中国喷灌机现状与发展思考

汤玲迪，袁寿其*，刘俊萍，邱志鹏，马骏，孙向阳，周传国，高志俊

（1． 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2． 江苏华源节水股份有限公司，江苏 徐州 221100； 3． 安徽艾瑞德农业装备股份有限公司，安徽 芜湖 241070； 4． 北京德邦大为科技股份有限公司，天津 301802； 5． 沃达尔（天津）股份有限公司，天津 301600； 6． 江苏旺达喷灌机有限公司，江苏 常州 213151）

中国是水资源最匮乏的国家之一，水资源时空分布极不均匀，农业用水占全国总用水量约62.4%[1]，因此，农业节水是促进水资源可持续利用和保障国家粮食安全的重大战略举措.喷灌是一种农业高效节水灌溉技术，不仅能改善田间小气候，促进作物生长发育[2]，而且对盐碱地也具有良好的淋洗作用[3]，并可利用沼液等有机水肥进行灌溉[4]，因此，喷灌技术与其他高效节水灌溉技术相比具有不可替代的作用.喷灌机是实现喷灌技术的载体，主要有大型喷灌机、中型喷灌机和固定/半固定轻小型喷灌机组三大类型.近10 a来，中国学者从不同角度综合分析了中国灌溉装备的现状和发展趋势[5]，还有学者分别分析了大型喷灌机、卷盘式喷灌机和轻小型喷灌机各自的研究现状和发展趋势[6-8].但随着农业机械化、智能化的快速发展，需要提出适合中国国情、区域资源条件和不同农作物的喷灌机发展策略.

1 喷灌应用现状

1.1 喷灌应用面积

截至2020年的水利数据统计[1]，中国喷灌应用面积10 a变化分析见表1.由表1可知，到2020年，中国喷灌面积Si达461.356亿m2，比10 a前增加了1.52倍，其中，“十二五”期间和“十三五”期间全国喷灌面积分别新增23.8%和23.1%，全国节水灌溉面积Sws分别新增13.7%和21.7%，喷灌面积与节水灌溉面积新增占比分别为19.2%和12.9%.

目前，中国东北地区喷灌面积最大，占全国总喷灌面积47.0%，其中黑龙江省贡献率最大，占东北地区喷灌面积35.3%.其次是华北地区，占全国总喷灌面积22.5%.喷灌技术应用主要集中在北方地区，覆盖了中国粮食主产地.第三是华东地区，占全国总喷灌面积13.2%.可见，喷灌技术应用的区域发展差距较大，北方地区耕地面积大，农作物主要是大田主粮作物，适合大、中型行走式喷灌机作业；南方地区地块散而小，农作物主要是果蔬茶等经济作物，适合轻小型喷灌机应用.

表1 中国喷灌技术应用面积20 a变化分析

1.2 节水灌溉面积对比

中国灌溉面积包括耕地、林地、果园、牧草和其他灌溉面积，近10 a来节水灌溉面积与灌溉面积的占比从43%增加到近50%，节水灌溉仍有50%的发展空间.节水灌溉包括喷灌、微灌、低压管灌和其他灌溉方式.根据中国大陆7个大区分布，节水灌溉技术应用具有明显的区域特征：东北以喷灌为主，占全国喷灌总面积47.0%；西北以微灌为主，占全国微灌总面积60.3%；华北以低压管灌为主，占全国低压灌溉总面积36.9%;华东以渠道及其他灌溉为主，占全国其他灌溉总面积40.6%.总体上高效节水灌溉技术应用面积偏低，喷灌技术应用占比仅为12%，与欧美发达国家相比存在较大差距.

2 喷灌机研究现状与进展

2.1 发展回顾

20世纪20年代，苏联发明了自动旋转喷头和远射程喷灌设备，并将固定或半固定式喷灌系统应用于农田灌溉；20世纪30至70年代，美国推出了具有灌溉管理成本低、自动化程度高、适应大片平整土地等优点的滚移式喷灌机、圆形喷灌机和平移喷灌机；20世纪70年代，欧洲推出了具有适应性强、机动方便的卷盘式喷灌机.欧美发达国家喷灌面积占节水灌溉面积均超过50%.

中国的喷灌技术是从20世纪50年代开始，历经引进、探索、发展、停顿和再发展5个阶段.20世纪70和80年代，研究人员开发了系列轻小型喷灌机组，适应了中国当时农村经济体制和散小农田的灌溉.为适应大田作物机械化灌溉，20世纪80年代又通过引进、消化、吸收，开发了大型圆形喷灌机和平移喷灌机、中型卷盘式喷灌机和滚移式喷灌机，但限于各种原因，发展速度较慢，保有量严重不足.2010年以前，喷灌仍以轻小型喷灌机为主，市场占有率达70%以上.

直到2010年以后，大、中型喷灌机的发展进入快速增长期，“十二五”和“十三五”期间，喷灌面积分别新增23.8%和23.1%.目前，国内的卷盘式喷灌机保有量达10 多万台套，大型喷灌机保有量1.8万多台套，轻小型喷灌机保有量约40万台套，形成了以卷盘式喷灌机、大型喷灌机和轻小型喷灌机为主流喷灌装备的格局，基本适应了中国不同区域不同作物对喷灌装备的需求.

2.2 类型和特点

国内外主流喷灌装备习惯上分为大型中心支轴式（圆形）和平移式喷灌机、中型卷盘式和滚移式喷灌机、轻小型固定式/半固定式喷灌机.但大中小概念很难界定，比如卷盘式喷灌机已经有轻小型机型，圆形和平移喷灌机也可以中型化，因此，将喷灌机分为行走式和固定式2大类型更有实际意义.行走式喷灌机更适合机械化灌溉，减少了大量劳动力，提高了灌溉作业效率.各种喷灌机类型如图1所示，功能特点见表2.

表2 各种喷灌机功能特点

2.3 研究进展与发展趋势

2.3.1 卷盘式喷灌机

卷盘式喷灌机机动灵活、维护方便、适合大中小不同地块规模，是中国近10 a发展最快的喷灌机种类.目前，龙头企业江苏华源节水股份有限公司已研发出新型高效水涡轮、永磁直流电动机和液压马达3种驱动的共3个系列50多种规格，月产能达到800台套.骨干企业有江苏新格灌排设备有限公司、江苏旺达喷灌机有限公司、徐州大有灌排设备有限公司、徐州泰丰泵业有限公司等，骨干企业主要集中在江苏徐州.激光切割机、机器臂焊接等现代加工装备被企业广泛采用，实现了新一代卷盘式喷灌机的产业化，市场占有率达70%，喷灌面积占总喷灌面积的50%左右.

在江苏大学、西北农林科技大学、中国灌溉排水发展中心、中国农业大学等国内高校院所长期努力下，卷盘式喷灌机制造过程中的“卡脖子”关键技术获得了重大突破，整体技术达国际先进水平.中国自主优化的高效水涡轮已完全替代早先引进的第一代水涡轮，效率指标领先国外[9].光伏电驱动技术指标[10]、喷灌均匀性控制与预测技术[11-12]、折叠喷洒臂技术、驱动-传动优化匹配技术[13]等达到国际先进水平.自主研发的卷盘式喷灌机典型研究成果如图2所示.

卷盘式喷灌机由于使用喷枪进行喷洒作业，需要一定的压力才能覆盖一定的喷洒面积，同时还有输水卷管及水涡轮的附加水力损失，所以能耗问题始终是卷盘式喷灌机长期面对的难题.因此，多能互补混合驱动技术、全工况驱动与传动系统调控技术、宽幅桁架喷洒臂及低压微喷头、变量灌溉技术应用、提高PE输水管力学性能和减少壁厚及质量、基于灌水决策的机载物联网控制器、云水肥管理平台等将是下一代卷盘式喷灌机的研发重点.

此外，卷盘式喷灌机将向轻小型化及智能人化方向发展，以适应不同土地规模，特别是小散地块、丘陵山区果蔬茶等经济作物的无人水肥药靶向同步喷施.

2.3.2 圆形和平移喷灌机

圆形喷灌机和平移喷灌机习惯上都称为大型喷灌机，圆形喷灌机也称中心支轴式喷灌机，占大型喷灌机的90%，喷灌面积占总喷灌面积的14%左右[6].国内有现代农装科技股份有限公司、安徽艾瑞德农业装备股份有限公司、沃达尔（天津）股份有限公司、德邦大为（天津）灌溉装备有限责任公司、沧州华雨灌溉设备有限公司、大连雨林灌溉设备有限公司等骨干企业.

在中国农业机械化科学研究院、中国农业大学、中国水利水电科学研究院、西北农林科技大学、江苏大学等国内高校院所的长期研究下，通过引进、消化、吸收，已基本掌握了圆形和平移喷灌机关键技术，实现了整机国产化，打破了国外技术垄断，整体技术达到国际先进水平.喷头配置和行走控制技术[14-15]、变量喷灌技术[16-17]、水量分布特性预测与仿真技术[18-19]、平移喷灌机定位与导航技术[20-21]、水肥一体化技术[22-23]等居国际先进水平.典型研究成果如图3所示.

大型喷灌机是长期停留在田间的灌溉装备，随时可以启动作业，自动化程度较高，因此，基于大型喷灌机平台，实现大型喷灌机多功能化将是其发展方向.除了已有的水肥一体化功能外，在卫星定位和导航技术的支持下，圆形和平移喷灌机将合为一体，形成适应多种地块形状的圆平喷灌机[24]；在喷灌机桁架上附加往复滑动施药系统，实现植保功能等等.

2.3.3 滚移式喷灌机

滚移喷灌机是一种半行走半固定的喷灌机类型，与圆形、平移和卷盘喷灌机相比，自动化程度较低，在喷灌机市场的占有率不高，产业化发展较慢，研究也相对较少.制造企业有现代农装科技股份有限公司等.

中国农业机械化科学研究院较早地开展滚移式喷灌机引进、消化、吸收的研究工作[25]，近来东北农业大学也开展了相关研究[26-27].

滚移式喷灌机应用的主要难点是自动化程度低，在完成一次定点喷灌作业后，移位到下一个位置前和到位后，需要人工将支管与干管的供水栓脱离和连接，因此，研究解决支管和干管供水栓自动连接问题是滚移式喷灌机今后的发展方向.

2.3.4 轻小型喷灌机

轻小型喷灌机是中国传统的喷灌机型，“十二五”以前喷灌以轻小型喷灌机为主，长期以来为中国农业节水和抗旱发挥了重要作用.目前国内骨干企业有江苏旺达喷灌机有限公司、江苏国农泵业有限公司、常州金坛天鹅喷灌机械有限公司等，江苏常州是轻小型喷灌机企业的主要集聚地.

江苏大学等国内高校院所对中国轻小型喷灌机关键技术开展了长期研究. 20世纪70和80年代，主要针对喷头、喷灌均匀性、机组配套等进行研发，先后完成了PY1摇臂喷头全国联合设计和PY2摇臂喷头系列研发；“十五”和“十一五”期间，独创了隙控式射流喷头，开发了射流式自吸泵及低能耗机组，探索了非圆形域喷洒方法及喷头结构等；“十二五”期间，完善了变域变量喷洒方法与喷头结构，独创了喷滴灌两用机组等，形成了低能耗变量轻小型喷灌机组；“十三五”期间，自主优化的低压旋转喷头性能优于国外，研发了无蓄电池太阳能抽水系统，发明了新型负压反馈射流喷头及水药一体微喷头等，形成了中国新型绿色轻小型喷灌机组.新型轻小型喷灌机典型研究成果如图4所示.

目前，轻小型喷灌机的市场占有率受卷盘式喷灌机和大型喷灌机的冲击很大，但在低压管灌、抗旱、散小地块丘陵山区和设施农业灌溉时仍发挥很大作用.新能源水泵、低压喷头、水肥一体化设备、智能化是固定喷灌系统今后的发展方向.

2.3.5 总结

从以上喷灌机研究进展可以看出，在土地规模化程度较高但农村劳动力缺乏的情况下，自动化程度较高的圆形喷灌机、平移喷灌机和卷盘式喷灌机发展较快，因而这3种类型的喷灌机的研究热度也较高.新一代卷盘式喷灌机设计理论、关键技术和产品的创新及产业化成果显著，但需要进一步降低能耗、提高智能化水平和应用模式创新等.圆形和平移喷灌机整机已实现国产化，智能变量喷灌、水肥一体化技术的理论与应用成果丰硕，但关键核心部件的设计理论及自主创新仍显不足，在水资源不足、土地规模不大和管理水平不高的地区推广应用，仍有很大局限性.轻小型喷灌机自主创新了众多的新技术和新产品，形成了新型绿色轻小型喷灌机，但成果转化应用及产业化相对薄弱.滚移式喷灌机有待加大自主创新力度，提升自动化程度，加快产业化步伐.在行走式喷灌机的田间管理与应用模式中，随着农业机器人技术的发展，多功能智能灌溉机器人将迎来新的发展机遇.

3 喷灌机发展思考

3.1 资源环境约束与挑战

水资源短缺已成为全球粮食安全的主要制约因素.中国降水时空分布不均，受季风气候及地势的影响，降水量呈南多北少、东多西少的基本格局.而且华北平原区地下水严重超采，形成160 余个地下水超采区.北方地区仅利用全国1/5的水资源，却生产全国一半以上的粮食，承担巨大的资源和环境压力.

康绍忠院士[28]提出，粮食安全的水资源保障应包括水资源的合理配置与高效供给、水资源的农业高效利用、 水污染防治和保护、应对极端气候灾害的水资源保障等方面.因此，在资源环境强约束挑战下，应综合人口、资源、环境、耕地、种植结构、成本等多种因素，选择符合实际的节水灌溉技术.

3.2 发展机遇

3.2.1 国家战略和政策引导

2022年中央一号文件和国家“十四五”规划纲要提出“2022年建设高标准农田1亿亩，累计建成高效节水灌溉面积4亿亩”[29]和 “新建高标准农田2.75亿亩，其中新增高效节水灌溉0.6亿亩”的目标.要求“发展节水农业和旱作农业”“深入实施农药化肥减量行动”[29]，治理农膜污染，“支持将符合条件的盐碱地等后备资源适度有序开发为耕地”[30].《全国高标准农田建设规划》提出,“到2030年建成12亿亩高标准农田”“将高效节水灌溉与高标准农田建设统筹规划、同步实施，完成1.1亿亩新增高效节水灌溉建设任务”[31].

国家为农业节水的发展提供了政策保障和难得机遇，同时，对节水灌溉装备研发提出了更高、更全面的要求.

3.2.2 智慧农业发展机遇

智慧农业是通过现代信息技术和智能装备等与农业深度跨界融合，实现农业生产全过程的信息感知、定量决策、智能控制、精准投入、个性化服务的全新农业生产方式.智慧农业是现代农业科技竞争的制高点，也是现代农业发展的重要方向.美国、德国、英国、日本等国家的农业智能装备研究与应用发展迅速，主要农业生产作业环节已经或正在实现“机器换人”或“无人作业”，大幅度提高了劳动生产效率和农业资源利用效率[32].农业智能装备和农业机器人的科技进步为中国灌溉装备发展带来新的机遇.

3.2.3 农业种植结构变化

2022年中央一号文件要求“在黄淮海、西北、西南地区推广玉米大豆带状复合种植，在东北地区开展粮豆轮作，在黑龙江省部分地下水超采区、寒地井灌稻区推进水改旱、稻改豆试点，在长江流域开发冬闲田扩种油菜”[29].农业种植结构的改变，给黄淮海（华北、华东和华中结合部）、西南等低压管灌和地面灌溉面积较多的地区开展行走式机械化喷灌发展提供了更加有利的条件.

3.2.4 盐碱地改造耕地

习近平总书记在黄河三角洲农业高新技术产业示范区考察调研时指出,“18亿亩耕地红线要守住，5亿亩盐碱地也要充分开发利用.如果耐盐碱作物发展起来，对保障中国粮仓、中国饭碗将起到重要作用”[33].中国可开发利用盐碱地面积多达1 333.4亿m2，主要分布在辽宁、河北、天津、山东等渤海滨海段省市；江苏北部、上海、浙江等黄海、东海滨海段省市；北京、天津、河北、山东、河南、安徽北部和江苏北部等黄淮海平原；福建、台湾、广东、广西、海南岛等南海滨海段省（区）.大多集中在低压管灌和地面灌溉面积较多的华北、华东地区，喷灌机大面积盐碱地改造应用潜力巨大.

3.3 喷灌的优势作用

3.3.1 节水效应对比

喷、微灌是高效节水灌溉技术，微灌最节水，许多研究认为，喷灌比地面灌溉节水30%～50%，微灌较地面灌溉节水50%～70%，低压管灌比渠道灌节水15%～30%.因此，单从节水考虑，节水能力由高到低依次是微灌、喷灌、低压管灌和渠道灌.

喷灌应用最多的是东北地区，占喷灌面积47%，其中黑龙江占35%.微灌面积近10 a增长迅速，其中西北地区超60%，新疆占52%，但同时膜下滴灌的农膜及滴灌带残留污染仍是微灌面临的重大问题.低压管灌主要应用在华北和华东地区，分别占36.9%和28.8%，特别是北方井灌区，可能是造成地下水严重超采的主要原因.华东是渠道地面灌溉面积最大的地区，占40.6%，但节水效果明显不及喷微灌技术.总体上，中国喷微灌面积占比仍然偏低，仅占31%，其中喷灌为12%.因此，建议在中国北方地区，应根据实际情况扩大喷微灌应用面积，减少低压管灌方式，减轻水资源和环境压力.在中国南方地区，加大使用喷灌技术，减少地面灌溉和低压管灌.

3.3.2 投资成本对比

节水灌溉的投资成本由包括水源（泵站）工程、管道或渠道工程、灌溉设备投入、费用、维护等要素构成.一定规模的节水灌溉工程选用不同节水灌溉设备和供水条件等都会影响成本.若水源为渠水、电力配套，按地下水源设计，寿命5 a，（1.33～3.33）×105m2规模农田，供水流量100 m3/h，考虑水肥一体化设备，运输费以1 000 km以内计.以小麦灌溉为例，滴灌首部过滤系统为三级过滤方式，即沉淀池+砂石过滤器+网式过滤器，设计过滤能力为120 m3/h，滴灌带采用机械敷设；卷盘式喷灌机首部过滤系统为一级过滤方式，即沉淀池；圆形喷灌机灌溉小麦毛豆一年两熟轮作；平移喷灌机灌溉小麦玉米一年两熟轮作.不同灌溉方式的投资成本见表3（由华源公司提供）.

可见，随着中国喷灌机国产化程度和性能的提升，喷灌的亩造价已大幅降低，如果计入滴灌带每季使用后的更换费用，喷灌机比滴灌的成本还要低.如果考虑更大规模农田，大型喷灌机的成本会更低.而且喷灌机的设备利用率高、寿命长（平均15 a）、维护费用低、作业效率高.当然，滴灌设备成本也会随着科技进步不断降低，而且在水资源严重匮乏的干旱和半干旱地区，应该首选滴灌.

3.3.3 优势和不可替代性

喷灌的最大优势是使农田灌溉从传统的人工作业变成半机械化、机械化和自动化作业，并正朝着全面智能化方向发展.随着中国经济发展及国力增强，高标准农田建设及农业规模化经营稳步推进，喷灌机性能及功能不断增强，使以往喷灌的局限性逐步转变成发展优势.

喷灌不仅节水，而且能协调土壤水、气、热状况，改善小气候，使作物的蒸腾受到明显抑制，对作物生长发育和品质的提高效果显著.同时喷灌对水质要求不高，可以利用沼液等有机水肥开展作物的灌溉.喷灌还对盐碱地具有良好的淋洗作用，对扩大耕地具有促进作用.在遭遇严重旱情时，喷灌可以及时快速补充粮食作物水分，是抗旱保粮的主要手段.因此，与其他灌溉技术相比，喷灌技术具有不可替代的作用.

4 展 望

4.1 补齐全程机械化短板

长期以来农业机械化注重拖拉机、播种机、收割机、施肥机、植保机等农业机械，而灌溉机械则处于边缘化，灌溉机械化成为全程机械化的短板.当前，随着智慧农业的发展，要求田间管理智能化，而土壤水分管理是作物生长的必要保障，农业全程机械化不能缺席灌溉装备的机械化，行走式喷灌机正是补齐短板的最好灌溉装备.目前，玉米大豆复合种植和夏粮小麦促弱转壮模式等农业种植结构的改变，更加需要全程机械化作业和田间管理，喷灌机水肥变量精准作业将发挥更大作用.

4.2 开辟水肥药同机一体化新模式

国家政策多次强调要深入实施农药化肥减量行动，研发示范高效节水灌溉、测土配方施肥等现代节水节肥农业技术，研究与农艺相适应的精准施肥施药等智能作业装备.“十三五”期间多个国家重点研发计划开展了圆形和平移喷灌机、卷盘式喷灌机水肥一体化作业研究和应用示范，取得了许多研究成果，基于行走式喷灌机平台的施药植保系统也已形成样机，水肥药同机一体化作业新模式将弥补打药机地隙高度低、植保无人机载药量低、续航能力差等不足.

4.3 实现无人化智能化灌溉作业

随着物联网、卫星遥感、人工智能、传感技术和智能控制等领域的科技进步，中国无人农机成为当前研究热点，喷灌机全程无人化智能作业也自然成为今后发展的方向，未来喷灌机将集农田作物水分、养分、病虫害、长势等信息感知技术、智能化决策、精准化作业和智慧化管理于一体，实现全程无缝对接.为解决中国农村“老人化”“空心化”等劳动力短缺突出问题、突破农业全程机械化中农机农艺融合的难点技术提供全程无人灌溉解决方案.