出滴灌沼液可以保持土壤中銨態(tài)氮含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤微生物活性，有利于提高茶葉產(chǎn)量，與非滴灌區(qū)相比，滴灌區(qū)茶樹對氮磷利用率分別提高了18.12%和8.33%。韓小平等[39]通過實驗得出滴灌沼液能夠促進玉米生長發(fā)育，促進有機養(yǎng)分積累，提高玉米產(chǎn)量，滴灌濃度為50%的沼液能夠使玉米增產(chǎn)17.6%。因此，將沼肥沼液與水肥一體化滴灌系統(tǒng)相結(jié)合，不僅能夠促進農(nóng)作物生長，而且可以改善農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境，將畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈變廢為寶，節(jié)約部分氮、磷、鉀商品化肥。

4　工業(yè)CO2為作物提供碳源

溫室大棚是設施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，廣泛應用于冬春季節(jié)蔬菜培養(yǎng)和花卉栽培。2012年我國溫室總面積為1.45×1010m2[40]。碳是作物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，作物生長碳源主要來源于大氣中的CO2和土壤中的碳源，大氣中CO2濃度約為400 ppm（1 ppm=10-6）。研究表明，高濃度CO2能夠促進作物根系生長，提高作物產(chǎn)量[41]。Chen等[42]研究報道，提高培養(yǎng)箱中CO2濃度能夠增加草莓果實數(shù)目、果實重量、干物質(zhì)含量、果實總糖和糖/酸比。白月明等[43]研究得出，在CO2濃度為500 ppm條件下，籽棉產(chǎn)量比大氣條件下對照組增加11.9%，在CO2濃度700 ppm條件下，比對照組增加32.3%。孫鵬等[44]實驗得出，在低溫條件下，CO2濃度為720 ppm時，草莓植株果實總數(shù)提高，且果實尺寸增大，果實產(chǎn)量增加約90%。Deng等[45]實驗研究表明，在CO2濃度為575 ppm的條件下，草莓果實產(chǎn)量增加47%。Ghasemzadeh等[46]研究比較了400 ppm和800 ppm兩種不同CO2濃度下生姜的生長情況，在CO2高濃度下光合作用速率更快，碳水化合物含量以及作物產(chǎn)量大幅增加。

2013年我國碳排放量達到1×1010t，居世界首位。在所有行業(yè)中，電力、熱力行業(yè)排放量最大，占CO2排放總量的40.1%[47]，主要來源于電力、熱力行業(yè)中發(fā)電廠排放的含有CO2的煙道氣，將煙道氣無害化處理后可以通入到附近的溫室大棚中，提高溫室大棚中CO2濃度，為作物光合作用提供充足的碳源。粗略估算，如果將全國溫室大棚（1.45×1010m2）中CO2濃度從400 ppm提高至800 ppm，該CO2濃度下作物的光合作用吸收CO2的速率按10.05 μmol/（m2·s）計算[46]，每年將消耗2.022×109t CO2，既能減少CO2排放總量的20.2%，又能顯著提高作物產(chǎn)量。

5　推廣滴灌技術(shù)可消化PVC過剩產(chǎn)能

氯堿工業(yè)是我國的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟的重要組成部分。氯堿工業(yè)通過電解鹽水制取燒堿、氯氣、氫氣，其相關(guān)下游產(chǎn)品種類眾多，氯堿產(chǎn)品產(chǎn)量及經(jīng)濟指標是國民經(jīng)濟統(tǒng)計和考核的重要指標。聚氯乙烯（PVC）作為五大通用塑料之一，其耗氯比例約占全行業(yè)氯產(chǎn)量的30%[48]，PVC產(chǎn)品包括硬質(zhì)制品和軟質(zhì)制品，硬質(zhì)產(chǎn)品占消費結(jié)構(gòu)的66.2%，軟質(zhì)產(chǎn)品占33.8%。硬質(zhì)制品主要用途是管材和管件，軟質(zhì)制品主要包括薄膜、片材等。大棚薄膜與滴灌管道和設備的主要材料為PVC。

受全球經(jīng)濟形勢影響，目前PVC行業(yè)產(chǎn)能過剩嚴重，2013年中國PVC產(chǎn)能為2.476×107t，而PVC的表觀消費量1.555 3×107t，過剩量為9.207×106t。2008—2013年間開工率僅為50%～60%[49]。隨著設施農(nóng)業(yè)的普及，對PVC軟質(zhì)制品的大棚薄膜和硬質(zhì)制品的滴灌管道及相關(guān)設備的需求將快速增長，進而拉動PVC行業(yè)以及上游的氯堿行業(yè)。如果滴灌面積比例從現(xiàn)在的10.8%增加到30%，能夠增加滴灌面積1.218 7×107hm2，以單行管道直線布置，行間距為2.5 m估算[50]，每公頃滴灌管用量以4 000 m計，約需3.412×106t硬質(zhì)PVC材料，結(jié)合設備折舊，仍能較大幅度消化工業(yè)中PVC的過剩產(chǎn)能，也有利于解決氯堿行業(yè)中的氯元素的供需平衡。

此外，PVC是熱塑性塑料，可多次加熱軟化和固化成型，實現(xiàn)回收再利用。對于廢舊的PVC大棚薄膜和滴灌管道經(jīng)過粉碎制備再生料，重新生產(chǎn)出新的薄膜與管道制品[51]。在社會運行上，可通過設備租賃、廢舊薄膜和管件回收，既可降低滴灌技術(shù)應用成本，又可形成與設施農(nóng)業(yè)相關(guān)的新型服務產(chǎn)業(yè)。

我國有很多規(guī)?；?jīng)營的耕地，其中新疆生產(chǎn)建設兵團有1.241×106hm2耕地面積[52]，2012年末經(jīng)營規(guī)模在100畝（1畝≈666.67 m2）以上的專業(yè)大戶270多萬戶[53]，是水肥一體化滴灌技術(shù)推廣試點的理想基地。

6　結(jié)語

水肥一體化滴灌技術(shù)是高效集約化設施農(nóng)業(yè)的核心。應用滴灌技術(shù)可以根據(jù)作物在全生育期對氮、磷、鉀的養(yǎng)分需求，實現(xiàn)精確定量供應，顯著提高化肥利用率。應用滴灌技術(shù)能夠提高灌溉用水利用率，滴灌用水量僅為溝灌、漫灌的50%。如果將滴灌面積比例從現(xiàn)在的10.8%推廣到30%，并采用水肥一體化滴灌技術(shù)，能夠節(jié)約2×106t氮肥、6×105t磷肥和2×105t鉀肥，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水4.1×1010m3，填補全國4×1010的用水缺口。通過滴灌過濾后的沼肥沼液，能夠?qū)⑿笄菁S便和農(nóng)作物秸稈變廢為寶，節(jié)約部分氮、磷、鉀商品化肥，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境。工業(yè)排放的CO2經(jīng)無害化處理后可通入到附近的溫室大棚中，提高大棚內(nèi)CO2濃度，為作物提供碳源，減少工業(yè)CO2的排放，并提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)。水肥一體化滴灌技術(shù)的推廣應用能夠消化PVC部分過剩產(chǎn)能，有利于解決氯堿行業(yè)中的氯元素的供需平衡。通過設備租賃、大棚薄膜和滴灌管線回收的方式，有利于降低滴灌技術(shù)的應用成本，并形成完整產(chǎn)業(yè)鏈條，促使工業(yè)農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展。

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Using drip irrigation of water and fertilizer for synergic development of industry and agriculture

An Di，Wang Tingjie，Jin Yong
（Department of Chemical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The low efficiency of fertilizer utilization in China has resulted in severe nonpoint source pollution.Meanwhile，there exists a severe problem of water shortage and large amount of water consumption in agriculture.A way of facility agriculture based on drip irrigation of water and fertilizer technology for high-efficient development of industry and agriculture was proposed.The nutrients and water could be quantitatively fed to crops by using drip irrigation technology，which can increase the utilization efficiency of fertilizer，irrigation efficiency of water and crop yields.Using drip irrigation of filtered biogas slurry could take advantage of livestock manure and crop straw and improve rural ecological environment.The CO2discharged from industry could be transported into the greenhouse after harmless treatment which can provide the carbon for crops.The wide application of drip irrigation technology can increase the demand of（poly vinyl chloride）PVC，which can release a part of the over production capacity of PVC and promote the development of chlor-alkali industry.Besides，renting and recycling of drip irrigation equipment can improve the industrial chain.This is an efficient way for the synergic development of industry and agriculture.

fertilizer；water conservation；utilization efficiency；drip irrigation；PVC

S14

A

1009-1742（2015）05-0120-06

2015-03-19

金涌，1935年出生，男，北京市人，中國工程院院士，清華大學化工系教授，博士生導師，主要從事化學工程及生態(tài)化工研究；E-mail：jiny@mail.tsinghua.edu.cn