蔬菜水肥一體化技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

馬志明，武良，2，陳宏坤，高璐陽(yáng)，2*

（1.新洋豐農(nóng)業(yè)科技股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物專(zhuān)用肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門(mén) 448000；2.山東新洋豐肥業(yè)有限公司，山東 菏澤 274000）

我國(guó)是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，蔬菜播種面積和產(chǎn)量均占世界的40%以上。2020年我國(guó)蔬菜種植面積約為0.21億hm2，總產(chǎn)量約為7.22億t，蔬菜產(chǎn)業(yè)在增加農(nóng)民收入和保障市場(chǎng)供應(yīng)方面具有重要作用[1]。施用化肥能夠促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育，提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；但氮磷鉀肥配施比例不合理、有機(jī)肥與化肥施用配比隨意性大會(huì)降低肥料利用率和作物品質(zhì)，增加生產(chǎn)成本，造成土壤肥力下降和環(huán)境污染等一系列問(wèn)題[2]。同時(shí)，我國(guó)水資源短缺，時(shí)空分布不均，水資源污染與浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重[3]。研究表明，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水比例高達(dá)62.4%，但農(nóng)業(yè)灌溉水的利用系數(shù)僅為0.54，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家[4]。因此，實(shí)施高效節(jié)水節(jié)肥技術(shù)，對(duì)于緩解水資源緊張、減少肥料資源浪費(fèi)具有重要意義。

針對(duì)以上問(wèn)題，水肥一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其具有節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)時(shí)的特點(diǎn)，在提高肥料利用效率、作物產(chǎn)量和品質(zhì)，以及改善土壤環(huán)境等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[5～7]。合理利用水肥一體化技術(shù)，實(shí)施精準(zhǔn)水肥調(diào)控，提升蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，應(yīng)用前景十分廣闊。對(duì)水肥一體化技術(shù)的發(fā)展歷程以及不同灌溉和施肥方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜述，探究水肥一體化技術(shù)在蔬菜種植過(guò)程中的作用和存在問(wèn)題，并對(duì)蔬菜水肥一體化技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行展望，以期為蔬菜增產(chǎn)提質(zhì)、肥料減量增效、水資源高效利用提供參考。

1 水肥一體化技術(shù)的發(fā)展歷程

水肥一體化是根據(jù)作物需求，對(duì)農(nóng)田水分、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，全面提升水肥的利用效率[8]。水肥一體化技術(shù)能夠依據(jù)土壤水分、養(yǎng)分狀況以及作物對(duì)水、肥的需求規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，使水分和肥料在土壤中以最優(yōu)的配伍狀態(tài)供給作物吸收[9]，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向。

從世界范圍看，水肥一體化技術(shù)起始較早。1860年德國(guó)發(fā)明了微灌技術(shù)，水肥一體化初步形成；20世紀(jì)60年代，隨著化肥和塑料工業(yè)的發(fā)展，微灌施肥技術(shù)有了明顯進(jìn)展；20世紀(jì)70年代，以色列開(kāi)始應(yīng)用水肥一體化技術(shù)，將微灌與施肥技術(shù)結(jié)合，灌溉面積快速增加；20世紀(jì)80年代，以色列的灌溉施肥技術(shù)逐漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械化，全面應(yīng)用于果園、溫室蔬菜、大田作物、花卉等；21世紀(jì)，隨著水溶性肥料的成功研制和生產(chǎn)，水肥一體化技術(shù)發(fā)展更加迅速，應(yīng)用面積進(jìn)一步擴(kuò)大，并逐漸形成完善的配套設(shè)備和服務(wù)體系，在干旱缺水地區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用。如今，印度的微灌技術(shù)快速發(fā)展，水肥一體化技術(shù)應(yīng)用面積逐漸擴(kuò)大；日本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)成熟的全自動(dòng)管道灌溉技術(shù)，膜上灌溉和膜下灌溉技術(shù)快速發(fā)展；美國(guó)已建立完善的水肥一體化設(shè)施服務(wù)體系，是微灌施肥面積最大的國(guó)家[10～14]。

20世紀(jì)70年代（1974年），我國(guó)從墨西哥引入滴灌設(shè)備，開(kāi)始灌溉施肥技術(shù)的研究；20世紀(jì)80年代，我國(guó)成功自主研發(fā)第一代滴灌設(shè)備，初步形成了規(guī)模化生產(chǎn)；20世紀(jì)90年代，我國(guó)科研和農(nóng)業(yè)推廣部門(mén)大力開(kāi)展微灌施肥技術(shù)探討和培訓(xùn)工作，水肥一體化理論和應(yīng)用受到重視；21世紀(jì)以來(lái)，農(nóng)業(yè)部與國(guó)際鉀肥研究所（IPI）開(kāi)展合作，在不同地區(qū)進(jìn)行水肥一體化技術(shù)培訓(xùn)，同時(shí)出臺(tái)《農(nóng)業(yè)部關(guān)于推進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的意見(jiàn)》和《水肥一體化指導(dǎo)意見(jiàn)》等多項(xiàng)政策，促進(jìn)了水肥一體化技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前，我國(guó)水肥一體化技術(shù)已轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模的推廣和應(yīng)用，輻射范圍包括華北、西北、東北和華南地區(qū)，水肥一體化快速發(fā)展，應(yīng)用廣泛[11，15，16]。

2 水肥一體化技術(shù)的主要灌溉和施肥方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 主要灌溉方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

水肥一體化技術(shù)是以水為載體，在灌溉的同時(shí)進(jìn)行施肥，將水肥小流量、均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根系區(qū)域附近土壤，使作物根系附近的土壤保持適宜水分和養(yǎng)分的節(jié)水灌溉技術(shù)[17]。根據(jù)灌溉方式的不同，水肥一體化可分為噴灌、微灌（滴灌、微噴灌、涌泉灌、低壓軟管灌等）和滲灌3種，不同灌溉方式的優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同（表1）[18，19]。

表1 現(xiàn)代水肥一體化的主要灌溉方式及其優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Main irrigation modes of morden integration of water and fertilizer and their advantages and disadvantages

傳統(tǒng)灌溉方式有淹灌、漫灌、溝灌、畦灌等，存在耗水量大、水分利用效率較低，大量灌水易破壞土壤結(jié)構(gòu)造成土壤板結(jié)等問(wèn)題，限制了作物的生長(zhǎng)發(fā)育。與傳統(tǒng)灌溉施肥方式相比，現(xiàn)代水肥一體化技術(shù)具有節(jié)水節(jié)肥、省時(shí)省工、提高水肥利用效率等優(yōu)點(diǎn)，能夠促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[20]。但各灌溉方式由于自身的局限性，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍存在一些不足，如噴灌均勻性較差、易受風(fēng)向影響，滲灌易發(fā)生管頭堵塞，滴灌設(shè)備成本高等。因此，水肥一體化技術(shù)仍需進(jìn)一步的改善和提升。

2.2 主要施肥方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

目前，常見(jiàn)的水肥一體化施肥方式有文丘里泵法、壓差施肥法、重力自壓法、泵注肥法和泵吸肥法，不同施肥方式的優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同（表2）[21～24]。

表2 現(xiàn)代水肥一體化的主要施肥方式及其優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Main fertilization modes of modern integration of water and fertilizer and their advantages and disadvantages

文丘里泵法采用文丘里設(shè)計(jì)，施肥器與微灌系統(tǒng)供水管閥門(mén)并聯(lián)安裝，運(yùn)用水流通過(guò)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系統(tǒng)進(jìn)行施肥。文丘里施肥法可以按比例施肥，在整個(gè)施肥過(guò)程中保持恒定的濃度供應(yīng)，適用于花卉、蔬菜等作物。

壓差施肥法是利用壓差原理將肥料溶液注入施肥管道中的施肥方式。施肥罐由2根旁通管與主管道相連接，主管道與旁通管間設(shè)有節(jié)制閥，利用控制節(jié)制閥產(chǎn)生的壓力使水借助旁通管流入肥料罐中，待肥料溶解后，溶解液由另一根旁通管進(jìn)入主管道中作用于需求作物的根部。壓差施肥法能夠?qū)崿F(xiàn)一次定量施肥，但受水壓變化影響較大，常應(yīng)用于大田微灌工程。

重力自壓施肥法是利用水位差產(chǎn)生的壓力進(jìn)行灌溉施肥，具有操作簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。應(yīng)用該方法時(shí)需在山頂建設(shè)蓄水池或?qū)⒌臀凰幢盟椭粮呶?，利用水位差進(jìn)行灌溉，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，通常適用于山地、丘陵地區(qū)果園的灌溉。

泵注肥法和泵吸肥法均需水泵提供動(dòng)力使肥料溶液進(jìn)入輸水管后作用于目標(biāo)作物。泵注肥法是利用加壓泵將肥料溶液注入輸水管；泵吸肥法則是利用離心泵將肥料溶液吸入灌溉系統(tǒng)。2種方法施肥均不需要外加動(dòng)力，灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但水肥比例不易控制，通常適用于對(duì)施肥速度要求較低的場(chǎng)所。

不同施肥方式的優(yōu)缺點(diǎn)不同，各地區(qū)可根據(jù)具體的地形特點(diǎn)、作物種類(lèi)和氣候條件等設(shè)計(jì)施肥模式，選擇適宜的水肥一體化施肥方式。

3 水肥一體化技術(shù)在蔬菜種植方面的作用

水肥一體化技術(shù)除可以實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉量、施肥量和灌溉施肥時(shí)間的控制外，還可以充分發(fā)揮水肥的相互作用，提高水分和養(yǎng)分利用效率，減少環(huán)境污染[25]，被廣泛應(yīng)用于蔬菜、果樹(shù)、花卉、苗木、大田農(nóng)作物等經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的作物。水肥一體化技術(shù)在蔬菜種植方面的主要作用可以概括為4個(gè)方面（圖1）。

圖1 水肥一體化技術(shù)在蔬菜種植方面的主要作用Fig.1 Main roles of water and fertilizer integration technology in vegetable planting

3.1 節(jié)約水肥資源，提高水肥利用率

水肥一體化技術(shù)通過(guò)管道準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、定量地直接向蔬菜供水，能夠解決傳統(tǒng)大水漫灌方式中水分在運(yùn)輸途中或作物非根區(qū)浪費(fèi)的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)管將溶解后的肥料輸送到蔬菜根系附近土壤，能夠避免尿素和銨態(tài)氮肥直接施在地表造成的揮發(fā)損失，實(shí)現(xiàn)肥料的高效利用。研究表明，水肥一體化技術(shù)可節(jié)水30%～40%，在蔬菜產(chǎn)量相同或相近的條件下，通?？晒?jié)肥30%～50%[26，27]。江雨倩等[28]研究了滴灌施肥對(duì)設(shè)施菜地N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)漫灌施肥相比，滴灌施肥能夠擴(kuò)大土壤濕潤(rùn)區(qū)，限制硝化和反硝化作用產(chǎn)生條件，減少N2O的排放。

3.2 改善土壤物理性質(zhì)和微生態(tài)環(huán)境

水肥一體化技術(shù)能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度，有效保持土壤濕度，克服因傳統(tǒng)大水漫灌造成的土壤板結(jié)等問(wèn)題。應(yīng)用水肥一體化技術(shù)，可大幅度減少施肥量，降低土壤次生鹽漬化發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可增加土壤微生物群落的多樣性，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解，改善微生態(tài)環(huán)境[29]。研究表明，與傳統(tǒng)水肥管理模式相比，水肥一體化技術(shù)可增強(qiáng)大棚黃瓜土壤過(guò)氧化氫酶和纖維素酶的活性，提高土壤微生物的活動(dòng)強(qiáng)度[30]。宋卓琴[31]研究了日光溫室番茄水肥管理對(duì)土壤生態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)水肥一體化處理能夠降低土壤EC值，提高土壤pH值，抑制土壤酸化和次生鹽漬化的加劇。

3.3 提高蔬菜產(chǎn)量，改善蔬菜品質(zhì)

水肥一體化技術(shù)能夠根據(jù)蔬菜長(zhǎng)勢(shì)適時(shí)、定量地灌溉施肥，促進(jìn)蔬菜對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，解決土壤水氣矛盾，促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)；同時(shí)，還可配合施用多種有利于蔬菜生長(zhǎng)的中、微量元素，改善蔬菜品質(zhì)。研究表明，水肥一體化技術(shù)能夠提高蔬菜產(chǎn)量，顯著增加蔬菜的可溶性糖、Vc和可溶性蛋白含量[32，33]。蔡苗等[34]研究發(fā)現(xiàn)，水肥一體肥料減施能夠顯著提高設(shè)施番茄產(chǎn)量，增加番茄成熟期果實(shí)的Vc含量，較農(nóng)民常規(guī)灌溉施肥處理增產(chǎn)9%。金明弟等[35]研究發(fā)現(xiàn)，水肥一體化技術(shù)能夠顯著提高日光溫室青菜產(chǎn)量，青菜的可溶性蛋白和可溶性糖含量均較常規(guī)水肥處理有所增加。王文軍等[36]研究表明，與常規(guī)灌溉施肥相比，應(yīng)用水肥一體化技術(shù)可提高大棚番茄產(chǎn)量，以及果實(shí)的番茄紅素和Vc含量。

3.4 增加經(jīng)濟(jì)收益，避免環(huán)境污染

傳統(tǒng)灌溉模式如溝灌、畦灌等耗水量大，水分利用效率較低，還需人工開(kāi)溝灌水、施肥和回填等操作。水肥一體化技術(shù)主要采用機(jī)械化操作，可省去人工開(kāi)溝灌水、施肥和回填等所需的大量勞動(dòng)力用工，從而降低勞動(dòng)成本。同時(shí)，采用噴灌、微灌和滲灌等施肥方式，適時(shí)、定量地供給蔬菜水分和營(yíng)養(yǎng)，能夠大大降低水肥的過(guò)度使用，同時(shí)減少土壤養(yǎng)分流失造成的地下水污染，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

4 水肥一體化技術(shù)在蔬菜應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題

4.1 認(rèn)識(shí)不足，技術(shù)相對(duì)缺乏

水肥一體化是將灌水與施肥緊密結(jié)合的高新技術(shù)，需要將灌溉設(shè)備、水溶肥料和施肥制度有機(jī)結(jié)合，是實(shí)施“精準(zhǔn)水肥調(diào)控”、發(fā)展“高產(chǎn)、高效農(nóng)業(yè)”的先進(jìn)技術(shù)。部分蔬菜種植戶(hù)簡(jiǎn)單認(rèn)為該技術(shù)就是將水和肥混合施用，做不到真正的“精準(zhǔn)”，造成資源浪費(fèi)。同時(shí)，水肥一體化專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員缺乏，隊(duì)伍人員建設(shè)和技術(shù)服務(wù)水平嚴(yán)重滯后于蔬菜產(chǎn)業(yè)的需求和新技術(shù)的發(fā)展。

4.2 組織化程度低，應(yīng)用水平不高

蔬菜產(chǎn)業(yè)以家庭為主體，缺少輻射帶動(dòng)能力強(qiáng)的龍頭企業(yè)，在推廣示范過(guò)程中缺乏專(zhuān)業(yè)技術(shù)示范基地和相關(guān)配套技術(shù)設(shè)備，使得新技術(shù)示范推廣難度加大。同時(shí)在應(yīng)用過(guò)程中，部分區(qū)域只注重灌溉施肥設(shè)備的配備，忽視灌溉施肥制度優(yōu)化和水溶肥料綜合應(yīng)用，肥料選用、灌溉水量和灌溉時(shí)間把控不準(zhǔn)確，無(wú)法真正起到節(jié)水節(jié)肥效果，影響總體經(jīng)濟(jì)效益的提升。

4.3 自主研發(fā)能力較弱，政策支持有待加強(qiáng)

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)水肥一體化技術(shù)開(kāi)展得較晚，關(guān)鍵部位零件依賴(lài)進(jìn)口，智能化產(chǎn)品研發(fā)不足，相關(guān)設(shè)備實(shí)用性不強(qiáng)且規(guī)格形式單一，缺乏大型精密灌溉施肥設(shè)備。針對(duì)具體蔬菜作物的產(chǎn)品研發(fā)較少，配套設(shè)施質(zhì)量不能滿(mǎn)足蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，水肥一體化技術(shù)實(shí)用性和可靠性有待進(jìn)一步提升。同時(shí)，水肥一體化技術(shù)部分標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，相關(guān)財(cái)政補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)體系和補(bǔ)貼機(jī)制還不健全，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)偏低、技術(shù)推廣經(jīng)費(fèi)不足等進(jìn)一步限制了水肥一體化技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

5 建議與展望

現(xiàn)代水肥一體化技術(shù)能夠提高水分和養(yǎng)分的利用效率，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)國(guó)外水肥一體化技術(shù)的發(fā)展以及我國(guó)水肥一體化技術(shù)存在的主要問(wèn)題，建議通過(guò)以下幾方面提高水肥一體化技術(shù)水平：

（1）加強(qiáng)政府引導(dǎo)，健全水肥一體化技術(shù)的財(cái)政補(bǔ)貼機(jī)制，完善水肥一體化政策標(biāo)準(zhǔn)，加大研發(fā)投入，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的推廣和示范；

（2）根據(jù)蔬菜實(shí)際生產(chǎn)和種植戶(hù)需求，熟化水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品，組織開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)和配套產(chǎn)品，優(yōu)化灌溉和移動(dòng)設(shè)備，合理利用水溶性肥料；

（3）加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)和示范，優(yōu)化合作機(jī)制推廣，強(qiáng)化相關(guān)基礎(chǔ)研究，促進(jìn)種植大戶(hù)與高等院校、研究所開(kāi)展合作，針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和作物開(kāi)展不同水肥技術(shù)模式，提高水肥一體化技術(shù)的針對(duì)性和實(shí)用性。

水肥一體化技術(shù)在提高農(nóng)業(yè)用水效率、農(nóng)民增產(chǎn)增收、生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面發(fā)揮著重要作用，對(duì)于緩解水資源短缺、保證國(guó)家糧食安全具有重要意義。隨著對(duì)水肥一體化技術(shù)的進(jìn)一步研究和改善，相關(guān)水肥一體化標(biāo)準(zhǔn)的建立，以及人們節(jié)水節(jié)肥、生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，我國(guó)水肥一體化技術(shù)的推廣和應(yīng)用必將更為迅速，具有更加廣闊的市場(chǎng)前景。