梁 飛
(新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所 新疆石河子 832000)
“有收無收在于水,收多收少在于肥”。 水分和肥料是作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的兩個(gè)重要因子,水肥是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)保證,是糧食增產(chǎn)的基礎(chǔ),同時(shí)水和肥是干旱-半干旱地區(qū)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素,水肥管理在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著重要的意義。水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù),是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的一項(xiàng)高效灌溉和高效施肥技術(shù)[1],被譽(yù)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“一號(hào)技術(shù)”。水肥一體化技術(shù)已經(jīng)成為未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展主流,是實(shí)現(xiàn)“一控兩減”目標(biāo)的重要手段,是化肥減量增效的關(guān)鍵措施之一。
近幾年來,無論在科技文獻(xiàn)還是媒體報(bào)道中,都可以看到“水肥一體化(或者滴灌施肥)膜下滴灌施肥技術(shù)與大田灌溉相比,膜下滴灌施肥技術(shù)自動(dòng)化程度較高,可以實(shí)現(xiàn)‘三省三提高’:節(jié)省灌水量,提高水的利用率;節(jié)省肥料,提高肥料的利用率;節(jié)省勞動(dòng)力,提高作物產(chǎn)量”的描述[2]。大部分科技文獻(xiàn)和媒體報(bào)道均集中在應(yīng)用水肥一體化技術(shù)后作物的增產(chǎn)效果、如何實(shí)現(xiàn)灌溉施肥過程中的水肥高效利用以及怎樣操作能夠?qū)崿F(xiàn)作物高產(chǎn)與水肥高效等方面;少量的文獻(xiàn)報(bào)道了作物水肥一體化高產(chǎn)高效在某一方面的機(jī)制或技術(shù)。但是關(guān)于水肥一體化的問題多停留在水肥耦合或試驗(yàn)研究階段,生產(chǎn)實(shí)踐中缺乏水肥融合的經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際生產(chǎn)中水肥一體化出現(xiàn)了一些協(xié)同融合的問題,本文就協(xié)同視域下水肥一體化發(fā)展中存在的問題進(jìn)行分析和探討。
水肥一體化是一種節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù),即利用管道灌溉系統(tǒng),將肥料溶解在水中,同時(shí)進(jìn)行灌溉與施肥,適時(shí)、適量地滿足農(nóng)作物對(duì)水分和養(yǎng)分的需求,實(shí)現(xiàn)水肥同步管理和高效利用。
陽光、溫度、水分、空氣、養(yǎng)料是作物生長(zhǎng)的五大要素,也是植物的生命線。但是對(duì)于大田作物來講,光照、溫度、空氣是難以調(diào)控的;現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中,水肥是相對(duì)可以調(diào)控的,也是容易管控的兩個(gè)因素。根系是作物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官,也是養(yǎng)分和水分在植物體內(nèi)運(yùn)輸?shù)闹匾课?;作物根系?duì)水分和養(yǎng)分的吸收雖然是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過程,但水分和養(yǎng)分對(duì)于作物生長(zhǎng)的作用卻是相互制約的,無論是水分虧缺還是養(yǎng)分虧缺,對(duì)作物生長(zhǎng)都不利。特別是在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,水分和肥料兩個(gè)體系融為一體,水分與肥料中的氮、磷、鉀等因子之間相互作用而對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的制約和耦合現(xiàn)象或結(jié)果(包括協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)和拮抗效應(yīng)),稱為水肥耦合效應(yīng)。
水肥一體化的理論基礎(chǔ)可簡(jiǎn)單歸結(jié)為:作物生長(zhǎng)離不開水肥,水肥對(duì)于作物生長(zhǎng)同等重要;根系是吸收水肥的主要器官,肥料必須溶于水才能被根系吸收,施肥亦能提高水分利用,水或肥虧缺均對(duì)作物生長(zhǎng)不利;將灌溉與施肥兩個(gè)對(duì)立的過程同時(shí)進(jìn)行并融合為一體,實(shí)現(xiàn)了水肥同步、水肥高效。這個(gè)互助機(jī)制稱為水肥協(xié)同。
人才是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的帶頭人,是助推鄉(xiāng)村振興的奠基石;農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展得怎么樣,說到底,關(guān)鍵在人[3]。實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,必須切實(shí)解決人才瓶頸問題,著力打造一支“懂農(nóng)業(yè)、愛農(nóng)村、愛農(nóng)民”的高素質(zhì)人才隊(duì)伍[4]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)官方就業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在2018年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)的5 144名畢業(yè)生中,僅有400余人畢業(yè)后直接從事農(nóng)林牧漁業(yè),不到畢業(yè)生總數(shù)的8%[5]。
水肥一體化專業(yè)人才涉及到灌溉與土壤肥料兩個(gè)基本學(xué)科。當(dāng)前農(nóng)業(yè)院校中,以中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)為例,節(jié)水灌溉屬于農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè),所在學(xué)院為水利與土木工程學(xué)院;土壤肥料學(xué)科屬于資源環(huán)境科學(xué),所在學(xué)院為資源環(huán)境學(xué)院。對(duì)比2019年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生招生簡(jiǎn)章中的農(nóng)業(yè)水土工程和資源環(huán)境科學(xué)兩個(gè)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和核心課程可以發(fā)現(xiàn),僅資源環(huán)境科學(xué)專業(yè)中有“水資源利用與管理”課程,并無水肥融合的相關(guān)課程??v觀全國(guó)農(nóng)業(yè)高校僅華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、塔里木大學(xué)等少量高校有專門的水肥一體化課程,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等少量高校開始了水肥高效利用相關(guān)實(shí)習(xí)。從水肥一體化人才培養(yǎng)的源頭不難發(fā)現(xiàn),存在專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)數(shù)量不足的問題。另外,從灌溉和施肥兩個(gè)專業(yè)人才成長(zhǎng)體系分析可以發(fā)現(xiàn):灌溉人才多數(shù)屬于工程師系列,施肥人才多數(shù)屬于農(nóng)藝師系列,人才的評(píng)價(jià)體系和考核指標(biāo)不同,灌溉和施肥專業(yè)知識(shí)的融合再次受到制約。整體上講,水肥一體化涉及到灌溉和施肥兩個(gè)專業(yè),但兩個(gè)專業(yè)的人才培養(yǎng)的源頭和成長(zhǎng)過程及評(píng)價(jià)體系都對(duì)水肥知識(shí)的融合具有較大影響,期待水肥知識(shí)深度融合,推動(dòng)水肥一體化技術(shù)能夠更好地發(fā)揮作用。
農(nóng)業(yè)企業(yè)是農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化的重要組成部分,對(duì)加速農(nóng)業(yè)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化、促進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義[6]。水肥一體化技術(shù)的推廣和應(yīng)用同樣離不開農(nóng)業(yè)企業(yè)的推動(dòng)和實(shí)施。但水肥一體化技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,交叉學(xué)科多,涉及工程、農(nóng)藝、生態(tài)、環(huán)境等多個(gè)方面,目前水肥一體化市場(chǎng)是由灌溉企業(yè)和肥料企業(yè)兩個(gè)主體在推動(dòng),但因各自的利益很難對(duì)水肥一體化的發(fā)展達(dá)成共識(shí)。由于水肥一體化本身的特殊性和工程經(jīng)費(fèi)的多元性,一個(gè)水肥一體化示范工程往往由多個(gè)市場(chǎng)主體共同完成,這些市場(chǎng)主體包括水肥一體化工程的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)(尤其是與灌溉相關(guān)的設(shè)計(jì)企業(yè))、施工單位(灌溉工程企業(yè))、肥料供應(yīng)單位(肥料企業(yè))及后期的種植經(jīng)營(yíng)主體等。如此多的市場(chǎng)主體中,水(灌溉)和肥(肥料)具有很重要的決定性和隨機(jī)性,這造成灌溉施工時(shí)只關(guān)注與灌溉相關(guān)的因素,后期施肥時(shí)只能利用未考慮合理施肥的系統(tǒng)進(jìn)行,從而造成大量的水肥不融合。從以下兩個(gè)案例可發(fā)現(xiàn)水肥嚴(yán)重不同步:第一個(gè)案例是河北某灌溉公司建設(shè)的水肥一體化示范基地選用的肥料是總養(yǎng)分為64%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的磷酸二銨作為滴灌肥;第二個(gè)案例是某肥料企業(yè)的產(chǎn)品供應(yīng)到葡萄園,種植戶告訴供應(yīng)商今年滴灌帶堵了,供應(yīng)商只懂得找自身產(chǎn)品的原因,不了解葡萄園的砂石過濾器需要維護(hù)等基本常識(shí)。水肥一體化是將灌溉與施肥兩個(gè)對(duì)立的過程同時(shí)進(jìn)行,并融合為一體的技術(shù),是實(shí)現(xiàn)一加一大于二的同步管理和高效利用,而不是簡(jiǎn)單的組合。因此,灌溉企業(yè)在灌溉設(shè)計(jì)和施工時(shí)要充分考慮作物的需肥規(guī)律、施肥模式及肥料溶解特性等基本因素,肥料企業(yè)施肥時(shí)要充分考慮肥料與灌溉水的反應(yīng)、肥料對(duì)灌溉系統(tǒng)的影響、施肥過程與水肥融合等。只有水肥企業(yè)互相融合,優(yōu)化水肥方案和管理模式,才能推動(dòng)水肥一體化技術(shù)出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。
規(guī)劃是水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提,它制約著工程投資、效益和運(yùn)行管理等多方面指標(biāo),關(guān)系到整個(gè)水肥一體化工程的質(zhì)量及其合理性,是決定工程成敗的重要工作之一。我國(guó)目前絕大部分地區(qū)還沒有將滴灌工程納入農(nóng)田水利工程規(guī)劃之中,在田間設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置上存在死搬硬套他人模式、與當(dāng)?shù)厮室惑w化實(shí)際需求難以完全吻合等問題[7]。水肥一體化中施肥的效率取決于肥料罐的容量、用水稀釋肥料的稀釋度、稀釋度的精確程度、裝置的可移動(dòng)性和設(shè)備的成本及其控制面積等。目前,部分地區(qū)普遍采用不透明的旁通施肥罐,該施肥系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是罐體太小,肥料溶液濃度變化大,過程無法控制;另外大部分施肥機(jī)過分追求功能全面,造成設(shè)備成本過高,嚴(yán)重制約了灌溉與施肥技術(shù)的同步與融合。
滴灌肥是通過養(yǎng)分平衡研究和工藝手段生產(chǎn)的、可面向特定的滴灌作物及一定時(shí)期和某一區(qū)域?qū)S玫亩喾N養(yǎng)分速溶肥料,其主要特點(diǎn)就是針對(duì)性強(qiáng)[8]。但是目前市場(chǎng)上銷售的滴灌專用肥實(shí)為通用肥,另外肥料生產(chǎn)企業(yè)普遍對(duì)農(nóng)化服務(wù)重視不夠,多數(shù)企業(yè)只注重肥料配方的經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品的宣傳,即宣傳企業(yè)產(chǎn)品的多,而對(duì)農(nóng)民用肥指導(dǎo)、服務(wù)的少,更談不上進(jìn)行科學(xué)配方、測(cè)土施肥,造成肥料配方單一且不科學(xué),很難達(dá)到因土、因作物施肥,平衡施肥效果難以實(shí)現(xiàn)。
另外,氮、磷、鉀養(yǎng)分在土壤中的運(yùn)移特點(diǎn)因土壤質(zhì)地、肥料種類以及施肥策略而異。尿素隨水滴施后容易隨水分運(yùn)移[9];全部滴施氮肥的氮養(yǎng)分移動(dòng)距離可以達(dá)到40 cm;磷肥容易被土壤吸附固定,移動(dòng)性相對(duì)氮素而言較弱[10],滴施磷肥的垂直、橫向移動(dòng)距離為0~10 cm;鉀素的移動(dòng)性相對(duì)氮素而言較弱,比磷素強(qiáng),滴施鉀肥的垂直、橫向移動(dòng)距離為0~30 cm[1]。氮、磷、鉀在土壤中的運(yùn)移速度不同,但是目前的滴灌專用肥同時(shí)進(jìn)入施肥系統(tǒng)。由于灌水量以及肥料中不同相對(duì)分子質(zhì)量元素的移動(dòng)特點(diǎn),氮、磷、鉀在根區(qū)分布出現(xiàn)5種情況:氮、磷、鉀都未到達(dá)根區(qū);氮到達(dá)根區(qū),磷、鉀未到達(dá)根區(qū);氮、鉀到達(dá)根區(qū),磷未到達(dá);氮、鉀超過根區(qū),磷剛好到達(dá);最理想的效果,氮、磷、鉀均到達(dá)根區(qū)。因此,在相同的運(yùn)移時(shí)間和灌溉量下,不同的運(yùn)移速度往往造成氮、磷、鉀分布區(qū)與作物根系分布不一致,不利于氮、磷、鉀的吸收,抑制了水肥效率的提高。
農(nóng)業(yè)有著不同于工業(yè)的特點(diǎn),土壤、設(shè)備、作物等因素都可能成為技術(shù)推廣的瓶頸,多方聯(lián)合是打通農(nóng)業(yè)技術(shù)最后一公里的必然選擇。水肥一體化條件下,水分和養(yǎng)分不再是作物生長(zhǎng)發(fā)育的限制瓶頸,根據(jù)作物的雜種優(yōu)勢(shì)理論和群體優(yōu)勢(shì)理論,只有較大的群體才能有較大的光和葉面積,形成生物產(chǎn)量,但適于水肥一體化模式的作物品種期待與水肥一體化融合。與常規(guī)灌溉和施肥方式相比,滴灌施肥作物根區(qū)表層(0~30 cm)土壤水肥含量較高,大量有效水集中在滴頭周圍,由于根系生長(zhǎng)的向水、向肥的特點(diǎn),使其集中分布在土壤表層,因此與之變化相適應(yīng)的水肥一體化的作物株距配置模式期待優(yōu)化,配套農(nóng)機(jī)具急需更新。另外,隨著水肥一體化技術(shù)在大田作物中的大面積應(yīng)用,田間管道鋪設(shè)等工作的用工量非常大,因此農(nóng)機(jī)機(jī)械與水肥一體化技術(shù)的深度融合對(duì)于提升水肥一體化效率具有重要影響。
當(dāng)在含鹽量高的土壤上進(jìn)行滴灌或是利用咸水灌溉時(shí),鹽分會(huì)積累在濕潤(rùn)區(qū)的邊緣,如遇到小雨,鹽分可能會(huì)被沖到作物根區(qū)引起鹽害,這時(shí)應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行灌溉。在沒有充分沖洗條件或是秋季無充足降雨的地區(qū),不要在高含鹽量的土壤上進(jìn)行灌溉或利用咸水灌溉。近十年來,新疆兵團(tuán)大面積推廣膜下滴灌技術(shù),取得了節(jié)水、增產(chǎn)的顯著效果。但膜下滴灌是小定額的連續(xù)供水,屬淺層灌溉,灌溉水沒有深層滲漏,難以利用灌溉水淋洗鹽分到地下水中,鹽分只在土層中轉(zhuǎn)移而無法消除;再加上灌溉水的礦化度較高,土壤水分蒸發(fā)和植株蒸騰后,水去鹽留,使部分團(tuán)場(chǎng)土壤處于較嚴(yán)重的積鹽狀態(tài)。
技術(shù)培訓(xùn)有助于提高農(nóng)工科學(xué)施肥與灌溉意識(shí),普及水肥一體化技術(shù)的理念。農(nóng)民是肥料的最終使用者,應(yīng)向他們傳授科學(xué)施肥與灌溉方法、不同肥料的用途,讓他們學(xué)會(huì)合理搭配使用各種肥料;培訓(xùn)農(nóng)民鑒別肥料的知識(shí)和水肥一體化技術(shù)[11]。加強(qiáng)對(duì)基層農(nóng)技人員的技術(shù)培訓(xùn),讓他們掌握科學(xué)施用水肥的技術(shù),協(xié)助農(nóng)工將所需水肥種類及具體用量、時(shí)期、方法落實(shí)到條田,做好技術(shù)服務(wù)。
采用寬窄行栽培替代傳統(tǒng)的等行栽培[12],由一管多行逐步改變?yōu)橐还軆尚?,窄行中間用于鋪設(shè)滴灌帶,使作物獲得養(yǎng)分和水分的重要營(yíng)養(yǎng)器官——根系分布在滴頭周圍,實(shí)現(xiàn)作物的根區(qū)、灌溉的水區(qū)、養(yǎng)分分布區(qū)基本重合,可有效解決作物生長(zhǎng)過程中水肥根協(xié)調(diào)的問題;另外,寬窄行栽培模式和田間毛管合理配置能夠有效減少實(shí)際灌溉面積,縮短水肥運(yùn)移距離,提高水肥利用率與作物產(chǎn)量。
滴頭流量是滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的因素之一[13],它不僅直接決定著滴灌系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益,而且對(duì)水肥一體化中養(yǎng)分分布特征和作物的灌水效果也有直接的影響。相同質(zhì)地的土壤,灌水量相同時(shí),垂直方向濕潤(rùn)距離隨著滴頭流量的增加而減小,而水平方向濕潤(rùn)距離則隨之增加,滴頭流量不僅會(huì)影響地表徑流,也會(huì)影響濕潤(rùn)面積[14]。但不同土壤具有不同入滲能力,從而導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離不同[15],灌水量對(duì)濕潤(rùn)體形狀和大小的影響比滴頭流量的影響要大[16]。因此根據(jù)土壤特性、滴頭間距和作物根系分布特征,合理選擇滴頭流量,并結(jié)合土壤初始含水率,設(shè)計(jì)單次灌溉量,在作物根區(qū)構(gòu)建一個(gè)與根系分布相對(duì)一致的橢球形或者球形濕潤(rùn)體,對(duì)于提高水肥利用效率有重要意義。
在滴灌施肥過程中,肥水混合效果影響肥料的利用率,采用壓差式施肥裝置一直都存在著肥料溶解和注肥不均等問題[17-18]。目前新疆大部分地區(qū)普遍采用不透明的旁通施肥罐,上述問題尤為突出。因此,在各地區(qū)滴灌系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)過程中,已逐步由施肥泵替代不透明的旁通施肥罐;同時(shí)結(jié)合養(yǎng)分運(yùn)移規(guī)律和運(yùn)移速度,將滴灌肥同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)改為不同時(shí)間注入氮、磷、鉀肥的方式,在作物根區(qū)形成根區(qū)-水區(qū)-氮磷鉀養(yǎng)分分布時(shí)空同步。結(jié)合作物水肥需求規(guī)律,進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉和施肥,促進(jìn)作物對(duì)水肥的吸收,提高氮、磷、鉀的利用效率。
推動(dòng)由政府牽頭,行業(yè)學(xué)會(huì)或者科研單位為技術(shù)保障,企業(yè)和經(jīng)銷商承諾為客觀保障,農(nóng)戶為落腳點(diǎn)的水肥產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟建設(shè)。通過政府的資金和政策引導(dǎo),推動(dòng)滴灌施肥技術(shù)的研發(fā)和推廣;通過政府的監(jiān)控和引導(dǎo),培育符合水肥市場(chǎng)發(fā)展的企業(yè),促進(jìn)農(nóng)戶科學(xué)施肥、合理施肥和灌溉以及購(gòu)買有質(zhì)量保證的肥料。行業(yè)學(xué)會(huì)或者科研單位做到科技人員的科研成果能夠符合農(nóng)工生產(chǎn)實(shí)踐;舉辦培訓(xùn)讓科研成果能夠及時(shí)通過聯(lián)盟傳遞到企業(yè)和農(nóng)工手中,引導(dǎo)農(nóng)工科學(xué)施肥和灌溉;將區(qū)域土壤狀況及作物需肥規(guī)律由聯(lián)盟傳遞給企業(yè),讓科研成果引導(dǎo)企業(yè)創(chuàng)新,推動(dòng)企業(yè)專用肥的開發(fā)。通過企業(yè)和經(jīng)銷商依法經(jīng)營(yíng),合理調(diào)配,促進(jìn)肥料市場(chǎng)有序發(fā)展,防止坑農(nóng)害農(nóng)事件發(fā)生;通過企業(yè)與科技人員之間的合作,推動(dòng)水肥一體化研究和應(yīng)用的發(fā)展。
原農(nóng)業(yè)部提出了到2020年,我國(guó)農(nóng)業(yè)要實(shí)現(xiàn)控制農(nóng)業(yè)用水總量,減少化肥、農(nóng)藥使用量,化肥、農(nóng)藥用量實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)的目標(biāo)[19],而我國(guó)仍然將面臨以占世界7%的耕地養(yǎng)活占世界22%的人口的問題。發(fā)展水肥一體化是解決控水減肥與糧食需求增長(zhǎng)之間矛盾的重要途徑,對(duì)于提高肥料利用率、減輕環(huán)境壓力、保障糧食安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境,具有極其重要的意義。