第一章 水肥一体化技术基本原理

第一章水肥一体化技术简介一、水肥一体化技术的基本概念作物生产的目标是用更低的生产成本去获得更高的产量、更好的品质和更高的经济效益。

从作物的生长要素来看，其基本生长要素包括光照、温度、空气、水分和养分。

在自然生长条件下，前三个因素是人为难以调控的，而水分和养分因素则可人为调控。

因此，要实现作物的最大生产潜力，合理调节水肥的平衡供应非常重要。

在水肥的供给过程中，最有效的供应方式就是如何实现水肥的同步供给，充分发挥两者的相互作用，在给作物提供水分的同时最大限度地发挥肥料的作用，实现水肥的同步供应，即水肥一体化技术。

那么，什么是水肥一体化技术呢？狭义讲，就是把肥料溶解在灌溉水中，由灌溉管道带到田间每一株作物，以满足作物生长发育的需要。

如通过喷灌及滴灌管道施肥。

图1-1 雷州半岛的香蕉园通过滴灌施用硫酸钾镁肥图1-2 山地砂糖桔果园通过滴灌系统施用氯化钾图1-3 内蒙古马铃薯种植区通过滴灌系统施肥的场面广义讲，就是水肥同时供应以满足作物生长发育需要，根系在吸收水分的同时吸收养分。

除通过灌溉管道施肥外，如淋水肥、冲施肥等都属于水肥一体化的简单形式。

图1-4 广东冬种马铃薯地区拖管淋水肥的场景图1-5 菜农挑担淋水肥的场景图1-6 海南西瓜种植户通过膜下水带施液体肥的场景水肥一体化技术是现代种植业生产的一项综合水肥管理措施，具有显著的节水、节肥、省工、优质、高效、环保等优点。

水肥一体化技术在国外有一特定词描述，叫“FERTIGATION”，即“FERTILIZATION（施肥）”和“IRRIGATION（灌溉）”各拿半个字组合而成，意为灌溉和施肥结合的一种技术。

国内根据英文字意翻译成“水肥一体化”、“灌溉施肥”、“加肥灌溉”、“水肥耦合”、“随水施肥”、“管道施肥”、“肥水灌溉”、“肥水同灌”等多种叫法。

“水肥一体化”这个称谓目前被广泛接受，而“管道施肥”笔者认为更加形象贴切，肥料自身不会从管道流动，必须要溶解于水才能随管道流动。

这很容易区别于传统的施肥。

针对于具体的灌溉形式，又可称为“滴灌施肥”、“喷灌施肥”、“微喷灌施肥”等。

灌溉的理论基础是植物的蒸腾失水及土面蒸发失水，必须要源源不断补充土壤水分作物才能正常生长。

而水肥一体化的理论基础是什么呢？这要从植物是如何吸收养分说起。

植物有两张“嘴巴”，根系是它的大嘴巴，叶片是小嘴巴。

大量的营养元素是通过根系吸收的。

叶面喷肥只能起补充作用。

施到土壤的肥料怎样才能到达植物的嘴边呢？通常有三个过程。

一个叫扩散过程。

肥料溶解后进入土壤溶液，靠近根表的养分被吸收，浓度降低，远离根表的土壤溶液浓度相对较高，结果产生扩散，养分向低浓度的根表移动，最后被根系吸收。

第二个过程叫质流。

植物在有阳光的情况下叶片气孔张开，进行蒸腾作用（这是植物的生理现象），导致水分损失。

根系必须源源不断地吸收水分供叶片蒸腾耗水。

靠近根系的水分被吸收了，远处的水就会流向根表，溶解于水中的养分也跟着到达根表，从而被根系吸收。

第三个过程叫截获，即养分正好就在根系表面而被吸收。

扩散和质流是最重要的养分迁移到根表的过程。

这两个过程都离不开水做媒介。

因此，肥料一定要溶解才能被吸收，不溶解的肥料植物“吃不到”，是无效的。

在实践中就要求灌溉和施肥同时进行（或叫水肥一体化管理），这样施入土壤的肥料被充分吸收，肥料利用率大幅度提高。

图1-7 质流过程示意图图1-8 扩散过程示意图从对肥料浓度的控制条件看，通过灌溉系统施肥可以按下面两种方式进行。

1、按数量施肥在施肥时只考虑每次施入的肥料总量。

如对大田作物要求每公顷施多少公斤肥料，而对木本果树则要求每株施多少公斤肥料。

在施肥过程中，随着施肥时间的延长，被灌溉水带走的肥料浓度越来越低，最后趋于零，这种施肥方法称为按数量施肥（图1-9）。

传统的肥料撒施即是按数量施肥。

肥料浓浓度曲线度施肥时间图1－9 肥料浓度随施肥时间的变化2、按比例施肥（固定浓度施肥）在施肥时既考虑施肥数量同时又考虑施肥浓度，要求施肥过程中养分浓度是均匀一致的，这种施肥方法称为按比例施肥（图1-10）。

肥料肥料浓度浓度施肥时间图1－10 肥料浓度随施肥时间的变化对这两种施肥方式的选择主要根据作物的种类、根系生长介质和施肥成本来确定。

总体来讲按数量施肥的设备成本要低于按比例施肥。

一般大田种植的作物多采用按数量施肥，而温室栽植的蔬菜、花卉等多采用按比例施肥。

因为温室栽培多采用砂、泥炭、岩棉等疏松透气的基质。

这些基质虽然有很好的保水和通气性能，但对养分的吸附和缓冲性能低。

给根系供应恒定的适宜的养分浓度，可使根系免受高浓度养分造成的肥害。

在水肥一体化技术条件下的各种施肥设备有的是按数量施肥，有的是按比例施肥。

二、水肥一体化技术的优缺点1、水肥一体化技术的优点与常规施肥方法相比，通过灌溉系统施肥有以下优点：（1）节省施肥劳力。

在果树的生产中，水肥管理耗费大量的人工。

如在华南地区的香蕉生产中有些产地的年施肥次数达18次之多。

每次施肥要挖穴或开浅沟，施肥后要灌水，需要耗费大量劳动力。

而在水肥一体化技术条件下可实现水肥的同步管理，节省大量用于灌溉和施肥的劳动力。

南方地区很多果园、茶园及经济作物位于丘陵山地，施肥灌溉非常困难，采用滴灌施肥可以大幅度减轻劳动强度。

作者在深圳市南山区西丽果场（主要种植荔枝）调查发现，采用滴灌施肥后，可节省用于灌溉和施肥的人工95％以上。

现在劳动力价格越来越高，应用水肥一体化技术可以显著节省生产成本。

图1-11 人工拖管淋水肥示意图图1-12 采用管道施肥可以节省大量人力（2）提高肥料的利用率。

在水肥一体化技术条件下，溶解后的肥料被直接输送到作物根系最集中部位，充分保证了根系对养分的快速吸收。

对微灌而言，由于湿润范围仅限于根系集中的区域及水肥溶液最大限度的均匀分布，使得肥料利用效率大大提高；同时，由于微灌的流量小，相应地延长了作物吸收养分的时间。

在滴灌下，含养分的水滴缓慢渗入土壤，延长了作物对水肥的吸收时间；而当根区土壤水分饱和后可立即停止灌水，从而可以大大减少由于过量灌溉导致养分向深层土壤的渗漏损失，特别是硝态氮和尿素的淋失。

但在传统耕作中施肥和灌溉是分开进行的，肥料施入土壤后，由于没有及时灌水或灌水量不足，肥料存在于土壤中，并没有被根系充分吸收；而在灌溉时虽然土壤可以达到水分饱和，但灌溉的时间很短，因此根系吸收养分的时间也短。

研究结果表明，在田间滴灌施肥系统下，番茄氮的利用率可达90％，磷达到70％，钾达到95％。

肥料利用率提高意味着施肥量减少，从而节省了肥料。

图1-13 滴灌条件下水分只湿润根区土壤（3）可灵活、方便、准确地控制施肥数量和时间，可根据作物养分需求规律有针对性施肥，做到缺什么补什么，实现精确施肥。

例如果树在抽梢期，主要需要氮；在幼果期，需要氮磷钾等多种养分；在果实发育后期，钾的需求增加。

可以根据作物的养分特点，研制各个时期的配方，为作物提供完全营养。

根据灌溉的时间和灌水器的流量，可以准确计算每株树或单位面积所用的肥料数量。

有些作物在需肥高峰时正是封行的时候（如甘蔗、马铃薯、菠萝等），传统的施肥无法进行。

而如采用滴灌施肥则不受限制，可以随时施肥，真正按作物的营养规律施肥。

覆膜栽培可以有效地提高低温、抑制杂草生长、防止土壤表层盐分累积、减少病害发生。

但覆膜后通常无法灌溉和施肥。

如采用膜下滴灌，这个问题就可迎刃而解。

图1-14 马铃薯封行后田间人工追肥非常困难图1-15 木瓜覆膜栽培后人工追肥非常困难（4）施肥及时，养分吸收快速。

对于集约化管理的农场或果园，可以在很短时间内完成施肥任务，作物生长速率均匀一致，有利于合理安排田间作业。

作者对深圳西丽果场的荔枝滴灌施肥时间调查表明，52公顷荔枝采用滴灌施肥1人24小时可完成1次施肥，而以往人工操作情况下需32人1个星期才能完成。

及时快速的灌溉和施肥对果树的生长有现实意义。

抽梢整齐方便统一喷药而控制病虫害，果实成熟一致方便集中采收。

（5）有利于应用微量元素。

金属微量元素通常应用螯合态，价格较贵，而通过微灌系统可以做到精确供应，提高肥料利用率，降低施用成本。

（6）改善土壤环境状况。

微灌灌水均匀度可达90％以上，克服了畦灌和淋灌可能造成的土壤板结。

微灌可以保持土壤良好的水气状况，基本不破坏原有土壤的结构。

由于土壤蒸发量小，保持土壤湿度的时间长，土壤微生物生长旺盛，有利于土壤养分转化。

（7）采用微灌施肥方法可使作物在边际土壤条件下正常生长。

如沙地或沙丘，因持水能力很差，水分几乎没有横向扩散，传统的浇水容易深层渗漏，水肥管理是个大问题，大大影响作物的正常生长。

采用水肥一体化技术后，可保证作物在这些条件下正常生长。

国外已有利用先进的滴灌技术配套微灌施肥开发沙漠，进行商品化作物栽培的成功经验。

如以色列在南部沙漠地带广泛应用微灌施肥技术生产甜椒、番茄、花卉等，成为冬季欧洲著名的“菜篮子”和鲜花供应基地。

我国有大量的滨海盐土和盐碱土，采用膜下滴灌施肥，可以使这些问题土壤也能生长作物。

（8）应用微灌施肥可以提高作物抵御风险的能力。

近几年来，华南许多地区秋冬或秋冬春连续干旱，持续时间长，在应用水肥一体化技术的地块可保证丰产稳产，而人工灌溉地块则成苗率低、产量低。

水肥一体化技术条件下的作物由于长势好，相对提高了作物的抗逆境能力。

（9）采用水肥一体化技术，有利于保护环境。

我国目前单位面积的施肥量居世界前列，肥料的利用率较低。

由于不合理的施肥，造成肥料的极大浪费，致使大量肥料没有被作物吸收利用而进入环境，特别是水体，从而造成江河湖泊的富营养化。

在水肥一体化技术条件下，通过控制灌溉深度，可避免将化肥淋洗至深层土壤，从而大大减少由于不合理施肥、过量施肥等对土壤和地下水造成污染，尤其是硝态氮的淋溶损失可以大幅度减少。

（10）在水肥一体化技术中可充分发挥水肥的相互作用，实现水肥效益的最大化，相对地减少了水的用量。

（11）水肥一体化技术的采用有利于实现标准化栽培，是现代农业中的一个重要技术措施。

在一些地区的作物标准化栽培手册中，已将水肥一体化技术作为标准技术措施推广。

（12）由于水肥协调平衡，作物的生长潜力得到充分发挥，表现为高产、优质，进而实现高效益。

2、水肥一体化技术的局限性（1）尽管水肥一体化技术已日趋成熟，有上述诸多优点，但因其属于设施施肥，需要购买必须的设备，其最大局限性在于一次性投资较大。

根据近几年的灌溉设备和施肥设备市场价格估计，大田采用灌溉施肥一般每亩设备投资在400～1500元，而温室灌溉施肥的投资比大田高。

投资大小与众多因素有关（后面有详细的分析）。

（2）除投资外，水肥一体化技术对管理有一定要求，管理不善，容易导致滴头堵塞。

如磷酸盐类化肥，在适宜的pH值条件下易在管内产生沉淀，使系统出现堵塞。

而在南方一些井水灌溉的地方，水中的铁质引致的滴头铁细菌堵塞常会使系统报废。