○北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站 劉 旺 安紅艷 禹振軍 盛 順 胡 浩 張京開

水分和肥料是作物生長不可缺少的基礎(chǔ)條件，充分利用兩者間的交互協(xié)同作用，對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。北京市2017年農(nóng)業(yè)用水量約占全市總用水量的13%，而耕地的灌溉用水約占農(nóng)業(yè)用水量的63%，其中設(shè)施農(nóng)業(yè)用水量占耕地灌溉用水的42%。但是，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，為實現(xiàn)糧食的高產(chǎn)，大多數(shù)農(nóng)戶采用“水多肥多”的方式，對水資源和肥料均造成了嚴重浪費，而且對土壤結(jié)構(gòu)造成了一定破壞，使土壤中的營養(yǎng)元素在水灌溉下被淋洗。

水肥一體化技術(shù)可以提高水分和肥料利用率，有助于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，同時還可以降低農(nóng)作物病蟲害，對土壤環(huán)境保護及改良具有一定的效果，目前在國際上已得到認可，被認定為最高效的灌溉施肥技術(shù)。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳于2016年印發(fā)了《推進水肥一體化實施方案（2016-2020年）》的通知，強調(diào)在農(nóng)業(yè)未來發(fā)展過程中，要注重農(nóng)業(yè)節(jié)水以及水肥資源利用效率的提升。采用水肥一體機技術(shù)可以對不同作物進行精細化作業(yè)，進而保證資源最大化利用，同時也能保證生產(chǎn)過程的質(zhì)量安全。該技術(shù)對緩解我國水資源短缺，保證國家糧食安全，推動經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。所以，應(yīng)加大水肥一體化技術(shù)的推廣，走符合中國國情的水肥一體化發(fā)展之路。

一、水肥一體化技術(shù)應(yīng)用

我國水肥一體化技術(shù)主要有三種應(yīng)用模式：滴灌水肥一體化技術(shù)、微噴灌水肥一體化技術(shù)、膜下滴灌水肥一體化技術(shù)。有研究表明，滴灌水肥一體化技術(shù)可以節(jié)水50%以上，可使農(nóng)作物增產(chǎn)20%以上，水產(chǎn)比提高80%以上，同時可減少農(nóng)藥化肥使用量，對肥料利用率的提高以及環(huán)境保護等均有重要作用。微噴灌技術(shù)可以提高水肥的利用率，非常靈活方便，可以調(diào)節(jié)田間小氣候。有研究對小麥使用微噴灌技術(shù)發(fā)現(xiàn)，相對于常規(guī)施肥，微噴灌水肥一體化技術(shù)可以使小麥增產(chǎn)36.35kg/畝，顯著提高了小麥產(chǎn)量。吳曉紅等對馬鈴薯使用膜下滴灌技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以顯著提高馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時也可以提高肥料利用率，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的施肥方式。Rhein等通過滴灌水肥一體方式，確定了甘蔗的秸稈和糖分隨地下灌溉施肥施氮量的增加而增加。Kennedy等以滴灌水肥結(jié)合的方式對番茄進行研究，通過減少種植系統(tǒng)中一氧化氮和二氧化氮的含量提高了作物的產(chǎn)量和水肥利用率。

我國水肥一體化技術(shù)自1974年開始，在全國已經(jīng)得到了推廣，應(yīng)用范圍廣泛，尤其在蔬菜、煙草、果樹、馬鈴薯、棉花等經(jīng)濟作物上應(yīng)用較多。有研究對黃淮海種植園區(qū)的桃樹進行水肥一體化應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，相對于常規(guī)施肥，水肥一體化處理過的桃樹每畝產(chǎn)量增幅為10.63%，每畝減少化肥使用量折算為23.65kg。張杰、胡順新對冬小麥水肥一體化條件下肥料利用率進行探索，發(fā)現(xiàn)水肥一體化條件下小麥每公頃增產(chǎn)2223 kg，氮、磷、鉀肥的利用率比常規(guī)施肥均高出10%以上。董坤將水肥一體化技術(shù)在馬鈴薯種植中使用，發(fā)現(xiàn)這種灌溉施肥技術(shù)可以提高馬鈴薯的種植效益。

二、水肥一體化設(shè)備現(xiàn)狀與推廣

計算機技術(shù)和傳感器設(shè)備的迅速發(fā)展推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水肥一體化技術(shù)也由當(dāng)初簡單的將水和肥進行混合，逐步向智能化、精細化發(fā)展。智能化水肥一體化技術(shù)可以根據(jù)信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建水肥一體化平臺，在對植物本身不同階段所需的水肥特征有所了解的基礎(chǔ)上，通過平臺對農(nóng)作物所處的階段以及當(dāng)前的生長環(huán)境進一步認識。國外的水肥一體化技術(shù)相較于國內(nèi)的使用較早，且技術(shù)也更為成熟。美國、荷蘭、以色列、約旦、西班牙等，都將水肥一體化技術(shù)普遍應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展上。

水肥一體化設(shè)備主要有文丘式施肥器、比例施肥泵、旁通施肥罐等。三種設(shè)備的優(yōu)點都很明顯，文丘里施肥器結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低；比例施肥泵結(jié)構(gòu)科學(xué)，在施肥過程中可以保持施肥溶液的濃度穩(wěn)定，而且操作簡單、方便；旁通式水肥一體機自身施肥泵僅用于配肥，不參與下游灌溉，故灌溉系統(tǒng)流量不受施肥機影響，適用于大中型灌區(qū)、大流量的灌溉系統(tǒng)，同時可以滿足設(shè)施內(nèi)單一品種種植，大面積果樹、農(nóng)田施肥灌溉。

水肥一體化技術(shù)應(yīng)用配套的施肥機，大多數(shù)核心部件是文丘里或者文丘式的射流器，劉永華等借助CFD方法通過對文丘式的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，得出最佳文丘式結(jié)構(gòu)并驗證其可行性。也有研究對不同文丘式管數(shù)目下吸肥壓力進行分析，得到不同壓力曲線圖。周佳華等以番茄為研究對象，建立了一種新型施肥灌溉決策，并將PID控制技術(shù)應(yīng)用到控制系統(tǒng)的肥液配置中，經(jīng)研究表明，這種方法不僅能保證番茄良好生長，還能提高節(jié)肥率和節(jié)水率。魏新華等采用隔膜泵、比例溢流閥、高速開關(guān)電磁閥等一系列部件，構(gòu)建了一套脈寬調(diào)制間歇噴霧式變量噴施試驗系統(tǒng)。

我國水肥一體化系統(tǒng)存在多地區(qū)、多地形適應(yīng)不足的問題。受地形、氣候等影響，不同地區(qū)對水肥一體化系統(tǒng)有不同要求。當(dāng)前農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足，主要是由于前期的重視程度和投入不足，水肥一體化技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)應(yīng)該實施展開，研發(fā)更強的設(shè)備以促進該技術(shù)的發(fā)展。

水肥一體機施肥準確，經(jīng)濟適用，易為非專業(yè)人員掌握，非常適合在我國山地丘陵區(qū)滴灌系統(tǒng)中推廣使用，尤其在針對面積比較大的種植區(qū)域，省工省力，節(jié)水節(jié)肥。

三、水肥一體化發(fā)展中存在的問題

水肥一體化技術(shù)目前雖然得到了推廣，但仍然存在一些問題。

1）水肥一體化技術(shù)在國內(nèi)的普及度不高。水肥一體化設(shè)備在國外的發(fā)展相對較快，尤其是在一些農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家。由于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展目前還未達到全面智能化時代，水肥化一體技術(shù)應(yīng)用覆蓋面積較小。并且設(shè)備的使用也存在一定問題，如果從國外進行設(shè)備引進，則成本過高，與我國國情也相悖。而我國當(dāng)前的水肥一體化設(shè)備還存在著監(jiān)測系統(tǒng)準確度不穩(wěn)定、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題，從而使我國當(dāng)前水肥一體化技術(shù)處于初步探索階段。

2）水肥一體化設(shè)備在使用過程中通過傳感器收集土壤溫濕度、養(yǎng)分、酸堿性等信息，傳感器需要深入土壤中，久而久之會受到土壤的侵蝕而損壞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)和真實值有很大差異，從而影響對土壤肥力情況的判斷，對后續(xù)工作也造成一定影響。

3）水肥一體化技術(shù)的需要掌握的要點較多，對推廣人員以及使用這項技術(shù)的農(nóng)民都需要培訓(xùn)，在一定程度上影響了這項技術(shù)的推廣。

國外研究者將先進的技術(shù)應(yīng)用到水肥一體化設(shè)備的設(shè)計中，開發(fā)出的設(shè)備功能性較強、自動化集成度高、智能化高，而且可以滿足不同層次的操作需求。相對而言，我國的水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用和相關(guān)設(shè)備與國際上同類技術(shù)設(shè)備相比，仍然存在一定差距。我國現(xiàn)階段應(yīng)針對不同環(huán)境下的作物，有針對性的展開水肥一體化技術(shù)的研究，對于水肥一體化設(shè)備的研發(fā)應(yīng)該緊跟國際趨勢，以推動智能化設(shè)備的發(fā)展。

四、結(jié)語

國外水肥一體化技術(shù)與我國現(xiàn)階段對于該技術(shù)的研究和產(chǎn)品相比，依然處于領(lǐng)先水平。我國水肥一體化技術(shù)當(dāng)前理論研究薄弱、產(chǎn)品規(guī)格單一、設(shè)備異地適用性差，針對這些問題，我國應(yīng)該拓寬水肥一體化技術(shù)的理論研究，研發(fā)配套機械設(shè)備，在研究中提高相關(guān)技術(shù)集成度，設(shè)計出適合我國國情的水肥一體化設(shè)備。

水肥一體化技術(shù)有著多種優(yōu)點，應(yīng)該加大其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，這不僅可以讓我國農(nóng)業(yè)發(fā)展質(zhì)量有所提高，還能減少因水肥資源浪費對我國環(huán)境造成的負擔(dān)。因此，要加大政策力度、財政力度，同時做好農(nóng)民對這項技術(shù)的使用工作，讓農(nóng)民能切實地體會到這項技術(shù)的優(yōu)勢進而認可它，才能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。