我国水肥一体化技术研究进展

王 凯

（河南省土壤肥料站，郑州 450000）

水肥一体化技术是一项集灌溉、施肥于一体，高效节水节肥的现代化农业技术，为未来农业的发展方向。与传统灌溉模式相比，水肥一体化技术具有节水、节肥、省工、省时等优点，实现了水肥管理的革命性转变［1］，即由渠道输水转变为管道输水、由浇地转变为浇庄稼、由土壤施肥转变为作物施肥、由简单粗放的水肥分开模式转变为精确集约的水肥一体模式。该技术在世界范围内尤其在缺水的干旱半干旱地区得到了广泛的应用和推广。我国水资源缺乏且分布不均衡，肥料利用率普遍偏低，水肥一体化技术的应用是提高水分利用效率、有效利用肥料的一项重要且必须的环节。本文主要分析了我国水肥一体化技术的发展历程以及应用中存在的问题等，以为该技术的推广提供借鉴。

1 水肥一体化技术的概念

水肥一体化技术起始于以色列。以色列自20世纪60年代初开始研究和应用滴灌技术，水肥一体化技术是伴随着滴灌技术而逐渐发展起来的。水肥一体化技术的英文名称为“Fertigation”，即“fertilization（施肥）”和“irrigation（灌溉）”组合而成，直译为“施肥灌溉技术”，在我国称为“水肥耦合技术”或者“水肥一体化技术”，目前基本统一采用 “水肥一体化技术”这一概念。根据灌溉方式的不同，水肥一体化技术主要分为喷灌和微灌水肥一体化技术，后者包括滴灌和微喷两种形式，其中滴灌发展最为迅速，应用最为广泛，节水最为显著。

水肥一体化技术，从广义上讲，就是水和肥同时供给作物根系以满足作物生长发育的一种技术。从狭义上讲，则存在着多种说法。张承林等［2］认为水肥一体化技术是将肥料溶解在灌溉水中，由灌溉管道输送给田间每一株作物，以满足作物生长发育需要的一种技术。高祥照［3］认为水肥一体化技术是利用微灌系统，根据土壤的水分和养分状况及作物对水和肥料的需求规律，将肥料和灌溉水一起适时适量、准确地输送到作物的根部土壤，供作物吸收的一种技术。王留运等［4］认为水肥一体化技术是节水灌溉技术的一种，根据作物的需水需肥规律，将可溶性肥料溶解在灌溉水中，通过喷灌、滴灌等方式将养分输送到作物根系土壤。徐坚等［5］认为水肥一体化技术是根据土壤养分含量和作物种类的需肥规律及特点，将可溶性固体或液体肥料配对成的肥液，与灌溉水一起，通过可控管道系统均匀、准确地输送到作物根部土壤，浸润作物根系发育生长区域，使主要根系土壤始终保持疏松和适宜的含水量的一种农业新技术。张凌飞等［6］认为水肥一体化技术是将灌溉水与可溶性或液体肥料结合，通过借助外界压力并同步运输到作物有效根系邻近的土壤，通过监测土壤养分和土壤的干湿程度情况，及根据作物需水、需肥规律的特点，经由低压管道滴灌体系稳定、均匀、定量，按适宜比例提供作物适宜水量和肥料的一种农业新技术。中国国家农业部给出的定义为：水肥一体化是利用管道灌溉系统，将肥料溶解在水中，同时进行灌溉与施肥，适时、适量地满足农作物对水分和养分的需求，实现水肥同步管理和高效利用的节水农业技术。

虽然目前水肥一体化技术的概念不够统一，但通过以上多种概述可以看出，水肥一体化技术的核心是水肥适时定量耦合，手段是建设科学的灌溉管道，目的是在满足植物水肥需求的基础上实现节水节肥；即综合分析地块地形、植物种类、气候变化等条件的影响作用，选择适宜的水肥一体化模式，通过田间铺设科学合理的灌溉管道系统，实现灌溉水和肥料的完全耦合，并根据植物整个生长发育过程的水肥需求规律以及土壤水分养分状况，适量及时地供给相应的营养元素和水分，从而达到植物增产和节本增效的双重目的。

2 我国水肥一体化技术的发展历程

我国自引入水肥一体化技术以来，其发展过程大致经历了三个阶段：初步研究阶段、试验示范阶段、规模应用阶段［2，5］。

2.1 初步研究阶段

我国水肥一体化技术研究开始于1974年，由墨西哥引进三套滴灌设备［4］，在不同省份建立了3个试验点，面积5.3 hm2，试验取得了显著的增产和节水效果［2］。1975年我国决定研制滴灌设备，并在全国各省设立试点，1976年将滴灌研究列为重点科研项目之一［7］，推动了我国滴灌技术的深入研究。从1974年到1980年，我国水肥一体化技术的研究处于学习和借鉴国外的起步阶段。

2.2 试验示范阶段

1980年，我国自主研制了第一代成套滴灌设备，填补了我国没有滴灌设备产品的空白［4］。80年代初期到中期为我国引进国外喷灌技术和设备的高潮，80年代中期到90年代中期，通过消化吸收国外经验研制开发了我国的喷灌设备［8］。即从1981年后，在引进国外先进生产工艺的基础上，我国灌溉设备的规模化生产逐步形成，水肥一体化技术试验、示范面积逐步扩大。1985年我国滴灌面积发展到15 khm2［7］。1986年我国将“滴灌配套设备系列开发”列入国家星火计划，促使大规模滴灌设备和施肥设备开始逐步推广和大面积应用，主要用于日光温室等设施农业的灌溉和施肥。1990年我国滴灌面积33 khm2，1995年达到 45 khm2［7］；90年代中期我国喷灌面积约900 khm2［8］。1980年一直到90年代中期，我国水肥一体化技术主要处于试验研究和学习国外技术的阶段，而且集中应用于设施农业和果园。

2.3 规模应用阶段

20世纪90年代中期以来，水肥一体化技术理论和应用在我国得到了广泛重视。目前水肥一体化技术已经由过去的试验示范阶段发展到规模应用阶段，辐射到全国范围内，涵盖了果树、花卉、苗木、蔬菜以及大田经济和粮食作物。大田作物水肥一体化技术应用最早成功的例子是新疆的棉花膜下滴灌。1996年，新疆生产建设兵团开始集成研究滴灌技术，到1998年经过持续3年的试验示范，成功地研究了与薄膜覆盖技术相结合的干旱区棉花膜下滴灌综合配套技术［9，10］。2002年，新疆棉花膜下滴灌面积从最初的1.67 hm2迅速扩大到120 khm2［11］。

现阶段，我国水肥一体化技术的推广尤其在大田作物上的应用，主要由政府推动。2002年国家农业部开始组织实施旱作节水农业项目，在全国范围内建立水肥一体化技术核心示范区，集中开展试验示范和技术集成，有效带动了水肥一体化技术的推广应用。2012年，国务院印发《国家农业节水纲要（2012－2020）》，强调积极发展水肥一体化技术。2013年农业部印发《水肥一体化技术指导意见》，提出到2015年，水肥一体化技术推广总面积达到530万公顷以上。2016年农业部制定的《推进水肥一体化技术实施方案（2016－2020年）》，提出到2020水肥一体化技术推广面积1000万公顷。同时我国通过开展水肥一体化技术研究示范，已经集成了一系列技术模式，如按区域可划分为干旱半干旱区膜下滴灌、丘陵山区重力滴灌水肥一体化、平原微喷水肥一体化等模式；按设备划分为移动式微灌水肥一体化、全自动智能水肥一体化、小型简易自助式水肥一体化模式等；按设施条件划分为普通大田水肥一体化模式、温室膜面集雨水肥一体化模式等。

整体来看，目前我国水肥一体化技术处于发展的中级阶段。并且随着物联网技术的发展以及该技术在农业领域的广泛应用，基于物联网的水肥一体化技术也得到了初步发展［12，13］，标志着水肥一体化技术将向数字化、信息化、智能化发展，应用前景广阔。

3 我国水肥一体化技术应用过程中存在的问题

3.1 推广应用面积小

我国水肥一体化技术的推广应用尤其在大田粮食作物上，主要由政府来推动，整体推广应用面积较小。据《2016年全国水利发展统计公报》数据显示，截至2016年底，我国灌溉面积73 177 khm2，耕地灌溉面积67 141 khm2，占全国耕地面积的49.6%；节水灌溉面积32 847 khm2，其中喷灌、微灌面积为9954 khm2，占节水灌溉面积的30.3%，占总灌溉面积的13.6%。

3.2 区域发展不平衡

我国水肥一体化技术主要应用于设施农业和果园等经济效益较高的产业，而大田粮食作物的应用范围比较窄。目前除了在西北干旱地区得到了普及应用，在其他降雨量较大、灌溉水资源相对丰富的地区，粮食作物规模化应用面积较少甚至没有。截至2014年底，我国微灌工程面积4681.3 khm2，而西北6省区微灌面积达到3126.7 khm2，占全国的67%，其中新疆微灌面积高达2902.7 khm2，占全国的62%，占西北地区的93%［14］。发展不平衡的原因在于我国大部分地区耕地为一家一户分散经营，集约化程度低，田间种植、耕作等方式繁杂，田间统一管理难度大，限制了大型现代化机械设备的应用；同时水肥一体化技术前期一次性购置灌溉施肥设备费用较大，小面积地进行应用，与传统的漫灌等灌溉方式相比，经济效益低，无法发挥该项技术节本增效的优势，使得部分地区对发展水肥一体化的重要性认识不够，发展速度缓慢。

3.3 配套产品不到位

水肥一体化技术是将灌水和施肥有机融合的一项工程技术，对灌溉设备和水溶肥料的质量要求较高。在灌溉设备生产方面，我国存在生产企业规模小，生产工艺差，配套产品品种及规格少、精度较低、加工粗糙等问题［8］。此外，针对具体条件和作物的技术研发少，设备和产品的实用性不强，大型、精密、智能化设备开发不足［15］。在水溶肥料方面，我国水溶肥料市场比较混乱，产品生产规模较小，价格偏高，整体上呈现出多、乱、杂的特点。同时水溶肥的技术研究、产品开发和大规模应用尚处于起步推广阶段，高端的全水溶肥产品缺乏［16］。

3.4 配套技术服务缺乏

水肥一体化技术综合了水利、灌溉、施肥、栽培、土壤等众多学科知识，高标准的水肥一体化需要对不同作物、不同区域适宜的土壤墒情技术参数、滴灌技术参数、施肥技术参数有足够的研究，在此基础上才能依据各种作物的需水需肥规律，建立各种作物的灌溉施肥制度，形成完整的水肥一体化技术体系［17］。但目前技术与产品结合不够紧密，有些地方只注重灌溉施肥设备配置，忽略了灌溉施肥制度优化以及栽培措施的配套研究。由于学科之间的相对独立，设备生产厂家重视管道设计和设备安装，轻视肥料选择和栽培学研究；农业技术人员具有丰富的栽培施肥经验但缺乏农田工程设计等专业知识，综合型技术人才缺乏［16］。此外，水肥一体化技术是对传统灌溉施肥方式的变革，传统的灌溉施肥制度、栽培方式以及其他农艺措施等不够适用，因此需要依据不同作物的需求，提出合理的水肥配合比和生产要素组合，确定灌水次数、灌水定额、灌水周期，最佳灌水时期等，建立经济高效的水肥耦合理论模式［18，19］。显然，目前我国在这一方面的研究比较缺乏。

4 我国水肥一体化技术发展对策

4.1 加强水肥一体化技术的基础性研究

必须根据不同区域条件、不同植物种类、不同基础设施建设等，对相关的土壤养分水分技术参数、灌溉技术参数、施肥技术参数进行研究，综合考虑各个方面的要求，有针对性地建立起适宜的灌溉施肥制度、设备管理措施和田间栽培技术，形成完整的水肥一体化技术系统，这样才能充分发挥该技术的最大效用。

4.2 加大财政扶持力度

政府应加大对节水农业的支持力度，尤其是加大对节水灌溉设备的投入和政策扶持力度；各级财政应将水肥一体化技术示范推广经费纳入地方财政预算，稳定投资机制，对一些先进技术和设备设施纳入财政补贴，同时也可制定一些政策广泛吸引社会资金投入，依托种粮大户、农业合作社等农业新型主体，建立起水肥一体化技术的推广应用长效机制，并通过打造技术应用示范区，展现新技术、新设备、新成效，发挥示范带动作用，以提高广大农民应用水肥一体化技术的积极性和主动性。

4.3 加快土地的流转承包

土地分散经营严重制约了现代机械技术的推广应用，因此，政府应为土地的流转承包提供有力的政策环境，鼓励支持土地承包，大力发展种植大户，尽力将经营分散、效益差的土地集中起来，实行集约化经营、产业化发展，以利于此项技术的推广应用和效益的发挥。

4.4 强化水肥一体化设备和产品的研发

继续加强科研攻关，研发各类灌溉设备、施肥设备、过滤设备，优化机构，提高精度，增强耐久性和实用性，最大限度降低生产成本；同时利用物联网技术，提升设备的微型化、智能化和信息化。针对水溶性肥料产品繁杂的问题，在研发高端产品的同时，制定应用于水肥一体化技术的水溶肥料标准，规范和引导水溶肥料市场优化发展。

4.5 加强综合性人才的培养力度

水肥一体化技术综合了多学科的内容，相关技术人员掌握的知识技能愈全面系统，其服务能力愈强。该项技术的推广过程中，应注重对相关技术人员的技术培训，不断更新其知识库和提高其应用技能。从事产品研发的工程设计人员，应加强农业栽培、施肥、灌溉等技术的学习，这样设计出的产品更符合农业生产实际要求；从事农业技术推广的人员，也应加强对设备的设计和应用原理的学习，这样才能熟练地使用相关装备与设置，更好地推广应用水肥一体化技术。

5 结语

水肥一体化技术作为目前提高水肥资源利用效率的最优途径，在农业生产中的应用范围愈来愈广泛，是农业发展的一种必然趋势，尤其是水资源相对匮乏国家和地区的一种必然选择。我国水资源紧缺，同时作为世界上肥料消费大国，节约用水和提高资源利用率已经成为我国农业发展进程中亟待解决的问题。近年来，我国水肥一体化技术在政府的推动下发展迅速，技术体系框架已经建立，但不够成熟，仍然存在着很大的发展和提升空间，虽然部分地区水肥一体化技术水平已达到世界前列，但整体发展水平与以色列、美国等农业发达国家还有一定的差距。因此，结合我国国情，加速开发和研制与之适应成套、实用、先进的灌溉施肥设备，集成配套的灌溉施肥制度和栽培措施等，提升我国水肥一体化技术总体水平是我们今后的重要任务和努力方向。

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