梁嘉敏,楊虎晨,張立丹,陳小娟,陳 靜,樊小林,孫少龍
(華南農業大學資源環境學院,廣東 廣州 510642)
我國作為人口大國,人口總數目前居世界第一位。然而,我國的耕地大約只占世界現有耕地的9%,地少人多是限制我國農業發展的重要因素之一。作為農業大國,我國堅守18 億畝的耕地紅線,要用現有耕地養活世界20%的人口,承受著巨大壓力。為了提高作物產量,農民在作物種植過程中施用大量化肥[1]。在某種程度上,隨著施肥量的增加報酬量會增加。然而,當超過這一限度后,每單位投入所帶來的報酬則會逐漸降低,甚至會導致減產[2]。同時,過量施用肥料會破壞土壤的內部結構、理化性質、微生物群落,甚至造成環境污染。與傳統的固體復合肥相比,水溶性肥料的利用率高,不會因過度施肥而造成環境污染、土壤養分失調等生態問題,是一種具有較好前景的可持續性肥料。隨著人們對生態環境的日益關注,對農業生產要求不斷提高,水溶性肥料因其養分含量高、肥料利用率高、肥料成本低、綠色環保等優點,成為推動農業可持續發展的重要保障。與傳統的漫灌施肥相比,水肥一體化技術可實現適量適時適地施肥和灌溉,提高作物產量和品質,有效降低生產成本,其肥料和水分的利用率高達90%。水溶性肥料并不是國內首發研制的,從外國引進到自主研發經歷了漫長的過渡期。進入21 世紀,國內的水溶性肥料專利申請增多,生產技術取得進步,產品、產量逐年遞增。國務院在“十三五”期間,明確提出化肥零增長的計劃。在國家政策的引導和推動下,加速了新型肥料的發展,其中以水溶性肥料為代表的新型肥料及其一體化施用技術得到進一步推廣應用。水肥一體化技術是水溶性肥料發展的堅實基礎,經過長時間的探索實踐,我國水肥一體化技術不斷完善,國內水溶性肥料的應用從小范圍試驗轉變為大面積實施。未來幾年,水溶性肥料在肥料市場上的占比將不斷增加,水肥一體化技術的應用將推向全國各地,發展前景更加廣闊。水溶性肥料與水肥一體化技術相結合應用,可提供適宜的水肥環境,有利于作物的生長發育,具有節水、節肥、高效的優點。然而,水溶性肥料和水肥一體化技術也存在一定的局限性,需要相互適應,相互調整,實現更大的價值。
廣義上,水溶性肥料是指能夠快速溶解于水中的大量元素單質水溶肥料、復合水溶肥料、農業農村部規定的水溶肥料和有機水溶肥料等[3]。與普通顆粒復混肥相比,水溶性肥料具有養分全且含量高、水不溶物含量低等優點,能夠迅速溶于水中,被作物吸收利用[4]。根據不同分類標準,水溶性肥料的類型有所區別。按照物理形態的不同,水溶性肥料可以分為固體水溶肥料和液體水溶肥料,其中固體水溶肥料可根據固體的具體形態分為顆粒狀和粉末狀,而液體水溶肥料可以根據液體的具體形態分為清液型水溶肥料和懸浮型水溶肥料。按照功能的不同,水溶性肥料可以分為營養型水溶肥料和功能型水溶肥料,營養型水溶肥料主要補充作物生長所需要的營養物質,包括大量元素水溶肥料、中量元素水溶肥料、微量元素水溶肥料等;功能型水溶肥料則會添加植物源、動物源、礦物源等功能活性物質,包括含腐植酸、氨基酸、海藻酸等的有機水溶肥料,能夠改良土壤、刺激作物生長、改善作物品質[5]。企業需要根據水溶性肥料的國家和地方標準進行研發、生產和登記水溶性肥料產品,其中,國家標準明確規定大量元素水溶肥料中的大量元素含量不低于50%,中量元素水溶肥料中的中量元素含量不低于10%,微量元素水溶肥料中的微量元素含量不低于10%;嚴格要求水不溶物含量均不高于5%,其稀釋250 倍后的肥液pH 值必須控制在3.0~9.0 之間,部分含腐植酸、氨基酸和海藻酸等有機水溶肥料的標準則由企業擬定。
結合我國實際情況,水溶性肥料及其一體化技術具有以下優勢:第一,我國水資源時空分配不均,水肥一體化技術可以提高作物的水分利用率、節約水資源[6];第二,水溶性肥料是一種經濟又高效的肥料,其原材料通常是廉價的液氨和尿素,生產過程無需進行廢氣、廢渣、廢水的處理;第三,水溶性肥料的施肥作業基本實現全自動化,可節約勞動力成本,給農戶帶來生產便利;第四,水溶性肥料隨水施用,直接施于根系或作物葉面,避免養分流失或被土壤固定,提高養分的有效性,其養分吸收率為常規復合肥的兩倍。
農業的發展離不開工業,化肥的生產需要雄厚的工業實力。美國、英國和以色列等發達國家的水溶性肥料研發生產技術和灌溉施肥設備遙遙領先于其他國家,其中以色列在水溶性肥料的研發生產及其配套設備和施肥技術已經非常成熟[7-8]。早在1925 年,英國就以簡單的固體肥料摻混制成一種水溶性肥料[9]。隨著市場需求量增大,其他國家也相繼開展相關研究,主要集中于復合養分液體肥和濃縮型懸浮液體肥。為了實現水肥一體化技術的大面積推廣,Milani 等[10]利用納米技術生產具有活性的全水溶性肥料,大大提高了肥料的水溶性,避免其在噴灌和滴灌設備上出現堵塞現象。此外,為優化水溶性肥料,研究者不僅從生產技術上進行改進,還不斷完善其施肥技術。目前,美國是世界上水肥一體化技術應用面積最大的國家,而以色列超過90%的耕地應用了噴灌、滴灌等先進的水肥一體化技術[11]。
20 世紀90 年代,我國開始從國外引進水溶性肥料,由于其價格昂貴,主要應用在高價值的花卉和經濟作物上。2001 年,山東省農業科學院申請了多元素液體肥料專利,該肥料成本較低,主要應用在蔬菜、果樹上。2002 年,中國科學院申請了以滴灌為基礎的酸性液體肥專利,該肥料溶解度高,且不會堵塞管道[9]。直到2005 年,我國的水溶性肥料市場才真正打開,雖然起步較晚,但發展速度較快。據農業農村部肥料產品登記統計,截至2020 年6 月,全國水溶性肥料登記總數達14 453 個,其中大量元素水溶肥料、中量元素水溶肥料、微量元素水溶肥料、含腐植酸水溶肥料、含氨基酸水溶肥料和其他有機水溶肥料分別為3 528、1 573、2 673、3 208、3 043 和428個。近年來,國內水溶性肥料的需求量和市場規模不斷擴大,然而,由于國內水溶性肥料生產技術存在缺陷,進口水溶性肥料仍占較高的市場份額(表1)。

表1 國內水溶性肥料部分進口公司品牌和登記號Table 1 Part of import brands of water-soluble fertilizers in China and the registration numbers
固體水溶肥料的生產方法通常分為物理混合法和化學合成法。物理方法是指利用攪拌機器將氮、磷、鉀等單質肥或復合肥料按照一定的比例直接配成水溶性肥料,產品形狀、色澤等性質與原料有直接聯系,通常外觀、穩定性比較差[12]。同時,物理方法的生產過程未涉及除雜程序,產品存在一定雜質,是后續施肥時產生沉淀堵塞管道的主要原因?;瘜W合成法是指在一定溫度和酸堿度的條件下,通過反應、除雜、蒸餾濃縮、冷卻結晶等步驟,將氮、磷、鉀等養分按比例制成水溶性肥料。與物理混合法相比,化學合成法制備的固體水溶肥料具有外觀好、質地均勻、結晶純度高等優點。此外,顆粒狀水溶肥料的生產則需要通過造粒工藝實現,如轉鼓造粒、圓盤造粒、塔式造粒。其中,塔式造粒工藝是最常用的方法,是將固體尿素、硝酸銨等氮肥進行加熱熔融,隨后加入磷、鉀等營養元素,混合均勻后送入高塔進行噴灑,最后冷卻結晶形成顆粒狀的水溶性肥料[13]。
液體水溶肥料的生產流程比固體水溶肥料復雜得多,主要是由于所有養分必須完全溶于水中,這在一定程度上限制了養分含量。液體水溶肥料的生產主要通過溶解、螯合等方法,將各種營養元素、助劑以及活性物質溶解于水中制成均勻的液體水溶肥料,其生產工藝包括除雜凈化、原料溶解、養分螯合與復配、酸堿度調節等步驟[3]。液體水溶肥料的生產過程還需要監測生產用水的水質情況和生產過程中的反應條件,嚴格執行各個生產環節。國內企業經歷了長時間摸索實踐后,對水溶性肥料的生產工藝進行了完善,革新自動化設備、改善配方設計和提高生產安全性。
灌溉和施肥既相互影響又相互依存,水肥一體化技術能完美融合灌溉與施肥,具體指渠道灌溉、噴灌、滴灌等農業灌溉設施與施肥融為一體的農業新技術[14]。灌溉施肥通常需要借助壓力系統,按照土壤的養分條件以及作物的需肥情況,將由可溶性肥料配兌成的液肥與灌溉水一起施用,具有節約、高效、省工、環保等優點[15]。例如,利用配兌的腐植酸有機液體肥進行大田試驗,發現與傳統尿素相比,有機液體肥可減少施用12.5%的氮肥,且能明顯提高水稻的產量和氮素吸收效率[16]。Ahmad 等[17]利用腐植酸和黃腐酸基液肥對小麥產量的影響進行試驗,發現所有液肥處理的小麥產量均高于對照組,大大增加了經濟收益。然而,灌溉施肥的應用也存在一些限制因素,如水不溶物會堵塞管道,這與肥料生產的原料以及生產過程的除雜有關,尤其是含磷水溶肥料,磷元素不僅溶解度低,而且易與水中的某種溶質反應產生沉淀物,從而堵塞管道。滴灌施肥時,施肥前需要先滴水濕潤土壤,避免土壤表層鹽分積聚,施肥后需要繼續滴水清洗管道,可以減少導管堵塞的現象。
噴灌施肥也是一種節水灌溉施肥方式,其受系統的均勻系數影響最大,關系到作物對養分的吸收、利用和流失情況[18]。Home 等[19]以秋黃菊為試驗對象,比較溝灌、噴灌、坑灌3 種灌溉施肥方式對氮素利用率的影響,發現噴灌施肥的氮素利用率最高、滲漏流失量最少。水肥一體化技術的應用需要根據地形、氣候、作物等因素設計施肥模式,而不同模式也各有優缺點(表2)。其中,文丘里施肥模式在國外已被廣泛使用,國內也研制出多種同類型產品,其施肥原理是水流經過縮小的斷面時,流速變大形成負壓吸入肥液,具有可移動性、便捷性、經濟性等優點。

表2 不同施肥模式特點Table 2 Characteristics of different fertilization modes
無土栽培是指在無土壤的介質中培養植物的方法,包括水培、霧(氣)培、基質栽培。早在1627 年,弗朗西斯·培根就提出無土栽培概念;1699 年,研究者進行了水栽培試驗;20 世紀,無土栽培才開始真正流行起來[20]。無土栽培中作物吸收的養分主要來源于營養液,由水、肥料和輔助物質組成,水溶性肥料是制備營養液的主要來源。相比傳統的土培方法,無土栽培可以節約空間和時間,如溫室大棚可進行多層立體栽培,能有效控制作物對光照、水分、溫度、養分以及空氣的要求。土培情況下,養分容易隨水滲漏流失和被土壤膠體固定,無土栽培則可避免上述問題的發生,其肥料利用率可達90%。此外,無土栽培還能阻斷病蟲害的傳播途徑,避免土傳病害的發生,給作物提供良好的生長環境[21]。Miller等[22]利用水循環模式栽培生菜,發現回收液中的EC 值增加、養分濃度下降,未對植物生長產生明顯的負面影響,為營養液循環水培作物提供了參考。無土栽培是解決土地和水資源短缺以及耕地污染等環境問題的重要種植方法,適用于人口密集城市和海灘荒島的農業生產[23]。目前,利用人工配制營養液進行水培的栽培方式最為常見,可以提高作物的水肥利用效率。Abu-Shahba等[24]通過水培和土培兩種種植方式比較生菜的生長形態和生化參數,結果表明水培系統的耗水量低、作物生長好。經無土栽培生產的作物不僅成熟早、產量高、品質優,而且綠色環保、無污染,深受大眾喜愛,其中發達國家生產的蔬菜已有50%通過無土栽培生產。然而,無土栽培的應用也存在一定阻礙。首先,無土栽培的應用是向規?;?、自動化發展,其設備、設施以及監控管理的資金投入高,目前僅應用于蔬菜等小型作物;其次,由于基質和營養液的緩沖能力較土壤弱,溫度升高水分蒸發加快,養分濃度提高影響根系生長發育;第三,管理技術復雜,需要實時監控反饋。因此,無土栽培可以通過研發無土栽培專用型的水溶性肥料,簡化水培和霧培形式降低系統成本,向自動化、集約化、現代化、高效化發展。
植物主要通過根系吸收養分,也能通過葉面吸收部分養分。葉面施肥是根系受損、土壤干旱和缺素時的施肥替補方法,可以及時補充作物所需養分,快速緩解缺素癥狀[25]。尤其是中微量元素土施容易被固定,過量施用會對作物產生毒害作用,而葉面施肥可避免毒害作物,養分通過氣孔進入葉片,促進光合作用,有利于干物質的積累。最初,葉面肥是以營養型葉面肥為主,將大量元素和微量元素溶于水配成一定濃度的溶液,噴于植物葉面起補充營養的作用。為追求更好的施肥效果,衍變出氨基酸型、腐植酸型和植物生長調節劑型等葉面肥,其中氨基酸型葉面肥通過氨基酸螯合鐵、錳、銅等金屬離子,增加養分的有效性;腐植酸型葉面肥添加的腐植酸活性物質,可通過交換、吸附、配合等作用增加金屬離子的有效性;植物生長調節劑型葉面肥則在以上幾種葉面肥的基礎上添加植物生長調節劑,調節植物生長發育。同時,葉面肥可與農藥一起噴施,這類葉面肥是藥肥型葉面肥,如硝酸鉀與農藥配合噴施可提高農藥藥效。Patel 等[26]研究了不同生長階段葉面施用硼對水稻的影響,發現分蘗期和灌漿期施用葉面硼可促進水稻生殖生長,明顯增加水稻產量。將氨基酸液體肥施用于大豆葉面,發現其可改善葉面微生物群落,進一步提高產量[27]。Shankarappa 等[28]通過扁豆的田間試驗,發現水凝膠結合葉面營養液施用,可以顯著增加單株莢果數,提高扁豆產量。水溶性肥料的施用遵守少量多次的原則,葉面噴施時更要注意噴施濃度,噴施濃度過大會出現燒葉現象[29]。此外,大部分葉片有較厚的角質層,會降低養分的滲透率,某些元素的移動性差,葉面吸收比根系慢很多。葉面肥的施用效果也受環境影響,因此,施用葉面肥要避免在雨天進行,最好選擇在晴天或陰天上午9:00 前或下午16:00 后,還可通過添加濕潤劑防止葉面肥快速蒸發而失效。
水肥一體化技術是水溶性肥料發揮肥效的保障。我國水肥一體化技術的發展大致分3 個階段:第一階段是引入國外先進設備,第二階段是探索核心技術,第三階段是獨立研發與應用。目前國內在這一領域上的研究已有較大進展,主要包括試驗地點、作物、施肥方式、應用效果等,其中試驗作物主要包括糧食作物(水稻、冬小麥、玉米、馬鈴薯)、水果(香蕉、菠蘿、柑橘、甘蔗、草莓、葡萄、蘋果)、蔬菜(番茄、黃瓜、辣椒)等。
水肥一體化技術在水稻、小麥、玉米等糧食作物上的應用研究表明,與傳統施肥方式相比,滴灌和噴灌等新興灌溉施肥方式更能節水節肥(表3)。水稻、小麥研究結果顯示,肥料隨水施用可以促進作物對養分的吸收,起到及時追肥的作用,有效增加穗重、穗數和千粒重[30-34]。朱忠銳等[34]應用噴灌施肥種植小麥,發現噴灌可減少水分蒸發和滲漏,有利于水分貯存。有限灌溉和合理減施氮肥,有利于小麥后期的干物質積累。水肥一體化技術對玉米的株高、莖粗、生物量、穗重和穗粒數均有積極作用,還能減少氮素和水分的流失,提高肥料和水分利用率[35-36]。張國橋等[37]研究滴灌施磷對玉米利用磷素的影響,發現滴灌追施磷肥的效果較基施磷肥好,可滿足玉米后期對磷的需求,有效增加穗粒數、穗重和穗粗。此外,滴灌施肥為馬鈴薯創造適宜的生長條件,能有效提高成活率、減少薯塊變質腐爛[38-39]。

表3 水肥一體化技術在糧食作物上的應用效果Table 3 Application effect of fertigation technology on grain crops
水肥一體化技術在水果上的應用效果見表4,其中,香蕉、菠蘿、柑橘和甘蔗屬于熱帶作物,普遍生長在雨水充足的南方地區。甘蔗根系發達需水較多,水肥一體化能有效控制甘蔗不同時期的灌水量和施肥量,有利于甘蔗對肥料的吸收,顯著提高莖數、莖長、莖徑、莖重、蔗糖分和產量[40-41]。譚宏偉等[42]研究了滴灌對甘蔗減量施肥的影響,結果表明滴灌對甘蔗的苗期、分蘗期、伸長期和成熟期的養分吸收有促進作用。滴灌施肥能有效增加香蕉前期的青葉數、葉片寬度和SPAD 值,促進光合作用,為后期的香蕉發育打好基礎[43-44]。李小泉等[45]應用膜下雙管滴灌種植香蕉,可縮短香蕉生長期,有效提高產量。水肥一體化技術能促進菠蘿對各營養元素的吸收,有效提高單果重、果實高度、果實直徑和種苗數,且有效調節果實的糖酸比,增加Vc 含量[46]。馬海洋等[47]研究了灌溉施肥對菠蘿產量的影響,發現滴灌有利于根、莖、冠芽的養分向果實移動,促進干物質的分配和積累。在減少化肥用量的情況下,采用水肥一體化技術種植柑橘能有效增加單果重、單果數和產量,同時提高果實可溶性固形物含量[48-50]。在草莓的應用上,通過調整施肥比例能提高草莓可溶性固形物含量,且在減少20%化肥用量的情況下仍能提高草莓產量[51-52]。葡萄生長需水肥較多且抗病性差,滴灌施肥可改善生長小環境,減少病害發生,顯著提高葡萄品質[53-54]。杜軍等[55]研究了滴灌施肥水肥一體化技術對葡萄生長的影響,發現滴灌施肥能有效促進葡萄新梢生長,有利于糖分輸送和積累。此外,滴灌施肥能有效提高蘋果對N、P、K 等養分吸收,進而提高果實可溶性固形物含量和Vc 含量等指標[56]。然而,不同生態區的水熱條件和土壤肥力差異明顯,應用效果差別很大。路永莉等[57]在不同生態區應用水肥一體化種植蘋果,發現在減少50%施肥量的條件下,渭北旱塬區種植的蘋果存在減產風險,而關中平原區種植的蘋果則有增產現象。

表4 水肥一體化技術在水果上的應用效果Table 4 Application effect of fertigation technology on fruits
水肥一體化技術在番茄、黃瓜和辣椒等蔬菜上應用有較多實例(表5)。水肥一體化技術通過少量多次施肥,促進作物對氮磷鉀等養分的吸收,進而提高果實的可溶性糖、可溶性固形物和Vc 含量[58-61]。王文軍等[59]應用水肥一體化技術生產番茄,發現能有效提高果實番茄紅素含量;江雨倩等[62]研究了滴灌生產黃瓜對耕地N2O 排放的影響,發現在滴灌條件下土壤的濕潤區逐步擴大,干濕交替減少,限制了硝化或反硝化的發生條件,有效減少N2O 的排放。運用水肥一體化技術可延長辣椒兩次的生育期,促進辣椒對養分的分配,有利于果實干物質的積累[63-64]。傳統蔬菜農業存在嚴重的水肥浪費問題,水肥一體化技術節水、節肥、高效,成為解決農業環境污染問題的突破口。

表5 水肥一體化技術在蔬菜上的應用效果Table 5 Application effect of fertigation technology on vegetables
水肥一體化技術在其他作物上的應用效果見表6。水肥一體化技術可直接將肥水輸送到作物根部,有利于作物吸收養分,對茶樹根系、新梢、芽頭均有促進生長的作用,同時能改善土壤的理化性質[65]。唐顥等[66]研究茶園應用滴灌施肥的效果及土壤養分效應,發現滴灌施肥可提高土壤pH 值,降低堿解氮含量,弱化土壤酸化作用。此外,水肥一體化技術在花生上的應用表明,通過滴灌施肥可以增加莢果和籽仁的產量,進而對花生具有增產作用[67]。水肥一體化技術在棉田上的應用主要是氮肥,采用滴灌施肥可節約氮肥和減少環境污染[68]。鄧忠等[69]研究滴灌施肥對棉花蕾鈴脫落的影響,發現肥水過高或過低會使各器官養分失調,適宜追施氮肥可延長棉鈴增長,保證有效鈴數和良好株型結構。

表6 水肥一體化技術在其他作物上的應用效果Table 6 Application effect of fertigation technology on other crops
近幾年,我國的水溶性肥料發展迅速,水溶性肥料產品登記數逐漸增加,對水溶性肥料的應用研究不斷增多。然而,目前在產品質量、生產技術、配套設施、推廣應用和市場規范上仍存在一些問題:(1)產品質量問題突出,水溶性肥料的產品在運輸存儲過程中容易出現脹氣、分層結晶、吸濕結塊、黏度增加等情況。脹氣主要是由于溫度、氣壓、濕度等環境條件的變化,分子發生運動,反應產生氣體。吸濕結塊是固體水溶肥料的主要問題,固體水溶肥料易受環境濕度的影響,吸濕后結塊變形,不利于后續使用[70]。分層結晶和黏度增加主要發生在液體水溶肥料,當溶液中的養分處于飽和狀態時,溫度降低,溶解度發生變化,養分容易析出,黏度增大,嚴重時會分層結晶。(2)生產技術落后,國內規?;a水溶性肥料的企業較少,生產工藝缺乏創新性,生產技術方面仍然比不上發達國家,農民對國內產品信任度不高[71]。(3)配套設施不完善,我國農業種植范圍廣,區域地理位置、水土資源和作物種類相差大,普通的灌溉設施無法滿足各地區的需求。(4)推廣應用效果不佳,媒體的報道與實際不符,夸大或抹黑效果都會影響農民的選擇。(5)市場規范模糊,市面上水溶性肥料的種類繁多,產品質量參差不齊,時常出現假冒偽劣產品,主要是由于市場準入規則不健全、政府監督管控不力。
水資源與土地資源是困擾我國糧食生產的重大因素。近幾年,礦物資源的大量開采,某些稀有的礦物資源開始出現短缺。因此,依靠進口肥料維持生產不是長久之計,必須要制定長遠、合理和科學的解決方法。顯然,水溶性肥料是緩解以上問題的制勝法寶,既可以節約農業用水和提高肥料的利用率,而且能緩解耕地退化問題。盡管國內對水溶性肥料的研究應用已經取得一定進展,但其推廣應用受到各種因素的限制。一方面,國內缺少高新技術人才,企業未掌握核心技術;另一方面,水溶性肥料行業發展較快,市場投資過熱,企業偏重于生產銷售,缺少創新研究的投入。
目前,全世界的肥料正在向高濃度、液體化、緩效化、高利用率發展,水溶性肥料是一種養分含量高且營養全面、可自動化實施的高效肥料。隨著我國可持續農業的推進,農業生產開始重視綠色環保的高新技術,水溶性肥料的發展可以朝著功能化和高效化方向發展。水溶性肥料的配方不再僅限于大量元素、中量元素或微量元素,可針對作物需肥特性進行配方設計,額外添加氨基酸、海藻酸和腐植酸等生物活性物質,促進作物生長。同時,需要考慮農民的利益,從生產原料、生產工藝、包裝運輸等方面控制成本,合理定價。建立龍頭品牌,吸引科技人才加入研發團隊,打造特色產品。政府、企業可通過基層實踐、鄉村培訓等活動打破農民對肥料的傳統概念,灌輸水肥一體化的先進理念,讓農民親身親切體會水溶性肥料的優點。