水肥一體化研究進(jìn)展

馬富裕，劉 揚(yáng)，崔 靜，樊 華，蘆 陽(yáng)，李明仁

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子，832000,2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化管理與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心(新疆兵團(tuán))，新疆石河子，832000)

0 引 言

【研究意義】水肥一體化技術(shù)具有提高水分和肥料利用率、有利農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，能大幅降低肥料用量，減少養(yǎng)分如氮素的淋失損失，增強(qiáng)磷、鉀等元素在土壤中的移動(dòng)性，提高其利用效率，還對(duì)土壤理化性質(zhì)有較好的改良作用，保持土壤疏松狀態(tài)，提高土壤孔隙度，不破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，保持良好的通氣性能，有利于作物根系生長(zhǎng)發(fā)育。水溶肥發(fā)展處于非?；钴S時(shí)期，水溶肥開發(fā)趨向于高溶解度、高含量、液態(tài)化、全營(yíng)養(yǎng)的方向發(fā)展。水肥一體化技術(shù)推廣應(yīng)用對(duì)化肥減施增效具有重要意義?！厩叭搜芯恳饬x】我國(guó)人均水資源量只有2 300 m3，僅為世界平均水平1/4，是全球人均水資源最貧乏國(guó)家之一。我國(guó)化肥年用量超過6 000 ×104t，占世界總量的1/3，但化肥利用率僅為30%，比發(fā)達(dá)國(guó)家低20%[1]。目前這種水資源短缺、化肥高消耗、低效率的生產(chǎn)方式已經(jīng)造成了土壤性狀惡化、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等一系列問題，水肥一體化技術(shù)使水利用率可提高40%～60%，肥料利用率可提高30%～50%，在節(jié)水、節(jié)肥方面優(yōu)勢(shì)明顯。采用水肥一體化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)同步管控肥料施用與水分供給，達(dá)到對(duì)作物精確供給水分、養(yǎng)分，并保證作物持續(xù)得到最佳水分養(yǎng)分供應(yīng)。廣義的“水肥一體化”就是將肥料溶于水中，以肥液的形式向農(nóng)田施肥。狹義水肥一體化技術(shù)就是通過微灌技術(shù)將施肥與灌溉結(jié)合起來，通過管道精確地將水肥同步輸送到作物根區(qū)，根據(jù)作物生長(zhǎng)發(fā)育需求，對(duì)農(nóng)田水分和養(yǎng)分進(jìn)行綜合調(diào)控和一體化管理，以水促肥、以肥調(diào)水，實(shí)現(xiàn)水肥耦合，全面提升農(nóng)田水肥利用效率[2]。水肥一體化技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅能夠提高水分、養(yǎng)分利用效率、節(jié)省勞動(dòng)力、提高土地利用率，還能保證作物得到均衡的養(yǎng)分供應(yīng)、有利于保護(hù)環(huán)境、改善土壤狀況，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)[3]。【本研究切入點(diǎn)】提高水分、養(yǎng)分 生產(chǎn)效率，減少化肥農(nóng)藥施用量，是當(dāng)前全球農(nóng)業(yè)科技的重要任務(wù)之一。我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家。我國(guó)人均水資源量只有2 300 m3，僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國(guó)家之一。我國(guó)化肥使用量卻是世界之最，化肥年用量超過6 000 萬t，占世界總量的1/3，但化肥利用率僅為30%，比發(fā)達(dá)國(guó)家低20%[1]。目前這種水資源短缺、化肥高消耗、低效率的生產(chǎn)方式已經(jīng)造成了土壤性狀惡化、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等一系列問題，嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)當(dāng)前問題，通過水肥一體化技術(shù)同步提高水分、肥料利用效率的綜合技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用勢(shì)在必行。相比一般的水、肥施用方法，水肥一體化技術(shù)使水的利用率可提高40%～60%，肥料利用率可提高30%～50%，在節(jié)水、節(jié)肥方面優(yōu)勢(shì)明顯，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用水肥一體化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)同步管控肥料施用與水分供給，達(dá)到對(duì)作物精確供給水分、養(yǎng)分，并保證作物持續(xù)得到最佳水分養(yǎng)分供應(yīng)。廣義的"水肥一體化"就是將肥料溶于水中，以肥液的形式向農(nóng)田施肥。狹義水肥一體化技術(shù)就是通過微灌技術(shù)將施肥與灌溉結(jié)合起來，通過管道精確地將水肥同步輸送到作物根區(qū)，根據(jù)作物生長(zhǎng)發(fā)育需求，對(duì)農(nóng)田水分和養(yǎng)分進(jìn)行綜合調(diào)控和一體化管理，以水促肥、以肥調(diào)水，實(shí)現(xiàn)水肥耦合，全面提升農(nóng)田水肥利用效率[2]。水肥一體化技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅能夠提高水分、養(yǎng)分利用效率、節(jié)省勞動(dòng)力、提高土地利用率，還能保證作物得到均衡的養(yǎng)分供應(yīng)、有利于保護(hù)環(huán)境、改善土壤狀況，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)[3]。

1 材料與方法

1.1 材 料

相關(guān)文獻(xiàn)資料、官網(wǎng)信息等。

1.2 方 法

匯總整理文獻(xiàn)資料,回顧總結(jié)分析水肥一體化技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥一體化技術(shù)發(fā)展歷程

水肥一體化技術(shù)的最重要的支撐技術(shù)是微灌技術(shù)，尤以滴灌技術(shù)為重。滴灌技術(shù)發(fā)明于19世紀(jì)40年代，在此后100多年里，一直處于適宜材料、工藝技術(shù)的探索階段，直到20世紀(jì)60年代，以色列發(fā)明了長(zhǎng)流道滴。以色列超過80%的灌溉土地使用滴灌方法，灌溉水的利用率達(dá)到95%，水分生產(chǎn)效率最高可達(dá)2.23 kg/m3，氮肥利用率在80%以上[4]。在美國(guó)、澳大利亞、墨西哥、南非等國(guó)家隨著滴灌技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，水肥一體化技術(shù)的推廣應(yīng)用也達(dá)到較高水平。美國(guó)水資源充沛，人均水資源占有量12 000 m3。有效灌溉面積約2 533 hm2，不足中國(guó) 50%，但噴灌和滴灌面積卻占有效灌溉面積的87%， 2010年滴灌面積就達(dá)153 hm2。澳大利亞有70%的地區(qū)雨量在500 mm以下，節(jié)水灌溉是該國(guó)采用的主要農(nóng)業(yè)技術(shù)。

中國(guó)在1974年前后引進(jìn)了滴灌技術(shù)，在滴灌技術(shù)的推廣初期，水肥一體化技術(shù)主要應(yīng)用于蔬菜、果樹和甘蔗等作物，一般節(jié)水、增產(chǎn)都在20%以上，優(yōu)質(zhì)蔬菜的收獲率由傳統(tǒng)灌溉方法的60%～70% 提高到90%，同時(shí)，采用滴灌施肥可減少25%～50% 的氮肥損失。大田作物上大規(guī)模推廣應(yīng)用滴灌技術(shù)開始于20世紀(jì)90年代末期，通過近20年的發(fā)展，滴灌技術(shù)在新疆、內(nèi)蒙古、廣西、云南等地大田作物上得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用。根據(jù)2017年全國(guó)微灌大會(huì)資料，中國(guó)現(xiàn)有滴灌面積500 hm2以上，其中，新疆達(dá)到了400 hm2(棉花應(yīng)用面積約250 hm2)。在小麥、玉米、甜菜、加工番茄、辣椒等作物上面積達(dá)到100 hm2。

2.2 水肥一體化對(duì)作物水分與養(yǎng)分利用效率提高的作用

水肥一體化技術(shù)與條施肥或撒施肥相比，更有利于按照作物不同生長(zhǎng)階段對(duì)養(yǎng)分需求不同精確提供養(yǎng)分[5]。Singandhupe等(2003)對(duì)加工番茄的研究表明，全生育期以8 d間隔期、分10次滴灌施肥，比溝灌情況下2次施肥(播種時(shí)、播后1個(gè)月)節(jié)約氮肥20%～40%，增產(chǎn)3.7%～12.5%，節(jié)約用水31%～37%[6]。李彬等[7](2015)在玉米、馬鈴薯和大豆上發(fā)現(xiàn)，相對(duì)傳統(tǒng)水肥管理方法，水肥一體化條件下水分利用效率提高 8.5%～62.9%，肥料利用率提高16.0%～60.6%，玉米、馬鈴薯和大豆產(chǎn)量分別提高22.0%、171.6%和63.8%。

Aujla等[8](2005)在棉花上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌溉水量和施氮量相同時(shí)，滴灌比淹灌籽棉產(chǎn)量增加32%。當(dāng)?shù)喂嗨拷抵裂退喔鹊?5%時(shí)，籽棉產(chǎn)量仍然增加12%。Wang等[9](2018)對(duì)北疆地區(qū)的棉花研究表明，從獲得籽棉產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，灌溉量為3 623～462.5 mm結(jié)合施肥量(N-2PO5-K2O)在212.5-85-42.5到367.5-147-73.5 kg/hm2可獲得最高的產(chǎn)量水分利用效率。王進(jìn)等[10](2015)對(duì)北疆瑪納斯河流域34年間棉花灌溉技術(shù)的3個(gè)不同時(shí)期(裸地溝灌，1980～1993 年；覆膜溝灌，1994～2004年；膜下滴灌時(shí)期，2005～2015年)的棉花生長(zhǎng)和耗水特征進(jìn)行對(duì)比研究結(jié)果表明，滴灌技術(shù)將棉田水分利用效率( WUE) 由0.4～0.5 kg /m3提高到了0.7 kg /m3，灌溉水利用效率( IWUE) 由0.6～0.7提高到了 1.0 kg /m3，在我國(guó)和世界其他干旱、半干旱棉花產(chǎn)區(qū)均處于較高水平。

2.3 水肥一體化對(duì)氮素利用效率提高的作用

2.4 水肥一體化對(duì)磷素利用效率提高的作用

磷(P)元素在土壤中不易移動(dòng)，在傳統(tǒng)施肥理念中，一般主張把P肥作為基肥施用，以保證土壤為作物提供持續(xù)的供磷能力。最近研究表明，在水肥一體化條件下，把P肥全部作為追肥施用，能大幅度提高P肥利用效率。Silber等[17](2003)對(duì)生菜研究表明，在P素營(yíng)養(yǎng)濃度低水平下高頻率滴灌施肥使生菜產(chǎn)量顯著增加,但在低頻率施肥情況下，即使高濃度的P素營(yíng)養(yǎng)對(duì)生菜產(chǎn)量沒有明顯作用。說明即使在低濃度情況下，通過高頻率的灌溉施肥使?fàn)I養(yǎng)液向主體根區(qū)持續(xù)補(bǔ)給磷素以滿足作物對(duì)磷素的需求，并通過溶液在土壤中的大量流動(dòng)增強(qiáng)了磷素在土壤中的移動(dòng)性。張國(guó)橋等[18](2014)在玉米上發(fā)現(xiàn)，液體磷酸全部追施玉米產(chǎn)量比CK(不施肥)、磷酸二銨60%基施 + 40%追施和液體磷酸60%基施 + 40%追施處理分別提高了37%、 25%和 10%。在成熟期測(cè)定，液體磷肥 100%以追肥的方式隨水滴施，玉米植株的吸磷量顯著高于其它處理，可顯著改善玉米生育中后期的磷素營(yíng)養(yǎng)并提高玉米的生物量、穗粒數(shù)和千粒重，磷肥利用率可達(dá)40%～60%。段錦波等[19](2018)通過等養(yǎng)分和等成本施肥田間試驗(yàn)研究了不同滴灌施肥模式對(duì)棉花產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響表明，在等養(yǎng)分施用條件下，高磷、鉀滴灌專用肥和普通滴灌專用肥處理的棉花干物質(zhì)重、養(yǎng)分吸收量和產(chǎn)量均顯著高于常規(guī)基施處理，滴灌專用肥尤其是高磷鉀滴灌專用肥具有較好的應(yīng)用效果。

Eissa等(2018)對(duì)馬鈴薯施用尿素磷酸酯(UP)的研究結(jié)果表明，UP使土壤pH值降低了7.2%，P的有效性提高了24%。高頻率施用UP(每日施1次)比低頻率(每3 d施1次)施磷量馬鈴薯葉柄中磷素含量增加了19%～47%，商品馬鈴薯的產(chǎn)量增加22%。在酸性肥料(UP)高頻施肥灌溉處理中馬鈴薯生產(chǎn)具有更高的水分與磷素利用效率[20,21]。Silber等[22](2005)對(duì)燈籠椒的研究結(jié)果認(rèn)為，增加肥P素的肥灌頻率能顯著增加椒株對(duì)養(yǎng)分的吸收，尤其是對(duì)P和Mn的吸收量。在燈籠椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)早期，地上生物量與葉片中的P含量有顯著的正相關(guān)，96%的椒株干重變化與葉片中P濃度變化高度相關(guān)，肥灌頻率的主要效應(yīng)是改善了P的移動(dòng)性和吸收性。將肥灌頻率從每天2次增加到8次，在30例應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)臍腐病(blossom-end rot, BER)發(fā)病率從每盆7個(gè)下降到2～3個(gè)，相應(yīng)地，達(dá)到出口標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)果的產(chǎn)量從每盆6.5個(gè)增加到10～10.5個(gè)。被BER感染的果實(shí)的數(shù)量與果實(shí)中Mn含量呈負(fù)相關(guān)性，BER發(fā)生可能與Mn的虧缺有關(guān)。在地下滴灌條件下，深層土體中有較高的水分含量、較大的根密度和較大的濕潤(rùn)土體，灌溉施肥可以誘發(fā)根系吸收更多的P和K，可以生產(chǎn)更多的干物質(zhì)和產(chǎn)量。但N素吸收速率的在地表滴灌與地下滴灌間的差異較小[23]。

2.5 水肥一體化對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境與土壤理化性的影響

肥液通過滴頭緩慢均勻地浸入土壤中，不受重力影響，對(duì)土壤表層破壞小，基本上能保持土壤表層的疏松狀態(tài)。楊久廷等[24](2008)研究滴灌對(duì)番茄土壤理化性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，滴灌能較好地保持土壤疏松狀態(tài)，使土壤的孔隙度比漫灌高，通氣性能好，不破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。張西超等[25](2015) 研究表明，滴灌0～20 cm土層的土壤容重顯著低于滲灌與溝灌。同時(shí)，灌溉方法不同，作物不同生育期土壤速效氮、磷、鉀含量不同。通過滴灌實(shí)施水肥一體化不僅可以提高番茄作物產(chǎn)量，一定程度地改善番茄品質(zhì)，而且提高了肥料利用效率，同時(shí)達(dá)到了高產(chǎn)、高效、節(jié)水的目標(biāo)。王立革等[26](2015)研究表明，高壟覆膜滴灌水肥一體化相對(duì)膜下溝灌明顯提高了20 cm土層處的土壤溫度，且表層土壤溫度、飽和導(dǎo)水率、硬度和入滲性能皆顯著優(yōu)于膜下溝灌，且0～20 cm土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量比膜下溝灌分別高18.4%、47.6%、34.9%和20.9%，還降低了對(duì)硝態(tài)氮的淋洗。王巧仙等[27](2013)在梨園上研究發(fā)現(xiàn)水肥一體化對(duì)土壤養(yǎng)分含量和酶活性有顯著影響，水肥一體化處理土壤全氮、全磷、堿解氮、pH值、脲酶含量和磷酸酶顯著高于普通施肥處理；全鉀、有效磷、速效鉀含量高于普通施肥處理。

2.6 水肥一體化水溶肥

2015 年全球水溶肥市場(chǎng)規(guī)模達(dá)125.3 億美元，需求量增長(zhǎng)至 786.3 t。適合于水肥一體化使用的水溶肥有水溶性固態(tài)肥和液態(tài)肥兩種類型。水溶肥料中不僅含有氮、磷、鉀與微量元素，還含有鈣、鎂、鋅等中微量元素，容易實(shí)現(xiàn)作物所需元素的平衡供應(yīng)。水溶性肥料與傳統(tǒng)單元肥料、二元肥料以及復(fù)合肥料相比，含有的養(yǎng)分更高，用量更少，施肥更方便，作物吸收的效果更佳。在國(guó)外，水溶肥的研究起步較早，1988年美國(guó)公布了TVA(Tennessee Valley Authority)申請(qǐng)的高濃度氮硫懸浮肥的生產(chǎn)專利。1995～2000 年，國(guó)外水溶性肥料開始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，主要產(chǎn)品為花卉用肥，價(jià)格較高，但也在部分高價(jià)值經(jīng)濟(jì)作物上開始使用進(jìn)口水溶性肥料，該肥料正式進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但施用面積較為有限。由于利潤(rùn)可觀，從2000 年前后開始，國(guó)內(nèi)一些肥料公司相繼開始了水溶肥的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。截止 2016 年初，中國(guó)登記在冊(cè)的肥料產(chǎn)品有10 116個(gè)，其中，7 517個(gè)為水溶性產(chǎn)品，占肥料產(chǎn)品總數(shù)的74.3%，我國(guó)水溶肥年產(chǎn)量和需求量逐年迅速增加， 2016 年年產(chǎn)量達(dá)到410 t。目前水溶肥在國(guó)內(nèi)化肥市場(chǎng)只有1.6%～2.5%的市場(chǎng)份額，但預(yù)計(jì)未來5年將增至10%左右，這將給水溶肥帶來巨大的發(fā)展空間[28,29]。

從作物對(duì)養(yǎng)分吸收利用的平衡性來說，水溶肥料的配方更具科學(xué)性和針對(duì)性。與單元、二元肥料不同，主要以作物生育期內(nèi)所需元素特性為依據(jù)，通過綜合分析后確定系列配方。水溶肥中可以加入螯合態(tài)微量元素。有機(jī)螯合酸可以將肥料中的微量元素螯合成離子狀態(tài)，且不會(huì)發(fā)生拮抗作用，能提高吸收率，避免作物生長(zhǎng)過程中因缺少微量元素而出現(xiàn)葉片小、黃、卷曲等現(xiàn)象。有機(jī)螯合酸還可以對(duì)已經(jīng)固定在土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行活化，提高肥料的利用率[30]。另外，生產(chǎn)水溶性肥料時(shí)選用的原料質(zhì)量較高，溶解后不會(huì)殘留雜質(zhì)，也不會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)造成不良影響。

從物理狀態(tài)上來看，水溶肥有固態(tài)與液態(tài)兩種存在狀態(tài)。固態(tài)水溶肥具有便于運(yùn)輸、存放、分銷。但其缺點(diǎn)也很明顯，需要耗費(fèi)大量的包裝用品，在分銷與最終用戶使用前需要進(jìn)行多次搬運(yùn)、儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，施用過程中還需要大量的人力投入，且其包裝用品會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。而液態(tài)水溶肥除具有混合均勻、質(zhì)量一致、配方容易調(diào)整、方便精確施肥、方便向其中添加其他農(nóng)用化學(xué)品等優(yōu)點(diǎn)外，液體肥料生產(chǎn)成本低、能耗低，生產(chǎn)過程無污染排放。

1.過濾器 2.旁通出水、肥閥 3.攪拌裝置 4.節(jié)流閥門 5.旁通進(jìn)水閥門

圖1 壓差式施肥灌溉系統(tǒng)示意圖(左)與實(shí)物圖(右)
Fig.1 Sketch of differential pressure fertigation system

2.7 水肥一體化技術(shù)施肥裝備

2.7.1 旁通施肥法

旁通施肥法也叫壓差式施肥法。利用施肥罐進(jìn)水口與出水口兩端壓差原理將化肥溶液注入灌水管道中，隨著灌溉的進(jìn)行，肥料不斷被帶走、肥料濃度不斷下降，直到肥料罐中肥料全部流走。該方法優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)易，價(jià)格低廉，但該方法的缺點(diǎn)是除施肥濃度不均勻，易受水壓影響外，還由于設(shè)備容積較小，每次投入的肥料數(shù)量較少，需要多次向容器中投放肥料，人工勞動(dòng)強(qiáng)度較大。適用于對(duì)施肥速度和濃度要求低、人工管理成本較低的場(chǎng)景。圖1

2.7.2 文丘里施肥法

用水流通過文丘里管產(chǎn)生的真空吸力將肥料溶液從敞口的肥料桶中均勻吸入管道的方法。文丘里施肥方法優(yōu)點(diǎn)是：成本低，施肥過程肥液濃度均勻，施肥過程無需外部動(dòng)力。該方法的缺點(diǎn)是對(duì)灌溉系統(tǒng)水頭壓力損失大，增加了系統(tǒng)的能量損耗。為了使系統(tǒng)保持相對(duì)穩(wěn)定的工作壓力，還需要對(duì)系統(tǒng)配置增壓泵。該方法適宜于可以自動(dòng)化管理的自動(dòng)灌溉、施肥系統(tǒng)[31]。圖2

1.過濾器 2出水口 3.肥液罐 4.喉部 5.閥門6.進(jìn)水口

圖2 文丘理施肥灌溉系統(tǒng)示意圖(左)與實(shí)物圖(右)
Fig.2 Sketch of Venturi fertigation system

2.7.3 重力自壓施肥法

通常引用地勢(shì)較高處的水源以管道輸水的方法將水輸送到地勢(shì)較低的農(nóng)田，利用水位高差產(chǎn)生的壓力(自壓)實(shí)施灌溉的同時(shí)進(jìn)行施肥，該系統(tǒng)特點(diǎn)是：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，使用者容易接受。缺點(diǎn)是：水壓小，易堵塞，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。圖3

1.肥液開關(guān) 2.水開關(guān) 3.過濾網(wǎng) 4.水池 5.肥液濾網(wǎng)6.肥料池

圖3 重力自壓施肥灌溉系統(tǒng)示意
Fig.3 Sketch of Gravity pressure fertigation system

2.7.4 泵吸肥法

是利用離心泵直接將肥料溶液吸入灌溉系統(tǒng)。在泵的進(jìn)水主管上安裝一根支管，在吸水的同時(shí)吸取肥液。該系統(tǒng)特點(diǎn)是：施肥不需要外加動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是水肥比例不易控制，較適宜于對(duì)施肥速度和自動(dòng)化程度要求低的管理系統(tǒng)。圖4

1.過濾器 2.水泵 3.肥料池 4.肥液開關(guān) 5.水源

圖4 泵吸肥法施肥灌溉系統(tǒng)示意圖
Fig.4 Sketch of Pump suction fertigation system

2.7.5 泵注肥法

是利用加壓泵將肥液注入有壓管道，施肥泵的壓力要大于輸水管水壓，需要單獨(dú)配置施肥泵，該方法克服了壓差施肥法的缺點(diǎn)，由獨(dú)立的高壓注肥泵向灌溉系統(tǒng)加注肥液，可以根據(jù)即定施肥量精確控制施肥數(shù)量和施肥持續(xù)時(shí)間、施肥濃度，適宜于精確施肥的需求。圖5

1.肥料罐 2.肥液形狀 3.過濾器。 4肥液泵 5.水泵。 6水源

圖5 泵注肥法灌溉系統(tǒng)示意圖(左)與系統(tǒng)控制界面圖(右)
Fig.5 Sketch of pump injection fertigation system

2.8 水肥一體化與化肥減施增效

Darwish等[12](2003)在黎巴嫩進(jìn)行了馬鈴薯噴灌和滴灌兩種灌溉方式下水肥一體化的對(duì)比研究結(jié)果表明，噴灌結(jié)合傳統(tǒng)向土壤施肥方法顯著提高了硝酸鹽的淋失率，而通過滴灌系統(tǒng)的水肥一體化，將絕大部分的N素都保持在了作物根區(qū)，淋失量大幅下降。Zhou等[13](2016)發(fā)現(xiàn)，水肥一體化下施氮對(duì)馬鈴薯的光能利用率具有顯著增加作用，大部分的氮素應(yīng)該在馬鈴薯生長(zhǎng)前期(出苗后41～50 d)施用對(duì)提高肥料利用效率與產(chǎn)量具顯著作用。Eissa等[20](2018)在馬鈴薯上研究發(fā)現(xiàn)，高頻率施用尿素磷酸酯UP(每日施1次)比低頻率(每3 d施1次)施磷量馬鈴薯葉柄中磷素含量增加了19%～47%，商品馬鈴薯的產(chǎn)量增加22%。綜上所述，通過水肥一體化技術(shù)對(duì)肥料利用率的提高，不僅能顯著提高氮素的施肥用量，還能降低磷肥施用量。

3 討 論

3.1 水溶肥開發(fā)

目前我國(guó)對(duì)水溶肥中不溶物含量的要求是≤5%，業(yè)內(nèi)對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)爭(zhēng)議較大[29]。將水溶肥中的不可溶性物質(zhì)含量應(yīng)該盡可能的低，至少應(yīng)該低于1%。水溶肥的生產(chǎn)一般分為物理法和化學(xué)法。物理法水溶肥雖然生產(chǎn)成本低，但其穩(wěn)定性差、顆粒大小不均勻，有時(shí)會(huì)發(fā)生拮抗效應(yīng)，難以滿足使用需求?；瘜W(xué)法生產(chǎn)的水溶肥能夠克服物理法的缺陷，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中物質(zhì)相態(tài)、雜質(zhì)、pH 值等容易得到控制。水溶肥有向高溶化、復(fù)合化、專用化、高效化、液態(tài)化、功能化發(fā)展的趨勢(shì)[32,33]。液態(tài)肥料非常便于通過灌溉系統(tǒng)施用，無需溶解，根系吸收快，見效快。隨著灌溉自動(dòng)化程度的提高和液態(tài)肥料生產(chǎn)工藝的不斷成熟與成本的下降，水溶液態(tài)肥料有著很好的發(fā)展未來。液態(tài)水溶肥有清液型與懸浮型兩種產(chǎn)品，后者因?yàn)橛行С煞指摺⑦\(yùn)輸費(fèi)用低，具有更好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此，懸浮型液態(tài)水溶肥是未來發(fā)展的重要方向。

3.2 水肥一體化配套施用設(shè)備

水肥一體化技術(shù)的良好使用應(yīng)該是在微灌系統(tǒng)條件下結(jié)合質(zhì)量良好的水溶肥，通過科學(xué)的管理使農(nóng)民獲得良好的經(jīng)濟(jì)收益，進(jìn)而推動(dòng)水肥一體化技術(shù)進(jìn)入良性發(fā)展軌道。如果灌溉設(shè)備和農(nóng)田作物不能有效結(jié)合，肥料技術(shù)與灌溉系統(tǒng)不能配套，再高端高效的肥料其推廣也是無法落地并發(fā)揮出應(yīng)有的效能。因此，更大規(guī)模推廣滴灌技術(shù)，加強(qiáng)灌溉系統(tǒng)的科學(xué)化管理，是當(dāng)前我國(guó)水肥高效利用面臨的重要任務(wù)。除此之外，大力推廣具有變量施肥調(diào)控功能的加注式施肥管理系統(tǒng)，并使用全營(yíng)養(yǎng)液態(tài)水溶肥，有利于精確施肥和大幅降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度[31]。

3.3 水肥一體化技術(shù)推廣

由于水溶性肥料的價(jià)格較高，除了新疆、內(nèi)蒙古等地微灌技術(shù)發(fā)展較好的地區(qū)使用大量水溶肥外，目前，其他大多數(shù)地方水溶肥主要用于大棚蔬菜、果樹、花卉等作物，而大田作物仍以施用傳統(tǒng)肥料為主，水溶肥使用數(shù)量只占非常小的比例。隨著土地流轉(zhuǎn)逐漸深入，有規(guī)模經(jīng)營(yíng)的農(nóng)戶會(huì)更加愿意接受新型經(jīng)濟(jì)、高效的水溶肥，有能力購(gòu)買滴灌、噴灌設(shè)備。新技術(shù)、新肥料對(duì)于提升種植戶人均收入的作用越來越明顯。同時(shí)，在良好的售后服務(wù)保證下，能及時(shí)幫助用戶解決在施肥過程中可能遇到的技術(shù)問題，建立暢通的反饋機(jī)制，以效果促進(jìn)技術(shù)革新。

4 結(jié) 論

4.1 科學(xué)運(yùn)籌作物營(yíng)養(yǎng)管理。在水肥一體化條件下，為了提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，合理施肥，種植者通過測(cè)定土壤養(yǎng)分含量情況和擬定種植作物種類、目標(biāo)產(chǎn)量等信息確定綜合養(yǎng)分管理方案，并在微灌設(shè)施完備、管理科學(xué)的情況下予以實(shí)施，以最大可能提高肥料利用效率。

4.2 作物生長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)調(diào)控營(yíng)養(yǎng)管理。作物生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期，進(jìn)行動(dòng)態(tài)營(yíng)養(yǎng)診斷，根據(jù)作物當(dāng)前營(yíng)養(yǎng)狀況隨時(shí)調(diào)整養(yǎng)分管理方案，確保作物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)施肥的合理性。配方施肥、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植株?duì)I養(yǎng)狀況、生長(zhǎng)階段實(shí)施變量施肥是作物生產(chǎn)降低肥料用量、提高肥料利用效率的重要措施。

4.3 磷肥以追施的方式施用。在水肥一體化條件下，包括磷肥在內(nèi)的全部營(yíng)養(yǎng)元素均可以通過追施的方式施用，可以不用施用基肥，節(jié)約肥料投入與機(jī)力投入。

4.4 使用智能變量施肥管理系統(tǒng)。借助智能化水平較高的施肥裝備，實(shí)施高頻灌溉施肥技術(shù)，降低肥料用量，降低肥料淋失，提高肥料利用效率。

4.5 通過實(shí)施水肥一體化技術(shù)顯著降低化肥用量。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)微生物肥料的開發(fā)，通過向土壤施用微生物肥料改善土壤微環(huán)境，充分活化土壤被固定養(yǎng)分并使其得到釋放從而作物吸收利用，減少對(duì)土壤的化學(xué)肥料的施用。通過水肥一體化設(shè)施將化學(xué)肥料、有機(jī)肥料、微生物肥料有機(jī)的集成在一起并隨水施肥，不僅能夠降低施肥方法成本，而且還可以降低施肥總用量。