协同视域下水肥一体化技术发展中存在的问题思考及对策*

梁 飞

(新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所 新疆石河子 832000)

“有收无收在于水，收多收少在于肥”。 水分和肥料是作物生长发育过程中的两个重要因子，水肥是农业持续发展的物质保证，是粮食增产的基础，同时水和肥是干旱-半干旱地区影响农业生产的主要因素，水肥管理在农业生产中有着重要的意义。水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，是国内外公认的一项高效灌溉和高效施肥技术[1]，被誉为现代农业“一号技术”。水肥一体化技术已经成为未来农业的发展主流，是实现“一控两减”目标的重要手段，是化肥减量增效的关键措施之一。

近几年来，无论在科技文献还是媒体报道中，都可以看到“水肥一体化(或者滴灌施肥)膜下滴灌施肥技术与大田灌溉相比，膜下滴灌施肥技术自动化程度较高，可以实现‘三省三提高’：节省灌水量，提高水的利用率；节省肥料，提高肥料的利用率；节省劳动力，提高作物产量”的描述[2]。大部分科技文献和媒体报道均集中在应用水肥一体化技术后作物的增产效果、如何实现灌溉施肥过程中的水肥高效利用以及怎样操作能够实现作物高产与水肥高效等方面；少量的文献报道了作物水肥一体化高产高效在某一方面的机制或技术。但是关于水肥一体化的问题多停留在水肥耦合或试验研究阶段，生产实践中缺乏水肥融合的经验。在实际生产中水肥一体化出现了一些协同融合的问题，本文就协同视域下水肥一体化发展中存在的问题进行分析和探讨。

1 水肥一体化与水肥协同

水肥一体化是一种节水农业技术，即利用管道灌溉系统，将肥料溶解在水中，同时进行灌溉与施肥，适时、适量地满足农作物对水分和养分的需求，实现水肥同步管理和高效利用。

阳光、温度、水分、空气、养料是作物生长的五大要素，也是植物的生命线。但是对于大田作物来讲，光照、温度、空气是难以调控的；现代农业中，水肥是相对可以调控的，也是容易管控的两个因素。根系是作物吸收养分和水分的主要器官，也是养分和水分在植物体内运输的重要部位；作物根系对水分和养分的吸收虽然是两个相对独立的过程，但水分和养分对于作物生长的作用却是相互制约的，无论是水分亏缺还是养分亏缺，对作物生长都不利。特别是在农田生态系统中，水分和肥料两个体系融为一体，水分与肥料中的氮、磷、钾等因子之间相互作用而对作物的生长发育产生的制约和耦合现象或结果(包括协同效应、叠加效应和拮抗效应)，称为水肥耦合效应。

水肥一体化的理论基础可简单归结为：作物生长离不开水肥，水肥对于作物生长同等重要；根系是吸收水肥的主要器官，肥料必须溶于水才能被根系吸收，施肥亦能提高水分利用，水或肥亏缺均对作物生长不利；将灌溉与施肥两个对立的过程同时进行并融合为一体，实现了水肥同步、水肥高效。这个互助机制称为水肥协同。

2 协同视域下水肥一体化技术发展中存在的问题

2.1 水肥一体化复合人才缺乏，水肥知识期待融合

人才是发展现代农业的带头人，是助推乡村振兴的奠基石；农业农村经济社会发展得怎么样，说到底，关键在人[3]。实施乡村振兴战略，必须切实解决人才瓶颈问题，着力打造一支“懂农业、爱农村、爱农民”的高素质人才队伍[4]。中国农业大学官方就业统计数据显示，在2018年中国农业大学毕业的5 144名毕业生中，仅有400余人毕业后直接从事农林牧渔业，不到毕业生总数的8%[5]。

水肥一体化专业人才涉及到灌溉与土壤肥料两个基本学科。当前农业院校中，以中国农业大学为例，节水灌溉属于农业水利工程专业，所在学院为水利与土木工程学院；土壤肥料学科属于资源环境科学，所在学院为资源环境学院。对比2019年中国农业大学本科生招生简章中的农业水土工程和资源环境科学两个专业的培养目标和核心课程可以发现，仅资源环境科学专业中有“水资源利用与管理”课程，并无水肥融合的相关课程。纵观全国农业高校仅华南农业大学、塔里木大学等少量高校有专门的水肥一体化课程，华南农业大学等少量高校开始了水肥高效利用相关实习。从水肥一体化人才培养的源头不难发现，存在专业技术人才培养数量不足的问题。另外，从灌溉和施肥两个专业人才成长体系分析可以发现：灌溉人才多数属于工程师系列，施肥人才多数属于农艺师系列，人才的评价体系和考核指标不同，灌溉和施肥专业知识的融合再次受到制约。整体上讲，水肥一体化涉及到灌溉和施肥两个专业，但两个专业的人才培养的源头和成长过程及评价体系都对水肥知识的融合具有较大影响，期待水肥知识深度融合，推动水肥一体化技术能够更好地发挥作用。

2.2 水肥市场主体多元，灌溉企业与肥料企业期待深度合作

农业企业是农业科技产业化、市场化的重要组成部分,对加速农业技术成果转化、促进农业和农村经济发展有着重要意义[6]。水肥一体化技术的推广和应用同样离不开农业企业的推动和实施。但水肥一体化技术是一项系统工程，交叉学科多，涉及工程、农艺、生态、环境等多个方面，目前水肥一体化市场是由灌溉企业和肥料企业两个主体在推动，但因各自的利益很难对水肥一体化的发展达成共识。由于水肥一体化本身的特殊性和工程经费的多元性，一个水肥一体化示范工程往往由多个市场主体共同完成，这些市场主体包括水肥一体化工程的设计机构(尤其是与灌溉相关的设计企业)、施工单位(灌溉工程企业)、肥料供应单位(肥料企业)及后期的种植经营主体等。如此多的市场主体中，水(灌溉)和肥(肥料)具有很重要的决定性和随机性，这造成灌溉施工时只关注与灌溉相关的因素，后期施肥时只能利用未考虑合理施肥的系统进行，从而造成大量的水肥不融合。从以下两个案例可发现水肥严重不同步：第一个案例是河北某灌溉公司建设的水肥一体化示范基地选用的肥料是总养分为64%(质量分数)的磷酸二铵作为滴灌肥；第二个案例是某肥料企业的产品供应到葡萄园，种植户告诉供应商今年滴灌带堵了，供应商只懂得找自身产品的原因，不了解葡萄园的砂石过滤器需要维护等基本常识。水肥一体化是将灌溉与施肥两个对立的过程同时进行，并融合为一体的技术，是实现一加一大于二的同步管理和高效利用，而不是简单的组合。因此，灌溉企业在灌溉设计和施工时要充分考虑作物的需肥规律、施肥模式及肥料溶解特性等基本因素，肥料企业施肥时要充分考虑肥料与灌溉水的反应、肥料对灌溉系统的影响、施肥过程与水肥融合等。只有水肥企业互相融合，优化水肥方案和管理模式，才能推动水肥一体化技术出现质的飞跃。

2.3 水肥一体化工程缺乏规范，灌溉与施肥过程期待同步

规划是水肥一体化系统设计的前提，它制约着工程投资、效益和运行管理等多方面指标，关系到整个水肥一体化工程的质量及其合理性，是决定工程成败的重要工作之一。我国目前绝大部分地区还没有将滴灌工程纳入农田水利工程规划之中，在田间设计和系统配置上存在死搬硬套他人模式、与当地水肥一体化实际需求难以完全吻合等问题[7]。水肥一体化中施肥的效率取决于肥料罐的容量、用水稀释肥料的稀释度、稀释度的精确程度、装置的可移动性和设备的成本及其控制面积等。目前，部分地区普遍采用不透明的旁通施肥罐，该施肥系统的最大缺点是罐体太小，肥料溶液浓度变化大，过程无法控制；另外大部分施肥机过分追求功能全面，造成设备成本过高，严重制约了灌溉与施肥技术的同步与融合。

2.4 水肥一体化不到位，氮磷钾需要协同施用

滴灌肥是通过养分平衡研究和工艺手段生产的、可面向特定的滴灌作物及一定时期和某一区域专用的多种养分速溶肥料，其主要特点就是针对性强[8]。但是目前市场上销售的滴灌专用肥实为通用肥，另外肥料生产企业普遍对农化服务重视不够，多数企业只注重肥料配方的经济性和产品的宣传，即宣传企业产品的多，而对农民用肥指导、服务的少，更谈不上进行科学配方、测土施肥，造成肥料配方单一且不科学，很难达到因土、因作物施肥，平衡施肥效果难以实现。

另外，氮、磷、钾养分在土壤中的运移特点因土壤质地、肥料种类以及施肥策略而异。尿素随水滴施后容易随水分运移[9]；全部滴施氮肥的氮养分移动距离可以达到40 cm；磷肥容易被土壤吸附固定，移动性相对氮素而言较弱[10]，滴施磷肥的垂直、横向移动距离为0～10 cm；钾素的移动性相对氮素而言较弱，比磷素强，滴施钾肥的垂直、横向移动距离为0～30 cm[1]。氮、磷、钾在土壤中的运移速度不同，但是目前的滴灌专用肥同时进入施肥系统。由于灌水量以及肥料中不同相对分子质量元素的移动特点，氮、磷、钾在根区分布出现5种情况：氮、磷、钾都未到达根区；氮到达根区，磷、钾未到达根区；氮、钾到达根区，磷未到达；氮、钾超过根区，磷刚好到达；最理想的效果，氮、磷、钾均到达根区。因此，在相同的运移时间和灌溉量下，不同的运移速度往往造成氮、磷、钾分布区与作物根系分布不一致，不利于氮、磷、钾的吸收，抑制了水肥效率的提高。

2.5 水肥技术期待与农机农艺的深度融合

农业有着不同于工业的特点，土壤、设备、作物等因素都可能成为技术推广的瓶颈，多方联合是打通农业技术最后一公里的必然选择。水肥一体化条件下，水分和养分不再是作物生长发育的限制瓶颈，根据作物的杂种优势理论和群体优势理论，只有较大的群体才能有较大的光和叶面积，形成生物产量，但适于水肥一体化模式的作物品种期待与水肥一体化融合。与常规灌溉和施肥方式相比，滴灌施肥作物根区表层(0～30 cm)土壤水肥含量较高，大量有效水集中在滴头周围，由于根系生长的向水、向肥的特点，使其集中分布在土壤表层，因此与之变化相适应的水肥一体化的作物株距配置模式期待优化，配套农机具急需更新。另外，随着水肥一体化技术在大田作物中的大面积应用，田间管道铺设等工作的用工量非常大，因此农机机械与水肥一体化技术的深度融合对于提升水肥一体化效率具有重要影响。

2.6 水盐调控不合理，容易引起盐分累积

当在含盐量高的土壤上进行滴灌或是利用咸水灌溉时，盐分会积累在湿润区的边缘，如遇到小雨，盐分可能会被冲到作物根区引起盐害，这时应继续进行灌溉。在没有充分冲洗条件或是秋季无充足降雨的地区，不要在高含盐量的土壤上进行灌溉或利用咸水灌溉。近十年来，新疆兵团大面积推广膜下滴灌技术，取得了节水、增产的显著效果。但膜下滴灌是小定额的连续供水，属浅层灌溉，灌溉水没有深层渗漏，难以利用灌溉水淋洗盐分到地下水中，盐分只在土层中转移而无法消除；再加上灌溉水的矿化度较高，土壤水分蒸发和植株蒸腾后，水去盐留，使部分团场土壤处于较严重的积盐状态。

3 对策与建议

3.1 加强水肥一体化技术培训与服务

技术培训有助于提高农工科学施肥与灌溉意识，普及水肥一体化技术的理念。农民是肥料的最终使用者，应向他们传授科学施肥与灌溉方法、不同肥料的用途，让他们学会合理搭配使用各种肥料；培训农民鉴别肥料的知识和水肥一体化技术[11]。加强对基层农技人员的技术培训，让他们掌握科学施用水肥的技术，协助农工将所需水肥种类及具体用量、时期、方法落实到条田，做好技术服务。

3.2 改进作物株行配置和田间毛管布置方式

采用宽窄行栽培替代传统的等行栽培[12]，由一管多行逐步改变为一管两行，窄行中间用于铺设滴灌带，使作物获得养分和水分的重要营养器官——根系分布在滴头周围，实现作物的根区、灌溉的水区、养分分布区基本重合，可有效解决作物生长过程中水肥根协调的问题；另外，宽窄行栽培模式和田间毛管合理配置能够有效减少实际灌溉面积，缩短水肥运移距离，提高水肥利用率与作物产量。

3.3 科学选择滴头流量和灌溉量

滴头流量是滴灌系统设计中最重要的因素之一[13]，它不仅直接决定着滴灌系统的经济效益，而且对水肥一体化中养分分布特征和作物的灌水效果也有直接的影响。相同质地的土壤，灌水量相同时，垂直方向湿润距离随着滴头流量的增加而减小，而水平方向湿润距离则随之增加，滴头流量不仅会影响地表径流，也会影响湿润面积[14]。但不同土壤具有不同入渗能力，从而导致湿润锋的运移距离不同[15]，灌水量对湿润体形状和大小的影响比滴头流量的影响要大[16]。因此根据土壤特性、滴头间距和作物根系分布特征，合理选择滴头流量，并结合土壤初始含水率，设计单次灌溉量，在作物根区构建一个与根系分布相对一致的椭球形或者球形湿润体，对于提高水肥利用效率有重要意义。

3.4 升级施肥系统，改进肥料进入系统的时间

在滴灌施肥过程中，肥水混合效果影响肥料的利用率，采用压差式施肥装置一直都存在着肥料溶解和注肥不均等问题[17-18]。目前新疆大部分地区普遍采用不透明的旁通施肥罐，上述问题尤为突出。因此，在各地区滴灌系统的升级和维护过程中，已逐步由施肥泵替代不透明的旁通施肥罐；同时结合养分运移规律和运移速度，将滴灌肥同时进入系统改为不同时间注入氮、磷、钾肥的方式，在作物根区形成根区-水区-氮磷钾养分分布时空同步。结合作物水肥需求规律，进行实时灌溉和施肥，促进作物对水肥的吸收，提高氮、磷、钾的利用效率。

3.5 建立“四位一体”的水肥产业联盟

推动由政府牵头，行业学会或者科研单位为技术保障，企业和经销商承诺为客观保障，农户为落脚点的水肥产业联盟建设。通过政府的资金和政策引导，推动滴灌施肥技术的研发和推广；通过政府的监控和引导，培育符合水肥市场发展的企业，促进农户科学施肥、合理施肥和灌溉以及购买有质量保证的肥料。行业学会或者科研单位做到科技人员的科研成果能够符合农工生产实践；举办培训让科研成果能够及时通过联盟传递到企业和农工手中，引导农工科学施肥和灌溉；将区域土壤状况及作物需肥规律由联盟传递给企业，让科研成果引导企业创新，推动企业专用肥的开发。通过企业和经销商依法经营，合理调配，促进肥料市场有序发展，防止坑农害农事件发生；通过企业与科技人员之间的合作，推动水肥一体化研究和应用的发展。

4 结语

原农业部提出了到2020年，我国农业要实现控制农业用水总量，减少化肥、农药使用量，化肥、农药用量实现零增长的目标[19]，而我国仍然将面临以占世界7%的耕地养活占世界22%的人口的问题。发展水肥一体化是解决控水减肥与粮食需求增长之间矛盾的重要途径，对于提高肥料利用率、减轻环境压力、保障粮食安全、保护生态环境，具有极其重要的意义。