協(xié)同視域下水肥一體化技術發(fā)展中存在的問題思考及對策*

梁 飛

(新疆農墾科學院農田水利與土壤肥料研究所 新疆石河子 832000)

“有收無收在于水，收多收少在于肥”。 水分和肥料是作物生長發(fā)育過程中的兩個重要因子，水肥是農業(yè)持續(xù)發(fā)展的物質保證，是糧食增產的基礎，同時水和肥是干旱-半干旱地區(qū)影響農業(yè)生產的主要因素，水肥管理在農業(yè)生產中有著重要的意義。水肥一體化技術是將灌溉與施肥融為一體的農業(yè)新技術，是國內外公認的一項高效灌溉和高效施肥技術[1]，被譽為現代農業(yè)“一號技術”。水肥一體化技術已經成為未來農業(yè)的發(fā)展主流，是實現“一控兩減”目標的重要手段，是化肥減量增效的關鍵措施之一。

近幾年來，無論在科技文獻還是媒體報道中，都可以看到“水肥一體化(或者滴灌施肥)膜下滴灌施肥技術與大田灌溉相比，膜下滴灌施肥技術自動化程度較高，可以實現‘三省三提高’：節(jié)省灌水量，提高水的利用率；節(jié)省肥料，提高肥料的利用率；節(jié)省勞動力，提高作物產量”的描述[2]。大部分科技文獻和媒體報道均集中在應用水肥一體化技術后作物的增產效果、如何實現灌溉施肥過程中的水肥高效利用以及怎樣操作能夠實現作物高產與水肥高效等方面；少量的文獻報道了作物水肥一體化高產高效在某一方面的機制或技術。但是關于水肥一體化的問題多停留在水肥耦合或試驗研究階段，生產實踐中缺乏水肥融合的經驗。在實際生產中水肥一體化出現了一些協(xié)同融合的問題，本文就協(xié)同視域下水肥一體化發(fā)展中存在的問題進行分析和探討。

1 水肥一體化與水肥協(xié)同

水肥一體化是一種節(jié)水農業(yè)技術，即利用管道灌溉系統(tǒng)，將肥料溶解在水中，同時進行灌溉與施肥，適時、適量地滿足農作物對水分和養(yǎng)分的需求，實現水肥同步管理和高效利用。

陽光、溫度、水分、空氣、養(yǎng)料是作物生長的五大要素，也是植物的生命線。但是對于大田作物來講，光照、溫度、空氣是難以調控的；現代農業(yè)中，水肥是相對可以調控的，也是容易管控的兩個因素。根系是作物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，也是養(yǎng)分和水分在植物體內運輸的重要部位；作物根系對水分和養(yǎng)分的吸收雖然是兩個相對獨立的過程，但水分和養(yǎng)分對于作物生長的作用卻是相互制約的，無論是水分虧缺還是養(yǎng)分虧缺，對作物生長都不利。特別是在農田生態(tài)系統(tǒng)中，水分和肥料兩個體系融為一體，水分與肥料中的氮、磷、鉀等因子之間相互作用而對作物的生長發(fā)育產生的制約和耦合現象或結果(包括協(xié)同效應、疊加效應和拮抗效應)，稱為水肥耦合效應。

水肥一體化的理論基礎可簡單歸結為：作物生長離不開水肥，水肥對于作物生長同等重要；根系是吸收水肥的主要器官，肥料必須溶于水才能被根系吸收，施肥亦能提高水分利用，水或肥虧缺均對作物生長不利；將灌溉與施肥兩個對立的過程同時進行并融合為一體，實現了水肥同步、水肥高效。這個互助機制稱為水肥協(xié)同。

2 協(xié)同視域下水肥一體化技術發(fā)展中存在的問題

2.1 水肥一體化復合人才缺乏，水肥知識期待融合

人才是發(fā)展現代農業(yè)的帶頭人，是助推鄉(xiāng)村振興的奠基石；農業(yè)農村經濟社會發(fā)展得怎么樣，說到底，關鍵在人[3]。實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，必須切實解決人才瓶頸問題，著力打造一支“懂農業(yè)、愛農村、愛農民”的高素質人才隊伍[4]。中國農業(yè)大學官方就業(yè)統(tǒng)計數據顯示，在2018年中國農業(yè)大學畢業(yè)的5 144名畢業(yè)生中，僅有400余人畢業(yè)后直接從事農林牧漁業(yè)，不到畢業(yè)生總數的8%[5]。

水肥一體化專業(yè)人才涉及到灌溉與土壤肥料兩個基本學科。當前農業(yè)院校中，以中國農業(yè)大學為例，節(jié)水灌溉屬于農業(yè)水利工程專業(yè)，所在學院為水利與土木工程學院；土壤肥料學科屬于資源環(huán)境科學，所在學院為資源環(huán)境學院。對比2019年中國農業(yè)大學本科生招生簡章中的農業(yè)水土工程和資源環(huán)境科學兩個專業(yè)的培養(yǎng)目標和核心課程可以發(fā)現，僅資源環(huán)境科學專業(yè)中有“水資源利用與管理”課程，并無水肥融合的相關課程?？v觀全國農業(yè)高校僅華南農業(yè)大學、塔里木大學等少量高校有專門的水肥一體化課程，華南農業(yè)大學等少量高校開始了水肥高效利用相關實習。從水肥一體化人才培養(yǎng)的源頭不難發(fā)現，存在專業(yè)技術人才培養(yǎng)數量不足的問題。另外，從灌溉和施肥兩個專業(yè)人才成長體系分析可以發(fā)現：灌溉人才多數屬于工程師系列，施肥人才多數屬于農藝師系列，人才的評價體系和考核指標不同，灌溉和施肥專業(yè)知識的融合再次受到制約。整體上講，水肥一體化涉及到灌溉和施肥兩個專業(yè)，但兩個專業(yè)的人才培養(yǎng)的源頭和成長過程及評價體系都對水肥知識的融合具有較大影響，期待水肥知識深度融合，推動水肥一體化技術能夠更好地發(fā)揮作用。

2.2 水肥市場主體多元，灌溉企業(yè)與肥料企業(yè)期待深度合作

農業(yè)企業(yè)是農業(yè)科技產業(yè)化、市場化的重要組成部分,對加速農業(yè)技術成果轉化、促進農業(yè)和農村經濟發(fā)展有著重要意義[6]。水肥一體化技術的推廣和應用同樣離不開農業(yè)企業(yè)的推動和實施。但水肥一體化技術是一項系統(tǒng)工程，交叉學科多，涉及工程、農藝、生態(tài)、環(huán)境等多個方面，目前水肥一體化市場是由灌溉企業(yè)和肥料企業(yè)兩個主體在推動，但因各自的利益很難對水肥一體化的發(fā)展達成共識。由于水肥一體化本身的特殊性和工程經費的多元性，一個水肥一體化示范工程往往由多個市場主體共同完成，這些市場主體包括水肥一體化工程的設計機構(尤其是與灌溉相關的設計企業(yè))、施工單位(灌溉工程企業(yè))、肥料供應單位(肥料企業(yè))及后期的種植經營主體等。如此多的市場主體中，水(灌溉)和肥(肥料)具有很重要的決定性和隨機性，這造成灌溉施工時只關注與灌溉相關的因素，后期施肥時只能利用未考慮合理施肥的系統(tǒng)進行，從而造成大量的水肥不融合。從以下兩個案例可發(fā)現水肥嚴重不同步：第一個案例是河北某灌溉公司建設的水肥一體化示范基地選用的肥料是總養(yǎng)分為64%(質量分數)的磷酸二銨作為滴灌肥；第二個案例是某肥料企業(yè)的產品供應到葡萄園，種植戶告訴供應商今年滴灌帶堵了，供應商只懂得找自身產品的原因，不了解葡萄園的砂石過濾器需要維護等基本常識。水肥一體化是將灌溉與施肥兩個對立的過程同時進行，并融合為一體的技術，是實現一加一大于二的同步管理和高效利用，而不是簡單的組合。因此，灌溉企業(yè)在灌溉設計和施工時要充分考慮作物的需肥規(guī)律、施肥模式及肥料溶解特性等基本因素，肥料企業(yè)施肥時要充分考慮肥料與灌溉水的反應、肥料對灌溉系統(tǒng)的影響、施肥過程與水肥融合等。只有水肥企業(yè)互相融合，優(yōu)化水肥方案和管理模式，才能推動水肥一體化技術出現質的飛躍。

2.3 水肥一體化工程缺乏規(guī)范，灌溉與施肥過程期待同步

規(guī)劃是水肥一體化系統(tǒng)設計的前提，它制約著工程投資、效益和運行管理等多方面指標，關系到整個水肥一體化工程的質量及其合理性，是決定工程成敗的重要工作之一。我國目前絕大部分地區(qū)還沒有將滴灌工程納入農田水利工程規(guī)劃之中，在田間設計和系統(tǒng)配置上存在死搬硬套他人模式、與當地水肥一體化實際需求難以完全吻合等問題[7]。水肥一體化中施肥的效率取決于肥料罐的容量、用水稀釋肥料的稀釋度、稀釋度的精確程度、裝置的可移動性和設備的成本及其控制面積等。目前，部分地區(qū)普遍采用不透明的旁通施肥罐，該施肥系統(tǒng)的最大缺點是罐體太小，肥料溶液濃度變化大，過程無法控制；另外大部分施肥機過分追求功能全面，造成設備成本過高，嚴重制約了灌溉與施肥技術的同步與融合。

2.4 水肥一體化不到位，氮磷鉀需要協(xié)同施用

滴灌肥是通過養(yǎng)分平衡研究和工藝手段生產的、可面向特定的滴灌作物及一定時期和某一區(qū)域專用的多種養(yǎng)分速溶肥料，其主要特點就是針對性強[8]。但是目前市場上銷售的滴灌專用肥實為通用肥，另外肥料生產企業(yè)普遍對農化服務重視不夠，多數企業(yè)只注重肥料配方的經濟性和產品的宣傳，即宣傳企業(yè)產品的多，而對農民用肥指導、服務的少，更談不上進行科學配方、測土施肥，造成肥料配方單一且不科學，很難達到因土、因作物施肥，平衡施肥效果難以實現。

另外，氮、磷、鉀養(yǎng)分在土壤中的運移特點因土壤質地、肥料種類以及施肥策略而異。尿素隨水滴施后容易隨水分運移[9]；全部滴施氮肥的氮養(yǎng)分移動距離可以達到40 cm；磷肥容易被土壤吸附固定，移動性相對氮素而言較弱[10]，滴施磷肥的垂直、橫向移動距離為0～10 cm；鉀素的移動性相對氮素而言較弱，比磷素強，滴施鉀肥的垂直、橫向移動距離為0～30 cm[1]。氮、磷、鉀在土壤中的運移速度不同，但是目前的滴灌專用肥同時進入施肥系統(tǒng)。由于灌水量以及肥料中不同相對分子質量元素的移動特點，氮、磷、鉀在根區(qū)分布出現5種情況：氮、磷、鉀都未到達根區(qū)；氮到達根區(qū)，磷、鉀未到達根區(qū)；氮、鉀到達根區(qū)，磷未到達；氮、鉀超過根區(qū)，磷剛好到達；最理想的效果，氮、磷、鉀均到達根區(qū)。因此，在相同的運移時間和灌溉量下，不同的運移速度往往造成氮、磷、鉀分布區(qū)與作物根系分布不一致，不利于氮、磷、鉀的吸收，抑制了水肥效率的提高。

2.5 水肥技術期待與農機農藝的深度融合

農業(yè)有著不同于工業(yè)的特點，土壤、設備、作物等因素都可能成為技術推廣的瓶頸，多方聯(lián)合是打通農業(yè)技術最后一公里的必然選擇。水肥一體化條件下，水分和養(yǎng)分不再是作物生長發(fā)育的限制瓶頸，根據作物的雜種優(yōu)勢理論和群體優(yōu)勢理論，只有較大的群體才能有較大的光和葉面積，形成生物產量，但適于水肥一體化模式的作物品種期待與水肥一體化融合。與常規(guī)灌溉和施肥方式相比，滴灌施肥作物根區(qū)表層(0～30 cm)土壤水肥含量較高，大量有效水集中在滴頭周圍，由于根系生長的向水、向肥的特點，使其集中分布在土壤表層，因此與之變化相適應的水肥一體化的作物株距配置模式期待優(yōu)化，配套農機具急需更新。另外，隨著水肥一體化技術在大田作物中的大面積應用，田間管道鋪設等工作的用工量非常大，因此農機機械與水肥一體化技術的深度融合對于提升水肥一體化效率具有重要影響。

2.6 水鹽調控不合理，容易引起鹽分累積

當在含鹽量高的土壤上進行滴灌或是利用咸水灌溉時，鹽分會積累在濕潤區(qū)的邊緣，如遇到小雨，鹽分可能會被沖到作物根區(qū)引起鹽害，這時應繼續(xù)進行灌溉。在沒有充分沖洗條件或是秋季無充足降雨的地區(qū)，不要在高含鹽量的土壤上進行灌溉或利用咸水灌溉。近十年來，新疆兵團大面積推廣膜下滴灌技術，取得了節(jié)水、增產的顯著效果。但膜下滴灌是小定額的連續(xù)供水，屬淺層灌溉，灌溉水沒有深層滲漏，難以利用灌溉水淋洗鹽分到地下水中，鹽分只在土層中轉移而無法消除；再加上灌溉水的礦化度較高，土壤水分蒸發(fā)和植株蒸騰后，水去鹽留，使部分團場土壤處于較嚴重的積鹽狀態(tài)。

3 對策與建議

3.1 加強水肥一體化技術培訓與服務

技術培訓有助于提高農工科學施肥與灌溉意識，普及水肥一體化技術的理念。農民是肥料的最終使用者，應向他們傳授科學施肥與灌溉方法、不同肥料的用途，讓他們學會合理搭配使用各種肥料；培訓農民鑒別肥料的知識和水肥一體化技術[11]。加強對基層農技人員的技術培訓，讓他們掌握科學施用水肥的技術，協(xié)助農工將所需水肥種類及具體用量、時期、方法落實到條田，做好技術服務。

3.2 改進作物株行配置和田間毛管布置方式

采用寬窄行栽培替代傳統(tǒng)的等行栽培[12]，由一管多行逐步改變?yōu)橐还軆尚校兄虚g用于鋪設滴灌帶，使作物獲得養(yǎng)分和水分的重要營養(yǎng)器官——根系分布在滴頭周圍，實現作物的根區(qū)、灌溉的水區(qū)、養(yǎng)分分布區(qū)基本重合，可有效解決作物生長過程中水肥根協(xié)調的問題；另外，寬窄行栽培模式和田間毛管合理配置能夠有效減少實際灌溉面積，縮短水肥運移距離，提高水肥利用率與作物產量。

3.3 科學選擇滴頭流量和灌溉量

滴頭流量是滴灌系統(tǒng)設計中最重要的因素之一[13]，它不僅直接決定著滴灌系統(tǒng)的經濟效益，而且對水肥一體化中養(yǎng)分分布特征和作物的灌水效果也有直接的影響。相同質地的土壤，灌水量相同時，垂直方向濕潤距離隨著滴頭流量的增加而減小，而水平方向濕潤距離則隨之增加，滴頭流量不僅會影響地表徑流，也會影響濕潤面積[14]。但不同土壤具有不同入滲能力，從而導致濕潤鋒的運移距離不同[15]，灌水量對濕潤體形狀和大小的影響比滴頭流量的影響要大[16]。因此根據土壤特性、滴頭間距和作物根系分布特征，合理選擇滴頭流量，并結合土壤初始含水率，設計單次灌溉量，在作物根區(qū)構建一個與根系分布相對一致的橢球形或者球形濕潤體，對于提高水肥利用效率有重要意義。

3.4 升級施肥系統(tǒng)，改進肥料進入系統(tǒng)的時間

在滴灌施肥過程中，肥水混合效果影響肥料的利用率，采用壓差式施肥裝置一直都存在著肥料溶解和注肥不均等問題[17-18]。目前新疆大部分地區(qū)普遍采用不透明的旁通施肥罐，上述問題尤為突出。因此，在各地區(qū)滴灌系統(tǒng)的升級和維護過程中，已逐步由施肥泵替代不透明的旁通施肥罐；同時結合養(yǎng)分運移規(guī)律和運移速度，將滴灌肥同時進入系統(tǒng)改為不同時間注入氮、磷、鉀肥的方式，在作物根區(qū)形成根區(qū)-水區(qū)-氮磷鉀養(yǎng)分分布時空同步。結合作物水肥需求規(guī)律，進行實時灌溉和施肥，促進作物對水肥的吸收，提高氮、磷、鉀的利用效率。

3.5 建立“四位一體”的水肥產業(yè)聯(lián)盟

推動由政府牽頭，行業(yè)學會或者科研單位為技術保障，企業(yè)和經銷商承諾為客觀保障，農戶為落腳點的水肥產業(yè)聯(lián)盟建設。通過政府的資金和政策引導，推動滴灌施肥技術的研發(fā)和推廣；通過政府的監(jiān)控和引導，培育符合水肥市場發(fā)展的企業(yè)，促進農戶科學施肥、合理施肥和灌溉以及購買有質量保證的肥料。行業(yè)學會或者科研單位做到科技人員的科研成果能夠符合農工生產實踐；舉辦培訓讓科研成果能夠及時通過聯(lián)盟傳遞到企業(yè)和農工手中，引導農工科學施肥和灌溉；將區(qū)域土壤狀況及作物需肥規(guī)律由聯(lián)盟傳遞給企業(yè)，讓科研成果引導企業(yè)創(chuàng)新，推動企業(yè)專用肥的開發(fā)。通過企業(yè)和經銷商依法經營，合理調配，促進肥料市場有序發(fā)展，防止坑農害農事件發(fā)生；通過企業(yè)與科技人員之間的合作，推動水肥一體化研究和應用的發(fā)展。

4 結語

原農業(yè)部提出了到2020年，我國農業(yè)要實現控制農業(yè)用水總量，減少化肥、農藥使用量，化肥、農藥用量實現零增長的目標[19]，而我國仍然將面臨以占世界7%的耕地養(yǎng)活占世界22%的人口的問題。發(fā)展水肥一體化是解決控水減肥與糧食需求增長之間矛盾的重要途徑，對于提高肥料利用率、減輕環(huán)境壓力、保障糧食安全、保護生態(tài)環(huán)境，具有極其重要的意義。