我国水溶性肥料及水肥一体化的研究进展

梁嘉敏，杨虎晨，张立丹，陈小娟，陈 静，樊小林，孙少龙

（华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642）

我国作为人口大国，人口总数目前居世界第一位。然而，我国的耕地大约只占世界现有耕地的9%，地少人多是限制我国农业发展的重要因素之一。作为农业大国，我国坚守18 亿亩的耕地红线，要用现有耕地养活世界20%的人口，承受着巨大压力。为了提高作物产量，农民在作物种植过程中施用大量化肥［1］。在某种程度上，随着施肥量的增加报酬量会增加。然而，当超过这一限度后，每单位投入所带来的报酬则会逐渐降低，甚至会导致减产［2］。同时，过量施用肥料会破坏土壤的内部结构、理化性质、微生物群落，甚至造成环境污染。与传统的固体复合肥相比，水溶性肥料的利用率高，不会因过度施肥而造成环境污染、土壤养分失调等生态问题，是一种具有较好前景的可持续性肥料。随着人们对生态环境的日益关注，对农业生产要求不断提高，水溶性肥料因其养分含量高、肥料利用率高、肥料成本低、绿色环保等优点，成为推动农业可持续发展的重要保障。与传统的漫灌施肥相比，水肥一体化技术可实现适量适时适地施肥和灌溉，提高作物产量和品质，有效降低生产成本，其肥料和水分的利用率高达90%。水溶性肥料并不是国内首发研制的，从外国引进到自主研发经历了漫长的过渡期。进入21 世纪，国内的水溶性肥料专利申请增多，生产技术取得进步，产品、产量逐年递增。国务院在“十三五”期间，明确提出化肥零增长的计划。在国家政策的引导和推动下，加速了新型肥料的发展，其中以水溶性肥料为代表的新型肥料及其一体化施用技术得到进一步推广应用。水肥一体化技术是水溶性肥料发展的坚实基础，经过长时间的探索实践，我国水肥一体化技术不断完善，国内水溶性肥料的应用从小范围试验转变为大面积实施。未来几年，水溶性肥料在肥料市场上的占比将不断增加，水肥一体化技术的应用将推向全国各地，发展前景更加广阔。水溶性肥料与水肥一体化技术相结合应用，可提供适宜的水肥环境，有利于作物的生长发育，具有节水、节肥、高效的优点。然而，水溶性肥料和水肥一体化技术也存在一定的局限性，需要相互适应，相互调整，实现更大的价值。

1 水溶性肥料的分类与生产工艺

1.1 水溶性肥料的定义与分类

广义上，水溶性肥料是指能够快速溶解于水中的大量元素单质水溶肥料、复合水溶肥料、农业农村部规定的水溶肥料和有机水溶肥料等［3］。与普通颗粒复混肥相比，水溶性肥料具有养分全且含量高、水不溶物含量低等优点，能够迅速溶于水中，被作物吸收利用［4］。根据不同分类标准，水溶性肥料的类型有所区别。按照物理形态的不同，水溶性肥料可以分为固体水溶肥料和液体水溶肥料，其中固体水溶肥料可根据固体的具体形态分为颗粒状和粉末状，而液体水溶肥料可以根据液体的具体形态分为清液型水溶肥料和悬浮型水溶肥料。按照功能的不同，水溶性肥料可以分为营养型水溶肥料和功能型水溶肥料，营养型水溶肥料主要补充作物生长所需要的营养物质，包括大量元素水溶肥料、中量元素水溶肥料、微量元素水溶肥料等；功能型水溶肥料则会添加植物源、动物源、矿物源等功能活性物质，包括含腐植酸、氨基酸、海藻酸等的有机水溶肥料，能够改良土壤、刺激作物生长、改善作物品质［5］。企业需要根据水溶性肥料的国家和地方标准进行研发、生产和登记水溶性肥料产品，其中，国家标准明确规定大量元素水溶肥料中的大量元素含量不低于50%，中量元素水溶肥料中的中量元素含量不低于10%，微量元素水溶肥料中的微量元素含量不低于10%；严格要求水不溶物含量均不高于5%，其稀释250 倍后的肥液pH 值必须控制在3.0～9.0 之间，部分含腐植酸、氨基酸和海藻酸等有机水溶肥料的标准则由企业拟定。

结合我国实际情况，水溶性肥料及其一体化技术具有以下优势：第一，我国水资源时空分配不均，水肥一体化技术可以提高作物的水分利用率、节约水资源［6］；第二，水溶性肥料是一种经济又高效的肥料，其原材料通常是廉价的液氨和尿素，生产过程无需进行废气、废渣、废水的处理；第三，水溶性肥料的施肥作业基本实现全自动化，可节约劳动力成本，给农户带来生产便利；第四，水溶性肥料随水施用，直接施于根系或作物叶面，避免养分流失或被土壤固定，提高养分的有效性，其养分吸收率为常规复合肥的两倍。

1.2 国外水溶性肥料的研究发展

农业的发展离不开工业，化肥的生产需要雄厚的工业实力。美国、英国和以色列等发达国家的水溶性肥料研发生产技术和灌溉施肥设备遥遥领先于其他国家，其中以色列在水溶性肥料的研发生产及其配套设备和施肥技术已经非常成熟［7-8］。早在1925 年，英国就以简单的固体肥料掺混制成一种水溶性肥料［9］。随着市场需求量增大，其他国家也相继开展相关研究，主要集中于复合养分液体肥和浓缩型悬浮液体肥。为了实现水肥一体化技术的大面积推广，Milani 等［10］利用纳米技术生产具有活性的全水溶性肥料，大大提高了肥料的水溶性，避免其在喷灌和滴灌设备上出现堵塞现象。此外，为优化水溶性肥料，研究者不仅从生产技术上进行改进，还不断完善其施肥技术。目前，美国是世界上水肥一体化技术应用面积最大的国家，而以色列超过90%的耕地应用了喷灌、滴灌等先进的水肥一体化技术［11］。

1.3 国内水溶性肥料的研究发展

20 世纪90 年代，我国开始从国外引进水溶性肥料，由于其价格昂贵，主要应用在高价值的花卉和经济作物上。2001 年，山东省农业科学院申请了多元素液体肥料专利，该肥料成本较低，主要应用在蔬菜、果树上。2002 年，中国科学院申请了以滴灌为基础的酸性液体肥专利，该肥料溶解度高，且不会堵塞管道［9］。直到2005 年，我国的水溶性肥料市场才真正打开，虽然起步较晚，但发展速度较快。据农业农村部肥料产品登记统计，截至2020 年6 月，全国水溶性肥料登记总数达14 453 个，其中大量元素水溶肥料、中量元素水溶肥料、微量元素水溶肥料、含腐植酸水溶肥料、含氨基酸水溶肥料和其他有机水溶肥料分别为3 528、1 573、2 673、3 208、3 043 和428个。近年来，国内水溶性肥料的需求量和市场规模不断扩大，然而，由于国内水溶性肥料生产技术存在缺陷，进口水溶性肥料仍占较高的市场份额（表1）。

表1 国内水溶性肥料部分进口公司品牌和登记号Table 1 Part of import brands of water-soluble fertilizers in China and the registration numbers

1.4 水溶性肥料生产工艺

固体水溶肥料的生产方法通常分为物理混合法和化学合成法。物理方法是指利用搅拌机器将氮、磷、钾等单质肥或复合肥料按照一定的比例直接配成水溶性肥料，产品形状、色泽等性质与原料有直接联系，通常外观、稳定性比较差［12］。同时，物理方法的生产过程未涉及除杂程序，产品存在一定杂质，是后续施肥时产生沉淀堵塞管道的主要原因。化学合成法是指在一定温度和酸碱度的条件下，通过反应、除杂、蒸馏浓缩、冷却结晶等步骤，将氮、磷、钾等养分按比例制成水溶性肥料。与物理混合法相比，化学合成法制备的固体水溶肥料具有外观好、质地均匀、结晶纯度高等优点。此外，颗粒状水溶肥料的生产则需要通过造粒工艺实现，如转鼓造粒、圆盘造粒、塔式造粒。其中，塔式造粒工艺是最常用的方法，是将固体尿素、硝酸铵等氮肥进行加热熔融，随后加入磷、钾等营养元素，混合均匀后送入高塔进行喷洒，最后冷却结晶形成颗粒状的水溶性肥料［13］。

液体水溶肥料的生产流程比固体水溶肥料复杂得多，主要是由于所有养分必须完全溶于水中，这在一定程度上限制了养分含量。液体水溶肥料的生产主要通过溶解、螯合等方法，将各种营养元素、助剂以及活性物质溶解于水中制成均匀的液体水溶肥料，其生产工艺包括除杂净化、原料溶解、养分螯合与复配、酸碱度调节等步骤［3］。液体水溶肥料的生产过程还需要监测生产用水的水质情况和生产过程中的反应条件，严格执行各个生产环节。国内企业经历了长时间摸索实践后，对水溶性肥料的生产工艺进行了完善，革新自动化设备、改善配方设计和提高生产安全性。

2 水溶性肥料的施用技术

2.1 灌溉施肥

灌溉和施肥既相互影响又相互依存，水肥一体化技术能完美融合灌溉与施肥，具体指渠道灌溉、喷灌、滴灌等农业灌溉设施与施肥融为一体的农业新技术［14］。灌溉施肥通常需要借助压力系统，按照土壤的养分条件以及作物的需肥情况，将由可溶性肥料配兑成的液肥与灌溉水一起施用，具有节约、高效、省工、环保等优点［15］。例如，利用配兑的腐植酸有机液体肥进行大田试验，发现与传统尿素相比，有机液体肥可减少施用12.5%的氮肥，且能明显提高水稻的产量和氮素吸收效率［16］。Ahmad 等［17］利用腐植酸和黄腐酸基液肥对小麦产量的影响进行试验，发现所有液肥处理的小麦产量均高于对照组，大大增加了经济收益。然而，灌溉施肥的应用也存在一些限制因素，如水不溶物会堵塞管道，这与肥料生产的原料以及生产过程的除杂有关，尤其是含磷水溶肥料，磷元素不仅溶解度低，而且易与水中的某种溶质反应产生沉淀物，从而堵塞管道。滴灌施肥时，施肥前需要先滴水湿润土壤，避免土壤表层盐分积聚，施肥后需要继续滴水清洗管道，可以减少导管堵塞的现象。

喷灌施肥也是一种节水灌溉施肥方式，其受系统的均匀系数影响最大，关系到作物对养分的吸收、利用和流失情况［18］。Home 等［19］以秋黄菊为试验对象，比较沟灌、喷灌、坑灌3 种灌溉施肥方式对氮素利用率的影响，发现喷灌施肥的氮素利用率最高、渗漏流失量最少。水肥一体化技术的应用需要根据地形、气候、作物等因素设计施肥模式，而不同模式也各有优缺点（表2）。其中，文丘里施肥模式在国外已被广泛使用，国内也研制出多种同类型产品，其施肥原理是水流经过缩小的断面时，流速变大形成负压吸入肥液，具有可移动性、便捷性、经济性等优点。

表2 不同施肥模式特点Table 2 Characteristics of different fertilization modes

2.2 无土栽培

无土栽培是指在无土壤的介质中培养植物的方法，包括水培、雾（气）培、基质栽培。早在1627 年，弗朗西斯·培根就提出无土栽培概念；1699 年，研究者进行了水栽培试验；20 世纪，无土栽培才开始真正流行起来［20］。无土栽培中作物吸收的养分主要来源于营养液，由水、肥料和辅助物质组成，水溶性肥料是制备营养液的主要来源。相比传统的土培方法，无土栽培可以节约空间和时间，如温室大棚可进行多层立体栽培，能有效控制作物对光照、水分、温度、养分以及空气的要求。土培情况下，养分容易随水渗漏流失和被土壤胶体固定，无土栽培则可避免上述问题的发生，其肥料利用率可达90%。此外，无土栽培还能阻断病虫害的传播途径，避免土传病害的发生，给作物提供良好的生长环境［21］。Miller等［22］利用水循环模式栽培生菜，发现回收液中的EC 值增加、养分浓度下降，未对植物生长产生明显的负面影响，为营养液循环水培作物提供了参考。无土栽培是解决土地和水资源短缺以及耕地污染等环境问题的重要种植方法，适用于人口密集城市和海滩荒岛的农业生产［23］。目前，利用人工配制营养液进行水培的栽培方式最为常见，可以提高作物的水肥利用效率。Abu-Shahba等［24］通过水培和土培两种种植方式比较生菜的生长形态和生化参数，结果表明水培系统的耗水量低、作物生长好。经无土栽培生产的作物不仅成熟早、产量高、品质优，而且绿色环保、无污染，深受大众喜爱，其中发达国家生产的蔬菜已有50%通过无土栽培生产。然而，无土栽培的应用也存在一定阻碍。首先，无土栽培的应用是向规模化、自动化发展，其设备、设施以及监控管理的资金投入高，目前仅应用于蔬菜等小型作物；其次，由于基质和营养液的缓冲能力较土壤弱，温度升高水分蒸发加快，养分浓度提高影响根系生长发育；第三，管理技术复杂，需要实时监控反馈。因此，无土栽培可以通过研发无土栽培专用型的水溶性肥料，简化水培和雾培形式降低系统成本，向自动化、集约化、现代化、高效化发展。

2.3 叶面施肥

植物主要通过根系吸收养分，也能通过叶面吸收部分养分。叶面施肥是根系受损、土壤干旱和缺素时的施肥替补方法，可以及时补充作物所需养分，快速缓解缺素症状［25］。尤其是中微量元素土施容易被固定，过量施用会对作物产生毒害作用，而叶面施肥可避免毒害作物，养分通过气孔进入叶片，促进光合作用，有利于干物质的积累。最初，叶面肥是以营养型叶面肥为主，将大量元素和微量元素溶于水配成一定浓度的溶液，喷于植物叶面起补充营养的作用。为追求更好的施肥效果，衍变出氨基酸型、腐植酸型和植物生长调节剂型等叶面肥，其中氨基酸型叶面肥通过氨基酸螯合铁、锰、铜等金属离子，增加养分的有效性；腐植酸型叶面肥添加的腐植酸活性物质，可通过交换、吸附、配合等作用增加金属离子的有效性；植物生长调节剂型叶面肥则在以上几种叶面肥的基础上添加植物生长调节剂，调节植物生长发育。同时，叶面肥可与农药一起喷施，这类叶面肥是药肥型叶面肥，如硝酸钾与农药配合喷施可提高农药药效。Patel 等［26］研究了不同生长阶段叶面施用硼对水稻的影响，发现分蘖期和灌浆期施用叶面硼可促进水稻生殖生长，明显增加水稻产量。将氨基酸液体肥施用于大豆叶面，发现其可改善叶面微生物群落，进一步提高产量［27］。Shankarappa 等［28］通过扁豆的田间试验，发现水凝胶结合叶面营养液施用，可以显著增加单株荚果数，提高扁豆产量。水溶性肥料的施用遵守少量多次的原则，叶面喷施时更要注意喷施浓度，喷施浓度过大会出现烧叶现象［29］。此外，大部分叶片有较厚的角质层，会降低养分的渗透率，某些元素的移动性差，叶面吸收比根系慢很多。叶面肥的施用效果也受环境影响，因此，施用叶面肥要避免在雨天进行，最好选择在晴天或阴天上午9：00 前或下午16：00 后，还可通过添加湿润剂防止叶面肥快速蒸发而失效。

3 水肥一体化技术的应用效果

水肥一体化技术是水溶性肥料发挥肥效的保障。我国水肥一体化技术的发展大致分3 个阶段：第一阶段是引入国外先进设备，第二阶段是探索核心技术，第三阶段是独立研发与应用。目前国内在这一领域上的研究已有较大进展，主要包括试验地点、作物、施肥方式、应用效果等，其中试验作物主要包括粮食作物（水稻、冬小麦、玉米、马铃薯）、水果（香蕉、菠萝、柑橘、甘蔗、草莓、葡萄、苹果）、蔬菜（番茄、黄瓜、辣椒）等。

3.1 粮食作物

水肥一体化技术在水稻、小麦、玉米等粮食作物上的应用研究表明，与传统施肥方式相比，滴灌和喷灌等新兴灌溉施肥方式更能节水节肥（表3）。水稻、小麦研究结果显示，肥料随水施用可以促进作物对养分的吸收，起到及时追肥的作用，有效增加穗重、穗数和千粒重［30-34］。朱忠锐等［34］应用喷灌施肥种植小麦，发现喷灌可减少水分蒸发和渗漏，有利于水分贮存。有限灌溉和合理减施氮肥，有利于小麦后期的干物质积累。水肥一体化技术对玉米的株高、茎粗、生物量、穗重和穗粒数均有积极作用，还能减少氮素和水分的流失，提高肥料和水分利用率［35-36］。张国桥等［37］研究滴灌施磷对玉米利用磷素的影响，发现滴灌追施磷肥的效果较基施磷肥好，可满足玉米后期对磷的需求，有效增加穗粒数、穗重和穗粗。此外，滴灌施肥为马铃薯创造适宜的生长条件，能有效提高成活率、减少薯块变质腐烂［38-39］。

表3 水肥一体化技术在粮食作物上的应用效果Table 3 Application effect of fertigation technology on grain crops

3.2 水果

水肥一体化技术在水果上的应用效果见表4，其中，香蕉、菠萝、柑橘和甘蔗属于热带作物，普遍生长在雨水充足的南方地区。甘蔗根系发达需水较多，水肥一体化能有效控制甘蔗不同时期的灌水量和施肥量，有利于甘蔗对肥料的吸收，显著提高茎数、茎长、茎径、茎重、蔗糖分和产量［40-41］。谭宏伟等［42］研究了滴灌对甘蔗减量施肥的影响，结果表明滴灌对甘蔗的苗期、分蘖期、伸长期和成熟期的养分吸收有促进作用。滴灌施肥能有效增加香蕉前期的青叶数、叶片宽度和SPAD 值，促进光合作用，为后期的香蕉发育打好基础［43-44］。李小泉等［45］应用膜下双管滴灌种植香蕉，可缩短香蕉生长期，有效提高产量。水肥一体化技术能促进菠萝对各营养元素的吸收，有效提高单果重、果实高度、果实直径和种苗数，且有效调节果实的糖酸比，增加Vc 含量［46］。马海洋等［47］研究了灌溉施肥对菠萝产量的影响，发现滴灌有利于根、茎、冠芽的养分向果实移动，促进干物质的分配和积累。在减少化肥用量的情况下，采用水肥一体化技术种植柑橘能有效增加单果重、单果数和产量，同时提高果实可溶性固形物含量［48-50］。在草莓的应用上，通过调整施肥比例能提高草莓可溶性固形物含量，且在减少20%化肥用量的情况下仍能提高草莓产量［51-52］。葡萄生长需水肥较多且抗病性差，滴灌施肥可改善生长小环境，减少病害发生，显著提高葡萄品质［53-54］。杜军等［55］研究了滴灌施肥水肥一体化技术对葡萄生长的影响，发现滴灌施肥能有效促进葡萄新梢生长，有利于糖分输送和积累。此外，滴灌施肥能有效提高苹果对N、P、K 等养分吸收，进而提高果实可溶性固形物含量和Vc 含量等指标［56］。然而，不同生态区的水热条件和土壤肥力差异明显，应用效果差别很大。路永莉等［57］在不同生态区应用水肥一体化种植苹果，发现在减少50%施肥量的条件下，渭北旱塬区种植的苹果存在减产风险，而关中平原区种植的苹果则有增产现象。

表4 水肥一体化技术在水果上的应用效果Table 4 Application effect of fertigation technology on fruits

3.3 蔬菜

水肥一体化技术在番茄、黄瓜和辣椒等蔬菜上应用有较多实例（表5）。水肥一体化技术通过少量多次施肥，促进作物对氮磷钾等养分的吸收，进而提高果实的可溶性糖、可溶性固形物和Vc 含量［58-61］。王文军等［59］应用水肥一体化技术生产番茄，发现能有效提高果实番茄红素含量；江雨倩等［62］研究了滴灌生产黄瓜对耕地N2O 排放的影响，发现在滴灌条件下土壤的湿润区逐步扩大，干湿交替减少，限制了硝化或反硝化的发生条件，有效减少N2O 的排放。运用水肥一体化技术可延长辣椒两次的生育期，促进辣椒对养分的分配，有利于果实干物质的积累［63-64］。传统蔬菜农业存在严重的水肥浪费问题，水肥一体化技术节水、节肥、高效，成为解决农业环境污染问题的突破口。

表5 水肥一体化技术在蔬菜上的应用效果Table 5 Application effect of fertigation technology on vegetables

3.4 其他作物

水肥一体化技术在其他作物上的应用效果见表6。水肥一体化技术可直接将肥水输送到作物根部，有利于作物吸收养分，对茶树根系、新梢、芽头均有促进生长的作用，同时能改善土壤的理化性质［65］。唐颢等［66］研究茶园应用滴灌施肥的效果及土壤养分效应，发现滴灌施肥可提高土壤pH 值，降低碱解氮含量，弱化土壤酸化作用。此外，水肥一体化技术在花生上的应用表明，通过滴灌施肥可以增加荚果和籽仁的产量，进而对花生具有增产作用［67］。水肥一体化技术在棉田上的应用主要是氮肥，采用滴灌施肥可节约氮肥和减少环境污染［68］。邓忠等［69］研究滴灌施肥对棉花蕾铃脱落的影响，发现肥水过高或过低会使各器官养分失调，适宜追施氮肥可延长棉铃增长，保证有效铃数和良好株型结构。

表6 水肥一体化技术在其他作物上的应用效果Table 6 Application effect of fertigation technology on other crops

4 问题与展望

4.1 存在问题

近几年，我国的水溶性肥料发展迅速，水溶性肥料产品登记数逐渐增加，对水溶性肥料的应用研究不断增多。然而，目前在产品质量、生产技术、配套设施、推广应用和市场规范上仍存在一些问题：（1）产品质量问题突出，水溶性肥料的产品在运输存储过程中容易出现胀气、分层结晶、吸湿结块、黏度增加等情况。胀气主要是由于温度、气压、湿度等环境条件的变化，分子发生运动，反应产生气体。吸湿结块是固体水溶肥料的主要问题，固体水溶肥料易受环境湿度的影响，吸湿后结块变形，不利于后续使用［70］。分层结晶和黏度增加主要发生在液体水溶肥料，当溶液中的养分处于饱和状态时，温度降低，溶解度发生变化，养分容易析出，黏度增大，严重时会分层结晶。（2）生产技术落后，国内规模化生产水溶性肥料的企业较少，生产工艺缺乏创新性，生产技术方面仍然比不上发达国家，农民对国内产品信任度不高［71］。（3）配套设施不完善，我国农业种植范围广，区域地理位置、水土资源和作物种类相差大，普通的灌溉设施无法满足各地区的需求。（4）推广应用效果不佳，媒体的报道与实际不符，夸大或抹黑效果都会影响农民的选择。（5）市场规范模糊，市面上水溶性肥料的种类繁多，产品质量参差不齐，时常出现假冒伪劣产品，主要是由于市场准入规则不健全、政府监督管控不力。

4.2 展望

水资源与土地资源是困扰我国粮食生产的重大因素。近几年，矿物资源的大量开采，某些稀有的矿物资源开始出现短缺。因此，依靠进口肥料维持生产不是长久之计，必须要制定长远、合理和科学的解决方法。显然，水溶性肥料是缓解以上问题的制胜法宝，既可以节约农业用水和提高肥料的利用率，而且能缓解耕地退化问题。尽管国内对水溶性肥料的研究应用已经取得一定进展，但其推广应用受到各种因素的限制。一方面，国内缺少高新技术人才，企业未掌握核心技术；另一方面，水溶性肥料行业发展较快，市场投资过热，企业偏重于生产销售，缺少创新研究的投入。

目前，全世界的肥料正在向高浓度、液体化、缓效化、高利用率发展，水溶性肥料是一种养分含量高且营养全面、可自动化实施的高效肥料。随着我国可持续农业的推进，农业生产开始重视绿色环保的高新技术，水溶性肥料的发展可以朝着功能化和高效化方向发展。水溶性肥料的配方不再仅限于大量元素、中量元素或微量元素，可针对作物需肥特性进行配方设计，额外添加氨基酸、海藻酸和腐植酸等生物活性物质，促进作物生长。同时，需要考虑农民的利益，从生产原料、生产工艺、包装运输等方面控制成本，合理定价。建立龙头品牌，吸引科技人才加入研发团队，打造特色产品。政府、企业可通过基层实践、乡村培训等活动打破农民对肥料的传统概念，灌输水肥一体化的先进理念，让农民亲身亲切体会水溶性肥料的优点。