第一章　水肥一體化技術(shù)簡介

第一節(jié)　水肥一體化技術(shù)發(fā)展

水肥一體化技術(shù)是集節(jié)水灌溉和高效施肥于一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合水肥管理措施，具有節(jié)水、節(jié)肥、省工、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于糧食作物、經(jīng)濟作物、果樹、蔬菜、花卉、苗木等生產(chǎn)上。

一、水肥一體化技術(shù)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(zāi)頻繁，降水不均勻。同時，我國是化肥生產(chǎn)和使用大國。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2013年化肥生產(chǎn)量7037萬噸（折純），農(nóng)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(jù)2005年以來全國11788個“3414”試驗數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)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(fā)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(fā)達國家的差距更大。2015年農(nóng)業(yè)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(nóng)作物化肥使用量實現(xiàn)零增長，盲目施肥和過量施肥現(xiàn)象基本得到遏制，傳統(tǒng)施肥方式得到改變。其中，水肥一體化技術(shù)推廣面積1.5億畝、增加8000萬畝。從2015年起，主要農(nóng)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(nóng)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(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

水分和養(yǎng)分的合理調(diào)節(jié)與平衡供應(yīng)是作物增產(chǎn)的最關(guān)鍵因子，然而傳統(tǒng)的灌溉和施肥是分開進行的。從施肥來看，傳統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)方式是如何實現(xiàn)水肥同步供給，充分發(fā)揮兩者的相互作用，在供給作物水分的同時最大限度地發(fā)揮肥料的作用，實現(xiàn)水肥同步供應(yīng)，即水肥一體化技術(shù)。

水肥一體化技術(shù)也稱為灌溉施肥技術(shù)，是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，是精確施肥與精確灌溉相結(jié)合的產(chǎn)物。它是借助壓力系統(tǒng)（或地形自然落差），根據(jù)土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需肥規(guī)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(tǒng)均勻、準確地輸送到作物根部土壤，浸潤作物根系發(fā)育生長區(qū)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(shù)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(jié)合的一種技術(shù)。國內(nèi)根據(jù)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(shù)”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(jié)水；微噴灌、滴灌是根據(jù)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(yīng)性廣。故狹義的水肥一體化技術(shù)也稱滴灌施肥或微噴灌施肥。

二、水肥一體化技術(shù)發(fā)展概況

1.國外水肥一體化技術(shù)的發(fā)展歷史

水肥一體化技術(shù)是人類智慧的結(jié)晶，是生產(chǎn)力不斷發(fā)展進行的產(chǎn)物，它的發(fā)展經(jīng)歷了很長的歷史，水肥一體化技術(shù)起源于無土栽培技術(shù)。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(yǎng)液。后來水肥一體化技術(shù)經(jīng)過了3個階段的發(fā)展。

（1）營養(yǎng)液栽培技術(shù)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(yǎng)液的標準配方，并用此營養(yǎng)液培養(yǎng)植物，該營養(yǎng)液直到今天還在使用。之后，營養(yǎng)液栽培的含義擴大了，在充滿營養(yǎng)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(zhì)材料做成的種植床上種植植物均稱為營養(yǎng)液栽培，因其不用土壤，故稱無土栽培。1920年，營養(yǎng)液的制備達到標準化，但這些都是在實驗室內(nèi)進行的試驗，尚未應(yīng)用于生產(chǎn)。1929年，美國加利福尼亞大學的W.F.Gericke教授，利用營養(yǎng)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(guān)注。被認為是無土栽培技術(shù)由試驗轉(zhuǎn)向?qū)嵱没拈_端，作物栽培終于擺脫自然土壤的束縛，可進入工廠化生產(chǎn)。

（2）無土栽培技術(shù)階段　19世紀中期到20世紀中期無土栽培商業(yè)化生產(chǎn)，水肥一體化技術(shù)初步形成。第二次世界大戰(zhàn)加速了無土栽培的發(fā)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(nóng)場。無土栽培技術(shù)日臻成熟，并逐漸商業(yè)化。無土栽培的商業(yè)化生產(chǎn)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(qū)也開始推廣無土栽培技術(shù)。

（3）水肥一體化技術(shù)成熟階段　20世紀中期至今是水肥一體化技術(shù)快速發(fā)展的階段。20世紀50年代，以色列內(nèi)蓋夫沙漠中哈特澤里姆基布茲的農(nóng)民偶然發(fā)現(xiàn)水管滲漏處的莊稼長的格外好，后來經(jīng)過試驗證明，滴滲灌溉是減少蒸發(fā)、高效灌溉及控制水肥農(nóng)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(nóng)業(yè)國實現(xiàn)向現(xiàn)代工業(yè)國的邁進，主要得益于滴灌技術(shù)。與噴灌和溝灌相比，應(yīng)用滴灌的番茄產(chǎn)量增加1倍，黃瓜產(chǎn)量增加2倍。以色列應(yīng)用滴灌技術(shù)以來，全國農(nóng)業(yè)用水量沒有增加，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出卻較之前翻了5番。

耐特菲姆公司生產(chǎn)的第一代滴灌系統(tǒng)設(shè)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(chǎn)品是引用了高壓設(shè)備控制水流，第三、四代產(chǎn)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(shù)，全國43萬公頃耕地中大約有20萬公頃應(yīng)用加壓灌溉系統(tǒng)。由于管道和滴灌技術(shù)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(jù)稱以色列的滴灌技術(shù)已經(jīng)發(fā)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(shù)，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(shù)，有些只是一定程度上應(yīng)用，這取決于土壤本身的肥力和基肥應(yīng)用科學。在噴灌、微噴灌等微灌系統(tǒng)中，水肥一體化技術(shù)對作物也有很顯著的作用。隨著噴灌系統(tǒng)由移動式轉(zhuǎn)為固定式，水肥一體化技術(shù)也被應(yīng)用到噴灌系統(tǒng)中。20世紀80年代初期，水肥一體化技術(shù)應(yīng)用到自動推進機械灌溉系統(tǒng)中。

2.我國水肥一體化技術(shù)的發(fā)展概況

我國農(nóng)業(yè)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(tǒng)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(chǎn)量提高得也不明顯。我國的水肥一體化技術(shù)的發(fā)展始于1974年。近30年來，隨著微灌技術(shù)的推廣應(yīng)用，水肥一體化技術(shù)不斷發(fā)展，大體經(jīng)歷了以下3個階段。

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

第二階段（1981—1996）：引進國外先進工藝技術(shù)，國產(chǎn)設(shè)備規(guī)模化生產(chǎn)基礎(chǔ)逐漸形成。微灌技術(shù)由應(yīng)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(nèi)容的研究。

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

自20世紀90年代中期以來，我國微灌技術(shù)和水肥一體化技術(shù)迅速推廣。水肥一體化技術(shù)已經(jīng)由過去局部試驗示范發(fā)展為大面積推廣應(yīng)用，輻射范圍由華北地區(qū)擴大到西北干旱區(qū)、東北寒溫帶和華南亞熱帶地區(qū)，覆蓋了設(shè)施栽培、無土栽培，以及蔬菜、花卉、苗木、大田經(jīng)濟作物等多種栽培模式和作物。在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，水肥一體化技術(shù)水平日益提高，涌現(xiàn)了一批設(shè)備配置精良、專家系統(tǒng)智能自動控制的大型示范工程。部分地區(qū)因地制宜實施的山區(qū)滴灌施肥、西北半干旱和干旱區(qū)協(xié)調(diào)配置日光溫室集雨灌溉系統(tǒng)、窯水滴灌、瓜類栽培吊瓶滴灌施肥、華南地區(qū)利用灌溉注入有機肥液等技術(shù)形式使灌溉施肥技術(shù)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(shù)，經(jīng)過3年的試驗研究，成功地研究開發(fā)了適合大面積農(nóng)田應(yīng)用的低成本滴灌帶。1998年開展了干旱區(qū)棉花膜下滴灌綜合配套技術(shù)研究與示范，成功地研究了與滴灌技術(shù)相配套的施肥和栽培管理技術(shù)，即利用大功率拖拉機，將開溝、施肥、播種、鋪設(shè)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(tǒng)，適時完成灌溉和追肥。

灌溉施肥應(yīng)用與理論研究逐漸深入，由過去側(cè)重土壤水分狀況、節(jié)水和增產(chǎn)效益試驗研究，逐漸發(fā)展到灌溉施肥條件下水肥結(jié)合效應(yīng)、對作物生理和產(chǎn)品品質(zhì)影響、養(yǎng)分在土壤中運移規(guī)律等方面的研究。由單純注重灌溉技術(shù)、灌溉制度逐漸發(fā)展到對灌溉與施肥的綜合運用技術(shù)的研究。例如，對滴灌施肥條件下硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的分布規(guī)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(guān)于溶質(zhì)轉(zhuǎn)化運移規(guī)律的研究和轉(zhuǎn)化遷移規(guī)律的研究等。我國水肥一體化技術(shù)總體水平，已從20世紀80年代初級階段發(fā)展和提高到中級階段。其中，部分微灌設(shè)備產(chǎn)品性能、大型現(xiàn)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(shè)計理論及方法已接近世界先進水平，微灌設(shè)備產(chǎn)品和微灌工程技術(shù)規(guī)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(lǐng)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(shù)交流，重視微灌技術(shù)管理、微灌工程規(guī)劃設(shè)計等的培訓，培養(yǎng)了一大批水肥一體化技術(shù)推廣管理及工程設(shè)計骨干和高學位人才。

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