新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師石河子市水利工程管理服務(wù)中心 張佳

水肥一體化技術(shù)是指使用相關(guān)設(shè)備將灌溉、施肥融合，根據(jù)作物需求及狀況，按時按量地將水肥均勻地作用于植物根系生長處，實現(xiàn)對田間土壤環(huán)境和水肥含量的協(xié)同調(diào)控、綜合管理和高效利用[1]。水肥一體化技術(shù)能夠顯著提高水肥利用效率，減少因過量施肥造成的水體污染，同時可提高經(jīng)濟效益[1-2]。

膜下滴灌技術(shù)的提出促進了新疆農(nóng)業(yè)大發(fā)展，帶動了新疆成為世界上規(guī)?；は碌喂嘧畲蟮膮^(qū)域，并對國內(nèi)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉起到了明顯的示范帶動作用。以新疆為代表的西北干旱區(qū)節(jié)水灌溉雖然取得了巨大的成績，但相比現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)內(nèi)涵，當(dāng)前水肥精量施控技術(shù)仍存在較大差距，面臨的挑戰(zhàn)依然嚴峻，故分析問題提出對策對水肥精量施控技術(shù)進一步發(fā)展具有重要意義。

1 水肥精量施控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代灌溉技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化管理，農(nóng)田尺度提升、應(yīng)用區(qū)域變化以及灌溉水源多樣化都對水肥精量施控技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。受灌區(qū)土壤、環(huán)境等空間變異的影響，將盆栽或小區(qū)等小尺度理想環(huán)境下試驗優(yōu)化得到的水肥灌溉水平直接應(yīng)用到大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中易造成作物水肥需求與實際灌溉不一致，出現(xiàn)水肥浪費或虧缺的現(xiàn)象。此外，毛管壓力偏差與灌水器堵塞也會對水肥灌溉均勻度產(chǎn)生較大影響，降低田間水肥灌溉均勻性[3]。為此，國內(nèi)外學(xué)者圍繞農(nóng)業(yè)精量微灌水肥高效利用、微灌水肥精量施控技術(shù)方法、實踐應(yīng)用及產(chǎn)品研發(fā)等方面開展了大量研究工作。

1.1 水肥耦合提質(zhì)增效理論

水肥互作對作物生理生長指標(biāo)、產(chǎn)量品質(zhì)及水肥利用效率等的影響得到了廣泛且深入的研究。Mostafa等[4]研究了不同水肥水平下滴灌小麥產(chǎn)量和水肥利用效率等，翟娟等[5]通過正交試驗分析了水肥耦合對玉米生長、生理、產(chǎn)量及品質(zhì)等的影響。此外，水肥互作對棉花、番茄、紅棗等作物生長生理指標(biāo)的影響也是眾多學(xué)者關(guān)注、研究的熱點。諸多研究結(jié)果表明，合理的水肥灌溉水平可以顯著提高作物產(chǎn)量品質(zhì)及水肥利用效率。

1.2 水肥一體化灌溉技術(shù)應(yīng)用

在水肥耦合提質(zhì)增效理論基礎(chǔ)上，許多學(xué)者圍繞水肥一體化灌溉技術(shù)應(yīng)用做了大量研究。肖讓等[6]分析了不同灌溉定額和有機肥使用量對制種玉米產(chǎn)量的影響，提出了適于河西走廊制種玉米的最佳水肥組合。王振華等[7-11]人廣泛研究了新疆紅棗、葡萄、番茄、棉花和小麥等典型糧經(jīng)作物的水肥需求規(guī)律，提出了相應(yīng)環(huán)境條件下的最優(yōu)水肥灌溉制度，具體到水肥一體化施控過程，相關(guān)研究主要集中在施肥及水肥管理軟、硬件研發(fā)改進等方面。王來剛[12]使用衛(wèi)星遙感技術(shù)與地面監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的方法，在農(nóng)田尺度上實時對灌溉施肥時機和施用量進行指導(dǎo)，提升監(jiān)測尺度，有效地釋放作物產(chǎn)量潛力，提高了氮肥利用效率。韓文霆等[13]使用無人機遙感數(shù)據(jù)診斷作物水肥需求，指導(dǎo)灌溉決策，解決了瞬時延拓、空間尺度轉(zhuǎn)換精度低等衛(wèi)星遙感監(jiān)測的常見技術(shù)難題。

1.3 水肥精量施控設(shè)備系統(tǒng)的研發(fā)優(yōu)化

為進一步提高水肥協(xié)同調(diào)控精準(zhǔn)度，部分學(xué)者圍繞文丘里施肥器、注肥泵、智能水肥一體機、精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)等軟硬件設(shè)備開展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。國外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達國家如美國、荷蘭、以色列等國在農(nóng)作物精確灌水施肥方面技術(shù)水平較高，土壤的合理采樣方法及養(yǎng)分分布理論研究深入，變量施肥決策和變量投入技術(shù)成熟。以色列Netafim公司開發(fā)了全球先進的智能化精準(zhǔn)水肥灌溉系統(tǒng)，可實時監(jiān)測作物環(huán)境信息、水肥信息等，通過無線傳輸技術(shù)對數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，通過計算機中的模型來處理采集到的信息，生成灌溉施肥決策，用戶足不出戶便可對田間施肥灌溉設(shè)備進行操控。此外，以色列Rivulis、Naandanjain和Bermad公司，以及美國Toro、Rainbird等公司均提出了成熟的精準(zhǔn)微灌方案，涵蓋了灌溉系統(tǒng)的全系列產(chǎn)品。

相對于歐美等國家，我國研究精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)起步較晚。近年來，國內(nèi)很多高等院校和農(nóng)業(yè)科研單位在對國外先進的精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)消化借鑒的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)水肥實踐生產(chǎn)情況開展了大量研究。我國不少學(xué)者通過提出新型水肥診斷決策算法、開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能施肥管理系統(tǒng)等途徑提升田間水肥施控精度。大禹節(jié)水集團股份有限公司研究開發(fā)的新型灌水器具備良好的抗堵性能，可有效提高施肥均勻度，進而提高肥料利用效率12%[14]。中國水利水電科學(xué)研究院針對噴滴灌水肥精量調(diào)控和高效安全利用的需求及存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，在現(xiàn)代灌溉施肥精量調(diào)控原理、新型噴頭和變量灌溉設(shè)備、噴滴灌水肥管理模式等方面進行了系統(tǒng)研究[15]。此外，中國水利水電科學(xué)研究院還提出了考慮土壤空間變異對水肥分布影響的微灌系統(tǒng)設(shè)計新方法，發(fā)展了變量灌溉理論并建成了我國第一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度變量灌溉系統(tǒng)，同時研發(fā)定型了多種配套精量調(diào)控設(shè)備。西北農(nóng)林科技大學(xué)蔡煥杰教授主持完成西北典型農(nóng)區(qū)高效節(jié)水灌溉技術(shù)，提出了不同區(qū)域的節(jié)水灌溉系統(tǒng)技術(shù)解決方案與標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了相應(yīng)的高效節(jié)水灌溉技術(shù)模式，并在陜西、甘肅等西北干旱地區(qū)應(yīng)用示范。這些都有力推動了我國微灌水肥精量施控技術(shù)水平的進步，提升了節(jié)水灌溉領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。

2 新疆水肥施控存在的問題

2.1 灌區(qū)水肥協(xié)同施控不精準(zhǔn)

水肥調(diào)控通常在小微均勻環(huán)境下試驗確定，大田生產(chǎn)實踐中灌區(qū)尺度土壤理化性質(zhì)和環(huán)境參數(shù)等隨空間存在變異，小微均勻環(huán)境下試驗優(yōu)化得到的水肥灌溉措施與大田作物水肥實際需求不一致，一定程度上導(dǎo)致作物面臨水肥脅迫。滴灌管網(wǎng)水壓衰減、灌水器堵塞等亦會對水肥灌溉均勻度產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致灌區(qū)部分區(qū)域作物面臨水肥脅迫等。此外，施肥裝置性能和田間水肥運行管理等亦會影響水肥協(xié)同過程，使得肥液濃度在微灌管網(wǎng)中發(fā)生波動造成施肥均勻性的降低。受大田多因素的共同作用，實踐生產(chǎn)中田間水肥施控精準(zhǔn)度不高，水肥分布均勻度普遍低于80%[3]。

2.2 水肥精準(zhǔn)施控資金投入較大

實現(xiàn)水肥精準(zhǔn)施控，需要依托具有自動化、信息化及智能化等技術(shù)特征的水肥一體機。目前新疆普遍采用壓差施肥罐、自制施肥設(shè)施等進行田間水肥管理，這些設(shè)施設(shè)備雖然性能落后，但其技術(shù)門檻低、資金投入少，深受廣大農(nóng)戶喜愛。而水肥一體機價格普遍昂貴，較高的資金投入成為阻礙水肥一體機替代施肥罐等現(xiàn)有簡易施肥裝置的主要因素。加之新疆大田農(nóng)業(yè)畝均收益不高，采用水肥一體機等綜合經(jīng)濟效益不顯著，進一步影響了水肥一體機等精準(zhǔn)水肥施控設(shè)備在新疆的推廣應(yīng)用。

2.3 田間水肥管理水平低

為推廣水肥一體化技術(shù)，部分地區(qū)積極采購相關(guān)設(shè)備，在軟硬件上已經(jīng)形成比較健全的體系。但目前，水肥管理依賴人為經(jīng)驗，缺乏完善的技術(shù)應(yīng)用管理體系，各項工作流程比較混亂，導(dǎo)致供應(yīng)時間不科學(xué)、水肥施用次數(shù)總量控制不精確、工作效率較低等問題突出，且工作人員不重視設(shè)備的檢查及維修，使得整體工作質(zhì)量并沒有真正達到水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用效果，普遍存在過量灌溉現(xiàn)象，導(dǎo)致每年浪費的水肥資源數(shù)量巨大，既不經(jīng)濟，也對環(huán)境存在潛在影響。這些問題不及時處理，即使擁有先進的灌溉施肥設(shè)備，也很難發(fā)揮其價值，很難形成水肥一體化模式。

3 新疆水肥精量施控技術(shù)發(fā)展對策建議

3.1 精量水肥協(xié)同調(diào)控尺度提升技術(shù)

結(jié)合不同土壤水肥環(huán)境下作物全生育期蒸散特性、根系空間分布、生理、生態(tài)因子的變異性分析，多維度揭示不同水肥組合對作物生長發(fā)育過程及水肥高效利用的調(diào)控機制。利用無人機遙感與地面無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)集成與信息融合技術(shù)，構(gòu)建“空——天——地”立體監(jiān)測體系。結(jié)合田間同步取樣，分析土壤、作物關(guān)鍵參數(shù)時空動態(tài)異變規(guī)律，建立水肥調(diào)控從小區(qū)尺度到灌區(qū)尺度的變量映射函數(shù)，實現(xiàn)精量水肥協(xié)同調(diào)控從小區(qū)到灌區(qū)的尺度提升。

3.2 精量水肥協(xié)同調(diào)控灌溉保障技術(shù)體系

研究灌區(qū)渠系、管網(wǎng)內(nèi)泥沙運移規(guī)律及沉降特征，構(gòu)建從首部到田間的泥沙梯級協(xié)同處理技術(shù)方案，設(shè)計多重高效沉沙池，研發(fā)泵前過濾器、自動反沖洗過濾器及低水損疊片過濾器等配套設(shè)施設(shè)備。分析新疆灌區(qū)灌水器堵塞的主要機理，研究脈沖水壓抗堵塞技術(shù)，研發(fā)新型抗堵塞灌水器等，保障田間水肥均勻灌溉。

3.3 智能水肥管理系統(tǒng)及配套變量施肥裝備

圍繞灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)及作物水肥差異需求，基于遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等提出多目標(biāo)差異化水肥決策模型，研發(fā)智能變量施肥裝備。結(jié)合對策1、2，開發(fā)集自動監(jiān)測、遠程通信、智能決策、自動控制于一體的智能水肥精準(zhǔn)管理系統(tǒng)。優(yōu)化改進相應(yīng)終端App，實現(xiàn)電腦、手機、平板和云平臺等多端實時監(jiān)測管理。

4 結(jié)語

綜上所述，水肥精量施控技術(shù)的運用在提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水肥利用率、提高生產(chǎn)經(jīng)濟效益方面有積極作用。但當(dāng)前新疆地區(qū)水肥精量施控技術(shù)在應(yīng)用時還存在水肥協(xié)同施控不精準(zhǔn)、田間水肥管理水平低等問題，且水肥結(jié)合理論與應(yīng)用研究成果較少，灌區(qū)灌溉水輸配調(diào)度與田間灌排一體化技術(shù)研究基本上處于空白。建議結(jié)合新疆綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水灌溉技術(shù)特征，綜合利用從小區(qū)——灌區(qū)尺度提升的水肥協(xié)同精量施控關(guān)鍵技術(shù)模式、保障技術(shù)體系和研發(fā)配套智能水肥管理系統(tǒng)及配套變量施肥裝備等，解決水肥精量施控技術(shù)存在的問題，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠色生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，夯實干旱區(qū)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。