滴灌技術在玉米生產上的應用研究進展

中化現代農業（寧夏）有限公司 劉文輝

目前，滴灌技術在玉米生產上被廣泛應用，滴灌技術具有在玉米全過程滴灌中不破壞原有土壤結構，且對土壤內部溫、光、水、氣、肥狀態影響小等優勢，同時，具有不產生地表徑流、水分蒸發損失量少、土壤縱向深層滲透少等特點。滴灌玉米受環境的影響較少，可以按照施肥方案隨時隨地補充水肥，極大地提高了水肥利用率及人均生產率。近年，滴灌技術快速發展，逐漸實現了自動化、智能化。

一、滴灌技術

（一）滴灌技術的概念

滴灌是一種比較節水的灌溉形式，是按照作物需水、需肥規律，通過管道系統與設計在毛管上的滴水器，將水分和肥料均勻而又緩慢地滴入作物根系土壤中的技術。在玉米全生育期中，滴灌技術具有不破壞原有土壤結構且對土壤內部溫、光、水、氣、肥狀態影響小等優勢。滴灌可以保持適宜作物良好生長的狀態，不產生地表徑流，而且蒸發損失量少，幾乎沒有土壤縱向的深層擴散滲透，是一種高效節水的灌溉方式。滴灌具有諸多優勢，其最大的特點是節水高效，每次灌水量少，每個出水孔緩慢一滴一滴出水，減少了地表徑流及地下過度滲透等缺點。滴灌可以隨時補水進肥，不受天氣和地形影響。近年，隨著智能化和物聯網的發展，滴灌還可以進行大面積自動化控制等。

（二）滴灌技術的應用場景

目前，國內滴灌技術的應用場景呈現多元化發展趨勢。最初從以色列等農業發達的國家引進，在農業研究院（所）率先落地開展試驗并推廣實踐。最先應用在一些園林綠化領域，尤其是一些干旱地區的綠化工程上。隨著需求的不斷增加及各地區水資源的日益枯竭，滴灌技術逐漸向經濟作物發展。隨著國家糧食增產、農業高質量發展以及“藏糧于地、藏糧于技”等要求，糧食作物如玉米也開始大面積推廣滴灌技術，使可利用耕地面積增加，尤其在西北干旱地區，如新疆、內蒙古、寧夏、甘肅等多個省份率先開展。應用滴灌技術使人們具有對抗不良環境的能力，可以隨時隨地進行滴水進肥。在滴灌技術的基礎上，水肥一體化、精準水肥、超大規模物聯網農田、智慧農場等逐漸有序開展。

二、滴灌技術國內外應用研究綜述

（一）國外應用研究進展

常見的玉米滴灌方式有地面滴灌、地下滴灌及覆膜滴灌等。在滴灌技術研究方面，以色列的地面滴灌技術比較先進，美國的滴灌技術在落地應用方面比較領先，澳大利亞等國家在灌水器研究方面比較突出，這些國家在滴灌技術研究應用方面占據主導地位。20世紀60年代，以色列研制出了壓力滴灌系統，滴灌技術逐漸成為一種新興的灌溉方式，迅速被各國應用于現代農業建設中。20 世紀70 年代，Bernstein 和Francois 對比了滴灌、噴灌、溝灌三種灌溉措施下辣椒的產量，發現當用微咸水灌溉時，溝灌、噴灌與滴灌相比，分別減產13%與59%。20 世紀80 年代后期，印度學者研究發現在產量不變的前提下應用滴灌處理，較溝灌處理節水84.7%。20 世紀30 年代，荷蘭、英國開始研究溫室滴灌技術，之后，滴灌技術開始應用到溫室花卉與蔬菜上，顯著提高了產量和水分利用效率。20 世紀中葉，以色列為了提高滴灌的灌水均勻度研制了長流道滴頭，該成果對滴灌技術的發展起到了顯著的促進作用。20 世紀60 年代后期，以色列又進行了大量滴灌灌水器滴頭的研究，其他國家也緊隨其后，使滴灌技術得到了長足發展。目前，滴灌技術已經成為世界現代農業中一項不可或缺的基礎構成技術，并朝著智能化、精準化的方向快速發展。

（二）國內應用研究進展

20 世紀70 年代后，我國開始引進滴灌技術，到21 世紀初迅速發展。我國2003—2013 年滴灌面積增加了13倍，從27萬hm2擴展到了390萬hm2。20世紀90 年代后，我國滴灌技術無論是在灌水器原理上，還是在關鍵工藝設備技術上都有了比較長足的進步。近20 年，全世界滴灌技術應用落地面積高速增長，平均每年增加33%，在此背景下，我國相關研究人員在學習國外先進理論知識的同時，不斷把理論應用到實踐中深化改革，促進了我國滴灌系統技術高速發展。最近10 年，由于我國現代節水農業及高標準農田的建設和發展，滴灌玉米面積迅速增長（主要以淺埋滴灌和覆膜滴灌為主）。近5 年，我國滴灌技術借助互聯網及智能化技術快速發展迭代出現多元化現象，自動化、無人化、精準化、大規模化等快速成為發展勢頭。

三、滴灌技術在玉米生產上的應用研究

目前，滴灌技術在玉米上的應用研究十分廣泛，但是主要集中在高效節水、密植高產、水肥一體化、精準水肥等方面（如圖1所示）。

圖1 滴灌技術在玉米生產上的應用研究概況

（一）玉米滴灌高效節水技術

滴灌玉米技術的一個典型特征就是節水，可以達到減水但不減產的效果，主要原因是滴灌技術的超高水分利用率優勢，其可以在20 cm 耕層處形成類似橢球狀的濕潤區域，剛好包裹玉米根系區域，水分橫向運動增加，減少了水分縱向下滲。相較于漫灌等其他方式，滴灌幾乎沒有地表徑流，極大地減少了水分地表蒸發。因為滴灌可以隨時隨地澆水，所以按照玉米的需水規律可以建立灌水模型，即不同生育期灌水量不同。以寧夏西北春玉米為例，可在苗期、拔節期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、籽粒建成期、乳熟期等進行滴水灌溉，總體7 次，水量控制在200 m3左右，墑情較差的滴水出苗方式可以適當增加灌水量。

1.淺埋滴灌。將滴灌帶埋在田間土層3～5 cm處，是引黃灌區較為常見的玉米滴灌方式，可以實現種肥同播。其主要優勢是埋藏于地下可以減少滴灌帶的物理損傷，包括太陽的照曬老化、鳥類找水喝時的啄食破壞、小動物的啃食，以及人類田間機械操作的破壞等。同時，埋藏地下可以減少水分地表蒸發及形成地表徑流，避免土壤表面干旱質密結皮的影響，使水分更快速到達玉米根系，從而提高水分的利用效率。

2.膜下滴灌技術。即在地膜下面鋪設滴灌帶。地膜幾乎隔斷了玉米棵間地表蒸發，同時高效吸收太陽熱量，防止熱量過度擴散，其中以黑色地膜最為顯著。此項技術解決了干旱及積溫不足地區玉米生產難題，使墑情及地溫得以優化，同時減少地表水分蒸發，進一步提高水分利用效率，增加玉米種植面積。膜下滴灌技術是節水農業的典型代表。

（二）玉米滴灌密植高產技術

滴灌技術的高效利用使大田生產突破自身的產量限制，傳統漫灌玉米由于大水漫灌及全田肥料難以隨時均勻補充等先天性缺陷，普遍存在田塊中間出現脫肥的現象，同時，肥料大量浪費，生產效率不高，通過增加玉米種植密度達到增加產量的目標比較困難。因此，滴灌技術的優勢得以顯現，理論上可以做到一個毛管滴水孔管一株玉米，只要水肥方案合理，干旱脫肥的現象很難發生。

近年，玉米種植密度逐漸增加，產量不斷突破。滴灌籽粒玉米每667 m2種植密度普遍在5500 株以上，且有逐漸增大的趨勢，在新疆等先行示范區域每667 m2種植密度可以達到7000～10 000 株。受社會、市場等多方的影響，育種趨向于緊湊株型的玉米，各類肥料也變得更加高效，功能多樣化。農機市場也同步大發展，導航播種快速落地，可以精準高效地利用田塊，提高了土地利用率，從而提高單產。玉米群體密度增加后會出現不良生長的競爭關系，導致倒伏、倒折、不育和空稈等現象。目前，結合有效的化控技術，比如，在玉米拔節期時可以每667 m2噴施羥基乙烯利，從而有效控制玉米第一節與第二節的節間距。同時，結合深耕技術，打破犁底層，使得玉米根系下扎穩固。優良的品種結合先進的播種技術促使苗壯苗齊，提高田間玉米的整齊度，然后結合科學合理的施肥，促使玉米提質增產。總體來說，多種技術有效落地應用使滴灌玉米產量逐年增加，目前，每667 m2突破1000 kg，逐漸向1200～1500 kg突破。

（三）玉米滴灌水肥一體化與抗鹽堿技術

玉米水肥一體化概念是由滴灌技術逐漸發展而來的，水和肥同時提供，可以達到高效綠色的效果。依托于水肥一體化技術，肥料及水分可以根據玉米需水需肥模型規律定時定量供給，極大地提高了水肥利用效率。西北春玉米區供給水肥一般集中在6～8 次，以拔節期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、籽粒建成期等生育期最為重要。水肥同時供給，先進行1～2 h 的潤地，此時不開肥料閥門只滴水，目的是讓水分快速在根系間橫向擴散，減少后續肥料的縱向下滲浪費，提高肥料利用效率，每次滴水每667 m2盡量不要超過30 m3。玉米需水規律基本上遵循“前期少，中期多，后期偏多”的規律。玉米出苗期要少澆水，適當干旱可以促進玉米根系向深度和廣度發展，擴大吸收范圍，為壯苗奠定基礎。進入拔節期后植株開始快速生長，此時需水量增加，一般這個階段澆水使土壤水分維持在60%左右。玉米喇叭口期是玉米需水的關鍵期，因此，遇到干旱應及時澆水，確保植株健壯生長。抽雄吐絲期是玉米耗水量最大的時期，也是玉米需水的臨界期，干旱、缺水都會造成玉米后期不同程度的減產，玉米抽雄吐絲期的灌水是增加穗粒數和粒質量的關鍵。玉米需肥規律是隨著玉米植株的生長對養分的吸收速度加快，抽雄吐絲—籽粒建成期達到峰值，灌漿期至成熟期逐漸減慢，總體上對氮、磷、鉀的需求比例為1:0.5:1。

水肥一體化抗鹽堿方面最明顯的效果是避免了大水漫灌，降低了地下水位，抑制田塊中鹽堿化反復。同時，由于減少肥料的不科學合理投入，減緩土壤中鹽基離子的積累，從而緩解了次生鹽漬化。

（四）水肥模型算法影響下的玉米精準灌溉與施肥技術

結合氣象、土壤、作物等諸多外界因素，一體的精準水肥技術近年發展迅速，其最大的優勢是肥水用量可以通過技術無限接近玉米的真實需求，最終達到大幅提高水肥利用效率的效果。在精準水肥設計運作時，需要大量物聯網環境監測設備實時協同運行，諸如小型氣象站更正水肥模型中的氣候蒸發參數，土壤墑情儀監測土壤水分和溫度變化，并且及時反饋玉米缺水情況；等等。全套的智能化設備組網形成一個智能決策系統，監測指導玉米全生育期水肥管理。

隨著各類傳感器和人為數據的逐年積累，形成一個龐大的數據庫體系，再根據區域特性進行分類，形成較為適合某個市、縣的專有玉米水肥灌溉模型，最終實現這樣的效果：只要數據庫中有的地點模型，輸入地點后就會自動決策生成該區域玉米施肥方案，指導農戶進行綠色高效生產。

（五）玉米田產投比在滴灌技術影響下的優勢

在滴灌技術的促進下，玉米生產效率大幅度提高，不僅增加了單位面積產量，還提高了人均生產力。綜合每667 m2平均收入，較傳統種植方式可增效200～280元，同時，為農業集約化、大規模化發展奠定基礎。高效的水肥模型得以落地實施，達到減肥減水但不減產的優良效果，節省了一部分化肥費用和水費投入也是提高生產效率的表現。綜上所述，在滴灌技術的影響下，玉米種植的產投比得到了長足的正向發展。

四、滴灌技術在玉米種植管理上的應用展望

（一）精準水肥技術

隨著滴灌技術和物聯網技術的發展，玉米生產中任何環節都可以實現智能化實時監測。即玉米全生育期水肥活動全部可以模擬監測，形成一套高精度數據庫模型。只要知道種植玉米的地點，就可以生成一份施肥灌溉方案，此方案的水分利用效率與肥料利用效率極高。數據模型精準的原因是其涉及該區域歷史的天氣情況，包含溫度變化、蒸發量、降水量、干熱情況、地形、土壤類型、下襯面特性等，還有作物吸收水肥的規律等，從而可以精確到每個生育期具體需要多少水及氮、磷、鉀等元素。

（二）物聯網與智能化發展

滴灌技術結合智能化的發展，最終會把人們從繁重的農事勞作中解放出來。所有的端口最終都會集成到智能手機APP 中，結合多種類型的傳感器可用手機遙控控制，甚至人工授權后，電腦AI可以自主決策一些簡單的場景，如灌溉、施肥等。

（三）超大規模與無人化監管

此階段需要10～15 年的發展，1～2 人就可以管理大型玉米農場。多數玉米農場的農事操作全部智能化決策，人們只需要從事對外簡單的農資投入品采購、日常無人機巡田等工作，以及標準化處理突發事件，如電腦決策錯誤、管道破損、傳感器失靈等。總體來說，可以使玉米生產變成一個超級工廠，大多數生產可以定量標準化服務。