我国水肥一体作业模式难点及发展方向

史云天，乔清旭，齐瑞锋，安帅霖，孙 鸿

（吉林省农业机械研究院，吉林长春 130000）

0 引言

在可持续发展战略背景下，环境保护问题、资源节约问题尤为重要。我国作为农业大国，农业灌溉用水量占总淡水使用总量的80%，而灌溉水利用率仅为50%左右。农田肥料使用方面，我国传统粗放式施肥方式，肥料使用量较大，每公顷肥料投入约高出世界平均肥料使用的四倍左右，而且肥料利用率低，其中氮、磷、钾肥料的利用率分别为40%、20%、50%。我国目前的施肥方式，造成肥料资源浪费较大、对环境污染严重、破坏农田土质、污染周边水资源、对农产品的品质问题也有所影响。为提高水、肥料的利用率，我们有必要去研发更高效的水肥一体作业技术[1-2]。

随着国家对农业领域的支持和帮助，我国正由传统农业转变为现代化农业，而现代化农业的核心以科学为主，所以在农艺方面，务必实现智慧农业、精准农业、无人作业。水肥一体作业技术可同步完成灌溉、施肥作业，其原理是将水溶性肥料按所需比例溶入水中，通过滴灌方式将药液作用到植株根部。通过结合智能控制技术、远程监测技术等、自动化调节设备，避免水资源浪费、提升施肥效率、实现无人作业、达到了增效、增产、节约资源的目的[3]。

1 国内外发展现状

1.1 国外发展现状

目前美国、西班牙、以色列、日本、德国、法国等农业发达国家，对水肥一体作业模式研究较早，这些国家总体发展趋势是：设施标准化、大型化；作业机械化；设施环境监控自动化、信息化、智能化；农业生产工厂化。

以色列于1960年开始投入使用水肥一体作业模式，目前处于领先水平，在无土栽培、种子培育、农业机械化和农业智能化领域也走在世界前列。作业方式主要采用滴灌输送液料，通过文丘里水泵和水压输送水源的方式，使水肥缓慢作用到植株根系。这种作业方式降低了土壤的破坏性，保证了植株根系的湿度、透气程度、温度及肥料充足，减少蒸发带来的水分流失，减少肥料投入，保护水资源，提高了肥料的利用率。目前水肥一体技术的普及程度达90%以上。

以色列的自动控制技术公司Eldae-shany生产的肥滴佳、肥滴美、肥滴杰等产品，实现了精准施水施肥作业。开发的水肥一体化作业设备，可对作物生长环境实时监测的效果，并将信息传递至处理器，根据不同环境情况来调节肥料投入量，实现了无人作业的灌溉施肥模式。

美国的水肥一体技术发展较早，于1950年开始尝试小规模灌溉施肥作业，随着技术的不断发展，目前美国的该技术也位居世界前列。著名的灌溉公司有KRAIN、rainbird等。依靠先进的信息处理技术、控制技术研制的水肥一体机，实现了大面积灌溉施肥作业，可实时监测并调节植株根部土壤环境，保护植株生长，并达到节水、节肥的目的。

在亚洲地区，韩国、日本也开发了一整套水肥一体作业系统，并投入农业生产中。其中日本的无土栽培技术具有代表性，其控制系统采用多位机控制模式，上位机控制下位机，并且可对植株生长环境进行监测，通过采集各个监测软件的各传感器，了解并掌握植株生长情况，可自动调节水肥喷洒效果，实现了精准水肥一体作业[4]。

1.2 国内发展情况

我国研究水肥一体技术相对较晚，从1974年开始研究[5]，发展至今也取得较大进步。目前，我国水肥一体设备主要应用到滴灌、微喷灌、裸带滴灌、地表下浅埋滴灌作、膜下滴灌。涵盖作物包括玉米、谷物、果蔬、花卉等几十种。

我国东北部作为主要农业生产区域，在使用水肥一体作业模式初期，主要采用膜下滴灌作业方式，该作业方式对水肥利用率较高，相比于常规作业，其节水达50%、节肥达30%。在设备方面，主要以压差施肥罐较多，该设备使用维护简单、成本低，但压差施肥罐的出肥口较小，单次出肥量少，需多次倒肥，作业效率低，出料浓度不均匀[6]。

近年来，基于智能控制技术、遥感技术等技术的发展，信息处理技术与水肥一体设备相结合的作业模式，也备受学者们的关注。李锐利用单片机控制技术设计的水肥一体作业设备，可实时监测EC值及pH值，并根据需要，闭环控制水肥含量，且满足一定含量精度。杨青杰基于PLC控制技术，基于模糊控制方法，设计的水肥一体设备，经试验测试，其作业效果良好、施肥均匀、超出预期效果。黄金鑫等采用膜下滴灌作业方式，利用无人机实时监测植株长势，结合水肥一体设备根据植株不同生长期，优化水肥含量，实现玉米高产并同时做到节水、节肥的目的。

目前，国内水肥一体技术正处于发展高峰期，同时也出现了以安徽省艾瑞德为代表的水肥一体设备公司，该作业模式配套设备正逐步走向市场。但我国使用水肥一体设备的仍处于少数。由于设备不完善导致智能化程度低、机械化程度低、劳动强度大等问题，而且设备价格较高，该技术并没有全面推广使用，许多农户使用该设备，仅仅是用在家用小型温室大棚，并不用于农业生产。

总体来说，我国水肥技术尚不成熟，水肥一体设备仍不完善，其中智能化监测系统、自动控制系统无法做出准确判断；智能化程度不高，许多水肥比例、灌溉、施肥的模式仍需要手动操作；且配套设备故障率高，难以修复。所以我们有必要研制出更加智能、可靠性更强、精度更高的设备。

1.3 全面推广迫在眉睫

就目前水肥作业来看，我国仍以传统粗放式的施肥、灌溉为主。许多地区仍存在漫灌、畦灌、沟灌、淹灌等落后的灌溉方式，作业效率低下，水、肥资源浪费严重。目前，发达国家，其水肥一体化作业模式已全面推广使用。根据国际排灌数据统计，全球喷灌面积已达5300万hm2以上，芬兰、以色列等国家，其推广使用面积已达到90%，而我国使用仅为10%。在施肥方面，我国肥料用量较大，但肥效利用率较低，远低于发达国家水平。为实现节水、节肥、减少人力投入、减少环境污染、增效增收，全面推广水肥一体作业模式是我们重要的一步，也是实现农业现代化的关键一步。

2 存在的问题及发展方向

2.1 目前我国水肥一体作业存在的问题

自1980年进行水肥作业试验研究，我国水肥一体化技术不断完善，相关设备也逐渐走向成熟，发展至今，我国灌溉面积已达2700万hm2。目前仍然存在以下问题。

2.1.1 施量不均问题：我国目前水肥一体化系统以滴灌供料为主，但由于输水管道较长，管道入口压力大于管道端口，使管道压力不均匀，造成滴灌管两侧端口处供给量不同，出现施量偏差。长期作业，出现起始端作物长势较好、末端作物长势较差的问题。

2.1.2 智能化程度较差、监测部件不完善：我国水肥一体化推广使用时间相对较短，设备相对落后，监测装置、控制技术不成熟，缺少更精准、更智能的监测及操作设备。水肥一体化设备作业时，连续均匀向植株根部输送水及肥料。由于检测设备不完善，无法实时监测物料供给量及液料的比例浓度。根据当前作物生长阶段情况所需，无法判断出施水施肥量是否充足，易使植株根系土壤的水、肥过盈，造成土壤环境易发生盐渍化及植株根系窒息的风险。

2.1.3 滴灌方式存在的问题：长期滴灌作业，缺少松土、剪根、除草等作业，田间土壤易板结，影响作物生长发育。

2.1.4 滴灌设备存在的问题：地面滴灌存在毛管、灌水器易老化问题；浅埋滴灌存在无法观察喷头出水量情况及维修困难的问题；由于故障率较高地面滴灌、浅埋滴灌使用较少。结合增产增收、维修、长期使用等方面，目前许多地区采用膜下滴灌的作业方式。但该种滴灌方式是在薄膜温室作业，在作物收获后期，许多薄膜埋入土壤，回收清理困难，对后续作业造成一定干扰，并对环境造成一定污染。

2.1.5 推广使用问题：目前，我国生产经营单位以农户个体为主，思想观念相对保守，文化程度较低，难以接受新型作业模式。而且水肥一体技术，操作困难，对种植专业程度要求较高，许多农户接受较慢。并且现有水肥一体设备仍不成熟，灌溉面积较小、滴灌管、滴灌喷头易损坏、使用及维护成本较高。综上几点，造成水肥作业模式推广困难。

2.2 我国水肥一体作业模式的发展方向

为推广水肥一体作业模式，我们需要从以下几个方面开展工作。

2.2.1 国家重视程度及支持力度：从水肥作业模式的经济效益上来看，该作业模式节水、节肥、节省人力、提高农产品质量、提高农业生产效益、实现对环境的保护。我国应提高对水肥作业模式的重视程度，加大推广力度，主动介绍并宣传该技术。为促进水肥一体设备推广使用效果，需制定相应扶持政策，给予设备资金、购买优惠程度，提高农业补贴，促进农民接受该技术，并积极使用水肥一体化设备。

2.2.2 技术上完善并优化：水肥一体作业技术涉及多个领域，是控制技术、智能监测技术等多项技术的结合。目前，我国水肥一体作业技术仍不完善，对作物施水量、施肥量的监测不足，对水肥比率的控制不达标准，实际作业时出现水肥使用过剩、水肥不足等问题；设备方面，供压水泵、滴灌管、滴灌喷头设计方面也有待提高，水泵压力不足；滴灌管、喷头使用年限较短、易堵塞、损坏等问题严峻。综上所述，要进一步提高水肥推广使用情况，加强水肥技术的完善、设备的优化，才能使之走入市场，达到全面普及的目的。

2.2.3 水肥一体化作业模式应因地制宜分类指导：我国南北跨度较大，各地的地理环境差别较大，其中种植情况、种植环境、施水、施肥情况差别较大。为全面推广使用该作业模式，还需深入了解各地区实际作业环境及作业需求。

2.2.4 农业工作者思想的转变：提供技术培训及支持，加速转变农业工作者传统农业作业思想理念及做法，传播推广水肥一体作业模式，进行知识讲座及相关技术培训，在农村设立水肥试验点，让农民进一步了解并接受新型作业模式。

3 结语

农业作为我国经济基础，农业生产中的农业用水、农用肥料的投入呈增长趋势。在目前对环境保护问题、资源节约问题的前提下，发展水肥一体化作业模式是农业发展的必由之路，对国民经济、生态效益有着重要的意义。我国水肥一体作业技术研究较晚，目前仍存在技术不成熟、设备不完善等问题，希望在未来，随着科技的进步，水肥一体化设备将朝着大型化、智能化、信息化、机械化的方向发展，使水肥一体化的作业模式在我国全面推广使用。