我國(guó)水肥一體作業(yè)模式難點(diǎn)及發(fā)展方向

史云天，喬清旭，齊瑞鋒，安帥霖，孫 鴻

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林長(zhǎng)春 130000）

0 引言

在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，環(huán)境保護(hù)問題、資源節(jié)約問題尤為重要。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占總淡水使用總量的80%，而灌溉水利用率僅為50%左右。農(nóng)田肥料使用方面，我國(guó)傳統(tǒng)粗放式施肥方式，肥料使用量較大，每公頃肥料投入約高出世界平均肥料使用的四倍左右，而且肥料利用率低，其中氮、磷、鉀肥料的利用率分別為40%、20%、50%。我國(guó)目前的施肥方式，造成肥料資源浪費(fèi)較大、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重、破壞農(nóng)田土質(zhì)、污染周邊水資源、對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)問題也有所影響。為提高水、肥料的利用率，我們有必要去研發(fā)更高效的水肥一體作業(yè)技術(shù)[1-2]。

隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的支持和幫助，我國(guó)正由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，而現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的核心以科學(xué)為主，所以在農(nóng)藝方面，務(wù)必實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、無(wú)人作業(yè)。水肥一體作業(yè)技術(shù)可同步完成灌溉、施肥作業(yè)，其原理是將水溶性肥料按所需比例溶入水中，通過(guò)滴灌方式將藥液作用到植株根部。通過(guò)結(jié)合智能控制技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)等、自動(dòng)化調(diào)節(jié)設(shè)備，避免水資源浪費(fèi)、提升施肥效率、實(shí)現(xiàn)無(wú)人作業(yè)、達(dá)到了增效、增產(chǎn)、節(jié)約資源的目的[3]。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前美國(guó)、西班牙、以色列、日本、德國(guó)、法國(guó)等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)水肥一體作業(yè)模式研究較早，這些國(guó)家總體發(fā)展趨勢(shì)是：設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化、大型化；作業(yè)機(jī)械化；設(shè)施環(huán)境監(jiān)控自動(dòng)化、信息化、智能化；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工廠化。

以色列于1960年開始投入使用水肥一體作業(yè)模式，目前處于領(lǐng)先水平，在無(wú)土栽培、種子培育、農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)業(yè)智能化領(lǐng)域也走在世界前列。作業(yè)方式主要采用滴灌輸送液料，通過(guò)文丘里水泵和水壓輸送水源的方式，使水肥緩慢作用到植株根系。這種作業(yè)方式降低了土壤的破壞性，保證了植株根系的濕度、透氣程度、溫度及肥料充足，減少蒸發(fā)帶來(lái)的水分流失，減少肥料投入，保護(hù)水資源，提高了肥料的利用率。目前水肥一體技術(shù)的普及程度達(dá)90%以上。

以色列的自動(dòng)控制技術(shù)公司Eldae-shany生產(chǎn)的肥滴佳、肥滴美、肥滴杰等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)施水施肥作業(yè)。開發(fā)的水肥一體化作業(yè)設(shè)備，可對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果，并將信息傳遞至處理器，根據(jù)不同環(huán)境情況來(lái)調(diào)節(jié)肥料投入量，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人作業(yè)的灌溉施肥模式。

美國(guó)的水肥一體技術(shù)發(fā)展較早，于1950年開始嘗試小規(guī)模灌溉施肥作業(yè)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前美國(guó)的該技術(shù)也位居世界前列。著名的灌溉公司有KRAIN、rainbird等。依靠先進(jìn)的信息處理技術(shù)、控制技術(shù)研制的水肥一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)了大面積灌溉施肥作業(yè)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)節(jié)植株根部土壤環(huán)境，保護(hù)植株生長(zhǎng)，并達(dá)到節(jié)水、節(jié)肥的目的。

在亞洲地區(qū)，韓國(guó)、日本也開發(fā)了一整套水肥一體作業(yè)系統(tǒng)，并投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。其中日本的無(wú)土栽培技術(shù)具有代表性，其控制系統(tǒng)采用多位機(jī)控制模式，上位機(jī)控制下位機(jī)，并且可對(duì)植株生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)采集各個(gè)監(jiān)測(cè)軟件的各傳感器，了解并掌握植株生長(zhǎng)情況，可自動(dòng)調(diào)節(jié)水肥噴灑效果，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)水肥一體作業(yè)[4]。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

我國(guó)研究水肥一體技術(shù)相對(duì)較晚，從1974年開始研究[5]，發(fā)展至今也取得較大進(jìn)步。目前，我國(guó)水肥一體設(shè)備主要應(yīng)用到滴灌、微噴灌、裸帶滴灌、地表下淺埋滴灌作、膜下滴灌。涵蓋作物包括玉米、谷物、果蔬、花卉等幾十種。

我國(guó)東北部作為主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，在使用水肥一體作業(yè)模式初期，主要采用膜下滴灌作業(yè)方式，該作業(yè)方式對(duì)水肥利用率較高，相比于常規(guī)作業(yè)，其節(jié)水達(dá)50%、節(jié)肥達(dá)30%。在設(shè)備方面，主要以壓差施肥罐較多，該設(shè)備使用維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低，但壓差施肥罐的出肥口較小，單次出肥量少，需多次倒肥，作業(yè)效率低，出料濃度不均勻[6]。

近年來(lái)，基于智能控制技術(shù)、遙感技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，信息處理技術(shù)與水肥一體設(shè)備相結(jié)合的作業(yè)模式，也備受學(xué)者們的關(guān)注。李銳利用單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的水肥一體作業(yè)設(shè)備，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)EC值及pH值，并根據(jù)需要，閉環(huán)控制水肥含量，且滿足一定含量精度。楊青杰基于PLC控制技術(shù)，基于模糊控制方法，設(shè)計(jì)的水肥一體設(shè)備，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，其作業(yè)效果良好、施肥均勻、超出預(yù)期效果。黃金鑫等采用膜下滴灌作業(yè)方式，利用無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植株長(zhǎng)勢(shì)，結(jié)合水肥一體設(shè)備根據(jù)植株不同生長(zhǎng)期，優(yōu)化水肥含量，實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)并同時(shí)做到節(jié)水、節(jié)肥的目的。

目前，國(guó)內(nèi)水肥一體技術(shù)正處于發(fā)展高峰期，同時(shí)也出現(xiàn)了以安徽省艾瑞德為代表的水肥一體設(shè)備公司，該作業(yè)模式配套設(shè)備正逐步走向市場(chǎng)。但我國(guó)使用水肥一體設(shè)備的仍處于少數(shù)。由于設(shè)備不完善導(dǎo)致智能化程度低、機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，而且設(shè)備價(jià)格較高，該技術(shù)并沒有全面推廣使用，許多農(nóng)戶使用該設(shè)備，僅僅是用在家用小型溫室大棚，并不用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)水肥技術(shù)尚不成熟，水肥一體設(shè)備仍不完善，其中智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)法做出準(zhǔn)確判斷；智能化程度不高，許多水肥比例、灌溉、施肥的模式仍需要手動(dòng)操作；且配套設(shè)備故障率高，難以修復(fù)。所以我們有必要研制出更加智能、可靠性更強(qiáng)、精度更高的設(shè)備。

1.3 全面推廣迫在眉睫

就目前水肥作業(yè)來(lái)看，我國(guó)仍以傳統(tǒng)粗放式的施肥、灌溉為主。許多地區(qū)仍存在漫灌、畦灌、溝灌、淹灌等落后的灌溉方式，作業(yè)效率低下，水、肥資源浪費(fèi)嚴(yán)重。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家，其水肥一體化作業(yè)模式已全面推廣使用。根據(jù)國(guó)際排灌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球噴灌面積已達(dá)5300萬(wàn)hm2以上，芬蘭、以色列等國(guó)家，其推廣使用面積已達(dá)到90%，而我國(guó)使用僅為10%。在施肥方面，我國(guó)肥料用量較大，但肥效利用率較低，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平。為實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥、減少人力投入、減少環(huán)境污染、增效增收，全面推廣水肥一體作業(yè)模式是我們重要的一步，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵一步。

2 存在的問題及發(fā)展方向

2.1 目前我國(guó)水肥一體作業(yè)存在的問題

自1980年進(jìn)行水肥作業(yè)試驗(yàn)研究，我國(guó)水肥一體化技術(shù)不斷完善，相關(guān)設(shè)備也逐漸走向成熟，發(fā)展至今，我國(guó)灌溉面積已達(dá)2700萬(wàn)hm2。目前仍然存在以下問題。

2.1.1 施量不均問題：我國(guó)目前水肥一體化系統(tǒng)以滴灌供料為主，但由于輸水管道較長(zhǎng)，管道入口壓力大于管道端口，使管道壓力不均勻，造成滴灌管兩側(cè)端口處供給量不同，出現(xiàn)施量偏差。長(zhǎng)期作業(yè)，出現(xiàn)起始端作物長(zhǎng)勢(shì)較好、末端作物長(zhǎng)勢(shì)較差的問題。

2.1.2 智能化程度較差、監(jiān)測(cè)部件不完善：我國(guó)水肥一體化推廣使用時(shí)間相對(duì)較短，設(shè)備相對(duì)落后，監(jiān)測(cè)裝置、控制技術(shù)不成熟，缺少更精準(zhǔn)、更智能的監(jiān)測(cè)及操作設(shè)備。水肥一體化設(shè)備作業(yè)時(shí)，連續(xù)均勻向植株根部輸送水及肥料。由于檢測(cè)設(shè)備不完善，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料供給量及液料的比例濃度。根據(jù)當(dāng)前作物生長(zhǎng)階段情況所需，無(wú)法判斷出施水施肥量是否充足，易使植株根系土壤的水、肥過(guò)盈，造成土壤環(huán)境易發(fā)生鹽漬化及植株根系窒息的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 滴灌方式存在的問題：長(zhǎng)期滴灌作業(yè)，缺少松土、剪根、除草等作業(yè)，田間土壤易板結(jié)，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育。

2.1.4 滴灌設(shè)備存在的問題：地面滴灌存在毛管、灌水器易老化問題；淺埋滴灌存在無(wú)法觀察噴頭出水量情況及維修困難的問題；由于故障率較高地面滴灌、淺埋滴灌使用較少。結(jié)合增產(chǎn)增收、維修、長(zhǎng)期使用等方面，目前許多地區(qū)采用膜下滴灌的作業(yè)方式。但該種滴灌方式是在薄膜溫室作業(yè)，在作物收獲后期，許多薄膜埋入土壤，回收清理困難，對(duì)后續(xù)作業(yè)造成一定干擾，并對(duì)環(huán)境造成一定污染。

2.1.5 推廣使用問題：目前，我國(guó)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位以農(nóng)戶個(gè)體為主，思想觀念相對(duì)保守，文化程度較低，難以接受新型作業(yè)模式。而且水肥一體技術(shù)，操作困難，對(duì)種植專業(yè)程度要求較高，許多農(nóng)戶接受較慢。并且現(xiàn)有水肥一體設(shè)備仍不成熟，灌溉面積較小、滴灌管、滴灌噴頭易損壞、使用及維護(hù)成本較高。綜上幾點(diǎn)，造成水肥作業(yè)模式推廣困難。

2.2 我國(guó)水肥一體作業(yè)模式的發(fā)展方向

為推廣水肥一體作業(yè)模式，我們需要從以下幾個(gè)方面開展工作。

2.2.1 國(guó)家重視程度及支持力度：從水肥作業(yè)模式的經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)看，該作業(yè)模式節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)省人力、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益、實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)。我國(guó)應(yīng)提高對(duì)水肥作業(yè)模式的重視程度，加大推廣力度，主動(dòng)介紹并宣傳該技術(shù)。為促進(jìn)水肥一體設(shè)備推廣使用效果，需制定相應(yīng)扶持政策，給予設(shè)備資金、購(gòu)買優(yōu)惠程度，提高農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼，促進(jìn)農(nóng)民接受該技術(shù)，并積極使用水肥一體化設(shè)備。

2.2.2 技術(shù)上完善并優(yōu)化：水肥一體作業(yè)技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域，是控制技術(shù)、智能監(jiān)測(cè)技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合。目前，我國(guó)水肥一體作業(yè)技術(shù)仍不完善，對(duì)作物施水量、施肥量的監(jiān)測(cè)不足，對(duì)水肥比率的控制不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際作業(yè)時(shí)出現(xiàn)水肥使用過(guò)剩、水肥不足等問題；設(shè)備方面，供壓水泵、滴灌管、滴灌噴頭設(shè)計(jì)方面也有待提高，水泵壓力不足；滴灌管、噴頭使用年限較短、易堵塞、損壞等問題嚴(yán)峻。綜上所述，要進(jìn)一步提高水肥推廣使用情況，加強(qiáng)水肥技術(shù)的完善、設(shè)備的優(yōu)化，才能使之走入市場(chǎng)，達(dá)到全面普及的目的。

2.2.3 水肥一體化作業(yè)模式應(yīng)因地制宜分類指導(dǎo)：我國(guó)南北跨度較大，各地的地理環(huán)境差別較大，其中種植情況、種植環(huán)境、施水、施肥情況差別較大。為全面推廣使用該作業(yè)模式，還需深入了解各地區(qū)實(shí)際作業(yè)環(huán)境及作業(yè)需求。

2.2.4 農(nóng)業(yè)工作者思想的轉(zhuǎn)變：提供技術(shù)培訓(xùn)及支持，加速轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)工作者傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)作業(yè)思想理念及做法，傳播推廣水肥一體作業(yè)模式，進(jìn)行知識(shí)講座及相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，在農(nóng)村設(shè)立水肥試驗(yàn)點(diǎn)，讓農(nóng)民進(jìn)一步了解并接受新型作業(yè)模式。

3 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)業(yè)用水、農(nóng)用肥料的投入呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。在目前對(duì)環(huán)境保護(hù)問題、資源節(jié)約問題的前提下，發(fā)展水肥一體化作業(yè)模式是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益有著重要的意義。我國(guó)水肥一體作業(yè)技術(shù)研究較晚，目前仍存在技術(shù)不成熟、設(shè)備不完善等問題，希望在未來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，水肥一體化設(shè)備將朝著大型化、智能化、信息化、機(jī)械化的方向發(fā)展，使水肥一體化的作業(yè)模式在我國(guó)全面推廣使用。