水肥一體化技術要點及應用前景分析

楊林林，張海文，韓敏琦，王成志，楊勝敏*

(1.北京農業(yè)職業(yè)學院，北京102442 2.北京市朝陽區(qū)水務局，北京100026)

水分和養(yǎng)分是作物生長必需的基本要素，也是可進行人為控制的要素。在水分和養(yǎng)分的供給過程中，最關鍵的是要合理調節(jié)水分和養(yǎng)分的平衡供應，最有效的方式則是實現水分和養(yǎng)分的同步供給，即在作物提供充足水分的同時，最大限度地發(fā)揮肥料的作用，水肥一體化正是可以實現向生長中的作物同步供給水分和養(yǎng)分的技術。

水肥一體化是一項現代農業(yè)生產的綜合管理措施，在生產中又被稱為水肥耦合、管道施肥、加肥灌溉、隨水施肥等，是一項可同步控制植物水分供給和肥料施用的技術，即通過借助壓力系統(tǒng)，將可溶性肥料按作物種類和生長的需肥規(guī)律配兌的肥液，隨灌溉水通過可控管道系統(tǒng)向植物供水、供肥［1］。

與傳統(tǒng)的灌溉和施肥措施相比，水肥一體化技術具有顯著的優(yōu)點:省水、省肥、省時［2－4］，降低農業(yè)成本;降低病蟲害發(fā)生幾率，保證農作物品質和產量［5－7］;減少環(huán)境污染［8］;改善土壤微環(huán)境、提高微量元素使用效率［9］等。因此，水肥一體化技術是現代農業(yè)健康科學發(fā)展的有力保障。

1 水肥一體化技術的理論基礎

1.1 灌溉的理論基礎 植物的生存、生長和繁殖中的各生理過程，如光合作用、呼吸作用、養(yǎng)分吸收和光合產物的轉運等過程均需要水的參與，同時植物非木質部部分依靠水分維持其物理結構［10］，因此在植物的整個生長過程中持續(xù)需要水分;而作物在生長過程中，通過植物的蒸騰作用和土壤表面的蒸發(fā)過程，會損失大量的水分，必須持續(xù)地向作物提供水分以保證其正常生長。

1.2 營養(yǎng)吸收的理論基礎 植物主要通過根系吸收土壤中的養(yǎng)分，其途徑包括:①截留(Interception)。根系在土壤的伸展過程中吸取直接接觸到的養(yǎng)分。②擴散(Diffusion)。由于植物根系對養(yǎng)分離子的吸收導致了根際養(yǎng)分離子濃度下降，從而在土體－植物根系表面形成養(yǎng)分離子的濃度梯度，養(yǎng)分離子沿濃度梯度差由土體向根際遷移。③質流(Mass flow)。土壤中的養(yǎng)分隨著植物根系吸收水分的過程隨水流的運動從土壤流向植物根系。上述3個途徑中，由截留獲得的養(yǎng)分通常不到植物生長所需養(yǎng)分的5%，即植物吸收養(yǎng)分主要通過擴散和質流［11］。擴散和質流都需以水分作媒介，以保證將養(yǎng)分順利送達植物根際。植物對養(yǎng)分的吸收必須在水分存在的條件下進行。因此，在實踐生產中，水分和養(yǎng)分同施不僅會大幅度提高肥料的利用效率，同時還可保證作物的高產和高質。

2 水肥一體化技術的發(fā)展歷史

2.1 水肥一體化技術的發(fā)展歷程

2.1.1 緣起實驗室水培研究。水肥一體化技術的發(fā)展可以追溯到實驗室水培研究。英國博物學家John Woodward是水培實驗的創(chuàng)始人，他于1699年開始用不同來源的水分，如降水、河水、泉水、蒸餾水等用于種植植物;法國農業(yè)化學家Jean-Baptiste Boussingault從1837年開始應用砂培法進行植物吸收氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的研究試驗，并確定了9種植物的必需營養(yǎng)元素;進入19世紀中后期，近代培養(yǎng)試驗方法和技術進一步發(fā)展，德國植物學家Julius Von Sachs等均為此作出了貢獻。此時的水培試驗可謂是水肥一體化技術的雛形，不過仍處在實驗室階段研究。

2.1.2 水培技術的規(guī)?；c商業(yè)化。1925年以后，溫室工業(yè)逐漸利用營養(yǎng)液栽培技術以取代傳統(tǒng)的土壤栽培，利用砂、蛭石、鋸木屑等惰性介質作為固體基質，將植物種植在含其必需營養(yǎng)元素的營養(yǎng)液中，這使得作物種植突破了空間的限制。20世紀50年代后，水培(無土栽培)技術進一步商業(yè)化，在歐美各國、非洲地區(qū)、中東地區(qū)等地方已有大量的家庭式無土栽培裝置。

2.1.3 田間灌溉施肥。盡管無土栽培技術可以突破空間的限制，具有節(jié)水、清潔衛(wèi)生、便于管理等各種優(yōu)點，但是田間的常規(guī)土培種植依然是現代農業(yè)的主力，因此進入20世紀中期后，世界各國在田間種植中開始進行灌溉施肥。美國從20世紀50年代開始在田間種植中實施灌溉施肥，但最初的規(guī)模很小，并且是與地面灌溉、漫灌和溝灌結合使用。由于這些灌溉技術的水分利用效率較低，從而導致肥料的利用率也很低，且易造成化肥對環(huán)境的污染。此后，隨著波涌灌等能較精確控制水分供應的設備的研發(fā)和使用，地面灌溉的肥料利用率大幅度增加。以色列是世界上公認的現代高科技農業(yè)典范，進入20世紀60年代，以色列開始普及水肥一體化灌溉技術，到目前為止，以色列農業(yè)灌溉面積已有90%區(qū)域實行水肥一體化灌溉施肥技術［1］。根據灌溉設備的不同，水肥一體化技術可以分為噴灌和微灌。其中滴灌是應用最早的微灌技術，也是目前應用最廣泛且最節(jié)水的灌溉技術。滴灌技術的發(fā)展源于以色列水工程師Simcha Blass的偶然發(fā)現，他經過不斷嘗試和改進后設計出了用于滴灌的軟管，之后耐特菲姆公司(以色列)于20世紀60年代發(fā)明了最初的滴灌設備。

2.2 中國水肥一體化技術的發(fā)展歷程 中國水肥一體化技術的應用和發(fā)展相比發(fā)達國家要晚近20年，根據其發(fā)展過程，可分為3個階段，即第1階段(1974～1980年):自1974年從墨西哥引入滴灌設備以來，我國的水肥一體化技術經歷了引進滴灌設備、消化吸收、設備研制和應用試驗及試點階段;第2階段(1981～1986年):設備產品改進和應用試驗研究與擴大試點推廣階段;第3階段(1987年至今):引進國外先進工藝技術，高起點開發(fā)研制微灌設備產品。此后，我國的微灌技術得到長足發(fā)展，應用范圍不斷擴大，目前已在蘋果、柑橘、香蕉、茶葉、棉花、馬鈴薯等作物種植中大面積應用并取得了良好的效果［12］。然而與世界上其他國家相比，我國的水肥一體化技術的應用仍十分有限，如在以色列90%以上的作物實現了用微灌系統(tǒng)施肥，而我國滴灌面積僅占有效灌溉面積的 6.7%［13］。

3 水肥一體化技術在作物種植中應用的技術要點

水肥一體化技術具有省水、省肥、省工，提高水肥利用率，增加作物產量，提高作物品質，減少環(huán)境污染等諸多優(yōu)勢，是現代農業(yè)健康科學發(fā)展的重要保障，但同時存在前期投入成本高，技術要求復雜等特點，尤其在果蔬類作物種植中，因其種類繁多，生長環(huán)境不同，水肥要求各異，所以應正確應用水肥一體化技術，以達到節(jié)本增效的目的。筆者從灌水設備、施肥模式和肥料選擇3個角度總結了水肥一體化技術應用中的技術要點。

3.1 灌水設備 目前技術發(fā)展成熟且大面積推廣應用的節(jié)水灌溉設備依據水的輸出方式主要分為噴灌和微灌［1］。

3.1.1 噴灌。噴灌是利用噴頭將通過專用管道設備運輸至田間的水噴射到孔中，形成細小水滴，灑落到土壤表面和作物表面以供給植物所需水分的灌溉方式。噴灌技術是目前節(jié)水效果顯著、作物增產明顯、投資相對較低、易于推廣的節(jié)水灌溉技術［14］。一套完整的噴灌系統(tǒng)的設備構成包括:①水源。河流、湖泊、水庫和井泉等均可以作為噴灌的水源。②水泵及配套動力機。噴灌需要使用具有一定壓力的水才能進行噴灑，通常是用水泵將水提取、增壓、輸送到各級管道及各個噴頭中，并通過噴頭噴灑出來。③輸水管道系統(tǒng)及配件。一般包括干管、支管和豎管，其作用是將水輸送并分配到田間噴頭中，此外還需閘閥、三通、彎頭等附件。④噴頭及其附屬設備。這些設備是噴溉系統(tǒng)中的關鍵設備，由輸水管道運送的水分最終通過噴頭噴射至空中。⑤田間工程。對于移動式噴灌機需要在田間修建水渠等相應的附屬建筑物，將灌溉水從水源引至田間，以滿足噴灌的要求。與其他節(jié)水灌溉設備相比，噴灌技術的突出優(yōu)勢在于其對各種地形適應性強，受地形條件的限制小，可用于各種類型的土壤和作物。由于噴灌灌水的均勻度與地形和土壤透水性無關，因此在地形坡度很陡或者土壤透水性很大難于采用地面灌水方法的地方均可采用噴灌。因此噴灌技術的應用范圍廣泛，在地形上，既適用于平原地區(qū)，也適用于山丘地區(qū);在土質上，既適用于透水性大的土壤，也適用于入滲率低的土壤，但是噴灌灌溉存在以下缺點:①灌溉的均勻度和噴灑效果會受到風力的影響。②表層土壤潤濕充分，深層土壤潤濕不足。③有空中損失。綜合上述優(yōu)缺點，在下述情況下采用噴灌系統(tǒng)可達到更好的效果。第一，淺根系作物;第二，坡度大或者地形起伏明顯的區(qū)域;第三，需要調節(jié)田間微氣候的作物，包括防干熱風或者霜凍;第四，少風地區(qū)或者灌溉季節(jié)風力小［15］。

3.1.2 微灌。微灌是微潤灌溉技術的簡稱，是依作物需求，通過管道系統(tǒng)與系統(tǒng)末端(田間)的灌水器，在管內外水勢梯度差驅動下，將水分以較小的流量，均勻持續(xù)地輸送至作物根系附近土壤的灌溉技術。滴灌是最早應用的微灌技術，隨著科技的發(fā)展，微灌方式已不再是單一的滴灌方式，而是逐漸發(fā)展出滴灌、微噴灌、涌泉灌等多種方式［13］。一套完整的微灌系統(tǒng)的組成部分通常包括:①水源。江河、湖泊、水庫、溝渠和井泉等均可作為微灌的水源。②首部樞紐。包括水泵、過濾設備、動力機、肥料注入設備、控制器等。③輸水管網。包括干管、支管和毛管3級管道，其中干管連接水源，毛管安裝或連接灌水器。④灌水器。在田間直接施水的設備，其作用是消減壓力，將管道中的水流變?yōu)樗?滴灌)、細流(涌泉灌)或者噴灑狀(微噴灌)的狀態(tài)輸入作物根系附近土壤。噴灌技術通常可節(jié)水60%以上，與之相比微灌技術的節(jié)水率更高，一般可達80% ～85%。此外，與噴灌相比，微灌技術的耗能更低，因其工作壓力低，所需水量少，相應地降低了抽水的能量消耗。但是微灌設備在實際推廣應用中存在以下問題。第一，初期投資高;第二，為達到少量持續(xù)的灌溉目的，微灌系統(tǒng)的灌水器出口通常很小，易發(fā)生堵塞，因此對管道系統(tǒng)的過濾器要求高，并且需定期清理和維護，同時對水源的水質有較高的要求。因此微灌技術應用的主要對象為具有高經濟效益的作物及嚴重干旱缺水的集雨農業(yè)地區(qū)農戶小面積的作物種植等［12］。

噴灌技術和微灌技術均是節(jié)水效率較高的灌溉技術，各有其優(yōu)缺點。在實際應用中，需從作物種植種類、地形、土壤、水源和地區(qū)經濟狀況等方面選擇適用的灌溉技術，以達到節(jié)本增產、提高農業(yè)綜合生產能力的目的。

3.2 施肥模式 水肥一體化技術中配套的施肥模式根據其工作原理和方法可分為以下5種類型［1］。①壓差式施肥。又稱旁通施肥罐法，所用到的主要設備是施肥罐，工作原理是在輸水管道上某處設置旁管和節(jié)制閥，使得一部分水流流入施肥罐，進入施肥罐的水流溶解罐中肥料后，溶解了肥料的水溶液重新回到輸入管道系統(tǒng)，將肥料帶到作物根系。因其具有操作簡單、可直接使用固體肥料、無需預配肥料母液、無需外部能耗等優(yōu)點，該設備應用十分廣泛，但該方法的最大缺點是無法精準控制施肥濃度和速率，肥料溶液濃度隨施肥時間逐漸降低。研究表明，隨著施肥罐壓差的增大，施肥罐出口肥料濃度降低十分迅速，如施肥罐壓差為0.5 MPa時，肥料相對濃度從100%降至0經歷約20 min，而施肥罐壓差為3.0 MPa時，該時間小于10 min［16］。②重力自壓式施肥法。該方法適用于應用重力灌溉的場合，如具有自然地形落差的丘陵山地果園等。其工作原理是在灌溉蓄水池處建立高于水池液面的肥料池，池底安裝肥液流出管道，利用肥液自身重力流入灌溉蓄水池。該方法的優(yōu)點:可控制施肥濃度和速度，肥料池造價低，無需外部能耗。缺點:因肥料溶液是先進入蓄水池，而蓄水池通常體積很大，故而灌溉后很難清洗干凈剩余肥料，重新蓄水后易滋生藻類、苔蘚等植物，有堵塞管道的隱患。③吸入式注肥。又稱泵吸施肥法，顧名思義，該方法是通過離心泵產生負壓將可溶性肥料吸入灌溉系統(tǒng)，適于任何面積的施肥。吸入式注肥的優(yōu)點:操作簡單，易于安裝;與灌溉系統(tǒng)共用離心泵，無需外加動力，適宜施用固體可溶性肥料和定量施肥。缺點:肥液濃度不穩(wěn)定，難以進行配方施肥和自動化控制，對部件連接要求高，施肥容量有限等。該方法在水壓恒定時可實現按比例施肥。④注入式施肥。又稱泵注肥法或主動式注肥，利用注肥泵將肥料母液注入灌溉系統(tǒng)，注肥泵可由電力或者水力驅動，注入口可在輸水管道的任何位置，但要求注入肥液的壓力大于管道內水流壓力。注入式施肥法的優(yōu)點:注肥速度可調，適用于各種不同肥料配方，既可實現比例施肥又可定量施肥。缺點:運行需有滿足最小系統(tǒng)壓力，需有正確設計和輔助配件，必須進行日常維護，前期投入成本高。⑤文丘里施肥器。它是一種特殊的施肥設備，利用文丘里裝置在管道內產生真空吸力，將肥料溶液從肥料管吸取至灌溉系統(tǒng)［17］。文丘里施肥器可實現按比例施肥，保持恒定的養(yǎng)分濃度，該法無需外部能耗，此外還具有吸肥量范圍大、安裝簡易、方便移動等優(yōu)點，在灌溉施肥中的應用十分廣泛。

3.3 水肥一體化技術下的肥料選擇 應用于水肥一體化技術的肥料需遵循下列選擇原則。①依據作物需肥規(guī)律。不同作物對于養(yǎng)分有不同的偏好，如香蕉生長過程中需求量最大的4 種養(yǎng)分依次為鉀、氮、鈣、鎂［18］;葡萄對氮、磷、鉀的需求為 1.0∶0.5∶1.2［19］。此外，植物在生長過程的不同階段對養(yǎng)分需求不同。如蘋果樹在不同年齡時期對養(yǎng)分的需求不同［20］，在幼齡期需肥量較少，但對肥料非常敏感，對磷肥需求最高;在初果期(營養(yǎng)生長向生殖生長轉化的時期)，依然是以磷肥為主;盛果期根據產量和樹勢適當調節(jié)氮磷鉀比例，同時要注意微量元素的施用;更新期和衰老期則需偏施氮肥，以延長盛果期。②依據田間土壤肥力水平及目標產量。在了解作物需肥規(guī)律的基礎上，根據田間土壤的肥力水平和目標產量，才能精確計算作物生長過程中需要添加的外源性肥料的量。③分析灌溉水的成分及pH，了解肥料之間的化學作用。某些肥料會影響水的pH，如硝酸銨、硫酸銨、磷酸二氫鉀等會降低水的pH，而磷酸氫二鉀會增加水的pH，而高pH會增加水中碳酸根離子和鈣鎂離子產生沉淀的可能，從而造成灌水器堵塞。為防止管道堵塞，還需考慮肥料的溶解度和雜質含量以及不同肥料間是否會發(fā)生沉淀反應。

4 水肥一體化技術在中國的應用前景

水肥一體化是一項現代農業(yè)生產的綜合管理措施，在生產中具有顯著的優(yōu)點，因而在世界范圍內得到快速、廣泛地應用。除了以色列等沙漠國家外，很多歐美發(fā)達國家的水資源并不缺乏，采用水肥一體化技術主要是因為該技術可提高肥料利用率且能降低環(huán)境污染等。

在我國，水肥一體化技術的應用面積與發(fā)達國家相比有很大的差距，因此其在我國有著廣泛的應用前景，原因在于:第一，我國的耕地面積非常有限，且逐年在減少，同時絕大部分地區(qū)缺水或者灌溉不方便。約有57%的耕地面積是靠自然降水，但是雨水的季節(jié)性分布和作物生長對水的需求周期經常不一致;旱災發(fā)生頻率很高，幾乎覆蓋了全國的各個農業(yè)生態(tài)區(qū)。第二，中國是世界上化肥消耗大國，1998～2008年的10年間，我國農用化肥年消費量增加了1 201.3萬t，其中以蔬菜和水果為代表的園藝作物貢獻率為71.6%;中西部地區(qū)的化肥施用增加率明顯要高于全國平均水平［21］。在施肥過程中存在很多問題，如養(yǎng)分的分布不均衡，有些地方過量使用氮肥，導致氮、磷、鉀比例失調，而有些地方雖注意了氮、磷、鉀肥的平衡使用，但大量元素肥料和微中量元素之間的比例失衡，嚴重影響作物產量和產品質量的提高;施肥技術比較落后，很多地區(qū)農戶不是根據作物需求而是根據經驗施肥，而施肥方式則多采用肥料撒施或大水沖施，這種施肥方式導致肥料利用率低下，不僅浪費大量的肥料資源，也導致了大量的能源損失。第三，現代化技術的發(fā)展和國家政策的鼓勵?，F代科學技術的發(fā)展為設計出適應于不同地形和作物的灌溉設備提供可能，隨著施肥設備的發(fā)展，施肥量的控制越來越精確。政府在技術研發(fā)和財政補貼方面逐步出臺各項政策，鼓勵水肥一體化技術的應用。

綜上所述，發(fā)展水肥一體化技術在我國有著廣闊的前景，這項技術的合理利用將有助于從根本上改變我國傳統(tǒng)的農業(yè)用水方式，大幅度提高水資源和肥料利用率，促進生態(tài)環(huán)境保護的建設，為提高農業(yè)綜合生產力和保證國家糧食安全提供有力保障。

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