稻田应用“水肥一体化”的现状、问题与思考

马横宇 王孟佳 殷敏 褚光 徐春梅 章秀福 王丹英 陈松

（中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州311400；*通讯作者：chensong02＠caas.cn）

水肥管理是作物增产增效的重要途径，传统栽培方式水肥管理方式粗放、水肥利用效率低下。据2019年中国水资源公报显示，农业用水占我国当年用水总量的61.2%，年农田灌溉水有效利用系数仅为0.559，远低于发达地区的0.800[1]。为解决化肥利用效率低这一粗放式农业亟待解决的顽疾[2]，2015年农业农村部制定了化肥和农药施用总量零增长的政策，并通过研究和推广有机肥替代、肥料机械深施、水肥一体化等减肥增效技术[3]，逐步实现化肥零增长目标。2018年全国化肥施用总量比2015年减少了6.13%，但减少的部分主要还是来自作物种植结构的改变，肥料利用效率依然较低[4]。

研究与开发高效精准的农田节水节肥技术对节约水资源、提高水分和肥料利用效率具有重要意义。研究表明，通过合适的水分管理和肥料管理，可以促进水稻根系生长，提高水稻吸水吸肥输水能力，增加水分和肥料利用效率[5]。顾俊荣等[6]研究发现，通过氮肥管理和轻干湿交替技术，灌溉施肥结合水稻水氮吸收规律，在减少水分和总施氮量的情况下，仍然可以提高水稻产量。因此，如何实现精准化水肥管理已成为构建新型高效栽培技术体系的主要问题。

水肥一体化技术是一种高效精确的灌溉施肥技术。广义的水肥一体化是指在灌溉的同时，将肥料溶于水中一起施入田中的技术[7]；狭义的水肥一体化常指利用压力差，用微灌的形式以水为载体将肥料与之结合，根据作物不同时期的水肥需求精准施肥的技术[8]，也是现阶段我国常用的水肥一体化技术。现阶段水肥一体化受成本和设备的制约，主要应用在蔬菜、苗木、花卉以及玉米、小麦等旱地作物中，在水田作物中应用较少。三大粮食作物中水稻对肥水需求最大，浪费也最为严重[9]。若在水稻栽培中应用水肥一体化技术节水节肥，对于提高水稻水肥利用率、节约肥料和水资源具有重要意义。

1 水肥一体化技术的起源与发展

1.1 水肥一体化技术的起源

水肥一体化技术源自无土栽培技术，最初的水肥一体化栽培技术是在土壤提取液中种植植物[10]。水肥一体化的核心技术是“水肥混匀”，在灌溉的同时供给作物所需的各种营养元素，其短板在于肥料输送困难。因此，尽管水肥一体化起源于17世纪末，但是直到20世纪50年代，随着塑料工艺的进步，滴灌、微喷灌等水肥一体化核心技术才迅速发展，并在全世界推广[11]。塑料工业生产的管道弥补了水肥一体化中肥料输送难的短板，促进了水肥一体化的推广。随之产生的水肥一体化设备生产公司，比如1965年在以色列创办的耐特菲姆公司，发明了滴灌技术，是目前世界上最大的滴灌设备供货商，占世界滴灌市场份额的70%[12]。

目前美国是世界上微灌覆盖面积最大的国家，水肥一体化专用肥料占作物用肥的38%，美国灌溉农业中60%的马铃薯、25%的玉米、33%的果树应用了水肥一体化技术，其中加州的果树灌溉集成了水肥一体化技术，是典型的高产值农业示范区；德国在20世纪50年代随着塑料工艺的发展，结合水流出技术，精确控制作物施肥技术开始快速发展；西班牙、日本、意大利等国也是水肥一体化发展较快的国家[11，13]。

水肥一体化在以以色列为代表的水土贫瘠国家的发展尤为迅速，以色列人均淡水量320 m3，仅为世界人均水平的1/33，但是以色列的水肥一体化应用面积占其国家农业应用面积的90%以上，大力发展水肥一体化技术，是以色列解决用水困难的主要途径[14]。20世纪60年代，以色列开始全国普及水肥一体化技术，利用管道运输水肥，减少了水分流失，提高了水分利用效率[15]。

1.2 水肥一体化技术在国内的发展

相对以色列等国家，我国水肥一体化起步较晚，1974年我国从墨西哥引进了第一批滴灌设备，1980年自主研发了第一套滴灌设备，并结合国外先进设备逐渐实现了设备规模化生产[16]。2000年以来，我国逐渐加大节水农业发展力度，管道输水等灌溉措施减少了输水过程中的水分损失，滴灌等节水措施也从单位试点逐渐向规模化生产转化[17]。2002年，我国组织大面积水肥一体化推广，通过建立核心示范区，辐射带动周边地区技术推广[18]。目前我国应用较多的水肥一体化技术主要是滴灌和喷灌技术，并基于上述两种技术发展了膜下滴灌、微喷灌等延伸技术[16，19]。

膜下滴灌技术是在滴灌带上覆盖黑膜，保温保水同时起到预防杂草的作用。膜下滴灌技术在我国西北地区运用较多，玉米膜下滴灌技术运用后与沟渠灌溉相比显著增产增效[19]；新疆地区的棉花膜下滴灌技术已经十分先进[18]；新疆天业集团将稻田覆膜、滴灌、施肥等技术有机结合，建立了水稻膜下滴灌技术[20]，目前该技术的应用主要集中在新疆等干旱地区。关于膜下滴灌栽培稻也有报道，银永安等[21]的研究表明，与传统种植相比，膜下滴灌水稻空瘪率增加但不显著，株高、光合速率等也有变化，说明膜下滴灌技术对水稻生长状态会产生影响；王志军等[22]的研究表明，膜下滴灌水稻的株高以及产量均显著低于淹灌，但是显著提高了水肥利用效率。喷灌技术是用喷嘴加压使水喷施在土壤表面的技术，具有灌水均匀、地形适应力强等优点，由于水喷出后易受风力影响，应用时要因地制宜[23-24]。

水肥一体化在输水过程中水分消耗少，在输水过程中同时施肥施药，省水省工省力。将来水肥一体化技术主要向智能化、自动化发展，通过与物联网技术结合，配合土壤和作物监测系统，监测作物生长情况，并实施对应的精准灌溉施肥。

2 水肥一体化在旱地和设施农业上的应用

2.1 水肥一体化在旱地农业中的应用

水肥一体化技术可以缓解用水压力，在旱地作物中应用技术较为成熟。李俊林等[25]通过对CNKI数据库检索发现，水肥一体化技术相关的关键词中玉米、番茄、马铃薯等旱地作物出现频率高。

旱地大田作物利用水肥一体化栽培技术可以显著增产增效[26]。梁海玲等[27]对比了玉米栽培中常规灌溉、分根交替灌溉、固定部分根区灌溉方式，发现分根交替灌溉与80%水肥一体化组合可以有效提高水分利用效率，与常规施肥相比，水肥一体化玉米籽粒总干物质量显著提高。张晶等[28]在冬小麦上的研究发现，与大水漫灌撒施肥相比，微喷灌在减施30%氮磷钾肥情况下，可以有效提高小麦产量和植株氮磷钾积累量。水肥一体化在轮作体系中的利用和在单一作物中的利用类似，张健等[29]研究发现，“小麦-玉米”周年轮作体系使用水肥一体化技术与常规施肥相比，最大可以提高10%的经济效益，同时极大提高了水肥利用效率，实现降低生产成本的目的。

2.2 水肥一体化在设施农业中的应用

水肥一体化在蔬菜中主要的应用场景是设施栽培，设施水肥一体化栽培是蔬菜中产量增加和品质改善的有效途径。与传统沟灌相比，同等施氮量条件下，滴灌处理比常规灌溉处理产量提高13.8%[30]；王文军等[31]研究发现，与传统施肥相比，水肥一体化减量施肥效果更佳，减氮量20%与传统施肥相比有增产效果，减氮量40%条件下产量与传统施肥相当。宋卓琴等[32]的研究显示，水肥一体化还可以改善土壤品质，温室条件下种植番茄，与沟灌相比，利用膜下滴灌技术可增产21.9%，且能够有效减缓土壤的酸化过程。THAKUR等[33]研究发现，同等施肥量下，与常规灌溉相比，应用滴灌技术种植的苹果树，其树高、树干周长分别增加了9.41 cm和8.05 cm，与其他技术应用相比苹果产量更高。

3 水肥一体化技术在水稻生产上的应用

3.1 应用现状与存在问题

水稻是半水生作物，全生育期需水量远大于其他粮食作物，在水稻栽培中应用滴灌等水肥一体化技术，可以实现水稻全生育期无水层种植，减少水稻种植管理环节，省水省肥省人工。但是目前在水稻大田生产上，采用以滴灌和覆膜栽培技术为主的水肥一体化技术极少，主要原因有：一是成本高。与传统水稻栽培常采用的沟渠灌溉相比，滴灌技术需要铺设肥料液管、建立水循环系统，硬件成本高；与玉米等作物相比，水稻的种植密度大，管道密集，铺设、维护和回收都需要更多的人工成本。二是杂草严重。水稻栽培中长灌水不止是满足生长需求，还有以水压/抑草的作用，虽然膜下滴灌中的覆膜同样具有减少杂草的作用，但是与淹水相比，覆膜效果较差，且回收十分困难。三是污染环境。现阶段常用的水肥一体化技术是水稻膜下滴灌技术，但是常规地膜难以降解，收获后难以清理，会造成白色污染。贺怀杰等[34]的研究表明，膜下滴灌棉田0～40 cm土壤残留地膜密度远大于国家标准，且长期覆膜中积累的残膜会破成小块并向深迁移。此外，一些研究表明，常规栽培稻在膜下滴灌中种植效果差，适用品种很少[35]。

3.2 发展对策

从生产实际看，适用于旱地作物和设施栽培的以滴灌或覆膜滴灌为主的水肥一体化技术并不适用于水稻大田生产。稻田的水肥一体化应与生长期大量需水特性相结合，可能需要在以下几方面进行技术创新。一是沟渠和管道相结合。水稻的水肥一体化可以和传统的沟渠灌溉结合，建立沟渠和管道相结合的稻田水肥一体化技术，进水暗管，排水明渠。进水口建小型水肥混合设备，在水稻需肥期以水带肥，实现肥料深施。二是要建立智能化的土壤水势和水层监测系统。动态的检测土壤水势、水层，并反馈到系统终端，根据水稻生长的需水规律，实现灌溉的自动化。三是要研发高效的水溶肥料类型。水肥一体化中，不同肥料类型，对作物生长的效果不同，寻找高效的水溶肥类型有益于水稻增产增效。四是实现水肥药一体化。针对覆膜栽培下的杂草问题，水肥药同时施入，杀菌药随水灌溉，能大幅度减少土传病菌的传播，地膜覆盖可以有效减少药物挥发，增强药物作用[36]。除草药随水施入，能有效杀灭杂草，减少除草过程中消耗的人工成本，相对药效更持久，保持周期更长。对于非土传病害及病虫等造成的地上部组织危害，可以结合滴灌与微喷灌[37]，同时作用于水稻的地上和地下部分，达到整体防治的效果。

4 展望

现阶段我国已经基本上完成了到2020年“控制农业用水，化肥、农药用量零增长”的目标，但是我国的水肥利用效率仍相对较低，如何实现农业用水施肥高效化需要长期研究。现阶段大田作物栽培，尤其是水稻栽培中水肥管理仍然比较粗放，而且水稻栽培需水量远大于其他大田作物，水稻节水还有很大潜力。

现阶段水肥一体化技术在水稻上主要应用方式是膜下滴灌水稻栽培，但这种方式并不适于大面积推广应用。构建与物联网技术结合的智能水肥一体化技术，是实现水稻生产节水省肥、精确高效的方向。