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吉林省水肥一體化技術應用現狀及發展前景探討

2019-02-02 15:29:04李延國李建軍任慧趙紅星黃雷楊眉孫雪嬌歐志鵬何禹張航
農業與技術 2019年1期

李延國 李建軍 任慧 趙紅星 黃雷 楊眉 孫雪嬌 歐志鵬 何禹 張航

摘要:吉林省是農業大省,水資源缺乏及水肥使用效率低下嚴重制約了農業發展的規模和產能,水肥一體化技術是解決該難題最有效的一項重大技術,更是“資源節約,環境友好”現代農業控水減肥一個關鍵途徑。本文對吉林省水肥一體化發展現狀、發展模式、技術要點及發展前景等進行歸納總結,并對水肥一體化技術存在的問題提出合理的發展對策進行探討,同時明確了今后進一步研究和探索方向,實施水肥一體化,提高水肥利用效率,轉變農業發展方式,是解決水、糧食安全的必然途徑。

關鍵詞:水肥一體化;水肥耦合;微滴灌;發展前景

1概述

水是人類賴以生存的基礎性資源,是生態平衡的基礎,是保證農業持續健康發展的必要條件,肥料是作物增產高產的重要保障。長期以來肥料的不合理施用導致我國大部分土壤結構改變,土壤肥力下降,土壤重金屬污染加劇,土壤鹽化堿化加重,同時也加劇了地表徑流的水質污染,導致了水體富營養化、地下水污染、農產品品質下降等一系列危害。

由于缺水與肥料的不合理施用,一直制約著我國農業持續、穩定、健康、高效發展。因此,節水與減少肥料的使用已成為我國農業可持續發展和保障我國糧食安全的重要問題,也是發展民生的重要選擇。

水肥一體化技術就是根據作物需求,對水分和肥料進行綜合調控和一體化管理,以水促肥、以肥調水,實現水肥耦合,使水肥相互協調、相互促進,全面提升水肥利用效率。它的意義不只是節水節肥、環保高效,更重要的是,它對轉變農業發展方式、促進農業現代化建設所起到的引領和推動作用。

2水肥一體化技術發展現狀

2.1水肥一體化技術發展的政策導向

2012年農業部發布了《農業部關于推進節水農業發展的意見》中提出了要大力發展水肥一體化技術;2013年農業部辦公廳印發的《水肥一體化技術指導意見》中提出擴大水肥一體化推廣面積;2015年農業部印發的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》中提出力爭到2020年,全國主要農作物化肥使用量零增長,測土配方施肥推廣覆蓋率90%以上,肥料利用率提到40%以上;2012年國辦發《國家農業節水綱要(2012[CD1]2020)》,提出加強水肥一體化的集成應用;2015年實施的中華人民共和國農業行業標準《水肥一體化技術規范 總則》,規定了水肥一體化技術的基本原則、技術方案和主要模式,對指導水肥一體化技術推廣與應用起到了促進作用;2016年農業部辦公廳印發的《推進水肥一體化實施方案(2016[CD1]2020年》)的通知中提出在吉林中西部推廣玉米、馬鈴薯滴灌水肥一體化技術,強調與常規灌溉相比,采用滴灌水肥一體化技術,每667m2均可穩定增產糧食200~300kg,每667m2均節水150m3;2017年國家發改委和農業部聯合發文《全國農村沼氣發展“十三五”規劃》中明確提出開展沼液田間水肥一體化技術,實現沼肥充分高效利用,保障優質農產品生產。

2.2我國水肥一體化技術發展現狀

我國水土資源緊缺,淡水資源僅占世界的6%,農業生產水肥使用效率低下,主要糧食作物僅為發達國家的1/2,肥料利用率僅為35%,低于發達國家的50%~70%的水平。

我國水肥一體化技術研究是從1974年開始的。當時引進了墨西哥的滴灌設備,試驗點僅有3個,面積僅有5.3hm2,實驗取得了顯著的增產和節水效果。1980年我國第1代成套的滴灌設備研制生產成功。1981年后,在引進國外先進生產工藝的基礎上,我國灌溉設備的規模化生產基礎初步形成,在應用上試驗、示范得到大面積推廣。從2000年開始,灌溉施肥理論及應用技術日益被重視,農業部全國技術推廣中心連續多年在我國不同地區舉辦灌溉施肥技術培訓班,由國內外專家系統地介紹灌溉施肥的理論和技術,促使灌溉施肥的面積逐步擴大,特別是在溫室以及大棚蔬菜的生產上,推動了灌溉施肥技術的不斷完善和發展。當前,灌溉施肥技術已經由過去的局部試驗、示范逐步發展為大面積推廣應用,輻射范圍由華北地區逐步擴大到西北干旱區、東北寒溫帶和華南亞熱帶地區,覆蓋了設施栽培、無土栽培、果樹栽培,以及蔬菜、花卉、苗木、大田經濟作物等多種栽培模式和作物,特別是膜下滴灌施肥技術處于世界領先水平。

目前我國的滴灌水肥一體化技術主要在一些經濟價值較高的作物上應用。如新疆的棉花膜下滴灌施肥技術已作為棉花生產的標準技術得到大面積推廣,且技術處于世界領先水平。除在棉花上大面積應用外,目前已推廣到番茄、色素菊、辣椒、玉米、蔬菜、瓜類、花卉、果樹、烤煙等作物。溫室的蔬菜花卉生產中,也廣泛采用滴灌施肥技術。

2.3吉林省水肥一體化技術發展現狀

2.3.1吉林省水資源利用現狀

吉林省土壤條件得天獨厚,是我國商品糧的主要產區之一,但水資源占有量僅為全國的1.4%,水資源開發利用率高達70%以上,接近或超出水資源合理承載能力[1]。水資源的過度開采和不合理使用已經導致了地下水位下降、湖泊萎縮、土壤荒漠化和水質下降等一系列的生態問題,嚴重地威脅到了農業的可持續發展。過量的化肥施用誘發了土壤板結、酸堿化和鹽堿化,同時造成土壤重金屬污染、硝酸鹽含量超標、水體質量污染,致使生產出的農產品直接危害人體健康[2]。吉林省八廳委聯合發布了《吉林省農業可持續發展規劃(2016—2030年)》,啟動了黑土地保護治理工程,要求提高水資源和肥料的利用率,增強農業生態環境保護能力,推動農業可持續發展,率先實現農業現代化,對建設美麗吉林、促進農業發展進入良性發展起到了促進作用。

吉林省西部地區水資源分布很不均勻,屬于半干旱農業生態區,面臨的缺水形勢最為嚴峻,農業用水一直占總用水量的60%以上,已成為制約農業糧食生產的重要因素。如何在現有的水資源承載能力范圍內,繼續維持現有農業規模和產能,又不以消耗資源和環境為代價,最有效的解決途徑就是水肥一體化技術的實施,它是轉變農業發展模式、促進和推動實現農業可持續發展的一項新技術。

2.3.2吉林省水肥一體化技術裝備發展現狀

新世紀以來,隨著微滴灌技術裝備實現國產化和自主知識產權產品與裝備的開發而實現了快速發展,同時也有力推進了水肥一體化技術的應用發展。近10a,微滴灌技術成為發展最快增幅最高的高效節水技術,微滴灌水肥一體化技術隨之普及應用。吉林省主要種植作物為玉米,雖然溫室和大棚等設施農業裝備的使用得到長足發展,但其水肥一體化技術還未得到有效應用。隨著循環經濟和節水技術的全面發展,水肥一體化技術的全面普及只是時間問題,并且朝著設施種植數字化、智能化水肥一體化方向發展,設備使用壽命更長、更節水、更省肥、節省勞力、成本更低、能夠達到精準施肥、自動排污,從根本上解決了土壤酸化、板結問題,使土地更環保。進一步降低裝備和應用成本,提高了水肥的利用率,增產增收,種出口感好、品相好的農產品及提高作物產量。

2.3.3吉林省水肥一體化技術的推廣應用

吉林省水肥一體化技術發展起步雖晚,但應用發展還是比較順利的。吉林省水利科學研究院經過3a多的科學實驗與技術攻關,在吉林省白城市通榆縣建立了玉米膜下滴灌核心示范區692.53hm2,設計和制定的半干旱地區膜下滴灌水肥一體化工程,代表了該區域玉米生產水平,為實現吉林省水肥利用效率的工作目標提供強有力的技術支撐。吉林省農科院在乾安、前郭、長嶺、通榆等縣(市)建立玉米可降解地膜覆蓋水肥一體化技術模式示范區66.67hm2,取得了良好的示范效果,示范區水分利用效率和肥料利用效率均提高30%以上。梨樹縣建立萬畝玉米水肥一體化示范田,經過幾年示范推廣,結果顯示使用水肥一體化技術的農田增產15%~25%左右,在旱情年份時效果更加顯著[6]。吉林省蔬菜花卉科學研究院在溫室內使用的無土栽培水肥一體化技術和設備,在草莓種植上獲得了重大突破,取得了良好的節水節肥效果。以吉林省西部為例,開展玉米需水、需肥規律研究,研發適宜西部農業生產的水肥一體化技術,使半干旱區玉米播種面積占到全省玉米種植面積的30%以上[7]。研究表明膜下滴灌水肥一體化模式在推進玉米節本增效方面具有顯著優勢,綜合效益尤其是生態效益凸顯,可加大推廣力度,促進松嫩平原玉米種植模式轉型升級[8]。

3水肥一體化技術概述

水肥一體化技術是根據作物需求,對農田水分和養分進行綜合調控和一體化管理,以水促肥、以肥調水,實現水肥耦合,全面提升農田水肥利用效率。也就是說根據土壤的養分含量和作物種類的需肥規律和特點,利用灌溉系統將水分和養分提供給作物生長的區域,進行綜合調控的一體化管理手段,是現代農業發展的一項重要技術。水肥一體化技術發展逐漸趨于智能化,以自控單元為核心,集傳感檢測技術、微處理器技術、計算機技術等現代信息化技術等于一體,實現均勻、定時和定量供水供肥。

水肥一體化使水肥相互協調相互促進,與常規種植相比,能減少肥料高達37.3%以上,用水量為常規灌溉的50%,提高了水肥的利用率[3]。與常規施肥相比,水肥一體化使用面積達到總面積的70%時,玉米的鮮包產量和產值分別提高6.73%和6.72%,大大的節省了肥料[4]。研究結果表明,膜下利用滴灌技術與傳統溝灌、漫灌、噴灌等方式相比,節水約35%~70%,具有顯著的節水效果[5]。

4水肥一體化技術的發展模式

水肥一體化技術的灌溉方式主要有滴灌水肥一體化、微噴灌水肥一體化、膜下滴灌水肥一體化和集雨補灌水肥一體化。滴灌水肥一體化是一種精確施肥法,水肥只施在根部,顯著提高肥料利用率,與常規施肥相比,可節省肥料用量30%~50%以上,同時可以大量節省施肥勞力,比傳統施肥方法節省90%以上。微噴灌水肥一體化,在常規施肥量情況下,能夠促進玉米灌漿期生物量的積累,微噴灌減肥20%沒有造成生物量積累的減少[9]。膜下滴灌水肥一體化可減小水分蒸發,提高灌溉水的利用效率,與溝灌相比節水50%以上[10]。

集雨補灌水肥一體化技術是目前大力推廣的水肥一體化技術,在降雨充足的季節利用蓄水池蓄集雨水,在干旱或作物需水時,通過相關滴噴灌設施將水肥運輸到植物根部的生長區域,供作物吸收。在干旱、半干旱地區和季節性干旱地區,當地表水和地下水開采供水不足時,軟體集雨窖 + 水肥一體化技術模式能充分利用自然降水,以蓄積雨水部分替代地下水,較好地協調平衡自然集中降水與作物生產需求用水之間的時間供求不一的問題,保障設施農業生產需求,促進農業的可持續發展。

5水肥一體化技術的技術要點

綜合考慮農田水分和養分管理,使兩者相互配合、相互協調、相互促進。以水促肥、以肥調水、因水施肥、水肥耦合,全面提升作物產量水平和水肥利用效率。

5.1水肥一體化的系統設備

水肥一體化系統設備主要包括壓差式施肥罐、文丘里注肥器、比例施肥器、肥料混合箱、加油站式注肥系統和管道系統等組件。水肥一體化系統設備的應用,要求因地制宜,并綜合考慮當地的氣候條件、土壤狀況、水源分布以及農作物布局等因素。灌溉設備應當首先保證灌溉系統穩定,滿足當地農業生產所需要的水分和養分需要。施肥設備應根據作物種類、灌溉設備、作物種植面積等選擇。相關研究表明,微滴灌施肥系統比常規施肥節省肥料50%~70%,同時大大降低了設施蔬菜和果園中因過量施肥而造成的水體污染問題。以種植玉米為例,大田水肥一體化技術與常規地面灌溉的應用效果比較:節水35.7%、節肥28.3%、增產38.7%。

5.2水肥一體化的水分管理

根據作物的需水規律、土壤墑情、根系分布、土壤性狀、設備條件和技術措施,制定灌溉制度,內容包括作物全生長發育的灌水量、灌水次數、灌水時間和每次灌水量。灌溉系統技術參數和灌溉制度制定作物的生長和收獲計劃,根據農作物的根系狀況確定潤濕深度,對作物的根系進行精準灌溉,使每顆作物得到同樣的灌溉機會。農作物灌溉上限控制田間持水量在85%~95%,下限控制為55%~65%。

5.3水肥一體化的養分管理

根據農作物的目標產量、需肥規律、土壤養分含量和灌溉特點制定施肥制度。一般按目標產量和單位產量養分吸收量,計算農作物所需要的氮、磷、鉀等養分吸收量;根據土壤的養分、有機肥養分供應和在水肥一體化技術下肥料利用率計算總施肥量;根據作物的不同剩余期的需肥規律,確定施肥次數、施肥時間和每次施肥量。

選擇溶解性高、溶解速度快、腐蝕性小、與灌溉水相互作用小的肥料。不同肥料搭配使用,應充分考慮肥料之間的相容性,避免相互作用產生的沉淀或拮抗作用,混合液會產生沉淀的肥料要單獨施用。推廣應用水肥一體化,優先施用能滿足農作物不同生長發育期養分需求的水溶性復合肥,充分考慮農田用水方式對施肥的影響,科學制定施肥方案,滿足作物養分需求。

5.4水肥一體化優勢

按照肥隨水走、少量多次、分階段耦合的原則,將作物總灌水量和施肥量在不同的生育階段分配,制定灌溉施肥制度,包括基肥與追肥比例、不同生育期的灌溉施肥次數、時間、灌水量、施肥量等,滿足作物不同生育期水分和養分的需要。充分發揮水肥一體化優勢,適當增加追肥數量和次數,實現少量多次、提高養分利用率。在生產過程中根據天氣情況、土壤墑情、作物長勢等,及時對灌溉施肥制度進行調整,保證水分、養分主要集中在作物主根區。

5.5水肥一體化設備控制方式

主要有3種控制方式:

用戶通過“智慧灌溉云系統”提供的方案,自動控制灌溉設備,精準完成灌溉流程的智慧灌溉控制方式;

用戶通過觸摸屏設置灌溉水量、施肥量、灌溉時間等參數,設備自動完成灌溉流程的自動灌溉控制方式;

用戶參照水肥一體化灌溉方案,通過操作按鈕人工控制設備的啟停,滿足用戶自主進行灌溉施肥需要的手動灌溉控制方式。

6實施水肥一體化效益分析

6.1社會效益

水肥一體化的實施為發展互聯網 + 智能節水灌溉和測土配方施肥精準作業模式提供了技術手段,積累了實踐經驗,加快了現代高效節水農業的發展;

通過大數據分析為政府部門提供輔助決策支持,提高智能灌溉管理和集約化服務的水平與效率。

6.2經濟效益

相比“大水大肥”傳統灌溉施肥生產方式,采用水肥一體化管理設備的高效節水灌溉工程可以節水20%~80%,節肥50%~60%,大幅提高灌溉用水效率,節約水資源,進而產生巨大經濟效益;

可大幅降低用水、用肥和用藥成本,提高勞動效率,提高農產品品質,增加農民收入,折算每667m2直接產生200~500元的經濟效益。

6.3生態效益

水肥一體化智能灌溉可實現平衡施肥和集中施肥,有效減少肥料揮發和流失,抑制面源污染及過量施肥造成土壤酸化、板結問題,使土地更環保;指導種植戶科學灌溉,合理用肥,保障農產品安全。

6.4省工效益

通過標準化種植系統進行種植,灌溉、施肥均實現自動化控制,降低了工人勞動強度,灌溉、施肥用工量減少90%以上。

6.5減害效益

節約用水的同時減少了園區內空氣濕度,降低了園區的病蟲危害。

6.6品質效益

因水肥一體化可做到配方施肥,滿足作物不同生長時期對不同養分的需求,不僅能夠使作物生長健壯,還有利于提高產量,改善品質。

7存在的問題與對策

7.1存在的主要問題

水肥一體化技術是現代農業發展產生的一項高效節水節肥的新技術,提高水肥利用效率,不僅能平衡農業發展與水資源短缺日益突出的矛盾問題,還有效的緩解生產中勞動力不足。盡管水肥一體化技術能解決農業生產中的一部分難題,但是在實際推廣運行中,遇到的問題和矛盾也很突出,主要有以下幾點:

對灌溉與肥料高效結合的設計指標研究不足,系統設計僅重視了水的層面,主要圍繞灌水均勻性指標開展,缺少對肥均勻性的設計,缺少對分區輪灌施肥速度、均勻性以及肥效等方面評價研究;

水肥一體化設備的初期投入成本比較高,運行中需要消耗一定的電力資源,農戶的認識不夠,沒有考慮長遠綜合利益觀念;

水肥一體化技術是一門綜合性技術工程,涉及設備材料、土壤、農業栽培、水利、智能控制等多種學科知識,技術人員缺乏,技術力量不足,導致各地水肥一體化發展不均衡;

市場沒有嚴格的水肥一體化設備合格規定,有些滴灌施肥設備的穩定性差,產品的精度低,存在質量問題,運行中出現各種各樣的紕漏;

施肥設備選型與微滴灌系統運行匹配性差,沒有做到因地制宜,不同地區水體質量,水分蒸發速度存在明顯差異。比如一些地區水分蒸發快,一些營養成分無法隨著水分滲透到作物根系,會在地表產生鹽分積累,長時間累積會改變土壤的理化環境,會對作物生長產生不利影響;

傳統底肥與水肥一體化優化結合模式研究不足,多數地區仍參考常規灌溉施肥投入,施肥量過大,微滴灌水肥一體化適時適量減施優勢未能發揮,灌溉來水無法配套施肥需求。如部分地區仍按傳統配水方式供水,無法實現微滴灌水肥適時、適量、精準施用需求;

配套肥料產品開發不足,微滴灌水肥一體化涉及水、植物、土壤、肥料等多學科,需要綜合優化以下方面考慮:植物類型和發育期、土壤狀態、灌溉水質、肥料價格與便利性。適用于水肥一體化的肥料應該是高品質、高溶解性和高純度,含鹽量降低且pH值較為合適,同時適應相應的農田承包管理模式。

7.2解決方法

7.2.1加強水肥一體化關鍵技術研究

目前水肥一體化技術在應用過程中存在的諸多問題,歸根到底是缺乏基礎性研究。因而要做好技術模式的選擇和集成創新,并根據各地區的立地環境、土壤條件等制定適宜的科學合理的灌溉制度和施肥方案。

7.2.2加強政府引導和水肥一體化技術的示范推廣

政府相關部門應該建立完善的水肥一體化技術服務推廣體系,增強示范基地建設投入。微滴灌水肥一體化需要集約式規模化管理,而吉林省乃至我國現狀是土地承包分散經營方式,一定程度上制約了發展。通過合作社組織、土地流轉等方式,建立水肥一體化高效示范基地,能為我國現代化農業發展起到良好示范帶動作用。落實和完善相應的配套政策,建立水肥一體化技術的示范區,讓農民親身體會到水肥一體化技術帶來的經濟效益,充分發揮基層農業技術推廣人員的積極能動作用,保證水肥一體化技術推廣工作的持續進行。

7.2.3加強水肥一體化技術培訓

水肥一體化技術具有一定的專業性,在進行技術推廣過程中,尤其要注重培訓操作技術和設備運行管理技能。開展田間學校集中培訓、組織開展技術交流會等多種形式,加大人才培養投入力度,讓農戶對水肥一體化技術的操作流程、注意事項進行詳細了解。通過成功和失敗案例的對比分析、介紹和講解,加深農戶對水肥一體化技術實際應用的認知程度。強化標準體系建設,有效整合水溶肥行業的優勢地位,開發更多經濟適用、標準化程度高的產品。

7.3發展對策

微滴灌技術為水肥一體化提供了最優的實現平臺,水肥效率最高。因此,微滴灌技術是實現國家“一控兩減三基本”目標最值得推廣的技術措施;

提高水肥一體化裝備與產品集成創新開發,大力推廣水溶肥、液態肥產品與技術,打造品牌產品;

培育扶持行業龍頭企業橫向縱向聯合發展,推進灌溉、肥料、信息、互聯網等企業協同發展,拓展節水農業產業鏈,實現水肥一體產業集群式發展;

促進產學研合作,開展作物水肥一體優化模式與運行管理模式制度研究,建立一站式水肥高效服務平臺;

研究低能耗小流量滴灌和水肥一體化技術、研究地下防堵防咬滴灌和水肥一體技術、研究與設施農業配套的高效作物管理技術;

研究與設施農業配套的高效作物管理技術及與之相適應的高效、高產的微滴灌水、肥、種子、農藝栽培、機械和自動化等技術與裝備。

8水肥一體化技術發展趨勢及應用前景

農業物聯網是綜合互聯網、云計算、大數據、移動應用等現代信息技術,為作物精準管理、科學灌溉及施肥提供云服務的智慧系統。農業物聯網集作物種植、種植環境、生長態勢和肥料農藥等信息,結合種植專家經驗,通過數學模型形成最佳的水肥一體化灌溉方案,并根據反饋的種植結果信息,持續對專家系統的數學模型和方案進行優化和調整。水肥一體化設備通過農業物聯網下載水肥方案,聯合移動APP控制外掛擴展設備協同工作,進行定量灌溉和施肥,達到實時、精準、全面、直觀的全程監控,全面展現和監測種植區域的大氣環境、土壤環境、水質環境、作物長勢、設備運行狀態、病蟲害等情況,推動農產品“安全、高質量、標準化”生產,實現農業生產智能化、經營網絡化、管理數據化、服務在線化,加速發展智慧農業,全面提升農業信息化水平。

吉林省是個水資源短缺的省份,人均淡水含量低于全國平均水平,又是我國的糧食生產大省,化肥的消耗量十分巨大,不合理的使用不僅造成資源的浪費,還對土壤和環境造成嚴重的污染,因此吉林省走高效節水節肥的農業發展道路,大力實施和推廣水肥一體化技術是勢在必行的,特別是智能水肥一體化技術能提高水肥利用效率,促進農業由高水高肥低效的生產方式向低水低肥高效轉變,灌溉和施肥制度有效融合發展,實現“以水帶肥,以肥促水、因水施肥、水肥耦合”的技術路線,保障農業的可持續發展,從根本上轉變思路,從設施農業走向大田,從經濟作物發展到糧食作物,是傳統農業邁入現代農業的一次重大變革。加強先進節水技術推廣應用,特別是推進現代化信息技術建設,健全完善省級集中存儲、統一管理的水利信息資源庫,組織研發互聯網+水肥一體化管理設備與智能灌溉物聯云系統,實現科學調度、合理配水、智能控肥。推廣節水新技術、新材料、新產品的應用,完善扶持政策,推廣風力提水、光伏揚水、微滴灌等節水節能技術和裝備,建成一批高起點規劃、高標準建設、高水平運行的經濟作物規模化節水節肥示范基地。

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