國內玉米高效節水灌溉水肥一體化技術研究現狀與展望

王紹新，李楠，王傳娟，王建東，梁曉陽，仇學峰

（1.北京潤澤金成園林景觀工程有限公司，北京 102400；2.中國水權交易所，北京 100053；3.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

0 引 言

全球日益嚴峻的氣候變化、水土資源短缺以及干旱洪澇災害等極端條件嚴重影響農業生產，保障糧食安全是全人類共同面臨的重大挑戰[1,2]。水分和肥料是農業生產中關鍵的兩個因素，作物水肥利用率低下仍然是我國農業發展中存在的重大問題[3]。多年來我國農業缺水量維持在300 億m3以上，制約農業發展[4]。傳統農業中，大水大肥等粗放的水肥管理模式使得資源浪費嚴重，利用效率低下。為提高肥料利用率，減少不合理投入，促進農業可持續發展，我國農業農村部等六部委印發的《“十四五”全國農業綠色發展規劃》，提出到2025年，化肥、農藥使用量持續減少，主要農作物化肥利用率從2020年的40.2%提高到2025年的43%。肥料中各元素損失明顯，氮肥、磷肥和鉀肥的當季利用率分別為30%～35%、10%～25%和35%～50%。對于氮元素來說，一方面是氨態氮的揮發，高達施氮量的40%～50%[1]；另一方面是硝態氮的淋洗和徑流。對于磷、鉀元素來說，其損失主要表現在沉積和固化。化肥不合理利用給地下水安全、大氣和自然生態系統均造成了嚴重破壞[5]。高效節水灌溉技術在提高灌溉水利用率和節水方面的效果十分顯著。同時，實現水肥一體化對于推進化肥減量增效方面將起到十分關鍵的作用。因此，采取高效節水灌溉方式并匹配合理的水肥管理制度，可以減少肥料用量，從而提高水肥利用率，促進國家糧食安全和農業可持續發展。

玉米是我國種植面積最大的糧食作物，約占糧食作物面積的35%，其產量接近全國糧食總產量的40%，在國家糧食安全中占有重要位置。2021年我國玉米種植面積達4 332 萬hm2，全國玉米產量2.725 億t。我國玉米生產主要分布于東北、華北和西南山區，其中東北典型的松遼平原玉米帶是國內重要的玉米糧食生產基地。然而，我國玉米單產水平相較美國、歐洲等世界先進水平區域差距較大，主要與品種、耕地、栽培管理、生產方式及投入等綜合因素有關。《全國高標準農田建設規劃（2021-2030）》中提到在“十四五”期間新建設和提升改造并重，而提升改造在黃淮海地區（河北、北京、天津、山東和河南）的主要方向就是提高水利用率，也就是要加大節水灌溉措施和高效節水灌溉建設，以期通過投入方式的高效管理，提高作物水肥利用效率，提高糧食作物產量。通過全面總結分析各類高效節水灌溉措施下玉米高效水肥管理研究現狀和問題，并展望未來的研究方向和應用重點，對于篩選區域適宜的高效節水灌溉模式及其水肥管理制度、進一步挖掘作物節水增產效益具有積極科學意義和實用價值。

1 高效節水灌溉水肥一體化技術

高效節水灌溉是指噴灌、微灌和管道輸水灌溉，其中微灌又包括微噴灌和滴灌兩種灌溉方式。水肥一體化技術，從廣義上講是指水和肥同時供給作物根系以滿足作物生長發育的一種技術。對于旱田作物來說，能夠提高灌溉水利用率和實現水肥一體化的灌溉方式有噴灌、微噴灌和滴灌。對于管道輸水來說，將水輸送到田間地頭以后，在田間配水方面大多以漫灌方式進行灌溉，對于田間水利用系數的提高和水肥一體化實施難度都比較大，水肥施用均勻度也很差。因此，旱田作物高效節水灌溉水肥一體化模式主要考慮噴灌、微噴灌和滴灌3種水肥一體化模式。

噴灌水肥一體化模式可以分為：大型噴灌機組水肥一體化、小型噴灌機組水肥一體化、固定噴灌水肥一體化和半固定噴灌水肥一體化等模式，現有主要的高效節水灌溉水肥一體化技術模式如表1所示。

表1 主要高效節水灌溉水肥一體化技術模式Tab.1 Integrated water and fertilizer technology mode of main high-efficient water saving irrigation

滴灌灌溉方式主要包括地表滴灌、淺埋滴灌和地埋滴灌3種形式。其中，淺埋滴灌一般滴灌帶鋪設在地表以下10 cm以內，適用于單季作物一次使用。地埋滴灌一般滴灌帶鋪設于地表以下30～50 cm范圍內，通常鋪設于翻耕層以下，為多年多次使用。對于大田地埋滴灌來說要注意的是滴頭的防堵塞和根系侵入的問題，又要解決這些問題，又要控制滴灌帶造價，目前還沒有非常好的解決方案。所以現在大田地埋滴灌還處于實驗示范階段。對于一年兩季或多季作物來說，由于各季作物及種植模式的不同，所需要滴灌帶的布置方式也不同。因此，對于兩季作物收獲和種植時間間隔較短的情況，在收獲后回收舊滴灌帶和鋪設新滴灌帶可能存在一定問題，所以在實際應用上要注意操作的可行性。

2 玉米高效節水灌溉水肥一體化技術研究現狀

玉米生長發育過程中，水肥是重要的因素，水分參與作物生長發育和作物蒸騰，肥料提供給作物的營養需求增加作物產量，提高水分利用效率[6,7]。玉米不同的生育階段對營養元素的需求量有很大的不同。從三葉期到拔節期隨著幼苗的生長，消耗養分的數量逐漸增加。而從拔節到抽雄期是玉米果穗形成階段，也是需要養分最多的時期，這一時期吸收的氮占整個生育期的1/3，磷占1/2，鉀占2/3。灌漿開始后，玉米的需肥量又迅速增加，以形成籽粒中的蛋白質、淀粉和脂肪，一直到成熟為止。這一時期吸收的氮占整個生育期的1/2，磷占1/3。因此，在合適的時期適時供應養分是非常重要的。我國各地傳統玉米水肥模式為肥料全部基施或50%～60%基施，40%～50%在拔節期或大喇叭口期一次性追施。在半濕潤和濕潤地區多靠自然降雨補給，對于半干旱地區多采用管道輸水，在相對干旱時期進行人工拉水管澆灌方式進行補充灌溉；反而是在干旱地區采用高效節水灌溉方式進行補充灌溉的更為普遍。由于傳統玉米水肥模式不能實現水肥一體化作業，也就形成了肥料全部基施或基施+一次性追施的習慣。而采用高效節水灌溉方式后，還有相當大部分種植戶采用傳統習慣的施肥模式，只是把高效節水灌溉單純的當作一種灌溉方式，這也是農戶玉米產量提不上去的原因之一。

目前在東北地區春玉米采用滴灌的水肥灌溉制度大多為：氮肥（N）240～320 kg/hm2,底施40%～50%，拔節期追施剩余的量；磷肥（P2O5）90～120 kg/hm2，全部底施；鉀肥（K2O）90～120 kg/hm2，全部底施。灌水定額1 200～2 000 m3/hm2,播種-出苗期灌水20%～30%，拔節期灌水30%～35%，抽穗期灌水10%～15%，吐絲-灌漿期灌水20%～25%。東北各地因氣候原因灌水定額相差較大。一般黑龍江、吉林中東部和遼寧東南部灌水定額較小。吉林西部、遼寧西北部和內蒙古東部地區的灌水定額較大。

在西北地區春玉米采用滴灌的水肥灌溉制度大多為：氮肥（N）240～350 kg/hm2,底施40%～50%，拔節期追施剩余的量；磷肥（P2O5）90～130 kg/hm2，全部底施；鉀肥（K2O）90～130 kg/hm2，全部底施。灌水定額3 000～4 500 m3/hm2,播種-出苗期灌水20%，拔節期灌水30%～40%，抽穗期灌水20%～25%，吐絲-灌漿期灌水20%～25%。

華北地區夏玉米采用噴灌或滴灌的水肥灌溉制度大多為：氮肥（N）150～250 kg/hm2,全部底施或底施60%～80%，拔節期追施剩余的量；磷肥（P2O5）90～130 kg/hm2，全部底施；鉀肥（K2O）60～120 kg/hm2，全部底施。灌水定額600～1 800 m3/hm2,滴灌灌水方式為播種-出苗期灌水25%～30%，拔節期灌水30%～40%，抽穗期灌水20%，吐絲-灌漿期灌水20%。噴灌灌水方式為播種-出苗期灌水25%～30%，拔節期灌水40%，抽穗期灌水30%～35%。

2.1 高效節水灌溉水肥一體化技術對玉米產量的影響

合理的水肥管理模式，適時、適量的施肥和灌水可以提高玉米產量，提升氮肥的利用率和水分生產效率。總結不同氣候區和不同地區的玉米水肥管理模式，玉米仍然具有很大的節水增產提升空間。

尹彩俠等[8]于2013年和2014年兩年在吉林省公主嶺市進行實驗，與當地習慣施氮肥量240 kg/hm2全部基施。相對當地習慣實驗設計減肥施氮量180 kg/hm2，其中基施1/3，在拔節期追施2/3。在減肥25%的條件下，分兩次施肥產量增加約6.1%，氮肥利用率從22.1%提高到41.8%。另外，徐杰等[9]和米國華等[10]的研究在吉林省中部地區，劉明等[11]、尚文彬等[12]和劉洋等[13]研究在黑龍江地區，研究表明通過滴灌水肥一體化方式將氮肥分多次在關鍵生育期施用，產量均在1.2 萬kg/hm2以上。在干旱半干旱的西北地區，如內蒙古東部通遼、赤峰、巴彥淖爾、寧夏、甘肅等地，通過滴灌水肥一體化對玉米進行水肥管理，氮肥施用量控制在180～240 kg/hm2的范圍內，氮肥在苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期等關鍵時期分多次按春玉米生長特點進行肥料的調控施用，玉米產量在1.38～1.70 萬kg/hm2不等。

采用高效節水灌溉水肥一體化模式，在氮肥相對當地習慣條件下進行減量，在玉米關鍵生育期采用水肥一體化技術分多次施用具有明顯的增產效應。根據玉米各生育階段對水肥的需求，采用高效節水灌溉水肥一體化技術實時進行灌溉和施肥，對于提高水分利用率和肥料利用率起到非常重要的作用，現主要氣候區和試驗區節水灌溉技術模式對產量和水肥利用效率的影響如表2所示。

表2 不同氣候區和試驗區節水灌溉技術模式對產量和水肥利用效率的影響Tab.2 Effects of water-saving irrigation technology on yield and water and fertilizer use efficiency in different climatic regions and experimental areas

干旱和半干旱區主要采用滴灌水肥一體化灌溉方式，在濕潤、半濕潤和半干旱區多采用滴灌和噴灌水肥一體化方式以提高產量和水分利用效率。根據表2數據可知，即使在同一地區采用同樣的灌溉方式，由于水肥灌溉制度不同，產量和水、肥利用率也會有較大差異。高效節水灌溉水肥一體化模式下的產量和水分利用效率結果大多基于作物不同生育期的水分需求，是更加科學精準的水肥灌溉制度，相比于農業種植戶的水肥經驗灌溉制度更為合理。即使如此，由于環境氣候環境變化等因素的影響也存在較大差異。因此，通過總結水肥灌溉制度和試驗驗證找出相對較優水肥灌溉制度，可為高效節水灌溉技術的推廣應用提供參考。

2.2 高效灌溉水肥一體化技術對玉米水分利用效率的影響

高效灌溉水肥一體化技術根據氣候變化、作物生長階段、土壤墑情等制定灌溉制度，按需水規律供水，制定合理的灌溉施肥制度，使土壤中的水分含量處于作物生長的最佳狀態，提高了水分利用率[35]。水肥一體化灌溉過程中可以將水分精準的輸送到作物根區，減少了水分下滲損失和地面蒸發，降低了水資源的浪費。采用噴、滴灌等高效節水灌溉方式比漫灌可以節水50%左右[36]。

李曉龍等[17]在赤峰市的實驗研究表明，采用滴灌水肥一體化，在玉米拔節期、喇叭口期、抽穗期和灌漿期各灌水一次，每次灌水量300 m3/hm2，相比當地傳統習慣漫灌每次灌水量750 m3/hm2，可節約灌溉水量60%，而產量比漫灌增產43.8%。李哲等[19]和戴嘉璐等[37]在巴彥淖爾市研究也表明采用滴灌水肥一體化比漫灌更節水，少量高頻的滴灌水肥一體化水分生產效率比漫灌高出一倍，提高玉米百粒重從而顯著提高產量。鄒海洋等[21]和魏廷邦等[20]在西北干旱地區武威的實驗表明，采用滴灌水肥一體化在灌水量相對當地習慣減量20%條件下，可以得到較高的玉米產量和水分生產效率。實驗水分利用效率高達3.27 kg/m3和4.3 kg/m3。張富倉等[24]在寧夏同心縣的實驗表明，滴灌灌水量在90%ETc的條件下氮肥300 kg/hm2可以得到最高的玉米產量。與鄒海洋等[21]得出的膜下滴灌條件下90%ETc～100%ETc灌水水平下氮肥180 kg/hm2可以得到產量最高的水分需求相同。張映輝[39]研究膜下滴灌水肥藥一體化種植，發現比傳統漫灌種植方式節水1 800～2 250 m3/hm2，水分利用率可以提升50%～65%。

采用水肥一體化灌溉后，水肥耦合對肥料和水分的利用率是相互影響的。邵國慶等[40]認為在相同灌水條件下，增加施氮量能顯著提高玉米的水分利用效率。劉學軍等[22]研究表明玉米灌溉主要補充了0～60 cm土壤含水率，說明滴灌灌水定額按此設計較為合適，不會造成深層滲漏。玉米生育期隨著根系的擴大，灌水量也增加，滴灌濕潤比也增加。因此確定玉米生育期滴灌灌水定額應該不小于225 m3/hm2，最大不大于450 m3/hm2，否則會造成灌水不足或灌水浪費。

2.3 高效灌溉水肥一體化技術對玉米肥料利用效率的影響

高效灌溉水肥一體化技術施肥均勻，養分能夠直接施到作物根系附近，可以最大限度地避免肥料被淋洗到根系以下，減少了肥料的浪費。對于肥料而言，一般認為氮肥是氮隨水走，所以氮肥的時效相對較短，一般7～10 d見效，肥效有效期為45～60 d。而磷鉀肥不會隨著灌溉水產生較大的運移，一般認為磷肥的運移不超過5 cm，并且易形成固定作用，肥效持續時間很長。鉀肥的運移比磷肥會大一些，但是一般認為鉀肥的運移也不會超過10 cm，鉀肥在土壤中的肥效持續時間一般認為40～60 d左右。所以在進行肥料利用研究時大多以氮肥為主要研究對象。因此，我們也以氮肥為研究對象進行分析。

在西北地區，內蒙古通遼市科爾沁區進行的3 a（2017-2019年）實驗研究表明[18]，滴灌條件下，按不同生育期追施氮肥的量在209.34～275.7 kg/hm2產量可達12 000.00～12 716.82 kg/hm2，氮肥偏生產力達到57.1 kg/kg。比當地傳統習慣施氮量300 kg/hm2的氮肥偏生產力高出37.5%。王佳等[23]在寧夏銀川的研究表明，氮肥施用量在180～270 kg/hm2，采用滴灌水肥一體化技術玉米全生育期施肥8次，灌水11次得到最大的氮肥偏生產力，可以達到92.3 kg/kg。

在華北地區，夏玉米生長周期比春玉米短35 d左右，其產量要略低于春玉米。而夏玉米主產區的華北平原更多的采用漫灌的灌溉方式，不利實現水肥一體化，傳統的施肥方式多以基肥或基肥+一次追施肥，氮肥的利用率普遍偏低。因此在華北平原采用滴灌和噴灌等水肥一體化技術對玉米產量和氮肥利用率的提高有非常顯著的作用。崔吉曉等[25]、邢素麗等[26]、李格等[27]、郭麗等[28]和張經廷等[30]的研究均表明，在河北省夏玉米采用噴灌或滴灌水肥一體化技術，在氮肥底施，拔節期、抽穗-吐絲期和灌漿期分多次進行追施條件下，氮肥施用量165～210 kg/hm2，產量可以達到11 000 kg/hm2左右，氮肥偏生產力高達52.56 kg/kg以上，氮肥的利用率普遍較高。在河南省和山東省，劉見等[31]、李周晶[32]、隨凱強等[41]的研究與崔吉曉等[25]研究的結果基本一致。同樣，在東北地區，尹彩俠等[8]和尚文彬等[12]的研究表明，采用水肥一體化技術，施氮量在250 kg/hm2以下，并按生育期多次追肥時，氮肥偏生產力達到65 kg/kg以上，氮肥利用率在41.8%以上。而王宜倫等[42]、曹景偉[43]和韓祥飛等[34]研究表明，在施氮量300 kg/hm2以上時獲得了更高的產量，但是氮肥偏生產力都在42 kg/kg以下，有數據記錄的氮肥利用率只有25.17%。綜上，采用噴灌或滴灌水肥一體化技術，施氮量在160～250 kg/hm2范圍內，并按不同生育期多次分施追肥方式可以得到較高的產量和氮肥偏生產力，氮肥的利用率更高，接近于發達國家氮肥利用率50%左右的水平。

3 玉米高效節水灌溉水肥一體化技術研究與應用展望

隨著農業科學技術的不斷發展和推進，高效節水灌溉水肥一體化技術在我國得到了廣泛應用，尤其是在干旱半干旱區，應用面積廣、效益高，是實現農業現代化的關鍵。玉米作物生育期長，耗水量大，需肥量高，大力推廣高效節水灌溉水肥一體化技術能夠有效促進節水、節肥和增產、增效，有力保障和促進國家糧食安全、水安全和生態環境安全。

我國玉米高效節水灌溉水肥一體化技術應用取得明顯成效。在東北、西北地區和內蒙古全域，為避免春季和初夏較大的蒸發量，以及較大的風速對噴灌的漂移產生的影響，多年采用滴灌水肥一體化灌溉技術模式。對于半干旱和干旱地區來說，滴灌水肥一體化技術具有很好的節水、節肥和效果、增產效果。現在已具備普遍推廣的條件，但是對于滴灌水肥一體化的節水、節肥和保障玉米產量不降低的情況下，提高肥料利用率還需要進一步的研究和對研究成果的轉化推廣。在華北平原地區，針對兩季作物的夏玉米，現在較為適用的是噴灌水肥一體化技術。噴灌水肥一體化技術不會因不同作物輪作影響其使用，較傳統的管道輸水漫灌，具有節水、節肥、省時、省工、易于實現水肥一體化等優點。河南省農業農村廳于2022年4月22日印發了《河南省高標準農田示范區建設指南》，其中對于各類噴灌水肥一體化技術進行了詳細的說明，并給出了各類不同噴灌形式的投資建設標準。示范工程將發揮好引領的作用，為噴灌水肥一體化技術在華北平原的推廣應用將會得到政府層面的引導和推動。雖然噴灌水肥一體化技術推廣和應用前景都能看得到，但是對于采用噴灌水肥一體化技術后的玉米水肥灌溉制度，提高氮肥利用率的使用方法等還需要進一步的研究。要讓噴灌水肥一體化技術成為糧食穩產、增產的有利保障。

盡管全國各地的高效節水灌溉水肥一體化技術具有一定的基礎，但是也存在一些問題與不足。在技術研發與創新方面，技術開發成本總體較高，針對肥料配方、水肥用量、灌溉頻次等方面未形成可廣泛適用的科學的灌溉決策系統，多數農民憑個人經驗進行灌水施肥。在設備研發與改進方面，經濟實惠的設備較為缺乏，設備操作流程較為復雜，農戶使用不便。其中，在滴灌水肥一體化技術應用上，施肥裝置大量采用壓差式施肥罐，壓差式施肥罐對主管網的壓力損失較大，其施肥濃度存在前后不一致現象，導致施肥均勻度較差。應推廣由動力泵驅動，具有吸肥量穩定、可調的施肥機，施肥機配帶攪拌器的混肥桶，在施肥前將可溶性肥料與水充分的溶解后再進行灌溉施肥。在推廣應用與宣傳方面，應對農民進行培訓與技術指導，提高售后服務，定時維護，及時維修；與開發和銷售企業做好滴灌水肥一體化技術的科學宣傳，引導種植戶正確的應用滴灌水肥一體化系統，不能將滴灌當成漫灌來使用；另外，當前受到農戶分散種植的影響，在推廣和使用上還存在一些問題。在技術集成方面，廣大設計單位和設計人員對技術和設備的了解程度較低，不能形成有效的技術集成。即使是專業的灌溉公司在技術集成方面的能力也差別較大，只有極少的公司具備技術集成能力。因此，在技術集成方面需要多參觀實際項目；多了解國內外相關技術和設備；通過專業培訓增加技術和設計人員技術集成經驗等。

4 結 語

采用高效節水灌溉水肥一體化技術對玉米的節水、節肥和穩產、增產具有重要作用。如何科學合理的應用和創建適合當地的水肥管理制度和示范是應用好的前提。首先，根據玉米的生長特點和各生育期對肥料吸收利用的數量，以及不同肥料被作物吸收轉化的時間規律。適時、適量的采用高效節水灌溉水肥一體化技術進行灌溉追肥。其次，根據玉米生長階段根系分布情況、各階段玉米耗水情況、氣候條件和灌溉方式等科學合理的確定灌溉制度。最后，建立高效節水灌溉水肥一體化項目示范區，通過科學的水肥管理制度+對比實驗等方式，進行示范、宣傳和引導。