水肥一体化研究进展

马富裕，刘 扬，崔 静，樊 华，芦 阳，李明仁

(1.石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子，832000,2.现代农业生产信息化管理与应用技术国家地方联合工程研究中心(新疆兵团)，新疆石河子，832000)

0 引 言

【研究意义】水肥一体化技术具有提高水分和肥料利用率、有利农业生产可持续发展等优点，能大幅降低肥料用量，减少养分如氮素的淋失损失，增强磷、钾等元素在土壤中的移动性，提高其利用效率，还对土壤理化性质有较好的改良作用，保持土壤疏松状态，提高土壤孔隙度，不破坏土壤团粒结构，保持良好的通气性能，有利于作物根系生长发育。水溶肥发展处于非常活跃时期，水溶肥开发趋向于高溶解度、高含量、液态化、全营养的方向发展。水肥一体化技术推广应用对化肥减施增效具有重要意义。【前人研究意义】我国人均水资源量只有2 300 m3，仅为世界平均水平1/4，是全球人均水资源最贫乏国家之一。我国化肥年用量超过6 000 ×104t，占世界总量的1/3，但化肥利用率仅为30%，比发达国家低20%[1]。目前这种水资源短缺、化肥高消耗、低效率的生产方式已经造成了土壤性状恶化、资源浪费、环境污染、生态破坏等一系列问题，水肥一体化技术使水利用率可提高40%～60%，肥料利用率可提高30%～50%，在节水、节肥方面优势明显。采用水肥一体化技术，可实现同步管控肥料施用与水分供给，达到对作物精确供给水分、养分，并保证作物持续得到最佳水分养分供应。广义的“水肥一体化”就是将肥料溶于水中，以肥液的形式向农田施肥。狭义水肥一体化技术就是通过微灌技术将施肥与灌溉结合起来，通过管道精确地将水肥同步输送到作物根区，根据作物生长发育需求，对农田水分和养分进行综合调控和一体化管理，以水促肥、以肥调水，实现水肥耦合，全面提升农田水肥利用效率[2]。水肥一体化技术具有显著优势，不仅能够提高水分、养分利用效率、节省劳动力、提高土地利用率，还能保证作物得到均衡的养分供应、有利于保护环境、改善土壤状况，提高农产品产量与品质[3]。【本研究切入点】提高水分、养分 生产效率，减少化肥农药施用量，是当前全球农业科技的重要任务之一。我国是一个干旱缺水严重的国家。我国人均水资源量只有2 300 m3，仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。我国化肥使用量却是世界之最，化肥年用量超过6 000 万t，占世界总量的1/3，但化肥利用率仅为30%，比发达国家低20%[1]。目前这种水资源短缺、化肥高消耗、低效率的生产方式已经造成了土壤性状恶化、资源浪费、环境污染、生态破坏等一系列问题，严重制约了我国农业的可持续发展。针对当前问题，通过水肥一体化技术同步提高水分、肥料利用效率的综合技术发展与应用势在必行。相比一般的水、肥施用方法，水肥一体化技术使水的利用率可提高40%～60%，肥料利用率可提高30%～50%，在节水、节肥方面优势明显，是现代化农业发展的必然趋势。【拟解决的关键问题】采用水肥一体化技术，可实现同步管控肥料施用与水分供给，达到对作物精确供给水分、养分，并保证作物持续得到最佳水分养分供应。广义的"水肥一体化"就是将肥料溶于水中，以肥液的形式向农田施肥。狭义水肥一体化技术就是通过微灌技术将施肥与灌溉结合起来，通过管道精确地将水肥同步输送到作物根区，根据作物生长发育需求，对农田水分和养分进行综合调控和一体化管理，以水促肥、以肥调水，实现水肥耦合，全面提升农田水肥利用效率[2]。水肥一体化技术具有显著优势，不仅能够提高水分、养分利用效率、节省劳动力、提高土地利用率，还能保证作物得到均衡的养分供应、有利于保护环境、改善土壤状况，提高农产品产量与品质[3]。

1 材料与方法

1.1 材 料

相关文献资料、官网信息等。

1.2 方 法

汇总整理文献资料,回顾总结分析水肥一体化技术发展动态。

2 结果与分析

2.1 水肥一体化技术发展历程

水肥一体化技术的最重要的支撑技术是微灌技术，尤以滴灌技术为重。滴灌技术发明于19世纪40年代，在此后100多年里，一直处于适宜材料、工艺技术的探索阶段，直到20世纪60年代，以色列发明了长流道滴。以色列超过80%的灌溉土地使用滴灌方法，灌溉水的利用率达到95%，水分生产效率最高可达2.23 kg/m3，氮肥利用率在80%以上[4]。在美国、澳大利亚、墨西哥、南非等国家随着滴灌技术的大面积推广应用，水肥一体化技术的推广应用也达到较高水平。美国水资源充沛，人均水资源占有量12 000 m3。有效灌溉面积约2 533 hm2，不足中国 50%，但喷灌和滴灌面积却占有效灌溉面积的87%， 2010年滴灌面积就达153 hm2。澳大利亚有70%的地区雨量在500 mm以下，节水灌溉是该国采用的主要农业技术。

中国在1974年前后引进了滴灌技术，在滴灌技术的推广初期，水肥一体化技术主要应用于蔬菜、果树和甘蔗等作物，一般节水、增产都在20%以上，优质蔬菜的收获率由传统灌溉方法的60%～70% 提高到90%，同时，采用滴灌施肥可减少25%～50% 的氮肥损失。大田作物上大规模推广应用滴灌技术开始于20世纪90年代末期，通过近20年的发展，滴灌技术在新疆、内蒙古、广西、云南等地大田作物上得到了大规模的推广应用。根据2017年全国微灌大会资料，中国现有滴灌面积500 hm2以上，其中，新疆达到了400 hm2(棉花应用面积约250 hm2)。在小麦、玉米、甜菜、加工番茄、辣椒等作物上面积达到100 hm2。

2.2 水肥一体化对作物水分与养分利用效率提高的作用

水肥一体化技术与条施肥或撒施肥相比，更有利于按照作物不同生长阶段对养分需求不同精确提供养分[5]。Singandhupe等(2003)对加工番茄的研究表明，全生育期以8 d间隔期、分10次滴灌施肥，比沟灌情况下2次施肥(播种时、播后1个月)节约氮肥20%～40%，增产3.7%～12.5%，节约用水31%～37%[6]。李彬等[7](2015)在玉米、马铃薯和大豆上发现，相对传统水肥管理方法，水肥一体化条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、马铃薯和大豆产量分别提高22.0%、171.6%和63.8%。

Aujla等[8](2005)在棉花上发现，当灌溉水量和施氮量相同时，滴灌比淹灌籽棉产量增加32%。当滴灌水量降至淹水灌溉的75%时，籽棉产量仍然增加12%。Wang等[9](2018)对北疆地区的棉花研究表明，从获得籽棉产量和经济效益方面考虑，灌溉量为3 623～462.5 mm结合施肥量(N-2PO5-K2O)在212.5-85-42.5到367.5-147-73.5 kg/hm2可获得最高的产量水分利用效率。王进等[10](2015)对北疆玛纳斯河流域34年间棉花灌溉技术的3个不同时期(裸地沟灌，1980～1993 年；覆膜沟灌，1994～2004年；膜下滴灌时期，2005～2015年)的棉花生长和耗水特征进行对比研究结果表明，滴灌技术将棉田水分利用效率( 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，在我国和世界其他干旱、半干旱棉花产区均处于较高水平。

2.3 水肥一体化对氮素利用效率提高的作用

2.4 水肥一体化对磷素利用效率提高的作用

磷(P)元素在土壤中不易移动，在传统施肥理念中，一般主张把P肥作为基肥施用，以保证土壤为作物提供持续的供磷能力。最近研究表明，在水肥一体化条件下，把P肥全部作为追肥施用，能大幅度提高P肥利用效率。Silber等[17](2003)对生菜研究表明，在P素营养浓度低水平下高频率滴灌施肥使生菜产量显著增加,但在低频率施肥情况下，即使高浓度的P素营养对生菜产量没有明显作用。说明即使在低浓度情况下，通过高频率的灌溉施肥使营养液向主体根区持续补给磷素以满足作物对磷素的需求，并通过溶液在土壤中的大量流动增强了磷素在土壤中的移动性。张国桥等[18](2014)在玉米上发现，液体磷酸全部追施玉米产量比CK(不施肥)、磷酸二铵60%基施 + 40%追施和液体磷酸60%基施 + 40%追施处理分别提高了37%、 25%和 10%。在成熟期测定，液体磷肥 100%以追肥的方式随水滴施，玉米植株的吸磷量显著高于其它处理，可显著改善玉米生育中后期的磷素营养并提高玉米的生物量、穗粒数和千粒重，磷肥利用率可达40%～60%。段锦波等[19](2018)通过等养分和等成本施肥田间试验研究了不同滴灌施肥模式对棉花产量及养分吸收的影响表明，在等养分施用条件下，高磷、钾滴灌专用肥和普通滴灌专用肥处理的棉花干物质重、养分吸收量和产量均显著高于常规基施处理，滴灌专用肥尤其是高磷钾滴灌专用肥具有较好的应用效果。

Eissa等(2018)对马铃薯施用尿素磷酸酯(UP)的研究结果表明，UP使土壤pH值降低了7.2%，P的有效性提高了24%。高频率施用UP(每日施1次)比低频率(每3 d施1次)施磷量马铃薯叶柄中磷素含量增加了19%～47%，商品马铃薯的产量增加22%。在酸性肥料(UP)高频施肥灌溉处理中马铃薯生产具有更高的水分与磷素利用效率[20,21]。Silber等[22](2005)对灯笼椒的研究结果认为，增加肥P素的肥灌频率能显著增加椒株对养分的吸收，尤其是对P和Mn的吸收量。在灯笼椒营养生长早期，地上生物量与叶片中的P含量有显著的正相关，96%的椒株干重变化与叶片中P浓度变化高度相关，肥灌频率的主要效应是改善了P的移动性和吸收性。将肥灌频率从每天2次增加到8次，在30例应用中发现脐腐病(blossom-end rot, BER)发病率从每盆7个下降到2～3个，相应地，达到出口标准的优质果的产量从每盆6.5个增加到10～10.5个。被BER感染的果实的数量与果实中Mn含量呈负相关性，BER发生可能与Mn的亏缺有关。在地下滴灌条件下，深层土体中有较高的水分含量、较大的根密度和较大的湿润土体，灌溉施肥可以诱发根系吸收更多的P和K，可以生产更多的干物质和产量。但N素吸收速率的在地表滴灌与地下滴灌间的差异较小[23]。

2.5 水肥一体化对作物生长环境与土壤理化性的影响

肥液通过滴头缓慢均匀地浸入土壤中，不受重力影响，对土壤表层破坏小，基本上能保持土壤表层的疏松状态。杨久廷等[24](2008)研究滴灌对番茄土壤理化性质的影响发现，滴灌能较好地保持土壤疏松状态，使土壤的孔隙度比漫灌高，通气性能好，不破坏土壤团粒结构。张西超等[25](2015) 研究表明，滴灌0～20 cm土层的土壤容重显著低于渗灌与沟灌。同时，灌溉方法不同，作物不同生育期土壤速效氮、磷、钾含量不同。通过滴灌实施水肥一体化不仅可以提高番茄作物产量，一定程度地改善番茄品质，而且提高了肥料利用效率，同时达到了高产、高效、节水的目标。王立革等[26](2015)研究表明，高垄覆膜滴灌水肥一体化相对膜下沟灌明显提高了20 cm土层处的土壤温度，且表层土壤温度、饱和导水率、硬度和入渗性能皆显著优于膜下沟灌，且0～20 cm土壤全氮、有效磷、速效钾和有机质含量比膜下沟灌分别高18.4%、47.6%、34.9%和20.9%，还降低了对硝态氮的淋洗。王巧仙等[27](2013)在梨园上研究发现水肥一体化对土壤养分含量和酶活性有显著影响，水肥一体化处理土壤全氮、全磷、碱解氮、pH值、脲酶含量和磷酸酶显著高于普通施肥处理；全钾、有效磷、速效钾含量高于普通施肥处理。

2.6 水肥一体化水溶肥

2015 年全球水溶肥市场规模达125.3 亿美元，需求量增长至 786.3 t。适合于水肥一体化使用的水溶肥有水溶性固态肥和液态肥两种类型。水溶肥料中不仅含有氮、磷、钾与微量元素，还含有钙、镁、锌等中微量元素，容易实现作物所需元素的平衡供应。水溶性肥料与传统单元肥料、二元肥料以及复合肥料相比，含有的养分更高，用量更少，施肥更方便，作物吸收的效果更佳。在国外，水溶肥的研究起步较早，1988年美国公布了TVA(Tennessee Valley Authority)申请的高浓度氮硫悬浮肥的生产专利。1995～2000 年，国外水溶性肥料开始进入中国市场，主要产品为花卉用肥，价格较高，但也在部分高价值经济作物上开始使用进口水溶性肥料，该肥料正式进入农业领域，但施用面积较为有限。由于利润可观，从2000 年前后开始，国内一些肥料公司相继开始了水溶肥的技术研究和产品开发。截止 2016 年初，中国登记在册的肥料产品有10 116个，其中，7 517个为水溶性产品，占肥料产品总数的74.3%，我国水溶肥年产量和需求量逐年迅速增加， 2016 年年产量达到410 t。目前水溶肥在国内化肥市场只有1.6%～2.5%的市场份额，但预计未来5年将增至10%左右，这将给水溶肥带来巨大的发展空间[28,29]。

从作物对养分吸收利用的平衡性来说，水溶肥料的配方更具科学性和针对性。与单元、二元肥料不同，主要以作物生育期内所需元素特性为依据，通过综合分析后确定系列配方。水溶肥中可以加入螯合态微量元素。有机螯合酸可以将肥料中的微量元素螯合成离子状态，且不会发生拮抗作用，能提高吸收率，避免作物生长过程中因缺少微量元素而出现叶片小、黄、卷曲等现象。有机螯合酸还可以对已经固定在土壤中的营养元素进行活化，提高肥料的利用率[30]。另外，生产水溶性肥料时选用的原料质量较高，溶解后不会残留杂质，也不会对作物生长造成不良影响。

从物理状态上来看，水溶肥有固态与液态两种存在状态。固态水溶肥具有便于运输、存放、分销。但其缺点也很明显，需要耗费大量的包装用品，在分销与最终用户使用前需要进行多次搬运、储存环节，施用过程中还需要大量的人力投入，且其包装用品会对环境造成污染。而液态水溶肥除具有混合均匀、质量一致、配方容易调整、方便精确施肥、方便向其中添加其他农用化学品等优点外，液体肥料生产成本低、能耗低，生产过程无污染排放。

1.过滤器 2.旁通出水、肥阀 3.搅拌装置 4.节流阀门 5.旁通进水阀门

图1 压差式施肥灌溉系统示意图(左)与实物图(右)
Fig.1 Sketch of differential pressure fertigation system

2.7 水肥一体化技术施肥装备

2.7.1 旁通施肥法

旁通施肥法也叫压差式施肥法。利用施肥罐进水口与出水口两端压差原理将化肥溶液注入灌水管道中，随着灌溉的进行，肥料不断被带走、肥料浓度不断下降，直到肥料罐中肥料全部流走。该方法优点是设备简易，价格低廉，但该方法的缺点是除施肥浓度不均匀，易受水压影响外，还由于设备容积较小，每次投入的肥料数量较少，需要多次向容器中投放肥料，人工劳动强度较大。适用于对施肥速度和浓度要求低、人工管理成本较低的场景。图1

2.7.2 文丘里施肥法

用水流通过文丘里管产生的真空吸力将肥料溶液从敞口的肥料桶中均匀吸入管道的方法。文丘里施肥方法优点是：成本低，施肥过程肥液浓度均匀，施肥过程无需外部动力。该方法的缺点是对灌溉系统水头压力损失大，增加了系统的能量损耗。为了使系统保持相对稳定的工作压力，还需要对系统配置增压泵。该方法适宜于可以自动化管理的自动灌溉、施肥系统[31]。图2

1.过滤器 2出水口 3.肥液罐 4.喉部 5.阀门6.进水口

图2 文丘理施肥灌溉系统示意图(左)与实物图(右)
Fig.2 Sketch of Venturi fertigation system

2.7.3 重力自压施肥法

通常引用地势较高处的水源以管道输水的方法将水输送到地势较低的农田，利用水位高差产生的压力(自压)实施灌溉的同时进行施肥，该系统特点是：系统简单，成本低，使用者容易接受。缺点是：水压小，易堵塞，难以实现自动化。图3

1.肥液开关 2.水开关 3.过滤网 4.水池 5.肥液滤网6.肥料池

图3 重力自压施肥灌溉系统示意
Fig.3 Sketch of Gravity pressure fertigation system

2.7.4 泵吸肥法

是利用离心泵直接将肥料溶液吸入灌溉系统。在泵的进水主管上安装一根支管，在吸水的同时吸取肥液。该系统特点是：施肥不需要外加动力，结构简单。缺点是水肥比例不易控制，较适宜于对施肥速度和自动化程度要求低的管理系统。图4

1.过滤器 2.水泵 3.肥料池 4.肥液开关 5.水源

图4 泵吸肥法施肥灌溉系统示意图
Fig.4 Sketch of Pump suction fertigation system

2.7.5 泵注肥法

是利用加压泵将肥液注入有压管道，施肥泵的压力要大于输水管水压，需要单独配置施肥泵，该方法克服了压差施肥法的缺点，由独立的高压注肥泵向灌溉系统加注肥液，可以根据即定施肥量精确控制施肥数量和施肥持续时间、施肥浓度，适宜于精确施肥的需求。图5

1.肥料罐 2.肥液形状 3.过滤器。 4肥液泵 5.水泵。 6水源

图5 泵注肥法灌溉系统示意图(左)与系统控制界面图(右)
Fig.5 Sketch of pump injection fertigation system

2.8 水肥一体化与化肥减施增效

Darwish等[12](2003)在黎巴嫩进行了马铃薯喷灌和滴灌两种灌溉方式下水肥一体化的对比研究结果表明，喷灌结合传统向土壤施肥方法显著提高了硝酸盐的淋失率，而通过滴灌系统的水肥一体化，将绝大部分的N素都保持在了作物根区，淋失量大幅下降。Zhou等[13](2016)发现，水肥一体化下施氮对马铃薯的光能利用率具有显著增加作用，大部分的氮素应该在马铃薯生长前期(出苗后41～50 d)施用对提高肥料利用效率与产量具显著作用。Eissa等[20](2018)在马铃薯上研究发现，高频率施用尿素磷酸酯UP(每日施1次)比低频率(每3 d施1次)施磷量马铃薯叶柄中磷素含量增加了19%～47%，商品马铃薯的产量增加22%。综上所述，通过水肥一体化技术对肥料利用率的提高，不仅能显著提高氮素的施肥用量，还能降低磷肥施用量。

3 讨 论

3.1 水溶肥开发

目前我国对水溶肥中不溶物含量的要求是≤5%，业内对此标准争议较大[29]。将水溶肥中的不可溶性物质含量应该尽可能的低，至少应该低于1%。水溶肥的生产一般分为物理法和化学法。物理法水溶肥虽然生产成本低，但其稳定性差、颗粒大小不均匀，有时会发生拮抗效应，难以满足使用需求。化学法生产的水溶肥能够克服物理法的缺陷，生产出高质量的产品，生产过程中物质相态、杂质、pH 值等容易得到控制。水溶肥有向高溶化、复合化、专用化、高效化、液态化、功能化发展的趋势[32,33]。液态肥料非常便于通过灌溉系统施用，无需溶解，根系吸收快，见效快。随着灌溉自动化程度的提高和液态肥料生产工艺的不断成熟与成本的下降，水溶液态肥料有着很好的发展未来。液态水溶肥有清液型与悬浮型两种产品，后者因为有效成分高、运输费用低，具有更好的市场竞争优势，因此，悬浮型液态水溶肥是未来发展的重要方向。

3.2 水肥一体化配套施用设备

水肥一体化技术的良好使用应该是在微灌系统条件下结合质量良好的水溶肥，通过科学的管理使农民获得良好的经济收益，进而推动水肥一体化技术进入良性发展轨道。如果灌溉设备和农田作物不能有效结合，肥料技术与灌溉系统不能配套，再高端高效的肥料其推广也是无法落地并发挥出应有的效能。因此，更大规模推广滴灌技术，加强灌溉系统的科学化管理，是当前我国水肥高效利用面临的重要任务。除此之外，大力推广具有变量施肥调控功能的加注式施肥管理系统，并使用全营养液态水溶肥，有利于精确施肥和大幅降低人工劳动强度[31]。

3.3 水肥一体化技术推广

由于水溶性肥料的价格较高，除了新疆、内蒙古等地微灌技术发展较好的地区使用大量水溶肥外，目前，其他大多数地方水溶肥主要用于大棚蔬菜、果树、花卉等作物，而大田作物仍以施用传统肥料为主，水溶肥使用数量只占非常小的比例。随着土地流转逐渐深入，有规模经营的农户会更加愿意接受新型经济、高效的水溶肥，有能力购买滴灌、喷灌设备。新技术、新肥料对于提升种植户人均收入的作用越来越明显。同时，在良好的售后服务保证下，能及时帮助用户解决在施肥过程中可能遇到的技术问题，建立畅通的反馈机制，以效果促进技术革新。

4 结 论

4.1 科学运筹作物营养管理。在水肥一体化条件下，为了提高作物产量与品质，合理施肥，种植者通过测定土壤养分含量情况和拟定种植作物种类、目标产量等信息确定综合养分管理方案，并在微灌设施完备、管理科学的情况下予以实施，以最大可能提高肥料利用效率。

4.2 作物生长期动态调控营养管理。作物生长发育关键时期，进行动态营养诊断，根据作物当前营养状况随时调整养分管理方案，确保作物生长营养施肥的合理性。配方施肥、动态监测植株营养状况、生长阶段实施变量施肥是作物生产降低肥料用量、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。在水肥一体化条件下，包括磷肥在内的全部营养元素均可以通过追施的方式施用，可以不用施用基肥，节约肥料投入与机力投入。

4.4 使用智能变量施肥管理系统。借助智能化水平较高的施肥装备，实施高频灌溉施肥技术，降低肥料用量，降低肥料淋失，提高肥料利用效率。

4.5 通过实施水肥一体化技术显著降低化肥用量。应加强对微生物肥料的开发，通过向土壤施用微生物肥料改善土壤微环境，充分活化土壤被固定养分并使其得到释放从而作物吸收利用，减少对土壤的化学肥料的施用。通过水肥一体化设施将化学肥料、有机肥料、微生物肥料有机的集成在一起并随水施肥，不仅能够降低施肥方法成本，而且还可以降低施肥总用量。