棉田水肥一體化技術發展現狀及展望

圖2 以色列自動化施肥裝置

美國是世界上微灌面積最大的國家，在加州建成了完善的水肥一體化設施及服務體系，在水溶肥料、控制裝置上的投入也很大，液體肥料占總肥料的40%左右，液體肥料工廠近3 000家，主要的液體肥料品種有聚磷酸銨溶液、氨溶液、硝酸銨鈣溶液、尿素溶液、稀磷酸溶液、液氨、硫代硫酸銨溶液和各種配比的氮磷鉀溶液等。此外，水肥一體化技術及其配套的水溶液研製和生產在德國、荷蘭、西班牙、義大利等已開發國家已形成完善的設備生產、肥料配製、推廣服務體系。

目前，外國學者認為地下滴灌技術是今後微灌發展的方向之一。地下滴灌是將全部滴灌管道和灌水器埋入地表下面的一種灌水形式，其優點是免除毛管在作物種植和收穫前後的安裝和拆卸工作，不影響其他農業操作，延長了設備的使用壽命；缺點是不能檢查土壤濕潤和灌水器堵塞情況。美國已將地下滴灌技術應用於玉米、棉花、蔬菜、果樹等30多種作物的灌溉中。澳大利亞在棉花上運用地下灌溉技術，出現了諸多問題，從而得到了相關經驗：一是制定地下滴灌安裝和管理規範，對地下滴灌用戶進行管理知識培訓；二是在安裝之前，除去作物殘留根系，防止扎破滴灌帶；三是過濾器、管網要定時沖洗；四是在施工過程中，地下滴灌用戶要主動參與；五是對於一些地面金屬設備，為了防止其生鏽，要用塗料進行養護，對於塑料管道，要避免碰撞產生裂縫。

1.2 國內水肥一體化發展情況

我國根據不同地區氣候特點、水資源現狀、農業種植方式及水肥耦合技術要求，主要分為4種水肥一體化技術模式。一是棉花、玉米、馬鈴薯膜下滴灌水肥一體化技術模式。該模式是集地膜覆蓋、微灌、施肥為一體的灌溉施肥模式，適用於西北、東北等水資源緊缺，且有一定灌溉條件的地區（圖3）。二是小麥、玉米微噴水肥一體化技術模式。該模式在灌溉時，採用管道輸水和微噴帶進行灌溉，適用於華北、長江中下游等水資源短缺等地區（圖4）。三是設施農業、果蔬滴灌水肥一體化技術模式。該模式是以機井水或地表水為水源，藉助滴灌進行灌溉和施肥，適用於全國範圍的設施農業。四是果園滴灌、微噴灌水肥一體化技術。該模式是集微灌和施肥為一體的灌溉施肥模式，每行果樹沿樹行布置一條灌溉支管，藉助微灌系統進行灌溉，適用於全國有水源條件的果園。

圖3 馬鈴薯膜下滴灌水肥一體化作業

圖4 小麥微噴水肥一體化作業

2 棉田水肥一體化技術研究及應用

棉花是我國的重要經濟作物之一，具有耐乾旱的特徵，研究棉花膜下滴灌水肥一體化技術具有十分重要的意義。新疆地區的棉花膜下滴灌是我國應用節水灌溉技術最早的大田作物灌溉地區，1999年研發了適於大面積應用的低成本滴灌帶。膜下滴灌作為現階段棉花水肥一體化的最佳方案，越來越多的國內專家對其進行研究。王立洪等對棉花膜下滴灌技術的節水、增產機理進行了分析，結果顯示，與常規灌溉對比，節水35%～63%，棉花增產18.5%～44.0%。

柴付軍等對棉花膜下灌溉效果及經濟效益進行分析，結果表明，膜下灌溉不僅可以提高勞動生產率，還能有效緩解土壤次生鹽鹼化程度，改善土壤環境。汪希成等對膜下滴灌與常規灌溉下棉花的經濟效益進行對比，並對棉花膜下滴灌的影響因素進行探討，提出了當前的問題和今後發展的意見。馬富裕等在新疆棉花膜下滴灌技術的發展與完善研究中指出，實現經濟效益、社會效益和生態效益的統一是當前急需解決的主要問題。

馬英傑等對滴灌技術的發展趨勢進行了分析，提出滴灌技術迅速推廣和持續發展的關鍵因素有兩點，一是投資減少，二是作物產量提高。趙成義等通過膜下滴灌田間試驗，研究了塔里木灌區棉田土壤鹽分運移特徵，指出了塔里木灌區現行棉花膜下滴灌制度存在的積鹽問題，對完善乾旱區膜下滴灌灌溉制度具有一定的指導意義。

張偉等從不同生育期、垂直方向、水平方向對膜下滴灌棉田水鹽運移規律進行了研究，為新疆棉田土壤次生鹽漬化防治、膜下滴灌棉田的水鹽動態監測提供了理論依據。戈鵬飛等通過對棉花膜下滴灌進行試驗研究，分析了不同灌溉定額和灌水周期對土壤水鹽分布及棉花生長的影響，認為灌水周期5d的處理能夠達到棉花最適宜的土壤水分範圍。串志強等對膜下滴灌條件下綠洲棉田土壤水分運動數值進行模擬，計算得到田間層狀土壤的水分變化情況，認為膜下滴灌應該採取灌水量小、頻度大的灌溉模式。

王一民等通過田間試驗，建立了實用性膜下滴灌棉花根系吸水模型，研究了在作物生長條件下的土壤水分運動，揭示了膜下滴灌棉花根系吸水規律。李曉明等研究發現，膜下滴灌的土壤鹽分分布規律會因不同的滴灌模式等差異而與一般性規律有所不同，可通過分析鹽分分布指導當地農業生產。

余美等通過棉花膜下滴灌大田試驗，研究了灌水頻率對土壤水鹽運移和分布規律的影響，並對不同灌水頻率的保墒、控鹽、增產效果進行了評價。劉雁翼等利用氣象資料指導膜下滴灌棉花滴灌試驗，結果表明，膜下滴灌棉花全生育期耗水量應控制在360～405mm之間。何雨江等為研究棉花微鹹水膜下滴灌的最優灌溉制度，從棉花生長和產量的角度出發，分析11種灌溉處理各生育期的變化情況，驗證了該灌溉制度的節水增產、保護土壤環境的優越性。

張 豫等在相同灌水量條件下，以不同比例混合地下鹹水和地表淡水，採用膜下滴灌方式充分灌溉棉田，探求土壤鹽分的時空變化規律，結果表明，膜下滴灌棉田鹽分的變化主要受灌溉水和蒸散發的影響。李莎等進行了微鹹水灌溉條件下不同灌溉方式對膜下滴灌棉花土壤鹽分影響的測坑試驗，結果表明，淡水灌溉對土壤的脫鹽效果最好，採用微鹹水灌溉時最好採用鹹淡交替輪灌方式，能避免土壤發生積鹽現象。

王峰等採用田間試驗研究了灌溉頻率與灌水定額對棉花生長、產量、品質及水分利用效率的影響，結果表明，高頻和中灌溉定額是南疆地區機采棉種植模式適宜的灌溉制度。楊鵬年等研究了乾旱區大田膜下滴灌土壤鹽分運移與調控，論證了膜下滴灌不僅是一種滴灌和覆膜相結合的節水技術，而且通過其精準灌溉的靈活應用，可達到生育期控鹽與非生育期排鹽的結合，從而為在乾旱區實現節水控鹽的目標提供技術保障。

汪昌樹等研究了乾旱區膜下滴灌棉田土壤水鹽運移規律及分布特徵，並對不同滴灌模式下的棉花產量和灌溉水生產效率進行評價。雷鵬程研究了滴水出苗對棉田水鹽分布及棉花生長的影響，分析不同滴水時間處理下土壤水鹽分布變化規律以及滴水出苗技術對棉花生長的影響，為生產實踐提供可行性依據。

張 治等研究了新疆地區膜下滴灌棉田生育期地溫變化規律，結果表明，膜下滴灌可有效起到保溫保墒作用，克服土壤高地溫低含水率或低地溫高含水率的矛盾，可為作物生長創造較好的土壤水熱條件。

袁晶晶等開展了微鹹水和淡水膜下滴灌棉花大田試驗，定時監測膜下滴灌棉田棉花不同生育期、不同空間位置處的溫度，探討了膜下滴灌棉田地溫的時空變化規律。

陳寶燕等對不同施N策略對膜下滴灌棉花葉綠素含量和產量的影響進行了研究，結果表明，充足供氮時，調整追氮比例對高產影響不大，供氮不足不易獲得高產，但調整追氮比例有一定的增產空間；氮肥充足並按照棉花需肥規律的推薦比例施氮，可延緩棉花早衰失綠，促成高產。

地下滴灌是一種高效、節水的灌溉技術，具有節水、高效的優勢，也存在成本高、維修困難等問題。國內很多學者對地下滴灌技術及其在棉花上的應用效果進行了研究。黃興法等和仵峰等通過對地下滴灌系統的優缺點進行分析，為我國地下滴灌技術的發展提供借鑑。宰松梅等對地下滴灌和膜下滴灌進行了對比分析，研究了不同滴灌形式對棉田土壤性質的影響，得到了高土壤體積質量的分布規律。

申孝軍以新疆大田棉花為研究對象，探討膜下滴灌和地下滴灌條件下，水分調控對棉花的影響，提出了適合新疆滴灌棉花優質高產的節水灌溉模式。李顯溦等通過數值模擬方法來探討地下滴灌一次性滴灌帶的合理埋深問題。袁江傑等以膜下滴灌為對照，開展了地下滴灌3種灌水量的田間試驗研究。

孔繁明研究了地下滴灌對棉花生長和產量的影響，探討地下滴灌技術在棉花生產上的示範應用效果，為地下滴灌在新疆棉花生產中的推廣應用提供科學依據。仵峰等對新疆、甘肅和廣西3個示範區的地下滴灌系統的投入和效益進行了對比分析，結果表明，地下滴灌與膜下滴灌棉花產量相當或略有增產。

3 棉田水肥一體化的優點

3.1 提高肥料利用率

傳統施肥方式肥料浪費嚴重，棉花植株對肥料的利用率才30%左右。通過水肥一體化技術，可以對棉花定向、定量施肥，肥料直接作用到作物本身，減少了肥料的浪費，肥料利用率提高1倍以上。

3.2 節約用水

膜下水肥一體化技術，實現了從傳統的大水漫灌到精準滴灌的轉變，提高了水資源有效利用率。膜下水肥一體化技術一方面減少了中途浪費水的環節，另一方面減少了水分的蒸發和下滲，從而起到節約水資源的目的，有利於農業的可持續發展。

3.3 節省人工

棉花的一般施肥原則為施足基肥、輕施苗肥、穩施蕾肥、重施花鈴肥和根外追肥，水肥管理往往需要大量勞動力，造成生產成本的提高。採用水肥一體化技術，在灌溉的同時施肥，大大減少了人工成本，大幅度減輕了勞動強度。

3.4 改善了土壤環境

水肥一體化使棉田的土壤疏鬆，孔隙增加，改良了棉田微生物的環境，有利於微生物的生長，防止土壤次生鹽鹼化。此外，使用水肥一體化技術能夠使乾旱土地、鹽鹼地、河灘地等變成綠洲，大大提高土地利用率，有利於解決當前土地資源緊張的問題。

3.5 降低農藥的施用量

水肥一體化可以降低土壤和空氣的濕度，使病蟲的成活率降低，有效減少病蟲的發生，從而降低農藥施用量，減少對土壤、空氣的污染程度，符合綠色發展理念，有利於打造良好的生態環境。

3.6 水肥一體化設備不斷完善

通過政府補貼、企業參與等方式，相關技術產品不斷完善，基本實現了水肥一體化設備的國產化，設備的成本投入已經下降70%；水溶肥料也實現了國產化，價格降幅達50%，大大促進了水肥一體化的普及和應用。

圖5為中國中化控股有限責任公司的MAP智能配肥站的技術演示，其實現了自動卸肥、計算重量、二次稀釋、自循環攪拌、遠程控制等功能，尤其是在種植時可以根據不同作物及土壤環境，設定種植過程中不同時期節點的營養補充產品和用量。

在施肥時可以根據作物養分監測數據調節施肥量，合理控制作物養分的吸收，達到節水節肥的目的。在生長過程中可根據土壤溫度、濕度、含水量、張力的變化，收集相關數據信息，積累推廣種植技術方案經驗。

圖5 中國中化控股有限責任公司的智能配肥站的技術演示

4 棉田水肥一體化技術存在的問題

4.1 配套設備不完善

我國對水肥一體化設備的研發已經取得突破，但是設備和產品結合得還不夠緊密，無法實現個性化定製。例如，一些地區只注重灌溉設備的配置，忽略了水溶肥料的研發和施肥制度的優化，阻礙了水肥一體化技術的發展。

4.2 管理人員專業化不夠

水肥一體化使用的設備較多，而企業往往只注重產品的銷售，忽略了對農民的技術指導、技術培訓、售後服務，導致農民的積極性不高，影響了技術的推廣。

4.3 成本相對過高

水肥一體化前期設備投資較大，財政補貼不足，造成農民負擔加重；後期購買肥料的渠道少，而且價格偏高。

5 棉田水肥一體化發展的途徑

5.1 加強設備與配套產品研發

企業、科研院所等要根據當地的土壤、氣候、地域，加強自主創新能力，研發適合本地區生產的技術設備和配套產品，一是專用肥料要水溶性好、方便購買、價格適宜；二是施肥制度要因地施策、簡單易行、安全可靠；三是土壤墒情監測要實現智能檢測、快速測土、缺素診斷；四是施肥設備要方便使用、耐用性強、防堵性好。

5.2 加強管理人員的技術培訓

加快建設國家、省、市級等各級棉花水肥一體化示範區，形成多層次、全方位依託示範展示基地。通過開展技術講座、深入田間教學、一對一指導等形式，開展農民專業技術培訓，讓農民能夠熟練使用水肥一體化設備。與此同時，企業還要為農民提供技術服務，包括售後服務、技術諮詢等增值服務。

加強部門合作，充分利用新型職業農民培育等現有資源，建立水肥一體化實訓基地，選拔培育一批掌握該技術的農機手、職業農機經營者、合作社帶頭人，培育一批善於鑽研、技藝熟練的農機工匠，從而保證水肥一體化技術的有效實施，為水肥一體化技術的大規模推廣奠定基礎。

6 棉田水肥一體化發展前景

我國水資源嚴重短缺，水肥一體化技術一方面可以節水、節能、節成本，另一方面還可以對環境起到保護作用。棉花膜下水肥一體化技術，不但是棉花全程機械化的一部分，而且有利於棉花產業的健康發展，具有十分重要的現實意義。

水肥一體化是實現農機建設智慧化的關鍵一環。實現水肥一體化技術與物聯網、網際網路、雲計算、大數據等信息技術同步發展，促進信息化和水肥一體化深度融合，是著眼於加快新舊動能轉換、推進「全程、全面、高質、高效」農業機械化發展的重要舉措。

作者：劉玉清、盛俊傑、焦玉峰（鄒平市自然資源和規劃局），圖文編輯：天山植保。