稻田應(yīng)用“水肥一體化”的現(xiàn)狀、問題與思考

馬橫宇 王孟佳 殷敏 褚光 徐春梅 章秀福 王丹英 陳松

（中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點實驗室，杭州311400；*通訊作者：chensong02＠caas.cn）

水肥管理是作物增產(chǎn)增效的重要途徑，傳統(tǒng)栽培方式水肥管理方式粗放、水肥利用效率低下。據(jù)2019年中國水資源公報顯示，農(nóng)業(yè)用水占我國當(dāng)年用水總量的61.2%，年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.559，遠(yuǎn)低于發(fā)達地區(qū)的0.800[1]。為解決化肥利用效率低這一粗放式農(nóng)業(yè)亟待解決的頑疾[2]，2015年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定了化肥和農(nóng)藥施用總量零增長的政策，并通過研究和推廣有機肥替代、肥料機械深施、水肥一體化等減肥增效技術(shù)[3]，逐步實現(xiàn)化肥零增長目標(biāo)。2018年全國化肥施用總量比2015年減少了6.13%，但減少的部分主要還是來自作物種植結(jié)構(gòu)的改變，肥料利用效率依然較低[4]。

研究與開發(fā)高效精準(zhǔn)的農(nóng)田節(jié)水節(jié)肥技術(shù)對節(jié)約水資源、提高水分和肥料利用效率具有重要意義。研究表明，通過合適的水分管理和肥料管理，可以促進水稻根系生長，提高水稻吸水吸肥輸水能力，增加水分和肥料利用效率[5]。顧俊榮等[6]研究發(fā)現(xiàn)，通過氮肥管理和輕干濕交替技術(shù)，灌溉施肥結(jié)合水稻水氮吸收規(guī)律，在減少水分和總施氮量的情況下，仍然可以提高水稻產(chǎn)量。因此，如何實現(xiàn)精準(zhǔn)化水肥管理已成為構(gòu)建新型高效栽培技術(shù)體系的主要問題。

水肥一體化技術(shù)是一種高效精確的灌溉施肥技術(shù)。廣義的水肥一體化是指在灌溉的同時，將肥料溶于水中一起施入田中的技術(shù)[7]；狹義的水肥一體化常指利用壓力差，用微灌的形式以水為載體將肥料與之結(jié)合，根據(jù)作物不同時期的水肥需求精準(zhǔn)施肥的技術(shù)[8]，也是現(xiàn)階段我國常用的水肥一體化技術(shù)?，F(xiàn)階段水肥一體化受成本和設(shè)備的制約，主要應(yīng)用在蔬菜、苗木、花卉以及玉米、小麥等旱地作物中，在水田作物中應(yīng)用較少。三大糧食作物中水稻對肥水需求最大，浪費也最為嚴(yán)重[9]。若在水稻栽培中應(yīng)用水肥一體化技術(shù)節(jié)水節(jié)肥，對于提高水稻水肥利用率、節(jié)約肥料和水資源具有重要意義。

1 水肥一體化技術(shù)的起源與發(fā)展

1.1 水肥一體化技術(shù)的起源

水肥一體化技術(shù)源自無土栽培技術(shù)，最初的水肥一體化栽培技術(shù)是在土壤提取液中種植植物[10]。水肥一體化的核心技術(shù)是“水肥混勻”，在灌溉的同時供給作物所需的各種營養(yǎng)元素，其短板在于肥料輸送困難。因此，盡管水肥一體化起源于17世紀(jì)末，但是直到20世紀(jì)50年代，隨著塑料工藝的進步，滴灌、微噴灌等水肥一體化核心技術(shù)才迅速發(fā)展，并在全世界推廣[11]。塑料工業(yè)生產(chǎn)的管道彌補了水肥一體化中肥料輸送難的短板，促進了水肥一體化的推廣。隨之產(chǎn)生的水肥一體化設(shè)備生產(chǎn)公司，比如1965年在以色列創(chuàng)辦的耐特菲姆公司，發(fā)明了滴灌技術(shù)，是目前世界上最大的滴灌設(shè)備供貨商，占世界滴灌市場份額的70%[12]。

目前美國是世界上微灌覆蓋面積最大的國家，水肥一體化專用肥料占作物用肥的38%，美國灌溉農(nóng)業(yè)中60%的馬鈴薯、25%的玉米、33%的果樹應(yīng)用了水肥一體化技術(shù)，其中加州的果樹灌溉集成了水肥一體化技術(shù)，是典型的高產(chǎn)值農(nóng)業(yè)示范區(qū)；德國在20世紀(jì)50年代隨著塑料工藝的發(fā)展，結(jié)合水流出技術(shù)，精確控制作物施肥技術(shù)開始快速發(fā)展；西班牙、日本、意大利等國也是水肥一體化發(fā)展較快的國家[11，13]。

水肥一體化在以以色列為代表的水土貧瘠國家的發(fā)展尤為迅速，以色列人均淡水量320 m3，僅為世界人均水平的1/33，但是以色列的水肥一體化應(yīng)用面積占其國家農(nóng)業(yè)應(yīng)用面積的90%以上，大力發(fā)展水肥一體化技術(shù)，是以色列解決用水困難的主要途徑[14]。20世紀(jì)60年代，以色列開始全國普及水肥一體化技術(shù)，利用管道運輸水肥，減少了水分流失，提高了水分利用效率[15]。

1.2 水肥一體化技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展

相對以色列等國家，我國水肥一體化起步較晚，1974年我國從墨西哥引進了第一批滴灌設(shè)備，1980年自主研發(fā)了第一套滴灌設(shè)備，并結(jié)合國外先進設(shè)備逐漸實現(xiàn)了設(shè)備規(guī)?；a(chǎn)[16]。2000年以來，我國逐漸加大節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展力度，管道輸水等灌溉措施減少了輸水過程中的水分損失，滴灌等節(jié)水措施也從單位試點逐漸向規(guī)模化生產(chǎn)轉(zhuǎn)化[17]。2002年，我國組織大面積水肥一體化推廣，通過建立核心示范區(qū)，輻射帶動周邊地區(qū)技術(shù)推廣[18]。目前我國應(yīng)用較多的水肥一體化技術(shù)主要是滴灌和噴灌技術(shù)，并基于上述兩種技術(shù)發(fā)展了膜下滴灌、微噴灌等延伸技術(shù)[16，19]。

膜下滴灌技術(shù)是在滴灌帶上覆蓋黑膜，保溫保水同時起到預(yù)防雜草的作用。膜下滴灌技術(shù)在我國西北地區(qū)運用較多，玉米膜下滴灌技術(shù)運用后與溝渠灌溉相比顯著增產(chǎn)增效[19]；新疆地區(qū)的棉花膜下滴灌技術(shù)已經(jīng)十分先進[18]；新疆天業(yè)集團將稻田覆膜、滴灌、施肥等技術(shù)有機結(jié)合，建立了水稻膜下滴灌技術(shù)[20]，目前該技術(shù)的應(yīng)用主要集中在新疆等干旱地區(qū)。關(guān)于膜下滴灌栽培稻也有報道，銀永安等[21]的研究表明，與傳統(tǒng)種植相比，膜下滴灌水稻空癟率增加但不顯著，株高、光合速率等也有變化，說明膜下滴灌技術(shù)對水稻生長狀態(tài)會產(chǎn)生影響；王志軍等[22]的研究表明，膜下滴灌水稻的株高以及產(chǎn)量均顯著低于淹灌，但是顯著提高了水肥利用效率。噴灌技術(shù)是用噴嘴加壓使水噴施在土壤表面的技術(shù)，具有灌水均勻、地形適應(yīng)力強等優(yōu)點，由于水噴出后易受風(fēng)力影響，應(yīng)用時要因地制宜[23-24]。

水肥一體化在輸水過程中水分消耗少，在輸水過程中同時施肥施藥，省水省工省力。將來水肥一體化技術(shù)主要向智能化、自動化發(fā)展，通過與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，配合土壤和作物監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測作物生長情況，并實施對應(yīng)的精準(zhǔn)灌溉施肥。

2 水肥一體化在旱地和設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

2.1 水肥一體化在旱地農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

水肥一體化技術(shù)可以緩解用水壓力，在旱地作物中應(yīng)用技術(shù)較為成熟。李俊林等[25]通過對CNKI數(shù)據(jù)庫檢索發(fā)現(xiàn)，水肥一體化技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵詞中玉米、番茄、馬鈴薯等旱地作物出現(xiàn)頻率高。

旱地大田作物利用水肥一體化栽培技術(shù)可以顯著增產(chǎn)增效[26]。梁海玲等[27]對比了玉米栽培中常規(guī)灌溉、分根交替灌溉、固定部分根區(qū)灌溉方式，發(fā)現(xiàn)分根交替灌溉與80%水肥一體化組合可以有效提高水分利用效率，與常規(guī)施肥相比，水肥一體化玉米籽?？偢晌镔|(zhì)量顯著提高。張晶等[28]在冬小麥上的研究發(fā)現(xiàn)，與大水漫灌撒施肥相比，微噴灌在減施30%氮磷鉀肥情況下，可以有效提高小麥產(chǎn)量和植株氮磷鉀積累量。水肥一體化在輪作體系中的利用和在單一作物中的利用類似，張健等[29]研究發(fā)現(xiàn)，“小麥-玉米”周年輪作體系使用水肥一體化技術(shù)與常規(guī)施肥相比，最大可以提高10%的經(jīng)濟效益，同時極大提高了水肥利用效率，實現(xiàn)降低生產(chǎn)成本的目的。

2.2 水肥一體化在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

水肥一體化在蔬菜中主要的應(yīng)用場景是設(shè)施栽培，設(shè)施水肥一體化栽培是蔬菜中產(chǎn)量增加和品質(zhì)改善的有效途徑。與傳統(tǒng)溝灌相比，同等施氮量條件下，滴灌處理比常規(guī)灌溉處理產(chǎn)量提高13.8%[30]；王文軍等[31]研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)施肥相比，水肥一體化減量施肥效果更佳，減氮量20%與傳統(tǒng)施肥相比有增產(chǎn)效果，減氮量40%條件下產(chǎn)量與傳統(tǒng)施肥相當(dāng)。宋卓琴等[32]的研究顯示，水肥一體化還可以改善土壤品質(zhì)，溫室條件下種植番茄，與溝灌相比，利用膜下滴灌技術(shù)可增產(chǎn)21.9%，且能夠有效減緩?fù)寥赖乃峄^程。THAKUR等[33]研究發(fā)現(xiàn)，同等施肥量下，與常規(guī)灌溉相比，應(yīng)用滴灌技術(shù)種植的蘋果樹，其樹高、樹干周長分別增加了9.41 cm和8.05 cm，與其他技術(shù)應(yīng)用相比蘋果產(chǎn)量更高。

3 水肥一體化技術(shù)在水稻生產(chǎn)上的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀與存在問題

水稻是半水生作物，全生育期需水量遠(yuǎn)大于其他糧食作物，在水稻栽培中應(yīng)用滴灌等水肥一體化技術(shù)，可以實現(xiàn)水稻全生育期無水層種植，減少水稻種植管理環(huán)節(jié)，省水省肥省人工。但是目前在水稻大田生產(chǎn)上，采用以滴灌和覆膜栽培技術(shù)為主的水肥一體化技術(shù)極少，主要原因有：一是成本高。與傳統(tǒng)水稻栽培常采用的溝渠灌溉相比，滴灌技術(shù)需要鋪設(shè)肥料液管、建立水循環(huán)系統(tǒng)，硬件成本高；與玉米等作物相比，水稻的種植密度大，管道密集，鋪設(shè)、維護和回收都需要更多的人工成本。二是雜草嚴(yán)重。水稻栽培中長灌水不止是滿足生長需求，還有以水壓/抑草的作用，雖然膜下滴灌中的覆膜同樣具有減少雜草的作用，但是與淹水相比，覆膜效果較差，且回收十分困難。三是污染環(huán)境?，F(xiàn)階段常用的水肥一體化技術(shù)是水稻膜下滴灌技術(shù)，但是常規(guī)地膜難以降解，收獲后難以清理，會造成白色污染。賀懷杰等[34]的研究表明，膜下滴灌棉田0～40 cm土壤殘留地膜密度遠(yuǎn)大于國家標(biāo)準(zhǔn)，且長期覆膜中積累的殘膜會破成小塊并向深遷移。此外，一些研究表明，常規(guī)栽培稻在膜下滴灌中種植效果差，適用品種很少[35]。

3.2 發(fā)展對策

從生產(chǎn)實際看，適用于旱地作物和設(shè)施栽培的以滴灌或覆膜滴灌為主的水肥一體化技術(shù)并不適用于水稻大田生產(chǎn)。稻田的水肥一體化應(yīng)與生長期大量需水特性相結(jié)合，可能需要在以下幾方面進行技術(shù)創(chuàng)新。一是溝渠和管道相結(jié)合。水稻的水肥一體化可以和傳統(tǒng)的溝渠灌溉結(jié)合，建立溝渠和管道相結(jié)合的稻田水肥一體化技術(shù)，進水暗管，排水明渠。進水口建小型水肥混合設(shè)備，在水稻需肥期以水帶肥，實現(xiàn)肥料深施。二是要建立智能化的土壤水勢和水層監(jiān)測系統(tǒng)。動態(tài)的檢測土壤水勢、水層，并反饋到系統(tǒng)終端，根據(jù)水稻生長的需水規(guī)律，實現(xiàn)灌溉的自動化。三是要研發(fā)高效的水溶肥料類型。水肥一體化中，不同肥料類型，對作物生長的效果不同，尋找高效的水溶肥類型有益于水稻增產(chǎn)增效。四是實現(xiàn)水肥藥一體化。針對覆膜栽培下的雜草問題，水肥藥同時施入，殺菌藥隨水灌溉，能大幅度減少土傳病菌的傳播，地膜覆蓋可以有效減少藥物揮發(fā)，增強藥物作用[36]。除草藥隨水施入，能有效殺滅雜草，減少除草過程中消耗的人工成本，相對藥效更持久，保持周期更長。對于非土傳病害及病蟲等造成的地上部組織危害，可以結(jié)合滴灌與微噴灌[37]，同時作用于水稻的地上和地下部分，達到整體防治的效果。

4 展望

現(xiàn)階段我國已經(jīng)基本上完成了到2020年“控制農(nóng)業(yè)用水，化肥、農(nóng)藥用量零增長”的目標(biāo)，但是我國的水肥利用效率仍相對較低，如何實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水施肥高效化需要長期研究?，F(xiàn)階段大田作物栽培，尤其是水稻栽培中水肥管理仍然比較粗放，而且水稻栽培需水量遠(yuǎn)大于其他大田作物，水稻節(jié)水還有很大潛力。

現(xiàn)階段水肥一體化技術(shù)在水稻上主要應(yīng)用方式是膜下滴灌水稻栽培，但這種方式并不適于大面積推廣應(yīng)用。構(gòu)建與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的智能水肥一體化技術(shù)，是實現(xiàn)水稻生產(chǎn)節(jié)水省肥、精確高效的方向。