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我国水肥一体化技术应用现状与发展

数字农业分会 402

前言:

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水肥是植物生长不可缺少的条件,目前广泛采用的灌溉 施肥方式为漫灌和经验性施肥,缺乏水肥耦合。2018 年, 我国农业用水量为 3 693.1 亿 m3 ,占总用水量的 61.4%,灌溉 水有效利用率仅为 30% ~ 40%,远低于以色列、荷兰等国家。2018 年我国农用化肥施用量为 5 653.4 万 t,是世界 上化肥施用量最多的国家,化肥的平均利用率仅为 33%,其中氮肥利用率为 30% ~35%,磷肥利用率为 20% ~ 25%,钾肥 利用率也低于 50%。传统的施肥方式存在浪费水肥资 源、土壤板结等问题,阻碍了我国农业的快速发展。水肥一 体化技术是将肥料溶解在水中,配制成一定浓度的营养液后,再输送到作物根部实现自动灌溉及施肥。

近几年来, 国家大力倡导发展水肥一体化技术,并出台了相关文件来支 持节水灌溉、水肥一体化技术的发展,比如《推进水肥一体化 实施方案( 2016—2020 年) 》文件指出应“推广普及水肥一体 化等农田节水技术”; 《国家节水行动方案》指出“大力推进 节水灌溉”,“推广喷灌、微灌、滴灌、低压管道输水灌溉、集雨 补灌、水肥一体化、覆盖保墒等技术”; 2019 年中央一号文件 指出应该“发展高效节水灌溉”“开展农业节肥节药行动”; 2020 年中央一号文件指出“加大农业节水力度”。与传统灌溉模式相比,水肥一体化技术具有节水节肥、省时省力、 改善土壤环境等优点,是农业可持续发展、解决我国农业灌 溉施肥问题的关键。笔者在综述国外水肥一体化发展情 况的基础上,介绍了我国水肥一体化技术的应用现状,主要 包括水肥一体化技术的应用模式、施肥方法以及控制系统的 研究。分析了目前我国水肥一体化技术发展存在的问题,并提出了一些发展建议,以期使水肥一体化技术得到更好的发 展和运用,并推动我国农业的快速发展。

1 国外水肥一体化技术发展现状

国外的灌溉施肥技术起步较早,以色列、荷兰、美国等都已经普及推广水肥一体化技术,并形成灌溉施肥机系列产品,比如以色列 NETAFIM 公司的 NetaJet 和 Fertikit 系列,Eldar-Shany 公司的 Frtimix 系列,荷兰 PRIVA 公司的 Nutri- line 系列,韩国普贤 BH 系列等灌溉施肥机。这些灌溉施肥机能够精确提供作物的养分和水分,有些还可以根据作物 类型、不同生育期特点、环境参数等提出不同的灌溉策略,实现智能化灌溉施肥。

以色列从“沙漠之国”变成“农业强国”,其主要措施是 将灌溉技术、水溶肥技术、传感器技术及智能设施设备相结 合并广泛应用于育苗、大田作物、果园、温室蔬菜与花卉等。 截至 2018 年,以色列 90%以上的农业生产已经实现了水肥 一体化管理。以色列在推广水肥一体化技术的过程中研制出多种灌溉施肥设备,实现了施肥的定时、定量控制,75%的 农用废水被回收利用,使得水分利用率提高了 40% ~60%,肥 料利用率提高了 30% ~50%,同时有效提高了资源利用率,实现了节水、增产、增效。

美国节水灌溉技术已经达到世界先进水平,其中 50%的农场面积进行喷灌,43%的农场面积采用地面灌溉,7%的农场面积采用其他灌溉方法,是世界上推广微灌面积最多的国家。美国 60%的马铃薯、33%的果树和 25%的玉米都采用 水肥一体化技术,水肥一体化专用肥料占肥料总量的 38%以 上,使肥料可以被作物快速吸收。为了保证水肥的有效管理,农业农村部专门成立了一个水肥一体化管理部门,并建立了服务于农业生产的云平台,制定了一系列灌溉制度,有效提高了水肥利用率。

为了在有限的土地产出更多的农作物,荷兰采用智能化水肥一体化灌溉技术,电脑可根据作物不同时期需要水肥的量,自动配比水肥进行灌溉,实现智能化控制。

2 我国水肥一体化技术应用现状

1974 年,我国从墨西哥引进了滴灌设备,并建立了 5.3 hm2 的试验研究基地,我国水肥一体化技术研究自此拉开了序幕。自 1974 年以来,我国水肥一体化灌溉技术得到了 一定的发展,研究力度不断加大,运用范围也不断扩大,并获得了良好的示范效果。

2.1 我国水肥一体化技术主要应用模式 目前主要的技术应用模式有喷灌、滴灌、微喷灌和膜下滴灌等模式,其中以色列滴灌技术应用最为广泛。

喷灌是利用喷头将具有一定压力的水喷射到空中,形成 细小水滴或形成弥雾降落到作物上和土壤中的灌溉方式。 喷灌可用于各种类型的土壤和作物,对各种地形的适应性较强,可以控制喷水量和均匀性,避免产生地面径流和深层渗漏损失,一般比漫灌节水 30% ~50%。刘钊以新疆马铃薯 种植业为试验对象,研究畦灌、大型喷灌机喷灌等灌溉方式下的综合效益,结果表明大型喷灌机喷灌是最优选择, 1.333 hm2 的栽培面积中,15 年纯效益为 16.09 万元,为畦灌 的 1.7 倍。除了自压喷灌系统外,喷灌系统都需要加压,喷灌 受风力的影响较大,有空中损失,对空气湿度的影响较大,存在表层土壤润湿充分、深层土壤润湿不足的缺点。

滴灌是将具有一定压力的营养液,利用灌溉管道将营养 液通过滴头,将水分和养分一滴一滴、均匀而又缓慢地滴入作物根区土壤中的灌溉技术。滴灌技术不破坏土壤结构,需要的工作压力小,可以减少无效的棵间蒸发,几乎没有 深层渗漏,一次灌水延续时间较长,可以做到小水勤灌,具有 较好的节水效果。于舜章利用滴灌施肥技术,在黄瓜大棚种植试验中,与农户习惯施肥相比,可以节肥 3. 7% ~ 49. 5%,节水 21.0% ~27.1%,增产 9.9% ~ 17.6%,每公顷减少成本3.86 万~5.91 万元。滴灌的缺点是滴头易结垢和堵塞, 可能造成滴灌区盐分的累积,影响作物根系的发展。因此, 滴灌对水质的要求较大,初期投资较大,必须安装过滤器并 需要定期清理和维护。

微喷灌水肥一体化技术是营养液以较大的流速由低压 管道系统的微喷头喷出,通过微喷头喷洒在土壤和农作物表面。微喷灌的优点是水肥利用率高、灵活性大、实用方便,可 调节田间小气候。李娜等在小麦种植中采用微喷灌水肥 一体化技术,与常规施肥相比增产 545 kg /hm2 ,节约成本 450~750 元/hm2 。微喷灌的缺点是对灌溉水源水质的要求 较高,必须对灌溉水进行过滤,田间微喷灌的喷头易被杂草、 作物茎秆等杂物阻塞,而喷洒质量、均匀度等受风的影响较大。

膜下滴灌技术是将滴灌管道铺设在膜下,通过管道系统 将水肥送入滴灌带,由滴灌带上的滴头将水肥不断滴入土壤中。膜下滴灌水肥一体化的缺点如下: 灌溉器容易阻塞,会 引起浅层土壤盐分积累,限制根系的发展,高频率灌溉要求水电保证率高。调查显示,与传统灌溉相比,膜下滴灌可以 节水 30% ~ 50%,增 产 20% ~ 30%。在 新 疆 地 区,有 200 万 hm2 面积的耕地在使用膜下滴灌技术,尤其是棉花膜 下滴灌技术运用最为成熟,研究表明运用此技术可获得最优 的经济产量以及最高的水分利用效率。焦有权等在 设施番茄种植中使用膜下滴灌水肥一体化技术,与原有的大水 漫灌的人工施肥方式相比,节水率为 54%~57%,节肥 37.5%。

2.2 水肥一体化系统的施肥方法 施肥是水肥一体化系统的关键环节,根据肥料溶液加入方式不同,水肥一体化施肥 方法主要有文丘里施肥法、压差式施肥法、重力自压式施肥法等。

文丘里施肥法的工作原理如图 1 所示。当水流由管道 的高压区向低压区流动时,经过文丘里管道喉部时流速加 大,压力下降并形成负压,在管道内产生真空吸力,将肥料母液从肥料管吸取至灌溉系统。文丘里施肥法的优点是结构 简单,成本低,安装方便,无需外部能耗,吸肥量范围大,可实 现按比例施肥和保持恒定的养分浓度。因此,文丘里施肥法 在施肥设备中应用范围最广。其缺点是压力损失较大,一般适于灌溉面积不大的场合。

压差式施肥法又称旁通罐施肥法,它由 2 根细管与主管 道相连接,在主管道上 2 条细管( 分别为进水管、排液管) 之 间设置一个调压阀,通过调节调压阀使施肥罐上的进水管和 排液管之间形成压力差,使得一部分水由进水管流入施肥 罐,水溶解罐中肥料后,肥料溶液由排液管进入主管道,将肥 料带到作物根系。压差式施肥法的工作原理如图 2 所示。 压差式施肥法的优点是制造成本低,操作简单,可直接使用 固体肥料,无需预配肥料母液,不需要外加动力设备; 其缺点 是施肥浓度不恒定,肥料溶液浓度随施肥时间的延长而逐渐降低,施肥罐 容积有限,反复添加肥料母液,操作过于烦琐。

重力自压式施肥法是在灌溉水池处建一个高于水池液 面的肥料母液池,池底安装肥液流出管道,利用肥液自身重力流入灌溉水池。该方法适用于有地势落差的场合,如丘陵 山区果园等。该方法的优点是可以控制施肥浓度和速度,无需外部能耗,投资小,操作简便。该方法的缺点是灌溉水池 易滋生藻类、苔藓等植物,需要定期清理。重力自压式 施肥法的工作原理如图 3 所示。

2.3 水肥一体化控制系统研究现状 水肥一体化控制系统 是整个水肥一体化技术的核心,目前采用的控制器类型主要有单片机、PLC、ARM 等。近年来,我国引进了国外一些先进 的水肥一体化设备,比如张金良等引进了以色列 NETAFIM 公司福莱斯 3G 开放桶式施肥机,以黄瓜为试材,与传统手动简易灌溉施肥模式相比,自动灌溉水一体化系统可节 肥 30.4%,节水 22.4%,使产量提高 11.1%。我国在引进国外水肥一体机先进技术的基础上,也因地制宜地研发了多种水 肥一体化精量灌溉控制系统,有些注重控制算法研究,有些结合各种传感器、图像识别实现精准灌溉,有些结合专家知识实现灌溉。

袁洪波等设计了一种水肥一体化循环灌溉系统,采用滴灌基质无土栽培模式并构建回收管路,实现水肥循环利用。在番茄栽培试验中,与传统土壤栽培模式相比,用水量 是传统土栽模式的 69.4%,水分利用效率是传统土栽模式的 1.92 倍。

阮俊瑾等研制了一种球混式精确施肥灌溉系统,采用文丘里管吸取肥料母液,配备 STM32 系列微控制器,搭载 一套智能灌溉施肥应用软件,从而实现自动配肥、自动灌溉和自动决策,系统控制精度高、运行稳定,大大提高了水肥用效率。

江新兰等设计了基于两线解码技术和云计算的设施 农业水肥一体化灌溉系统,该系统通过两线解码技术,利用 各种传感器实时采集作物生长环境信息,并存储于数据管理云平台,根据作物需水需肥规律,利用云平台的计算和分析 能力,科学制订不同环境中作物生长的水肥需求和灌溉施肥 制度,实现水肥一体化的智能控制。应用试验表明,与传统 灌溉方式相比,肥料利用率提高了 15% ~35%,水分利用率提 高了 25% ~40%。

李友丽等设计了一种基于有机液肥制备的水肥一体 化系统,该系统具有有机液肥制备、浓度调节和自动灌溉等 功能,实现了有机栽培的营养液制备与管理一体化。将该系 统运用在温室黄瓜基质栽培系统中,运行稳定,黄瓜总产量 可达48 165 kg /hm2 。

张育斌等研究了 PID 控制,建立了遗传算法优化的模糊 PID 控制模型,有效解决了传统 PID 控制在面向不确 定、非线性对象时的局限性,并设计了可以同时完成氮肥、磷 肥、钾肥和微量元素等肥液灌溉的系统,成功实现了水肥精量配比,大大提高了灌溉效率。

师志刚等设计了基于物联网的水肥一体化智能灌溉 系统。该系统包括农田气象及土壤墒情系统、智能灌溉施肥 系统、作物长势视频监控系统、能效监测系统、远程监控平台 等。应用结果表明系统节水省工效果好,系统运行 20 年后 的净现值为普通滴灌的 7 倍多。

姜岩等设计了基于专家系统的水肥一体化智能控制系统,通过接收专家系统的控制策略实现施肥的自动化、智 能化,养分专家系统可根据输入的大棚基础信息、气象和土壤资料,快速推荐施肥方案。通过 2016—2017 年的草莓土 壤种植试验表明,按照专家系统推荐的肥料比例及用量,与 农户习惯施肥相比,分别增产 43.3%和 22.9%,维生素含量分别增加 6.54%和 12.74%。

陈东等利用机器视觉测量植物生长参数,并监测环境和土壤参数,以植物生长模型和模糊神经网络算法形成农 作物智能水肥一体化管理系统。系统实现了精准水肥灌溉、 PC 和手机端的监控。与传统施肥模式相比,节水率在 30% 以上,节省肥料在 40%以上,节省人工成本 20%左右。

金永奎等设计了云端服务器为核心的水肥一体化管控平台,实现了灌溉智能决策,具有现场和远程查看、操作、 控制等功能。系统运用在种植面积约 15 hm2 的芦笋滴灌种 植中,每次仅灌溉 150 m3 /hm2 ,与传统漫灌方式相比可节水 60%以上。

李颀等设计了一种全自动在线监测和实时调节的精 准智能化控制系统,采用改进非线性自抗扰解耦控制器,实现了灌溉营养液 pH 和 EC 的快速精确控制,pH 和 EC 的调 节时间分别为 39 和 44 s,输出绝对误差分别小于 0.2 和 0.1 mS /cm。番茄种植试验中与传统人启停灌溉模式相比,系统用水量、用肥量、用工量分别降低 33.13%、35.75%和 35. 01%,作物产量提升 15.16%。

3 我国水肥一体化技术发展存在的问题

随着水肥一体化设备的引进、自主研发与推广应用,我国水肥一体化技术有了一定的进步,产品基本可以满足农作 物水肥一体化灌溉的要求,但目前与发达国家相比还有很大的差距,无论是在推广、农技人才、服务以及技术本身等方面 都还存在很多不足之处。①连片种植困难,水肥一体化一次 性投入较高,一些市场产品仿照国外,产品价格偏高也不适用与国内生产的实际情况,影响推广速度。②缺乏专业农业 科技人才,农民对水肥一体化设备的操作使用不够熟练,不 了解整个的操作流程,许多农户只会进行简易操作,农户基本不懂科学维护设备。③培训及企业后期维护技术服务跟 不上,维修费用高,使设备使用过程中出现问题不能及时解决。④目前缺乏性价比高的智能型水肥一体化灌溉设备,肥 料配方、营养液浓度、施肥量、管理方法等一般仅靠农户个人 经验,缺少成熟的针对不同作物的专家决策知识,缺乏智能 的灌溉决策系统。

4 对策与建议

( 1) 加大政策和资金扶持力度。因地制宜,加强水肥一 体化技术示范区推广,建设农民专业合作组织,为农民提供 相应技术支持和设备维护。

( 2) 加强农业人才的培养,积极开展培训,不断提高农民 科技文化水平。特别是要加强水肥一体化系统使用培训,制 定简单明了的操作规程,让农户真正掌握水肥一体化技术。

( 3) 加强管护力量。建立健全、良好的售后维修制度,配 备专业运维人员定期检修,并从技术层面降低运维成本。

( 4) 因地制宜,加大自主研发力度。加强农机与农艺的 融合,结合遥感、人工智能技术,建立相关的专家决策系统, 提高设备性能、精度和智能性,保证水肥一体化发展的实际 需要。

水肥一体化技术具有节水、节肥、提高作物产量和品质 等优点,该技术对于缓解我国水资源短缺,节能减排、生态文明建设,推动农业的可持续发展具有重要意义。在加大政策 和资金支持、加强人才培养,加强管护,进一步提升水肥一体化技术的基础上,未来水肥一体化技术必将被越来越多的农 民所使用,从而推动我国农业的发展。

作者:黄语燕、刘现、王 涛、陈永快

来源:安徽农业科学

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