我国水肥一体化技术应用现状与发展

水肥是植物生长不可缺少的条件，目前广泛采用的灌溉 施肥方式为漫灌和经验性施肥，缺乏水肥耦合。2018 年， 我国农业用水量为 3 693．1 亿 m3 ，占总用水量的 61．4%，灌溉 水有效利用率仅为 30% ～ 40%，远低于以色列、荷兰等国家。2018 年我国农用化肥施用量为 5 653．4 万 t，是世界 上化肥施用量最多的国家，化肥的平均利用率仅为 33%，其中氮肥利用率为 30% ～35%，磷肥利用率为 20% ～ 25%，钾肥 利用率也低于 50%。传统的施肥方式存在浪费水肥资 源、土壤板结等问题，阻碍了我国农业的快速发展。水肥一 体化技术是将肥料溶解在水中，配制成一定浓度的营养液后，再输送到作物根部实现自动灌溉及施肥。

近几年来， 国家大力倡导发展水肥一体化技术，并出台了相关文件来支 持节水灌溉、水肥一体化技术的发展，比如《推进水肥一体化 实施方案( 2016—2020 年) 》文件指出应“推广普及水肥一体 化等农田节水技术”; 《国家节水行动方案》指出“大力推进 节水灌溉”，“推广喷灌、微灌、滴灌、低压管道输水灌溉、集雨 补灌、水肥一体化、覆盖保墒等技术”; 2019 年中央一号文件 指出应该“发展高效节水灌溉”“开展农业节肥节药行动”; 2020 年中央一号文件指出“加大农业节水力度”。与传统灌溉模式相比，水肥一体化技术具有节水节肥、省时省力、 改善土壤环境等优点，是农业可持续发展、解决我国农业灌 溉施肥问题的关键。笔者在综述国外水肥一体化发展情 况的基础上，介绍了我国水肥一体化技术的应用现状，主要 包括水肥一体化技术的应用模式、施肥方法以及控制系统的 研究。分析了目前我国水肥一体化技术发展存在的问题，并提出了一些发展建议，以期使水肥一体化技术得到更好的发 展和运用，并推动我国农业的快速发展。

1 国外水肥一体化技术发展现状

国外的灌溉施肥技术起步较早，以色列、荷兰、美国等都已经普及推广水肥一体化技术，并形成灌溉施肥机系列产品，比如以色列 NETAFIM 公司的 NetaJet 和 Fertikit 系列，Eldar－Shany 公司的 Frtimix 系列，荷兰 PＲIVA 公司的 Nutri－ line 系列，韩国普贤 BH 系列等灌溉施肥机。这些灌溉施肥机能够精确提供作物的养分和水分，有些还可以根据作物 类型、不同生育期特点、环境参数等提出不同的灌溉策略，实现智能化灌溉施肥。

以色列从“沙漠之国”变成“农业强国”，其主要措施是 将灌溉技术、水溶肥技术、传感器技术及智能设施设备相结 合并广泛应用于育苗、大田作物、果园、温室蔬菜与花卉等。 截至 2018 年，以色列 90%以上的农业生产已经实现了水肥 一体化管理。以色列在推广水肥一体化技术的过程中研制出多种灌溉施肥设备，实现了施肥的定时、定量控制，75%的 农用废水被回收利用，使得水分利用率提高了 40% ～60%，肥 料利用率提高了 30% ～50%，同时有效提高了资源利用率，实现了节水、增产、增效。

美国节水灌溉技术已经达到世界先进水平，其中 50%的农场面积进行喷灌，43%的农场面积采用地面灌溉，7%的农场面积采用其他灌溉方法，是世界上推广微灌面积最多的国家。美国 60%的马铃薯、33%的果树和 25%的玉米都采用 水肥一体化技术，水肥一体化专用肥料占肥料总量的 38%以 上，使肥料可以被作物快速吸收。为了保证水肥的有效管理，农业农村部专门成立了一个水肥一体化管理部门，并建立了服务于农业生产的云平台，制定了一系列灌溉制度，有效提高了水肥利用率。

为了在有限的土地产出更多的农作物，荷兰采用智能化水肥一体化灌溉技术，电脑可根据作物不同时期需要水肥的量，自动配比水肥进行灌溉，实现智能化控制。

2 我国水肥一体化技术应用现状

1974 年，我国从墨西哥引进了滴灌设备，并建立了 5．3 hm2 的试验研究基地，我国水肥一体化技术研究自此拉开了序幕。自 1974 年以来，我国水肥一体化灌溉技术得到了 一定的发展，研究力度不断加大，运用范围也不断扩大，并获得了良好的示范效果。

2．1 我国水肥一体化技术主要应用模式 目前主要的技术应用模式有喷灌、滴灌、微喷灌和膜下滴灌等模式，其中以色列滴灌技术应用最为广泛。

喷灌是利用喷头将具有一定压力的水喷射到空中，形成 细小水滴或形成弥雾降落到作物上和土壤中的灌溉方式。 喷灌可用于各种类型的土壤和作物，对各种地形的适应性较强，可以控制喷水量和均匀性，避免产生地面径流和深层渗漏损失，一般比漫灌节水 30% ～50%。刘钊以新疆马铃薯 种植业为试验对象，研究畦灌、大型喷灌机喷灌等灌溉方式下的综合效益，结果表明大型喷灌机喷灌是最优选择， 1．333 hm2 的栽培面积中，15 年纯效益为 16．09 万元，为畦灌 的 1．7 倍。除了自压喷灌系统外，喷灌系统都需要加压，喷灌 受风力的影响较大，有空中损失，对空气湿度的影响较大，存在表层土壤润湿充分、深层土壤润湿不足的缺点。

滴灌是将具有一定压力的营养液，利用灌溉管道将营养 液通过滴头，将水分和养分一滴一滴、均匀而又缓慢地滴入作物根区土壤中的灌溉技术。滴灌技术不破坏土壤结构，需要的工作压力小，可以减少无效的棵间蒸发，几乎没有 深层渗漏，一次灌水延续时间较长，可以做到小水勤灌，具有 较好的节水效果。于舜章利用滴灌施肥技术，在黄瓜大棚种植试验中，与农户习惯施肥相比，可以节肥 3． 7% ～ 49. 5%，节水 21．0% ～27．1%，增产 9．9% ～ 17．6%，每公顷减少成本3．86 万～5．91 万元。滴灌的缺点是滴头易结垢和堵塞， 可能造成滴灌区盐分的累积，影响作物根系的发展。因此， 滴灌对水质的要求较大，初期投资较大，必须安装过滤器并 需要定期清理和维护。

微喷灌水肥一体化技术是营养液以较大的流速由低压 管道系统的微喷头喷出，通过微喷头喷洒在土壤和农作物表面。微喷灌的优点是水肥利用率高、灵活性大、实用方便，可 调节田间小气候。李娜等在小麦种植中采用微喷灌水肥 一体化技术，与常规施肥相比增产 545 kg /hm2 ，节约成本 450～750 元/hm2 。微喷灌的缺点是对灌溉水源水质的要求 较高，必须对灌溉水进行过滤，田间微喷灌的喷头易被杂草、 作物茎秆等杂物阻塞，而喷洒质量、均匀度等受风的影响较大。

膜下滴灌技术是将滴灌管道铺设在膜下，通过管道系统 将水肥送入滴灌带，由滴灌带上的滴头将水肥不断滴入土壤中。膜下滴灌水肥一体化的缺点如下: 灌溉器容易阻塞，会 引起浅层土壤盐分积累，限制根系的发展，高频率灌溉要求水电保证率高。调查显示，与传统灌溉相比，膜下滴灌可以 节水 30% ～ 50%，增 产 20% ～ 30%。在 新 疆 地 区，有 200 万 hm2 面积的耕地在使用膜下滴灌技术，尤其是棉花膜 下滴灌技术运用最为成熟，研究表明运用此技术可获得最优 的经济产量以及最高的水分利用效率。焦有权等在 设施番茄种植中使用膜下滴灌水肥一体化技术，与原有的大水 漫灌的人工施肥方式相比，节水率为 54%～57%，节肥 37．5%。

2．2 水肥一体化系统的施肥方法 施肥是水肥一体化系统的关键环节，根据肥料溶液加入方式不同，水肥一体化施肥 方法主要有文丘里施肥法、压差式施肥法、重力自压式施肥法等。

文丘里施肥法的工作原理如图 1 所示。当水流由管道 的高压区向低压区流动时，经过文丘里管道喉部时流速加 大，压力下降并形成负压，在管道内产生真空吸力，将肥料母液从肥料管吸取至灌溉系统。文丘里施肥法的优点是结构 简单，成本低，安装方便，无需外部能耗，吸肥量范围大，可实 现按比例施肥和保持恒定的养分浓度。因此，文丘里施肥法 在施肥设备中应用范围最广。其缺点是压力损失较大，一般适于灌溉面积不大的场合。

压差式施肥法又称旁通罐施肥法，它由 2 根细管与主管 道相连接，在主管道上 2 条细管( 分别为进水管、排液管) 之 间设置一个调压阀，通过调节调压阀使施肥罐上的进水管和 排液管之间形成压力差，使得一部分水由进水管流入施肥 罐，水溶解罐中肥料后，肥料溶液由排液管进入主管道，将肥 料带到作物根系。压差式施肥法的工作原理如图 2 所示。 压差式施肥法的优点是制造成本低，操作简单，可直接使用 固体肥料，无需预配肥料母液，不需要外加动力设备; 其缺点 是施肥浓度不恒定，肥料溶液浓度随施肥时间的延长而逐渐降低，施肥罐 容积有限，反复添加肥料母液，操作过于烦琐。

重力自压式施肥法是在灌溉水池处建一个高于水池液 面的肥料母液池，池底安装肥液流出管道，利用肥液自身重力流入灌溉水池。该方法适用于有地势落差的场合，如丘陵 山区果园等。该方法的优点是可以控制施肥浓度和速度，无需外部能耗，投资小，操作简便。该方法的缺点是灌溉水池 易滋生藻类、苔藓等植物，需要定期清理。重力自压式 施肥法的工作原理如图 3 所示。

2．3 水肥一体化控制系统研究现状 水肥一体化控制系统 是整个水肥一体化技术的核心，目前采用的控制器类型主要有单片机、PLC、AＲM 等。近年来，我国引进了国外一些先进 的水肥一体化设备，比如张金良等引进了以色列 NETAFIM 公司福莱斯 3G 开放桶式施肥机，以黄瓜为试材，与传统手动简易灌溉施肥模式相比，自动灌溉水一体化系统可节 肥 30．4%，节水 22．4%，使产量提高 11．1%。我国在引进国外水肥一体机先进技术的基础上，也因地制宜地研发了多种水 肥一体化精量灌溉控制系统，有些注重控制算法研究，有些结合各种传感器、图像识别实现精准灌溉，有些结合专家知识实现灌溉。

袁洪波等设计了一种水肥一体化循环灌溉系统，采用滴灌基质无土栽培模式并构建回收管路，实现水肥循环利用。在番茄栽培试验中，与传统土壤栽培模式相比，用水量 是传统土栽模式的 69．4%，水分利用效率是传统土栽模式的 1．92 倍。

阮俊瑾等研制了一种球混式精确施肥灌溉系统，采用文丘里管吸取肥料母液，配备 STM32 系列微控制器，搭载 一套智能灌溉施肥应用软件，从而实现自动配肥、自动灌溉和自动决策，系统控制精度高、运行稳定，大大提高了水肥用效率。

江新兰等设计了基于两线解码技术和云计算的设施 农业水肥一体化灌溉系统，该系统通过两线解码技术，利用 各种传感器实时采集作物生长环境信息，并存储于数据管理云平台，根据作物需水需肥规律，利用云平台的计算和分析 能力，科学制订不同环境中作物生长的水肥需求和灌溉施肥 制度，实现水肥一体化的智能控制。应用试验表明，与传统 灌溉方式相比，肥料利用率提高了 15% ～35%，水分利用率提 高了 25% ～40%。

李友丽等设计了一种基于有机液肥制备的水肥一体 化系统，该系统具有有机液肥制备、浓度调节和自动灌溉等 功能，实现了有机栽培的营养液制备与管理一体化。将该系 统运用在温室黄瓜基质栽培系统中，运行稳定，黄瓜总产量 可达48 165 kg /hm2 。

张育斌等研究了 PID 控制，建立了遗传算法优化的模糊 PID 控制模型，有效解决了传统 PID 控制在面向不确 定、非线性对象时的局限性，并设计了可以同时完成氮肥、磷 肥、钾肥和微量元素等肥液灌溉的系统，成功实现了水肥精量配比，大大提高了灌溉效率。

师志刚等设计了基于物联网的水肥一体化智能灌溉 系统。该系统包括农田气象及土壤墒情系统、智能灌溉施肥 系统、作物长势视频监控系统、能效监测系统、远程监控平台 等。应用结果表明系统节水省工效果好，系统运行 20 年后 的净现值为普通滴灌的 7 倍多。

姜岩等设计了基于专家系统的水肥一体化智能控制系统，通过接收专家系统的控制策略实现施肥的自动化、智 能化，养分专家系统可根据输入的大棚基础信息、气象和土壤资料，快速推荐施肥方案。通过 2016—2017 年的草莓土 壤种植试验表明，按照专家系统推荐的肥料比例及用量，与 农户习惯施肥相比，分别增产 43．3%和 22．9%，维生素含量分别增加 6．54%和 12．74%。

陈东等利用机器视觉测量植物生长参数，并监测环境和土壤参数，以植物生长模型和模糊神经网络算法形成农 作物智能水肥一体化管理系统。系统实现了精准水肥灌溉、 PC 和手机端的监控。与传统施肥模式相比，节水率在 30% 以上，节省肥料在 40%以上，节省人工成本 20%左右。

金永奎等设计了云端服务器为核心的水肥一体化管控平台，实现了灌溉智能决策，具有现场和远程查看、操作、 控制等功能。系统运用在种植面积约 15 hm2 的芦笋滴灌种 植中，每次仅灌溉 150 m3 /hm2 ，与传统漫灌方式相比可节水 60%以上。

李颀等设计了一种全自动在线监测和实时调节的精 准智能化控制系统，采用改进非线性自抗扰解耦控制器，实现了灌溉营养液 pH 和 EC 的快速精确控制，pH 和 EC 的调 节时间分别为 39 和 44 s，输出绝对误差分别小于 0．2 和 0．1 mS /cm。番茄种植试验中与传统人启停灌溉模式相比，系统用水量、用肥量、用工量分别降低 33．13%、35．75%和 35． 01%，作物产量提升 15．16%。

3 我国水肥一体化技术发展存在的问题

随着水肥一体化设备的引进、自主研发与推广应用，我国水肥一体化技术有了一定的进步，产品基本可以满足农作 物水肥一体化灌溉的要求，但目前与发达国家相比还有很大的差距，无论是在推广、农技人才、服务以及技术本身等方面 都还存在很多不足之处。①连片种植困难，水肥一体化一次 性投入较高，一些市场产品仿照国外，产品价格偏高也不适用与国内生产的实际情况，影响推广速度。②缺乏专业农业 科技人才，农民对水肥一体化设备的操作使用不够熟练，不 了解整个的操作流程，许多农户只会进行简易操作，农户基本不懂科学维护设备。③培训及企业后期维护技术服务跟 不上，维修费用高，使设备使用过程中出现问题不能及时解决。④目前缺乏性价比高的智能型水肥一体化灌溉设备，肥 料配方、营养液浓度、施肥量、管理方法等一般仅靠农户个人 经验，缺少成熟的针对不同作物的专家决策知识，缺乏智能 的灌溉决策系统。

4 对策与建议

( 1) 加大政策和资金扶持力度。因地制宜，加强水肥一 体化技术示范区推广，建设农民专业合作组织，为农民提供 相应技术支持和设备维护。

( 2) 加强农业人才的培养，积极开展培训，不断提高农民 科技文化水平。特别是要加强水肥一体化系统使用培训，制 定简单明了的操作规程，让农户真正掌握水肥一体化技术。

( 3) 加强管护力量。建立健全、良好的售后维修制度，配 备专业运维人员定期检修，并从技术层面降低运维成本。

( 4) 因地制宜，加大自主研发力度。加强农机与农艺的 融合，结合遥感、人工智能技术，建立相关的专家决策系统， 提高设备性能、精度和智能性，保证水肥一体化发展的实际 需要。

水肥一体化技术具有节水、节肥、提高作物产量和品质 等优点，该技术对于缓解我国水资源短缺，节能减排、生态文明建设，推动农业的可持续发展具有重要意义。在加大政策 和资金支持、加强人才培养，加强管护，进一步提升水肥一体化技术的基础上，未来水肥一体化技术必将被越来越多的农 民所使用，从而推动我国农业的发展。