水肥药一体化灌溉研究进展

杨 欢

(大禹节水集团股份有限公司，甘肃 酒泉 735000)

施用化肥和农药作为农业生产过程中增产增收的主要方法，在全球范围内被广泛应用。21世纪以来，我国每年化肥和农药用量逐年递增，但利用率仅30%左右，氮、磷、钾及重金属等化肥和农药残留物在土壤中大量累积，对土壤、水体等环境影响也越来越突出[1]。随着人口数量增长和环境保护意识的加强，农产品产量需求增加与传统的农业生产过程中水、肥、药粗犷利用之间的矛盾逐渐加深，同时，设施农业与露天农作的经济作物长期连作使得土壤微环境发生严重病变，各种土传病时有发生，在耕地质量下降的同时，农作物产量和品质将会受到严重影响[2]。采取更加科学、精确的施用化肥和农药的措施不仅可以减少资源的浪费，而且对作物果实中农药残留含量进一步降低，从而提升果实品质，有益于居民健康和饮食安全。因此，发展“节水”、“节肥”、“节药”的现代农业对农业可持续发展具有重要意义。

水肥药一体化技术是指按照作物生育期生长需求，按一定的配比，将水、可溶性肥和农药兑在一起，通过一定的灌溉措施，将三者的混合液送入植株根部或叶片等部位[3]。水肥药一体化技术在生姜[4]、甘薯[5]、樱桃[6]、马铃薯[7]等作物增产、提质、减少病虫害、资源高效利用等方面具有显著作用。随着水肥药一体化技术对作物种类、种植方式等方面的研究不断细化，在装备设计、智能化改造、实际生产应用等方面进行了一定的研究和探索。本文将从水肥药一体化设备研发及智能化升级、果蔬生产过程中的水肥药一体化技术应用进行综述，并对水肥药一体化技术目前存在的问题及对策进行分析，以期为我国各类作物水肥一体化技术应用和发展提供借鉴。

1 水肥药一体化设备研发

水肥药一体化技术是水肥一体化和水药一体化技术结合、升华之后的新型节水灌溉、节肥施用、节药施用的新模式。水肥一体化核心理念是依据作物需求，制定科学的水、肥用量，并对二者进行一体化管控，实现水与肥之间的耦合效应，从而实现农田水肥利用效率的提升[8]。水药一体化技术也称作“微灌施药”，其核心理念与水肥一体化类似，是根据作物生育期内用水与用药进行有机结合、融为一体，并借助压力管道等设备将水药溶液送往作物根部或叶片，以达到控制病虫害、保证作物用水需求和节水节药的目的[9]。水肥一体化、水药一体化和水肥药一体化技术的核心理念具有相似之处，其目的也是提供一定的技术手段达到节水、节药、增产、提质、省工和节约化肥的效果，但水肥药一体化技术相比之下更复杂、考虑的要素更多，因此在装置的设计、装置的智能化升级更具有难度。

1.1 水肥药一体化装置设计

水肥药一体化装置(系统)的合理设计是作物能否通过“水肥药”溶液良好生长的重要前提。目前我国众多学者及发明爱好者已在该方面取得良好成果。张健等[10]为弥补水肥一体化和水药一体化技术在灌溉过程中溶液“配比不精准”、“灌溉方式单一”等缺点，进行了水肥一体化精准灌溉系统的研究设计。该系统的组成是在传统的田间灌水管网基础上增加了田间传感器，并组装滴头和喷头。滴头的作用是滴灌施肥，而喷头的作用是喷灌施药，从而达到一个系统，水肥药一体化。水肥一体化精准灌溉系统的水肥和水药精准配比也是通过特定方法计算的，配肥策略是基于Matlab环境下的模糊控制法进行研究的；配药策略是通过控制药品母液通道和清水管道的电磁阀通断时间长短进行研究的。同时，作者以茄科类作物为研究对象，对该精准灌溉系统的实用性和科学性进行实用案例测试。最终结果显示，通过该精准灌溉系统配肥、配药，滴灌施肥和滴灌施药不仅可以达到节水、降低次生盐碱化、保持土壤团粒结构等优势，还能调节田间小气候，有助于推进农业生产可持续发展。

1.2 水肥药一体化的智能化

我国虽然人口众多，但随着人口老龄化程度增加、劳动力减少等新问题的出现，农业机械装备智能化改造是极有必要的，近些年，我国众多研究者已在该方面取得进展。程学军等[11]基于5G物联网技术，研究设计了水肥药一体化精准灌溉控制系统，包含灌溉控制管理、传感器节点与主电路、远程控制、通信接口、硬件电路和实验参数设置等部分设计。该系统的主要特点是通过物联网技术采集数据和处理数据，并且可以根据不同作物生长规律选配适宜的肥料种类，进而满足作物正常生长的营养需求。同时，该系统还可以根据收集的作物生长和田间数据，通过用户调节灌溉制度。类似的研究还有闫龙翔等[12]，将先进的技术(物联网、视觉识别、多种传感器、水肥专家系统等)与水肥药一体化技术融合应用于梨树果园，该系统在实例应用中表现出增产(产量增加8%左右)、提质(可溶性固形物含量增加0.5%左右)、病虫害降低(防效提升13.64%)、减肥(降低40%)。并显示，在应用该系统灌溉、施肥、施药的情况下，采用常规施肥量的60%是较优的施肥量。

2 果蔬生产过程中的水肥药一体化技术

水肥药一体化技术等精准化灌溉系统的应用以高附加值的经济类作物为主，水果蔬菜作为日常生活中两种主要高附加值的经济作物，在水肥药一体化研究方面也有很多研究。蒲昌权等[13]研究了水肥药一体化技术应用于柑橘果园的成效，该研究采用肥料农药减量施用技术和肥料农药精准高效施用技术相结合的方式，融入测土配方施肥、有机肥与无机肥平衡施用、缓/控释肥料技术等化肥减量施用技术和农业、物理、生物防治技术等农药减量控害措施，从而增强了柑橘果园的经济效益和生态能力。与此同时，西瓜生产过程中的水肥药一体化研究也取得了一定成效，古斌权等[14]综合考虑西瓜生长发育和果实品质对水肥药一体化技术应用的响应，结果显示，采用水肥药一体化技术时，50%恶霉灵于清水及水溶肥组合，西瓜病虫害发生率有所降低，同时对西瓜植株的长势和果实品质的提升有作用，相较于水肥一体化和水药一体化的西瓜果实单重、病虫害防治等均有优势。水肥药一体化技术在蔬菜生产中的应用也较多，如赵继艳[15]在冀北山区以黄瓜作为研究对象，对比了常规施肥状况下黄瓜产量、耗水量、施肥量和施药量，结果显示，相比于常规施肥，应用黄瓜水肥药一体化技术的亩增产率为10.1%，同时还可达到节水(62.2%)、节肥(50%)、节药(59.9%)和节约资源的效果，其综合效益明显。

3 水肥药一体化存在的问题及对策

3.1 存在的问题

(1)不同类型的农药具有其特有的性质，混合使用有可能降低功效或损坏设备。在农业生产过程中不同类型的农药发挥的功效也不一样，且有研究表明，水药一体化施用不同类型的农药，会产生矛盾和不稳定的结果。同时，不同质地的农药溶解性差不一致，如黏性过高的农药或将引起管道堵塞和设备损坏。

(2)灌溉系统更安全的设计。在农业灌溉过程中，时常会发生灌溉系统中多余的“水肥药”溶液回流到水源或残留与首部枢纽中，如若发生饮用水泄露或回流，将对饮用水安全造成威胁。同时，过量的“水肥药”溶液很容易入渗深层地下水，农药残留将引发地下水安全问题。

(3)适用于小农生产的水肥药一体化设备欠缺。目前，大部分水肥药一体化设备适用于一定规模的农场，而我国以小农经济为主的生产模式居多，因此，适用于大部分农业生产的水肥药一体化设备较欠缺。

3.2 解决的对策

3.2.1制定水肥药一体化技术使用规范

应通过专业的试验，分作物种类、种植方式、种植地区等不同类型将作物各生育期所需的养分、水分和农药量详细记录并核定，同时记录水肥药一体化设备中“水肥药”溶液的流速、流量、浓度等水力特性，以便后期更好使用该设备进行农业生产。另一方面，过量或者不同种类的化肥和农药、肥料与肥料、农药与农药混合使用有可能影响灌溉设备正常运行，因此，需要科学制定施肥与施药准则，即维护设备正常运行，也增加了“水肥药”溶液的功效。

3.2.2加大产品研发力度

为将节水、减肥、减药的水肥药一体化技术全面推广，小农户生产使用的小型设备必不可少，而且该类型的设备缺口较大，一旦有了较成熟、较经济的产品，将为资源节约型、环境友好型农业发展提供力量。

3.2.3加强病虫害防治、监测和施用策略

病虫害防治作为水肥一体化与水药一体化协同作业的目的之一，即水肥药一体化结合了作物生长过程中需水、需肥和需药的预测和防治，过量灌溉“水肥药”溶液时，其携带的肥料养分和农药残留渗入地下水也会引起地下水污染和土壤污染，因此，为了确保地下水安全，持续性的监测土壤含水量、作物需水量和病虫害情况是有必要的。

3.2.4加强技术人员的培训

产品研发成型与水肥药一体化技术成熟最终是服务于农业生产，而现阶段我国大多数农业生产者的知识储备对先进技术的应用具有一定的挑战，因此，技术开发者、产品制造者等高级技术人员应该定期向广大用户提供技术培训，确保安全、高效的应用水肥药一体化技术和设备。

4 结语

水肥药一体化技术在蔬菜、水果等经济类作物生长过程中，对需水、需肥和需药的精准施加意义重大。这一技术的应用不仅保障了农作物产量和品质有了明显提升，同时对水资源、化肥资源和农药资源的节约显著，更重要的是对农田生态系统，包括土壤微环境、农田小气候等环境方面的改善，为农业生产可持续化提供一种集约化方法。