蔬菜水肥一体化技术研究现状与展望

马志明，武良，2，陈宏坤，高璐阳，2*

（1.新洋丰农业科技股份有限公司/农业农村部作物专用肥料重点实验室，湖北 荆门 448000；2.山东新洋丰肥业有限公司，山东 菏泽 274000）

我国是世界上最大的蔬菜生产国和消费国，蔬菜播种面积和产量均占世界的40%以上。2020年我国蔬菜种植面积约为0.21亿hm2，总产量约为7.22亿t，蔬菜产业在增加农民收入和保障市场供应方面具有重要作用[1]。施用化肥能够促进蔬菜生长发育，提高经济产量；但氮磷钾肥配施比例不合理、有机肥与化肥施用配比随意性大会降低肥料利用率和作物品质，增加生产成本，造成土壤肥力下降和环境污染等一系列问题[2]。同时，我国水资源短缺，时空分布不均，水资源污染与浪费现象严重[3]。研究表明，我国农业用水比例高达62.4%，但农业灌溉水的利用系数仅为0.54，远低于发达国家[4]。因此，实施高效节水节肥技术，对于缓解水资源紧张、减少肥料资源浪费具有重要意义。

针对以上问题，水肥一体化技术应运而生，其具有节水、节肥、节时的特点，在提高肥料利用效率、作物产量和品质，以及改善土壤环境等方面具有显著优势[5～7]。合理利用水肥一体化技术，实施精准水肥调控，提升蔬菜产量和品质，应用前景十分广阔。对水肥一体化技术的发展历程以及不同灌溉和施肥方式的优缺点进行综述，探究水肥一体化技术在蔬菜种植过程中的作用和存在问题，并对蔬菜水肥一体化技术的发展前景进行展望，以期为蔬菜增产提质、肥料减量增效、水资源高效利用提供参考。

1 水肥一体化技术的发展历程

水肥一体化是根据作物需求，对农田水分、养分进行综合调控和一体化管理，以水促肥、以肥调水，实现水肥耦合，全面提升水肥的利用效率[8]。水肥一体化技术能够依据土壤水分、养分状况以及作物对水、肥的需求规律进行设计，使水分和肥料在土壤中以最优的配伍状态供给作物吸收[9]，是现代农业的研究热点和重要发展方向。

从世界范围看，水肥一体化技术起始较早。1860年德国发明了微灌技术，水肥一体化初步形成；20世纪60年代，随着化肥和塑料工业的发展，微灌施肥技术有了明显进展；20世纪70年代，以色列开始应用水肥一体化技术，将微灌与施肥技术结合，灌溉面积快速增加；20世纪80年代，以色列的灌溉施肥技术逐渐实现自动机械化，全面应用于果园、温室蔬菜、大田作物、花卉等；21世纪，随着水溶性肥料的成功研制和生产，水肥一体化技术发展更加迅速，应用面积进一步扩大，并逐渐形成完善的配套设备和服务体系，在干旱缺水地区和经济发达国家广泛应用。如今，印度的微灌技术快速发展，水肥一体化技术应用面积逐渐扩大；日本已经实现成熟的全自动管道灌溉技术，膜上灌溉和膜下灌溉技术快速发展；美国已建立完善的水肥一体化设施服务体系，是微灌施肥面积最大的国家[10～14]。

20世纪70年代（1974年），我国从墨西哥引入滴灌设备，开始灌溉施肥技术的研究；20世纪80年代，我国成功自主研发第一代滴灌设备，初步形成了规模化生产；20世纪90年代，我国科研和农业推广部门大力开展微灌施肥技术探讨和培训工作，水肥一体化理论和应用受到重视；21世纪以来，农业部与国际钾肥研究所（IPI）开展合作，在不同地区进行水肥一体化技术培训，同时出台《农业部关于推进节水农业发展的意见》和《水肥一体化指导意见》等多项政策，促进了水肥一体化技术的发展。当前，我国水肥一体化技术已转变为大规模的推广和应用，辐射范围包括华北、西北、东北和华南地区，水肥一体化快速发展，应用广泛[11，15，16]。

2 水肥一体化技术的主要灌溉和施肥方式及其优缺点

2.1 主要灌溉方式及其优缺点

水肥一体化技术是以水为载体，在灌溉的同时进行施肥，将水肥小流量、均匀、准确地输送到作物根系区域附近土壤，使作物根系附近的土壤保持适宜水分和养分的节水灌溉技术[17]。根据灌溉方式的不同，水肥一体化可分为喷灌、微灌（滴灌、微喷灌、涌泉灌、低压软管灌等）和渗灌3种，不同灌溉方式的优缺点不尽相同（表1）[18，19]。

表1 现代水肥一体化的主要灌溉方式及其优缺点Table 1 Main irrigation modes of morden integration of water and fertilizer and their advantages and disadvantages

传统灌溉方式有淹灌、漫灌、沟灌、畦灌等，存在耗水量大、水分利用效率较低，大量灌水易破坏土壤结构造成土壤板结等问题，限制了作物的生长发育。与传统灌溉施肥方式相比，现代水肥一体化技术具有节水节肥、省时省工、提高水肥利用效率等优点，能够促进现代农业的可持续发展[20]。但各灌溉方式由于自身的局限性，导致在实际应用时仍存在一些不足，如喷灌均匀性较差、易受风向影响，渗灌易发生管头堵塞，滴灌设备成本高等。因此，水肥一体化技术仍需进一步的改善和提升。

2.2 主要施肥方式及其优缺点

目前，常见的水肥一体化施肥方式有文丘里泵法、压差施肥法、重力自压法、泵注肥法和泵吸肥法，不同施肥方式的优缺点不尽相同（表2）[21～24]。

表2 现代水肥一体化的主要施肥方式及其优缺点Table 2 Main fertilization modes of modern integration of water and fertilizer and their advantages and disadvantages

文丘里泵法采用文丘里设计，施肥器与微灌系统供水管阀门并联安装，运用水流通过文丘里管产生的真空吸力将肥料溶液从敞口的肥料桶中均匀吸入管道系统进行施肥。文丘里施肥法可以按比例施肥，在整个施肥过程中保持恒定的浓度供应，适用于花卉、蔬菜等作物。

压差施肥法是利用压差原理将肥料溶液注入施肥管道中的施肥方式。施肥罐由2根旁通管与主管道相连接，主管道与旁通管间设有节制阀，利用控制节制阀产生的压力使水借助旁通管流入肥料罐中，待肥料溶解后，溶解液由另一根旁通管进入主管道中作用于需求作物的根部。压差施肥法能够实现一次定量施肥，但受水压变化影响较大，常应用于大田微灌工程。

重力自压施肥法是利用水位差产生的压力进行灌溉施肥，具有操作简单、成本低的特点。应用该方法时需在山顶建设蓄水池或将低位水源泵送至高位，利用水位差进行灌溉，难以实现自动化，通常适用于山地、丘陵地区果园的灌溉。

泵注肥法和泵吸肥法均需水泵提供动力使肥料溶液进入输水管后作用于目标作物。泵注肥法是利用加压泵将肥料溶液注入输水管；泵吸肥法则是利用离心泵将肥料溶液吸入灌溉系统。2种方法施肥均不需要外加动力，灌溉系统结构简单，但水肥比例不易控制，通常适用于对施肥速度要求较低的场所。

不同施肥方式的优缺点不同，各地区可根据具体的地形特点、作物种类和气候条件等设计施肥模式，选择适宜的水肥一体化施肥方式。

3 水肥一体化技术在蔬菜种植方面的作用

水肥一体化技术除可以实现对灌溉量、施肥量和灌溉施肥时间的控制外，还可以充分发挥水肥的相互作用，提高水分和养分利用效率，减少环境污染[25]，被广泛应用于蔬菜、果树、花卉、苗木、大田农作物等经济价值高的作物。水肥一体化技术在蔬菜种植方面的主要作用可以概括为4个方面（图1）。

图1 水肥一体化技术在蔬菜种植方面的主要作用Fig.1 Main roles of water and fertilizer integration technology in vegetable planting

3.1 节约水肥资源，提高水肥利用率

水肥一体化技术通过管道准确、实时、定量地直接向蔬菜供水，能够解决传统大水漫灌方式中水分在运输途中或作物非根区浪费的问题。同时，通过导管将溶解后的肥料输送到蔬菜根系附近土壤，能够避免尿素和铵态氮肥直接施在地表造成的挥发损失，实现肥料的高效利用。研究表明，水肥一体化技术可节水30%～40%，在蔬菜产量相同或相近的条件下，通常可节肥30%～50%[26，27]。江雨倩等[28]研究了滴灌施肥对设施菜地N2O排放的影响，发现与传统漫灌施肥相比，滴灌施肥能够扩大土壤湿润区，限制硝化和反硝化作用产生条件，减少N2O的排放。

3.2 改善土壤物理性质和微生态环境

水肥一体化技术能够降低土壤容重，增加土壤孔隙度，有效保持土壤湿度，克服因传统大水漫灌造成的土壤板结等问题。应用水肥一体化技术，可大幅度减少施肥量，降低土壤次生盐渍化发生的风险，同时还可增加土壤微生物群落的多样性，促进土壤有机质分解，改善微生态环境[29]。研究表明，与传统水肥管理模式相比，水肥一体化技术可增强大棚黄瓜土壤过氧化氢酶和纤维素酶的活性，提高土壤微生物的活动强度[30]。宋卓琴[31]研究了日光温室番茄水肥管理对土壤生态的影响，发现水肥一体化处理能够降低土壤EC值，提高土壤pH值，抑制土壤酸化和次生盐渍化的加剧。

3.3 提高蔬菜产量，改善蔬菜品质

水肥一体化技术能够根据蔬菜长势适时、定量地灌溉施肥，促进蔬菜对水分和养分的吸收，解决土壤水气矛盾，促进蔬菜生长；同时，还可配合施用多种有利于蔬菜生长的中、微量元素，改善蔬菜品质。研究表明，水肥一体化技术能够提高蔬菜产量，显著增加蔬菜的可溶性糖、Vc和可溶性蛋白含量[32，33]。蔡苗等[34]研究发现，水肥一体肥料减施能够显著提高设施番茄产量，增加番茄成熟期果实的Vc含量，较农民常规灌溉施肥处理增产9%。金明弟等[35]研究发现，水肥一体化技术能够显著提高日光温室青菜产量，青菜的可溶性蛋白和可溶性糖含量均较常规水肥处理有所增加。王文军等[36]研究表明，与常规灌溉施肥相比，应用水肥一体化技术可提高大棚番茄产量，以及果实的番茄红素和Vc含量。

3.4 增加经济收益，避免环境污染

传统灌溉模式如沟灌、畦灌等耗水量大，水分利用效率较低，还需人工开沟灌水、施肥和回填等操作。水肥一体化技术主要采用机械化操作，可省去人工开沟灌水、施肥和回填等所需的大量劳动力用工，从而降低劳动成本。同时，采用喷灌、微灌和渗灌等施肥方式，适时、定量地供给蔬菜水分和营养，能够大大降低水肥的过度使用，同时减少土壤养分流失造成的地下水污染，有利于保护生态环境。

4 水肥一体化技术在蔬菜应用中存在的主要问题

4.1 认识不足，技术相对缺乏

水肥一体化是将灌水与施肥紧密结合的高新技术，需要将灌溉设备、水溶肥料和施肥制度有机结合，是实施“精准水肥调控”、发展“高产、高效农业”的先进技术。部分蔬菜种植户简单认为该技术就是将水和肥混合施用，做不到真正的“精准”，造成资源浪费。同时，水肥一体化专业技术人员缺乏，队伍人员建设和技术服务水平严重滞后于蔬菜产业的需求和新技术的发展。

4.2 组织化程度低，应用水平不高

蔬菜产业以家庭为主体，缺少辐射带动能力强的龙头企业，在推广示范过程中缺乏专业技术示范基地和相关配套技术设备，使得新技术示范推广难度加大。同时在应用过程中，部分区域只注重灌溉施肥设备的配备，忽视灌溉施肥制度优化和水溶肥料综合应用，肥料选用、灌溉水量和灌溉时间把控不准确，无法真正起到节水节肥效果，影响总体经济效益的提升。

4.3 自主研发能力较弱，政策支持有待加强

与发达国家相比，我国水肥一体化技术开展得较晚，关键部位零件依赖进口，智能化产品研发不足，相关设备实用性不强且规格形式单一，缺乏大型精密灌溉施肥设备。针对具体蔬菜作物的产品研发较少，配套设施质量不能满足蔬菜产业发展的需求，水肥一体化技术实用性和可靠性有待进一步提升。同时，水肥一体化技术部分标准尚未完善，相关财政补贴标准体系和补贴机制还不健全，补贴标准偏低、技术推广经费不足等进一步限制了水肥一体化技术的推广和应用。

5 建议与展望

现代水肥一体化技术能够提高水分和养分的利用效率，促进现代农业的可持续发展。根据国外水肥一体化技术的发展以及我国水肥一体化技术存在的主要问题，建议通过以下几方面提高水肥一体化技术水平：

（1）加强政府引导，健全水肥一体化技术的财政补贴机制，完善水肥一体化政策标准，加大研发投入，进行相关技术的推广和示范；

（2）根据蔬菜实际生产和种植户需求，熟化水肥一体化关键技术产品，组织开发关键技术和配套产品，优化灌溉和移动设备，合理利用水溶性肥料；

（3）加强技术培训和示范，优化合作机制推广，强化相关基础研究，促进种植大户与高等院校、研究所开展合作，针对重点区域和作物开展不同水肥技术模式，提高水肥一体化技术的针对性和实用性。

水肥一体化技术在提高农业用水效率、农民增产增收、生态环境建设方面发挥着重要作用，对于缓解水资源短缺、保证国家粮食安全具有重要意义。随着对水肥一体化技术的进一步研究和改善，相关水肥一体化标准的建立，以及人们节水节肥、生态环境保护意识的增强，我国水肥一体化技术的推广和应用必将更为迅速，具有更加广阔的市场前景。