设施土壤健康与水肥精准管理技术及应用

文丨梁斌 陈清 吕昊峰 周伟伟 徐连发 徐宝刚

截至2022 年， 我国设施蔬菜栽培面积已达5000 多万亩，设施蔬菜栽培发展迅速。 受低温弱光等逆境环境与蔬菜本身特性影响， 设施蔬菜根系发育浅、吸收能力弱，但设施蔬菜生长速度快、短时间内水肥需求量大， 因此其对水肥供应要求也高。

一、研发背景与思路

水肥一体化技术的发展改变了传统大水漫灌的方式，节水节肥潜力大。但由于缺乏精准的技术参数和受传统种植经验的影响， 水肥一体化应用中灌溉施肥过量的现象较为普遍， 导致硝态氮、钙、镁等离子随水流失，钙、镁等碱基阳离子的损失，大大降低了土壤pH 的缓冲能力，酸化风险增大。为了维持养分供应强度，必须通过过量施肥弥补养分的损失， 从而导致不容易淋溶损失的硫酸根等在土壤中大量累积，引发土壤次生盐渍化。研究结果表明，随着设施菜田种植年限的增加，土壤pH 逐渐降低。要避免土壤酸化与盐渍化现象的发生，控制灌溉水量、避免养分淋失是前提，精准控制化肥投入、实现养分供需平衡是关键。

针对上述问题，“设施土壤健康与水肥精准管理技术及应用” 项目首先明确了限制水肥利用效率提高的关键因子，揭示了“土—肥—水—作物”互馈调节机制。在此理论基础上，研发出水肥高效利用与土壤健康保育技术与产品， 突破了养分原位监测与恒浓度供肥等装备， 为智能化应用构建了决策模型与关键装备， 解决了水肥智能装备缺乏精准参数的问题， 实现了全生育期全自动化的水肥标准化管理。 依托“互联网+”与“智能+”，助力技术落地，推动设施农业绿色发展（图1）。

图1 水肥高效利用与土壤健康保育技术路线图

二、研究进展与成效

（一）明确了限制设施蔬菜水肥利用率提高的关键因子，阐明了设施蔬菜“土—肥—水—作物”互馈调节机制，建立了协同管理指标体系

（1）明确了养分损失多、离子活度低、根系吸收弱是限制肥料利用率提高的关键因子。 长期监测结果表明，在设施番茄种植体系中，每季氮素淋失量为450kg N/hm2，占投入量的42%，其中可溶性有机氮占氮素淋失量的32%； 设施蔬菜钾肥施用量是吸收量的1.3～1.5 倍， 钾镁拮抗导致土壤镁离子活度降低是茄果类蔬菜缺镁早衰的重要障碍因子； 长期高强度种植导致设施蔬菜根系有效吸收面积降低68%， 严重制约了根系对水分和养分的吸收， 增加了对高灌溉量与高浓度养分的依赖性。

（2）阐明了设施蔬菜“土—肥—水—作物”互馈调节机制， 揭示了过量灌溉是水肥利用率低、土壤质量退化的根本原因。设施蔬菜栽培中存在“灌水多—施肥高—土退化—根系弱—灌水多”的恶性循环，过量灌溉是养分淋失最直接的驱动因子，超过50%的氮淋失发生在灌溉量大、植株吸收量少的定植前40 天内； 氮素淋洗加剧了土壤钙、镁淋失，钙、镁淋溶是设施土壤酸化的重要驱动因素；设施菜地长期过量施用化肥，增加了根结线虫病害指数和镰刀菌（Fusarium）等致病菌丰度，降低了玫瑰弯菌属（Roseiflexus）等有益菌丰度。 在设施蔬菜绿色生产中，控水是减肥的前提，减肥是土壤健康的基础，增碳是培肥土壤的关键。

（二） 制定了微灌施肥工程适宜性评价方法，创建了氮、 磷调控增效技术与设施土壤健康保育技术， 首创了适用于智能化管理的养分精准管理模型， 集成了以水肥供需平衡为核心的土—肥—水协同调控技术

（1） 制定了微灌施肥工程适宜性评价方法与评价系统。该方法以环境适宜性为核心，装备之间相互匹配为原则， 包含29 个评价指标与79 条评价量化标准（图2），为微灌施肥工程高效运行提供了保障。

图2 微灌施肥工程适宜性评价指标体系

（2）建立了氮素根层调控、磷恒量监控技术。该技术以作物需求为核心，以保持蔬菜根层（0～30cm）合适的养分含量为手段，明确了设施茄果类蔬菜根层土壤硝态氮与有效磷目标含量均为60mg/kg， 硝态氮管理采用实时监测调控的方式，有效磷管理采用前期一次调控的方式。 结合墒情监测， 该技术使灌溉量降低41%， 氮素淋洗量降低194kg/hm2，氮肥利用率提高56%。

（3）集成了以土壤肥力水平为基础，以墒情实时监测与养分供需动态平衡为核心的土—肥—水协同调控技术。 该技术首次在土壤栽培中实现了肥料调控由管数量向管浓度的转变， 为制定水肥智能化管理策略奠定了基础。一是土壤健康管理，首次分类定量了有机物料管理。 以秸秆类为代表的Ⅰ类有机肥，碳氮比≥50，管理过程中以碳定量的方法进行施用， 碳的投入量与土壤有机碳降解平衡，每季有机碳降解量为6～8t/ha，推荐用量为20t/hm2；以畜禽粪便类为代表的Ⅱ类有机肥，碳氮比＜50，管理过程中以磷定量的方式进行管理，有机肥带入的磷量不超过作物需磷量， 推荐用量为3～6t/hm2。 二是水分精准管理， 基于墒情原位监测，将土壤相对含水量控制在70%～75%，确定典型设施茄果类蔬菜湿润土层与湿润比分别为30cm 和40%。 三是养分精准管理，构建了基于供需平衡的养分浓度管理模型（图3），对于高肥力水平土壤，施肥浓度为标准浓度；对于低肥力与中肥力土壤， 施肥浓度分别为标准浓度的1.5 倍和1.2 倍。

图3 基于水肥供需平衡的氮、磷、钾浓度智能管理模型

通过技术的应用，灌溉量降低至200m3/亩（冬春季）和150m3/亩（秋冬季），为传统模式的52%，氮肥利用率由18.6%提高至40.4%。

（三）研制出配方合理、形态配伍、促根功能突出的水溶性肥料，为技术落地提供了物化产品

自主研发了聚磷酸铵生产装置与新型肥料生产技术体系，通过冷凝、通气、回流等途径有效控制了聚磷酸铵的聚合度。 研制了硝铵比为3∶1，以硝硫基为主， 促根功能突出的配方水溶性肥料产品，使根系吸收面积增加1.5 倍。

（四）创建了基于原位监测的水肥技术—智能装备—肥料产品“三位一体” 的水肥智能托管模式，实现了移动端、云端与设备端的深度融合与全生育期全自动水肥精准管理， 助力设施蔬菜生产标准化管理与产业化发展

将水肥精准管理技术转化为控制策略与肥料产品，创建了水肥技术—智能装备—肥料产品“三位一体”的水肥智能托管模式，完成了移动端、云端与设备端的深度融合， 解决了技术数字化程度低、智能装备缺精准技术参数的“卡脖子”问题，在我国设施蔬菜土壤栽培中率先实现了水肥全自动精准管理，填补了国内空白。智能托管模式土壤墒情和施肥浓度控制精度高，省工30%，节水61%，减肥72%， 设施番茄灌溉水分生产率达53kg/m3（每灌溉1 立方米水生产53kg 番茄），优于发达国家水平。

三、国内外相关技术比较

与国内外相关技术相比，“设施土壤健康与水肥精准管理技术及应用”项目具有以下显著优势。

（1）技术方面。一是在控水与氮磷调控增效技术方面，国内外同类技术与产品以控水为前提，减肥很少，或者没有突破土壤精准控水技术；本项目则以控水为前提，以适宜的工程系统为保障。 二是在设施土壤健康保育技术方面， 传统技术在有机物料管理中缺乏分类量化， 很少关注长期效应； 本项目以“增碳补钙、减肥降盐”为核心，注重短期与长期效果，实现了有机物料分类量化管理。三是土—肥—水协同调控技术方面，传统控制施肥数量的方法难以实现智能化管理， 在土壤栽培中无浓度管理策略；本项目基于墒情原位监测的养分管理，施肥管理首次由管数量转变为管浓度，为智能化奠定了基础。

（2）产品方面。 国内外同类产品营养型居多，功能性不强或活性保持时间短， 而本项目研发的高效水溶肥产品促根抗逆，形态配伍，活性持久。

（3）集成方面。打造适合我国设施蔬菜的土壤栽培智能托管模式，实现了全生育期无人值守，形成了标准化水肥管理， 番茄生产中灌溉水分生产率达53kg/m3；荷兰、以色列等国家仅局限于基质栽培， 荷兰番茄生产非循环利用模式的灌溉水分生产率为45kg/m3。