我國水肥一體作業(yè)模式難點及發(fā)展方向

史云天，喬清旭，齊瑞鋒，安帥霖，孫 鴻

（吉林省農業(yè)機械研究院，吉林長春 130000）

0 引言

在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，環(huán)境保護問題、資源節(jié)約問題尤為重要。我國作為農業(yè)大國，農業(yè)灌溉用水量占總淡水使用總量的80%，而灌溉水利用率僅為50%左右。農田肥料使用方面，我國傳統(tǒng)粗放式施肥方式，肥料使用量較大，每公頃肥料投入約高出世界平均肥料使用的四倍左右，而且肥料利用率低，其中氮、磷、鉀肥料的利用率分別為40%、20%、50%。我國目前的施肥方式，造成肥料資源浪費較大、對環(huán)境污染嚴重、破壞農田土質、污染周邊水資源、對農產品的品質問題也有所影響。為提高水、肥料的利用率，我們有必要去研發(fā)更高效的水肥一體作業(yè)技術[1-2]。

隨著國家對農業(yè)領域的支持和幫助，我國正由傳統(tǒng)農業(yè)轉變?yōu)楝F(xiàn)代化農業(yè)，而現(xiàn)代化農業(yè)的核心以科學為主，所以在農藝方面，務必實現(xiàn)智慧農業(yè)、精準農業(yè)、無人作業(yè)。水肥一體作業(yè)技術可同步完成灌溉、施肥作業(yè)，其原理是將水溶性肥料按所需比例溶入水中，通過滴灌方式將藥液作用到植株根部。通過結合智能控制技術、遠程監(jiān)測技術等、自動化調節(jié)設備，避免水資源浪費、提升施肥效率、實現(xiàn)無人作業(yè)、達到了增效、增產、節(jié)約資源的目的[3]。

1 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前美國、西班牙、以色列、日本、德國、法國等農業(yè)發(fā)達國家，對水肥一體作業(yè)模式研究較早，這些國家總體發(fā)展趨勢是：設施標準化、大型化；作業(yè)機械化；設施環(huán)境監(jiān)控自動化、信息化、智能化；農業(yè)生產工廠化。

以色列于1960年開始投入使用水肥一體作業(yè)模式，目前處于領先水平，在無土栽培、種子培育、農業(yè)機械化和農業(yè)智能化領域也走在世界前列。作業(yè)方式主要采用滴灌輸送液料，通過文丘里水泵和水壓輸送水源的方式，使水肥緩慢作用到植株根系。這種作業(yè)方式降低了土壤的破壞性，保證了植株根系的濕度、透氣程度、溫度及肥料充足，減少蒸發(fā)帶來的水分流失，減少肥料投入，保護水資源，提高了肥料的利用率。目前水肥一體技術的普及程度達90%以上。

以色列的自動控制技術公司Eldae-shany生產的肥滴佳、肥滴美、肥滴杰等產品，實現(xiàn)了精準施水施肥作業(yè)。開發(fā)的水肥一體化作業(yè)設備，可對作物生長環(huán)境實時監(jiān)測的效果，并將信息傳遞至處理器，根據不同環(huán)境情況來調節(jié)肥料投入量，實現(xiàn)了無人作業(yè)的灌溉施肥模式。

美國的水肥一體技術發(fā)展較早，于1950年開始嘗試小規(guī)模灌溉施肥作業(yè)，隨著技術的不斷發(fā)展，目前美國的該技術也位居世界前列。著名的灌溉公司有KRAIN、rainbird等。依靠先進的信息處理技術、控制技術研制的水肥一體機，實現(xiàn)了大面積灌溉施肥作業(yè)，可實時監(jiān)測并調節(jié)植株根部土壤環(huán)境，保護植株生長，并達到節(jié)水、節(jié)肥的目的。

在亞洲地區(qū)，韓國、日本也開發(fā)了一整套水肥一體作業(yè)系統(tǒng)，并投入農業(yè)生產中。其中日本的無土栽培技術具有代表性，其控制系統(tǒng)采用多位機控制模式，上位機控制下位機，并且可對植株生長環(huán)境進行監(jiān)測，通過采集各個監(jiān)測軟件的各傳感器，了解并掌握植株生長情況，可自動調節(jié)水肥噴灑效果，實現(xiàn)了精準水肥一體作業(yè)[4]。

1.2 國內發(fā)展情況

我國研究水肥一體技術相對較晚，從1974年開始研究[5]，發(fā)展至今也取得較大進步。目前，我國水肥一體設備主要應用到滴灌、微噴灌、裸帶滴灌、地表下淺埋滴灌作、膜下滴灌。涵蓋作物包括玉米、谷物、果蔬、花卉等幾十種。

我國東北部作為主要農業(yè)生產區(qū)域，在使用水肥一體作業(yè)模式初期，主要采用膜下滴灌作業(yè)方式，該作業(yè)方式對水肥利用率較高，相比于常規(guī)作業(yè)，其節(jié)水達50%、節(jié)肥達30%。在設備方面，主要以壓差施肥罐較多，該設備使用維護簡單、成本低，但壓差施肥罐的出肥口較小，單次出肥量少，需多次倒肥，作業(yè)效率低，出料濃度不均勻[6]。

近年來，基于智能控制技術、遙感技術等技術的發(fā)展，信息處理技術與水肥一體設備相結合的作業(yè)模式，也備受學者們的關注。李銳利用單片機控制技術設計的水肥一體作業(yè)設備，可實時監(jiān)測EC值及pH值，并根據需要，閉環(huán)控制水肥含量，且滿足一定含量精度。楊青杰基于PLC控制技術，基于模糊控制方法，設計的水肥一體設備，經試驗測試，其作業(yè)效果良好、施肥均勻、超出預期效果。黃金鑫等采用膜下滴灌作業(yè)方式，利用無人機實時監(jiān)測植株長勢，結合水肥一體設備根據植株不同生長期，優(yōu)化水肥含量，實現(xiàn)玉米高產并同時做到節(jié)水、節(jié)肥的目的。

目前，國內水肥一體技術正處于發(fā)展高峰期，同時也出現(xiàn)了以安徽省艾瑞德為代表的水肥一體設備公司，該作業(yè)模式配套設備正逐步走向市場。但我國使用水肥一體設備的仍處于少數。由于設備不完善導致智能化程度低、機械化程度低、勞動強度大等問題，而且設備價格較高，該技術并沒有全面推廣使用，許多農戶使用該設備，僅僅是用在家用小型溫室大棚，并不用于農業(yè)生產。

總體來說，我國水肥技術尚不成熟，水肥一體設備仍不完善，其中智能化監(jiān)測系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)無法做出準確判斷；智能化程度不高，許多水肥比例、灌溉、施肥的模式仍需要手動操作；且配套設備故障率高，難以修復。所以我們有必要研制出更加智能、可靠性更強、精度更高的設備。

1.3 全面推廣迫在眉睫

就目前水肥作業(yè)來看，我國仍以傳統(tǒng)粗放式的施肥、灌溉為主。許多地區(qū)仍存在漫灌、畦灌、溝灌、淹灌等落后的灌溉方式，作業(yè)效率低下，水、肥資源浪費嚴重。目前，發(fā)達國家，其水肥一體化作業(yè)模式已全面推廣使用。根據國際排灌數據統(tǒng)計，全球噴灌面積已達5300萬hm2以上，芬蘭、以色列等國家，其推廣使用面積已達到90%，而我國使用僅為10%。在施肥方面，我國肥料用量較大，但肥效利用率較低，遠低于發(fā)達國家水平。為實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥、減少人力投入、減少環(huán)境污染、增效增收，全面推廣水肥一體作業(yè)模式是我們重要的一步，也是實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化的關鍵一步。

2 存在的問題及發(fā)展方向

2.1 目前我國水肥一體作業(yè)存在的問題

自1980年進行水肥作業(yè)試驗研究，我國水肥一體化技術不斷完善，相關設備也逐漸走向成熟，發(fā)展至今，我國灌溉面積已達2700萬hm2。目前仍然存在以下問題。

2.1.1 施量不均問題：我國目前水肥一體化系統(tǒng)以滴灌供料為主，但由于輸水管道較長，管道入口壓力大于管道端口，使管道壓力不均勻，造成滴灌管兩側端口處供給量不同，出現(xiàn)施量偏差。長期作業(yè)，出現(xiàn)起始端作物長勢較好、末端作物長勢較差的問題。

2.1.2 智能化程度較差、監(jiān)測部件不完善：我國水肥一體化推廣使用時間相對較短，設備相對落后，監(jiān)測裝置、控制技術不成熟，缺少更精準、更智能的監(jiān)測及操作設備。水肥一體化設備作業(yè)時，連續(xù)均勻向植株根部輸送水及肥料。由于檢測設備不完善，無法實時監(jiān)測物料供給量及液料的比例濃度。根據當前作物生長階段情況所需，無法判斷出施水施肥量是否充足，易使植株根系土壤的水、肥過盈，造成土壤環(huán)境易發(fā)生鹽漬化及植株根系窒息的風險。

2.1.3 滴灌方式存在的問題：長期滴灌作業(yè)，缺少松土、剪根、除草等作業(yè)，田間土壤易板結，影響作物生長發(fā)育。

2.1.4 滴灌設備存在的問題：地面滴灌存在毛管、灌水器易老化問題；淺埋滴灌存在無法觀察噴頭出水量情況及維修困難的問題；由于故障率較高地面滴灌、淺埋滴灌使用較少。結合增產增收、維修、長期使用等方面，目前許多地區(qū)采用膜下滴灌的作業(yè)方式。但該種滴灌方式是在薄膜溫室作業(yè)，在作物收獲后期，許多薄膜埋入土壤，回收清理困難，對后續(xù)作業(yè)造成一定干擾，并對環(huán)境造成一定污染。

2.1.5 推廣使用問題：目前，我國生產經營單位以農戶個體為主，思想觀念相對保守，文化程度較低，難以接受新型作業(yè)模式。而且水肥一體技術，操作困難，對種植專業(yè)程度要求較高，許多農戶接受較慢。并且現(xiàn)有水肥一體設備仍不成熟，灌溉面積較小、滴灌管、滴灌噴頭易損壞、使用及維護成本較高。綜上幾點，造成水肥作業(yè)模式推廣困難。

2.2 我國水肥一體作業(yè)模式的發(fā)展方向

為推廣水肥一體作業(yè)模式，我們需要從以下幾個方面開展工作。

2.2.1 國家重視程度及支持力度：從水肥作業(yè)模式的經濟效益上來看，該作業(yè)模式節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)省人力、提高農產品質量、提高農業(yè)生產效益、實現(xiàn)對環(huán)境的保護。我國應提高對水肥作業(yè)模式的重視程度，加大推廣力度，主動介紹并宣傳該技術。為促進水肥一體設備推廣使用效果，需制定相應扶持政策，給予設備資金、購買優(yōu)惠程度，提高農業(yè)補貼，促進農民接受該技術，并積極使用水肥一體化設備。

2.2.2 技術上完善并優(yōu)化：水肥一體作業(yè)技術涉及多個領域，是控制技術、智能監(jiān)測技術等多項技術的結合。目前，我國水肥一體作業(yè)技術仍不完善，對作物施水量、施肥量的監(jiān)測不足，對水肥比率的控制不達標準，實際作業(yè)時出現(xiàn)水肥使用過剩、水肥不足等問題；設備方面，供壓水泵、滴灌管、滴灌噴頭設計方面也有待提高，水泵壓力不足；滴灌管、噴頭使用年限較短、易堵塞、損壞等問題嚴峻。綜上所述，要進一步提高水肥推廣使用情況，加強水肥技術的完善、設備的優(yōu)化，才能使之走入市場，達到全面普及的目的。

2.2.3 水肥一體化作業(yè)模式應因地制宜分類指導：我國南北跨度較大，各地的地理環(huán)境差別較大，其中種植情況、種植環(huán)境、施水、施肥情況差別較大。為全面推廣使用該作業(yè)模式，還需深入了解各地區(qū)實際作業(yè)環(huán)境及作業(yè)需求。

2.2.4 農業(yè)工作者思想的轉變：提供技術培訓及支持，加速轉變農業(yè)工作者傳統(tǒng)農業(yè)作業(yè)思想理念及做法，傳播推廣水肥一體作業(yè)模式，進行知識講座及相關技術培訓，在農村設立水肥試驗點，讓農民進一步了解并接受新型作業(yè)模式。

3 結語

農業(yè)作為我國經濟基礎，農業(yè)生產中的農業(yè)用水、農用肥料的投入呈增長趨勢。在目前對環(huán)境保護問題、資源節(jié)約問題的前提下，發(fā)展水肥一體化作業(yè)模式是農業(yè)發(fā)展的必由之路，對國民經濟、生態(tài)效益有著重要的意義。我國水肥一體作業(yè)技術研究較晚，目前仍存在技術不成熟、設備不完善等問題，希望在未來，隨著科技的進步，水肥一體化設備將朝著大型化、智能化、信息化、機械化的方向發(fā)展，使水肥一體化的作業(yè)模式在我國全面推廣使用。