第一章　水肥一體化技術簡介

第一節　水肥一體化技術發展

水肥一體化技術是集節水灌溉和高效施肥于一體的現代農業生產綜合水肥管理措施，具有節水、節肥、省工、優質、高效、環保等優點，已廣泛應用于糧食作物、經濟作物、果樹、蔬菜、花卉、苗木等生產上。

一、水肥一體化技術概述

我國是一個水資源匱乏的國家，人均淡水資源占有量為世界第109位，約為世界平均的1/4，人均占用量僅為2300米3，單位耕地灌溉用水只有178米3/畝，而且在時空分布上極為不均勻，旱災頻繁，降水不均勻。同時，我國是化肥生產和使用大國。據國家統計局數據，2013年化肥生產量7037萬噸（折純），農用化肥施用量5912萬噸；由于施肥的不科學，我國的肥料利用率不高，據2005年以來全國11788個“3414”試驗數據表明，現階段我國小麥氮肥利用率為28.8％、玉米氮肥利用率為30.4％、水稻氮肥利用率為32.3％，距一般發達國家的氮肥利用率40％～60％的水平有很大差距，而磷肥、鉀肥等肥料利用率與發達國家的差距更大。2015年農業部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》力爭到2020年，主要農作物化肥使用量實現零增長，盲目施肥和過量施肥現象基本得到遏制，傳統施肥方式得到改變。其中，水肥一體化技術推廣面積1.5億畝、增加8000萬畝。從2015年起，主要農作物肥料利用率平均每年提升1個百分點以上，力爭到2020年，主要農作物肥料利用率達到40％以上。因此，尋求最佳的水肥管理措施，提高水肥資源利用率，對于解決目前資源短缺、提高資源利用率意義重大，也是發展現代農業、促進農業生產可持續發展的重要保障。

水分和養分的合理調節與平衡供應是作物增產的最關鍵因子，然而傳統的灌溉和施肥是分開進行的。從施肥來看，傳統的施肥方法如撒施、集中施、分層施用、葉面施用等肥料利用率都很低；從灌水來看，傳統的方式是大水漫灌、溝灌等，水分利用效率也較低。在水肥的供給作物生長過程中，最有效的供應方式是如何實現水肥同步供給，充分發揮兩者的相互作用，在供給作物水分的同時最大限度地發揮肥料的作用，實現水肥同步供應，即水肥一體化技術。

水肥一體化技術也稱為灌溉施肥技術，是將灌溉與施肥融為一體的農業新技術，是精確施肥與精確灌溉相結合的產物。它是借助壓力系統（或地形自然落差），根據土壤養分含量和作物種類的需肥規律及特點，將可溶性固體或液體肥料配制成的肥液，與灌溉水一起，通過可控管道系統均勻、準確地輸送到作物根部土壤，浸潤作物根系發育生長區域，使主根根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。通俗地講，就是將肥料溶于灌溉水中，通過管道在澆水的同時施肥，將水和肥料均勻、準確地輸送到作物根部土壤（圖1-1）。

水肥一體化技術在國外有一定的特定詞描述，叫“Fertigation”，是“Fertilization（施肥）的Ferti”和“Irrigation（灌溉）的gation”組合而成，意為灌溉和施肥結合的一種技術。國內根據英文字義翻譯成“水肥一體化”“灌溉施肥”“加肥灌溉”“水肥耦合”“隨水施肥”“管道施肥”“肥水灌溉”“肥水同灌”等多種叫法。“水肥一體化技術”目前廣泛被接受。針對具體灌水方式，又可稱或分為水渠灌溉、管道灌溉、噴灌、微噴灌、泵加壓滴灌、重力滴灌、滲灌等形式。水渠灌溉最為簡單，對肥料要求不高，但這種水渠灌溉不節水；微噴灌、滴灌是根據作物需水、需肥量和根系分布進行最精確的供水、供肥，不受風力等外部條件限制；噴灌相對來說沒有滴灌施肥適應性廣。故狹義的水肥一體化技術也稱滴灌施肥或微噴灌施肥。

二、水肥一體化技術發展概況

1.國外水肥一體化技術的發展歷史

水肥一體化技術是人類智慧的結晶，是生產力不斷發展進行的產物，它的發展經歷了很長的歷史，水肥一體化技術起源于無土栽培技術。早在18世紀，英國科學家John Woodward利用土壤提取液配制了第一份水培營養液。后來水肥一體化技術經過了3個階段的發展。

（1）營養液栽培技術階段　1859年，德國著名科學家Sachs和Knop，提出了使植物生長良好的第一個營養液的標準配方，并用此營養液培養植物，該營養液直到今天還在使用。之后，營養液栽培的含義擴大了，在充滿營養液的砂、礫石、蛭石、珍珠巖、稻殼、爐渣、巖棉、蔗渣等非天然土壤基質材料做成的種植床上種植植物均稱為營養液栽培，因其不用土壤，故稱無土栽培。1920年，營養液的制備達到標準化，但這些都是在實驗室內進行的試驗，尚未應用于生產。1929年，美國加利福尼亞大學的W.F.Gericke教授，利用營養液成功地培育出一株高7.5米的番茄，采收果實14千克，引起了人們極大的關注。被認為是無土栽培技術由試驗轉向實用化的開端，作物栽培終于擺脫自然土壤的束縛，可進入工廠化生產。

（2）無土栽培技術階段　19世紀中期到20世紀中期無土栽培商業化生產，水肥一體化技術初步形成。第二次世界大戰加速了無土栽培的發展，為了給美軍提供大量的新鮮蔬菜，美國在各個軍事基地建立了大型的無土栽培農場。無土栽培技術日臻成熟，并逐漸商業化。無土栽培的商業化生產始于荷蘭、意大利、英國、德國、法國、西班牙、以色列等國。之后，墨西哥、科威特及中美洲、南美洲、撒哈拉沙漠等土地貧瘠、水資源稀少的地區也開始推廣無土栽培技術。

（3）水肥一體化技術成熟階段　20世紀中期至今是水肥一體化技術快速發展的階段。20世紀50年代，以色列內蓋夫沙漠中哈特澤里姆基布茲的農民偶然發現水管滲漏處的莊稼長的格外好，后來經過試驗證明，滴滲灌溉是減少蒸發、高效灌溉及控制水肥農藥最有效的方法。隨后以色列政府大力支持實施滴灌，1964年成立了著名的耐特菲姆公司。以色列從落后農業國實現向現代工業國的邁進，主要得益于滴灌技術。與噴灌和溝灌相比，應用滴灌的番茄產量增加1倍，黃瓜產量增加2倍。以色列應用滴灌技術以來，全國農業用水量沒有增加，農業產出卻較之前翻了5番。

耐特菲姆公司生產的第一代滴灌系統設備是用一流量計量儀控制塑料管子中的單向水流，第二代產品是引用了高壓設備控制水流，第三、四代產品開始配合計算機使用。自20世紀60年代以來，以色列開始普及水肥一體化技術，全國43萬公頃耕地中大約有20萬公頃應用加壓灌溉系統。由于管道和滴灌技術的成功，全國灌溉面積從16.5億平方米增加到22億～25億平方米，耕地從16.5億平方米增加到44億平方米。據稱以色列的滴灌技術已經發展到第六代。果樹、花卉和溫室作物都是采用水肥一體化灌溉施肥技術，而大田蔬菜和大田作物有些是全部利用水肥一體化灌溉施肥技術，有些只是一定程度上應用，這取決于土壤本身的肥力和基肥應用科學。在噴灌、微噴灌等微灌系統中，水肥一體化技術對作物也有很顯著的作用。隨著噴灌系統由移動式轉為固定式，水肥一體化技術也被應用到噴灌系統中。20世紀80年代初期，水肥一體化技術應用到自動推進機械灌溉系統中。

2.我國水肥一體化技術的發展概況

我國農業灌溉有著悠久的歷史，但是大多采用大水漫灌和串畦淹灌的傳統灌溉方法，水資源的利用率低，不僅浪費了大量的水資源，同時作物產量提高得也不明顯。我國的水肥一體化技術的發展始于1974年。近30年來，隨著微灌技術的推廣應用，水肥一體化技術不斷發展，大體經歷了以下3個階段。

第一階段（1974—1980）：引進滴灌設備，并進行國產設備研制與生產，開展微灌應用試驗。1980年我國第一代成套滴灌設備研制生產成功。

第二階段（1981—1996）：引進國外先進工藝技術，國產設備規模化生產基礎逐漸形成。微灌技術由應用試點到較大面積推廣，微灌試驗研究取得了豐碩成果，在部分微灌試驗研究中開始進行灌溉施肥內容的研究。

第三階段（1996年至今）：灌溉施肥的理論及應用技術日趨被重視，技術研討和技術培訓大量開展，水肥一體化技術大面積推廣。

自20世紀90年代中期以來，我國微灌技術和水肥一體化技術迅速推廣。水肥一體化技術已經由過去局部試驗示范發展為大面積推廣應用，輻射范圍由華北地區擴大到西北干旱區、東北寒溫帶和華南亞熱帶地區，覆蓋了設施栽培、無土栽培，以及蔬菜、花卉、苗木、大田經濟作物等多種栽培模式和作物。在經濟發達地區，水肥一體化技術水平日益提高，涌現了一批設備配置精良、專家系統智能自動控制的大型示范工程。部分地區因地制宜實施的山區滴灌施肥、西北半干旱和干旱區協調配置日光溫室集雨灌溉系統、窯水滴灌、瓜類栽培吊瓶滴灌施肥、華南地區利用灌溉注入有機肥液等技術形式使灌溉施肥技術日趨豐富和完善。大田作物灌溉施肥最成功的例子是新疆的棉花膜下滴灌。1996年，新疆引進了滴灌技術，經過3年的試驗研究，成功地研究開發了適合大面積農田應用的低成本滴灌帶。1998年開展了干旱區棉花膜下滴灌綜合配套技術研究與示范，成功地研究了與滴灌技術相配套的施肥和栽培管理技術，即利用大功率拖拉機，將開溝、施肥、播種、鋪設滴灌帶和覆膜一次性完成。在棉花生長過程中，通過滴灌控制系統，適時完成灌溉和追肥。

灌溉施肥應用與理論研究逐漸深入，由過去側重土壤水分狀況、節水和增產效益試驗研究，逐漸發展到灌溉施肥條件下水肥結合效應、對作物生理和產品品質影響、養分在土壤中運移規律等方面的研究。由單純注重灌溉技術、灌溉制度逐漸發展到對灌溉與施肥的綜合運用技術的研究。例如，對滴灌施肥條件下硝態氮和銨態氮的分布規律的研究，對膜下滴灌土壤鹽分特性及影響因素的研究以及關于溶質轉化運移規律的研究和轉化遷移規律的研究等。我國水肥一體化技術總體水平，已從20世紀80年代初級階段發展和提高到中級階段。其中，部分微灌設備產品性能、大型現代溫室裝備和自動化控制已基本達到目前國際先進水平。微灌工程的設計理論及方法已接近世界先進水平，微灌設備產品和微灌工程技術規范，特別是條款的邏輯性、嚴謹性和可操作性等方面，已躍居世界領先水平。1982年我國加入國際灌排委員會，并成為世界微灌組織成員之一，我國加強國際技術交流，重視微灌技術管理、微灌工程規劃設計等的培訓，培養了一大批水肥一體化技術推廣管理及工程設計骨干和高學位人才。

但是，從技術應用的角度分析，我國水肥一體化技術推廣緩慢。首先，只關注了節水灌溉設備，水肥結合理論與應用研究成果較少；其次，我國灌溉施肥系統管理水平較低，培訓宣傳不到位，基層農技人員和農民對水肥一體化技術的應用不精通；再次，應用水肥一體化技術面積所占比例小，深度不夠；最后，某些微灌設備產品，特別是首部配套設備的質量與國外同類先進產品相比仍存在著較大差距。