水肥一体化技术

水肥一体化是利用管道灌溉系统，将肥料溶解在水中，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，实现水肥同步管理和高效利用的节水农业技术。

水肥一体化在世界上得到广泛应用，2000年全世界应用面积5 600万亩，现在估计超过1亿亩。以色列90%以上耕地应用水肥一体化;澳大利亚2007年设立100亿澳元的国家节水计划，其中约一半用于发展灌溉设施和水肥一体化;美国是微灌面积最大的国家，灌溉农业中60%的马铃薯、25%的玉米、33%的果树均采用水肥一体化，用于水肥一体化的专用肥料占肥料总量的38%以上。

我国水肥一体化已经从当年的“高端农业”“形象工程”开始向普及应用发展，当前已经具备了大力发展水肥一体化的有利条件。目前我国水肥一体化推广面积大概在7 000多万亩，根据农业部的部署，到2020年，新增水肥一体化推广面积8 000万亩。农业部全国农技推广服务中心节水处处长杜森介绍，水肥一体化目前在设施农业和果园上推进最快，尤其是果园，因为不需要频繁铺设管道，最适宜普及水肥一体化。“十三五”期间，水肥一体化和水溶肥推广最大的发力点将是从设施农业走向大田。据分析，水肥一体化下一步发展潜力最大的四个黄金区域将包括:一是东北西部玉米、马铃薯滴灌水肥一体化技术;西北玉米、马铃薯膜下滴灌水肥一体化技术;华北玉米、小麦微喷水肥一体化技术;西南玉米、马铃薯集雨补灌水肥一体化技术。目前，一些高校、科研单位与企业合作开发了大量施肥设备和灌溉技术，如压差施肥罐、重力自压施肥系统、移动式灌溉施肥机、膜下滴灌施肥技术、泵吸施肥法、覆膜沟灌施肥技术、小白龙喷水带微喷施肥技术、痕量灌溉施肥技术等，其中在新疆地区应用的棉花膜下滴灌施肥技术已达到国际领先水平。

目前，农业仍是我国西北地区的支柱产业，而且存在着两大问题亟待解决。首先西北地区农业水资源随着工业用水和生活用水的不断增加而逐年减少，因此，在这种形势下如何保障农业的发展，特别是在保证生活供水和工业供水前提下，保障农业用水对于西北地区持续稳定的发展具有重要意义。此外，西北地区因土壤贫瘠、水土流失严重造成土壤肥力低下，化肥的大量施用使其粮食、经济作物增产的同时也加剧了土壤的污染及肥料利用率不高所造成的资源浪费。解决上述问题的有效措施就是推广及应用水肥一体化技术，即灌溉与施肥相结合的技术，如地面灌溉施肥、喷灌施肥、滴灌施肥及根际注射施肥等。但是，地面灌溉施肥和喷灌施肥在应用过程中水肥损失比滴灌施肥和根际注射施肥严重。而且，滴灌及根际注射和施肥相结合方便且易控制，在实际应用中容易被农户接受。

滴灌水肥一体化技术是目前干旱缺水地区最有效的一种灌溉方式，其水的利用率可达95%，备受关注。是借助压力系统(或地形自然落差)将可溶性固体或液体肥，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点，配兑成肥液与灌溉水一起在可控管道系统使水肥相融后，通过管道和滴头形成滴灌，均匀、定时、定量，浸润作物根系发育生长区域，使根系土壤始终保持疏松和适宜的含水量。滴灌水肥一体化技术主要适于果树、蔬菜、花卉、温室大棚等经济作物和水源极缺的地区、高扬程抽水灌区、地形起伏较大地区，以及透水性强、保水性差的砂质土壤和咸水地区的灌溉。

(一)滴灌水肥一体化系统的组成

滴灌水肥一体化技术中的滴灌系统的组成一般由水源工程、首部枢纽、输配水管网、施肥施药装置、滴水器装置组成(图7－2)。

图7－2　滴灌系统组成示意图

1.水源工程

滴灌系统的水源可以是如河流、湖泊、水库等，但是必须符合灌溉水质的要求。因为滴灌系统中灌水器的水流孔径一般都很小，灌溉水中不应含有造成灌水器堵塞的污物和杂质，但实际上任何水源如湖泊、库塘、河溪及井水中，都不同程度地含有各种污物和杂质。因此对灌溉水源进行严格的净化处理是必不可少的，是保证系统正常运行、延长灌水器使用寿命和保证灌水质量的关键措施。要求灌溉水中滴灌系统的水源工程一般是指，为从水源取水进行滴灌而修建的拦水、引水、蓄水、提水和沉淀工程，以及相应的输配电工程。

2.首部枢纽

首部枢纽包括动力机、水泵、施肥(药)装置、过滤设施和安全保护及量测控制设备。其作用是从水源取水加压并注入肥料(农药)经过滤后按时按量输送进管网，担负着整个系统的驱动、量测和调控任务，是全系统的控制调配中心。

过滤设备是将水流过滤，防止各种污物进入滴灌系统堵塞滴头或在系统中形成沉淀。过滤设备有拦污栅、离心过滤器、砂石过滤器、筛网过滤器、叠片过滤器等。各种过滤设备可以在首部枢纽单独使用，也可根据水源水质情况组合使用。当水源为河流和水库等水质较差的水源时，需建沉淀池。

施肥装置的作用是使易溶于水并适于根施的肥料、农药、除草剂等在施肥罐内充分溶解，然后再通过滴灌系统输送到作物根部。流量、压力测量仪表用于管道中的流量及压力测量，一般有压力表、水表等;安全保护装置用来保证系统在规定压力范围内工作，消除管路中的气阻和真空等，一般有控制器、传感器、电磁阀、水动阀、空气阀等;调节控制装置一般包括各种阀门，如闸阀、球阀、蝶阀等，其作用是控制和调节滴灌系统的流量和压力。

3.输配水网管

输配水管网的作用是将首部枢纽处理过的水流按照要求输送分配到每个灌水单元和滴头，包括干管、支管、毛管及所需的连接管件和控制、调节设备。由于滴灌系统的大小及管网布置不同，管网的等级划分也有所不同。

4.滴水器

滴水器(即滴头或喷头)有多种，根据水力效能方式，滴头可分为四类，即:收缩式滴头、长流道管式滴头、涡流式滴头、压力补偿式滴头。目前常用的是滴灌带，即把滴头和毛管加工为一体，滴灌带有压力补偿式和非补偿式两种。其作用是利用滴头的微小流道或孔眼消能减压，使水流变为水滴，能够均匀地施入作物根区土壤中。

5.施肥施药装置

向系统的压力管道内注入可溶性肥料或农药溶液的设备称为施肥、施药装置。为了确保灌溉系统在施肥施药时运行正常并防止水源污染，必须注意以下几点:第一，化肥或农药的注入一定要放在水源与过滤器之间，肥(药)液先经过过滤器之后再进入灌溉管道，使未溶解的化肥和其他杂质被清除掉，以免堵塞管道及灌水器;第二，施肥和施药后必须利用清水把残留在系统内肥(药)液全部冲洗干净，防止设备被腐蚀;第三，在化肥或农药输液管出口处与水源之间一定要安装逆止阀，防止肥(药)液流进水源，更严禁直接把化肥和农药加进水源而造成环境污染。

常用的肥罐有自压式、文丘里注入式、压差式、泵吸肥法等4种形式。肥料罐一般安装在过滤器之前，以防造成堵塞。

(1)重力自压式施肥装置在自压灌溉系统中，使用储液箱(池)可以很方便地对作物进行施肥施药。把储液箱(池)置于自压水源的正常水位下部适当的位置上，将储液箱供水管(及阀门)与水源相连接，将输液管及阀门与主管道连接，打开储液箱供水阀，水进入储液箱将药剂溶解。关闭供水管阀门，打开储液罐输液阀，储液箱中的药剂溶液就自动地随水流输送到灌溉管道和灌水器中，对作物施肥施药。

重力自压式施肥装置适用于南方丘陵山地果园或茶园等。其设备成本低，操作简单，维护方便;施肥时候不需要外加动力，设备体积小，占地少;但是用定量化施肥方式，施肥过程中的肥液浓度不均一;容易受水压变化的影响;移动性差，不适宜用于自动化产业。

(2)文丘里施肥器水流通过一个由大渐小然后由小渐大的管道时，水流经狭窄部分时流速加大，压力下降，使前后形成压力差，当喉部有一更小管径的入口时，形成负压，将肥液从一个敞口肥料罐通过小管径细管吸取上来。

文丘里施肥器出流量小，主要适用于小面积种植，如温室大棚种植、小规模农田。因其构造简单，造价低廉，使用方便容易受到农户的接受;但是施肥时系统水头压力损失大，吸肥量易受压力波动的影响。

(3)压差式施肥罐压差式施肥罐一般由储液罐(化肥罐)、进水管、供肥液管、调压阀等组成。其工作原理是在输水管上的两点形成压力差，并利用这个压力差，将化学药剂注入系统。储液罐为承压容器，承受与管道相同的压力。压差式施肥罐适用于温室大棚、大田种植。由于其加工制造简单，不需外加动力设备，投资成本低;但是溶液浓度变化大，无法控制;罐体容积有限，添加化肥次数频繁且较麻烦;输水管道设有调压阀容易造成一定水头损失。

(4)泵吸肥器利用离心泵吸水管内形成的负压将肥料溶液吸入系统，适合于几十公顷以内面积的施肥。施肥时通过调节肥液管上阀门，可以控制施肥速度。泵吸肥法适合几十公顷以内面积的施肥。其优点是结构简单，操作方便，易于掌控，但是整个施肥过程中需要人工照看。

施肥设备是水肥一体化系统中重要的组成部分，其形式多样，各自具有不同的优点及缺点。在生产实践中依据实际情况需要针对地形选择，主要考虑的是系统压力、操作管理、劳动效率、设备成本等因素。最常用的施肥器是重力自压式施肥装置、文丘里施肥器、压差式施肥罐、泵吸肥法四种。这四种共同特点是不需要外加动力，能做到节能。在一次性施肥面积较大时，选择泵吸肥法，出水口压力达到20 MPa以上时，选用文丘里施肥法，在水压力不大时，小于20MPa时，选用压差式施肥罐，表7－4是四种施肥装置对比分析表。

表7－4　四种施肥装置对比分析表

(二)滴灌水肥一体化技术的优点

1.提高水分利用率

滴灌施肥与其他灌溉相比，提高了水分利用效率。科技人员进行了滴灌、喷灌及管灌对马铃薯水分生产率及效益影响的研究。试验发现，马铃薯滴灌比喷灌每亩产值高61.7%，比管灌高22.4%。单位水的水分生产率和效益，滴灌比喷灌分别提高7.8%、61.7%，比管灌分别提高5.3%、22.6%。

2.提高肥料利用率

滴灌施肥可以有效地调节施肥的种类、比例、数量及时期，并将肥料施于根区，在保证根区养分供应的同时减少养分的淋溶，显著提高了肥料养分的利用率。有研究表明，通过对香蕉滴灌施肥氮的利用可达70%、磷达50%、钾达80%。另外，对甘蔗的滴灌施肥试验研究发现，滴灌施肥氮利用效率达到了75%～80%，而常规施肥只有40%。

3.节省劳力

滴灌施肥借助低压管道和农用机械将水和肥料按一定比例一同供应给作物，可以节省大量的施肥和灌溉劳动用工。近年来，劳动力价格的攀升使得滴灌施肥省工省力的优势将进一步体现。以菠萝为例，巴厘种的菠萝叶缘布满倒刺，不仅给田间农事操作带来极大的困难，而且追肥劳动量大，用工成本高。据“徐闻科技小院”调查，常规追肥，1人1天仅能够完成0.27 hm2的菠萝施肥工作，单位面积追施肥料需人工费1 350元/hm2。而采用水肥一体化技术，不用人工下地灌溉施肥，1人1天可以灌溉施肥3.33 hm2，试验示范追肥用工成本仅为900元/hm2，工作效率提高了10倍。

4.适应能力强

滴灌出水量小，平均每个滴头出水量约为1.6 L/h，且管道长，拥有比较成熟的压力补偿装置，对压力变化的灵敏性较小，在小于5°的坡地上，可以不用考虑压力问题。而其他灌溉方式如喷灌对压力敏感性较大，在丘陵地区推广局限性较大。科学的滴灌作用下，作物根部会形成一个椭球形的湿润体，在不断滴入的水流的作用下，作物根系周围土壤中的盐分被推移到椭球体边缘，会使作物根部的椭球体部分保持正常的生长环境。滴灌适用范围广，在温室、大棚、田间、山地和沙漠地方均能应用，具有极强的适应能力。

5.可开发边际水土资源

在戈壁、沙漠、盐碱土壤、荒山荒丘干旱少雨及保水保肥性差的地区，采用其他灌溉方式，既浪费水资源，同时也无法满足作物的生长需要。而滴灌水肥一体化技术只湿润作物根区土壤，在节省水资源的同时出水量少，按照少量多次的原则随机满足作物对水分和养分的需求。以色列南部地区的Negev沙漠，年均降雨量只有100mm，而年蒸发量高达1 700 mm，造成降雨少而蒸发大，在正常情况下无法种植作物。但利用滴灌水肥一化技术以后，该地区得到开发和使用，广泛种植马铃薯等作物。

(三)滴灌水肥一体化技术的局限性

1.滴头堵塞

滴灌系统中的滴灌带孔口直径和滴头流道直径一般小于1 mm，在使用过程中极易因悬浮物(沙和淤泥)、不溶盐(主要是碳酸盐)、铁锈、其他氧化和有机物(微生物)引起滴头堵塞。滴头堵塞后影响水的均匀性，如果堵塞严重，可使整个滴灌系统报废。目前，市场上过滤器品种少，过滤主要解决了除沙等物理性堵塞，生物堵塞和化学堵塞解决得不够理想。如果有大量杂质进入滴灌管中，不仅容易阻塞滴孔，同时也容易滋生微生物，进一步阻塞出水孔。因此，含矿物质较多、水质偏硬且杂物多的水源(如河水、受污染的湖水、溪水等)不适合用于滴灌，在特殊情况下必须使用的话，需通过过滤网过滤后方可使用。肥料需选择水溶性成分在95%以上品种，且混溶的肥料之间不会发生化学反应产生沉淀。

2.影响植物的根系分布

对多年生果树而言，滴头所在的湿润区附近根系密度增加，而非湿润区根系因得不到充足的水分供应生长受到抑制。在西北干旱半干旱地区，根系的分布与滴头位置有很大的关系。少灌勤灌的灌水方式会导致作物根系分布变浅，在风里较大的地区甚至会产生拔根的危害。

3.盐分积累问题

对于降雨量少而蒸发量大的干旱地区，由于滴灌出水量小，水分蒸腾快，部分矿物养分无法随水分下渗到根区，而在地表造成盐分积累，随着滴灌次数的增加，地表盐分浓度增加，对作物造成损害，影响作物的发芽及生长，同时也会改变土壤理化性质。如新疆地区采用含盐量较高的水灌溉时，盐分会在滴头湿润区域周边产生累积。

4.投资成本高

应用滴灌施肥技术，首先需要有水源和电源，通常情况下，农民需要在农田附近打井和拉电，并建立肥料池或储肥罐、水池和机房，花费在20 000～40 000元，其中管道费用为6 000～22 500元/hm2，滴灌施肥首部设施(包括电泵、过滤器、压力表)根据不同的规格和型号，也需要几千至数万元不等。对于个体农户的小规模种植而言，首次投入成本太高，虽然滴灌施肥的长远效益很好，但这对于西北地区很多农户而言是一笔很大的开销。另外，田间收管也成为一项劳动量较大的工作。

滴灌水肥一体化技术具有节水节肥、节省劳力、便于规模化自动管理，并且能提高经济效益，水肥高效耦合的优势，不仅解决了肥料利用率低的问题，还节约了水资源。滴灌水肥一体化技术不仅因为其首期一次性投资较大，限制了其在我国的发展，还因为滴灌施肥系统在使用过程中会出现滴灌带或滴头堵塞及作物根部盐分累积等问题，也挫伤了我国很多农户使用的积极性。但是相较于其他的灌溉施肥方式而言，滴灌水肥一体化技术有长远的经济效益，其利润增长空间很大，尤其是在我国西北干旱半干旱地区。虽然在使用中会出现上述问题，但只要肥料选择恰当，实际操作合理，这些问题是可以避免的。随着我国经济的快速发展，人力资源成本的上升，农业集约化速度的加快，水、土地等资源会越来越紧张，而生态环境也越来越受到人们的关注，滴灌水肥一体化技术将会受到越来越多的农户的青睐。