東南煙區煙葉水肥一體化技術發展策略

劉永來，李淮源，梁志雄，王 寒，文國宇，陳建軍

（1.廣東中煙工業有限責任公司技術中心，廣東 廣州 510310；2.華南農業大學煙草研究室，廣東 廣州 510642；3.廣東煙草韶關市有限公司，廣東 韶關 512000）

烤煙是我國重要的高效經濟作物之一，常年種植面積100萬hm2左右，其中水田占27%，旱地占73%。水分和肥料是影響煙草生長發育的兩大重要因素，直接關系到煙葉產量和質量以及煙農的切身利益［1-2］。一方面，我國大農業中淡水資源短缺，區域性和季節性干旱發生頻繁，肥料施用不合理所致浪費現象普遍存在；另一方面，煙葉生產因肥料和水分利用率低而帶來生產成本高、土壤水體污染等問題依然嚴峻，一直制約著烤煙生產可持續健康發展［3-4］。為此，國家煙草專賣局于2005年發布了《全國煙葉生產基礎設施建設實施方案》，其兩大主要任務之一是建設基本煙田煙水配套設施，試圖提高煙田綜合生產能力和煙葉質量，實現煙農持續增收。2016年，為響應中央“一控兩減三基本”號召，國家煙草專賣局又適時將煙葉水肥一體化技術作為煙葉生產三項主推技術之一在煙區大力推廣應用，取得了顯著成效［5］。隨著水肥一體化技術與設備的日趨完善以及其在其他作物上的成功實踐，煙葉水肥一體化技術對于保障我國烤煙生產穩定性，特別是發揮旱地煙葉增產增質潛勢，進一步推動煙葉生產“減工降本、提質增效”均具有重要的實踐意義。但是，由于煙區氣候和土壤、地形地貌、農田基礎設施復雜多樣，煙葉水肥一體化技術適用性仍存在諸多瓶頸，亟需深入研究和系統發展。東南煙草種植區包括海南、廣東、廣西、福建、浙江、江西、臺灣等省（自治區）全部，江蘇、安徽的南部，湖南東南部，湖北的東部，是富有發展潛力的煙葉產區。該區常年種煙面積18萬hm2，年產煙葉34萬t，占全國烤煙種植面積和總產量的17%左右。區內陸地以山地、丘陵為主，占陸地的70%以上。煙地交通不便，水肥一體化設備鋪設難度大；雨水充沛，但分布不勻，季節性干旱在烤煙成熟期發生頻繁。

綜上所述，本文以東南煙區為例，從分析水肥一體化技術原理和發展現狀角度出發，探討水肥一體化技術在烤煙生產上應用難點及其發展方向，為加快傳統煙草農業向資源節約、環境友好、優質高效型現代煙草產業轉變提供依據和借鑒。

1 作物水肥一體化技術發展回顧

1.1 作物水肥一體化和精準水肥管理技術的含義

作物水肥一體化是將施肥與灌溉有機融為一體的農業生產施肥灌溉技術。水肥一體化借助于壓力系統（或地形自然落差），將預先調兌好的肥液連同灌溉水一起，先后通過各級管道網絡，最后以滲灌、微噴灌或滴灌的方式將作物生長所需的肥水準確輸送到作物根系生長的土壤區域［6-8］。因此，與傳統的灌溉和施肥方法相比，水肥一體化具有節約水資源［2,9-11］，提高肥料利用率［9,12-14］、改善作物土壤環境［15］和大大提高勞動生產率［16］等優勢。精準水肥管理技術則是在傳統水肥一體化的基礎上，通過引入智能化自動控制技術、墑情監測與決策支持技術、作物生長信息監測與綜合管理技術等［17-18］，依據作物生育期的營養和水分需求，同時結合土壤墑情［19-20］等信息，在人工或非人工控制條件下，通過灌溉與施肥系統，實現作物水肥的精準供應。精準水肥管理作為精準農業的一個重要組成部分，可以實現在每一操作單元上因土壤因作物預計產量和質量的差異而按需灌溉與施肥，有效控制了物質循環中的養分輸入和輸出，大幅度提高了水資源和肥料的利用率，促進了生態環境保護的建設，同時增加了農民的收入［1,21-22］，是現代農業發展的必然選擇。

1.2 作物水肥一體化技術的起源與發展

水肥一體化的起源最初可以追溯到19世紀以前的實驗室水培試驗。17世紀后期，英國博物學家John Woodward于1699 年開始利用不同來源的水或溶液如降水、河水、土壤提取液等進行植物培養，這就是最原始的水肥一體化［23］。20世紀以后,由于塑料工業的快速發展以及灌溉設備研發的突破［24］，以滴灌、噴灌等微灌模式為代表的水肥一體化技術開始在全世界范圍內得到廣泛應用和推廣。

國外的水肥一體化技術多用于棉花［25］、西紅柿［26］、辣椒［27］、馬鈴薯［28］和甜橙［29］等經濟價值較高的蔬菜和水果上。美國是目前世界上水肥一體化應用面積最大的國家，滴灌應用面積約為95萬hm2，同時擁有完善的水肥一體化設施及服務體系，其灌溉農業中60%的馬鈴薯、32.8%的果樹和25%的玉米均采用了水肥一體化技術，此外美國更是加強了新基于水肥一體化的新型水溶肥料和農藥注入控制裝置的開發應用，目前其肥料總量中有38%為水肥一體化專用肥料［30］。而作為世界上水肥一體化技術應用程度最高的國家，以色列有25×104hm2的農業灌溉面積已全面推行噴灌、滴灌化，水肥一體化已廣泛應用在果園、溫室、大田和園林綠化等領域，并正朝著自動化和智能化的方向發展［31］。例如該國Netafim公司研發的水肥自動化控制系統，由泵站、過濾中心、施肥灌溉系統和閥門管網等組成，通過計算機的集中管理與控制，自動配置適宜濃度的肥液，與灌溉水經過一定比例的混合后，再通過各級灌溉網絡，在電磁閥壓力的調節下實現對作物水肥供給的精確控制［31-32］。

我國水肥一體化技術應用始于1974年節水灌溉技術研究，當時是從墨西哥引進了滴灌設備，并建立了3個面積共5.3 hm2的試驗點進行試驗研究［9,33］。40余年的時間，從最開始的設備引進與消化吸收，再到后來的自主研發以及全國推廣等過程，我國的水肥一體化無論在推廣面積，還是技術設備或者控制理論方面，都得到了很大的發展［23］。在應用范圍方面，水肥一體化技術已成功應用在我國的蘋果、柑橘、香蕉、茶葉、棉花和馬鈴薯等作物的大面積生產上。尤其在新疆地區，其膜下棉花滴灌更是已經具備了較為成熟的技術，與溝灌相比，能保證節水50%以上，增產18.4%～39.0%，同時籽棉單產增幅為58.0～94.1 kg/667m2［10,34］。其次，在滴灌技術方面，我國更是相繼成功開發出壓差施肥罐、重力自壓施肥器，并發展出覆膜溝灌施肥技術、小白龍噴水帶微噴施肥技術、痕量灌溉施肥技術等［10］。此外，在水肥一體化系統的開發上，我國也有不少科研成果涌現，例如羅克勇等設計的耕作層水肥精準智能調控系統，以作物生理需水肥量及土壤含水量和肥分為依據，對土壤耕作層水肥參數進行監測并通過無線電傳輸，系統根據數據自動調節控制植物根部的水肥供給，實現耕作層微灌的自動化［22,35-36］。聶晶等開發的變量施肥輔助決策系統，在采集作物生長土壤信息的基礎上，依據作物在不同生長區域、階段對水肥的需求、水肥結合效應和目標產量等因素自動配制肥液，同時調整肥液濃度、流量和酸性等，執行精確的施肥過程［37］。

國際上作物水肥一體化技術在基礎理論、灌溉施肥的設備和肥料，水肥一體化系統的監測和管理等方面都已經相當成熟，在西歐、美國、以色列等發達國家更是一種普遍應用的實用技術。相對而已，我國在水肥一體化技術和設備的引進、消化吸收以及推廣應用方面都已經取得了相當的進步，但是我國在水肥一體化技術的研究和推廣方面地區之間發展不平衡，總體還處于發展推廣階段［10-11］。

2 烤煙水肥一體化技術應用現狀

2.1 烤煙水肥一體化技術的優勢

我國烤煙水肥一體化技術應用研究最早可以追溯到2000年楊金樓在烤煙上進行的滴灌試驗，其試驗結果表明滴灌在烤煙的生產上具有顯著的節水、增產、增效和提高煙葉質量效果，其產量和產值均比溝灌處理提高20%以上［38］。金文華等開展的烤煙節水灌溉試驗與示范研究也證實滴灌和噴灌的節水效果顯著，對煙田土壤結構、煙株農藝性狀和經濟性狀的作用效果顯著［39］。有關煙草水肥耦合技術研究和應用也日益受到煙草研究者重視［1,21,40-41］。

隨著地膜在煙葉生產上的廣泛應用，烤煙膜下滴灌技術應運而生，而相關的膜下滴灌試驗更是進一步顯現出滴灌在烤煙生產上的巨大優勢。王洪云等采用大田對比試驗方法研究了大理州烤煙膜下滴灌的效果，表明在單位面積上獲得同等煙葉條件下，膜下滴灌可以減少烤煙全生育期的灌溉量，同時在適宜的滴灌量范圍內，較小的滴灌量可以提高水分的利用效率，40～50 m3/667m2的灌溉量適宜于大理州的自然生態條件［42］。國鴻薔等在膜下滴灌的條件下，對烤煙生產設計了不同的水肥處理，結果顯示12 mm/次的滴灌量，結合施用15 000 kg/hm2生物有機肥和3 g/株化肥，可使煙草獲得最大的葉面積（4.2 m2），同時單株葉片干物質積累量和產量也最高。雖然生物有機肥+化肥的水肥設計可以優化煙草葉片干物質分配比例，但卻不利于煙草的早期生長［43］。此后，隨著人們對于烤煙水肥耦合機理認識的逐步深入［44-48］，煙葉水肥一體化設計試驗日益受到重視，在烤煙生產上陸續進行試驗應用［48-51］。目前，煙草農業形成了一些頗具特色的水肥一體化灌溉技術，如控制灌溉、非充分灌溉、膜上灌和噴、滴灌技術等，在煙葉生產中逐步推廣應用并已經取得了顯著的節水、節肥、省工效果［52-54］。

隨著水肥一體化技術與裝備的發展，現代煙草農業生產正朝著機械化化、自動化、智能化、成套化的方向發展，以遙感技術、人工智能、無線智能傳感器陣列等為特征的現代高科技開始被應用于灌溉、施肥、噴藥等煙葉生產環節，精準化程度大大提高［21-22,32,35,55］。烤煙水肥一體化通過適時、適量滿足煙株對水分和養分的需求，實現了煙株營養的精準調控，有助于進一步提高煙葉品質尤其是上部煙葉可用性［47,54］。雖然目前有關煙葉水肥一體化研究主要是探索水肥一體化下烤煙的水肥管理，但是也有部分前沿性的研究嘗試將基于水肥一體化的精準水肥管理技術應用于實際生產上。如范藝寬在河南許昌的中華煙原料基地，實施了一套適宜于優質烤煙的水肥一體化精準管理系統，通過實時遠程監測煙田的土壤和氣象環境參數以及煙株的長勢長相，實現了煙田供水、施肥和施藥的自動化精準管理［22］。陳建軍等［36］和鄒勇等［21］2008年在廣東開展了基于近紅外光譜的烤煙精準水分管理研究與示范，依據烤煙氮、磷、鉀和干物質的吸收規律和動態營養平衡原理制定理論施肥方案；運用基于滴灌和SPAD儀的水肥一體化技術對烤煙水肥實時供應，氮肥用量為9 kg/667m2，硝態氮與氨態氮比為50%∶50%，追肥氮鉀比為1∶1.5～2；利用自主研發的“優質煙葉精準水肥管理技術的規模應用與示范項目智能化控制系統”對烤煙大田水分進行自動灌溉，同比產量提高10%，增收10%，省肥20%以上，省水45%以上，省工量3～4個/667m2，取得了顯著成效。

目前關于烤煙精準水肥管理的相關技術研究及應用正方興未艾，而有關的成果更是已經投入到煙葉生產實際中，并取到了不錯效果，表明精準水肥管理技術在烤煙的生產管理上具有廣闊的應用前景。

2.2 烤煙水肥一體化技術推廣應用面臨的問題

2.2.1 不同生態區烤煙精準水肥管理體系尚未形成 水肥一體化技術的一個重要特點是可以按照既定的水肥設計適時、適量地滿足作物對于水分和養分的需求，實現對作物營養的精準調控。因此，要想在烤煙生產上實現精準水肥一體化，同時最大限度地發揮精準水肥管理技術的作用，就一定要明確不同生態條件下煙株生育期的需水需肥規律，選擇合適的肥料種類和肥料配方，并建立與之相適應的烤煙水肥精準高效供應體系。優質烤煙的生產離不開與之相配套的農藝措施。而水肥一體化在烤煙上的應用，更是對傳統植煙模式的變革。因此，有必要從生產實際出發，進行相關農藝措施的探索，建立與水肥一體化相配套的農藝措施體系。需要注意的是，我國幅員遼闊，煙區生態環境多樣，煙葉風格各有特色。所以，烤煙精準水肥管理體系的建立要充分考慮到各個地方的實際情況，因地制宜，合理設計。

2.2.2 基于優質烤煙生長發育模型的水肥管理系統有待開發 開展基于水肥一體化的優質烤煙精準水肥必須與基于優質烤煙生長發育模型的控制系統相結合。從相關報道來看，雖然目前國內有不少科研單位都開發了類似的控制系統，但普遍都欠缺實用性，因此有必要加強優質烤煙生長發育模型控制系統的開發，增強其可操作性。

2.2.3 農民的接受程度仍需要提高 農民是農業生產系統經營的主體，更是農業技術推廣體系運行的核心部分。但我國農村農民普遍文化水平不高，對先進生產技術接受程度不強［47-48］。因此，有必要加強對農民的宣傳推廣工作。同時，要充分發揮試點的示范作用，打造優質烤煙水肥一體化試點，一方面以實際效果提高農民的接受程度，吸引一批有知識懂技術的社會精英參與煙葉的種植與經營，著力培育的新型職業煙農。另一方面則以此作為培訓推廣的基地，培養一批能夠系統掌握技術、獨立開展工作的精準水肥管理技術專業隊伍。

2.2.4 前期投入大，需要建立長效機制 烤煙精準水肥管理的實施不僅需要建設水肥一體化水源與配套設施，同時還需要引入成套化的控制及生長監測設備，前期的投入對于煙農而言相對較大（15 000～18 000元/hm2），不利于推廣應用。因此，一方面有必要加強設備的研發，開發出價格低廉、合適耐用的設備，降低投入成本；另一方面，則需要發揮基層煙葉生產管理部門的主導作用，建立投入長效機制，協調多方的關系，為精準水肥管理應用于烤煙生產提供扶持政策與支持系統。

2.3 基于水肥一體化的烤煙精準水肥管理的發展條件

（1）科學的田間水肥管理是實現高效特色優質煙葉生產的技術保障。傳統的煙葉水肥管理方式過于依賴經驗，帶有明顯的隨意性和粗放性。不合理的水肥管理方式一方面容易造成水分和肥料的浪費，降低水分和肥料的利用效率，而另一方面則嚴重制約著煙葉生產的發展，導致烤煙質量不穩。再者，我國目前煙田的農業基礎設施仍然比較薄弱，約有36%的煙田缺乏有效的灌溉施肥條件［46］，煙田基礎設施的薄弱制約著烤煙正常水肥管理的進行。

（2）烤煙精準水肥管理被列為煙草現代農業示范點的三大主推技術，為水肥一體化技術普及應用提供了硬件支持。2016年是煙草行業水肥一體化技術推廣工作的啟動年，國家煙草專賣局在完成前期煙水配套工程和推動“一基四化”煙葉生產基礎設施建設基礎上大力開展烤煙水肥一體化的試點工作，力圖將水肥一體化技術應有到煙葉規模化生產中去。其實，自2013年以來，農業部先后印發了《水肥一體化技術指導意見》《全國農業可持續發展規劃》和《到2020年化肥使用量零增長行動方案》等文件。2015年中央一號文件《關于加大改革創新力度加快農業現代化建設的若干意見》中明確提出“大力推廣節水技術，全面實施區域規模化高效節水灌溉行動”。應該明確，水肥一體化是未來煙葉生產的發展方向，而基于水肥一體化的精準水肥管理更是嘗試將智能化、自動化等技術引入到水肥一體化中，打造水肥一體化技術升級版。因此，精準水肥管理技術在烤煙上的應用不僅僅能夠大幅度提高煙田灌溉水和肥料的利用率，減少勞動用工和勞動強度，更能夠推動現代煙葉生產方式的變革，為未來煙葉生產的規模化、集約化、標準化提供現實途徑。

（3）煙葉生產規模化種植為基于水肥一體化的烤煙精準水肥管理打造了實現平臺和技術發展空間。由于煙農專業合作社的發展和家庭農場的出現，我國煙葉的規模化種植已基本形成。規模化生產是煙草現代農業的一個重要特征，不僅能夠帶來直接的經濟利益，更能為高新技術的在煙草上應用提供有利的現實條件。目前戶均植煙面積已由2001年的0.20 hm2，增加到2017年的0.86 hm2。隨著我國煙葉種植規模的集中度增加和“小農戶+大農合”煙葉生產組織模式的發展，煙葉精準水肥管理技術將會更加普及，可以顯著提高作物的水分生產效率，大幅度地減輕農民勞動負擔，提高勞動生產率。

3 烤煙精準水肥管理發展策略

水肥一體化技術起源于設施農業，是世界農業公認的可以提高水肥資源利用率的有效技術。東南煙區雖然年降雨量較大，但分布不均勻，季節性或難以預期的干旱時常發生，直接影響煙葉風格特征、卷煙原料供給穩定性以及煙農增收。水肥一體化技術在煙葉生產上的應用總體處于試點示范階段，烤煙精準水肥管理技術是今后現代煙草農業技術發展方向之一，主要從以下幾個方面入手。

（1）加強政府與煙草行業協同創新，充分利用“以工哺農、以城帶鄉”的惠農扶農政策，將適用丘陵山地改造平整為基本煙地。東南煙區山地、丘陵占陸地的70%以上，紫色土旱地資源豐富，但植煙地塊不平整，田間道路曲折，交通不便，機械化作業水平低，水肥一體化設備鋪設難度大。廣東煙區對平整改造丘陵煙地進行了嘗試，積累了成功的經驗。因此，應加大煙草工業反哺煙葉生產力度，依照基本煙田數量、質量、生態“三位一體”原則制定土地平整規劃，加大丘陵煙地平整改造力度，加強農地水利基礎設施、路網建設，加大農業機械的推廣力度，減少人工操作，發展經濟適用移動水肥一體化設備，降低設備成本，為煙農提供農機具與水肥設備補貼，并提供技術保障服務。

（2）大力選育水肥高效利用的新型煙草品種。當前烤煙育種目標主要是“高香、優質、多抗”，而有關品種水肥利用率并未引起重視和關注。選育水肥資源高效利用的烤煙品種顯得迫切和重要，也是解決淡水資源短缺和肥料利用率低等問題最經濟、最有效途徑之一。近期目標可以考慮選育“水氮高效利用”型優質烤煙品種。

（3）深入開展水肥一體化技術理論與應用研究。一是繼續深入研究節水灌溉制度下烤煙水肥互作機理以及有效調節煙葉產量和質量途徑，建立動態平衡水肥耦合作用理論，建立適合各煙區的精準施肥指標體系、土壤肥力數據庫，記錄作物產量分布、土壤肥力分布，完善科學變量是非體系，將限灌溉、調虧灌溉、控制灌溉等節水灌溉技術和方法與精準施肥引入煙葉生產并推廣運用，實現節水節肥、增產增收、保護資源和生態環境目標。二是加強近紅外光譜等高新技術在煙葉生長監測、營養監控以及水肥狀況測控等方面的研究工作，探索技術參數，開發基于優質烤煙生長發育模型的水肥智能管理系統。三是因地制宜，加強先進技術組裝與集成應用研究。針對烤煙需水需肥規律、水源條件、設備特點、地形地貌等，集成和創新烤煙水肥一體化技術模式與管理方案，建立覆膜與露地結合、固定與移動互補、加壓與自流配套的多種水肥一體化模式，形成區域烤煙主體的水肥一體化技術規程。

（4）大力推進“互聯網+”現代煙草農業的發展，加強水肥一體化技術產品的研發。結合物聯網技術，大數據、云計算技術，發展智能灌溉技術，開發智能化、精準化農業灌溉系統與精準施肥設備，借助國外成功的經驗，引進國外適用技術，整體提升煙葉生產精準灌溉與施肥水平。

4 展望

目前，水肥一體化技術是進一步降低煙農種煙成本、提高煙農收入的新增空間，在煙葉生產上應用總體尚處于試點推廣階段。全國各煙區目前的工作重點仍然是根據各自氣候條件、地形地貌、水資源分布等特點和實際需求興建水肥一體化基礎設施及引入合適的水肥一體化設備開展示范試點，推廣應用范圍和普及進度有很大不同。北方煙區因地勢平坦等有利條件，其煙葉水肥一體化技術推廣應用速度總體較快；南方煙區因丘陵山區地形復雜水肥一體化設備安裝鋪設難度大而推廣應用相對慢些。因各煙葉產區生態環境條件、地形地貌等不同，基于水肥一體化的精準水肥管理在煙葉生產中推廣應用所面臨的研究與應用問題也不同，特別是東南煙區，其陸地以山地、丘陵為主，紫色土旱地資源豐富，但植煙地塊不平整，交通不便，水肥一體化技術實施難度大，還需要深入探討技術模式，并積極開展應用嘗試。因此，有必要在煙葉水肥一體化應用基礎上摸索和總結出因地制宜的水肥管理模式，提高技術適應性，充分發揮煙葉水肥一體化優勢，同時探索引入相關的智能化與自動化技術，進一步加強精準水肥管理技術體系建設，為我國現代煙草農業的健康發展提供支撐。