綠色環保高效的設施蔬菜土壤滴灌施肥體系

高麗紅，郭世榮，李式軍

（1.中國農業大學農學與生物技術學院，北京，100193；2.南京農業大學園藝學院）

綠色環保高效的設施蔬菜土壤滴灌施肥體系

高麗紅1，郭世榮2，李式軍2

（1.中國農業大學農學與生物技術學院，北京，100193；2.南京農業大學園藝學院）

土壤滴灌施肥技術是基于栽培作物的需水需肥規律，依據實時定量供液、維持根層水分養分穩定技術原理的一種新型水肥一體化施肥技術，解決了傳統土壤栽培水肥供應使根系長期處于饑飽交替逆境脅迫下及土壤易產生次生鹽漬化等問題，同時實現了輕簡省力、自動化和水肥高效利用的目標。詳細介紹了土壤滴灌施肥的技術原理、主要裝置及系統構成、技術基礎及國內外應用實例，為該技術推廣應用提供參考。

設施蔬菜；實時定量；滴灌施肥

隨著我國工業化、城鎮化和農業勞力老齡化的加速，蔬菜等勞動密集型農產品的國際競爭優勢面臨挑戰，加速實現設施蔬菜栽培中施肥灌溉技術迫在眉睫。同時，我國設施農業的快速發展導致設施蔬菜產區普遍存在地下水污染、土壤鹽類積聚和連作障礙等問題[1,2]。為克服以上問題，我們在國家“十一五”科技支撐計劃、國家和北京市現代農業技術體系建設項目資助下，研究了一種既省工省力、高效節本，保持設施作物安全優質高產，又保護環境不受污染、適合國情的滴灌施肥技術體系，以期適應21世紀綠色環保低碳農業的新時代需求。

1 滴灌施肥技術體系

滴灌施肥技術體系為以色列人在創造滴灌技術基礎上的創新，是fertilization（施肥）與irrigation（灌溉），是一種將可給態的營養液通過滴灌系統適時適量供給設施作物的精準肥水管理，在我國被稱為“肥水一體化滴灌施肥技術”[1,3]。其在國外農業發達國家已推廣應用近50 a，日本近10 a也快速推廣，被稱為“養液土壤栽培”[4，5]。它摒棄重施基肥、分次集中追肥以及大水大肥、過量施肥等傳統的肥水管理模式，而是根據作物不同生育期對養分和水分的實際需要量，依據實時、實地的土壤營養測定和水分診斷，精確配制營養元素的組分與濃度，每天采用多次、少量的自動滴灌法對作物定量供應養分與水分，藉以獲得優質、高產、穩產的一種農業新技術。該項技術的要素為營養液、滴灌、土壤栽培，三者缺一不可。

2 技術原理

2.1 作物吸肥吸水的特性

作物從幼苗期到成熟采收，需均衡地吸收一定量的養分和水分。通過試驗可獲得不同地區作物單位面積每生產一定產量時需要吸收的各種營養元素和水分的數量，從而計算出不同生育時期的肥水需求量，并通過實時實地檢測土壤中已有營養元素與水分含量對其進行校正，最后精準地配制出作物不同生育期所需的營養液成分、濃度和供液量，據此作成不同作物肥水管理“指導手冊”，生產者按手冊標準適時適量供應肥水，做到 “吃多少給多少”，實現精準施肥灌溉，避免了傳統施肥技術造成的肥水浪費、土壤鹽類物質積聚、地下水污染等問題[6]。

2.2 滴灌滲透范圍，局限在作物根圈范圍

滴灌施肥法的突出特點是，使營養液的縱向與橫向滲透范圍控制在作物根圈范圍內[6]（通常離地面向下約25 cm，如圖1），所以到栽培結束時，土壤中殘留或流失的肥料量接近于零。滴灌施肥法，每天少量多次定量定濃度地供液，從不過量，且營養液是依每日氮肥的需要量少量分次（據水分測定計和蒸騰量實測決定每天供液1～3次）按需供液，不存在積累、不足及重復利用的問題。

圖1 營養液土壤栽培原理[6]

2.3 有機物不作為基肥而作為土壤改良物質施用

有機肥礦化速度隨溫度不同而不同，并經常因為肥效過剩而造成根系脅迫環境，影響幼苗生長，而且以家畜糞尿為主的有機肥往往含有重金屬、Na、Cl等對植物生長有害的成分。因此為了改善土壤的物理性狀，保持土壤微生物的良性生態環境，可施入秸稈、堆肥等作為土壤改良物質，而非作為肥料，這完全是與傳統施肥不同的理念。

3 推廣滴灌施肥技術的意義

3.1 省工省力，提高工效，節約成本

采用管道化、智能化的肥水一體化滴灌施肥技術代替傳統的人工施基肥、追肥和灌溉技術，工效可提高5～10倍。我國華南地區不少從事葉菜類蔬菜生產經營的外資農業企業，其基地規模都在667 hm2以上，多是依靠肥水一體化滴灌施肥系統進行自動化操作，其工本僅為人工澆灌的1/10～1/20。

3.2 節水節肥，防止環境污染

據水利部報告，2009年我國灌溉水平均利用率僅48%，化肥的利用率只有25%～30%，利用效率極低[2]。當今發達國家環境質量標準都規定公用水與地下水中硝態氮的最高殘留限量不得超過10 mg/L，我國一些設施蔬菜產區地下水硝態氮含量已嚴重超標。面對新世紀低碳環保農業的挑戰，亟需推廣肥水一體化的精準滴灌施肥技術。

3.3 防止土壤鹽類積累和連作障礙

3.4 保障了蔬菜作物的優質、高產與穩產

由于實現了作物不同生育期合理、高效、精準的肥水供應，避免了傳統技術中肥、水一時過剩、一時不足的逆境脅迫和生育障礙的發生，作物根系與地上部生長健壯整齊，商品率提高，產品既優質又高產，同時也便于標準化管理，易于實現穩定安全的生產計劃。

3.5 為實現規?；?、高效率、標準化農業技術提供了可控平臺

由于能依作物不同生育期要求定時定量精密設定液肥成分、濃度與供給量，并按太陽輻射強度、土壤含水量和營養狀況的實時變化自動控制供液，使生產全程實行標準化的管理，使省工、省力、規?；⒏咝屎透呖萍嫉默F代農業技術成為現實。

4 主要結構裝置及系統組成

4.1 滴灌施肥系統組成的基本結構

包括水泵、貯水池、原水過濾器、計算流量計、滴灌管帶、液肥混合稀釋裝置、定時器或電腦自動控制器、原液肥料桶、攪拌機、液肥過濾器、電磁瓣、減壓閥以及進行營養診斷和土壤診斷的儀器設備等（圖2）。其監控裝置要求能控制每次供液量、每天供液次數，供液時間段的各系統（電磁瓣）能分別控制不同小區。

4.2 滴灌管（帶）與滴頭

滴灌管（帶）與滴頭為該技術系統的關鍵設備，要求不易堵塞且不受管帶長度、水壓高低的影響，可均勻滴灌。要選購附有水壓調節功能并附有自動清洗功能、不易堵塞的滴頭，使用管帶前后的流量一致、滴頭間距與作物種類相匹配的產品品種。

4.3 供水控制器與液肥混合器（配肥器）

圖2 滴灌施肥系統基本組成[6]

滴灌施肥系統操作省工省力、精量、節水和高效率、自動化，控制灌水量的水分感應器與控制器是提供精確灌溉指標不可或缺的設備，不僅要精確控制灌水，還要控制液肥的濃度。控制器一般根據太陽輻射儀和土壤水分計監測到的數據來調控。太陽輻射儀利用光輻射感應器測定光輻射量，通過計算機計算蒸騰量大小來自動調控灌水數量、頻次與時間；土壤水分的監測常用土壤水分張力計（pF計）或專用土壤水分計（TDR計），當其測定值超過臨界值時，即自動灌水。

液肥混合裝置（配肥器）是滴灌施肥系統的又一關鍵裝備，該裝置要求能穩定準確設定濃度配比，性能長期穩定?？梢暂斎氩煌嗨颗c施肥量、并能進行復合設定，進行自動調控管理。依液肥混入的動力來源可分為電動泵驅動和水壓或負壓驅動混入等方式。①電動泵驅動方式又分為將液肥連續按比例混入或用定量泵按比例混入；連續比例混入即按照設定原水與液肥的混合比例，用脈沖式流量計分別測量原水與液肥的流量，通過調節流量調節閥使其按設定比率混合，這種方式與輸水管路的水流壓力無關，其精確度高。②水壓驅動泵是通過手動調節泵內活塞行程，在原水流量中按比例混入液肥，比較精確，是國際上較先進的一種混合器。③負壓混入方式是利用水流通過混合器進出水口產生的壓力差而吸取混入液肥的一種方式。商品自動施肥系統應用已非常廣泛，施肥器受計算機或小型控制器控制，以實現精確施肥。液肥混合方式主要有泵注方式、文丘里式、壓差式、水壓驅動混合注入式等，其中水壓驅動混合注入式應用廣泛。

5 技術基礎

5.1 土壤與作物的營養診斷

滴灌施肥系統的最大特點是通過對栽培的土壤與作物的營養狀況進行實時快速的測定與診斷，精確配制液肥、定量定時均衡供液，從而最大限度保持根際范圍養分和水分不出現過量或不足狀態。常用土壤水分張力計（pF計）或TDR土壤水分計，在田塊滴灌帶附近定點多點設置，定期定時記載土壤持水量。

土壤營養狀況分析目前多用電導儀（EC計）來快速實時測定土壤溶液中的EC值以推算土壤中的氮肥含量，或專用的能同時測定NO3-和K+的簡易速測儀檢測。通常在栽培期間每隔1～2周測定一次。根據實時快速診斷所得的土壤水分和養分數據，與數字化手冊提供的灌水、施肥濃度和數量進行比對，如有問題，加以必要的修正后再進行精確的管理操作，務必使作物所需的水分和養分的供應保持最經濟有效的狀態。

5.2 水質

不同地區、不同季節、不同水源的水質成分及其含量差異很大，溶解于水中的各種物質會堵塞滴灌孔，影響肥料的溶解性與液肥的穩定性或誘發作物的生長障礙。因此，對滴灌施肥的用水水源，要進行必要的檢測、判定其是否適用。通常以感官鑒定氯氣、混濁度及色澤，儀器測定水質的化學成分。表1～2為日本及美國的水質分級標準。

由表1，2可知，滴灌孔堵塞與水質pH值及水中Mn、Fe、Ca、Mg、等的濃度密切相關，特別是有問題水源要避免使用或經必要的處理，例如Na+與Cl-過量的沿海地區，可采用反滲透膜法進行除鹽處理等。

5.3 土壤條件

表1 日本大?；瘜W公司制定的灌溉用水水質標準[6]

滴灌施肥技術要求滴灌的水分和養分能均勻分布在大約離土表25 cm的根系有效活動土層范圍內，滴灌水的濕潤帶盡可能向四周橫向滲透濕潤，與地下水隔離開。這就要求土壤的物理性狀優良，氣、固、液三相平衡（氣相15%～20%、液相45%～60%、固相20%～35%最為理想），團粒結構發達，毛管孔隙多，保水性能優良的土壤。因此對沙礫土、粘土、地下水位過高的濕土均需加以改良。一般施用腐熟的木質纖維素類的堆肥或草炭、秸稈等C/N比高的有機物改良土壤。地下水位高的可作高畦或改用隔離床、袋培、桶培的方式栽培。

表2 美國滴灌用水水質分級標準[6] mg/L

5.4 栽培管理技術規程手冊的制定

在實際栽培中，根據灌溉水和土壤分析結果，制定出針對不同作物及其不同栽培方式與季節相適應的肥水管理模式（手冊），具體步驟如下。

①用水水質分析 調查所含各種營養成分的濃度。

②土壤分析 調查土壤中大量和微量營養元素和Na+、Cl-、等成分的本底濃度。

③定植前場圃的準備 確定必須施入的有機物或土壤改良物質的種類與數量。

④確定該場圃使用的肥料種類、灌溉水與各種肥料的數量和濃度 根據水質和土壤預定栽培作物依其不同生育階段，制分的使用量和吸水量，再考慮到液肥的利用效率，確定該場圃使用的肥料種類、灌溉水與各種肥料的數量和濃度。

⑤確定土壤pF值和EC值的標準范圍 依土質、土壤的物理性狀和地下水位等綜合考慮，決定土壤pF值的適宜標準范圍，借以用作土壤水分診斷的標準。同時基于土壤分析制訂的施用肥料的營養成分與濃度及其對土壤溶液EC值的影響程度，確定作為營養診斷標準指標的土壤溶液EC值最適標準范圍。但是，如若該場圃土壤中殘留較多的Na+、Cl-、SO42-等肥料副成分時，栽培開始后的采樣分析中，對所設定的標準值是否恰分析結果，對定各種營養成當，要作進一步復核。這樣經過多茬次栽培，結合前茬作物生長情況，對栽培管理模式不斷調整修正，使其更完善。

5.5 肥料

表3 幾種蔬菜的養分吸收量[5]

表4 日本常見養液土耕－液型專用肥料[5]

蔬菜等作物的養分吸收量如表3所示。一般情況下，若吸收N為100，則P2O5以20～40，K2O以100～170，Ca以50～130，Mg以15～30的比例吸收。

在生產實踐中，按作物需肥要求，將肥料配成原液，再與水分通過液肥混合器配制成符合栽培管理模式手冊所要求的養分濃度，再通過滴灌系統供應液肥。配制原液的方式有：以各種單一肥料混配而成；以單肥與復合肥并用配成；僅以一種復合肥配制而成。由于滴灌施肥最大的特點是施肥技術的省力化，原液配制力求簡單易行，因此一種既含N、P、K、Ca、Mg等大量營養元素，又同時含有微量元素的完全按比例復合在一起的滴灌施肥專用復合肥已實現了商品化生產，即這種專用肥不需像傳統配制液肥那樣設置AB兩個原液桶，而只需設置一個原液桶就行了。市售專用復合肥與栽培系統商品繁多，以日本為例，市售的常用復合肥如表4所示。

每日灌液量與次數依作物每天需水量和根際范圍內可能保持的含水量決定。以夏秋番茄為例，其根際范圍為30～40 cm深土層，在黏壤土條件下，最大灌水量應能滲透到寬40 cm（砂土30 cm）和深30 cm的范圍。每日灌水次數，則在保水性好的土壤冬季每日1～2次，夏季2～4次；保水性差的砂礫土則冬季2～3次、夏季3～6次為宜。冬季晴天于午前，夏季在下午或傍晚進行，即使夜間也要保持適度的土壤水分。陰雨天灌水次數和灌水量應比晴天少。

6 實例

6.1 國內

港資福建某農場將當地農村的沼液，經沉淀、過濾池后，對水1倍作母液，再以優質硫酸鉀型復合肥（N∶P∶K=17∶7∶18）2.5 kg溶于1 L水中作母液，2份母液泵入肥水一體化稀釋器，依果菜、葉菜不同種類，由幼苗期至成長期由淡到濃調控肥水濃度。667 hm2鹽堿菜地，其中冬春大量上市的大棚長季節甜椒667 m2產量都在6 000 kg左右。廣東潮汕一帶的同類大型供港蔬菜農企，也多以復合肥稀釋液泵入滴灌系統，實行肥水一體化滴灌施肥作業，有效解決了大型葉菜基地勞力不足、工本過高的難點。

杜文波[7]在溫室番茄上的試驗結果表明，與畦灌沖肥傳統管理方式相比，滴灌施肥667 m2節水79.5 m3，節水率19.9%，產量提高8.6%～14.6%，產值增加1 610～2 012元/667 m2，滴灌水肥一體化綜合經濟效益提高1 725元/667 m2，節省用工3～5個/667 m2。李錚等[8]在運城、臨汾等市進行了水肥一體化技術的試驗示范。結果表明，實施水肥一體化技術，比常規技術增產2.93%～4.97%，節水232～316 m3/667 m2、節省有機肥7 000～9 000 kg/667 m2，節省化肥30～ 55 kg/667 m2，節肥率19.4%～39.0%；節藥量27～28個包裝單位/667 m2，節藥率43.5%～48.3%；于舜章[9]在山東進行的多點試驗、示范結果表明，實施水肥一體化技術，每667 m2節約水電投資87～136元，節約肥料投資400～533元，節約農藥投資187～213元，減少勞動力15～21個，折合投資153～207元，增加收入418～667元，合計節本增效1 200～1 667元。

6.2 國外

表5 大棚春番茄早熟栽培不同生育期灌水量[5]

表6 大棚春番茄早熟栽培不同生育期灌水量[5]

日本采用肥水一體化滴灌施肥技術在三連棟大棚栽培綠園春番茄，栽植密度1 776株/1 000 m2、單跨7.2 m，長46.5 m，每跨4畦，每畦1行，株距27 cm，行距180 cm，產量指標10 t/1 000 m2。每1 000 m2施肥量為：總N 32.3 kg，P2O522.5 kg，K2O 57.3 kg，即每 1 000 m2選用養土5號 30.9 kg，養土 2號204.5 kg。表5，6給出每天每株番茄的水肥需求量，實現了水肥的精量控制，可供參考。在每日水肥總量確定條件下，每日灌水次數，則在保水性好的土壤冬季每日1～2次，夏季2～4次；保水性差的沙礫土則冬季2～3次、夏季3～6次為宜。

7 注意事項

嚴密控制灌液量，使供給的液肥分布在近地表土層限定的根域范圍內，如有困難可采用隔離床栽培或袋培；水質肥料等農資質量要求高，盡量避免使用含有Cl-等副成分的氮肥，以減少土壤pH值下降、EC值上升與鹽類積聚；根據原水水質的狀況相應調整營養液配方；使滴灌系統供液均勻；要配置相應過濾器和防堵塞的滴頭；定期清洗保養過濾器。

8 展望

加速研發國產化簡易實用的滴灌施肥系統系列產品，特別是精確而簡易實用的肥水混合器設備，要有能管控33 350，66 700，133 400，333 500 m2的大功率滴灌施肥設備系統?；谔矫鞑煌魑飭挝幻娣e一定產量、不同生育期肥水需求量的基礎上，研究不同地區不同作物的肥水一體化的標準化栽培管理模式。

蔬菜水肥一體化技術被認為是當今世界上水肥利用率最佳的技術，此項技術大面積推廣的成功，將使中國農業由傳統農業邁向現代農業，對中國農業發展具有深遠意義。我國“十二五”規劃中強調農業要強化水利建設的力度，肥水一體化滴灌施肥系統必將為我國的節水節肥農業、提供終端裝備的最佳技術支撐。

[1]王克武.蔬菜水肥一體化節水技術[M].北京：中國農業出版社，2010.

[2]李保國，彭世琪.中國農業用水報告1998-2007[M].北京：中國農業出版社，2007.

[3]彭世琪，崔勇，李濤，等.微灌施肥農戶操作手冊[M].北京：中國農業出版社，2008.

[4]古在豊樹，後藤英司，富士原和宏，等.最新施設園蕓學[M].東京：朝倉書店，2006.

[5]青木宏史，梅津憲治，小野信一.養液土耕栽培の理論と実際[M].東京：誠文堂新光社，2001.

[6]李世軍.設施園藝學.2版 [M].北京：中國農業出版社，2011：349-353.

[7]杜文波.日光溫室番茄應用滴灌水肥一體化技術初探[J].山西農業科學，2009，37（1）：58-60.

[8]李錚，王晉民，王海景，等.蔬菜日光溫室問題調查與水肥一體化技術探討[J].土壤，2006，38（2）：223-227.

[9]于舜章.山東省設施黃瓜水肥一體化滴灌技術應用研究[J].水資源與水工程學報，2009，20（6）：173-176.

Environmental Protected and High-Efficiency Fertigation System for Protected Vegetables

GAO Lihong1,GUO Shirong2,LI Shijun2
(1.College of Agriculture and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193; 2.College of Horticulture,Nanjing Agricultural University)

The fertigation technology was a new integrated water-fertilizer management technoliogy based on the water and nutrient requirements of crops,and it maintained the water and nutrient stabilization of root layer according to the real-time quantitative irrigation.The fertigation technology solved the problems involving irregular water-fertilizer supply and soil secondary salinization in traditional soil cultivation.In addition,it realized the goals of simplification,labor-saving, automation and high efficient use of water-fertilizer.To provide references for the extension and application of the fertigation technology,this article reviewed its technology principle,the main equipment and system-construction,technological basis and application examples both in China and abroad in detail.

Protected vegetables;Real-time quantification;Fertigation

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.12.002

國家科技支撐計劃：綠色環控設施農業關鍵技術研究與產業化示范（2008BADA6B004）；國家和北京市現代農業技術產業體系建設項目（CARS-25-C-03）

高麗紅（1967-），女，博士，教授，博士生導師，專業方向為溫室土壤生物修復與水肥高效利用原理與技術研究，電話：13601350829，E-mail：gaolh@cau.edu.cn

2012-03-02