蔬菜水肥一體化技術研究現狀與展望

馬志明，武良，2，陳宏坤，高璐陽，2*

（1.新洋豐農業科技股份有限公司/農業農村部作物專用肥料重點實驗室，湖北 荊門 448000；2.山東新洋豐肥業有限公司，山東 菏澤 274000）

我國是世界上最大的蔬菜生產國和消費國，蔬菜播種面積和產量均占世界的40%以上。2020年我國蔬菜種植面積約為0.21億hm2，總產量約為7.22億t，蔬菜產業在增加農民收入和保障市場供應方面具有重要作用[1]。施用化肥能夠促進蔬菜生長發育，提高經濟產量；但氮磷鉀肥配施比例不合理、有機肥與化肥施用配比隨意性大會降低肥料利用率和作物品質，增加生產成本，造成土壤肥力下降和環境污染等一系列問題[2]。同時，我國水資源短缺，時空分布不均，水資源污染與浪費現象嚴重[3]。研究表明，我國農業用水比例高達62.4%，但農業灌溉水的利用系數僅為0.54，遠低于發達國家[4]。因此，實施高效節水節肥技術，對于緩解水資源緊張、減少肥料資源浪費具有重要意義。

針對以上問題，水肥一體化技術應運而生，其具有節水、節肥、節時的特點，在提高肥料利用效率、作物產量和品質，以及改善土壤環境等方面具有顯著優勢[5～7]。合理利用水肥一體化技術，實施精準水肥調控，提升蔬菜產量和品質，應用前景十分廣闊。對水肥一體化技術的發展歷程以及不同灌溉和施肥方式的優缺點進行綜述，探究水肥一體化技術在蔬菜種植過程中的作用和存在問題，并對蔬菜水肥一體化技術的發展前景進行展望，以期為蔬菜增產提質、肥料減量增效、水資源高效利用提供參考。

1 水肥一體化技術的發展歷程

水肥一體化是根據作物需求，對農田水分、養分進行綜合調控和一體化管理，以水促肥、以肥調水，實現水肥耦合，全面提升水肥的利用效率[8]。水肥一體化技術能夠依據土壤水分、養分狀況以及作物對水、肥的需求規律進行設計，使水分和肥料在土壤中以最優的配伍狀態供給作物吸收[9]，是現代農業的研究熱點和重要發展方向。

從世界范圍看，水肥一體化技術起始較早。1860年德國發明了微灌技術，水肥一體化初步形成；20世紀60年代，隨著化肥和塑料工業的發展，微灌施肥技術有了明顯進展；20世紀70年代，以色列開始應用水肥一體化技術，將微灌與施肥技術結合，灌溉面積快速增加；20世紀80年代，以色列的灌溉施肥技術逐漸實現自動機械化，全面應用于果園、溫室蔬菜、大田作物、花卉等；21世紀，隨著水溶性肥料的成功研制和生產，水肥一體化技術發展更加迅速，應用面積進一步擴大，并逐漸形成完善的配套設備和服務體系，在干旱缺水地區和經濟發達國家廣泛應用。如今，印度的微灌技術快速發展，水肥一體化技術應用面積逐漸擴大；日本已經實現成熟的全自動管道灌溉技術，膜上灌溉和膜下灌溉技術快速發展；美國已建立完善的水肥一體化設施服務體系，是微灌施肥面積最大的國家[10～14]。

20世紀70年代（1974年），我國從墨西哥引入滴灌設備，開始灌溉施肥技術的研究；20世紀80年代，我國成功自主研發第一代滴灌設備，初步形成了規模化生產；20世紀90年代，我國科研和農業推廣部門大力開展微灌施肥技術探討和培訓工作，水肥一體化理論和應用受到重視；21世紀以來，農業部與國際鉀肥研究所（IPI）開展合作，在不同地區進行水肥一體化技術培訓，同時出臺《農業部關于推進節水農業發展的意見》和《水肥一體化指導意見》等多項政策，促進了水肥一體化技術的發展。當前，我國水肥一體化技術已轉變為大規模的推廣和應用，輻射范圍包括華北、西北、東北和華南地區，水肥一體化快速發展，應用廣泛[11，15，16]。

2 水肥一體化技術的主要灌溉和施肥方式及其優缺點

2.1 主要灌溉方式及其優缺點

水肥一體化技術是以水為載體，在灌溉的同時進行施肥，將水肥小流量、均勻、準確地輸送到作物根系區域附近土壤，使作物根系附近的土壤保持適宜水分和養分的節水灌溉技術[17]。根據灌溉方式的不同，水肥一體化可分為噴灌、微灌（滴灌、微噴灌、涌泉灌、低壓軟管灌等）和滲灌3種，不同灌溉方式的優缺點不盡相同（表1）[18，19]。

表1 現代水肥一體化的主要灌溉方式及其優缺點Table 1 Main irrigation modes of morden integration of water and fertilizer and their advantages and disadvantages

傳統灌溉方式有淹灌、漫灌、溝灌、畦灌等，存在耗水量大、水分利用效率較低，大量灌水易破壞土壤結構造成土壤板結等問題，限制了作物的生長發育。與傳統灌溉施肥方式相比，現代水肥一體化技術具有節水節肥、省時省工、提高水肥利用效率等優點，能夠促進現代農業的可持續發展[20]。但各灌溉方式由于自身的局限性，導致在實際應用時仍存在一些不足，如噴灌均勻性較差、易受風向影響，滲灌易發生管頭堵塞，滴灌設備成本高等。因此，水肥一體化技術仍需進一步的改善和提升。

2.2 主要施肥方式及其優缺點

目前，常見的水肥一體化施肥方式有文丘里泵法、壓差施肥法、重力自壓法、泵注肥法和泵吸肥法，不同施肥方式的優缺點不盡相同（表2）[21～24]。

表2 現代水肥一體化的主要施肥方式及其優缺點Table 2 Main fertilization modes of modern integration of water and fertilizer and their advantages and disadvantages

文丘里泵法采用文丘里設計，施肥器與微灌系統供水管閥門并聯安裝，運用水流通過文丘里管產生的真空吸力將肥料溶液從敞口的肥料桶中均勻吸入管道系統進行施肥。文丘里施肥法可以按比例施肥，在整個施肥過程中保持恒定的濃度供應，適用于花卉、蔬菜等作物。

壓差施肥法是利用壓差原理將肥料溶液注入施肥管道中的施肥方式。施肥罐由2根旁通管與主管道相連接，主管道與旁通管間設有節制閥，利用控制節制閥產生的壓力使水借助旁通管流入肥料罐中，待肥料溶解后，溶解液由另一根旁通管進入主管道中作用于需求作物的根部。壓差施肥法能夠實現一次定量施肥，但受水壓變化影響較大，常應用于大田微灌工程。

重力自壓施肥法是利用水位差產生的壓力進行灌溉施肥，具有操作簡單、成本低的特點。應用該方法時需在山頂建設蓄水池或將低位水源泵送至高位，利用水位差進行灌溉，難以實現自動化，通常適用于山地、丘陵地區果園的灌溉。

泵注肥法和泵吸肥法均需水泵提供動力使肥料溶液進入輸水管后作用于目標作物。泵注肥法是利用加壓泵將肥料溶液注入輸水管；泵吸肥法則是利用離心泵將肥料溶液吸入灌溉系統。2種方法施肥均不需要外加動力，灌溉系統結構簡單，但水肥比例不易控制，通常適用于對施肥速度要求較低的場所。

不同施肥方式的優缺點不同，各地區可根據具體的地形特點、作物種類和氣候條件等設計施肥模式，選擇適宜的水肥一體化施肥方式。

3 水肥一體化技術在蔬菜種植方面的作用

水肥一體化技術除可以實現對灌溉量、施肥量和灌溉施肥時間的控制外，還可以充分發揮水肥的相互作用，提高水分和養分利用效率，減少環境污染[25]，被廣泛應用于蔬菜、果樹、花卉、苗木、大田農作物等經濟價值高的作物。水肥一體化技術在蔬菜種植方面的主要作用可以概括為4個方面（圖1）。

圖1 水肥一體化技術在蔬菜種植方面的主要作用Fig.1 Main roles of water and fertilizer integration technology in vegetable planting

3.1 節約水肥資源，提高水肥利用率

水肥一體化技術通過管道準確、實時、定量地直接向蔬菜供水，能夠解決傳統大水漫灌方式中水分在運輸途中或作物非根區浪費的問題。同時，通過導管將溶解后的肥料輸送到蔬菜根系附近土壤，能夠避免尿素和銨態氮肥直接施在地表造成的揮發損失，實現肥料的高效利用。研究表明，水肥一體化技術可節水30%～40%，在蔬菜產量相同或相近的條件下，通常可節肥30%～50%[26，27]。江雨倩等[28]研究了滴灌施肥對設施菜地N2O排放的影響，發現與傳統漫灌施肥相比，滴灌施肥能夠擴大土壤濕潤區，限制硝化和反硝化作用產生條件，減少N2O的排放。

3.2 改善土壤物理性質和微生態環境

水肥一體化技術能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度，有效保持土壤濕度，克服因傳統大水漫灌造成的土壤板結等問題。應用水肥一體化技術，可大幅度減少施肥量，降低土壤次生鹽漬化發生的風險，同時還可增加土壤微生物群落的多樣性，促進土壤有機質分解，改善微生態環境[29]。研究表明，與傳統水肥管理模式相比，水肥一體化技術可增強大棚黃瓜土壤過氧化氫酶和纖維素酶的活性，提高土壤微生物的活動強度[30]。宋卓琴[31]研究了日光溫室番茄水肥管理對土壤生態的影響，發現水肥一體化處理能夠降低土壤EC值，提高土壤pH值，抑制土壤酸化和次生鹽漬化的加劇。

3.3 提高蔬菜產量，改善蔬菜品質

水肥一體化技術能夠根據蔬菜長勢適時、定量地灌溉施肥，促進蔬菜對水分和養分的吸收，解決土壤水氣矛盾，促進蔬菜生長；同時，還可配合施用多種有利于蔬菜生長的中、微量元素，改善蔬菜品質。研究表明，水肥一體化技術能夠提高蔬菜產量，顯著增加蔬菜的可溶性糖、Vc和可溶性蛋白含量[32，33]。蔡苗等[34]研究發現，水肥一體肥料減施能夠顯著提高設施番茄產量，增加番茄成熟期果實的Vc含量，較農民常規灌溉施肥處理增產9%。金明弟等[35]研究發現，水肥一體化技術能夠顯著提高日光溫室青菜產量，青菜的可溶性蛋白和可溶性糖含量均較常規水肥處理有所增加。王文軍等[36]研究表明，與常規灌溉施肥相比，應用水肥一體化技術可提高大棚番茄產量，以及果實的番茄紅素和Vc含量。

3.4 增加經濟收益，避免環境污染

傳統灌溉模式如溝灌、畦灌等耗水量大，水分利用效率較低，還需人工開溝灌水、施肥和回填等操作。水肥一體化技術主要采用機械化操作，可省去人工開溝灌水、施肥和回填等所需的大量勞動力用工，從而降低勞動成本。同時，采用噴灌、微灌和滲灌等施肥方式，適時、定量地供給蔬菜水分和營養，能夠大大降低水肥的過度使用，同時減少土壤養分流失造成的地下水污染，有利于保護生態環境。

4 水肥一體化技術在蔬菜應用中存在的主要問題

4.1 認識不足，技術相對缺乏

水肥一體化是將灌水與施肥緊密結合的高新技術，需要將灌溉設備、水溶肥料和施肥制度有機結合，是實施“精準水肥調控”、發展“高產、高效農業”的先進技術。部分蔬菜種植戶簡單認為該技術就是將水和肥混合施用，做不到真正的“精準”，造成資源浪費。同時，水肥一體化專業技術人員缺乏，隊伍人員建設和技術服務水平嚴重滯后于蔬菜產業的需求和新技術的發展。

4.2 組織化程度低，應用水平不高

蔬菜產業以家庭為主體，缺少輻射帶動能力強的龍頭企業，在推廣示范過程中缺乏專業技術示范基地和相關配套技術設備，使得新技術示范推廣難度加大。同時在應用過程中，部分區域只注重灌溉施肥設備的配備，忽視灌溉施肥制度優化和水溶肥料綜合應用，肥料選用、灌溉水量和灌溉時間把控不準確，無法真正起到節水節肥效果，影響總體經濟效益的提升。

4.3 自主研發能力較弱，政策支持有待加強

與發達國家相比，我國水肥一體化技術開展得較晚，關鍵部位零件依賴進口，智能化產品研發不足，相關設備實用性不強且規格形式單一，缺乏大型精密灌溉施肥設備。針對具體蔬菜作物的產品研發較少，配套設施質量不能滿足蔬菜產業發展的需求，水肥一體化技術實用性和可靠性有待進一步提升。同時，水肥一體化技術部分標準尚未完善，相關財政補貼標準體系和補貼機制還不健全，補貼標準偏低、技術推廣經費不足等進一步限制了水肥一體化技術的推廣和應用。

5 建議與展望

現代水肥一體化技術能夠提高水分和養分的利用效率，促進現代農業的可持續發展。根據國外水肥一體化技術的發展以及我國水肥一體化技術存在的主要問題，建議通過以下幾方面提高水肥一體化技術水平：

（1）加強政府引導，健全水肥一體化技術的財政補貼機制，完善水肥一體化政策標準，加大研發投入，進行相關技術的推廣和示范；

（2）根據蔬菜實際生產和種植戶需求，熟化水肥一體化關鍵技術產品，組織開發關鍵技術和配套產品，優化灌溉和移動設備，合理利用水溶性肥料；

（3）加強技術培訓和示范，優化合作機制推廣，強化相關基礎研究，促進種植大戶與高等院校、研究所開展合作，針對重點區域和作物開展不同水肥技術模式，提高水肥一體化技術的針對性和實用性。

水肥一體化技術在提高農業用水效率、農民增產增收、生態環境建設方面發揮著重要作用，對于緩解水資源短缺、保證國家糧食安全具有重要意義。隨著對水肥一體化技術的進一步研究和改善，相關水肥一體化標準的建立，以及人們節水節肥、生態環境保護意識的增強，我國水肥一體化技術的推廣和應用必將更為迅速，具有更加廣闊的市場前景。