吉林省水肥一体化技术应用现状及发展前景探讨

李延国 李建军 任慧 赵红星 黄雷 杨眉 孙雪娇 欧志鹏 何禹 张航

摘要：吉林省是农业大省，水资源缺乏及水肥使用效率低下严重制约了农业发展的规模和产能，水肥一体化技术是解决该难题最有效的一项重大技术，更是“资源节约，环境友好”现代农业控水减肥一个关键途径。本文对吉林省水肥一体化发展现状、发展模式、技术要点及发展前景等进行归纳总结，并对水肥一体化技术存在的问题提出合理的发展对策进行探讨，同时明确了今后进一步研究和探索方向，实施水肥一体化，提高水肥利用效率，转变农业发展方式，是解决水、粮食安全的必然途径。

关键词：水肥一体化;水肥耦合;微滴灌;发展前景

1概述

水是人类赖以生存的基础性资源，是生态平衡的基础，是保证农业持续健康发展的必要条件，肥料是作物增产高产的重要保障。长期以来肥料的不合理施用导致我国大部分土壤结构改变，土壤肥力下降，土壤重金属污染加剧，土壤盐化碱化加重，同时也加剧了地表径流的水质污染，导致了水体富营养化、地下水污染、农产品品质下降等一系列危害。

由于缺水与肥料的不合理施用，一直制约着我国农业持续、稳定、健康、高效发展。因此，节水与减少肥料的使用已成为我国农业可持续发展和保障我国粮食安全的重要问题，也是发展民生的重要选择。

水肥一体化技术就是根据作物需求，对水分和肥料进行综合调控和一体化管理，以水促肥、以肥调水，实现水肥耦合，使水肥相互协调、相互促进，全面提升水肥利用效率。它的意义不只是节水节肥、环保高效，更重要的是，它对转变农业发展方式、促进农业现代化建设所起到的引领和推动作用。

2水肥一体化技术发展现状

2.1水肥一体化技术发展的政策导向

2012年农业部发布了《农业部关于推进节水农业发展的意见》中提出了要大力发展水肥一体化技术;2013年农业部办公厅印发的《水肥一体化技术指导意见》中提出扩大水肥一体化推广面积;2015年农业部印发的《到2020年化肥使用量零增长行动方案》中提出力争到2020年，全国主要农作物化肥使用量零增长，测土配方施肥推广覆盖率90%以上，肥料利用率提到40%以上;2012年国办发《国家农业节水纲要（2012[CD1]2020）》，提出加强水肥一体化的集成应用;2015年实施的中华人民共和国农业行业标准《水肥一体化技术规范 总则》，规定了水肥一体化技术的基本原则、技术方案和主要模式，对指导水肥一体化技术推广与应用起到了促进作用;2016年农业部办公厅印发的《推进水肥一体化实施方案（2016[CD1]2020年》）的通知中提出在吉林中西部推广玉米、马铃薯滴灌水肥一体化技术，强调与常规灌溉相比，采用滴灌水肥一体化技术，每667m2均可稳定增产粮食200～300kg，每667m2均节水150m3;2017年国家发改委和农业部联合发文《全国农村沼气发展“十三五”规划》中明确提出开展沼液田间水肥一体化技术，实现沼肥充分高效利用，保障优质农产品生产。

2.2我国水肥一体化技术发展现状

我国水土资源紧缺，淡水资源仅占世界的6%，农业生产水肥使用效率低下，主要粮食作物仅为发达国家的1/2，肥料利用率仅为35%，低于发达国家的50%～70%的水平。

我国水肥一体化技术研究是从1974年开始的。当时引进了墨西哥的滴灌设备，试验点仅有3个，面积仅有5.3hm2，实验取得了显著的增产和节水效果。1980年我国第1代成套的滴灌设备研制生产成功。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基础初步形成，在应用上试验、示范得到大面积推广。从2000年开始，灌溉施肥理論及应用技术日益被重视，农业部全国技术推广中心连续多年在我国不同地区举办灌溉施肥技术培训班，由国内外专家系统地介绍灌溉施肥的理论和技术，促使灌溉施肥的面积逐步扩大，特别是在温室以及大棚蔬菜的生产上，推动了灌溉施肥技术的不断完善和发展。当前，灌溉施肥技术已经由过去的局部试验、示范逐步发展为大面积推广应用，辐射范围由华北地区逐步扩大到西北干旱区、东北寒温带和华南亚热带地区，覆盖了设施栽培、无土栽培、果树栽培，以及蔬菜、花卉、苗木、大田经济作物等多种栽培模式和作物，特别是膜下滴灌施肥技术处于世界领先水平。

目前我国的滴灌水肥一体化技术主要在一些经济价值较高的作物上应用。如新疆的棉花膜下滴灌施肥技术已作为棉花生产的标准技术得到大面积推广，且技术处于世界领先水平。除在棉花上大面积应用外，目前已推广到番茄、色素菊、辣椒、玉米、蔬菜、瓜类、花卉、果树、烤烟等作物。温室的蔬菜花卉生产中，也广泛采用滴灌施肥技术。

2.3吉林省水肥一体化技术发展现状

2.3.1吉林省水资源利用现状

吉林省土壤条件得天独厚，是我国商品粮的主要产区之一，但水资源占有量仅为全国的1.4%，水资源开发利用率高达70%以上，接近或超出水资源合理承载能力[1]。水资源的过度开采和不合理使用已经导致了地下水位下降、湖泊萎缩、土壤荒漠化和水质下降等一系列的生态问题，严重地威胁到了农业的可持续发展。过量的化肥施用诱发了土壤板结、酸碱化和盐碱化，同时造成土壤重金属污染、硝酸盐含量超标、水体质量污染，致使生产出的农产品直接危害人体健康[2]。吉林省八厅委联合发布了《吉林省农业可持续发展规划（2016—2030年）》，启动了黑土地保护治理工程，要求提高水资源和肥料的利用率，增强农业生态环境保护能力，推动农业可持续发展，率先实现农业现代化，对建设美丽吉林、促进农业发展进入良性发展起到了促进作用。

吉林省西部地区水资源分布很不均匀，属于半干旱农业生态区，面临的缺水形势最为严峻，农业用水一直占总用水量的60%以上，已成为制约农业粮食生产的重要因素。如何在现有的水资源承载能力范围内，继续维持现有农业规模和产能，又不以消耗资源和环境为代价，最有效的解决途径就是水肥一体化技术的实施，它是转变农业发展模式、促进和推动实现农业可持续发展的一项新技术。

2.3.2吉林省水肥一体化技术装备发展现状

新世纪以来，随着微滴灌技术装备实现国产化和自主知识产权产品与装备的开发而实现了快速发展，同时也有力推进了水肥一体化技术的应用发展。近10a，微滴灌技术成为发展最快增幅最高的高效节水技术，微滴灌水肥一体化技术随之普及应用。吉林省主要种植作物为玉米，虽然温室和大棚等设施农业装备的使用得到长足发展，但其水肥一体化技术还未得到有效应用。随着循环经济和节水技术的全面发展，水肥一体化技术的全面普及只是时间问题，并且朝着设施种植数字化、智能化水肥一体化方向发展，设备使用寿命更长、更节水、更省肥、节省劳力、成本更低、能够达到精准施肥、自动排污，从根本上解决了土壤酸化、板结问题，使土地更环保。进一步降低装备和应用成本，提高了水肥的利用率，增产增收，种出口感好、品相好的农产品及提高作物产量。

2.3.3吉林省水肥一体化技术的推广应用

吉林省水肥一体化技术发展起步虽晚，但应用发展还是比较顺利的。吉林省水利科学研究院经过3a多的科学实验与技术攻关，在吉林省白城市通榆县建立了玉米膜下滴灌核心示范区692.53hm2，设计和制定的半干旱地区膜下滴灌水肥一体化工程，代表了该区域玉米生产水平，为实现吉林省水肥利用效率的工作目标提供强有力的技术支撑。吉林省农科院在乾安、前郭、长岭、通榆等县（市）建立玉米可降解地膜覆盖水肥一体化技术模式示范区66.67hm2，取得了良好的示范效果，示范区水分利用效率和肥料利用效率均提高30%以上。梨树县建立万亩玉米水肥一体化示范田，经过几年示范推广，结果显示使用水肥一体化技术的农田增产15%～25%左右，在旱情年份时效果更加显著[6]。吉林省蔬菜花卉科学研究院在温室内使用的无土栽培水肥一体化技术和设备，在草莓种植上获得了重大突破，取得了良好的节水节肥效果。以吉林省西部为例，开展玉米需水、需肥规律研究，研发适宜西部农业生产的水肥一体化技术，使半干旱区玉米播种面积占到全省玉米种植面积的30%以上[7]。研究表明膜下滴灌水肥一体化模式在推进玉米节本增效方面具有显著优势，综合效益尤其是生态效益凸显，可加大推广力度，促进松嫩平原玉米种植模式转型升级[8]。

3水肥一体化技术概述

水肥一体化技术是根据作物需求，对农田水分和养分进行综合调控和一体化管理，以水促肥、以肥调水，实现水肥耦合，全面提升农田水肥利用效率。也就是说根据土壤的养分含量和作物种类的需肥规律和特点，利用灌溉系统将水分和养分提供给作物生长的区域，进行综合调控的一体化管理手段，是现代农业发展的一项重要技术。水肥一体化技术发展逐渐趋于智能化，以自控单元为核心，集传感检测技术、微处理器技术、计算机技术等现代信息化技术等于一体，实现均匀、定时和定量供水供肥。

水肥一体化使水肥相互协调相互促进，与常规种植相比，能减少肥料高达37.3%以上，用水量为常规灌溉的50%，提高了水肥的利用率[3]。与常规施肥相比，水肥一体化使用面积达到总面积的70%时，玉米的鲜包产量和产值分别提高6.73%和6.72%，大大的节省了肥料[4]。研究结果表明，膜下利用滴灌技术与传统沟灌、漫灌、喷灌等方式相比，节水约35%～70%，具有显著的节水效果[5]。

4水肥一体化技术的发展模式

水肥一体化技术的灌溉方式主要有滴灌水肥一体化、微喷灌水肥一体化、膜下滴灌水肥一体化和集雨补灌水肥一体化。滴灌水肥一体化是一种精确施肥法，水肥只施在根部，显著提高肥料利用率，与常规施肥相比，可节省肥料用量30%～50%以上，同时可以大量節省施肥劳力，比传统施肥方法节省90%以上。微喷灌水肥一体化，在常规施肥量情况下，能够促进玉米灌浆期生物量的积累，微喷灌减肥20%没有造成生物量积累的减少[9]。膜下滴灌水肥一体化可减小水分蒸发，提高灌溉水的利用效率，与沟灌相比节水50%以上[10]。

集雨补灌水肥一体化技术是目前大力推广的水肥一体化技术，在降雨充足的季节利用蓄水池蓄集雨水，在干旱或作物需水时，通过相关滴喷灌设施将水肥运输到植物根部的生长区域，供作物吸收。在干旱、半干旱地区和季节性干旱地区，当地表水和地下水开采供水不足时，软体集雨窖 + 水肥一体化技术模式能充分利用自然降水，以蓄积雨水部分替代地下水，较好地协调平衡自然集中降水与作物生产需求用水之间的时间供求不一的问题，保障设施农业生产需求，促进农业的可持续发展。

5水肥一体化技术的技术要点

综合考虑农田水分和养分管理，使两者相互配合、相互协调、相互促进。以水促肥、以肥调水、因水施肥、水肥耦合，全面提升作物产量水平和水肥利用效率。

5.1水肥一体化的系统设备

水肥一体化系统设备主要包括压差式施肥罐、文丘里注肥器、比例施肥器、肥料混合箱、加油站式注肥系统和管道系统等组件。水肥一体化系统设备的应用，要求因地制宜，并综合考虑当地的气候条件、土壤状况、水源分布以及农作物布局等因素。灌溉设备应当首先保证灌溉系统稳定，满足当地农业生产所需要的水分和养分需要。施肥设备应根据作物种类、灌溉设备、作物种植面积等选择。相关研究表明，微滴灌施肥系统比常规施肥节省肥料50%～70%，同时大大降低了设施蔬菜和果园中因过量施肥而造成的水体污染问题。以种植玉米为例，大田水肥一体化技术与常规地面灌溉的应用效果比较：节水35.7%、节肥28.3%、增产38.7%。

5.2水肥一体化的水分管理

根据作物的需水规律、土壤墒情、根系分布、土壤性状、设备条件和技术措施，制定灌溉制度，内容包括作物全生长发育的灌水量、灌水次数、灌水时间和每次灌水量。灌溉系统技术参数和灌溉制度制定作物的生长和收获计划，根据农作物的根系状况确定润湿深度，对作物的根系进行精准灌溉，使每颗作物得到同样的灌溉机会。农作物灌溉上限控制田间持水量在85%～95%，下限控制为55%～65%。

5.3水肥一体化的养分管理

根据农作物的目标产量、需肥规律、土壤养分含量和灌溉特点制定施肥制度。一般按目标产量和单位产量养分吸收量，计算农作物所需要的氮、磷、钾等养分吸收量;根据土壤的养分、有机肥养分供应和在水肥一体化技术下肥料利用率计算总施肥量;根据作物的不同剩余期的需肥规律，确定施肥次数、施肥时间和每次施肥量。

选择溶解性高、溶解速度快、腐蚀性小、与灌溉水相互作用小的肥料。不同肥料搭配使用，应充分考虑肥料之间的相容性，避免相互作用产生的沉淀或拮抗作用，混合液会产生沉淀的肥料要单独施用。推广应用水肥一体化，优先施用能满足农作物不同生长发育期养分需求的水溶性复合肥，充分考虑农田用水方式对施肥的影响，科学制定施肥方案，满足作物养分需求。

5.4水肥一体化优势

按照肥随水走、少量多次、分阶段耦合的原则，将作物总灌水量和施肥量在不同的生育阶段分配，制定灌溉施肥制度，包括基肥与追肥比例、不同生育期的灌溉施肥次数、时间、灌水量、施肥量等，满足作物不同生育期水分和养分的需要。充分发挥水肥一体化优势，适当增加追肥数量和次数，实现少量多次、提高养分利用率。在生产过程中根据天气情况、土壤墒情、作物长势等，及时对灌溉施肥制度进行调整，保证水分、养分主要集中在作物主根区。

5.5水肥一体化设备控制方式

主要有3种控制方式：

用户通过“智慧灌溉云系统”提供的方案，自动控制灌溉设备，精准完成灌溉流程的智慧灌溉控制方式;

用户通过触摸屏设置灌溉水量、施肥量、灌溉时间等参数，设备自动完成灌溉流程的自动灌溉控制方式;

用户参照水肥一体化灌溉方案，通过操作按钮人工控制设备的启停，满足用户自主进行灌溉施肥需要的手动灌溉控制方式。

6实施水肥一体化效益分析

6.1社会效益

水肥一体化的实施为发展互联网 + 智能节水灌溉和测土配方施肥精准作业模式提供了技术手段，积累了实践经验，加快了现代高效节水农业的发展;

通过大数据分析为政府部门提供辅助决策支持，提高智能灌溉管理和集约化服务的水平与效率。

6.2经济效益

相比“大水大肥”传统灌溉施肥生产方式，采用水肥一体化管理设备的高效节水灌溉工程可以节水20%～80%，节肥50%～60%，大幅提高灌溉用水效率，节约水资源，进而产生巨大经济效益;

可大幅降低用水、用肥和用药成本，提高劳动效率，提高农产品品质，增加农民收入，折算每667m2直接产生200～500元的经济效益。

6.3生态效益

水肥一体化智能灌溉可实现平衡施肥和集中施肥，有效减少肥料挥发和流失，抑制面源污染及过量施肥造成土壤酸化、板结问题，使土地更环保;指导种植户科学灌溉，合理用肥，保障农产品安全。

6.4省工效益

通过标准化种植系统进行种植，灌溉、施肥均实现自动化控制，降低了工人劳动强度，灌溉、施肥用工量减少90%以上。

6.5减害效益

节约用水的同时减少了园区内空气湿度，降低了园区的病虫危害。

6.6品质效益

因水肥一体化可做到配方施肥，满足作物不同生长时期对不同养分的需求，不仅能够使作物生长健壮，还有利于提高产量，改善品质。

7存在的问题与对策

7.1存在的主要问题

水肥一体化技术是现代农业发展产生的一项高效节水节肥的新技术，提高水肥利用效率，不仅能平衡农业发展与水资源短缺日益突出的矛盾问题，还有效的缓解生产中劳动力不足。尽管水肥一体化技术能解决农业生产中的一部分难题，但是在实际推广运行中，遇到的问题和矛盾也很突出，主要有以下几点：

对灌溉与肥料高效结合的设计指标研究不足，系统设计仅重视了水的层面，主要围绕灌水均匀性指标开展，缺少对肥均匀性的设计，缺少对分区轮灌施肥速度、均匀性以及肥效等方面评价研究;

水肥一体化设备的初期投入成本比较高，运行中需要消耗一定的电力资源，农户的认识不够，没有考虑长远综合利益观念;

水肥一体化技术是一门综合性技术工程，涉及设备材料、土壤、农业栽培、水利、智能控制等多种学科知识，技术人员缺乏，技术力量不足，导致各地水肥一体化发展不均衡;

市场没有严格的水肥一体化设备合格规定，有些滴灌施肥设备的稳定性差，产品的精度低，存在质量问题，运行中出现各种各样的纰漏;

施肥设备选型与微滴灌系统运行匹配性差，没有做到因地制宜，不同地区水体质量，水分蒸发速度存在明显差异。比如一些地区水分蒸发快，一些营养成分无法随着水分渗透到作物根系，会在地表产生盐分积累，长时间累积会改变土壤的理化环境，会对作物生长产生不利影响;

传统底肥与水肥一体化优化结合模式研究不足，多数地区仍参考常规灌溉施肥投入，施肥量过大，微滴灌水肥一体化适时适量减施优势未能发挥，灌溉来水无法配套施肥需求。如部分地区仍按传统配水方式供水，无法实现微滴灌水肥适时、适量、精准施用需求;

配套肥料产品开发不足，微滴灌水肥一体化涉及水、植物、土壤、肥料等多学科，需要综合优化以下方面考虑：植物类型和发育期、土壤状态、灌溉水质、肥料价格与便利性。适用于水肥一体化的肥料应该是高品质、高溶解性和高纯度，含盐量降低且pH值较为合适，同时适应相应的农田承包管理模式。

7.2解决方法

7.2.1加强水肥一体化关键技术研究

目前水肥一體化技术在应用过程中存在的诸多问题，归根到底是缺乏基础性研究。因而要做好技术模式的选择和集成创新，并根据各地区的立地环境、土壤条件等制定适宜的科学合理的灌溉制度和施肥方案。

7.2.2加强政府引导和水肥一体化技术的示范推广

政府相关部门应该建立完善的水肥一体化技术服务推广体系，增强示范基地建设投入。微滴灌水肥一体化需要集约式规模化管理，而吉林省乃至我国现状是土地承包分散经营方式，一定程度上制约了发展。通过合作社组织、土地流转等方式，建立水肥一体化高效示范基地，能为我国现代化农业发展起到良好示范带动作用。落实和完善相应的配套政策，建立水肥一体化技术的示范区，让农民亲身体会到水肥一体化技术带来的经济效益，充分发挥基层农业技术推广人员的积极能动作用，保证水肥一体化技术推广工作的持续进行。

7.2.3加强水肥一体化技术培训

水肥一体化技术具有一定的专业性，在进行技术推广过程中，尤其要注重培训操作技术和设备运行管理技能。开展田间学校集中培训、组织开展技术交流会等多种形式，加大人才培养投入力度，让农户对水肥一体化技术的操作流程、注意事项进行详细了解。通过成功和失败案例的对比分析、介绍和讲解，加深农户对水肥一体化技术实际应用的认知程度。强化标准体系建设，有效整合水溶肥行业的优势地位，开发更多经济适用、标准化程度高的产品。

7.3发展对策

微滴灌技术为水肥一体化提供了最优的实现平台，水肥效率最高。因此，微滴灌技术是实现国家“一控两减三基本”目标最值得推广的技术措施;

提高水肥一体化装备与产品集成创新开发，大力推广水溶肥、液态肥产品与技术，打造品牌产品;

培育扶持行业龙头企业横向纵向联合发展，推进灌溉、肥料、信息、互联网等企业协同发展，拓展节水农业产业链，实现水肥一体产业集群式发展;

促进产学研合作，开展作物水肥一体优化模式与运行管理模式制度研究，建立一站式水肥高效服务平台;

研究低能耗小流量滴灌和水肥一体化技术、研究地下防堵防咬滴灌和水肥一体技术、研究与设施农业配套的高效作物管理技术;

研究与设施农业配套的高效作物管理技术及与之相适应的高效、高产的微滴灌水、肥、种子、农艺栽培、机械和自动化等技术与装备。

8水肥一体化技术发展趋势及应用前景

农业物联网是综合互联网、云计算、大数据、移动应用等现代信息技术，为作物精准管理、科学灌溉及施肥提供云服务的智慧系统。农业物联网集作物种植、种植环境、生长态势和肥料农药等信息，结合种植专家经验，通过数学模型形成最佳的水肥一体化灌溉方案，并根据反馈的种植结果信息，持续对专家系统的数学模型和方案进行优化和调整。水肥一体化设备通过农业物联网下载水肥方案，联合移动APP控制外挂扩展设备协同工作，进行定量灌溉和施肥，达到实时、精准、全面、直观的全程监控，全面展现和监测种植区域的大气环境、土壤环境、水质环境、作物长势、设备运行状态、病虫害等情况，推动农产品“安全、高质量、标准化”生产，实现农业生产智能化、经营网络化、管理数据化、服务在线化，加速发展智慧农业，全面提升农业信息化水平。

吉林省是个水资源短缺的省份，人均淡水含量低于全国平均水平，又是我国的粮食生产大省，化肥的消耗量十分巨大，不合理的使用不仅造成资源的浪费，还对土壤和环境造成严重的污染，因此吉林省走高效节水节肥的农业发展道路，大力实施和推广水肥一体化技术是势在必行的，特别是智能水肥一体化技术能提高水肥利用效率，促进农业由高水高肥低效的生产方式向低水低肥高效转变，灌溉和施肥制度有效融合发展，实现“以水带肥，以肥促水、因水施肥、水肥耦合”的技术路线，保障农业的可持续发展，从根本上转变思路，从设施农业走向大田，从经济作物发展到粮食作物，是传统农业迈入现代农业的一次重大变革。加强先进节水技术推广应用，特别是推进现代化信息技术建设，健全完善省级集中存储、统一管理的水利信息资源库，组织研发互联网+水肥一体化管理设备与智能灌溉物联云系统，实现科学调度、合理配水、智能控肥。推广节水新技术、新材料、新产品的应用，完善扶持政策，推广风力提水、光伏扬水、微滴灌等节水节能技术和装备，建成一批高起点规划、高标准建设、高水平运行的经济作物规模化节水节肥示范基地。

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