微灌技術全球專利申請及重點技術分析

孫龍飛，張蕓蕓，張大海，曲 丹，范建會

(國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津 300304)

節水灌溉是我國重大戰略舉措，在中央和地方一系列政策的激勵下，中國節水灌溉產學研水平不斷提升[1]。微灌是通過管道系統將水運送到灌溉地段，利用安裝在末級管道上的灌水器，將作物所需的水以小流量，均勻地直接輸送到作物根部附近土壤的一種灌水技術，與傳統的地面灌相比，微灌是以較小的流量濕潤作物根部區域的部分土壤，屬于局部灌溉[2]。

在微灌技術之中，滲灌技術出現得最早，隨后出現了滴灌、涌泉灌。我國微灌技術起步于1974年，國內有關科研單位與大專高校等先后開展了對滴灌理論技術和設備的研究，建立了微灌標準體系，其微灌系統由水源工程、首部控制樞紐、輸配水管網、灌水器4部分組成[3]。世界微灌技術的發展趨勢中，不同作物的不同增產和節水效果是各國研究的重點，傳統灌溉與微灌的水分生產效率是研究熱點。目前微灌設備處于領先地位的仍然是以色列和美國，世界著名的微灌設備大公司已經形成技術成熟、質量可靠的系列產品，我國微灌設備企業主要分布在華中、華北、新疆等地，形成了灌水器、輸水管材、凈化裝置和控制裝置等5大類產品[4]。

本文從專利的角度對微灌技術發展的整體情況進行分析，并對其重要分支技術滴灌的發展情況和發展路線進行了研究，為我國微灌技術產業化及專利布局提供參考和支撐。

1 技術分解

技術分解是專利分析中的一項基礎而重要的工作，通過查閱文獻和企業調研，確定微灌技術的一級和二級技術分支，見圖1。

圖1 微灌技術分解

2 數據采集

采用德溫特公司開發的DWPI數據庫以及中國專利文獻數據庫CNABS，檢索起止時間為1994年1月1日至2015年5月1日，檢索范圍為全球。針對研究領域確定IPC分類號：A01G25/02、A01G25/06、A01G25/00、A01G29/00、A01C23/00、B05B。結合微灌的技術細節，確定中文關鍵詞：滴、滲灌、地下、滲管、滲水、滲孔、滲帶、膜、灌、涌、霧灌、微灌、微噴，相應地，采用英文關鍵詞：drip,drop,trickle,emit,hose,tape,capillary,infiltrate,seep,weep,filtrate,percolat,ooze,perforate,porous,fountain,bubble,membrane,layer,drizzle,type,mist,fog,sprinkle,spray,jet,nozzle,inject,dispense,distribute,mini,micro,tiny,ground,soil。在檢索的過程中，利用上述確定的分類號和關鍵詞進行檢索，并去除了可能存在的噪音，確定了最終的檢索式。由于發明專利通常自申請日起滿18個月才能公開，PCT申請自申請日起30個月甚至更長時間才能進入國家階段，因此，統計樣本中并未完全包括2015年5月1日之前遞交的所有專利申請，2014、2015兩年的專利數據僅供參考。

3 全球微灌專利申請分析

3.1 全球申請量發展趨勢

微灌技術自20世紀中期成型以后，其技術經過50多年的發展，已經成為一種技術比較成熟的灌溉方式。但是隨著人們對微灌技術節水、高效、結構優化等方面不斷提出更高的要求，各主要企業仍然不斷加大研發力度，微灌技術仍然不斷向前發展。

從圖2的全球申請量發展趨勢和圖3的技術生命周期圖可以看出，微灌技術雖然技術已經日趨成熟，但隨著新的發展機遇的不斷出現，在其技術生命周期中還是出現了多個活躍期，1965年之后，其主要可以劃分為以下幾個階段：

圖2 全球申請量趨勢圖

圖3 技術生命周期圖

(1)萌芽期(1970年之前)。這一時期，每年全球專利數量只有幾項，且這些專利集中于美國和歐洲。此時微灌技術處于技術摸索階段，并且技術起源于歐美。這個時期的專利涉及的一級分支有滴灌、滲灌、微噴灌、其他微灌方式和多功能灌溉，對微灌技術的分類已經基本成型。其中，對于滴灌技術主要針對輸配水管網和灌水器進行研究，例如，1969年美國的BLASS申請的USRE29546E等；對于滲灌技術主要針對裝置、方法、設備、材料、工藝和輸配水管網進行研究，例如，1968年英國的(ICIL)'MPERIAL CHEMICAL INDUSTR申請的GB1290847A等；對于微噴灌技術主要針對首部樞紐進行研究，例如，1965年德國的VLEL申請的DE1782704B2等；對于其他微灌方式主要針對首部樞紐和灌水器進行研究；對于多功能灌溉主要針對結構組成進行研究，例如，1968年前蘇聯的LEKA申請的SU516375A1等。

(2)平穩增長期(1971-1992年)。這一時期的專利申請量平穩增長，這是由于微灌技術經過此前幾十年的發展，技術日趨成熟，20世紀七八十年代，世界各主要發達國家的經濟陷入滯脹危機，固定資產投資放緩，使得大企業的研發熱度降低，其研發主要結合于生產過程中進行，因而，微灌市場呈現平穩態勢。且由于微灌技術的相對成熟，使得各企業不得不加大研發力度，以期開拓市場，提高市場競爭力，因而這一時期，雖然申請量增長量不大，但事實上卻是力量的積累和不斷地探索過程。在20世紀90年代左右，微灌技術迎來一次技術上的革新并逐漸成形，且已經廣泛分布于歐、美、前蘇聯等技術發達地區。

(3)第一次快速增長期(1993-2008年)。隨著經濟的恢復和新興市場的快速活躍和發展，不斷有新的申請人進入微灌的研發領域，使得申請人數量在這個時期持續增長，市場進入活躍期。從1993年到2005年，由于計算機控制技術、新的加工設備和方法的快速發展，各大型企業圍繞采用新的控制和調節技術，提高微灌連續自動調節、優化輸配水管網等方面展開研發，申請了大量相關專利。而2005年之后，技術研發逐漸趨于平穩，出現了申請人數量和申請量持續下滑的態勢，技術和市場趨于降溫。這也與2008年出現的全球金融危機打擊了新興市場的經濟發展不無關系，但申請量的減少并未影響申請人進入這一領域的研發，微灌技術整體仍然處于上升時期。

(4)第二次快速增長期(2009年至今)。2009年以后，隨著全球經濟一體化進程，很多發展中國家經濟快速發展，城市化進程不斷推進，對水資源的節約利用引起廣泛關注，在這一時期，微灌技術也迎來了新的發展機遇期。全球更多國家投入更多的資金和人力進行研究，而且專利保護意識在全球都有了顯著的提高，使得全球的專利申請量快速增長。另外其他相關領域，例如加工制造、新型材料、控制技術等的突破性進展，也使得微灌技術不斷取得技術上的新突破。在主要技術強國和企業重點研究前沿技術的同時，很多后起的相關領域企業或科研院所也在不斷探索微灌技術，從而將微灌技術的專利申請量推到了一個新的高度。

3.2 主要申請人的申請量

從圖4的全球主要申請人的申請量來看，其主要有以下3個特點。

圖4 主要申請人專利申請量

(1)申請量較大的申請人中，國外申請人占比較大，但排名第2-4的申請人全部為國內申請人，體現出國內對于微灌領域較密切的關注度和較高的研究熱情，同時也申請了大量專利，專利布局意識較強。

(2)排名第一的RADU-R申請量遠遠多于排名第二的中國科學院申請量，說明RADU-R占領了大部分關鍵技術領域，專利布局最廣泛，體現出國內技術發展相比于國外仍然有較大的進步空間。

(3)申請量較大的國內申請人中，科研院所占比較大，體現了國內大學和研究機構對微灌領域研究的極大興趣，上述院所在國家資助下積極投入，進行了大量的專利申請；而申請量較大的國內企業占比很小，體現出國內企業在微灌領域的專利保護意識不強，企業整體參與度不高，因此微灌技術還處于科學研究為主的階段，尚未實現產業化。

3.3 全球申請的國家分布情況分析

從圖5的微灌技術的全球專利申請分布來看，其主要有以下兩個特點：

圖5 全球專利申請國家分布圖

(1)主要是技術研發力量較強、節能環保可持續發展意識較強的國家申請量較大。例如，中國、美國、俄羅斯、歐洲、日本的申請量較大，充分體現出這些國和地區對水資源的節約理念。

(2)新興市場國家擁有較大申請量。新興市場國家的經濟發展，特別是可持續的發展路線，有效地擴大了微灌技術的市場份額，使得各市場主體為了搶占市場，在競爭中保持優勢地位，加大了專利申請布局的力度。中國微灌技術的申請量排在第一位(不包括中國香港、澳門和臺灣地區)，甚至達到了微灌技術發明國美國的申請量的4倍。

總之，微灌技術的專利布局集中于微灌的技術強國和近年來微灌市場規模快速增大的中國等國家和地區，顯示出微灌產業與經濟發展的密不可分的關系。

3.4 全球申請量的地區分布情況趨勢分析

圖6展示的中國(包括中國香港、澳門和臺灣地區)、美國、歐洲、日韓、俄羅斯、蘇聯、其他地區的申請量地區分布的變化趨勢，餅圖中反映的是整體的申請量分布情況，其顏色與申請量地區分布構成變化趨勢圖的曲線顏色一致。從整體申請量來看，中國在微灌技術領域處于領先地位，蘇聯申請量與美國相當，俄羅斯、日韓、歐洲申請量占比不高，技術領先優勢減弱，中國快速發展，在很短的時間內已經成為微灌技術領域的專利大國。

圖6 全球申請量地區分布構成及趨勢圖

從申請量地區分布的變化趨勢上可以看出，中國的申請量在一定時期的平穩發展后開始快速發展的狀態，這與全球專利申請量呈現出相同的態勢，蘇聯的申請量經過一定時期的快速發展后迅速減少，這與蘇聯1991年的解體有直接關聯，其他國家和地區的申請量平穩較平穩。

1965-1977年，微灌技術的專利申請量是美國最多、歐洲居于第二位的狀態，顯示了微灌技術萌芽時期，技術優勢掌握在歐美等國家手中。

1977-1989年，蘇聯專利申請量快速提高，躍居第一位，其大型國有企業敏銳地把握到技術發展的趨勢，樹立了其在微灌領域的技術優勢，促進了微灌技術的快速發展。

1990-1996年，其他國家和地區的申請量都在一個較平穩的范圍內波動，中國經濟穩步增長，更多的中國企業開始探索微灌技術領域，申請量逐漸增多，超過歐洲、日韓、俄羅斯等其他國家和地區的申請量，基本與美國的申請量持平。

1997-1998年，歐洲、俄羅斯、日韓等國家和地區的專利申請量都出現下滑，美國的申請量也于1997年開始出現下滑，而中國企業自身也提高了自身的專利保護意識，加強了與跨國企業的技術競爭，開始重視專利申請和保護，從而使得中國的專利申請量呈現出持續增長，超過美國，躍居第一位。

1999年至今，中國由于經濟持續快速發展，申請量井噴式增長，申請量遠遠超出世界上其他國家和地區的申請量。這顯示出近年來，中國微灌技術和市場以及市場主體呈現出了蓬勃發展的態勢。

3.5 專利申請技術流向分析

圖7展示出的是專利申請的流向圖，其示出了由歐洲籍、美國籍、中國籍、日韓籍、其他籍申請人所申請的專利布局的國家和地區，從中可以發現專利申請人對所進行專利布局地區的市場和技術競爭的重視程度。從專利申請的技術流向來看，其呈現出以下3個特點。

圖7 專利申請流向圖

(1)各個國家和地區的專利申請向外進行專利布局的專利在其專利申請總量中占比均非常小，大部分局限于在國內進行布局。

(2)美國、日韓和其他地區向外的專利布局側重于歐洲，顯示了市場主體更加注重于歐洲市場，在專利布局上也主要考慮保護歐洲市場的需要。

(3)中國對外申請專利非常少，中國微灌技術的專利申請量近年來快速增長，但中國企業還基本只停留在開發國內市場的層次，沒有與國外大型企業在其他地區展開競爭的可能，因而對外申請專利的需求較低，且技術研發力量和專利布局戰略也比較薄弱，因而還處于技術研發的上升期，需要進一步提高自身研發實力和競爭思維。

4 重點技術分析

滴灌是目前世界上最先進的節水灌溉方式之一，滴灌具有節水、節肥、省工等諸多優點。目前在我國西北內陸、東北四省、兩廣地區等均已有大規模應用。而隨著我國水資源短缺形勢的不斷加劇，滴灌在我國的推廣面積將越來越大，有著廣泛的應用前景。與此同時，近年來，隨著我國農業農村改革的不斷深入，我國農業生產條件有了新的變化。面對我國農業出現的新形勢，探討如何進一步合理發展滴灌技術，為促進我國節水農業的發展提供一定的技術支撐，具有重要意義。

圖8示出了滴灌技術下各技術主題的申請量，從圖8可知，滴灌領域的研究方向主要涉及以下幾個方面：灌水器、首次樞紐、結構組成、方法設備材料工藝、輸配水管網、自動控制、綠化設施、水源工程、栽培器和盆栽等。其中，灌水器、首部樞紐、結構組成是本領域的重點技術，占據了該技術領域的大部分申請，其中對灌水器的申請數量最多并達到了約1 900 件。此外，關于滴灌的設備、方法、材料工藝，以及滴灌自動控制方面也占有相當的比重，屬于目前的研究熱點。可見，滴灌領域的核心在于灌水器，其在整個滴灌領域申請量的50%，灌水器技術決定了滴灌技術的整體水平，是研發的重點方向。

圖8 滴灌技術下各技術主題的申請量

圖9顯示了滴灌技術下各技術主題全球地區分布。如圖9所示，從全球地域分布來看，中國在各技術分支的申請量都位居首位，俄羅斯、美國、以色列緊隨其后。其中，中國在一些非常規的領域也進行了相應的研發，例如栽培器、盆栽和綠化設施等，而國外在這3個領域卻幾乎沒有申請量，這一方面體現了中國與西方國家之間的文化差異，同時也說明該領域尚處于起步階段，中國企業可以重點關注這些領域，并在這些領域產品的生產地、銷售地提前進行專利布局，為“走出去”做好知識產權方面的準備。

圖9 滴灌技術下各技術主題全球地區分布

圖10顯示了中國專利申請中，滴灌技術領域各技術主題的占比情況，從圖10可以看出，與全球專利該領域的技術主題占比類似，中國專利申請中，灌水器、結構組成和首部樞紐各占據了大部分的申請比例，灌水器仍然是中國申請人主要的研發重點，自動控制、滴灌方法、滴灌材料和輸配水管網也具有相應的比較，其他技術主題則占比較少。

圖10 中國專利申請中滴灌技術領域各技術主題的占比情況

5 結 論

本文從專利申請出發，分析了全球微灌技術發展的現狀和趨勢，并對其中滴灌技術發展情況和技術發展路線進行研究。通過對比國內外專利申請的數量和技術分支，發現我國的微灌專利申請還存在申請量分散、對外申請量少等問題，導致我國雖然已是專利申請大國，但并非是專利技術強國。未來，我國微灌專利申請量仍將保持一段時期內的高速增長，我國企業要在競爭中突出重圍，就要不斷尋求技術突破，提高專利申請質量，比如加強與大公司的技術合作，重視專利權的保護和維持，開發擁有更多自主知識產權的產品來提高競爭力，通過對技術的引進吸收以及和對專利的交叉許可，吸收國外大型跨國公司研發技術和專利的基礎上，從技術上進而從產品上實現微灌技術的本土化和國產化，對于我國微灌企業打破國外大型跨國公司的技術優勢地位，提高市場競爭力至關重要。此外，抗堵、環保、智能控制與技術集成等仍是國際微灌界研究和關注的重點，因此，我國微灌領域研究團隊應致力于從水力學角度研究生物堵塞、化學堵塞、物理堵塞的原因，提出抗堵塞性灌水器設計原理和方法，從結構、新材料、新工藝技術等方面研究，開發具有高抗堵塞性的灌水器，逐漸解決微灌系統的堵塞問題。