国内玉米高效节水灌溉水肥一体化技术研究现状与展望

王绍新，李楠，王传娟，王建东，梁晓阳，仇学峰

（1.北京润泽金成园林景观工程有限公司，北京 102400；2.中国水权交易所，北京 100053；3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

0 引 言

全球日益严峻的气候变化、水土资源短缺以及干旱洪涝灾害等极端条件严重影响农业生产，保障粮食安全是全人类共同面临的重大挑战[1,2]。水分和肥料是农业生产中关键的两个因素，作物水肥利用率低下仍然是我国农业发展中存在的重大问题[3]。多年来我国农业缺水量维持在300 亿m3以上，制约农业发展[4]。传统农业中，大水大肥等粗放的水肥管理模式使得资源浪费严重，利用效率低下。为提高肥料利用率，减少不合理投入，促进农业可持续发展，我国农业农村部等六部委印发的《“十四五”全国农业绿色发展规划》，提出到2025年，化肥、农药使用量持续减少，主要农作物化肥利用率从2020年的40.2%提高到2025年的43%。肥料中各元素损失明显，氮肥、磷肥和钾肥的当季利用率分别为30%～35%、10%～25%和35%～50%。对于氮元素来说，一方面是氨态氮的挥发，高达施氮量的40%～50%[1]；另一方面是硝态氮的淋洗和径流。对于磷、钾元素来说，其损失主要表现在沉积和固化。化肥不合理利用给地下水安全、大气和自然生态系统均造成了严重破坏[5]。高效节水灌溉技术在提高灌溉水利用率和节水方面的效果十分显著。同时，实现水肥一体化对于推进化肥减量增效方面将起到十分关键的作用。因此，采取高效节水灌溉方式并匹配合理的水肥管理制度，可以减少肥料用量，从而提高水肥利用率，促进国家粮食安全和农业可持续发展。

玉米是我国种植面积最大的粮食作物，约占粮食作物面积的35%，其产量接近全国粮食总产量的40%，在国家粮食安全中占有重要位置。2021年我国玉米种植面积达4 332 万hm2，全国玉米产量2.725 亿t。我国玉米生产主要分布于东北、华北和西南山区，其中东北典型的松辽平原玉米带是国内重要的玉米粮食生产基地。然而，我国玉米单产水平相较美国、欧洲等世界先进水平区域差距较大，主要与品种、耕地、栽培管理、生产方式及投入等综合因素有关。《全国高标准农田建设规划（2021-2030）》中提到在“十四五”期间新建设和提升改造并重，而提升改造在黄淮海地区（河北、北京、天津、山东和河南）的主要方向就是提高水利用率，也就是要加大节水灌溉措施和高效节水灌溉建设，以期通过投入方式的高效管理，提高作物水肥利用效率，提高粮食作物产量。通过全面总结分析各类高效节水灌溉措施下玉米高效水肥管理研究现状和问题，并展望未来的研究方向和应用重点，对于筛选区域适宜的高效节水灌溉模式及其水肥管理制度、进一步挖掘作物节水增产效益具有积极科学意义和实用价值。

1 高效节水灌溉水肥一体化技术

高效节水灌溉是指喷灌、微灌和管道输水灌溉，其中微灌又包括微喷灌和滴灌两种灌溉方式。水肥一体化技术，从广义上讲是指水和肥同时供给作物根系以满足作物生长发育的一种技术。对于旱田作物来说，能够提高灌溉水利用率和实现水肥一体化的灌溉方式有喷灌、微喷灌和滴灌。对于管道输水来说，将水输送到田间地头以后，在田间配水方面大多以漫灌方式进行灌溉，对于田间水利用系数的提高和水肥一体化实施难度都比较大，水肥施用均匀度也很差。因此，旱田作物高效节水灌溉水肥一体化模式主要考虑喷灌、微喷灌和滴灌3种水肥一体化模式。

喷灌水肥一体化模式可以分为：大型喷灌机组水肥一体化、小型喷灌机组水肥一体化、固定喷灌水肥一体化和半固定喷灌水肥一体化等模式，现有主要的高效节水灌溉水肥一体化技术模式如表1所示。

表1 主要高效节水灌溉水肥一体化技术模式Tab.1 Integrated water and fertilizer technology mode of main high-efficient water saving irrigation

滴灌灌溉方式主要包括地表滴灌、浅埋滴灌和地埋滴灌3种形式。其中，浅埋滴灌一般滴灌带铺设在地表以下10 cm以内，适用于单季作物一次使用。地埋滴灌一般滴灌带铺设于地表以下30～50 cm范围内，通常铺设于翻耕层以下，为多年多次使用。对于大田地埋滴灌来说要注意的是滴头的防堵塞和根系侵入的问题，又要解决这些问题，又要控制滴灌带造价，目前还没有非常好的解决方案。所以现在大田地埋滴灌还处于实验示范阶段。对于一年两季或多季作物来说，由于各季作物及种植模式的不同，所需要滴灌带的布置方式也不同。因此，对于两季作物收获和种植时间间隔较短的情况，在收获后回收旧滴灌带和铺设新滴灌带可能存在一定问题，所以在实际应用上要注意操作的可行性。

2 玉米高效节水灌溉水肥一体化技术研究现状

玉米生长发育过程中，水肥是重要的因素，水分参与作物生长发育和作物蒸腾，肥料提供给作物的营养需求增加作物产量，提高水分利用效率[6,7]。玉米不同的生育阶段对营养元素的需求量有很大的不同。从三叶期到拔节期随着幼苗的生长，消耗养分的数量逐渐增加。而从拔节到抽雄期是玉米果穗形成阶段，也是需要养分最多的时期，这一时期吸收的氮占整个生育期的1/3，磷占1/2，钾占2/3。灌浆开始后，玉米的需肥量又迅速增加，以形成籽粒中的蛋白质、淀粉和脂肪，一直到成熟为止。这一时期吸收的氮占整个生育期的1/2，磷占1/3。因此，在合适的时期适时供应养分是非常重要的。我国各地传统玉米水肥模式为肥料全部基施或50%～60%基施，40%～50%在拔节期或大喇叭口期一次性追施。在半湿润和湿润地区多靠自然降雨补给，对于半干旱地区多采用管道输水，在相对干旱时期进行人工拉水管浇灌方式进行补充灌溉；反而是在干旱地区采用高效节水灌溉方式进行补充灌溉的更为普遍。由于传统玉米水肥模式不能实现水肥一体化作业，也就形成了肥料全部基施或基施+一次性追施的习惯。而采用高效节水灌溉方式后，还有相当大部分种植户采用传统习惯的施肥模式，只是把高效节水灌溉单纯的当作一种灌溉方式，这也是农户玉米产量提不上去的原因之一。

目前在东北地区春玉米采用滴灌的水肥灌溉制度大多为：氮肥（N）240～320 kg/hm2,底施40%～50%，拔节期追施剩余的量；磷肥（P2O5）90～120 kg/hm2，全部底施；钾肥（K2O）90～120 kg/hm2，全部底施。灌水定额1 200～2 000 m3/hm2,播种-出苗期灌水20%～30%，拔节期灌水30%～35%，抽穗期灌水10%～15%，吐丝-灌浆期灌水20%～25%。东北各地因气候原因灌水定额相差较大。一般黑龙江、吉林中东部和辽宁东南部灌水定额较小。吉林西部、辽宁西北部和内蒙古东部地区的灌水定额较大。

在西北地区春玉米采用滴灌的水肥灌溉制度大多为：氮肥（N）240～350 kg/hm2,底施40%～50%，拔节期追施剩余的量；磷肥（P2O5）90～130 kg/hm2，全部底施；钾肥（K2O）90～130 kg/hm2，全部底施。灌水定额3 000～4 500 m3/hm2,播种-出苗期灌水20%，拔节期灌水30%～40%，抽穗期灌水20%～25%，吐丝-灌浆期灌水20%～25%。

华北地区夏玉米采用喷灌或滴灌的水肥灌溉制度大多为：氮肥（N）150～250 kg/hm2,全部底施或底施60%～80%，拔节期追施剩余的量；磷肥（P2O5）90～130 kg/hm2，全部底施；钾肥（K2O）60～120 kg/hm2，全部底施。灌水定额600～1 800 m3/hm2,滴灌灌水方式为播种-出苗期灌水25%～30%，拔节期灌水30%～40%，抽穗期灌水20%，吐丝-灌浆期灌水20%。喷灌灌水方式为播种-出苗期灌水25%～30%，拔节期灌水40%，抽穗期灌水30%～35%。

2.1 高效节水灌溉水肥一体化技术对玉米产量的影响

合理的水肥管理模式，适时、适量的施肥和灌水可以提高玉米产量，提升氮肥的利用率和水分生产效率。总结不同气候区和不同地区的玉米水肥管理模式，玉米仍然具有很大的节水增产提升空间。

尹彩侠等[8]于2013年和2014年两年在吉林省公主岭市进行实验，与当地习惯施氮肥量240 kg/hm2全部基施。相对当地习惯实验设计减肥施氮量180 kg/hm2，其中基施1/3，在拔节期追施2/3。在减肥25%的条件下，分两次施肥产量增加约6.1%，氮肥利用率从22.1%提高到41.8%。另外，徐杰等[9]和米国华等[10]的研究在吉林省中部地区，刘明等[11]、尚文彬等[12]和刘洋等[13]研究在黑龙江地区，研究表明通过滴灌水肥一体化方式将氮肥分多次在关键生育期施用，产量均在1.2 万kg/hm2以上。在干旱半干旱的西北地区，如内蒙古东部通辽、赤峰、巴彦淖尔、宁夏、甘肃等地，通过滴灌水肥一体化对玉米进行水肥管理，氮肥施用量控制在180～240 kg/hm2的范围内，氮肥在苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期等关键时期分多次按春玉米生长特点进行肥料的调控施用，玉米产量在1.38～1.70 万kg/hm2不等。

采用高效节水灌溉水肥一体化模式，在氮肥相对当地习惯条件下进行减量，在玉米关键生育期采用水肥一体化技术分多次施用具有明显的增产效应。根据玉米各生育阶段对水肥的需求，采用高效节水灌溉水肥一体化技术实时进行灌溉和施肥，对于提高水分利用率和肥料利用率起到非常重要的作用，现主要气候区和试验区节水灌溉技术模式对产量和水肥利用效率的影响如表2所示。

表2 不同气候区和试验区节水灌溉技术模式对产量和水肥利用效率的影响Tab.2 Effects of water-saving irrigation technology on yield and water and fertilizer use efficiency in different climatic regions and experimental areas

干旱和半干旱区主要采用滴灌水肥一体化灌溉方式，在湿润、半湿润和半干旱区多采用滴灌和喷灌水肥一体化方式以提高产量和水分利用效率。根据表2数据可知，即使在同一地区采用同样的灌溉方式，由于水肥灌溉制度不同，产量和水、肥利用率也会有较大差异。高效节水灌溉水肥一体化模式下的产量和水分利用效率结果大多基于作物不同生育期的水分需求，是更加科学精准的水肥灌溉制度，相比于农业种植户的水肥经验灌溉制度更为合理。即使如此，由于环境气候环境变化等因素的影响也存在较大差异。因此，通过总结水肥灌溉制度和试验验证找出相对较优水肥灌溉制度，可为高效节水灌溉技术的推广应用提供参考。

2.2 高效灌溉水肥一体化技术对玉米水分利用效率的影响

高效灌溉水肥一体化技术根据气候变化、作物生长阶段、土壤墒情等制定灌溉制度，按需水规律供水，制定合理的灌溉施肥制度，使土壤中的水分含量处于作物生长的最佳状态，提高了水分利用率[35]。水肥一体化灌溉过程中可以将水分精准的输送到作物根区，减少了水分下渗损失和地面蒸发，降低了水资源的浪费。采用喷、滴灌等高效节水灌溉方式比漫灌可以节水50%左右[36]。

李晓龙等[17]在赤峰市的实验研究表明，采用滴灌水肥一体化，在玉米拔节期、喇叭口期、抽穗期和灌浆期各灌水一次，每次灌水量300 m3/hm2，相比当地传统习惯漫灌每次灌水量750 m3/hm2，可节约灌溉水量60%，而产量比漫灌增产43.8%。李哲等[19]和戴嘉璐等[37]在巴彦淖尔市研究也表明采用滴灌水肥一体化比漫灌更节水，少量高频的滴灌水肥一体化水分生产效率比漫灌高出一倍，提高玉米百粒重从而显著提高产量。邹海洋等[21]和魏廷邦等[20]在西北干旱地区武威的实验表明，采用滴灌水肥一体化在灌水量相对当地习惯减量20%条件下，可以得到较高的玉米产量和水分生产效率。实验水分利用效率高达3.27 kg/m3和4.3 kg/m3。张富仓等[24]在宁夏同心县的实验表明，滴灌灌水量在90%ETc的条件下氮肥300 kg/hm2可以得到最高的玉米产量。与邹海洋等[21]得出的膜下滴灌条件下90%ETc～100%ETc灌水水平下氮肥180 kg/hm2可以得到产量最高的水分需求相同。张映辉[39]研究膜下滴灌水肥药一体化种植，发现比传统漫灌种植方式节水1 800～2 250 m3/hm2，水分利用率可以提升50%～65%。

采用水肥一体化灌溉后，水肥耦合对肥料和水分的利用率是相互影响的。邵国庆等[40]认为在相同灌水条件下，增加施氮量能显著提高玉米的水分利用效率。刘学军等[22]研究表明玉米灌溉主要补充了0～60 cm土壤含水率，说明滴灌灌水定额按此设计较为合适，不会造成深层渗漏。玉米生育期随着根系的扩大，灌水量也增加，滴灌湿润比也增加。因此确定玉米生育期滴灌灌水定额应该不小于225 m3/hm2，最大不大于450 m3/hm2，否则会造成灌水不足或灌水浪费。

2.3 高效灌溉水肥一体化技术对玉米肥料利用效率的影响

高效灌溉水肥一体化技术施肥均匀，养分能够直接施到作物根系附近，可以最大限度地避免肥料被淋洗到根系以下，减少了肥料的浪费。对于肥料而言，一般认为氮肥是氮随水走，所以氮肥的时效相对较短，一般7～10 d见效，肥效有效期为45～60 d。而磷钾肥不会随着灌溉水产生较大的运移，一般认为磷肥的运移不超过5 cm，并且易形成固定作用，肥效持续时间很长。钾肥的运移比磷肥会大一些，但是一般认为钾肥的运移也不会超过10 cm，钾肥在土壤中的肥效持续时间一般认为40～60 d左右。所以在进行肥料利用研究时大多以氮肥为主要研究对象。因此，我们也以氮肥为研究对象进行分析。

在西北地区，内蒙古通辽市科尔沁区进行的3 a（2017-2019年）实验研究表明[18]，滴灌条件下，按不同生育期追施氮肥的量在209.34～275.7 kg/hm2产量可达12 000.00～12 716.82 kg/hm2，氮肥偏生产力达到57.1 kg/kg。比当地传统习惯施氮量300 kg/hm2的氮肥偏生产力高出37.5%。王佳等[23]在宁夏银川的研究表明，氮肥施用量在180～270 kg/hm2，采用滴灌水肥一体化技术玉米全生育期施肥8次，灌水11次得到最大的氮肥偏生产力，可以达到92.3 kg/kg。

在华北地区，夏玉米生长周期比春玉米短35 d左右，其产量要略低于春玉米。而夏玉米主产区的华北平原更多的采用漫灌的灌溉方式，不利实现水肥一体化，传统的施肥方式多以基肥或基肥+一次追施肥，氮肥的利用率普遍偏低。因此在华北平原采用滴灌和喷灌等水肥一体化技术对玉米产量和氮肥利用率的提高有非常显著的作用。崔吉晓等[25]、邢素丽等[26]、李格等[27]、郭丽等[28]和张经廷等[30]的研究均表明，在河北省夏玉米采用喷灌或滴灌水肥一体化技术，在氮肥底施，拔节期、抽穗-吐丝期和灌浆期分多次进行追施条件下，氮肥施用量165～210 kg/hm2，产量可以达到11 000 kg/hm2左右，氮肥偏生产力高达52.56 kg/kg以上，氮肥的利用率普遍较高。在河南省和山东省，刘见等[31]、李周晶[32]、随凯强等[41]的研究与崔吉晓等[25]研究的结果基本一致。同样，在东北地区，尹彩侠等[8]和尚文彬等[12]的研究表明，采用水肥一体化技术，施氮量在250 kg/hm2以下，并按生育期多次追肥时，氮肥偏生产力达到65 kg/kg以上，氮肥利用率在41.8%以上。而王宜伦等[42]、曹景伟[43]和韩祥飞等[34]研究表明，在施氮量300 kg/hm2以上时获得了更高的产量，但是氮肥偏生产力都在42 kg/kg以下，有数据记录的氮肥利用率只有25.17%。综上，采用喷灌或滴灌水肥一体化技术，施氮量在160～250 kg/hm2范围内，并按不同生育期多次分施追肥方式可以得到较高的产量和氮肥偏生产力，氮肥的利用率更高，接近于发达国家氮肥利用率50%左右的水平。

3 玉米高效节水灌溉水肥一体化技术研究与应用展望

随着农业科学技术的不断发展和推进，高效节水灌溉水肥一体化技术在我国得到了广泛应用，尤其是在干旱半干旱区，应用面积广、效益高，是实现农业现代化的关键。玉米作物生育期长，耗水量大，需肥量高，大力推广高效节水灌溉水肥一体化技术能够有效促进节水、节肥和增产、增效，有力保障和促进国家粮食安全、水安全和生态环境安全。

我国玉米高效节水灌溉水肥一体化技术应用取得明显成效。在东北、西北地区和内蒙古全域，为避免春季和初夏较大的蒸发量，以及较大的风速对喷灌的漂移产生的影响，多年采用滴灌水肥一体化灌溉技术模式。对于半干旱和干旱地区来说，滴灌水肥一体化技术具有很好的节水、节肥和效果、增产效果。现在已具备普遍推广的条件，但是对于滴灌水肥一体化的节水、节肥和保障玉米产量不降低的情况下，提高肥料利用率还需要进一步的研究和对研究成果的转化推广。在华北平原地区，针对两季作物的夏玉米，现在较为适用的是喷灌水肥一体化技术。喷灌水肥一体化技术不会因不同作物轮作影响其使用，较传统的管道输水漫灌，具有节水、节肥、省时、省工、易于实现水肥一体化等优点。河南省农业农村厅于2022年4月22日印发了《河南省高标准农田示范区建设指南》，其中对于各类喷灌水肥一体化技术进行了详细的说明，并给出了各类不同喷灌形式的投资建设标准。示范工程将发挥好引领的作用，为喷灌水肥一体化技术在华北平原的推广应用将会得到政府层面的引导和推动。虽然喷灌水肥一体化技术推广和应用前景都能看得到，但是对于采用喷灌水肥一体化技术后的玉米水肥灌溉制度，提高氮肥利用率的使用方法等还需要进一步的研究。要让喷灌水肥一体化技术成为粮食稳产、增产的有利保障。

尽管全国各地的高效节水灌溉水肥一体化技术具有一定的基础，但是也存在一些问题与不足。在技术研发与创新方面，技术开发成本总体较高，针对肥料配方、水肥用量、灌溉频次等方面未形成可广泛适用的科学的灌溉决策系统，多数农民凭个人经验进行灌水施肥。在设备研发与改进方面，经济实惠的设备较为缺乏，设备操作流程较为复杂，农户使用不便。其中，在滴灌水肥一体化技术应用上，施肥装置大量采用压差式施肥罐，压差式施肥罐对主管网的压力损失较大，其施肥浓度存在前后不一致现象，导致施肥均匀度较差。应推广由动力泵驱动，具有吸肥量稳定、可调的施肥机，施肥机配带搅拌器的混肥桶，在施肥前将可溶性肥料与水充分的溶解后再进行灌溉施肥。在推广应用与宣传方面，应对农民进行培训与技术指导，提高售后服务，定时维护，及时维修；与开发和销售企业做好滴灌水肥一体化技术的科学宣传，引导种植户正确的应用滴灌水肥一体化系统，不能将滴灌当成漫灌来使用；另外，当前受到农户分散种植的影响，在推广和使用上还存在一些问题。在技术集成方面，广大设计单位和设计人员对技术和设备的了解程度较低，不能形成有效的技术集成。即使是专业的灌溉公司在技术集成方面的能力也差别较大，只有极少的公司具备技术集成能力。因此，在技术集成方面需要多参观实际项目；多了解国内外相关技术和设备；通过专业培训增加技术和设计人员技术集成经验等。

4 结 语

采用高效节水灌溉水肥一体化技术对玉米的节水、节肥和稳产、增产具有重要作用。如何科学合理的应用和创建适合当地的水肥管理制度和示范是应用好的前提。首先，根据玉米的生长特点和各生育期对肥料吸收利用的数量，以及不同肥料被作物吸收转化的时间规律。适时、适量的采用高效节水灌溉水肥一体化技术进行灌溉追肥。其次，根据玉米生长阶段根系分布情况、各阶段玉米耗水情况、气候条件和灌溉方式等科学合理的确定灌溉制度。最后，建立高效节水灌溉水肥一体化项目示范区，通过科学的水肥管理制度+对比实验等方式，进行示范、宣传和引导。