水肥一体化技术的推广现状与未来发展趋势

2022-03-15北京市农业机械试验鉴定推广站安红艳禹振军张京开

农机科技推广 2022年10期

○北京市农业机械试验鉴定推广站刘旺安红艳禹振军盛顺胡浩张京开

水分和肥料是作物生长不可缺少的基础条件，充分利用两者间的交互协同作用，对我国农业的可持续发展具有重要意义。北京市2017年农业用水量约占全市总用水量的13%，而耕地的灌溉用水约占农业用水量的63%，其中设施农业用水量占耕地灌溉用水的42%。但是，在传统的农业生产过程中，为实现粮食的高产，大多数农户采用“水多肥多”的方式，对水资源和肥料均造成了严重浪费，而且对土壤结构造成了一定破坏，使土壤中的营养元素在水灌溉下被淋洗。

水肥一体化技术可以提高水分和肥料利用率，有助于农业可持续发展，同时还可以降低农作物病虫害，对土壤环境保护及改良具有一定的效果，目前在国际上已得到认可，被认定为最高效的灌溉施肥技术。农业农村部办公厅于2016年印发了《推进水肥一体化实施方案（2016-2020年）》的通知，强调在农业未来发展过程中，要注重农业节水以及水肥资源利用效率的提升。采用水肥一体机技术可以对不同作物进行精细化作业，进而保证资源最大化利用，同时也能保证生产过程的质量安全。该技术对缓解我国水资源短缺，保证国家粮食安全，推动经济可持续发展具有重要意义。所以，应加大水肥一体化技术的推广，走符合中国国情的水肥一体化发展之路。

一、水肥一体化技术应用

我国水肥一体化技术主要有三种应用模式：滴灌水肥一体化技术、微喷灌水肥一体化技术、膜下滴灌水肥一体化技术。有研究表明，滴灌水肥一体化技术可以节水50%以上，可使农作物增产20%以上，水产比提高80%以上，同时可减少农药化肥使用量，对肥料利用率的提高以及环境保护等均有重要作用。微喷灌技术可以提高水肥的利用率，非常灵活方便，可以调节田间小气候。有研究对小麦使用微喷灌技术发现，相对于常规施肥，微喷灌水肥一体化技术可以使小麦增产36.35kg/亩，显著提高了小麦产量。吴晓红等对马铃薯使用膜下滴灌技术，发现该技术可以显著提高马铃薯的产量和品质，同时也可以提高肥料利用率，明显优于传统的施肥方式。Rhein等通过滴灌水肥一体方式，确定了甘蔗的秸秆和糖分随地下灌溉施肥施氮量的增加而增加。Kennedy等以滴灌水肥结合的方式对番茄进行研究，通过减少种植系统中一氧化氮和二氧化氮的含量提高了作物的产量和水肥利用率。

我国水肥一体化技术自1974年开始，在全国已经得到了推广，应用范围广泛，尤其在蔬菜、烟草、果树、马铃薯、棉花等经济作物上应用较多。有研究对黄淮海种植园区的桃树进行水肥一体化应用发现，相对于常规施肥，水肥一体化处理过的桃树每亩产量增幅为10.63%，每亩减少化肥使用量折算为23.65kg。张杰、胡顺新对冬小麦水肥一体化条件下肥料利用率进行探索，发现水肥一体化条件下小麦每公顷增产2223 kg，氮、磷、钾肥的利用率比常规施肥均高出10%以上。董坤将水肥一体化技术在马铃薯种植中使用，发现这种灌溉施肥技术可以提高马铃薯的种植效益。

二、水肥一体化设备现状与推广

计算机技术和传感器设备的迅速发展推动了物联网技术的发展，水肥一体化技术也由当初简单的将水和肥进行混合，逐步向智能化、精细化发展。智能化水肥一体化技术可以根据信息技术和物联网技术搭建水肥一体化平台，在对植物本身不同阶段所需的水肥特征有所了解的基础上，通过平台对农作物所处的阶段以及当前的生长环境进一步认识。国外的水肥一体化技术相较于国内的使用较早，且技术也更为成熟。美国、荷兰、以色列、约旦、西班牙等，都将水肥一体化技术普遍应用在设施农业的发展上。

水肥一体化设备主要有文丘式施肥器、比例施肥泵、旁通施肥罐等。三种设备的优点都很明显，文丘里施肥器结构简单，生产成本低；比例施肥泵结构科学，在施肥过程中可以保持施肥溶液的浓度稳定，而且操作简单、方便；旁通式水肥一体机自身施肥泵仅用于配肥，不参与下游灌溉，故灌溉系统流量不受施肥机影响，适用于大中型灌区、大流量的灌溉系统，同时可以满足设施内单一品种种植，大面积果树、农田施肥灌溉。

水肥一体化技术应用配套的施肥机，大多数核心部件是文丘里或者文丘式的射流器，刘永华等借助CFD方法通过对文丘式的结构进行优化，得出最佳文丘式结构并验证其可行性。也有研究对不同文丘式管数目下吸肥压力进行分析，得到不同压力曲线图。周佳华等以番茄为研究对象，建立了一种新型施肥灌溉决策，并将PID控制技术应用到控制系统的肥液配置中，经研究表明，这种方法不仅能保证番茄良好生长，还能提高节肥率和节水率。魏新华等采用隔膜泵、比例溢流阀、高速开关电磁阀等一系列部件，构建了一套脉宽调制间歇喷雾式变量喷施试验系统。

我国水肥一体化系统存在多地区、多地形适应不足的问题。受地形、气候等影响，不同地区对水肥一体化系统有不同要求。当前农业基础设施建设不足，主要是由于前期的重视程度和投入不足，水肥一体化技术在农村地区应该实施展开，研发更强的设备以促进该技术的发展。

水肥一体机施肥准确，经济适用，易为非专业人员掌握，非常适合在我国山地丘陵区滴灌系统中推广使用，尤其在针对面积比较大的种植区域，省工省力，节水节肥。

三、水肥一体化发展中存在的问题

水肥一体化技术目前虽然得到了推广，但仍然存在一些问题。

1）水肥一体化技术在国内的普及度不高。水肥一体化设备在国外的发展相对较快，尤其是在一些农业发达的国家。由于我国农业发展目前还未达到全面智能化时代，水肥化一体技术应用覆盖面积较小。并且设备的使用也存在一定问题，如果从国外进行设备引进，则成本过高，与我国国情也相悖。而我国当前的水肥一体化设备还存在着监测系统准确度不稳定、控制系统不稳定等问题，从而使我国当前水肥一体化技术处于初步探索阶段。

2）水肥一体化设备在使用过程中通过传感器收集土壤温湿度、养分、酸碱性等信息，传感器需要深入土壤中，久而久之会受到土壤的侵蚀而损坏结构，导致测量的数据和真实值有很大差异，从而影响对土壤肥力情况的判断，对后续工作也造成一定影响。

3）水肥一体化技术的需要掌握的要点较多，对推广人员以及使用这项技术的农民都需要培训，在一定程度上影响了这项技术的推广。

国外研究者将先进的技术应用到水肥一体化设备的设计中，开发出的设备功能性较强、自动化集成度高、智能化高，而且可以满足不同层次的操作需求。相对而言，我国的水肥一体化技术的应用和相关设备与国际上同类技术设备相比，仍然存在一定差距。我国现阶段应针对不同环境下的作物，有针对性的展开水肥一体化技术的研究，对于水肥一体化设备的研发应该紧跟国际趋势，以推动智能化设备的发展。