水肥一體化研究進展

馬富裕，劉 揚，崔 靜，樊 華，蘆 陽，李明仁

(1.石河子大學農學院/新疆兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子，832000,2.現代農業生產信息化管理與應用技術國家地方聯合工程研究中心(新疆兵團)，新疆石河子，832000)

0 引 言

【研究意義】水肥一體化技術具有提高水分和肥料利用率、有利農業生產可持續發展等優點，能大幅降低肥料用量，減少養分如氮素的淋失損失，增強磷、鉀等元素在土壤中的移動性，提高其利用效率，還對土壤理化性質有較好的改良作用，保持土壤疏松狀態，提高土壤孔隙度，不破壞土壤團粒結構，保持良好的通氣性能，有利于作物根系生長發育。水溶肥發展處于非?；钴S時期，水溶肥開發趨向于高溶解度、高含量、液態化、全營養的方向發展。水肥一體化技術推廣應用對化肥減施增效具有重要意義。【前人研究意義】我國人均水資源量只有2 300 m3，僅為世界平均水平1/4，是全球人均水資源最貧乏國家之一。我國化肥年用量超過6 000 ×104t，占世界總量的1/3，但化肥利用率僅為30%，比發達國家低20%[1]。目前這種水資源短缺、化肥高消耗、低效率的生產方式已經造成了土壤性狀惡化、資源浪費、環境污染、生態破壞等一系列問題，水肥一體化技術使水利用率可提高40%～60%，肥料利用率可提高30%～50%，在節水、節肥方面優勢明顯。采用水肥一體化技術，可實現同步管控肥料施用與水分供給，達到對作物精確供給水分、養分，并保證作物持續得到最佳水分養分供應。廣義的“水肥一體化”就是將肥料溶于水中，以肥液的形式向農田施肥。狹義水肥一體化技術就是通過微灌技術將施肥與灌溉結合起來，通過管道精確地將水肥同步輸送到作物根區，根據作物生長發育需求，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[2]。水肥一體化技術具有顯著優勢，不僅能夠提高水分、養分利用效率、節省勞動力、提高土地利用率，還能保證作物得到均衡的養分供應、有利于保護環境、改善土壤狀況，提高農產品產量與品質[3]?！颈狙芯壳腥朦c】提高水分、養分 生產效率，減少化肥農藥施用量，是當前全球農業科技的重要任務之一。我國是一個干旱缺水嚴重的國家。我國人均水資源量只有2 300 m3，僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。我國化肥使用量卻是世界之最，化肥年用量超過6 000 萬t，占世界總量的1/3，但化肥利用率僅為30%，比發達國家低20%[1]。目前這種水資源短缺、化肥高消耗、低效率的生產方式已經造成了土壤性狀惡化、資源浪費、環境污染、生態破壞等一系列問題，嚴重制約了我國農業的可持續發展。針對當前問題，通過水肥一體化技術同步提高水分、肥料利用效率的綜合技術發展與應用勢在必行。相比一般的水、肥施用方法，水肥一體化技術使水的利用率可提高40%～60%，肥料利用率可提高30%～50%，在節水、節肥方面優勢明顯，是現代化農業發展的必然趨勢?！緮M解決的關鍵問題】采用水肥一體化技術，可實現同步管控肥料施用與水分供給，達到對作物精確供給水分、養分，并保證作物持續得到最佳水分養分供應。廣義的"水肥一體化"就是將肥料溶于水中，以肥液的形式向農田施肥。狹義水肥一體化技術就是通過微灌技術將施肥與灌溉結合起來，通過管道精確地將水肥同步輸送到作物根區，根據作物生長發育需求，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[2]。水肥一體化技術具有顯著優勢，不僅能夠提高水分、養分利用效率、節省勞動力、提高土地利用率，還能保證作物得到均衡的養分供應、有利于保護環境、改善土壤狀況，提高農產品產量與品質[3]。

1 材料與方法

1.1 材 料

相關文獻資料、官網信息等。

1.2 方 法

匯總整理文獻資料,回顧總結分析水肥一體化技術發展動態。

2 結果與分析

2.1 水肥一體化技術發展歷程

水肥一體化技術的最重要的支撐技術是微灌技術，尤以滴灌技術為重。滴灌技術發明于19世紀40年代，在此后100多年里，一直處于適宜材料、工藝技術的探索階段，直到20世紀60年代，以色列發明了長流道滴。以色列超過80%的灌溉土地使用滴灌方法，灌溉水的利用率達到95%，水分生產效率最高可達2.23 kg/m3，氮肥利用率在80%以上[4]。在美國、澳大利亞、墨西哥、南非等國家隨著滴灌技術的大面積推廣應用，水肥一體化技術的推廣應用也達到較高水平。美國水資源充沛，人均水資源占有量12 000 m3。有效灌溉面積約2 533 hm2，不足中國 50%，但噴灌和滴灌面積卻占有效灌溉面積的87%， 2010年滴灌面積就達153 hm2。澳大利亞有70%的地區雨量在500 mm以下，節水灌溉是該國采用的主要農業技術。

中國在1974年前后引進了滴灌技術，在滴灌技術的推廣初期，水肥一體化技術主要應用于蔬菜、果樹和甘蔗等作物，一般節水、增產都在20%以上，優質蔬菜的收獲率由傳統灌溉方法的60%～70% 提高到90%，同時，采用滴灌施肥可減少25%～50% 的氮肥損失。大田作物上大規模推廣應用滴灌技術開始于20世紀90年代末期，通過近20年的發展，滴灌技術在新疆、內蒙古、廣西、云南等地大田作物上得到了大規模的推廣應用。根據2017年全國微灌大會資料，中國現有滴灌面積500 hm2以上，其中，新疆達到了400 hm2(棉花應用面積約250 hm2)。在小麥、玉米、甜菜、加工番茄、辣椒等作物上面積達到100 hm2。

2.2 水肥一體化對作物水分與養分利用效率提高的作用

水肥一體化技術與條施肥或撒施肥相比，更有利于按照作物不同生長階段對養分需求不同精確提供養分[5]。Singandhupe等(2003)對加工番茄的研究表明，全生育期以8 d間隔期、分10次滴灌施肥，比溝灌情況下2次施肥(播種時、播后1個月)節約氮肥20%～40%，增產3.7%～12.5%，節約用水31%～37%[6]。李彬等[7](2015)在玉米、馬鈴薯和大豆上發現，相對傳統水肥管理方法，水肥一體化條件下水分利用效率提高 8.5%～62.9%，肥料利用率提高16.0%～60.6%，玉米、馬鈴薯和大豆產量分別提高22.0%、171.6%和63.8%。

Aujla等[8](2005)在棉花上發現，當灌溉水量和施氮量相同時，滴灌比淹灌籽棉產量增加32%。當滴灌水量降至淹水灌溉的75%時，籽棉產量仍然增加12%。Wang等[9](2018)對北疆地區的棉花研究表明，從獲得籽棉產量和經濟效益方面考慮，灌溉量為3 623～462.5 mm結合施肥量(N-2PO5-K2O)在212.5-85-42.5到367.5-147-73.5 kg/hm2可獲得最高的產量水分利用效率。王進等[10](2015)對北疆瑪納斯河流域34年間棉花灌溉技術的3個不同時期(裸地溝灌，1980～1993 年；覆膜溝灌，1994～2004年；膜下滴灌時期，2005～2015年)的棉花生長和耗水特征進行對比研究結果表明，滴灌技術將棉田水分利用效率( WUE) 由0.4～0.5 kg /m3提高到了0.7 kg /m3，灌溉水利用效率( IWUE) 由0.6～0.7提高到了 1.0 kg /m3，在我國和世界其他干旱、半干旱棉花產區均處于較高水平。

2.3 水肥一體化對氮素利用效率提高的作用

2.4 水肥一體化對磷素利用效率提高的作用

磷(P)元素在土壤中不易移動，在傳統施肥理念中，一般主張把P肥作為基肥施用，以保證土壤為作物提供持續的供磷能力。最近研究表明，在水肥一體化條件下，把P肥全部作為追肥施用，能大幅度提高P肥利用效率。Silber等[17](2003)對生菜研究表明，在P素營養濃度低水平下高頻率滴灌施肥使生菜產量顯著增加,但在低頻率施肥情況下，即使高濃度的P素營養對生菜產量沒有明顯作用。說明即使在低濃度情況下，通過高頻率的灌溉施肥使營養液向主體根區持續補給磷素以滿足作物對磷素的需求，并通過溶液在土壤中的大量流動增強了磷素在土壤中的移動性。張國橋等[18](2014)在玉米上發現，液體磷酸全部追施玉米產量比CK(不施肥)、磷酸二銨60%基施 + 40%追施和液體磷酸60%基施 + 40%追施處理分別提高了37%、 25%和 10%。在成熟期測定，液體磷肥 100%以追肥的方式隨水滴施，玉米植株的吸磷量顯著高于其它處理，可顯著改善玉米生育中后期的磷素營養并提高玉米的生物量、穗粒數和千粒重，磷肥利用率可達40%～60%。段錦波等[19](2018)通過等養分和等成本施肥田間試驗研究了不同滴灌施肥模式對棉花產量及養分吸收的影響表明，在等養分施用條件下，高磷、鉀滴灌專用肥和普通滴灌專用肥處理的棉花干物質重、養分吸收量和產量均顯著高于常規基施處理，滴灌專用肥尤其是高磷鉀滴灌專用肥具有較好的應用效果。

Eissa等(2018)對馬鈴薯施用尿素磷酸酯(UP)的研究結果表明，UP使土壤pH值降低了7.2%，P的有效性提高了24%。高頻率施用UP(每日施1次)比低頻率(每3 d施1次)施磷量馬鈴薯葉柄中磷素含量增加了19%～47%，商品馬鈴薯的產量增加22%。在酸性肥料(UP)高頻施肥灌溉處理中馬鈴薯生產具有更高的水分與磷素利用效率[20,21]。Silber等[22](2005)對燈籠椒的研究結果認為，增加肥P素的肥灌頻率能顯著增加椒株對養分的吸收，尤其是對P和Mn的吸收量。在燈籠椒營養生長早期，地上生物量與葉片中的P含量有顯著的正相關，96%的椒株干重變化與葉片中P濃度變化高度相關，肥灌頻率的主要效應是改善了P的移動性和吸收性。將肥灌頻率從每天2次增加到8次，在30例應用中發現臍腐病(blossom-end rot, BER)發病率從每盆7個下降到2～3個，相應地，達到出口標準的優質果的產量從每盆6.5個增加到10～10.5個。被BER感染的果實的數量與果實中Mn含量呈負相關性，BER發生可能與Mn的虧缺有關。在地下滴灌條件下，深層土體中有較高的水分含量、較大的根密度和較大的濕潤土體，灌溉施肥可以誘發根系吸收更多的P和K，可以生產更多的干物質和產量。但N素吸收速率的在地表滴灌與地下滴灌間的差異較小[23]。

2.5 水肥一體化對作物生長環境與土壤理化性的影響

肥液通過滴頭緩慢均勻地浸入土壤中，不受重力影響，對土壤表層破壞小，基本上能保持土壤表層的疏松狀態。楊久廷等[24](2008)研究滴灌對番茄土壤理化性質的影響發現，滴灌能較好地保持土壤疏松狀態，使土壤的孔隙度比漫灌高，通氣性能好，不破壞土壤團粒結構。張西超等[25](2015) 研究表明，滴灌0～20 cm土層的土壤容重顯著低于滲灌與溝灌。同時，灌溉方法不同，作物不同生育期土壤速效氮、磷、鉀含量不同。通過滴灌實施水肥一體化不僅可以提高番茄作物產量，一定程度地改善番茄品質，而且提高了肥料利用效率，同時達到了高產、高效、節水的目標。王立革等[26](2015)研究表明，高壟覆膜滴灌水肥一體化相對膜下溝灌明顯提高了20 cm土層處的土壤溫度，且表層土壤溫度、飽和導水率、硬度和入滲性能皆顯著優于膜下溝灌，且0～20 cm土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機質含量比膜下溝灌分別高18.4%、47.6%、34.9%和20.9%，還降低了對硝態氮的淋洗。王巧仙等[27](2013)在梨園上研究發現水肥一體化對土壤養分含量和酶活性有顯著影響，水肥一體化處理土壤全氮、全磷、堿解氮、pH值、脲酶含量和磷酸酶顯著高于普通施肥處理；全鉀、有效磷、速效鉀含量高于普通施肥處理。

2.6 水肥一體化水溶肥

2015 年全球水溶肥市場規模達125.3 億美元，需求量增長至 786.3 t。適合于水肥一體化使用的水溶肥有水溶性固態肥和液態肥兩種類型。水溶肥料中不僅含有氮、磷、鉀與微量元素，還含有鈣、鎂、鋅等中微量元素，容易實現作物所需元素的平衡供應。水溶性肥料與傳統單元肥料、二元肥料以及復合肥料相比，含有的養分更高，用量更少，施肥更方便，作物吸收的效果更佳。在國外，水溶肥的研究起步較早，1988年美國公布了TVA(Tennessee Valley Authority)申請的高濃度氮硫懸浮肥的生產專利。1995～2000 年，國外水溶性肥料開始進入中國市場，主要產品為花卉用肥，價格較高，但也在部分高價值經濟作物上開始使用進口水溶性肥料，該肥料正式進入農業領域，但施用面積較為有限。由于利潤可觀，從2000 年前后開始，國內一些肥料公司相繼開始了水溶肥的技術研究和產品開發。截止 2016 年初，中國登記在冊的肥料產品有10 116個，其中，7 517個為水溶性產品，占肥料產品總數的74.3%，我國水溶肥年產量和需求量逐年迅速增加， 2016 年年產量達到410 t。目前水溶肥在國內化肥市場只有1.6%～2.5%的市場份額，但預計未來5年將增至10%左右，這將給水溶肥帶來巨大的發展空間[28,29]。

從作物對養分吸收利用的平衡性來說，水溶肥料的配方更具科學性和針對性。與單元、二元肥料不同，主要以作物生育期內所需元素特性為依據，通過綜合分析后確定系列配方。水溶肥中可以加入螯合態微量元素。有機螯合酸可以將肥料中的微量元素螯合成離子狀態，且不會發生拮抗作用，能提高吸收率，避免作物生長過程中因缺少微量元素而出現葉片小、黃、卷曲等現象。有機螯合酸還可以對已經固定在土壤中的營養元素進行活化，提高肥料的利用率[30]。另外，生產水溶性肥料時選用的原料質量較高，溶解后不會殘留雜質，也不會對作物生長造成不良影響。

從物理狀態上來看，水溶肥有固態與液態兩種存在狀態。固態水溶肥具有便于運輸、存放、分銷。但其缺點也很明顯，需要耗費大量的包裝用品，在分銷與最終用戶使用前需要進行多次搬運、儲存環節，施用過程中還需要大量的人力投入，且其包裝用品會對環境造成污染。而液態水溶肥除具有混合均勻、質量一致、配方容易調整、方便精確施肥、方便向其中添加其他農用化學品等優點外，液體肥料生產成本低、能耗低，生產過程無污染排放。

1.過濾器 2.旁通出水、肥閥 3.攪拌裝置 4.節流閥門 5.旁通進水閥門

圖1 壓差式施肥灌溉系統示意圖(左)與實物圖(右)
Fig.1 Sketch of differential pressure fertigation system

2.7 水肥一體化技術施肥裝備

2.7.1 旁通施肥法

旁通施肥法也叫壓差式施肥法。利用施肥罐進水口與出水口兩端壓差原理將化肥溶液注入灌水管道中，隨著灌溉的進行，肥料不斷被帶走、肥料濃度不斷下降，直到肥料罐中肥料全部流走。該方法優點是設備簡易，價格低廉，但該方法的缺點是除施肥濃度不均勻，易受水壓影響外，還由于設備容積較小，每次投入的肥料數量較少，需要多次向容器中投放肥料，人工勞動強度較大。適用于對施肥速度和濃度要求低、人工管理成本較低的場景。圖1

2.7.2 文丘里施肥法

用水流通過文丘里管產生的真空吸力將肥料溶液從敞口的肥料桶中均勻吸入管道的方法。文丘里施肥方法優點是：成本低，施肥過程肥液濃度均勻，施肥過程無需外部動力。該方法的缺點是對灌溉系統水頭壓力損失大，增加了系統的能量損耗。為了使系統保持相對穩定的工作壓力，還需要對系統配置增壓泵。該方法適宜于可以自動化管理的自動灌溉、施肥系統[31]。圖2

1.過濾器 2出水口 3.肥液罐 4.喉部 5.閥門6.進水口

圖2 文丘理施肥灌溉系統示意圖(左)與實物圖(右)
Fig.2 Sketch of Venturi fertigation system

2.7.3 重力自壓施肥法

通常引用地勢較高處的水源以管道輸水的方法將水輸送到地勢較低的農田，利用水位高差產生的壓力(自壓)實施灌溉的同時進行施肥，該系統特點是：系統簡單，成本低，使用者容易接受。缺點是：水壓小，易堵塞，難以實現自動化。圖3

1.肥液開關 2.水開關 3.過濾網 4.水池 5.肥液濾網6.肥料池

圖3 重力自壓施肥灌溉系統示意
Fig.3 Sketch of Gravity pressure fertigation system

2.7.4 泵吸肥法

是利用離心泵直接將肥料溶液吸入灌溉系統。在泵的進水主管上安裝一根支管，在吸水的同時吸取肥液。該系統特點是：施肥不需要外加動力，結構簡單。缺點是水肥比例不易控制，較適宜于對施肥速度和自動化程度要求低的管理系統。圖4

1.過濾器 2.水泵 3.肥料池 4.肥液開關 5.水源

圖4 泵吸肥法施肥灌溉系統示意圖
Fig.4 Sketch of Pump suction fertigation system

2.7.5 泵注肥法

是利用加壓泵將肥液注入有壓管道，施肥泵的壓力要大于輸水管水壓，需要單獨配置施肥泵，該方法克服了壓差施肥法的缺點，由獨立的高壓注肥泵向灌溉系統加注肥液，可以根據即定施肥量精確控制施肥數量和施肥持續時間、施肥濃度，適宜于精確施肥的需求。圖5

1.肥料罐 2.肥液形狀 3.過濾器。 4肥液泵 5.水泵。 6水源

圖5 泵注肥法灌溉系統示意圖(左)與系統控制界面圖(右)
Fig.5 Sketch of pump injection fertigation system

2.8 水肥一體化與化肥減施增效

Darwish等[12](2003)在黎巴嫩進行了馬鈴薯噴灌和滴灌兩種灌溉方式下水肥一體化的對比研究結果表明，噴灌結合傳統向土壤施肥方法顯著提高了硝酸鹽的淋失率，而通過滴灌系統的水肥一體化，將絕大部分的N素都保持在了作物根區，淋失量大幅下降。Zhou等[13](2016)發現，水肥一體化下施氮對馬鈴薯的光能利用率具有顯著增加作用，大部分的氮素應該在馬鈴薯生長前期(出苗后41～50 d)施用對提高肥料利用效率與產量具顯著作用。Eissa等[20](2018)在馬鈴薯上研究發現，高頻率施用尿素磷酸酯UP(每日施1次)比低頻率(每3 d施1次)施磷量馬鈴薯葉柄中磷素含量增加了19%～47%，商品馬鈴薯的產量增加22%。綜上所述，通過水肥一體化技術對肥料利用率的提高，不僅能顯著提高氮素的施肥用量，還能降低磷肥施用量。

3 討 論

3.1 水溶肥開發

目前我國對水溶肥中不溶物含量的要求是≤5%，業內對此標準爭議較大[29]。將水溶肥中的不可溶性物質含量應該盡可能的低，至少應該低于1%。水溶肥的生產一般分為物理法和化學法。物理法水溶肥雖然生產成本低，但其穩定性差、顆粒大小不均勻，有時會發生拮抗效應，難以滿足使用需求?；瘜W法生產的水溶肥能夠克服物理法的缺陷，生產出高質量的產品，生產過程中物質相態、雜質、pH 值等容易得到控制。水溶肥有向高溶化、復合化、專用化、高效化、液態化、功能化發展的趨勢[32,33]。液態肥料非常便于通過灌溉系統施用，無需溶解，根系吸收快，見效快。隨著灌溉自動化程度的提高和液態肥料生產工藝的不斷成熟與成本的下降，水溶液態肥料有著很好的發展未來。液態水溶肥有清液型與懸浮型兩種產品，后者因為有效成分高、運輸費用低，具有更好的市場競爭優勢，因此，懸浮型液態水溶肥是未來發展的重要方向。

3.2 水肥一體化配套施用設備

水肥一體化技術的良好使用應該是在微灌系統條件下結合質量良好的水溶肥，通過科學的管理使農民獲得良好的經濟收益，進而推動水肥一體化技術進入良性發展軌道。如果灌溉設備和農田作物不能有效結合，肥料技術與灌溉系統不能配套，再高端高效的肥料其推廣也是無法落地并發揮出應有的效能。因此，更大規模推廣滴灌技術，加強灌溉系統的科學化管理，是當前我國水肥高效利用面臨的重要任務。除此之外，大力推廣具有變量施肥調控功能的加注式施肥管理系統，并使用全營養液態水溶肥，有利于精確施肥和大幅降低人工勞動強度[31]。

3.3 水肥一體化技術推廣

由于水溶性肥料的價格較高，除了新疆、內蒙古等地微灌技術發展較好的地區使用大量水溶肥外，目前，其他大多數地方水溶肥主要用于大棚蔬菜、果樹、花卉等作物，而大田作物仍以施用傳統肥料為主，水溶肥使用數量只占非常小的比例。隨著土地流轉逐漸深入，有規模經營的農戶會更加愿意接受新型經濟、高效的水溶肥，有能力購買滴灌、噴灌設備。新技術、新肥料對于提升種植戶人均收入的作用越來越明顯。同時，在良好的售后服務保證下，能及時幫助用戶解決在施肥過程中可能遇到的技術問題，建立暢通的反饋機制，以效果促進技術革新。

4 結 論

4.1 科學運籌作物營養管理。在水肥一體化條件下，為了提高作物產量與品質，合理施肥，種植者通過測定土壤養分含量情況和擬定種植作物種類、目標產量等信息確定綜合養分管理方案，并在微灌設施完備、管理科學的情況下予以實施，以最大可能提高肥料利用效率。

4.2 作物生長期動態調控營養管理。作物生長發育關鍵時期，進行動態營養診斷，根據作物當前營養狀況隨時調整養分管理方案，確保作物生長營養施肥的合理性。配方施肥、動態監測植株營養狀況、生長階段實施變量施肥是作物生產降低肥料用量、提高肥料利用效率的重要措施。

4.3 磷肥以追施的方式施用。在水肥一體化條件下，包括磷肥在內的全部營養元素均可以通過追施的方式施用，可以不用施用基肥，節約肥料投入與機力投入。

4.4 使用智能變量施肥管理系統。借助智能化水平較高的施肥裝備，實施高頻灌溉施肥技術，降低肥料用量，降低肥料淋失，提高肥料利用效率。

4.5 通過實施水肥一體化技術顯著降低化肥用量。應加強對微生物肥料的開發，通過向土壤施用微生物肥料改善土壤微環境，充分活化土壤被固定養分并使其得到釋放從而作物吸收利用，減少對土壤的化學肥料的施用。通過水肥一體化設施將化學肥料、有機肥料、微生物肥料有機的集成在一起并隨水施肥，不僅能夠降低施肥方法成本，而且還可以降低施肥總用量。