稻田應用“水肥一體化”的現狀、問題與思考

馬橫宇 王孟佳 殷敏 褚光 徐春梅 章秀福 王丹英 陳松

（中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，杭州311400；*通訊作者：chensong02＠caas.cn）

水肥管理是作物增產增效的重要途徑，傳統栽培方式水肥管理方式粗放、水肥利用效率低下。據2019年中國水資源公報顯示，農業用水占我國當年用水總量的61.2%，年農田灌溉水有效利用系數僅為0.559，遠低于發達地區的0.800[1]。為解決化肥利用效率低這一粗放式農業亟待解決的頑疾[2]，2015年農業農村部制定了化肥和農藥施用總量零增長的政策，并通過研究和推廣有機肥替代、肥料機械深施、水肥一體化等減肥增效技術[3]，逐步實現化肥零增長目標。2018年全國化肥施用總量比2015年減少了6.13%，但減少的部分主要還是來自作物種植結構的改變，肥料利用效率依然較低[4]。

研究與開發高效精準的農田節水節肥技術對節約水資源、提高水分和肥料利用效率具有重要意義。研究表明，通過合適的水分管理和肥料管理，可以促進水稻根系生長，提高水稻吸水吸肥輸水能力，增加水分和肥料利用效率[5]。顧俊榮等[6]研究發現，通過氮肥管理和輕干濕交替技術，灌溉施肥結合水稻水氮吸收規律，在減少水分和總施氮量的情況下，仍然可以提高水稻產量。因此，如何實現精準化水肥管理已成為構建新型高效栽培技術體系的主要問題。

水肥一體化技術是一種高效精確的灌溉施肥技術。廣義的水肥一體化是指在灌溉的同時，將肥料溶于水中一起施入田中的技術[7]；狹義的水肥一體化常指利用壓力差，用微灌的形式以水為載體將肥料與之結合，根據作物不同時期的水肥需求精準施肥的技術[8]，也是現階段我國常用的水肥一體化技術。現階段水肥一體化受成本和設備的制約，主要應用在蔬菜、苗木、花卉以及玉米、小麥等旱地作物中，在水田作物中應用較少。三大糧食作物中水稻對肥水需求最大，浪費也最為嚴重[9]。若在水稻栽培中應用水肥一體化技術節水節肥，對于提高水稻水肥利用率、節約肥料和水資源具有重要意義。

1 水肥一體化技術的起源與發展

1.1 水肥一體化技術的起源

水肥一體化技術源自無土栽培技術，最初的水肥一體化栽培技術是在土壤提取液中種植植物[10]。水肥一體化的核心技術是“水肥混勻”，在灌溉的同時供給作物所需的各種營養元素，其短板在于肥料輸送困難。因此，盡管水肥一體化起源于17世紀末，但是直到20世紀50年代，隨著塑料工藝的進步，滴灌、微噴灌等水肥一體化核心技術才迅速發展，并在全世界推廣[11]。塑料工業生產的管道彌補了水肥一體化中肥料輸送難的短板，促進了水肥一體化的推廣。隨之產生的水肥一體化設備生產公司，比如1965年在以色列創辦的耐特菲姆公司，發明了滴灌技術，是目前世界上最大的滴灌設備供貨商，占世界滴灌市場份額的70%[12]。

目前美國是世界上微灌覆蓋面積最大的國家，水肥一體化專用肥料占作物用肥的38%，美國灌溉農業中60%的馬鈴薯、25%的玉米、33%的果樹應用了水肥一體化技術，其中加州的果樹灌溉集成了水肥一體化技術，是典型的高產值農業示范區；德國在20世紀50年代隨著塑料工藝的發展，結合水流出技術，精確控制作物施肥技術開始快速發展；西班牙、日本、意大利等國也是水肥一體化發展較快的國家[11，13]。

水肥一體化在以以色列為代表的水土貧瘠國家的發展尤為迅速，以色列人均淡水量320 m3，僅為世界人均水平的1/33，但是以色列的水肥一體化應用面積占其國家農業應用面積的90%以上，大力發展水肥一體化技術，是以色列解決用水困難的主要途徑[14]。20世紀60年代，以色列開始全國普及水肥一體化技術，利用管道運輸水肥，減少了水分流失，提高了水分利用效率[15]。

1.2 水肥一體化技術在國內的發展

相對以色列等國家，我國水肥一體化起步較晚，1974年我國從墨西哥引進了第一批滴灌設備，1980年自主研發了第一套滴灌設備，并結合國外先進設備逐漸實現了設備規模化生產[16]。2000年以來，我國逐漸加大節水農業發展力度，管道輸水等灌溉措施減少了輸水過程中的水分損失，滴灌等節水措施也從單位試點逐漸向規模化生產轉化[17]。2002年，我國組織大面積水肥一體化推廣，通過建立核心示范區，輻射帶動周邊地區技術推廣[18]。目前我國應用較多的水肥一體化技術主要是滴灌和噴灌技術，并基于上述兩種技術發展了膜下滴灌、微噴灌等延伸技術[16，19]。

膜下滴灌技術是在滴灌帶上覆蓋黑膜，保溫保水同時起到預防雜草的作用。膜下滴灌技術在我國西北地區運用較多，玉米膜下滴灌技術運用后與溝渠灌溉相比顯著增產增效[19]；新疆地區的棉花膜下滴灌技術已經十分先進[18]；新疆天業集團將稻田覆膜、滴灌、施肥等技術有機結合，建立了水稻膜下滴灌技術[20]，目前該技術的應用主要集中在新疆等干旱地區。關于膜下滴灌栽培稻也有報道，銀永安等[21]的研究表明，與傳統種植相比，膜下滴灌水稻空癟率增加但不顯著，株高、光合速率等也有變化，說明膜下滴灌技術對水稻生長狀態會產生影響；王志軍等[22]的研究表明，膜下滴灌水稻的株高以及產量均顯著低于淹灌，但是顯著提高了水肥利用效率。噴灌技術是用噴嘴加壓使水噴施在土壤表面的技術，具有灌水均勻、地形適應力強等優點，由于水噴出后易受風力影響，應用時要因地制宜[23-24]。

水肥一體化在輸水過程中水分消耗少，在輸水過程中同時施肥施藥，省水省工省力。將來水肥一體化技術主要向智能化、自動化發展，通過與物聯網技術結合，配合土壤和作物監測系統，監測作物生長情況，并實施對應的精準灌溉施肥。

2 水肥一體化在旱地和設施農業上的應用

2.1 水肥一體化在旱地農業中的應用

水肥一體化技術可以緩解用水壓力，在旱地作物中應用技術較為成熟。李俊林等[25]通過對CNKI數據庫檢索發現，水肥一體化技術相關的關鍵詞中玉米、番茄、馬鈴薯等旱地作物出現頻率高。

旱地大田作物利用水肥一體化栽培技術可以顯著增產增效[26]。梁海玲等[27]對比了玉米栽培中常規灌溉、分根交替灌溉、固定部分根區灌溉方式，發現分根交替灌溉與80%水肥一體化組合可以有效提高水分利用效率，與常規施肥相比，水肥一體化玉米籽粒總干物質量顯著提高。張晶等[28]在冬小麥上的研究發現，與大水漫灌撒施肥相比，微噴灌在減施30%氮磷鉀肥情況下，可以有效提高小麥產量和植株氮磷鉀積累量。水肥一體化在輪作體系中的利用和在單一作物中的利用類似，張健等[29]研究發現，“小麥-玉米”周年輪作體系使用水肥一體化技術與常規施肥相比，最大可以提高10%的經濟效益，同時極大提高了水肥利用效率，實現降低生產成本的目的。

2.2 水肥一體化在設施農業中的應用

水肥一體化在蔬菜中主要的應用場景是設施栽培，設施水肥一體化栽培是蔬菜中產量增加和品質改善的有效途徑。與傳統溝灌相比，同等施氮量條件下，滴灌處理比常規灌溉處理產量提高13.8%[30]；王文軍等[31]研究發現，與傳統施肥相比，水肥一體化減量施肥效果更佳，減氮量20%與傳統施肥相比有增產效果，減氮量40%條件下產量與傳統施肥相當。宋卓琴等[32]的研究顯示，水肥一體化還可以改善土壤品質，溫室條件下種植番茄，與溝灌相比，利用膜下滴灌技術可增產21.9%，且能夠有效減緩土壤的酸化過程。THAKUR等[33]研究發現，同等施肥量下，與常規灌溉相比，應用滴灌技術種植的蘋果樹，其樹高、樹干周長分別增加了9.41 cm和8.05 cm，與其他技術應用相比蘋果產量更高。

3 水肥一體化技術在水稻生產上的應用

3.1 應用現狀與存在問題

水稻是半水生作物，全生育期需水量遠大于其他糧食作物，在水稻栽培中應用滴灌等水肥一體化技術，可以實現水稻全生育期無水層種植，減少水稻種植管理環節，省水省肥省人工。但是目前在水稻大田生產上，采用以滴灌和覆膜栽培技術為主的水肥一體化技術極少，主要原因有：一是成本高。與傳統水稻栽培常采用的溝渠灌溉相比，滴灌技術需要鋪設肥料液管、建立水循環系統，硬件成本高；與玉米等作物相比，水稻的種植密度大，管道密集，鋪設、維護和回收都需要更多的人工成本。二是雜草嚴重。水稻栽培中長灌水不止是滿足生長需求，還有以水壓/抑草的作用，雖然膜下滴灌中的覆膜同樣具有減少雜草的作用，但是與淹水相比，覆膜效果較差，且回收十分困難。三是污染環境。現階段常用的水肥一體化技術是水稻膜下滴灌技術，但是常規地膜難以降解，收獲后難以清理，會造成白色污染。賀懷杰等[34]的研究表明，膜下滴灌棉田0～40 cm土壤殘留地膜密度遠大于國家標準，且長期覆膜中積累的殘膜會破成小塊并向深遷移。此外，一些研究表明，常規栽培稻在膜下滴灌中種植效果差，適用品種很少[35]。

3.2 發展對策

從生產實際看，適用于旱地作物和設施栽培的以滴灌或覆膜滴灌為主的水肥一體化技術并不適用于水稻大田生產。稻田的水肥一體化應與生長期大量需水特性相結合，可能需要在以下幾方面進行技術創新。一是溝渠和管道相結合。水稻的水肥一體化可以和傳統的溝渠灌溉結合，建立溝渠和管道相結合的稻田水肥一體化技術，進水暗管，排水明渠。進水口建小型水肥混合設備，在水稻需肥期以水帶肥，實現肥料深施。二是要建立智能化的土壤水勢和水層監測系統。動態的檢測土壤水勢、水層，并反饋到系統終端，根據水稻生長的需水規律，實現灌溉的自動化。三是要研發高效的水溶肥料類型。水肥一體化中，不同肥料類型，對作物生長的效果不同，尋找高效的水溶肥類型有益于水稻增產增效。四是實現水肥藥一體化。針對覆膜栽培下的雜草問題，水肥藥同時施入，殺菌藥隨水灌溉，能大幅度減少土傳病菌的傳播，地膜覆蓋可以有效減少藥物揮發，增強藥物作用[36]。除草藥隨水施入，能有效殺滅雜草，減少除草過程中消耗的人工成本，相對藥效更持久，保持周期更長。對于非土傳病害及病蟲等造成的地上部組織危害，可以結合滴灌與微噴灌[37]，同時作用于水稻的地上和地下部分，達到整體防治的效果。

4 展望

現階段我國已經基本上完成了到2020年“控制農業用水，化肥、農藥用量零增長”的目標，但是我國的水肥利用效率仍相對較低，如何實現農業用水施肥高效化需要長期研究。現階段大田作物栽培，尤其是水稻栽培中水肥管理仍然比較粗放，而且水稻栽培需水量遠大于其他大田作物，水稻節水還有很大潛力。

現階段水肥一體化技術在水稻上主要應用方式是膜下滴灌水稻栽培，但這種方式并不適于大面積推廣應用。構建與物聯網技術結合的智能水肥一體化技術，是實現水稻生產節水省肥、精確高效的方向。