水肥一体化推广面积超1亿亩，农业灌溉领域的范式革命
长期以来，水肥在农业种植中扮演着不可或缺的角色。我国地域广阔，种植的农作物种类多、栽培方式多样、栽培季节性差异明显。农业生产中过量灌溉施肥导致水肥资源浪费、土壤酸化和水体环境污染等问题突出，对农业可持续发展和粮食安全生产带来了严峻的挑战。
大力发展节水农业，实施化肥使用量零增长行动，推广普及水肥一体化等农田节水技术，全面提升农田水分生产效率和化肥利用率成了保障国家粮食安全、发展现代节水型农业、转变农业发展方式、促进农业可持续发展的必由之路。
农业农村部《到2020年化肥使用量零增长行动方案》提出：到2020年，机械施肥将占主要农作物种植面积的40%以上，提高10个百分点；水肥一体化推广面积1.5亿亩，增加8000万亩。
水肥一体精准施入，施肥设备是关键
水肥一体化主要根据土壤特性和作物生长规律，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。作为将施肥技术与灌溉技术相结合的一项新技术，水肥一体化是精确施肥与精确灌溉相结合的产物，在灌溉技术中占有重要地位。
传统水肥一体化技术将可溶肥料溶解到水里，棍棒或机械搅拌，通过田间放水灌溉或田间管道，更进一步地还通过滴灌或微喷灌等装置均匀的进入田间土壤中，被作物吸收利用的技术。
现代水肥一体化技术通过实时自动采集作物生长环境参数和作物生育信息参数，通过模型构建耦合作物与环境信息，智能决策作物的水肥需求，通过配套施肥系统，实现水肥一体精准施入，大大提高灌水和肥料的利用效率。
施肥设备根据其自身特征及灌溉施肥要求安装在首部或灌水器前端，是水肥一体化系统的关键设备，其性能的优劣直接影响着灌溉与施肥的质量。目前常用的水肥一体化施肥设备有文丘里施肥器、比例施肥泵、全自动注肥设备、压差施肥罐等。不同的施肥器运作技术与特点如下：
文丘里施肥器一般与灌溉进口处的阀门并联安装，水流通过文丘里管的时候，利用渐缩管处产生的压差将液态肥料从敞口的肥料罐吸入管网中，通过匹配不同口径的吸肥管可以调节注入肥料的浓度。其特点是造价低廉，使用方便，无须电力，但是其压力损失较大，多用于灌溉面积较小的区域。
另一种采用文丘里结构的施肥器为目前市场上较先进的智能施肥机，该类型智能施肥机可以通过EC／pH值及流量监控装置在可编程控制器控制下，通过机器上的一组文丘里施肥器准确地把肥料养分或其他物质注入灌溉主管网中，用户可通过物联网进行可视化监测及控制。与此同时，该类型智能施肥机也可与气象站、土壤温湿度、蒸发量、降雨量和太阳辐射等传感器相连接，实现全自动智能调节和控制灌溉施肥。但该类型智能施肥机造价昂贵，不适用于一般用户。
基于“物联网”技术的水肥一体化智能装备架构图 图源：《中国水肥一体化装备的分类及发展方向》
压差施肥罐主要由肥料罐、节流阀门以及连接管组成，通过在罐体间形成压差，利用水流将罐中的肥液压入灌溉管网中。其特点是加工制造简单、使用方便，可适用于大田灌溉，但肥液的浓度会随施肥时间而变化，无法控制施肥浓度，不利于精确施肥，且罐体容积有限，需要多次添加肥液。
目前中国已经能够生产各种规格的压差施肥罐，但出口肥液浓度随时间衰减的问题至今尚无较好的解决方法。因此，随着农业现代化的发展，精确变量施肥已成为当下农业发展的主要趋势之一，国内已有学者开始呼吁逐步淘汰压差施肥罐，进而采用施肥浓度恒定且可调的施肥设备。
比例施肥泵是一种先进的水肥一体化施肥装备，其通过水压驱动内部吸液活塞的运动来向管网中定比地添加肥液。与其他施肥设备相比，比例施肥泵的施肥精度高，且注入比例可在一定范围内进行调节。
还有主要由搅拌器、肥液桶及柱塞泵组成的施肥设备，该类型施肥设备主要配套平移式喷灌机及圆形喷灌机等大型喷灌机使用。此外，施用固体肥料的大田移动式精量配肥灌溉施肥一体机，集成了灌溉施肥时间分配模型和母液浓度动态调控方法，可实现母液浓度精准调控和全自动灌溉施肥。
与传统的施肥方式相比，采用水肥一体化技术施肥具有诸多优点，如大幅减少肥料使用量，减少养分流失，降低面源污染，灵活调控以满足不同区域或作物对肥料的需求，提高作物产量和品质，以及降低生产成本。
水肥一体化大力发展氛围已形成
自20世纪60年代，发达国家已大范围推广应用灌溉施肥技术。如荷兰、以色列和日本等发达国家自20世纪60年代开始推广应用水肥一体化技术，如今技术已相当成熟。发达国家农业生产的经验表明，推广水肥一体化技术是“控水减肥”的重要途径，是实现农业可持续发展的关键。
中国的水肥一体化技术自1974年由墨西哥引进滴灌设备算起，已有40多年的发展历史。但是，中国现代化设施栽培中采用的先进灌溉设备几乎都引自农业发达国家，系统设备成本较高，并且，以作物生长模型为设备的控制策略，难以适应中国作物的种类、栽培模式、区域、季节多样化的复杂生长特点。
为推进国内水肥一体化技术发展，国家近年来相继出台了一系列政策：《全国农业可持续发展规划（2015—2030年）》提出“一控两减三基本”目标；2017年中央“一号文件”明确指出要大规模实施农业节水工程，与此同时还要加大水肥一体化等先进农艺节水技术的推广力度；2019年发布的《〈国家节水行动方案〉分工方案》指出，要大力推进水肥一体化技术，每年发展水肥一体化面积133.3万hm2（2000万亩）。
水肥一体化相关政策
在政策加持下，大力发展水肥一体化的氛围已经形成，并且物联网智能化技术日趋成熟，为推广水肥一体化技术、精确调控水肥管理奠定了基础。近些年，中国也自主开发了一些自动化灌溉与施肥控制系统，通过水肥一体化技术试验示范，在不同区域、不同作物开展系列试验研究，全国形成了多种适用技术模式。
水肥一体化特色产业悄然兴起
水肥一体化技术在节水压采、渤海粮仓、蔬菜提质增效等重大工程实施中发挥着至关重要的作用。与此同时，以水肥一体化技术为核心的，集灌溉设施设备、水溶肥及智能施肥装置、信息化与智能控制、配套农机具等于一体的特色产业已悄然兴起。
国内种企清单（排名不分先后，未统计入内的企业可联系作者添加）
成立于1999年的大禹节水打造了高效节水信息化系统，其采用智能化灌溉控制系统、可视化系统以及各灌片下的各轮灌组细部控制器件结合，通过互联网PC端和手机APP客户端，控制田间自能阀门的开闭，同时客户端能随时收集到各个控制阀门传送回来的水量、水压、流速等数据，以此达到精准控制各灌片实际用水量的目的。
可视化系统以及各灌片下的各轮灌组细部控制器件，精准灌溉的标准衍生到每一个轮管组甚至每一株作物，通过视频监控农作物生长状态、严格控制不同作物生长周期内的用水量，通过水肥一体化系统控制不同作物生长周期内的追肥、追药的计量，再根据经年统计的农作物施水等数据（大数据库）进行分析，逐步优化农作物的水肥施用比例甚至调整农作物的种植结构。
又如，捷佳润成立于2008年，专注于智能水肥一体化技术、农艺技术、信息化技术研发、集成和服务。
捷佳润水肥一体化智能灌溉系统通过集成全球先进水肥一体化设备，引入以色列先进灌溉技术，结合物联网远程控制、GIS地理信息系统、气象墒情监测等信息技术，创新性地构建了一套完整的“互联网+农业灌溉管理”服务体系。系统能实现作物生长环境全程监控、远程水肥灌溉控制、农业大数据采集等功能，指导农作物全生育期的标准化作业。
系统优势 图源：捷佳润官网
再如，无锡恺易物联网成立于2010年，致力于将物云大、人工智能等新一代信息技术服务于现代农业产业。其打造的水肥一体化系统依托部署在农作物种植现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分等）、水肥一体化设备和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析，为农业生产提供准确化种植、可视化管理、智能化决策。
智能水肥一体化系统
图源：无锡恺易物联网官网
相关行业领域在技术、资金、人才等方面不断加大投入，为该产业发展注入了活力。然而，目前国内应用的众多灌溉施肥装备由于缺乏水肥的智能决策及配套系统技术，且基于时间控制策略与作物环境相关性不强，水肥决策的智能水平低，普及性并不乐观，尤其针对规模化生产的水肥管理，尚缺少大型园区或基地水肥综合管理系统。
精确灌溉与施肥是农业发展的主要方向，在国家大力发展可持续生态农业背景下，亟需结合作物区域种植特点，创新发展多种先进施肥设备及技术，建立节水节肥技术管理体系，切实、有效地提高水肥利用率。未来，水肥一体化发展呈现出两大趋势，一是施肥设备趋向多功能、低能耗及精准化，二是水肥一体化系统更加信息化与智能化。
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参考资料：