水肥一体化应用技术集成及推广

王自强，王晓旭，段卫力，刘东旭，周 伟，王宝杰，郑雪松*

（1 中化化肥有限公司，北京 100031；2 中化（烟台）作物营养有限公司）

水肥一体化技术是指根据作物需求，对农田水分和养分进行综合调控、一体化管理，以水促肥、以肥调水，实现水肥耦合[1]。具体做法是：借助压力系统或者地形的自然落差情况，结合土壤养分含量以及作物营养需求，将可溶性固体肥料或液体肥料配兑成肥液与灌溉水一起，通过管道系统向植物根部供水、供肥。

1 水肥一体化技术推广现状

2016 年4 月，农业部办公厅印发《推进水肥一体化实施方案（2016-2020 年）》，到2020 年水肥一体化技术推广面积达到0.1 亿hm2，新增533.33 万hm2。根据水利部农村水利水电司2018 年《农村水利水电工作年度报告》数据，2016～2018 年我国新增具备水肥一体化技术应用条件耕地面积为433.67 万hm2。2017 年中国企业代表团在APEC 工商咨询理事会上，向亚太合作组织提交《水肥一体化促进农业可持续发展》提案，其主要观点写入提交APEC 经济体领导人信函及报告。得益于各国政府重视和市场推动，水肥一体化应用发展迅速，2013 年全球水肥一体化应用面积101.9 万hm2已占耕地面积的20.6%[2]。但因肥料和水资源分布、规模种植程度、农业服务水平、种植者知识结构差异，不同地区水肥一体化应用推广并不均衡。

2 水肥一体化技术推广的必要性

我国水资源总量约为2.8 万亿m3，人均占有量仅为2300m3，约为世界平均水平的1/4[3]。年际年内分配不均导致水资源供给可靠性大大降低，气候变化和极端气候现象频发使水资源时空分布更加不均[4]。如山东省所处的黄淮海地区受旱面积和成灾面积位居全国首位，1998～2015 年年均受损面积为242.13 万hm2[5]；云南省在20 世纪80 年代之后旱灾呈现明显加重趋势，平均3 年左右就有一大旱年[6]；东北地区干旱亦呈逐年加重趋势[7]。我国农业用水占比超过60%，且灌溉水利用率仅有46%，而美国已达54%，以色列更是达到87%。故我国农业用水节水空间更大[8]。推广水肥一体化技术，加快高效节水农业发展，是缓解我国水资源紧缺的途径之一，也是发展现代农业的必然选择。

2017 年中国化肥使用量为5859 万t，耕地面积6781.5 万hm2，667m2均化肥用量远超过国际防止水体污染设置的安全上限；且中国水稻、玉米、小麦三大粮食作物氮肥、磷肥和钾肥当季平均利用率分别为33%、24%、42%，仍处于较低水平，还有很大提升空间[3]。水肥一体化应用技术可减少肥料流失和土壤固定，可提高氮肥、钾肥利用率到60%，磷肥到40%～50%[9]；该技术已经成为提高肥料利用效率、转变农业发展方式的关键措施。

最新统计我国新型农业经营主体已达280 万个，其中家庭农场87.7 万户，农业产业化组织超过38 万个，新型规模种植主体逐步成为中国农业的主力军。但新兴农业主体适应生产力发展和市场竞争能力明显不足，大部分处于传统种植模式，运用先进科技手段进行农业生产占比小。降本增效是每个规模种植农场的普遍需求。水肥一体化能够提高水、肥利用率，从而省水省肥[10-11]；能够实现自动化操作，从而省工；能够满足作物不同生长阶段水分、养分需求[12]，从而激发植物潜能增加产量并提升品质。水肥一体化技术逐渐受到新型农业经营主体青睐。

3 水肥一体化技术集成

水肥一体化技术是基于节水灌溉和植物营养技术的综合应用：由高效节水灌溉设计与实施、水溶肥料、根据作物需水需肥规律拟合灌溉施肥方案组成。从严谨的高效节水灌溉项目设计开始，根据设计要求的参数，安装性价比高的灌溉施肥设备和选择便于自动化的水溶性肥料，辅以科学合理的微灌施肥方案，最终形成规模种植农场定制化、科学的水肥综合管理方案。

3.1 严谨的节水灌溉项目设计

节水灌溉规划应包括基本资料搜集、技术参数初定、灌水器选型、管网布置与设计、管网水力计算和首部枢纽设计[13]。规划成果应绘制成设计图纸，包括项目总体平面布置图、典型工程布置图、工程系统运行方案图、工程系统管网连接图、系统节点压力分布图、各类建筑物结构设计图和材料设备用量统计表等[14]。

规划设计之前需要搜集本地气象、地形与土壤、水源水质、待实施区种植作物资料和种植主体水肥管理要求。所需气象资料包括降水量、蒸发量、冻土层深度等；地形与土壤资料包括海拔高度、土壤质地、盐碱情况等；水源水质资料包括地表水或地下水资源选择、水质评价；待实施区种植作物资料包括作物种类、种植行间距、作物根系深度、需水规律；农场水肥管理要求包括轮灌计划、自动化水平需求。

根据搜集到的数据资料，推荐水肥一体化项目的设计灌溉保证率、灌溉水利用系数、土壤润湿比和灌溉水均匀系数。《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009）规定，微灌工程设计保证率应根据自然和经济条件确定，但不应低于85%：滴灌灌溉水利用系数不应低于0.9，微喷灌、小管出流不应低于0.85[15]。

灌水器的选择关系到灌水质量和项目造价。水肥一体化项目灌溉形式按所选灌水器可分为滴灌、微喷灌、小管出流、脉冲微喷灌、渗灌等[16]。灌水器类型会影响土壤润湿比，但不同作物所要求土壤润湿比是不同的。通常根据种植作物种类与种植模式、土壤性质及灌水器本身适宜压力范围、流量、制造精度和抗堵性能决定灌水器应用类型。为保证灌水均匀，还需选用制造偏差小的灌水器，且稳定其工作压力。

管网是节水灌溉项目的主体，由干管、分干管、支管和毛管组成，且各级管道设计流量是根据轮灌方案确定后的轮灌组计算得出的。作物种植方向是以上管道布置的主导因素[17]。需要注意的是，毛管铺设要顺延作物种植方向，且铺设长度有限值[18]。管网布置形式包括树状管网和环状管网，还可以根据项目要求进行优化[19]。管网设计要适应作物种植结构，满足生长期各阶段适时、适量需水要求，结构简单、方便操作，安全运行。

田间管网水力计算是节水灌溉管网优化的有力支撑。水力计算一般包括灌水小区水力设计、水头损失计算、设计流量与设计水头、节点压力平衡和水锤压力验算与防护[8]。通常田间管网造价占系统造价1/3 以上。因此，在保证灌水器平均流量和灌水均匀度前提下，通过水力计算合理分配田间管网允许水头差，选择合适的支管与毛管规格，可以使田间管网投资最小[20]。

首部枢纽是全系统调配中心。其作用是从水源取水加压并注入肥料，经净化处理后按时按量输进管网、灌水器，担负整个灌溉系统加压、供水、过滤、量测和调控任务[21]。首部枢纽设计内容为确定动力系统流量与扬程参数、过滤设备精度与类型、制定水肥量测与安全防护措施。过滤系统应满足灌水器对水质处理的要求；且压力损失较小，便于清洗维护；并根据自动化需要设计自清洗过滤功能[22]。还需要视过滤器自动反冲洗、压力瞬间过大保护需要增加各种功能阀门。系统工作压力或流量变幅较大的微灌系统，宜选配变频调速设备[23]。

3.2 性价比高的节水灌溉、施肥设备

3.2.1 灌溉首部选型。水泵选型原则为额定扬程与流量满足灌溉设计要求。距离地表水源较近宜选择离心泵，距离水源较远或采用地下水灌溉宜选用潜水泵[24]。长期运行过程中，水泵平均效率要高，而且经常在最高效率点的右侧。

从河道或渠道中取水时，取水口应设置拦污栅。从多泥沙水源取水时，应修建沉淀池。根据水源杂质类型选择离心、砂石介质、网式过滤器或叠片过滤器中一种或多种[25]。砂石过滤器以均质等粒径石英砂形成砂床作为过滤载体进行立体深层过滤，是去除水中有机质的常见过滤设备。当水中有机物含量超过10mg/L 时，砂石过滤器是最好的选择[26]。离心过滤器一般成柱状或锥状，以离心力和旋流作用进行过滤，适合处理一些杂质单一或者沙子、石块较多的水源。网式过滤器是利用滤网将水中杂质与水分离，适合沙粒或粉粒为主要杂质水源过滤。叠片过滤器内有数量众多带有沟槽的塑料环形盘锁紧叠在一起形成的滤芯，过滤精度高、深层过滤拦污能力强。水肥一体化项目中过滤系统往往根据水源、水质选择以上一种或多种过滤器组合使用。

配施肥机是水肥一体化设备设施的大脑，决定施肥工效，并影响农业种植标准化生产；是高效节水灌溉首部重要组成部分。与压差溶肥罐、文丘里注肥机、电动注肥泵、比例注肥泵等施肥装置相比，自动灌溉施肥机更适合自动化、标准化、精准化的发展趋势[27]。根据作物灌溉施肥指标或阈值设定肥料配比程序，采用模糊控制器控制电动阀开启时间长短，通过EC 传感器控制文丘里或施肥泵施肥，满足不同农作物需肥要求，是全自动施肥机设计原理[28]。但由于所用肥料种类、种植者素质、水肥习惯传承，这种施肥机在中国的用户体验并不好。近来，一款根据中国高含量、高密度、高粘度、可含有机质水溶肥特性，通过泵和电磁阀控制、软件设定施肥面积，自动完成所需高氮、高磷、高钾、有机水溶肥定量桶混，形成母液并将母液按比例或定量添加到灌溉水中的施肥机受到行业关注，被越来越多规模种植农场选择。

水表的选择要考虑水头损失值在可接受范围内，测量范围比系统实际水头略大的压力表，以提高测量精度并配置于肥料注入口上游，防止肥料腐蚀水表。同时在过滤器前后均设置压力表，以便根据压差确定清洗时机。过滤器顶部和下游各设一个进排气阀，其作用为系统开启充水时排除空气，系统关闭时向管网补气，以防止负压产生[29]。

3.2.2 田间管网。管道是灌溉输水项目重要组成部分。管道选材、选型直接影响到项目建设质量和造价。灌溉项目中常用塑料管道、金属管道和复合管道，其中塑料管道用量最大。塑料管道中三大主流管道为：聚氯乙烯（PVC）管、聚乙烯（PE）管和聚丙烯（PP）管[30]。

PVC 管道是以氯乙烯树脂单体为主，加入必要添加剂，用挤出成型法制成的热塑性塑料圆管。具有一定耐腐蚀性能，一般用于常温介质输送。在水肥一体化项目中常作为干管、分干管地埋使用。聚乙烯塑料（PE）管是以聚乙烯树脂单体为主，加入必要添加剂，用挤出成型法制成的热塑性塑料圆管。PE 管具有良好耐低温性能和韧性，可以在冻土层中使用。根据加工时压力和密度不同，聚乙烯塑料管可分为低密度PE（LDPE）管、中密度PE（MDPE）管和高密度PE（HDPE）管。高密度PE 管耐高温和机械性能好，常用于丘陵或低温地区，作为干管、分干管使用。低密度PE 管柔性更优，常用做连接滴灌管的支管[31]。

3.2.3 田间首部。田间首部具有二级调压、过滤，预防虹吸和水锤功能。由二级叠片过滤器、电磁减压阀、空气阀与真空阀组成。

为保证每个灌水小区灌水均匀度，各灌水小区的首部安装具有调压（减压）功能的阀门，可以预先设定所有灌水小区首部所需压力[32]。叠片过滤器精度为120目，可以进一步对水质进行净化，以保证滴灌管线经长时间使用而不会发生堵塞。田间首部中的空气阀，可以排出系统中的空气，消除气阻保护系统设备；真空阀可以向系统中补充空气，防止真空破坏。

3.2.4 灌水器。灌水器的作用是把末级管道中压力水流均匀而又稳定地分配到植物根部[33]。按消能方式分类有弹性膜片消能和长流道消能；按功能分为压力补偿型和非压力补偿型。压力补偿式灌水器主要用于长距离或者存在高差地方铺设，非压力补偿式用于短距离铺设。国内广泛使用滴头、滴灌管或滴灌带、薄壁滴灌带等[34]。滴头流量一般为2、4、8L/h，主要用于株距不统一、地形起伏较大、用水量大的果树。内镶贴片式或柱式滴灌管或滴灌带流量一般为1～8L/h，主要用于设施栽培或高端经济作物。相对滴灌带，滴灌管寿命稍长。薄壁滴灌带俗称边缝式滴灌带，主要应用于1 年生大田作物（棉花、玉米、加工番茄）及大面积栽培露地蔬菜、甜西瓜等。

3.3 便于自动化使用的水溶性肥料

根据肥料物理化学特性，很多固体或液体水溶性肥料都适用于水肥一体化系统。水溶肥具有高纯度、高溶解度和低含盐量等特点[35]。水溶肥尤其是液体水溶肥更适合水肥一体自动化系统。

水溶肥是指能够完全溶解于水的多元素复合型、速效性肥料。可按产品形态、组分、作用功能进行分类。按产品形态可分为颗粒、粉剂、水剂3 种；按组分可以分为大量元素水溶肥、中量元素水溶肥、微量元素水溶肥、含腐植酸水溶肥、含氨基酸水溶肥、有机水溶肥料。按添加中量、微量营养元素类型可将大量元素水溶肥料和含氨基酸水溶肥料细分为中量元素型和微量元素型。按添加大量、微量营养元素可将含腐植酸水溶肥料分为大量元素型和微量元素型。含腐植酸水溶肥大量元素型产品可分为固体或液体2 种剂型；微量元素仅有固体剂型。

液体水溶肥是含有一种或一种以上作物所需营养元素的液体产品，这些营养元素作为溶质溶解于水中成为溶液，或借助悬浮剂作用悬浮于水中成为悬浊液。其中清液型液体复合肥料由于其各种营养成分均匀地溶解在水中，使其在机械施肥中能够发挥出固体复混肥料所没有的优越性。清液型液体复合肥可以直接通过滴灌及喷灌系统施用，具有施肥成本低、施肥准确度高、均匀性高、自动化程度高、肥料利用率高等优点[36]。

氮、磷、钾肥是作物生产中最为重要的三大营养元素，合理施氮、有效施磷、高效施钾是实现作物优质高产的关键。大量元素水溶肥施于作物叶片表面或作物根部后，各种营养物质可以快速进入作物体内，及时补充作物所需大量元素养分。可根据作物需肥规律设计大量元素水溶肥中氮、磷、钾含量。其所用原料与常规复合肥料略有不同，磷源主要有工业级磷酸一铵或二铵、磷酸二氢钾、磷酸脲、聚磷酸铵；氮源主要是铵、硝酸盐，分别提供铵态氮和硝态氮，不足部分用尿素补足；硝酸钾、磷酸二氢钾是主要的钾源[37]。

含氨基酸水溶肥是指以游离氨基酸为主体，按植物生长所需比例添加适量钙、镁中量元素或铜、铁、锰、锌、硼、钼微量元素形成的液体或固体水溶肥料。含氨基酸水溶肥属于速效肥，其中氨基酸分子可以被植物快速吸收，直接利用[38]。合理使用氨基酸水溶肥，可以提高植株光合速率和气孔导度，促进光合作用；提高根系活力、增加叶面积，促进作物生长；降低植物体内MDA 含量，有利于作物产量形成。

从泥炭、褐煤或风化煤提取而得的，由动植物残体经过微生物分解、转化及化学作用等形成，含苯核、羧基和酚羟基等无定形高分子化合物的混合物为矿物源腐植酸。腐植酸分子同时存在亲水集团和疏水基团，具有两性分子特性；具有较强氧化还原能力；还可以和金属阳离子形成络合物。在适合植物生长所需比例的矿物源腐植酸中，添加适量氮、磷、钾大量元素或铜、铁、锰、锌、硼、钼微量元素而制成的液体或固体水溶肥料即为含腐植酸水溶肥。腐植酸水溶肥可以提高作物抗旱、抗寒、抗病能力，促进作物生长发育[39]。

水肥一体化项目中，选择水溶肥时应考虑作物品种和生长发育时期、土壤质地、灌溉水质，并注意肥料的使用方法。不同作物具有不同需肥规律，在作物不同生长时期，需肥规律也不同。满足作物对营养的不同需求，合理调整作物根部土壤微环境，适当添加植物可吸收的氨基酸是保证施肥效果、提高肥料利用率的关键措施。

3.4 科学合理的微灌施肥方案

作物的水肥耦合效应指在以作物为主体构建的生态体系中，作物周围水分、肥料这两类物质相互作用而对作物产生影响。通过科学合理的微灌施肥方案，可以实现水分和养分在时空上的耦合，可按照作物长势和需水需肥规律控制肥、水配比，一定程度上改善农业生产中水肥供应不协调的弊端。

农作物生长中60%养分需要从土壤中摄取。根据作物对养分需求规律、土壤养分供应能力和肥料效应特点，在合理使用有机肥基础上，提出氮、磷、钾及中微量元素肥料的施用量、施用时期和施用方法的一套施肥技术体系，即为施肥制度。制定施肥制度时，应注意肥料间的拮抗反应，分开施用具有拮抗反应的肥料；根据农业生产中的环境温度，选择耐不同低温的液体水溶肥产品。

一般作物生育前期和后期需水较少，中期生长旺盛，需水较多。需水关键期多在营养生长向生殖生长过渡阶段。根据作物需水规律进行合理灌溉，才能拟合成灌溉制度。灌溉制度是指种植前及全生育期内灌水次数、灌水周期、一次灌水延续时间、灌水定额以及灌水总额，且需水总量和每次灌水量因作物种类和土壤干旱程度而异。制定灌溉制度时，还应注意灌溉水硬度，避免与含磷水溶肥反应生成沉淀而堵塞管道。

因此，通过测土对土壤肥力状况作出明确判断，获悉土壤养分结构是规模种植主体应用水肥一体化技术的必要环节。根据作物目标产量、需水和需肥特点，分别建立灌溉制度和施肥方案，进一步整合成微灌施肥制度，才能形成科学合理的水肥一体化技术方案。

4 展望

水和肥是农业生产的重要物质资源。水是肥效发挥的关键，而肥是打开水土系统生产效能的钥匙。水肥一体应是争取作物高产、优质、高效的必由之路，是在现有条件下不增加施肥量获取最大经济效益的一门实用技术；也是我国实现《到2020 年化肥使用量零增长行动方案》重要举措之一，对我国做好农业节水、促进水资源可持续利用，加快发展现代农业具有重要意义。

水肥一体化技术是实现农作物生产规模化、产业化、商品化的最佳模式，但在推广中也面临诸多挑战。最突出的就是安装水肥一体化设施的用户缺乏水、肥管理专业指导，没有根据土壤和作物需肥规律制定施肥方案，产生养分配比、用量不当及施肥不合理等问题。不仅没有达到节水节肥目的，反而造成资源的浪费。随着水肥一体化技术的深入推广，规模种植主体必将综合灌水、施肥及其他农艺管理，提升作物种植管理水平，进一步实现降本增效。