国内外水肥一体化技术发展现状与趋势

第56卷 第6期Vol. 56 No. 62018年6月June 2018农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2018.06.004国内外水肥一体化技术发展现状与趋势李寒松1,贾振超1, 张锋2，赵峰1,贺晓东1,慈文亮1,李青1,李震3(1. 250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院；2. 250200 山东省 济南市章丘区农业机械管理局；3. 250100 山东省 济南市 山东农业工程学院)[摘要] 水肥一体化技术是解决我国当前灌溉水肥利用率低、消耗大、污染严重等问题的有效手段，是一种新型的农业高新实用技术。

文章介绍了水肥一体化技术的国内外现状和相关应用装备，分析了现今国内技术发展的主要问题，并总结了解决途径和发展方向。

[关键词] 水肥一体化技术；现状；趋势[中图分类号] S365 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2018)06-0013-04Current Development Status and Trend of Fertigation Technology at Home and AbroadLi Hansong1, Jia Zhenchao1, Zhang Feng2, Zhao Feng1, He Xiaodong1, Ci Wenliang1, Li Qing1, Li Zhen3(1. Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences，Jinan City，Shandong Province 250100, China2. Zhangqiu District Agricultural Machinery Authority, Jinan City，Shandong Province 250200, China3. Shandong Agriculture and Engineering University, Jinan City, Shandong Province 250100, China) [Abstract] Fertigation technology is an effective means to solve the current problems of low utilization of irrigation water and fertilizer, large consumption and serious pollution. It is a new type of agricultural high-tech practical technology. This paper introduces the current situation of fertigation technology and related application equipment, analyzes the main problems of domestic technology development, and summarizes the solutions and development direction.[Key words] fertigation technology; current status; trend0 引言我国是一个严重缺水的国家，水资源总量仅为世界的6%，我国耕地面积占世界的9%，每年生产占世界26%的农产品，属于水资源严重紧缺的国家。

每年灌溉用水缺口300亿 m3以上，同时我国的灌溉水利用系数平均仅为0.3~0.4，仅为发达国家的1/2左右。

我国化肥使用量却是世界之最，化肥年用量超 6 000万t，占世界总量的1/3，然而化肥利用率仅为30%，比发达国家低20%。

目前这种水肥高消耗、低效率的生产方式已经造成了土壤性状恶化、资源浪费、环境污染、生态破坏等一系列问题，严重制约了我国农业的可持续发展[1]。

针对当前问题，水肥一体化技术的进一步发展和推广势在必行。

水肥一体化技术将灌溉和施肥融为一体，根据植物所需养分含量和土壤墒情，将可溶性固体肥料或液态肥与灌溉水融合，借助灌溉压力系统控制灌溉强度和灌溉深度，将根据作物要求和土壤养分需求所确定的水肥溶液准确直接输送到作物根系发育生长区域，使作物土壤始终保持作物所需的水分和养分，避免水肥的深层渗漏和超量棵间蒸发，从而达到节水、节肥的目的，改变田间气候，是一种新型的农业高新实用技术。

相比一般的水肥施用方法，水的利用率可提高40%~60%，肥料利用率可提高30%~50%，在节水、节肥方面优势明显，是现代化农业发展的必然趋势[2]。

为了提升我国水肥一体化的发展水平，本文总结了国内外现状和当前应用装备情况，分析现有问题，并提出问题的解决途径和未来发展趋势。

1 国内外发展现状1.1 国外发展现状国外发展水肥一体化技术起步较早，自20世纪30年代就开始研究运用喷灌技术，用于庭院花卉和草坪的灌溉。

到20世纪三四十年代，随着金基金项目:山东省农机装备研发创新计划项目（2017YH004）收稿日期: 2017-08-16 修回日期: 2017-08-2514农业装备与车辆工程 2018年属冶炼和轧制技术的发展，薄壁金属管道逐渐被选取用于制作移动输水管，替换原有的地埋式固定管。

20世纪50年代以后，由于塑料工业的快速发展，价格低廉、质量较轻的塑料管制品逐渐代替金属管，促进了微、喷灌技术的发展[3]。

作为干旱的发达国家，以色列在20世纪60年代就开始运用水肥一体化技术，1964年建立全国输水系统用于灌溉施肥，全国一半以上的耕地都采用加压灌溉施肥系统，包括温室蔬菜、花卉、育苗、果树、大田作物等。

20世纪80年代开始，以色列开发自动推进机械灌溉系统，实现肥料罐、文丘里真空泵和水压驱动肥料注射器等多种形式并存，并且加入计算机控制技术，提高养分分布均匀度，水肥效率大幅度提高。

美国是目前微灌面积最大的国家，农业中25%的玉米、60%的马铃薯、33%的果树均采用水肥一体化技术。

美国对水溶性肥料的研究较早，具有多项水溶性肥料专利技术，用于水肥一体化的专用型肥料占肥料总量的38%，并开发水肥注入控制装置，实现精细化灌溉[4]。

此外，英国、德国、日本、法国等国家的水肥一体化技术发展也较快，已经形成设备生产、肥料配制、推广和服务的完善技术体系。

目前国外发达国家的水肥控制系统优势较为明显，多采用传感器技术、互联网技术、EC/ pH综合控制、气候控制系统、自动排水反冲洗系统等高新技术，依据作物类型和生育期不同的施肥灌溉特征，采集环境数据信息，实时检测水肥浓度，经数据处理后指令控制系统执行相关操作，实现智能化施肥。

代表产品有以色列Eldar-shany公司的Frtimix、Fertigal、Fertijet自动灌溉施肥器以及耐特菲姆(Netfim)公司的NETAJET、FERTIKIT等。

1.2 国内发展现状国内水肥一体化技术起步较晚，自20世纪70年代由墨西哥引进滴灌设备，建立5.3 hm2试验田，开始研究滴灌设备与农艺栽培技术的结合。

在1980年自主研制了第一代成套滴灌设备，之后在引进国外先进技术的基础上逐渐实现灌溉设备规模化生产。

随着节水灌溉的推广，水肥一体化灌溉的研究也开始同步进行，到20世纪90年代中期，灌溉施肥技术理论及应用日益受到重视，国内针对水肥一体化技术开展大量培训和研讨工作。

2002年，农业部组织实施旱作节水农业项目，建立多个水肥一体化核心示范区，由小范围试验示范向大面积推广应用转变，涉及20多种农作物，包括棉花、果树、蔬菜等经济作物以及小麦、玉米、大豆等粮食作物。

随着多年的技术研究与积累，相关企业、高校与科研单位开发了大量水肥一体化设备和灌溉技术，如压差施肥罐、移动式灌溉施肥机、重力自压施肥系统、泵吸施肥法、膜下滴灌施肥技术、小白龙喷水带微喷施肥技术、覆膜沟灌施肥技术、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[5]。

国内水肥一体化技术多通过喷灌、滴灌、微喷灌等灌溉模式进行，其设备主要由控制系统、压力管道系统和施肥系统所组成。

施肥系统中的主要部分是施肥器，向压力管道内注入可溶性肥料，常用的施肥器多采用自压式、压差式、文丘里式、比例式注肥泵等。

自压式施肥装置结构较为简单，主要是利用肥料源头和灌溉田地的高度差实现随水施肥，如图1所示，通过开关调节肥料控制阀和水量控制阀，肥料会依靠重力作用自动随水流进入灌溉管路。

由于自压式施肥方式技术难度较低，国内农户便于操作，施肥时无需动力，多被用在山区、高地等具有自压条件优势的地区。

但由于是定量化施肥，随着施肥过程的进行，肥液浓度不均匀，容易受水压差变化的影响。

压差式施肥装置主要以压差式施肥罐为主，一般由肥料罐、进出水管、调节阀等组成。

压差式施肥罐工作时通过调节阀使前后进出口形成一定压力差，借助压差使水流进入施肥灌，将充分混合的肥液压入灌溉管路[6]。

如图2所示。

压差式施肥罐操作简单，加工制作方便，成本较低，在我国普遍应用，尤其是温室大棚、大田种植。

但由于施肥罐体积受限，大面积使用时需多次添加肥料，且不易控制肥液浓度变化。

图1 自压式施肥装置Fig.1 Self-pressure fertilization device15第56卷 第6期李寒松 等：国内外水肥一体化技术发展现状与趋势文丘里式施肥装置中的水流经过一个由大渐小然后由小渐大的管道，在最窄出水流速加大，压力减小，在喉部产生负压，将肥液经小口径吸管吸入灌溉系统。

如图3所示。

文丘里施肥器构造简单，价格低廉，随着节水农业的发展，其在园林、园艺和设施农业等方面的应用越来越广,但国内产品质量同国外相比差距较大，部分产品稳定性难以保证，吸肥量容易受到运行压力环境的影响，易出现倒吸现象[7]。

注肥泵是借助管道自身水动力或者外部动力实现肥液注入灌溉管道。

其中借助水动力的注肥泵直接安装在水管中，管路中水流驱动注肥泵工作，按设定比例定量将较高浓度的肥液吸入，与主管中的水充分混合后被输送到下游，如图4所示。

且无论管路中的水压及水量如何变化，吸入的药剂量始终同进入比例加药泵中水的体积成比例，确保混合液中的比例恒定，是目前注肥泵的主要形式[8]。

水动力比例注肥泵在我国尚停留在研制阶段，产品性能不够稳定，国外产品占据了我国市场多数份额。

除此之外，还有通过电力驱动机械注肥的装置，如柱塞式注肥泵等[9]，而此类需要额外消耗电能，且价格较高。

多种施肥装置中，自压式施肥和压差式施肥属于总量施肥，施肥过程中，养分浓度会逐渐降低，文丘里式施肥装置和注肥泵则属于比例施肥，其施肥过程中供肥比率一定，能够较好地实现精确控制，避免肥液灌溉不均匀等问题。