自动灌溉施肥系统措施技术研究进展

自动灌溉施肥系统方案技术研究进展

摘要: 自动自动灌溉施肥系统是指肥料随同灌溉水进入田间的过程,是施肥和灌溉技术相结合的一项新技术,是精确施肥与精确灌溉相结合的产物。本文比较详细地介绍了滴灌随水施肥的原理、优点、国内外自动灌溉施肥系统技术方面的研究进展，以及这一技术在我国的应用前景及存在问题等。

关键词: 滴灌自动自动灌溉施肥系统研究进展

引言

随着人口的不断增长，人类一方面需要继续提高作物产量，另一方面又需防止因化肥施用量过高和施用方式不当而引起的环境污染。解决这个问题的关键技术之一是综合调控土壤－作物系统中水分、养分等的运移、贮存、转化以及相应的生态效应，以达到增加产量、节约水肥资源、提高环境质量的目的。

化肥在世界农业生产所取得的巨大进步中发挥了重要作用。据估计，世界农作物增产的30％～60％来自化肥。然而，普遍存在的问题是化肥利用率低，肥料生产效益长期徘徊在较低水平。在施用化肥总量中，氮肥占有相当大的比重，约为60％左右。我国氮肥利用率为30％～50％，其中水稻平均为33％～38％，麦类作物为28％～41％，国外一般氮肥利用率为50％～60％，50％左右的氮素从各个环节损失掉。因此，合理施用氮肥对于农业生产具有举足轻重的作用。为了合理有效地施用化肥，提高氮肥利用率，国内外农学工作者做了大量的工作，也取得了很多有效经验。

仅从施肥来看，传统的施肥方法就有撒施、集中施<包括穴施、沟施、环状及放射施等）、分层施用、叶面施用等，以上施肥方法虽然在不同程度上有利于提高肥料的利用效率，但结果都不太理想。近年来，随着节水灌溉技术的发展，与其相结合的自动灌溉施肥系统技术的应用引起人们的关注。自动灌溉施肥系统是定量供给作物水分和养分及维持适宜水分和养分浓度的有效方法。美国的微灌面积从1981 年的185000hm2 , 增加到1995 年的1000000hm2 , 约占总灌溉面积的 5 %[2 ] 。而在以色列微灌面积占总灌溉面积的75～80 %[3 ] 。我国的滴灌技术已由干旱地区向半干旱地区延伸, 从单一的节水向施肥、调温、植保、改善作物生长环境的综合增产措施发

展[4 ] 。自动灌溉施肥系统能够改善水分和养分管理, 具有提高产量和品质的潜在能力, 减少水分和养分渗漏,降低总需水量, 减轻施肥对环境的污染。

本文比较详细地介绍了滴灌随水施肥的原理、优点、国内外自动灌溉施肥系统技术方面的研究进展，以及这一技术在我国的应用前景及存在问题等。

1 自动灌溉施肥系统技术简介

1.1 自动灌溉施肥系统技术的概念

自动灌溉施肥系统是指肥料随同灌溉水进入田间的过程,是施肥技术和灌溉技术相结合的一项新技术,是精确施肥与精确灌溉相结合的产物。滴灌施肥技术是根据作物生长各阶段对养分的需求和土壤养分的供给状况, 准确将肥料补加和均匀施在作物根系附近, 并被根系直接吸收利用的一种施肥方法。采用自动灌溉施肥系统技术可以很方便地调节灌溉水中营养物质的数量和浓度,使其与植物的需要和气候条件相适应。可以大幅度提高化肥利用率。提高养分的有效性。促进植物根系对养分的吸收。提高作物的产量和质量。减少养分向根系分布区以下土层的淋失。还可以大幅度节省时间、运输、劳动力及燃料等费用,实施精确施肥.自动灌溉施肥系统的原则是根据作物的吸收规律提供养分,需要多少提供多少[7 ]。

1.2 自动灌溉施肥系统的方法

按照控制方式的不同,自动灌溉施肥系统可分为两大类:一类是按比例供肥,其特点是以恒定的养分比例向灌溉水中供肥,供肥速率与滴灌速率成比例.施肥量一般用灌溉水的养分浓度表示,如文丘里注入法和供肥泵法. 另一类是定量供肥又称为总量控制,其特点是整个施肥过程中养分浓度是变化的,施肥量一般用千克/ 公顷表示,如带旁通的贮肥罐法如图2所示. 按比例供肥系统价格昂贵,但可以实现精确施肥,主要用于轻质和砂质等保肥能力差的土壤；定量供肥系统投入较小,操作简单,但不能实现精确施肥,适用于保肥能力较强的土壤

1.3 滴灌施肥下水分和养分在土壤中的分布特点

滴灌的特点是水从点水源进入土壤,然后向各个方向扩散。土壤类型、滴头流量和每次灌溉的水量等均会影响水分在土壤中分布。对一种土壤来说,滴头流量的增加会引起水湿润土壤垂直深度变浅,以滴头为圆心的半径变大。如果给定灌溉水量和滴头流量,则砂土中水分湿润深度比壤土要深,但半径变小[8,11 ] 。由于自动灌溉施肥系统频率高,土壤水分含量变化不大,有利于作物吸收水分和养分,可提高肥料的利用率,特别是磷[9 ,10 ] 。

随着从滴头到湿润边缘距离增加,不被吸附的离子如NO3- 浓度也随之增加。壤土的湿润区域其离子浓度梯度比砂土要大,滴头流量大的比流量小的浓度梯度大。而吸附态养分在土壤中的移动性比非吸附态养分要低得多,养分在粘土比砂土易被吸附,因而养分在质地细的土壤的移动性比质地粗的土壤要慢。据研究, NO3- 和水分在土壤中分布相似,而磷在砂土和粘土的分布分别是距滴头11cm 和6cm[12 ] 。增加滴头流量,离滴头越远, NO3- 浓度越高,易积聚在湿润土壤边缘,但磷并不增加。如用盐水灌溉时,在湿润土壤边缘盐分很快积聚到有害作物生长的浓度[8 ,9 ,10 ] 。在滴灌条件下,尽管土壤交换性钾量很高,但作物最大钾吸收时期,仍要通过灌溉水补充钾[13 ] 。由于交换性钾从土壤固相进入溶液影响着作物对钾的吸收,当施用钾肥后,土壤中溶液钾的浓度提高,使钾的吸收量增加。

2 自动灌溉施肥系统的研究进展

2.1 国外滴灌施肥技术研究进展

目前，自动灌溉施肥系统己成为一些国家作物施肥的常规措施，以以色列为例，全国果树、花卉、温室栽培作物和多数大田作物均采用了这一施肥技术[14,31]，取得了显著的效果，成为以色列农业取得举世公认成就的主要支撑技术。随着可持续发展观念在人们意识中的加强，滴灌施肥在资源利用和环境保护方面的突出作用引起了越来越多学者的关注[32,33]。

现代滴水灌溉技术方法于1960年左右开始于以色列，之后，美国、澳大利亚、南非等陆续开展了这一方面的研究和应用，并在世界其他一些地方推广应用[34]。世界上滴水灌溉面积的增加十分迅速，1981年~1986年的5年间增长了63%，1981年一1991年间增长了329%，2000年预计将达到3亿hm。在以色列，75%以上的灌溉面积采用了这一技术，在一些发展中国家，滴灌的发展也很快，如印度、墨西哥等，滴水灌溉面积也达6万hm2以上。自1971年来，先后召开了5次滴水灌溉的国际学术会议，对这一技术的研究和应用成果进行了交流。滴水灌溉时，灌溉水仅湿润土壤的局部，由于受水分的限制，作物根系也主要分布在这一区域，这一区域之外的养分难以为作物根系吸收，因此.肥料撒施方法的效果受到限制，这时，肥料条施的效果优于肥料撒施。在以色列，对于一年生作物，尝试将肥料注入灌溉水中，取得了显著的效果。对滴灌的多年生作物，开始时采用将肥料于降雨季节施入，借助降雨将肥料带入根区。之后的研究发现，对于多年生作物，也可采用自动灌溉施肥系统的方法。设施栽培蔬菜、花卉生产的发展，对水肥调控技术提出的要求越来越高，为灌概施肥技术应用提供了市场

。这一技术显示出的巨大的应用潜力，是对其研究的推动力所在[35]。

肥料注入灌溉系统的装置由最初的简易设备，发展到由计算机控制的可随时检测和调整肥料加入种类、数量的自动化系统。生产者可根据需要，选择所需的装备。常见的将肥料加入滴灌系统的方法可分为两种。一种为肥料罐法，根据进出肥料罐两端水流压力差的不同，通过水流将肥料带入灌溉系统中。其优点是成本低，固体或液体肥料均适宜。缺点是不易控制加入肥料的浓度，即肥料的加入属定性的，不适合对养分控制要求严格的温室栽培的需要。另一类是采用肥料泵的方法，将肥料注入灌溉系统，这一方法可定量地控制加入肥料