王自強，王曉旭，段衛(wèi)力，劉東旭，周 偉，王寶杰，鄭雪松*

（1 中化化肥有限公司，北京 100031；2 中化（煙臺）作物營養(yǎng)有限公司）

水肥一體化技術是指根據(jù)作物需求，對農(nóng)田水分和養(yǎng)分進行綜合調(diào)控、一體化管理，以水促肥、以肥調(diào)水，實現(xiàn)水肥耦合[1]。具體做法是：借助壓力系統(tǒng)或者地形的自然落差情況，結合土壤養(yǎng)分含量以及作物營養(yǎng)需求，將可溶性固體肥料或液體肥料配兌成肥液與灌溉水一起，通過管道系統(tǒng)向植物根部供水、供肥。

1 水肥一體化技術推廣現(xiàn)狀

2016 年4 月，農(nóng)業(yè)部辦公廳印發(fā)《推進水肥一體化實施方案（2016-2020 年）》，到2020 年水肥一體化技術推廣面積達到0.1 億hm2，新增533.33 萬hm2。根據(jù)水利部農(nóng)村水利水電司2018 年《農(nóng)村水利水電工作年度報告》數(shù)據(jù)，2016～2018 年我國新增具備水肥一體化技術應用條件耕地面積為433.67 萬hm2。2017 年中國企業(yè)代表團在APEC 工商咨詢理事會上，向亞太合作組織提交《水肥一體化促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展》提案，其主要觀點寫入提交APEC 經(jīng)濟體領導人信函及報告。得益于各國政府重視和市場推動，水肥一體化應用發(fā)展迅速，2013 年全球水肥一體化應用面積101.9 萬hm2已占耕地面積的20.6%[2]。但因肥料和水資源分布、規(guī)模種植程度、農(nóng)業(yè)服務水平、種植者知識結構差異，不同地區(qū)水肥一體化應用推廣并不均衡。

2 水肥一體化技術推廣的必要性

我國水資源總量約為2.8 萬億m3，人均占有量僅為2300m3，約為世界平均水平的1/4[3]。年際年內(nèi)分配不均導致水資源供給可靠性大大降低，氣候變化和極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)使水資源時空分布更加不均[4]。如山東省所處的黃淮海地區(qū)受旱面積和成災面積位居全國首位，1998～2015 年年均受損面積為242.13 萬hm2[5]；云南省在20 世紀80 年代之后旱災呈現(xiàn)明顯加重趨勢，平均3 年左右就有一大旱年[6]；東北地區(qū)干旱亦呈逐年加重趨勢[7]。我國農(nóng)業(yè)用水占比超過60%，且灌溉水利用率僅有46%，而美國已達54%，以色列更是達到87%。故我國農(nóng)業(yè)用水節(jié)水空間更大[8]。推廣水肥一體化技術，加快高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展，是緩解我國水資源緊缺的途徑之一，也是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必然選擇。

2017 年中國化肥使用量為5859 萬t，耕地面積6781.5 萬hm2，667m2均化肥用量遠超過國際防止水體污染設置的安全上限；且中國水稻、玉米、小麥三大糧食作物氮肥、磷肥和鉀肥當季平均利用率分別為33%、24%、42%，仍處于較低水平，還有很大提升空間[3]。水肥一體化應用技術可減少肥料流失和土壤固定，可提高氮肥、鉀肥利用率到60%，磷肥到40%～50%[9]；該技術已經(jīng)成為提高肥料利用效率、轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的關鍵措施。

最新統(tǒng)計我國新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體已達280 萬個，其中家庭農(nóng)場87.7 萬戶，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化組織超過38 萬個，新型規(guī)模種植主體逐步成為中國農(nóng)業(yè)的主力軍。但新興農(nóng)業(yè)主體適應生產(chǎn)力發(fā)展和市場競爭能力明顯不足，大部分處于傳統(tǒng)種植模式，運用先進科技手段進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占比小。降本增效是每個規(guī)模種植農(nóng)場的普遍需求。水肥一體化能夠提高水、肥利用率，從而省水省肥[10-11]；能夠?qū)崿F(xiàn)自動化操作，從而省工；能夠滿足作物不同生長階段水分、養(yǎng)分需求[12]，從而激發(fā)植物潛能增加產(chǎn)量并提升品質(zhì)。水肥一體化技術逐漸受到新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體青睞。

3 水肥一體化技術集成

水肥一體化技術是基于節(jié)水灌溉和植物營養(yǎng)技術的綜合應用：由高效節(jié)水灌溉設計與實施、水溶肥料、根據(jù)作物需水需肥規(guī)律擬合灌溉施肥方案組成。從嚴謹?shù)母咝Ч?jié)水灌溉項目設計開始，根據(jù)設計要求的參數(shù)，安裝性價比高的灌溉施肥設備和選擇便于自動化的水溶性肥料，輔以科學合理的微灌施肥方案，最終形成規(guī)模種植農(nóng)場定制化、科學的水肥綜合管理方案。

3.1 嚴謹?shù)墓?jié)水灌溉項目設計

節(jié)水灌溉規(guī)劃應包括基本資料搜集、技術參數(shù)初定、灌水器選型、管網(wǎng)布置與設計、管網(wǎng)水力計算和首部樞紐設計[13]。規(guī)劃成果應繪制成設計圖紙，包括項目總體平面布置圖、典型工程布置圖、工程系統(tǒng)運行方案圖、工程系統(tǒng)管網(wǎng)連接圖、系統(tǒng)節(jié)點壓力分布圖、各類建筑物結構設計圖和材料設備用量統(tǒng)計表等[14]。

規(guī)劃設計之前需要搜集本地氣象、地形與土壤、水源水質(zhì)、待實施區(qū)種植作物資料和種植主體水肥管理要求。所需氣象資料包括降水量、蒸發(fā)量、凍土層深度等；地形與土壤資料包括海拔高度、土壤質(zhì)地、鹽堿情況等；水源水質(zhì)資料包括地表水或地下水資源選擇、水質(zhì)評價；待實施區(qū)種植作物資料包括作物種類、種植行間距、作物根系深度、需水規(guī)律；農(nóng)場水肥管理要求包括輪灌計劃、自動化水平需求。

根據(jù)搜集到的數(shù)據(jù)資料，推薦水肥一體化項目的設計灌溉保證率、灌溉水利用系數(shù)、土壤潤濕比和灌溉水均勻系數(shù)。《微灌工程技術規(guī)范》（GB/T50485-2009）規(guī)定，微灌工程設計保證率應根據(jù)自然和經(jīng)濟條件確定，但不應低于85%：滴灌灌溉水利用系數(shù)不應低于0.9，微噴灌、小管出流不應低于0.85[15]。

灌水器的選擇關系到灌水質(zhì)量和項目造價。水肥一體化項目灌溉形式按所選灌水器可分為滴灌、微噴灌、小管出流、脈沖微噴灌、滲灌等[16]。灌水器類型會影響土壤潤濕比，但不同作物所要求土壤潤濕比是不同的。通常根據(jù)種植作物種類與種植模式、土壤性質(zhì)及灌水器本身適宜壓力范圍、流量、制造精度和抗堵性能決定灌水器應用類型。為保證灌水均勻，還需選用制造偏差小的灌水器，且穩(wěn)定其工作壓力。

管網(wǎng)是節(jié)水灌溉項目的主體，由干管、分干管、支管和毛管組成，且各級管道設計流量是根據(jù)輪灌方案確定后的輪灌組計算得出的。作物種植方向是以上管道布置的主導因素[17]。需要注意的是，毛管鋪設要順延作物種植方向，且鋪設長度有限值[18]。管網(wǎng)布置形式包括樹狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)，還可以根據(jù)項目要求進行優(yōu)化[19]。管網(wǎng)設計要適應作物種植結構，滿足生長期各階段適時、適量需水要求，結構簡單、方便操作，安全運行。

田間管網(wǎng)水力計算是節(jié)水灌溉管網(wǎng)優(yōu)化的有力支撐。水力計算一般包括灌水小區(qū)水力設計、水頭損失計算、設計流量與設計水頭、節(jié)點壓力平衡和水錘壓力驗算與防護[8]。通常田間管網(wǎng)造價占系統(tǒng)造價1/3 以上。因此，在保證灌水器平均流量和灌水均勻度前提下，通過水力計算合理分配田間管網(wǎng)允許水頭差，選擇合適的支管與毛管規(guī)格，可以使田間管網(wǎng)投資最小[20]。

首部樞紐是全系統(tǒng)調(diào)配中心。其作用是從水源取水加壓并注入肥料，經(jīng)凈化處理后按時按量輸進管網(wǎng)、灌水器，擔負整個灌溉系統(tǒng)加壓、供水、過濾、量測和調(diào)控任務[21]。首部樞紐設計內(nèi)容為確定動力系統(tǒng)流量與揚程參數(shù)、過濾設備精度與類型、制定水肥量測與安全防護措施。過濾系統(tǒng)應滿足灌水器對水質(zhì)處理的要求；且壓力損失較小，便于清洗維護；并根據(jù)自動化需要設計自清洗過濾功能[22]。還需要視過濾器自動反沖洗、壓力瞬間過大保護需要增加各種功能閥門。系統(tǒng)工作壓力或流量變幅較大的微灌系統(tǒng)，宜選配變頻調(diào)速設備[23]。

3.2 性價比高的節(jié)水灌溉、施肥設備

3.2.1 灌溉首部選型。水泵選型原則為額定揚程與流量滿足灌溉設計要求。距離地表水源較近宜選擇離心泵，距離水源較遠或采用地下水灌溉宜選用潛水泵[24]。長期運行過程中，水泵平均效率要高，而且經(jīng)常在最高效率點的右側。

從河道或渠道中取水時，取水口應設置攔污柵。從多泥沙水源取水時，應修建沉淀池。根據(jù)水源雜質(zhì)類型選擇離心、砂石介質(zhì)、網(wǎng)式過濾器或疊片過濾器中一種或多種[25]。砂石過濾器以均質(zhì)等粒徑石英砂形成砂床作為過濾載體進行立體深層過濾，是去除水中有機質(zhì)的常見過濾設備。當水中有機物含量超過10mg/L 時，砂石過濾器是最好的選擇[26]。離心過濾器一般成柱狀或錐狀，以離心力和旋流作用進行過濾，適合處理一些雜質(zhì)單一或者沙子、石塊較多的水源。網(wǎng)式過濾器是利用濾網(wǎng)將水中雜質(zhì)與水分離，適合沙?；蚍哿橹饕s質(zhì)水源過濾。疊片過濾器內(nèi)有數(shù)量眾多帶有溝槽的塑料環(huán)形盤鎖緊疊在一起形成的濾芯，過濾精度高、深層過濾攔污能力強。水肥一體化項目中過濾系統(tǒng)往往根據(jù)水源、水質(zhì)選擇以上一種或多種過濾器組合使用。

配施肥機是水肥一體化設備設施的大腦，決定施肥工效，并影響農(nóng)業(yè)種植標準化生產(chǎn)；是高效節(jié)水灌溉首部重要組成部分。與壓差溶肥罐、文丘里注肥機、電動注肥泵、比例注肥泵等施肥裝置相比，自動灌溉施肥機更適合自動化、標準化、精準化的發(fā)展趨勢[27]。根據(jù)作物灌溉施肥指標或閾值設定肥料配比程序，采用模糊控制器控制電動閥開啟時間長短，通過EC 傳感器控制文丘里或施肥泵施肥，滿足不同農(nóng)作物需肥要求，是全自動施肥機設計原理[28]。但由于所用肥料種類、種植者素質(zhì)、水肥習慣傳承，這種施肥機在中國的用戶體驗并不好。近來，一款根據(jù)中國高含量、高密度、高粘度、可含有機質(zhì)水溶肥特性，通過泵和電磁閥控制、軟件設定施肥面積，自動完成所需高氮、高磷、高鉀、有機水溶肥定量桶混，形成母液并將母液按比例或定量添加到灌溉水中的施肥機受到行業(yè)關注，被越來越多規(guī)模種植農(nóng)場選擇。

水表的選擇要考慮水頭損失值在可接受范圍內(nèi)，測量范圍比系統(tǒng)實際水頭略大的壓力表，以提高測量精度并配置于肥料注入口上游，防止肥料腐蝕水表。同時在過濾器前后均設置壓力表，以便根據(jù)壓差確定清洗時機。過濾器頂部和下游各設一個進排氣閥，其作用為系統(tǒng)開啟充水時排除空氣，系統(tǒng)關閉時向管網(wǎng)補氣，以防止負壓產(chǎn)生[29]。

3.2.2 田間管網(wǎng)。管道是灌溉輸水項目重要組成部分。管道選材、選型直接影響到項目建設質(zhì)量和造價。灌溉項目中常用塑料管道、金屬管道和復合管道，其中塑料管道用量最大。塑料管道中三大主流管道為：聚氯乙烯（PVC）管、聚乙烯（PE）管和聚丙烯（PP）管[30]。

PVC 管道是以氯乙烯樹脂單體為主，加入必要添加劑，用擠出成型法制成的熱塑性塑料圓管。具有一定耐腐蝕性能，一般用于常溫介質(zhì)輸送。在水肥一體化項目中常作為干管、分干管地埋使用。聚乙烯塑料（PE）管是以聚乙烯樹脂單體為主，加入必要添加劑，用擠出成型法制成的熱塑性塑料圓管。PE 管具有良好耐低溫性能和韌性，可以在凍土層中使用。根據(jù)加工時壓力和密度不同，聚乙烯塑料管可分為低密度PE（LDPE）管、中密度PE（MDPE）管和高密度PE（HDPE）管。高密度PE 管耐高溫和機械性能好，常用于丘陵或低溫地區(qū)，作為干管、分干管使用。低密度PE 管柔性更優(yōu)，常用做連接滴灌管的支管[31]。

3.2.3 田間首部。田間首部具有二級調(diào)壓、過濾，預防虹吸和水錘功能。由二級疊片過濾器、電磁減壓閥、空氣閥與真空閥組成。

為保證每個灌水小區(qū)灌水均勻度，各灌水小區(qū)的首部安裝具有調(diào)壓（減壓）功能的閥門，可以預先設定所有灌水小區(qū)首部所需壓力[32]。疊片過濾器精度為120目，可以進一步對水質(zhì)進行凈化，以保證滴灌管線經(jīng)長時間使用而不會發(fā)生堵塞。田間首部中的空氣閥，可以排出系統(tǒng)中的空氣，消除氣阻保護系統(tǒng)設備；真空閥可以向系統(tǒng)中補充空氣，防止真空破壞。

3.2.4 灌水器。灌水器的作用是把末級管道中壓力水流均勻而又穩(wěn)定地分配到植物根部[33]。按消能方式分類有彈性膜片消能和長流道消能；按功能分為壓力補償型和非壓力補償型。壓力補償式灌水器主要用于長距離或者存在高差地方鋪設，非壓力補償式用于短距離鋪設。國內(nèi)廣泛使用滴頭、滴灌管或滴灌帶、薄壁滴灌帶等[34]。滴頭流量一般為2、4、8L/h，主要用于株距不統(tǒng)一、地形起伏較大、用水量大的果樹。內(nèi)鑲貼片式或柱式滴灌管或滴灌帶流量一般為1～8L/h，主要用于設施栽培或高端經(jīng)濟作物。相對滴灌帶，滴灌管壽命稍長。薄壁滴灌帶俗稱邊縫式滴灌帶，主要應用于1 年生大田作物（棉花、玉米、加工番茄）及大面積栽培露地蔬菜、甜西瓜等。

3.3 便于自動化使用的水溶性肥料

根據(jù)肥料物理化學特性，很多固體或液體水溶性肥料都適用于水肥一體化系統(tǒng)。水溶肥具有高純度、高溶解度和低含鹽量等特點[35]。水溶肥尤其是液體水溶肥更適合水肥一體自動化系統(tǒng)。

水溶肥是指能夠完全溶解于水的多元素復合型、速效性肥料。可按產(chǎn)品形態(tài)、組分、作用功能進行分類。按產(chǎn)品形態(tài)可分為顆粒、粉劑、水劑3 種；按組分可以分為大量元素水溶肥、中量元素水溶肥、微量元素水溶肥、含腐植酸水溶肥、含氨基酸水溶肥、有機水溶肥料。按添加中量、微量營養(yǎng)元素類型可將大量元素水溶肥料和含氨基酸水溶肥料細分為中量元素型和微量元素型。按添加大量、微量營養(yǎng)元素可將含腐植酸水溶肥料分為大量元素型和微量元素型。含腐植酸水溶肥大量元素型產(chǎn)品可分為固體或液體2 種劑型；微量元素僅有固體劑型。

液體水溶肥是含有一種或一種以上作物所需營養(yǎng)元素的液體產(chǎn)品，這些營養(yǎng)元素作為溶質(zhì)溶解于水中成為溶液，或借助懸浮劑作用懸浮于水中成為懸濁液。其中清液型液體復合肥料由于其各種營養(yǎng)成分均勻地溶解在水中，使其在機械施肥中能夠發(fā)揮出固體復混肥料所沒有的優(yōu)越性。清液型液體復合肥可以直接通過滴灌及噴灌系統(tǒng)施用，具有施肥成本低、施肥準確度高、均勻性高、自動化程度高、肥料利用率高等優(yōu)點[36]。

氮、磷、鉀肥是作物生產(chǎn)中最為重要的三大營養(yǎng)元素，合理施氮、有效施磷、高效施鉀是實現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關鍵。大量元素水溶肥施于作物葉片表面或作物根部后，各種營養(yǎng)物質(zhì)可以快速進入作物體內(nèi)，及時補充作物所需大量元素養(yǎng)分。可根據(jù)作物需肥規(guī)律設計大量元素水溶肥中氮、磷、鉀含量。其所用原料與常規(guī)復合肥料略有不同，磷源主要有工業(yè)級磷酸一銨或二銨、磷酸二氫鉀、磷酸脲、聚磷酸銨；氮源主要是銨、硝酸鹽，分別提供銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，不足部分用尿素補足；硝酸鉀、磷酸二氫鉀是主要的鉀源[37]。

含氨基酸水溶肥是指以游離氨基酸為主體，按植物生長所需比例添加適量鈣、鎂中量元素或銅、鐵、錳、鋅、硼、鉬微量元素形成的液體或固體水溶肥料。含氨基酸水溶肥屬于速效肥，其中氨基酸分子可以被植物快速吸收，直接利用[38]。合理使用氨基酸水溶肥，可以提高植株光合速率和氣孔導度，促進光合作用；提高根系活力、增加葉面積，促進作物生長；降低植物體內(nèi)MDA 含量，有利于作物產(chǎn)量形成。

從泥炭、褐煤或風化煤提取而得的，由動植物殘體經(jīng)過微生物分解、轉(zhuǎn)化及化學作用等形成，含苯核、羧基和酚羥基等無定形高分子化合物的混合物為礦物源腐植酸。腐植酸分子同時存在親水集團和疏水基團，具有兩性分子特性；具有較強氧化還原能力；還可以和金屬陽離子形成絡合物。在適合植物生長所需比例的礦物源腐植酸中，添加適量氮、磷、鉀大量元素或銅、鐵、錳、鋅、硼、鉬微量元素而制成的液體或固體水溶肥料即為含腐植酸水溶肥。腐植酸水溶肥可以提高作物抗旱、抗寒、抗病能力，促進作物生長發(fā)育[39]。

水肥一體化項目中，選擇水溶肥時應考慮作物品種和生長發(fā)育時期、土壤質(zhì)地、灌溉水質(zhì)，并注意肥料的使用方法。不同作物具有不同需肥規(guī)律，在作物不同生長時期，需肥規(guī)律也不同。滿足作物對營養(yǎng)的不同需求，合理調(diào)整作物根部土壤微環(huán)境，適當添加植物可吸收的氨基酸是保證施肥效果、提高肥料利用率的關鍵措施。

3.4 科學合理的微灌施肥方案

作物的水肥耦合效應指在以作物為主體構建的生態(tài)體系中，作物周圍水分、肥料這兩類物質(zhì)相互作用而對作物產(chǎn)生影響。通過科學合理的微灌施肥方案，可以實現(xiàn)水分和養(yǎng)分在時空上的耦合，可按照作物長勢和需水需肥規(guī)律控制肥、水配比，一定程度上改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水肥供應不協(xié)調(diào)的弊端。

農(nóng)作物生長中60%養(yǎng)分需要從土壤中攝取。根據(jù)作物對養(yǎng)分需求規(guī)律、土壤養(yǎng)分供應能力和肥料效應特點，在合理使用有機肥基礎上，提出氮、磷、鉀及中微量元素肥料的施用量、施用時期和施用方法的一套施肥技術體系，即為施肥制度。制定施肥制度時，應注意肥料間的拮抗反應，分開施用具有拮抗反應的肥料；根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境溫度，選擇耐不同低溫的液體水溶肥產(chǎn)品。

一般作物生育前期和后期需水較少，中期生長旺盛，需水較多。需水關鍵期多在營養(yǎng)生長向生殖生長過渡階段。根據(jù)作物需水規(guī)律進行合理灌溉，才能擬合成灌溉制度。灌溉制度是指種植前及全生育期內(nèi)灌水次數(shù)、灌水周期、一次灌水延續(xù)時間、灌水定額以及灌水總額，且需水總量和每次灌水量因作物種類和土壤干旱程度而異。制定灌溉制度時，還應注意灌溉水硬度，避免與含磷水溶肥反應生成沉淀而堵塞管道。

因此，通過測土對土壤肥力狀況作出明確判斷，獲悉土壤養(yǎng)分結構是規(guī)模種植主體應用水肥一體化技術的必要環(huán)節(jié)。根據(jù)作物目標產(chǎn)量、需水和需肥特點，分別建立灌溉制度和施肥方案，進一步整合成微灌施肥制度，才能形成科學合理的水肥一體化技術方案。

4 展望

水和肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)資源。水是肥效發(fā)揮的關鍵，而肥是打開水土系統(tǒng)生產(chǎn)效能的鑰匙。水肥一體應是爭取作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的必由之路，是在現(xiàn)有條件下不增加施肥量獲取最大經(jīng)濟效益的一門實用技術；也是我國實現(xiàn)《到2020 年化肥使用量零增長行動方案》重要舉措之一，對我國做好農(nóng)業(yè)節(jié)水、促進水資源可持續(xù)利用，加快發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有重要意義。

水肥一體化技術是實現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、商品化的最佳模式，但在推廣中也面臨諸多挑戰(zhàn)。最突出的就是安裝水肥一體化設施的用戶缺乏水、肥管理專業(yè)指導，沒有根據(jù)土壤和作物需肥規(guī)律制定施肥方案，產(chǎn)生養(yǎng)分配比、用量不當及施肥不合理等問題。不僅沒有達到節(jié)水節(jié)肥目的，反而造成資源的浪費。隨著水肥一體化技術的深入推廣，規(guī)模種植主體必將綜合灌水、施肥及其他農(nóng)藝管理，提升作物種植管理水平，進一步實現(xiàn)降本增效。