棉田水肥一体化技术发展现状及展望
水肥一体化是对农田水分和养分进行综合调控和一体化管理，目的是全面提升农田水肥利用效率。狭义上是在管道灌溉系统的基础上，将肥料溶于水中，以水为载体，实现对植株同时进行灌溉与施肥工作，满足植物对水分和养分的需要，从而实现水肥的高效利用。
1 国内外水肥一体化发展概况
由图1可以看出，使用水肥一体化技术，可以促进农作物的生长。目前，水肥一体化技术主要应用于棉花、马铃薯、番茄、柑橘、葡萄、黄瓜、苹果等作物。
图1 传统模式和水肥一体化模式下的农作物生长情况
注：a为传统模式；b为水肥一体化模式。
1.1 国外水肥一体化发展情况
图2为以色列自动化施肥装置。以色列的滴灌起步较早，90%以上的农业采用了水肥一体化技术[2]，由电脑自动将掺入肥料的水通过塑料管道渗入植株根部，实现精确控制。与此同时，以色列的水肥一体化工厂可以生产400多个溶液配方，实现了与水肥一体设备的同步发展，满足各种作物不同生长阶段的要求，达到了节水、节肥、节工、优质、高产、高效的目的。
图2 以色列自动化施肥装置
美国是世界上微灌面积最大的国家，在加州建成了完善的水肥一体化设施及服务体系，在水溶肥料、控制装置上的投入也很大，液体肥料占总肥料的40%左右，液体肥料工厂近3 000家，主要的液体肥料品种有聚磷酸铵溶液、氨溶液、硝酸铵钙溶液、尿素溶液、稀磷酸溶液、液氨、硫代硫酸铵溶液和各种配比的氮磷钾溶液等。此外，水肥一体化技术及其配套的水溶液研制和生产在德国、荷兰、西班牙、意大利等发达国家已形成完善的设备生产、肥料配制、推广服务体系。
目前，外国学者认为地下滴灌技术是今后微灌发展的方向之一。地下滴灌是将全部滴灌管道和灌水器埋入地表下面的一种灌水形式，其优点是免除毛管在作物种植和收获前后的安装和拆卸工作，不影响其他农业操作，延长了设备的使用寿命；缺点是不能检查土壤湿润和灌水器堵塞情况。美国已将地下滴灌技术应用于玉米、棉花、蔬菜、果树等30多种作物的灌溉中。澳大利亚在棉花上运用地下灌溉技术，出现了诸多问题，从而得到了相关经验：一是制定地下滴灌安装和管理规范，对地下滴灌用户进行管理知识培训；二是在安装之前，除去作物残留根系，防止扎破滴灌带；三是过滤器、管网要定时冲洗；四是在施工过程中，地下滴灌用户要主动参与；五是对于一些地面金属设备，为了防止其生锈，要用涂料进行养护，对于塑料管道，要避免碰撞产生裂缝。
1.2 国内水肥一体化发展情况
我国根据不同地区气候特点、水资源现状、农业种植方式及水肥耦合技术要求，主要分为4种水肥一体化技术模式。一是棉花、玉米、马铃薯膜下滴灌水肥一体化技术模式。该模式是集地膜覆盖、微灌、施肥为一体的灌溉施肥模式，适用于西北、东北等水资源紧缺，且有一定灌溉条件的地区（图3）。二是小麦、玉米微喷水肥一体化技术模式。该模式在灌溉时，采用管道输水和微喷带进行灌溉，适用于华北、长江中下游等水资源短缺等地区（图4）。三是设施农业、果蔬滴灌水肥一体化技术模式。该模式是以机井水或地表水为水源，借助滴灌进行灌溉和施肥，适用于全国范围的设施农业。四是果园滴灌、微喷灌水肥一体化技术。该模式是集微灌和施肥为一体的灌溉施肥模式，每行果树沿树行布置一条灌溉支管，借助微灌系统进行灌溉，适用于全国有水源条件的果园。
图3 马铃薯膜下滴灌水肥一体化作业
图4 小麦微喷水肥一体化作业
2 棉田水肥一体化技术研究及应用
棉花是我国的重要经济作物之一，具有耐干旱的特征，研究棉花膜下滴灌水肥一体化技术具有十分重要的意义。新疆地区的棉花膜下滴灌是我国应用节水灌溉技术最早的大田作物灌溉地区，1999年研发了适于大面积应用的低成本滴灌带。膜下滴灌作为现阶段棉花水肥一体化的最佳方案，越来越多的国内专家对其进行研究。王立洪等对棉花膜下滴灌技术的节水、增产机理进行了分析，结果显示，与常规灌溉对比，节水35%～63%，棉花增产18.5%～44.0%。
柴付军等对棉花膜下灌溉效果及经济效益进行分析，结果表明，膜下灌溉不仅可以提高劳动生产率，还能有效缓解土壤次生盐碱化程度，改善土壤环境。汪希成等对膜下滴灌与常规灌溉下棉花的经济效益进行对比，并对棉花膜下滴灌的影响因素进行探讨，提出了当前的问题和今后发展的意见。马富裕等在新疆棉花膜下滴灌技术的发展与完善研究中指出，实现经济效益、社会效益和生态效益的统一是当前急需解决的主要问题。
马英杰等对滴灌技术的发展趋势进行了分析，提出滴灌技术迅速推广和持续发展的关键因素有两点，一是投资减少，二是作物产量提高。赵成义等通过膜下滴灌田间试验，研究了塔里木灌区棉田土壤盐分运移特征，指出了塔里木灌区现行棉花膜下滴灌制度存在的积盐问题，对完善干旱区膜下滴灌灌溉制度具有一定的指导意义。
张伟等从不同生育期、垂直方向、水平方向对膜下滴灌棉田水盐运移规律进行了研究，为新疆棉田土壤次生盐渍化防治、膜下滴灌棉田的水盐动态监测提供了理论依据。戈鹏飞等通过对棉花膜下滴灌进行试验研究，分析了不同灌溉定额和灌水周期对土壤水盐分布及棉花生长的影响，认为灌水周期5d的处理能够达到棉花最适宜的土壤水分范围。串志强等对膜下滴灌条件下绿洲棉田土壤水分运动数值进行模拟，计算得到田间层状土壤的水分变化情况，认为膜下滴灌应该采取灌水量小、频度大的灌溉模式。
王一民等通过田间试验，建立了实用性膜下滴灌棉花根系吸水模型，研究了在作物生长条件下的土壤水分运动，揭示了膜下滴灌棉花根系吸水规律。李晓明等研究发现，膜下滴灌的土壤盐分分布规律会因不同的滴灌模式等差异而与一般性规律有所不同，可通过分析盐分分布指导当地农业生产。
余美等通过棉花膜下滴灌大田试验，研究了灌水频率对土壤水盐运移和分布规律的影响，并对不同灌水频率的保墒、控盐、增产效果进行了评价。刘雁翼等利用气象资料指导膜下滴灌棉花滴灌试验，结果表明，膜下滴灌棉花全生育期耗水量应控制在360～405mm之间。何雨江等为研究棉花微咸水膜下滴灌的最优灌溉制度，从棉花生长和产量的角度出发，分析11种灌溉处理各生育期的变化情况，验证了该灌溉制度的节水增产、保护土壤环境的优越性。
张 豫等在相同灌水量条件下，以不同比例混合地下咸水和地表淡水，采用膜下滴灌方式充分灌溉棉田，探求土壤盐分的时空变化规律，结果表明，膜下滴灌棉田盐分的变化主要受灌溉水和蒸散发的影响。李莎等进行了微咸水灌溉条件下不同灌溉方式对膜下滴灌棉花土壤盐分影响的测坑试验，结果表明，淡水灌溉对土壤的脱盐效果最好，采用微咸水灌溉时最好采用咸淡交替轮灌方式，能避免土壤发生积盐现象。
王峰等采用田间试验研究了灌溉频率与灌水定额对棉花生长、产量、品质及水分利用效率的影响，结果表明，高频和中灌溉定额是南疆地区机采棉种植模式适宜的灌溉制度。杨鹏年等研究了干旱区大田膜下滴灌土壤盐分运移与调控，论证了膜下滴灌不仅是一种滴灌和覆膜相结合的节水技术，而且通过其精准灌溉的灵活应用，可达到生育期控盐与非生育期排盐的结合，从而为在干旱区实现节水控盐的目标提供技术保障。
汪昌树等研究了干旱区膜下滴灌棉田土壤水盐运移规律及分布特征，并对不同滴灌模式下的棉花产量和灌溉水生产效率进行评价。雷鹏程研究了滴水出苗对棉田水盐分布及棉花生长的影响，分析不同滴水时间处理下土壤水盐分布变化规律以及滴水出苗技术对棉花生长的影响，为生产实践提供可行性依据。
张 治等研究了新疆地区膜下滴灌棉田生育期地温变化规律，结果表明，膜下滴灌可有效起到保温保墒作用，克服土壤高地温低含水率或低地温高含水率的矛盾，可为作物生长创造较好的土壤水热条件。
袁晶晶等开展了微咸水和淡水膜下滴灌棉花大田试验，定时监测膜下滴灌棉田棉花不同生育期、不同空间位置处的温度，探讨了膜下滴灌棉田地温的时空变化规律。
陈宝燕等对不同施N策略对膜下滴灌棉花叶绿素含量和产量的影响进行了研究，结果表明，充足供氮时，调整追氮比例对高产影响不大，供氮不足不易获得高产，但调整追氮比例有一定的增产空间；氮肥充足并按照棉花需肥规律的推荐比例施氮，可延缓棉花早衰失绿，促成高产。
地下滴灌是一种高效、节水的灌溉技术，具有节水、高效的优势，也存在成本高、维修困难等问题。国内很多学者对地下滴灌技术及其在棉花上的应用效果进行了研究。黄兴法等和仵峰等通过对地下滴灌系统的优缺点进行分析，为我国地下滴灌技术的发展提供借鉴。宰松梅等对地下滴灌和膜下滴灌进行了对比分析，研究了不同滴灌形式对棉田土壤性质的影响，得到了高土壤体积质量的分布规律。
申孝军以新疆大田棉花为研究对象，探讨膜下滴灌和地下滴灌条件下，水分调控对棉花的影响，提出了适合新疆滴灌棉花优质高产的节水灌溉模式。李显溦等通过数值模拟方法来探讨地下滴灌一次性滴灌带的合理埋深问题。袁江杰等以膜下滴灌为对照，开展了地下滴灌3种灌水量的田间试验研究。
孔繁明研究了地下滴灌对棉花生长和产量的影响，探讨地下滴灌技术在棉花生产上的示范应用效果，为地下滴灌在新疆棉花生产中的推广应用提供科学依据。仵峰等对新疆、甘肃和广西3个示范区的地下滴灌系统的投入和效益进行了对比分析，结果表明，地下滴灌与膜下滴灌棉花产量相当或略有增产。
3 棉田水肥一体化的优点
3.1 提高肥料利用率
传统施肥方式肥料浪费严重，棉花植株对肥料的利用率才30%左右。通过水肥一体化技术，可以对棉花定向、定量施肥，肥料直接作用到作物本身，减少了肥料的浪费，肥料利用率提高1倍以上。
3.2 节约用水
膜下水肥一体化技术，实现了从传统的大水漫灌到精准滴灌的转变，提高了水资源有效利用率。膜下水肥一体化技术一方面减少了中途浪费水的环节，另一方面减少了水分的蒸发和下渗，从而起到节约水资源的目的，有利于农业的可持续发展。
3.3 节省人工
棉花的一般施肥原则为施足基肥、轻施苗肥、稳施蕾肥、重施花铃肥和根外追肥，水肥管理往往需要大量劳动力，造成生产成本的提高。采用水肥一体化技术，在灌溉的同时施肥，大大减少了人工成本，大幅度减轻了劳动强度。
3.4 改善了土壤环境
水肥一体化使棉田的土壤疏松，孔隙增加，改良了棉田微生物的环境，有利于微生物的生长，防止土壤次生盐碱化。此外，使用水肥一体化技术能够使干旱土地、盐碱地、河滩地等变成绿洲，大大提高土地利用率，有利于解决当前土地资源紧张的问题。
3.5 降低农药的施用量
水肥一体化可以降低土壤和空气的湿度，使病虫的成活率降低，有效减少病虫的发生，从而降低农药施用量，减少对土壤、空气的污染程度，符合绿色发展理念，有利于打造良好的生态环境。
3.6 水肥一体化设备不断完善
通过政府补贴、企业参与等方式，相关技术产品不断完善，基本实现了水肥一体化设备的国产化，设备的成本投入已经下降70%；水溶肥料也实现了国产化，价格降幅达50%，大大促进了水肥一体化的普及和应用。
图5为中国中化控股有限责任公司的MAP智能配肥站的技术演示，其实现了自动卸肥、计算重量、二次稀释、自循环搅拌、远程控制等功能，尤其是在种植时可以根据不同作物及土壤环境，设定种植过程中不同时期节点的营养补充产品和用量。
在施肥时可以根据作物养分监测数据调节施肥量，合理控制作物养分的吸收，达到节水节肥的目的。在生长过程中可根据土壤温度、湿度、含水量、张力的变化，收集相关数据信息，积累推广种植技术方案经验。
图5 中国中化控股有限责任公司的智能配肥站的技术演示
4 棉田水肥一体化技术存在的问题
4.1 配套设备不完善
我国对水肥一体化设备的研发已经取得突破，但是设备和产品结合得还不够紧密，无法实现个性化定制。例如，一些地区只注重灌溉设备的配置，忽略了水溶肥料的研发和施肥制度的优化，阻碍了水肥一体化技术的发展。
4.2 管理人员专业化不够
水肥一体化使用的设备较多，而企业往往只注重产品的销售，忽略了对农民的技术指导、技术培训、售后服务，导致农民的积极性不高，影响了技术的推广。
4.3 成本相对过高
水肥一体化前期设备投资较大，财政补贴不足，造成农民负担加重；后期购买肥料的渠道少，而且价格偏高。
5 棉田水肥一体化发展的途径
5.1 加强设备与配套产品研发
企业、科研院所等要根据当地的土壤、气候、地域，加强自主创新能力，研发适合本地区生产的技术设备和配套产品，一是专用肥料要水溶性好、方便购买、价格适宜；二是施肥制度要因地施策、简单易行、安全可靠；三是土壤墒情监测要实现智能检测、快速测土、缺素诊断；四是施肥设备要方便使用、耐用性强、防堵性好。
5.2 加强管理人员的技术培训
加快建设国家、省、市级等各级棉花水肥一体化示范区，形成多层次、全方位依托示范展示基地。通过开展技术讲座、深入田间教学、一对一指导等形式，开展农民专业技术培训，让农民能够熟练使用水肥一体化设备。与此同时，企业还要为农民提供技术服务，包括售后服务、技术咨询等增值服务。
加强部门合作，充分利用新型职业农民培育等现有资源，建立水肥一体化实训基地，选拔培育一批掌握该技术的农机手、职业农机经营者、合作社带头人，培育一批善于钻研、技艺熟练的农机工匠，从而保证水肥一体化技术的有效实施，为水肥一体化技术的大规模推广奠定基础。
6 棉田水肥一体化发展前景
我国水资源严重短缺，水肥一体化技术一方面可以节水、节能、节成本，另一方面还可以对环境起到保护作用。棉花膜下水肥一体化技术，不但是棉花全程机械化的一部分，而且有利于棉花产业的健康发展，具有十分重要的现实意义。
水肥一体化是实现农机建设智慧化的关键一环。实现水肥一体化技术与物联网、互联网、云计算、大数据等信息技术同步发展，促进信息化和水肥一体化深度融合，是着眼于加快新旧动能转换、推进“全程、全面、高质、高效”农业机械化发展的重要举措。
作者：刘玉清、盛俊杰、焦玉峰（邹平市自然资源和规划局），图文编辑：天山植保。
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