摘要阐述了水肥一体化技术的理论基础，追溯了水肥一体化技术的发展历史，从灌溉设备、施肥设备和肥料选择3个方面总结了近年来水肥一体化技术在作物种植中的技术要点，并探讨了水肥一体化技术在中国的应用前景。
关键词水肥一体化技术；节水；可持续发展
中图分类号S147.2；S275文献标识码
A文章编号0517-6611（2015）16-023-03
Analysis of Techniques and Application Prospect of Water and Fertilizer Integration Technology
YANG Linlin， ZHANG Haiwen， HAN Minqi， YANG Shengmin* et al （Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442）
Abstract The theoretical basis of water and fertilizer integration technology was elaborated， the development history was reviewed， the application of water and fertilizer integration technique in crops planting were summarized from three aspects of irrigation equipment， fertilizing equipment and fertilizer selection， and the prospect in China was discussed.
Key words Integration of water and fertilizer； Water conservation； Sustainable development
水分和养分是作物生长必需的基本要素，也是可进行人为控制的要素。在水分和养分的供给过程中，最关键的是要合理调节水分和养分的平衡供应，最有效的方式则是实现水分和养分的同步供给，即在作物提供充足水分的同时，最大限度地发挥肥料的作用，水肥一体化正是可以实现向生长中的作物同步供给水分和养分的技术。
水肥一体化是一项现代农业生产的综合管理措施，在生产中又被称为水肥耦合、管道施肥、加肥灌溉、随水施肥等，是一项可同步控制植物水分供给和肥料施用的技术，即通过借助压力系统，将可溶性肥料按作物种类和生长的需肥规律配兑的肥液，随灌溉水通过可控管道系统向植物供水、供肥[1]。
与传统的灌溉和施肥措施相比，水肥一体化技术具有显著的优点：省水、省肥、省时[2-4]，降低农业成本；降低病虫害发生几率，保证农作物品质和产量[5-7]；减少环境污染[8]；改善土壤微环境、提高微量元素使用效率[9]等。因此，水肥一體化技术是现代农业健康科学发展的有力保障。
1水肥一体化技术的理论基础
1.1灌溉的理论基础
植物的生存、生长和繁殖中的各生理过程，如光合作用、呼吸作用、养分吸收和光合产物的转运等过程均需要水的参与，同时植物非木质部部分依靠水分维持其物理结构[10]，因此在植物的整个生长过程中持续需要水分；而作物在生长过程中，通过植物的蒸腾作用和土壤表面的蒸发过程，会损失大量的水分，必须持续地向作物提供水分以保证其正常生长。
1.2营养吸收的理论基础
植物主要通过根系吸收土壤中的养分，其途径包括：①截留（Interception）。根系在土壤的伸展过程中吸取直接接触到的养分。②扩散（Diffusion）。由于植物根系对养分离子的吸收导致了根际养分离子浓度下降，从而在土体-植物根系表面形成养分离子的浓度梯度，养分离子沿浓度梯度差由土体向根际迁移。③质流（Mass flow）。土壤中的养分随着植物根系吸收水分的过程随水流的运动从土壤流向植物根系。上述3个途径中，由截留获得的养分通常不到植物生长所需养分的5%，即植物吸收养分主要通过扩散和质流[11]。扩散和质流都需以水分作媒介，以保证将养分顺利送达植物根际。植物对养分的吸收必须在水分存在的条件下进行。因此，在实践生产中，水分和养分同施不仅会大幅度提高肥料的利用效率，同时还可保证作物的高产和高质。
2水肥一体化技术的发展历史
2.1水肥一体化技术的发展历程
2.1.1缘起实验室水培研究。水肥一体化技术的发展可以追溯到实验室水培研究。英国博物学家John Woodward是水培实验的创始人，他于1699年开始用不同来源的水分，如降水、河水、泉水、蒸馏水等用于种植植物；法国农业化学家JeanBaptiste Boussingault从1837年开始应用砂培法进行植物吸收氮、磷、钾等营养元素的研究试验，并确定了9种植物的必需营养元素；进入19世纪中后期，近代培养试验方法和技术进一步发展，德国植物学家Julius Von Sachs等均为此作出了贡献。此时的水培试验可谓是水肥一体化技术的雏形，不过仍处在实验室阶段研究。
2.1.2水培技术的规模化与商业化。
1925年以后，温室工业逐渐利用营养液栽培技术以取代传统的土壤栽培，利用砂、蛭石、锯木屑等惰性介质作为固体基质，将植物种植在含其必需营养元素的营养液中，这使得作物种植突破了空间的限制。20世纪50年代后，水培（无土栽培）技术进一步商业化，在欧美各国、非洲地区、中东地区等地方已有大量的家庭式无土栽培装置。
2.1.3田间灌溉施肥。
尽管无土栽培技术可以突破空间的限制，具有节水、清洁卫生、便于管理等各种优点，但是田间的常规土培种植依然是现代农业的主力，因此进入20世纪中期后，世界各国在田间种植中开始进行灌溉施肥。
美国从20世纪50年代开始在田间种植中实施灌溉施肥，但最初的规模很小，并且是与地面灌溉、漫灌和沟灌结合使用。由于这些灌溉技术的水分利用效率较低，从而导致肥料的利用率也很低，且易造成化肥对环境的污染。此后，随着波涌灌等能较精确控制水分供应的设备的研发和使用，地面灌溉的肥料利用率大幅度增加。
以色列是世界上公认的现代高科技农业典范，进入20世纪60年代，以色列开始普及水肥一体化灌溉技术，到目前为止，以色列农业灌溉面积已有90%区域实行水肥一体化灌溉施肥技术[1]。
根据灌溉设备的不同，水肥一体化技术可以分为喷灌和微灌。其中滴灌是应用最早的微灌技术，也是目前应用最广泛且最节水的灌溉技术。滴灌技术的发展源于以色列水工程师Simcha Blass的偶然发现，他经过不断尝试和改进后设计出了用于滴灌的软管，之后耐特菲姆公司（以色列）于20世纪60年代发明了最初的滴灌设备。
2.2中国水肥一体化技术的发展历程
中国水肥一体化技术的应用和发展相比发达国家要晚近20年，根据其发展过程，可分为3个阶段，即第1阶段（1974～1980年）：自1974年从墨西哥引入滴灌设备以来，我国的水肥一体化技术经历了引进滴灌设备、消化吸收、设备研制和应用试验及试点阶段；
第2阶段（1981～1986年）：设备产品改进和应用试验研究与扩大试点推广阶段；
第3阶段（1987年至今）：引进国外先进工艺技术，高起点开发研制微灌设备产品。此后，我国的微灌技术得到长足发展，应用范围不断扩大，目前已在苹果、柑橘、香蕉、茶叶、棉花、马铃薯等作物种植中大面积应用并取得了良好的效果[12]。然而与世界上其他国家相比，我国的水肥一体化技术的应用仍十分有限，如在以色列90%以上的作物实现了用微灌系统施肥，而我国滴灌面积仅占有效灌溉面积的6.7%[13]。
3水肥一体化技术在作物种植中应用的技术要点
水肥一体化技术具有省水、省肥、省工，提高水肥利用率，增加作物产量，提高作物品质，减少环境污染等诸多优势，是现代农业健康科学发展的重要保障，但同时存在前期投入成本高，技术要求复杂等特点，尤其在果蔬类作物种植中，因其种类繁多，生长环境不同，水肥要求各异，所以应正确应用水肥一体化技术，以达到节本增效的目的。笔者从灌水设备、施肥模式和肥料选择3个角度总结了水肥一体化技术应用中的技术要点。
3.1灌水设备
目前技术发展成熟且大面积推广应用的节水灌溉设备依据水的输出方式主要分为喷灌和微灌[1]。
3.1.1喷灌。
喷灌是利用喷头将通过专用管道设备运输至田间的水喷射到孔中，形成细小水滴，洒落到土壤表面和作物表面以供给植物所需水分的灌溉方式。喷灌技术是目前节水效果显著、作物增产明显、投资相对较低、易于推广的节水灌溉技术[14]。一套完整的喷灌系统的设备构成包括：①水源。河流、湖泊、水库和井泉等均可以作为喷灌的水源。②水泵及配套动力机。喷灌需要使用具有一定压力的水才能进行喷洒，通常是用水泵将水提取、增压、输送到各级管道及各个喷头中，并通过喷头喷洒出来。③输水管道系统及配件。一般包括干管、支管和竖管，其作用是将水输送并分配到田间喷头中，此外还需闸阀、三通、弯头等附件。④喷头及其附属设备。这些设备是喷溉系统中的关键设备，由输水管道运送的水分最终通过喷头喷射至空中。⑤田间工程。对于移动式喷灌机需要在田间修建水渠等相应的附属建筑物，将灌溉水从水源引至田间，以满足喷灌的要求。
与其他节水灌溉设备相比，喷灌技术的突出优势在于其对各种地形适应性强，受地形条件的限制小，可用于各种类型的土壤和作物。由于喷灌灌水的均匀度与地形和土壤透水性无关，因此在地形坡度很陡或者土壤透水性很大难于采用地面灌水方法的地方均可采用喷灌。因此喷灌技术的应用范围广泛，在地形上，既适用于平原地区，也适用于山丘地区；在土质上，既适用于透水性大的土壤，也适用于入渗率低的土壤，但是喷灌灌溉存在以下缺点：①灌溉的均匀度和喷洒效果会受到风力的影响。②表层土壤润湿充分，深层土壤润湿不足。③有空中损失。综合上述优缺点，在下述情况下采用喷灌系统可达到更好的效果。第一，浅根系作物；第二，坡度大或者地形起伏明显的区域；第三，需要调节田间微气候的作物，包括防干热风或者霜冻；第四，少风地区或者灌溉季节风力小[15]。
3.1.2微灌。
微灌是微润灌溉技术的简称，是依作物需求，通过管道系统与系统末端（田间）的灌水器，在管內外水势梯度差驱动下，将水分以较小的流量，均匀持续地输送至作物根系附近土壤的灌溉技术。滴灌是最早应用的微灌技术，随着科技的发展，微灌方式已不再是单一的滴灌方式，而是逐渐发展出滴灌、微喷灌、涌泉灌等多种方式[13]。
一套完整的微灌系统的组成部分通常包括：①水源。江河、湖泊、水库、沟渠和井泉等均可作为微灌的水源。②首部枢纽。包括水泵、过滤设备、动力机、肥料注入设备、控制器等。③输水管网。包括干管、支管和毛管3级管道，其中干管连接水源，毛管安装或连接灌水器。④灌水器。在田间直接施水的设备，其作用是消减压力，将管道中的水流变为水滴（滴灌）、细流（涌泉灌）或者喷洒状（微喷灌）的状态输入作物根系附近土壤。喷灌技术通常可节水60%以上，与之相比微灌技术的节水率更高，一般可达80%～85%。此外，与喷灌相比，微灌技术的耗能更低，因其工作压力低，所需水量少，相应地降低了抽水的能量消耗。但是微灌设备在实际推广应用中存在以下问题。第一，初期投资高；第二，为达到少量持续的灌溉目的，微灌系统的灌水器出口通常很小，易发生堵塞，因此对管道系统的过滤器要求高，并且需定期清理和维护，同时对水源的水质有较高的要求。因此微灌技术应用的主要对象为具有高经济效益的作物及严重干旱缺水的集雨农业地区农户小面积的作物种植等[12]。
喷灌技术和微灌技术均是节水效率较高的灌溉技术，各有其优缺点。在实际应用中，需从作物种植种类、地形、土壤、水源和地区经济状况等方面选择适用的灌溉技术，以达到节本增产、提高农业综合生产能力的目的。
3.2施肥模式
水肥一体化技术中配套的施肥模式根据其工作原理和方法可分为以下5种类型[1]。①压差式施肥。又称旁通施肥罐法，所用到的主要设备是施肥罐，工作原理是在输水管道上某处设置旁管和节制阀，使得一部分水流流入施肥罐，进入施肥罐的水流溶解罐中肥料后，溶解了肥料的水溶液重新回到输入管道系统，将肥料带到作物根系。因其具有操作简单、可直接使用固体肥料、无需预配肥料母液、无需外部能耗等优点，该设备应用十分广泛，但该方法的最大缺点是无法精准控制施肥浓度和速率，肥料溶液浓度随施肥时间逐渐降低。研究表明，随着施肥罐压差的增大，施肥罐出口肥料浓度降低十分迅速，如施肥罐压差为0.5 MPa时，肥料相对浓度从100%降至0经历约20 min，而施肥罐压差为3.0 MPa时，该时间小于10 min[16]。②重力自压式施肥法。该方法适用于应用重力灌溉的场合，如具有自然地形落差的丘陵山地果园等。其工作原理是在灌溉蓄水池处建立高于水池液面的肥料池，池底安装肥液流出管道，利用肥液自身重力流入灌溉蓄水池。该方法的优点：可控制施肥浓度和速度，肥料池造价低，无需外部能耗。缺点：因肥料溶液是先进入蓄水池，而蓄水池通常体积很大，故而灌溉后很难清洗干净剩余肥料，重新蓄水后易滋生藻类、苔藓等植物，有堵塞管道的隐患。③吸入式注肥。又称泵吸施肥法，顾名思义，该方法是通过离心泵产生负压将可溶性肥料吸入灌溉系统，适于任何面积的施肥。吸入式注肥的优点：操作简单，易于安装；与灌溉系统共用离心泵，无需外加动力，适宜施用固体可溶性肥料和定量施肥。缺点：肥液浓度不稳定，难以进行配方施肥和自动化控制，对部件连接要求高，施肥容量有限等。该方法在水压恒定时可实现按比例施肥。④注入式施肥。又称泵注肥法或主动式注肥，利用注肥泵将肥料母液注入灌溉系统，注肥泵可由电力或者水力驱动，注入口可在输水管道的任何位置，但要求注入肥液的压力大于管道内水流压力。注入式施肥法的优点：注肥速度可调，适用于各种不同肥料配方，既可实现比例施肥又可定量施肥。缺点：运行需有满足最小系统压力，需有正确设计和辅助配件，必须进行日常维护，前期投入成本高。
⑤文丘里施肥器。它是一种特殊的施肥设备，利用文丘里装置在管道内产生真空吸力，将肥料溶液从肥料管吸取至灌溉系统[17]。文丘里施肥器可实现按比例施肥，保持恒定的养分浓度，该法无需外部能耗，此外还具有吸肥量范围大、安装简易、方便移动等优点，在灌溉施肥中的应用十分广泛。
3.3水肥一体化技术下的肥料选择
应用于水肥一体化技术的肥料需遵循下列选择原则。①依据作物需肥规律。不同作物对于养分有不同的偏好，如香蕉生长过程中需求量最大的4种养分依次为钾、氮、钙、镁[18]；葡萄对氮、磷、钾的需求为1.0∶0.5∶1.2[19]。此外，植物在生长过程的不同阶段对养分需求不同。如苹果树在不同年龄时期对养分的需求不同[20]，在幼龄期需肥量较少，但对肥料非常敏感，对磷肥需求最高；在初果期（营养生长向生殖生长转化的时期），依然是以磷肥为主；盛果期根据产量和树势适当调节氮磷钾比例，同时要注意微量元素的施用；更新期和衰老期则需偏施氮肥，以延长盛果期。②依据田间土壤肥力水平及目标产量。在了解作物需肥規律的基础上，根据田间土壤的肥力水平和目标产量，才能精确计算作物生长过程中需要添加的外源性肥料的量。③分析灌溉水的成分及pH，了解肥料之间的化学作用。某些肥料会影响水的pH，如硝酸铵、硫酸铵、磷酸二氢钾等会降低水的pH，而磷酸氢二钾会增加水的pH，而高pH会增加水中碳酸根离子和钙镁离子产生沉淀的可能，从而造成灌水器堵塞。为防止管道堵塞，还需考虑肥料的溶解度和杂质含量以及不同肥料间是否会发生沉淀反应。
4水肥一体化技术在中国的应用前景
水肥一体化是一项现代农业生产的综合管理措施，在生产中具有显著的优点，因而在世界范围内得到快速、广泛地应用。除了以色列等沙漠国家外，很多欧美发达国家的水资源并不缺乏，采用水肥一体化技术主要是因为该技术可提高肥料利用率且能降低环境污染等。
在我国，水肥一体化技术的应用面积与发达国家相比有很大的差距，因此其在我国有着广泛的应用前景，原因在于：第一，我国的耕地面积非常有限，且逐年在减少，同时绝大部分地区缺水或者灌溉不方便。约有57%的耕地面积是靠自然降水，但是雨水的季节性分布和作物生长对水的需求周期经常不一致；旱灾发生频率很高，几乎覆盖了全国的各个农业生态区。第二，中国是世界上化肥消耗大国，1998～2008年的10年间，我国农用化肥年消费量增加了1 201.3万t，其中以蔬菜和水果为代表的园艺作物贡献率为71.6%；中西部地区的化肥施用增加率明显要高于全国平均水平[21]。在施肥过程中存在很多问题，如养分的分布不均衡，有些地方过量使用氮肥，导致氮、磷、钾比例失调，而有些地方虽注意了氮、磷、钾肥的平衡使用，但大量元素肥料和微中量元素之间的比例失衡，严重影响作物产量和产品质量的提高；施肥技术比较落后，很多地区农户不是根据作物需求而是根据经验施肥，而施肥方式则多采用肥料撒施或大水冲施，这种施肥方式导致肥料利用率低下，不仅浪费大量的肥料资源，也导致了大量的能源损失。
第三，现代化技术的发展和国家政策的鼓励。现代科学技术的发展为设计出适应于不同地形和作物的灌溉设备提供可能，随着施肥设备的发展，施肥量的控制越来越精确。政府在技术研发和财政补贴方面逐步出台各项政策，鼓励水肥一体化技术的应用。
综上所述，发展水肥一体化技术在我国有着广阔的前景，这项技术的合理利用将有助于从根本上改变我国传统的农业用水方式，大幅度提高水资源和肥料利用率，促进生态环境保护的建设，为提高农业综合生产力和保证国家粮食安全提供有力保障。
43卷16期
杨林林等水肥一体化技术要点及应用前景分析
参考文献
[1]
张承林，邓兰生.水肥一体化技术[M].北京： 中国农业出版社，2012.
[2] 臧小平，邓兰生，郑良永，等.不同灌溉施肥方式对香蕉生长和产量的影响[J].植物营养与肥料学报，2009，15（2）： 484-487.
[3] 赵伟杰，姜晓燕，刘建伟.设施西瓜水肥一体化技术研究[J].现代农业科技，2013 （17）： 115-117.
