水肥一体化——接地气的“农业生产方式革命”

水肥是农业生产中最重要的两项因素。长久以来，由于水资源紧缺和肥料的不合理施用，约束了我国农业的持续发展。大力发展节水农业，开展化肥用量零增长行动，推广水肥一体化技术，提升农田水生产效率和化肥利用率有利于缓解水资源紧缺，促进粮食作物增产，保障国家粮食安全，是转变农业发展方式和发展现代节水农业的关键举措。正如农业专家所说，水肥一体化是发展现代农业的重大技术，更是建设资源节约、环境友好现代农业的“一号技术”，堪称“农业生产方式的革命”。

一、水肥一体化建设发展历程及相关政策
水肥一体化技术起源于无土栽培，以色列、约旦、澳大利亚、美国等国家推广和应用水肥一体化技术较早。我国的水肥一体化技术则是从1974年开始，可以分为四个阶段：
第一阶段（1975-1980）：
引进墨西哥滴灌设备，开展应用试验。并进行国产设备研发制造生产。1980年，我国第一代成套滴灌设备研制成功；


第二阶段（1981-1996）：
国产设备的规模化生产基础逐步形成，在温室大棚开展滴灌试验。微灌试验得到较好成果。逐渐开展灌溉施肥的研究；


第三阶段（1996-2005）：
逐渐在大田作物上开展水肥一体化试验，新疆和干旱区的棉花膜下滴灌技术取得成功；


第四阶段（2006年至今）：
灌溉施肥理论和技术日趋被重视，水肥一体化技术大面积推广。到如今，水肥一体化技术已经从试点小区发展成为大规模推广应用，并根据区域重点推广相适应的农作物灌溉施肥技术。
国家近年来出台了一系列政策，推进了水肥一体化技术的发展。其中，中央一号文件在2017年首次提到水肥一体化，此后2022年和2023年分层面提出要推进水肥一体化发展，中间几年即使是没有直接提到，但提到的节水、减少化肥使用量以及推进畜禽粪污资源化利用等方面都对水肥一体化的推广有重要作用。具体详见下表：

二、什么是水肥一体化
（一）
水肥一体化概念
根据农业部印发的《水肥一体化技术指导意见》，水肥一体化是利用管道灌溉系统，将肥料溶解在水中，同时进行灌溉与施肥，适时、适量地满足农作物对水分和养分的需求，实现水肥同步管理和高效利用的节水农业技术。


狭义来讲，水肥一体化就是通过灌溉系统施肥，作物在吸收水分的同时吸收养分。通常与灌溉同时进行的施肥，是在压力作用下，将肥料溶液注入灌溉输水管道而实现的。溶有肥料的灌溉水，通过灌水器（喷头、微喷头和滴头等），将肥液喷洒到作物上或滴入根区。广义讲，就是把肥料溶解后施用，包含淋施、浇施、喷施、管道施用等。

（二）
水肥一体化理论基础
参考云南省农业农村厅三农科普文，肥料经过溶解才能被植物吸收，植物通过两张嘴经过扩散和质流过程将营养吸收。植物的大嘴巴是根系—吸收大量的营养元素，小嘴巴是叶片—补充吸收。溶解后的肥料进入土壤溶液，靠近根系表面的养分被吸收，浓度降低，而距离根系表面较远的土壤溶液浓度相对较高，结果产生扩散，养分向浓度低的根表移动，最后被吸收，这是扩散过程。植物在阳光下会产生这样一种现象：叶片气孔张开，进行蒸腾作用，水分损失。因此，靠近根系的水分被吸收了，溶解于水中的养分随着远处的水流向根表也跟着到达根表，从而被根系吸收，这是质流过程。在实践中灌溉和施肥同时进行（也叫水肥一体化管理），这样施入土壤的肥料被充分吸收，肥料利用率大幅度提高。

（三）
水肥一体化的应用规模
国家政策推动各地水肥一体化技术的应用，农业部组织实施节水农业项目，中央财政累计投资已超过1亿元，并在全国20多个省（区、市）集中开展试验试点并集成技术，建立核心示范区约50万亩，涵盖20多种作物。目前，水肥一体化技术已经在超过30个省（区、市）进行推广和应用，从设施农业到大田作物，覆盖棉花、蔬菜、果树、小麦、玉米、马铃薯和大豆等粮食作物，每年推广应用面积约4000万亩。


（四）
水肥一体化的主要模式
1.根据《水肥一体化技术规范总则》，水肥一体化主要有地膜覆盖一次性施肥、垄膜沟灌一次性施肥、地面灌溉施肥、水田覆膜一次性施肥、趁雨施肥、灌溉施肥、膜下滴灌水肥一体化、淋灌水肥一体化、喷灌水肥一体化、沟灌冲肥、座水施肥、注射施肥和底肥施肥。

2.我国根据不同区域的气候特点、水资源现状以及农业种植方式等主要形成了4种水肥一体化模式。
    （1）棉花、玉米、马铃薯膜下滴灌水肥一体化技术模式。适用于北方（东北、西北）等水资源紧缺，但有相应灌溉条件的地区，是集地膜覆盖、微灌、施肥为一体的灌溉施肥模式。


    （2）小麦玉米微喷水肥一体化技术模式。适用于华北、长江中下游等水资源短缺等地区，采用管道输水和微喷带进行灌溉。


    （3）设施农业、果蔬滴灌水肥一体化技术模式。适用于全国范围的设施农业，以机井水或地表水为水源，借助滴灌进行灌溉和施肥。


    （4）果园滴灌、微喷灌水肥一体化技术。适用于全国有水源条件的果园，集微灌和施肥为一体的灌溉施肥模式，每行果树沿树行布置一条灌溉支管，借助微灌系统进行灌溉。

3.根据灌溉方式不同可以分为以下几类：
    （1）滴灌：根据农作物需水规律，通过低压管道系统与安装在毛管上的灌水器，将水和养分一滴一滴、均匀且缓慢地滴入作物根区土壤中。


    （2）喷灌：通过机械和动力设备把水加压，将有压力的水送到灌溉地段，再经过喷头喷射到空中，散成细小的水滴均匀地洒落在地面。


    （3）微喷灌：施肥设备把肥料溶液加入到微喷灌的管道中，肥料跟随灌溉水分均匀地喷洒到土壤表面。


    （4）膜下滴灌：包括覆膜和滴灌，就是在滴灌带的表层进行膜的覆盖。


    （5）集雨补灌：开挖集雨沟，建设集雨面和集雨窖池，再安装小型滴灌设备和田间输水管道，采用滴灌和微喷灌技术，充分利用自然降雨，解决降雨时间与作物需水时间不同步和季节性干旱严重发生的问题。


我国目前的水肥一体化技术应用模式主要有喷灌、滴灌、微喷灌和膜下滴灌等模式。其中，滴灌技术效果最好，最节省肥料。因此，笔者将在下文重点讲述滴灌水肥一体化技术。

三、滴灌水肥一体化技术
（一）
滴灌的应用
一般所有的作物都可以安装滴灌，主要从经济角度及作物的种植方式这两个方面来评价衡量其是否适合安装滴灌。目前推广面积最大的作物是马铃薯、棉花、玉米、柑桔、葡萄、花卉、香蕉和大棚蔬菜等作物。

（二）
滴灌的优缺点
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滴灌的优点
滴灌施肥是一种只施在根部的精确施肥法，可以灵活、方便和准确地控制施肥时间和数量，主要具有节约水资源、成本并增加农作物产量以及提高农产品品质的优点。具体如下：


    （1）节水节肥、提高效益
①节省肥料用量30%～50%以上：肥料利用率显著提高，一是可以根据作物需肥规律进行少量多次施肥；二是可减少因挥发等因素而造成的肥料浪费。


②节省施肥劳力成本90%以上：滴灌系统不需要劳力下地、开沟和覆土，根据相关统计，千亩面积土地可在1-2天内完成。


③提高土地利用率：如沙地、高山陡坡地、轻度盐碱地等的边际土壤可被有效利用。


   （2）增加产量、提高品质
①减少病害：一是滴灌施肥为单株灌溉，可减少病害的传播；二是可以配备农药滴入，防治土壤害虫、线虫以及根部病害。


②减少杂草：滴灌施肥使得行间没有水肥，抑制杂草的生长。


③解决根部缺氧问题：滴灌管可以埋到一定深度的土层，通过空气压缩机给土壤灌气。


④加快作物成熟：精确施肥，作物生长速度快，可提早采收。


⑤改善作物品质：可以在作物不同的生长期提供对应的营业元素，同时避免各元素之间的不良反应，均衡营养。


⑥提高作物抵御不良天气的能力：通过精确的水肥调控，夏季时将农作物根系引入土壤深层，从而避免高温的土壤伤害根系；冬季时将水加温，滴灌到根部。


    （3）节约并保护水资源
①节水达50%以上：一是水肥协调作用，可避免水资源浪费，从而显著减少用水量，二加上设施灌溉本身具有节水效果。


②有利于防止肥料溶入至地下水而污染水体。


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滴灌的缺点
    （1）滴灌设备造价高：滴灌设施的费用和安装维护费用高。


    （2）滴灌喷头易堵塞，检修很麻烦。


（三）
滴灌系统的构成
滴灌系统一般由水源、首部枢纽；PE输水管道和滴头组成。

图片来源：教育部农业节水与水资源工程中心主任李光永《滴灌工程设计》


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水源工程
工程应根据实际情况修建引水、蓄水或提水工程，应修建附属设施、水量调蓄池和沉淀池。水源应是含沙量较小及杂质较少，但含沙量较大时，也可以采用沉淀等方法处理使之变得符合要求。只要符合农田灌溉水质要求，可以是来自河流、湖泊、水库、池塘、山泉、井、塘堰或渠道等。

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首部枢纽
首部控制枢纽是整个滴灌系统的核心部件，它主要是解决水质的过滤问题，而其中包含的设备也是有多项的。其中主要包含水泵、过滤设备、施肥装置、安全保护及量测控制设备等。



    （1）增压设备：宜包括水泵及动力机。

    （2）控制装备：宜包括闸阀、球阀、电磁阀、压力或流量调节阀、泄水阀、逆止阀、进排气阀等。


    （3）计量设备：流量计、水表、压力表等计量设备应保证系统正常运行和对系统工作状态监测。


    （4）施肥设备，常用的施肥装置有压差式施肥罐、注射泵、文丘里施肥器和施肥机等，根据滴灌系统布置的不同，可以采用多种施肥方法。常用的有重力自压施肥法、泵吸肥法、泵注肥法、文丘里施肥法、旁通罐施肥法和比例施肥法等。其中水肥一体机（也就是施肥机）是整个智能水肥灌溉系统的核心。水肥一体机以自控单元为核心，通过传感检测技术、微处理器技术、计算机技术等信息化技术，实现水肥供应的自动管理和分配。系统根据用户设定好的施肥比例、施肥时间及循环模式、平衡条件等各种逻辑组合，由控制器通过一组注肥器电磁阀门和一套监控系统，适时、适量、定比例地将各种肥料注入到灌溉管道中，自动完成施肥任务，合理控制水肥供应。

    （5）过滤设备：其是防堵塞滴灌的关键。滴灌成功的先决条件就是可以选择到合适的过滤器。常用的过滤器分为两类，分别是初级过滤用：砂石分离器、介质过滤器；二级过滤用：网式过滤器和叠片过滤器。过滤器应根据水源水质情况配置相应的规格。

    （6）物联网系统：根据项目要求配备，可以设置将相应的设备将田间气象、土壤和作物生长等信息进行采集、传输、筛选、分析，然后确定适宜的灌溉施肥时间，精准调控灌溉施肥量及周期，并通过远程控制田间水泵和阀门，实现精准灌溉施肥。最终可以在中控室和智能手机端对整个园区的状况进行实时监测。


①田间输配水管网：主要由输水干管、输水支管、输水毛管及连接管件及阀门等组成。


②滴头：是精密的部件，对灌溉用水中的杂质粒度有一定的要求，水应该是粒度不大于120目的。根据土壤的质地来判断并选择适合的滴头流量，一般来说，质地越黏重则要使得滴头流量越小。

（四）
滴灌系统使用年限
全部的滴灌管都生产时就采用了抗老化材料，在没有机械损坏的情况下，厚度对滴灌寿命没有影响。滴灌管有多种规格，越厚越抗机械损伤，壁厚大概0.2mm-1.2mm。若想要使用寿命长，则一次性投入的成本也会相应增加。作物品类的不同以及栽培方式的不同使得对使用年限的要求不同。一般来说，像是草莓这种栽培密度大的作物，经济合理的使用设计年限应该为1—3年，而果树这种栽培密度小的更为经济合理的使用设计年限为8—10年。


（五）
滴灌系统的成本和效益
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成本
滴灌施肥系统的造价主要由设计费、设备材料费、安装费等三部分组成。具体价格取决于地形条件、高差、种植密度、土壤条件、水源条件、交通状况、施肥设备类型、系统自动化程度、材料型号规格、系统使用寿命、技术服务等级等因素。因此滴灌系统不存在一个统一的价格。不管价格如何，其基本功能都是一致的，即均匀出水和均匀施肥。一个大中型的滴灌系统可以控制150-750亩的土地面积。


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效益
安装滴灌后，第一可以节省水、肥料以及劳动力的开支，从而减少成本。根据相关研究，可节约用水在50%以上，节约肥料在30%以上，节约劳力成本在90%以上；第二可以提高产量和品质，从而增加收入。据研究，在玉米、小麦等作物上采用膜下滴灌技术，粮食单位产量大幅提高20%~50%，最高甚至可以增产1倍。



总之，水肥一体化技术可以帮助改善我国粮食绿色增产、有机农产品以及水资源的问题。农业是国民经济的基础行业，虽然目前我国的水肥一体化技术的推广应用仍然存在着各种问题，但水肥一体化和高效节水农业必将是未来的发展方向。我国仍会持续加大该项技术的投入力度，因此可以预见未来将会有更大面积普及的农业水肥一体化技术。