绿色环保高效的设施蔬菜土壤滴灌施肥体系

高丽红，郭世荣，李式军

（1.中国农业大学农学与生物技术学院，北京，100193；2.南京农业大学园艺学院）

绿色环保高效的设施蔬菜土壤滴灌施肥体系

高丽红1，郭世荣2，李式军2

（1.中国农业大学农学与生物技术学院，北京，100193；2.南京农业大学园艺学院）

土壤滴灌施肥技术是基于栽培作物的需水需肥规律，依据实时定量供液、维持根层水分养分稳定技术原理的一种新型水肥一体化施肥技术，解决了传统土壤栽培水肥供应使根系长期处于饥饱交替逆境胁迫下及土壤易产生次生盐渍化等问题，同时实现了轻简省力、自动化和水肥高效利用的目标。详细介绍了土壤滴灌施肥的技术原理、主要装置及系统构成、技术基础及国内外应用实例，为该技术推广应用提供参考。

设施蔬菜；实时定量；滴灌施肥

随着我国工业化、城镇化和农业劳力老龄化的加速，蔬菜等劳动密集型农产品的国际竞争优势面临挑战，加速实现设施蔬菜栽培中施肥灌溉技术迫在眉睫。同时，我国设施农业的快速发展导致设施蔬菜产区普遍存在地下水污染、土壤盐类积聚和连作障碍等问题[1,2]。为克服以上问题，我们在国家“十一五”科技支撑计划、国家和北京市现代农业技术体系建设项目资助下，研究了一种既省工省力、高效节本，保持设施作物安全优质高产，又保护环境不受污染、适合国情的滴灌施肥技术体系，以期适应21世纪绿色环保低碳农业的新时代需求。

1 滴灌施肥技术体系

滴灌施肥技术体系为以色列人在创造滴灌技术基础上的创新，是fertilization（施肥）与irrigation（灌溉），是一种将可给态的营养液通过滴灌系统适时适量供给设施作物的精准肥水管理，在我国被称为“肥水一体化滴灌施肥技术”[1,3]。其在国外农业发达国家已推广应用近50 a，日本近10 a也快速推广，被称为“养液土壤栽培”[4，5]。它摒弃重施基肥、分次集中追肥以及大水大肥、过量施肥等传统的肥水管理模式，而是根据作物不同生育期对养分和水分的实际需要量，依据实时、实地的土壤营养测定和水分诊断，精确配制营养元素的组分与浓度，每天采用多次、少量的自动滴灌法对作物定量供应养分与水分，藉以获得优质、高产、稳产的一种农业新技术。该项技术的要素为营养液、滴灌、土壤栽培，三者缺一不可。

2 技术原理

2.1 作物吸肥吸水的特性

作物从幼苗期到成熟采收，需均衡地吸收一定量的养分和水分。通过试验可获得不同地区作物单位面积每生产一定产量时需要吸收的各种营养元素和水分的数量，从而计算出不同生育时期的肥水需求量，并通过实时实地检测土壤中已有营养元素与水分含量对其进行校正，最后精准地配制出作物不同生育期所需的营养液成分、浓度和供液量，据此作成不同作物肥水管理“指导手册”，生产者按手册标准适时适量供应肥水，做到 “吃多少给多少”，实现精准施肥灌溉，避免了传统施肥技术造成的肥水浪费、土壤盐类物质积聚、地下水污染等问题[6]。

2.2 滴灌渗透范围，局限在作物根圈范围

滴灌施肥法的突出特点是，使营养液的纵向与横向渗透范围控制在作物根圈范围内[6]（通常离地面向下约25 cm，如图1），所以到栽培结束时，土壤中残留或流失的肥料量接近于零。滴灌施肥法，每天少量多次定量定浓度地供液，从不过量，且营养液是依每日氮肥的需要量少量分次（据水分测定计和蒸腾量实测决定每天供液1～3次）按需供液，不存在积累、不足及重复利用的问题。

图1 营养液土壤栽培原理[6]

2.3 有机物不作为基肥而作为土壤改良物质施用

有机肥矿化速度随温度不同而不同，并经常因为肥效过剩而造成根系胁迫环境，影响幼苗生长，而且以家畜粪尿为主的有机肥往往含有重金属、Na、Cl等对植物生长有害的成分。因此为了改善土壤的物理性状，保持土壤微生物的良性生态环境，可施入秸秆、堆肥等作为土壤改良物质，而非作为肥料，这完全是与传统施肥不同的理念。

3 推广滴灌施肥技术的意义

3.1 省工省力，提高工效，节约成本

采用管道化、智能化的肥水一体化滴灌施肥技术代替传统的人工施基肥、追肥和灌溉技术，工效可提高5～10倍。我国华南地区不少从事叶菜类蔬菜生产经营的外资农业企业，其基地规模都在667 hm2以上，多是依靠肥水一体化滴灌施肥系统进行自动化操作，其工本仅为人工浇灌的1/10～1/20。

3.2 节水节肥，防止环境污染

据水利部报告，2009年我国灌溉水平均利用率仅48%，化肥的利用率只有25%～30%，利用效率极低[2]。当今发达国家环境质量标准都规定公用水与地下水中硝态氮的最高残留限量不得超过10 mg/L，我国一些设施蔬菜产区地下水硝态氮含量已严重超标。面对新世纪低碳环保农业的挑战，亟需推广肥水一体化的精准滴灌施肥技术。

3.3 防止土壤盐类积累和连作障碍

3.4 保障了蔬菜作物的优质、高产与稳产

由于实现了作物不同生育期合理、高效、精准的肥水供应，避免了传统技术中肥、水一时过剩、一时不足的逆境胁迫和生育障碍的发生，作物根系与地上部生长健壮整齐，商品率提高，产品既优质又高产，同时也便于标准化管理，易于实现稳定安全的生产计划。

3.5 为实现规模化、高效率、标准化农业技术提供了可控平台

由于能依作物不同生育期要求定时定量精密设定液肥成分、浓度与供给量，并按太阳辐射强度、土壤含水量和营养状况的实时变化自动控制供液，使生产全程实行标准化的管理，使省工、省力、规模化、高效率和高科技的现代农业技术成为现实。

4 主要结构装置及系统组成

4.1 滴灌施肥系统组成的基本结构

包括水泵、贮水池、原水过滤器、计算流量计、滴灌管带、液肥混合稀释装置、定时器或电脑自动控制器、原液肥料桶、搅拌机、液肥过滤器、电磁瓣、减压阀以及进行营养诊断和土壤诊断的仪器设备等（图2）。其监控装置要求能控制每次供液量、每天供液次数，供液时间段的各系统（电磁瓣）能分别控制不同小区。

4.2 滴灌管（带）与滴头

滴灌管（带）与滴头为该技术系统的关键设备，要求不易堵塞且不受管带长度、水压高低的影响，可均匀滴灌。要选购附有水压调节功能并附有自动清洗功能、不易堵塞的滴头，使用管带前后的流量一致、滴头间距与作物种类相匹配的产品品种。

4.3 供水控制器与液肥混合器（配肥器）

图2 滴灌施肥系统基本组成[6]

滴灌施肥系统操作省工省力、精量、节水和高效率、自动化，控制灌水量的水分感应器与控制器是提供精确灌溉指标不可或缺的设备，不仅要精确控制灌水，还要控制液肥的浓度。控制器一般根据太阳辐射仪和土壤水分计监测到的数据来调控。太阳辐射仪利用光辐射感应器测定光辐射量，通过计算机计算蒸腾量大小来自动调控灌水数量、频次与时间；土壤水分的监测常用土壤水分张力计（pF计）或专用土壤水分计（TDR计），当其测定值超过临界值时，即自动灌水。

液肥混合装置（配肥器）是滴灌施肥系统的又一关键装备，该装置要求能稳定准确设定浓度配比，性能长期稳定。可以输入不同灌水量与施肥量、并能进行复合设定，进行自动调控管理。依液肥混入的动力来源可分为电动泵驱动和水压或负压驱动混入等方式。①电动泵驱动方式又分为将液肥连续按比例混入或用定量泵按比例混入；连续比例混入即按照设定原水与液肥的混合比例，用脉冲式流量计分别测量原水与液肥的流量，通过调节流量调节阀使其按设定比率混合，这种方式与输水管路的水流压力无关，其精确度高。②水压驱动泵是通过手动调节泵内活塞行程，在原水流量中按比例混入液肥，比较精确，是国际上较先进的一种混合器。③负压混入方式是利用水流通过混合器进出水口产生的压力差而吸取混入液肥的一种方式。商品自动施肥系统应用已非常广泛，施肥器受计算机或小型控制器控制，以实现精确施肥。液肥混合方式主要有泵注方式、文丘里式、压差式、水压驱动混合注入式等，其中水压驱动混合注入式应用广泛。

5 技术基础

5.1 土壤与作物的营养诊断

滴灌施肥系统的最大特点是通过对栽培的土壤与作物的营养状况进行实时快速的测定与诊断，精确配制液肥、定量定时均衡供液，从而最大限度保持根际范围养分和水分不出现过量或不足状态。常用土壤水分张力计（pF计）或TDR土壤水分计，在田块滴灌带附近定点多点设置，定期定时记载土壤持水量。

土壤营养状况分析目前多用电导仪（EC计）来快速实时测定土壤溶液中的EC值以推算土壤中的氮肥含量，或专用的能同时测定NO3-和K+的简易速测仪检测。通常在栽培期间每隔1～2周测定一次。根据实时快速诊断所得的土壤水分和养分数据，与数字化手册提供的灌水、施肥浓度和数量进行比对，如有问题，加以必要的修正后再进行精确的管理操作，务必使作物所需的水分和养分的供应保持最经济有效的状态。

5.2 水质

不同地区、不同季节、不同水源的水质成分及其含量差异很大，溶解于水中的各种物质会堵塞滴灌孔，影响肥料的溶解性与液肥的稳定性或诱发作物的生长障碍。因此，对滴灌施肥的用水水源，要进行必要的检测、判定其是否适用。通常以感官鉴定氯气、混浊度及色泽，仪器测定水质的化学成分。表1～2为日本及美国的水质分级标准。

由表1，2可知，滴灌孔堵塞与水质pH值及水中Mn、Fe、Ca、Mg、等的浓度密切相关，特别是有问题水源要避免使用或经必要的处理，例如Na+与Cl-过量的沿海地区，可采用反渗透膜法进行除盐处理等。

5.3 土壤条件

表1 日本大冢化学公司制定的灌溉用水水质标准[6]

滴灌施肥技术要求滴灌的水分和养分能均匀分布在大约离土表25 cm的根系有效活动土层范围内，滴灌水的湿润带尽可能向四周横向渗透湿润，与地下水隔离开。这就要求土壤的物理性状优良，气、固、液三相平衡（气相15%～20%、液相45%～60%、固相20%～35%最为理想），团粒结构发达，毛管孔隙多，保水性能优良的土壤。因此对沙砾土、粘土、地下水位过高的湿土均需加以改良。一般施用腐熟的木质纤维素类的堆肥或草炭、秸秆等C/N比高的有机物改良土壤。地下水位高的可作高畦或改用隔离床、袋培、桶培的方式栽培。

表2 美国滴灌用水水质分级标准[6] mg/L

5.4 栽培管理技术规程手册的制定

在实际栽培中，根据灌溉水和土壤分析结果，制定出针对不同作物及其不同栽培方式与季节相适应的肥水管理模式（手册），具体步骤如下。

①用水水质分析 调查所含各种营养成分的浓度。

②土壤分析 调查土壤中大量和微量营养元素和Na+、Cl-、等成分的本底浓度。

③定植前场圃的准备 确定必须施入的有机物或土壤改良物质的种类与数量。

④确定该场圃使用的肥料种类、灌溉水与各种肥料的数量和浓度 根据水质和土壤预定栽培作物依其不同生育阶段，制分的使用量和吸水量，再考虑到液肥的利用效率，确定该场圃使用的肥料种类、灌溉水与各种肥料的数量和浓度。

⑤确定土壤pF值和EC值的标准范围 依土质、土壤的物理性状和地下水位等综合考虑，决定土壤pF值的适宜标准范围，借以用作土壤水分诊断的标准。同时基于土壤分析制订的施用肥料的营养成分与浓度及其对土壤溶液EC值的影响程度，确定作为营养诊断标准指标的土壤溶液EC值最适标准范围。但是，如若该场圃土壤中残留较多的Na+、Cl-、SO42-等肥料副成分时，栽培开始后的采样分析中，对所设定的标准值是否恰分析结果，对定各种营养成当，要作进一步复核。这样经过多茬次栽培，结合前茬作物生长情况，对栽培管理模式不断调整修正，使其更完善。

5.5 肥料

表3 几种蔬菜的养分吸收量[5]

表4 日本常见养液土耕－液型专用肥料[5]

蔬菜等作物的养分吸收量如表3所示。一般情况下，若吸收N为100，则P2O5以20～40，K2O以100～170，Ca以50～130，Mg以15～30的比例吸收。

在生产实践中，按作物需肥要求，将肥料配成原液，再与水分通过液肥混合器配制成符合栽培管理模式手册所要求的养分浓度，再通过滴灌系统供应液肥。配制原液的方式有：以各种单一肥料混配而成；以单肥与复合肥并用配成；仅以一种复合肥配制而成。由于滴灌施肥最大的特点是施肥技术的省力化，原液配制力求简单易行，因此一种既含N、P、K、Ca、Mg等大量营养元素，又同时含有微量元素的完全按比例复合在一起的滴灌施肥专用复合肥已实现了商品化生产，即这种专用肥不需像传统配制液肥那样设置AB两个原液桶，而只需设置一个原液桶就行了。市售专用复合肥与栽培系统商品繁多，以日本为例，市售的常用复合肥如表4所示。

每日灌液量与次数依作物每天需水量和根际范围内可能保持的含水量决定。以夏秋番茄为例，其根际范围为30～40 cm深土层，在黏壤土条件下，最大灌水量应能渗透到宽40 cm（砂土30 cm）和深30 cm的范围。每日灌水次数，则在保水性好的土壤冬季每日1～2次，夏季2～4次；保水性差的砂砾土则冬季2～3次、夏季3～6次为宜。冬季晴天于午前，夏季在下午或傍晚进行，即使夜间也要保持适度的土壤水分。阴雨天灌水次数和灌水量应比晴天少。

6 实例

6.1 国内

港资福建某农场将当地农村的沼液，经沉淀、过滤池后，对水1倍作母液，再以优质硫酸钾型复合肥（N∶P∶K=17∶7∶18）2.5 kg溶于1 L水中作母液，2份母液泵入肥水一体化稀释器，依果菜、叶菜不同种类，由幼苗期至成长期由淡到浓调控肥水浓度。667 hm2盐碱菜地，其中冬春大量上市的大棚长季节甜椒667 m2产量都在6 000 kg左右。广东潮汕一带的同类大型供港蔬菜农企，也多以复合肥稀释液泵入滴灌系统，实行肥水一体化滴灌施肥作业，有效解决了大型叶菜基地劳力不足、工本过高的难点。

杜文波[7]在温室番茄上的试验结果表明，与畦灌冲肥传统管理方式相比，滴灌施肥667 m2节水79.5 m3，节水率19.9%，产量提高8.6%～14.6%，产值增加1 610～2 012元/667 m2，滴灌水肥一体化综合经济效益提高1 725元/667 m2，节省用工3～5个/667 m2。李铮等[8]在运城、临汾等市进行了水肥一体化技术的试验示范。结果表明，实施水肥一体化技术，比常规技术增产2.93%～4.97%，节水232～316 m3/667 m2、节省有机肥7 000～9 000 kg/667 m2，节省化肥30～ 55 kg/667 m2，节肥率19.4%～39.0%；节药量27～28个包装单位/667 m2，节药率43.5%～48.3%；于舜章[9]在山东进行的多点试验、示范结果表明，实施水肥一体化技术，每667 m2节约水电投资87～136元，节约肥料投资400～533元，节约农药投资187～213元，减少劳动力15～21个，折合投资153～207元，增加收入418～667元，合计节本增效1 200～1 667元。

6.2 国外

表5 大棚春番茄早熟栽培不同生育期灌水量[5]

表6 大棚春番茄早熟栽培不同生育期灌水量[5]

日本采用肥水一体化滴灌施肥技术在三连栋大棚栽培绿园春番茄，栽植密度1 776株/1 000 m2、单跨7.2 m，长46.5 m，每跨4畦，每畦1行，株距27 cm，行距180 cm，产量指标10 t/1 000 m2。每1 000 m2施肥量为：总N 32.3 kg，P2O522.5 kg，K2O 57.3 kg，即每 1 000 m2选用养土5号 30.9 kg，养土 2号204.5 kg。表5，6给出每天每株番茄的水肥需求量，实现了水肥的精量控制，可供参考。在每日水肥总量确定条件下，每日灌水次数，则在保水性好的土壤冬季每日1～2次，夏季2～4次；保水性差的沙砾土则冬季2～3次、夏季3～6次为宜。

7 注意事项

严密控制灌液量，使供给的液肥分布在近地表土层限定的根域范围内，如有困难可采用隔离床栽培或袋培；水质肥料等农资质量要求高，尽量避免使用含有Cl-等副成分的氮肥，以减少土壤pH值下降、EC值上升与盐类积聚；根据原水水质的状况相应调整营养液配方；使滴灌系统供液均匀；要配置相应过滤器和防堵塞的滴头；定期清洗保养过滤器。

8 展望

加速研发国产化简易实用的滴灌施肥系统系列产品，特别是精确而简易实用的肥水混合器设备，要有能管控33 350，66 700，133 400，333 500 m2的大功率滴灌施肥设备系统。基于探明不同作物单位面积一定产量、不同生育期肥水需求量的基础上，研究不同地区不同作物的肥水一体化的标准化栽培管理模式。

蔬菜水肥一体化技术被认为是当今世界上水肥利用率最佳的技术，此项技术大面积推广的成功，将使中国农业由传统农业迈向现代农业，对中国农业发展具有深远意义。我国“十二五”规划中强调农业要强化水利建设的力度，肥水一体化滴灌施肥系统必将为我国的节水节肥农业、提供终端装备的最佳技术支撑。

[1]王克武.蔬菜水肥一体化节水技术[M].北京：中国农业出版社，2010.

[2]李保国，彭世琪.中国农业用水报告1998-2007[M].北京：中国农业出版社，2007.

[3]彭世琪，崔勇，李涛，等.微灌施肥农户操作手册[M].北京：中国农业出版社，2008.

[4]古在豊樹，後藤英司，富士原和宏，等.最新施設園芸学[M].東京：朝倉書店，2006.

[5]青木宏史，梅津憲治，小野信一.養液土耕栽培の理論と実際[M].東京：誠文堂新光社，2001.

[6]李世军.设施园艺学.2版 [M].北京：中国农业出版社，2011：349-353.

[7]杜文波.日光温室番茄应用滴灌水肥一体化技术初探[J].山西农业科学，2009，37（1）：58-60.

[8]李铮，王晋民，王海景，等.蔬菜日光温室问题调查与水肥一体化技术探讨[J].土壤，2006，38（2）：223-227.

[9]于舜章.山东省设施黄瓜水肥一体化滴灌技术应用研究[J].水资源与水工程学报，2009，20（6）：173-176.

Environmental Protected and High-Efficiency Fertigation System for Protected Vegetables

GAO Lihong1,GUO Shirong2,LI Shijun2
(1.College of Agriculture and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193; 2.College of Horticulture,Nanjing Agricultural University)

The fertigation technology was a new integrated water-fertilizer management technoliogy based on the water and nutrient requirements of crops,and it maintained the water and nutrient stabilization of root layer according to the real-time quantitative irrigation.The fertigation technology solved the problems involving irregular water-fertilizer supply and soil secondary salinization in traditional soil cultivation.In addition,it realized the goals of simplification,labor-saving, automation and high efficient use of water-fertilizer.To provide references for the extension and application of the fertigation technology,this article reviewed its technology principle,the main equipment and system-construction,technological basis and application examples both in China and abroad in detail.

Protected vegetables;Real-time quantification;Fertigation

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.12.002

国家科技支撑计划：绿色环控设施农业关键技术研究与产业化示范（2008BADA6B004）；国家和北京市现代农业技术产业体系建设项目（CARS-25-C-03）

高丽红（1967-），女，博士，教授，博士生导师，专业方向为温室土壤生物修复与水肥高效利用原理与技术研究，电话：13601350829，E-mail：gaolh@cau.edu.cn

2012-03-02