苹果园水肥一体化技术研究现状及展望

王冉冉 翟德昂 徐静 徐靖波 刘鑫 王金星

摘要：水资源的紧缺和水肥资源的不科学使用，已成为制约我国农业可持续发展的主要因素。采用水肥一体化技术对苹果树进行施肥灌溉，具有节水、省肥、增收、省工等优点。本文介绍了苹果园水肥一体化技术的发展研究现状，提出了我国苹果园水肥一体化技术发展过程中存在的问题，包括成本高和对苹果树根系的消极影响，并指出今后我国苹果园水肥一体化技术的发展方向。

关键词：农业工程;水肥一体化;综述;研究现状

中图分类号：S661.1

文献标识码：A

1苹果园水肥一体化技术的发展背景

作为我国第一大水果，苹果以其香甜可口的味道以及促进消化、软化血管、降低血液胆固醇、提高人体对钙的吸收能力等作用【1】，深受人们喜爱。据农业部统计，2016年我国苹果产量4388万t，占该年我国园林水果总产量的24%;种植面积2323千hm2，占全国果园种植面积的17.9%。但近几年，出口价格增长较快、优质果率低【2】，削弱了中国苹果的出口竞争力，其中的主要原因是我国苹果种植中水肥成本偏高，种植技术普遍不科学。我国苹果种植区域多位于山地和丘陵地带，由于水资源匮乏、土壤养分含量低、气候条件不稳定等因素，苹果生长过程中需要补充适当的水分和肥料。目前我国果农多采用大水漫灌和人工施肥方式，这加剧了对水肥资源不合理利用，增加了苹果种植的成本，却难以保障苹果质量。

我國水资源严重紧缺，水资源总量仅为世界的6%，人均水资源占有量仅为2300m2，不足世界平均水平的1/4，据统计，我国农业灌溉用水量约占全国总用水量的63%，但每年仍有约666.67万hm2灌溉面积因缺水得不到灌溉，并且，我国农业用水利用率偏低，2015年我国农业灌溉用水有效利用系数仅为0.53，主要粮食作物的水分生产效率为1kg/m，与西方发达国家平均2kg/m3相比存在较大差距，此外，化肥施用量普遍偏高、利用率偏低，2015年我国化肥施用量共计6022万t，主要农作物化肥利用率仅为35%，美国、欧洲的一些发达国家的化肥利用率为50%～65%【3】。我国水肥利用率如此偏低是由于目前国内的水肥利用方式普遍不合理，农作物灌水多采用大水漫灌的方式，精确化施肥技术和灌溉技术还没有大面积实施。据统计，灌溉用水利用率提高1%，可节约用水65亿m3/年。为此，农业部制订《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，力争到2020年初步建立科学施肥管理和技术体系，实现主要农作物化肥使用量零增长【4】。农业部发布的《推进水肥一体化实施方案（2016-2020年）》指出，采用水肥一体化技术可以缓解我国水肥资源使用不合理的现状，全面提升农田水分生产效率和化肥利用率【3】。

2概念及系统构成

2.1苹果园水肥一体化技术的概念

苹果园水肥一体化技术是指苹果园的灌溉施肥依照“肥随水走”原则，将可溶性肥料按照设定比例与灌溉水混合，水肥混合液进人管道后经灌水器，均匀准确地输送到果树根系附近。可通过控制施肥灌溉的数量、时间、次数以及肥料的种类、浓度提.高施肥灌溉的精确性。苹果树肥水制度与苹果园滴灌水肥一体化设备相结合，可使苹果根系高效地吸收水分和养分。

2.2苹果园水肥一体化技术的系统构成

典型的苹果园水肥一体化系统由设备和肥水制度组成。其基本架构如图1所示，该系统的构成部分主要水源、泵房（包括水泵、压力表、过滤器、阀门）、首部枢纽（包括施肥器、控制器）和园间设备（包括主管道、支管道、滴灌管或毛管、滴头）。

2.2.1主要设备

水泵：滴灌常用水泵为离心泵和井用潜水泵，水泵的性能技术参数包括流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等，潜水泵扬程高但流量不大，适于从深井抽水;离心泵体积小、维护简单，但扬程不高。在实际应用中，应结合水源条件和水泵性能选择合适的水泵。

过滤器：苹果园的水源多为山区蓄水池或水库，必须采用多重过滤设备以保证水质，常用的过滤器有离心过滤器、砂石过滤器、网式过滤器和叠片式过滤器，不同型式过滤器的过滤能力不同，需根据不同水质下含杂质情况选择过滤器的搭配型式。

施肥器：主要类型有文丘里施肥器、比例施肥器、压差式施肥罐、注射泵施肥器和各种自动化施肥机。

灌水器：灌水类型分为滴灌和微喷灌，滴灌是利用低压管道系统，使滴灌水成点地、缓慢地、均匀又定量地浸润作物根系最发达的区域【5】，微喷灌是微型喷头将水均匀地喷洒到作物枝叶等区域的灌水形式，灌溉水以小水滴或形成弥雾的形式降落到植物和地面上，灌水器流量100～200L/h。与微喷灌相比，滴灌受风速等大气条件的影响较小，作用位置也更精确，设计良好的滴灌系统平均水利用率可达90%，而微喷灌系统水用率约为80%【6】。滴灌的灌水器有滴头和滴灌管（带），滴头可将毛管中的压力水转换为滴状或细流状，种类有长流道型、孔口型和压力补偿型，压力补偿型滴头可随水压变化调整出水流量，使出水量保持均匀。滴灌管（带）是滴头与毛管制造成一体具有配水和出水功能的管道，包括内镶式滴灌管和薄壁滴灌管【7】。

2.2.2肥水制度

肥水制度是指根据气候条件、苹果生长状况、土壤养分含量及墒情等因素制定的施肥灌溉方案，包括具体的施肥灌溉时间、肥水用量、肥料类型、肥水浓度以及施肥灌溉频率。

3苹果园水肥一体化技术的优缺点

3.1优点

水肥一体化技术打破了传统的施肥灌溉模式，根据作物的需肥需水特性，将水肥混合施用，具有如下优点：

3.1.1节水

采用滴灌方式的水肥一体化技术，利用管道将灌溉水持续滴入土壤，水滴进人土壤后形成细长的纺锤形状，仅浸润作物根系的部分土体，可大幅度减少灌溉水在输送过程中的大量流失、灌溉时的深层渗漏以及地面流失，节约用水量。

3.1.2省肥

采用人工施肥方式时，肥料进入土壤后，经挥发、淋溶、地表径流的冲洗以及自身矿化，吸收率很低，易造成环境污染。水肥一体化滴灌技术将肥液直接滴人土壤，有效降低地表径流冲洗，同时可避免杂草与作物的养分争夺，减少肥料浪费，不仅可以节约肥料成本，还可减少对土壤的破坏。

3.1.3增收

传统施肥方式中部分未被吸收的肥料造成土壤盐渍化，引起土壤中养分失衡，使苹果品质下降。苹果园水肥一体化技术可依照苹果树需水需肥规律，适时适量地、均匀缓慢地进行灌溉施肥，使果树根系始终处于水分、养分充足且适量地适宜环境内，可促进果树根系对水分养分吸收，实现果树增收。

3.1.4省工

苹果园水肥一体化控制器可实现对灌溉施肥的自动化控制，省去大量人工操作，提高劳动生产率。

3.1.5其他优点

大水漫灌方式使土壤透气性差，不利于长势弱的根尖部分生长，同时病株易随漫灌水移动，造成作物病害发生。水肥一体化滴灌方式可避免这种现象发生。此外，大水漫灌冲刷田间斗渠、冲移土壤表层，易造成土壤流失，水肥一体化等节水灌溉技术则不会造成水土流失【8】。

3.2缺点

3.2.1成本高

苹果园水肥一体化技术对水溶肥料的标准要求较高，同时管道和滴头易堵，需配备可靠的过滤装置和可溶性高的肥料，大量的高质量设备、管材提高了项目建设难度，增加了项目成本，这让很多果农对水肥一体化技术望而却步。

3.2.2影响苹果树根系分布

由于苹果树根系的向水、向肥性，滴头位置和流量可显著影响果树根系的分布，对于长期进行滴灌的果树，滴头附近的根系生长较为发达，虽然这有利于果树根系吸收水分和养分，但聚集的一些根系有可能伸人滴头，导致滴头堵塞【9】，同时在恶劣气候条件下易出现倒伏和拔根。

4国外苹果水肥一体化技术研究现状

目前世界上大部分发达国家和缺水国家都广泛采用水肥一体化技术进行作物种植，美国是世界上微灌面积最大的国家，25%的玉米、60%的马铃薯、33%的果树均采用水肥一体化技术;以色列90以上的农业作物都采用了喷灌和滴管等高科技灌溉技术和自动控制技术，该国喷灌技术的水利用效率可达75%，地表滴灌的水利用效率可达88%，地下滴灌的水利用效率达95%以上。这些国家在水肥一体化技术上起步较早，研究方向正从搭建基础设施、制定肥水制度的基础阶段向改善系统性能、提高系统可靠性方面发展，涌现出了一些新的理论技术。在应用效应方面，Suman等研究了滴灌施肥对苹果园果树生长的影响，结果表明滴灌施肥处理下果实产量提高33%，水分节约25%，肥料节省20%【10】。ThabisoLebese等在南非某苹果园研究了滴灌施肥对苹果产量及果树根系生长的影响，发现滴灌施肥可显著增强根系吸水吸肥能力，提高苹果产量【11】。在设备性能方面，FelixB.Reinders等人提出了利用超声波清洁滴管的创新技术，试验证明利用超声波可有效清洁滴灌管道和滴头，保障滴灌的均匀性和效率【12】。波兰的JerzyJeznach提出了滴灌系统可靠性指标及其评估方程，总结出系统可靠性取决于水质、水泵参数、肥料浓度、施肥灌溉频率、过滤器参数、管道参数及其他设备的特性参数【13】。

5我国苹果园水肥一体化技术研究现状

我国水肥一体化技术起步较晚，自1974年我国引人滴灌技术以来，国内水肥一体化技术得到飞速发展，并取得了良好的生态、经济效益。国内苹果园水肥一体化技术的研究只要体现在应用效应、设备性能、滴灌形式、控制技术以及肥水制度等方面。

5.1应用效应的研究

苹果园水肥一体化技术的应用效应体现在节水、省肥和增效上，这在我国相关研究人员的试验的基础上取得了大量研究成果。路永莉等人研究了水肥一体化技术对渭北旱塬区苹果园生产的影响，结果表明，相同肥料用量的滴灌施肥与传统施肥方式相比，可使果实硬度提高10.6%，大幅度提高果实核酸比，增产13%，且肥料用量减半时，水肥一体化技术处理对苹果生产的影响不显著【14】。许娥在山东省某10～20年树龄的红富士果园试验发现，实施苹果园水肥一体化技术可使每667m2果园节水25.6%，省肥33.2%，增产8.5%，节省劳力2～3个，并且提高果实的质量【15】。司辰戌研究了水肥一體化对6年生红富士苹果果树生长的影响，试验结果表明，与传统施肥对照相比，水肥一体化能够明显促进苹果树新梢生长、增加叶面积、提升树体的营养水平，进而改善苹果品质、提高产量【16】。

5.2设备性能的研究

苹果水肥一体化系统中，水肥配比、滴灌速率等都需要通过操纵自动化设备进行严格调控，对设备的精度、稳定性要求较高。随着政策的鼓励和大量技术人员的研制开发，我国的水肥一体化系统中所应用的管材、过滤器以及灌水器装置设备研究已达到世界先进水平。在我国，压力补偿式灌水器、内镶式滴灌管（带）、迷宫式薄壁滴灌带等灌水器，自动清洗、反冲洗等类型的过滤器，压差式、水动泵式等施肥设备相继研究成熟并广泛应用【7】迷宫式灌水器由于可降低工作压力变化对灌水器流量的影响，因而在滴灌系统中得到广泛应用，灌水器的堵塞一直是制约水肥一体化技术效果的关键问题，杜少卿等人研究了工作压力对滴灌管迷宫流道灌水器水力性能及消能特征的影响，为高抗堵塞性能低压电灌水器的研制指明了研究方向【17】。李云开等人通过研究堵塞物质的形成与生长过程、水源中多物质运移过程，提出了针对灌水器堵塞的前控、中排和后清等多种控制方法[18]。针对我国水肥一体化设备良莠不齐的现状，农业部农业机械试验鉴定总站的兰心敏总结并提出了滴灌设备的评价方法，包括如何对各种设备组件的参数进行评估，规范了水肥一体化设备的应用标准[19】。

5.3滴灌形式的研究

蘋果水肥一体化滴灌形式主要有普通滴灌和膜下滴灌，膜下滴灌是指在滴灌带或滴灌毛管上覆盖一层地膜，可以减少水分的蒸发、深层下渗，进一步提高水分利用率。根据滴头数量、滴灌区位置等因素的不同又可划分为不同的技术形式。张大鹏等人研究了滴灌施肥下不同滴头数量对8年生苹果氮吸收特性影响，结果表明，两个滴头滴灌施肥的果实各器官Ndff显著高于一个滴头滴灌施肥处理【20】。刘威宏以6年生山地红富士苹果树为研究对象，研究了根区滴灌对苹果树生长的影响，试验结果表明，与传统滴灌方式相比，根区滴灌可以提高水肥利用效率，在节水省肥的同时提高果实品质，增加苹果产量则。赵志成等人研究了分根交替滴灌、固定1/2根区滴灌和传统滴灌三种滴灌方式对作物生长影响，结果表明，与后两种滴灌方式相比，分根交.替滴灌可以提高水分利用效率和光合速率，提高作物品质【21】。张妙仙的研究表明，灌水器的流量、布置位置和布置间距可影响土壤湿润体的形状及含水量分布，进而影响作物根系生长、分布，通过合理化布置滴灌设备可实现土壤湿润体与作物根系的最优化匹配，提高种植效益【23】。

5.4控制方式的研究

苹果园水肥一体化系统的控制方式主要有人工控制、程控器组成控制系统控制、以计算机技术为核心的控制系统控制，目前在我国水肥一体化系统中广泛应用的控制器多以单片机、PLC为核心，研究内容正从精准化、自动化控制向远程操作、智能化、低功耗且经济实用性强的方向发展。吴庆胜介绍的一种滴灌反冲洗控制器可通过智能的电源控制技术和配备低功耗元件，实现低功耗运行【24】。冯培存等人研究设计的水肥智能控制系统融合了传感技术、PID自动控制算法、无线传输以及云计算技术，可实现远程控制、智能化运行【25]。刘军涛研究设计了一种基于RNN循环神经的水肥一体化控制方法，可实现水肥灌溉的动态控制和精量控制【26】。

5.5肥水制度的研究

我国主要的苹果种植基地集中于山东、陕西和云南三省，各地土壤墒情、土壤养分含量以及气候状况不同，水肥一体化技术在各地苹果园的应用中要因地制宜，制定科学合理的肥水制度。路永莉等人分别选取渭北旱塬区和关中平原区典型“红富士”苹果园，研究了传统肥料用量和肥料用量减半的水肥一体化灌溉施肥对苹果树生长的影响，结果表明，在两地施用相同的肥料类型和用量，对苹果产量和品质的影响效果都不同，因此需根据不同的环境条件制定合适的肥水制度【27]。孙霞等人研究了不同水氮处理的水氮耦合对南疆红富士苹果品质的影响，得出的结论为不同的水氮处理对苹果果实的重量、着色、硬度以及糖分积累有不同的影响，并提出南疆地区生产优果的水氮处理水平【28】。唐瑞等人以宁夏中部干旱带5年生苹果为研究对象，分析不同水肥处理条件下滴灌苹果根区土壤水分动态、耗水规律和水分生产效率，提出在该地枯水年型下该品种苹果肥水制度【29】。姜远茂、葛顺峰等依据苹果养分需求规律、土壤养分供应规律和产量品质形成规律，并结合不同产区的气候条件，提出了针对我国渤海湾和黄土高原两大苹果产区的苹果高效平衡施肥技术【30】。

6我国苹果园水肥一体化技术中存在的问题

总体来说，我国水肥一体化技术在苹果上的具体应用尚处于探索阶段。我国目前应用于苹果的水肥一体化装备，大部分都是按照固定的配比，或者按照固定的规律进行灌溉，在开环控制的模型下，不考虑种植环境、果树生长差异等问题，不但对果树的生长没有帮助，反而影响果树的正常发育或者造成水及肥料的浪费。在基于气候响应的施肥方法研究上还属空白。

目前我国自行研制的比例施肥器、压差力施肥罐、自动化精准施肥设备大量投入使用，同时也存在一些问题亟需解决，如国内在线式EC传感器精度普遍较差导致配肥精度不高【31 】;广泛应用的水肥管网采用高压PE管，地形适应性强但是抗冲击能力弱，极易损坏。

7我国苹果水肥一体化技术发展前景

准确的肥水制度。系统地研究不同品种苹果;在各生长期的需肥需水特性，结合苹果根系分布、设备条件，利用精准的算法，制定有针对性和实用性的区域化苹果肥水制度。加强土壤墒情、养分含量及气候监测，对肥水配方及时做出动态调整。同时规范水溶性肥料的选择，防止肥料之间相互反应形成沉淀和对土壤pH值改变过大。稳定可靠、价格适中的设备研发。解决当前国产化设备中存在的管道滴头易损易堵、配肥精度不高等问题，结合苹果园环境条件，研制出性能稳定、价格可被果农接受的国产化设备。完善的技术模式。实现苹果水肥一体化技术与覆膜、覆草等农艺技术相结合、人工操作与智能化远程操控互补、实地条件与制定标准配套的完善的技术模式。应用信息化技术。结合GIS、气象遥感技术、GPRS、云计算、大数据分析及农业物联网技术，建立一套智慧互联、智能化的苹果水肥一体化系统。

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作者简介：王冉冉（1979-），男，山东淄博人，博士，山东农业大学副教授，研究方向：农业机械化及自动化，电力系统及自动化。