我国喷灌机现状与发展思考

Special subject
专 题22
《农机市场》 2024年第3期
我国是水资源最匮乏的国家之一，水资源时空分布极不均匀，农业用水占全国总用水量约62.4%，因此，农业节
水是促进水资源可持续利用和保障国家粮食安全的重大战略举措。

喷灌是一种农业高效节水灌溉技术，不仅能改善田间小气候，促进作物生长发育，而且对盐碱地也具有良好的淋洗作用，并可利用沼液等有机水肥进行灌溉，因此，喷灌技术与其他高效节水灌溉技术相比具有不可替代的作用。

喷灌机是实现喷灌技术的载体，主要有大型喷灌机、中型
喷灌机和固定/半固定轻小型喷灌机组三大类型。

近10年来，我国学者从不同角度综合分析了中国灌溉装备的现状和发展趋势，还有学者分别分析了大型喷灌机、卷盘式喷灌机和轻小型喷灌机各自的研究现状和发展趋势。

随着农业机械化、智能化的快速发展，需要提出适合中国国情、区域资源条件和不同农作物的喷灌机发展策略。

截至2020年的水利数据统计，我
国喷灌面积达461.356亿m²，比10年前增加了1.52倍。

目前，东北地区喷灌面
我国喷灌机现状与发展思考
□ 邱志鹏
积最大，占全国总喷灌面积47.0%，其中黑龙江省贡献率最大，占东北地区喷灌面积35.3%。

其次是华北地区，占全国总喷灌面积22.5%。

喷灌技术应用主要集中在北方地区，覆盖了中国粮食主产地。

第三是华东地区，占全国总喷灌面积13.2%。

可见，喷灌技术应用的
区域发展差距较大，北方地区耕地面积大，农作物主要是大田主粮作物，适合大、中型行走式喷灌机作业；南方地区地块散而小，农作物主要是果蔬茶等经济作物，适合轻小型喷灌机应用。

总体上看，高效节水灌溉技术应用面积还是偏低，喷灌技术应用占比仅为12%，与
欧美发达国家相比存在较大差距。

20世纪20年代，苏联发明了自动
旋转喷头和远射程喷灌设备，并将固定或半固定式喷灌系统应用于农田灌溉；20世纪30至70年代，美国推出了具有灌溉管理成本低、自动化程度高、适应大片平整土地等优点的滚移式喷灌机、圆形喷灌机和平移喷灌机；20世纪70年代，欧洲推出了具有适应性强、机动方便的卷盘式喷灌机。

欧美发达国家
喷灌面积占节水灌溉面积均超过50%。

我国的喷灌技术是从20世纪50年代开始，历经引进、探索、发展、停顿和再发展5个阶段。

20世纪70和80年代，研究人员开发了系列轻小型喷灌机组，适应了当时农村经济体制和散小农田的灌溉。

为适应大田作物机械化灌溉，20世纪80年代又通过引进、消化、吸收，开发了大型圆形喷灌机和平移喷灌机、中型卷盘式喷灌机和滚移式喷灌机，但限于各种原因，发展速度较慢，保有量严重不足。

2010年以前，喷灌仍以轻小型喷灌机为主，市场占有率达70%以上。

直到2010年以后，大、中型喷灌机的发展进入快速增长期，“十二五”和“十三五”期间，喷灌面积分别新增23.8%和23.1%。

目前，国内的卷盘式喷灌机保有量达10多万台套，大型喷灌机保有量1.8万多台套，轻小型喷灌机
保有量约40万台套，形成了以卷盘式喷灌机、大型喷灌机和轻小型喷灌机为主流喷灌装备的格局，基本适应了中国不同区域不同作物对喷灌装备的需求。

卷盘式喷灌机机动灵活、维护方
便、适合大中小不同地块规模，是我国近10年发展最快的喷灌机种类。

在长期努力下，卷盘式喷灌机制造过程中的
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“卡脖子”关键技术获得了重大突破，整体技术达国际先进水平。

中国自主优化的高效水涡轮已完全替代早先引进的第一代水涡轮，效率指标国际领先。

光伏电驱动技术指标喷灌均匀性控制与预测技术折叠喷洒臂技术、驱动-传动优
化匹配技术等达到国际先进水平。

多能互补混合驱动技术、全工况驱动与传动系统调控技术、宽幅桁架喷洒臂及低压微喷头、变量灌溉技术应用、提高PE 输水管力学性能和减少壁厚及质量、基于灌水决策的机载物联网控制器、云水肥管理平台等将是下一代卷盘式喷灌机的研发重点。

此外，卷盘式喷灌机将向轻小型化及智能人化方向发展，以适应不同土地规模，特别是小散地块、丘陵山区果蔬茶等经济作物的无人水肥药靶向同步喷施。

圆形喷灌机和平移喷灌机习惯上都称为大型喷灌机，圆形喷灌机也称中心
支轴式喷灌机，占大型喷灌机的90%，喷灌面积占总喷灌面积的14%左右。

大型喷灌机是长期停留在田间的灌溉装备，随时可以启动作业，自动化程度较高，因此，基于大型喷灌机平台，实现大型喷灌机多功能化将是其发展方向。

除了已有的水肥一体化功能外，在卫星定位和导航技术的支持下，圆形和平移喷灌机将合为一体，形成适应多种地块形状的圆平喷灌机；在喷灌机桁架上附加往复滑动施药系统，实现植保功能等等。

滚移喷灌机是一种半行走半固定的
喷灌机类型，与圆形、平移和卷盘喷灌机相比，自动化程度较低，在喷灌机市场的占有率不高，产业化发展较慢，研究也相对较少。

其应用的主要难点是自
动化程度低，在完成一次定点喷灌作业后，移位到下一个位置前和到位后，需要人工将支管与干管的供水栓脱离和连接，因此，研究解决支管和干管供水栓自动连接问题是滚移式喷灌机今后的发展方向。

轻小型喷灌机是中国传统的喷灌机
型，“十二五”以前喷灌以轻小型喷灌机为主，长期以来为中国农业节水和抗旱发挥了重要作用。

目前，轻小型喷灌机的市场占有率受卷盘式喷灌机和大型喷灌机的冲击很大，但在低压管灌、抗旱、散小地块丘陵山区和设施农业灌溉时仍发挥很大作用，新能源水泵、低压喷头、水肥一体化设备、智能化是固定喷灌系统今后的发展方向。

从以上喷灌机研究进展可以看出，
在土地规模化程度较高但农村劳动力
缺乏的情况下，自动化程度较高的圆形喷灌机、平移喷灌机和卷盘式喷灌机发展较快，因而这3种类型的喷灌机的研究热度也较高，新一代卷盘式喷灌机设计理论、关键技术和产品的创新及产业化成果显著，但需要进一步降低能耗、提高智能化水平和应用模式创新等。

圆形和平移喷灌机整机已实现国产化，智能变量喷灌、水肥一体化技术的理论与应用成果丰硕，但关键核心部件的设计理论及自主创新仍显不足，在水资源不足、土地规模不大和管理水平不高的地区推广应用，仍有很大局限性，轻小型喷灌机自主创新了众多的新技术和新产品，形成了新型绿色轻小型喷灌机，但成果转化应用及产业化相对薄弱。

滚移式喷灌机有待加大自主创新力度，提升自动化程度，加快产业化步伐。

在行走式喷灌机的田间管理与应用模式中，随
着农业机器人技术的发展，多功能智能灌溉机器人将迎来新的发展机遇。

水资源短缺已成为全球粮食安全
的主要制约因素。

我国降水时空分布不均，受季风气候及地势的影响，降水量呈南多北少、东多西少的基本格局。

而且华北平原区地下水严重超，形成160
余个地下水超采区。

北方地区仅利用全国1/5的水资源，却生产全国一半以上的粮食，承担巨大的资源和环境压力。

康绍忠院士提出，粮食安全的水资
源保障应包括水资源的合理配置与高效供给、水资源的农业高效利用、水污染防治和保护、应对极端气候灾害的水资源保障等方面。

因此，在资源环境强约束挑战下，应综合人口、资源、环境、耕地、种植结构、成本等多种因素，选择符合实际的节水灌溉技术。

2022年中央一号文件和国家
“十四五”规划纲要提出“2022年建
设高标准农田1亿亩，累计建成高效节水灌溉面积4亿亩”和“新建高标准农田2.75亿亩，其中新增高效节水灌溉0.6亿亩”的目标。

要求“发展节水农
业和旱作农业”“深入实施农药化肥减量行动”，治理农膜污染，“支持将符合条件的盐碱地等后备资源适度有序开发为耕地”。

《全国高标准农田建设规划》提出，“到2030年建成12亿亩高标准农田”“将高效节水灌
溉与高标准农田建设统筹规划、同步实施，完成1.1亿亩新增高效节水灌溉建
设任务”。

国家为农业节水的发展提供了政
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策的保障和难得的机遇，同时，对节水灌溉装备研发提出了更高、更全面的要求。

智慧农业的发展、农业种植结构变化和盐碱地改造耕地都为我国灌溉装备发展带来了新的机遇。

喷、微灌是高效节水灌溉技术，微
灌最节水，许多研究认为，喷灌比地面
灌溉节水30%～50%，微灌较地面灌溉节水50%～70%，低压管灌比渠道灌节水15%～30%。

因此，单从节水考虑，节水能力由高到低依次是微灌、喷灌、低压管灌和渠道灌。

喷灌应用最多的是东北地区，占喷灌面积47%，其中黑龙江占35%。

微灌面积近10年增长迅速，其中西北地区超60%，新疆占52%，但同时膜下滴灌的农膜及滴灌带残留污染仍是微灌面临的重大问题。

低压管灌主要应用在华北和华东地区，分别占36.9%和28.8%，特别是北方井灌区，可能是造成地下水严重超采的主要原因，华东是渠道地面灌溉面积最大的地区，占40.6%，但节
水效果明显不及喷微灌技术。

总体上，我国喷微灌面积占比仍然偏低，仅占31%，其中喷灌为12%。

因此，建议在北方地区根据实际情况扩大喷微灌应用面积，减少低压管灌方式，减轻水资源和环境压力；在南方地区加大使用喷灌技术，减少地面灌溉和低压管灌。

随着我国喷灌机国产化程度和性能
的提升，喷灌的亩造价已大幅降低，如果计入滴灌带每季使用后的更换费用，喷灌机比滴灌的成本还要低。

如果考虑更大规模农田，大型喷灌机的成本会更低。

而且喷灌机的设备利用率高、寿命长（平均15年）、维护费用低、作业效率高。

当然，滴灌设备成本也会随着
科技进步不断降低，而且在水资源严重匮乏的干旱和半干旱地区，应该首选滴灌。

喷灌的最大优势是使农田灌溉从传
统的人工作业变成半机械化、机械化和自动化作业，并正朝着全面智能化方向发展。

随着我国经济发展及国力增强，高标准农田建设及农业规模化经营稳步推进，喷灌机性能及功能不断增强，使以往喷灌的局限性逐步转变成发展优势。

喷灌不仅节水，而且能协调土壤
水、气、热状况，改善小气候，使作物的蒸腾受到明显抑制，对作物生长发育和品质的提高效果显著。

同时喷灌对水质要求不高，可以利用沼液等有机水肥开展作物的灌溉。

喷灌还对盐碱地具有良好的淋洗作用，对扩大耕地具有促进作用。

在遭遇严重旱情时，喷灌可以及时快速补充粮食作物水分，是抗旱保粮的主要手段，因此，与其他灌溉技术相比，喷灌技术具有不可替代的作用。

长期以来，我国农业机械化注重
拖拉机、播种机、收割机、施肥机、植保机等农业机械，而灌溉机械则处于边缘化，灌溉机械化成为全程机械化的短板。

当前，随着智慧农业的发展，要求田间管理智能化，而土壤水分管理是作物生长的必要保障，农业全程机械化不能缺席灌溉装备的机械化，行走式喷灌机正是补齐短板的最好灌溉装备。

目前，玉米大豆复合种植和夏粮小麦促弱转壮模式等农业种植结构的改变，更加需要全程机械化作业和田间管理，喷灌
机水肥变量精准作业将发挥更大作用。

国家政策多次强调要深入实施农
药化肥减量行动，研发示范高效节水灌溉、测土配方施肥等现代节水节肥农业技术，研究与农艺相适应的精准施肥施药等智能作业装备“十三五”期间多个国家重点研发计划开展了圆形和平移喷灌机、卷盘式喷灌机水肥一体化作业研究和应用示范，取得了许多研究成果，基于行走式喷灌机平台的施药植保系统也已形成样机，水肥药同机一体化作业新模式将弥补打药机地隙高度低、植保无人机载药量低、续航能力差等不足。

随着物联网、卫星遥感、人工智
能、传感技术和智能控制等领域的科
技进步，中国无人农机成为当前研究热点，喷灌机全程无人化智能作业也自然成为今后发展的方向，未来喷灌机将集农田作物水分、养分、病虫害、长势等信息感知技术、智能化决策、精准化作业和智慧化管理于一体，实现全程无缝对接。

为解决中国农村“老人化”“空心化”等劳动力短缺突出问题、突破农业全程机械化中农机农艺融合的难点技术提供全程无人灌溉解决方案。

▌图为河南焦作麦田喷灌作业。