基于專利分析法剖析國內外節水灌溉技術裝備發展趨勢

摘 要： 我國既是全球13 個人均水資源最貧乏國家之一，又是農業大國。農業用水是全國水資源總體利用的重要組成。農業節約用水直接關系國民經濟的發展。概述了目前我國節水灌溉的現狀，并從專利的視角，使用智慧芽專利數據庫作為數據來源，分析2014—2023 年全球專利申請量、申請專利類型、申請人區域專利數量排名、“五局”流向、重要技術分支地域分布、申請（專利權）人專利數量排名、創新詞云及領域地圖等情況。結果表明，近10 年我國專利申請量總體呈上升趨勢，居世界第1 位。在“五局”流向分布中，我國是占比最大的技術來源國和技術應用國，但在國外市場的開拓方面遠不如美國。我國專利研發機構以科研院所、大學為主，雖然活躍度不斷提升，但是相較于歐美國家的專利公司還有一定差距。基于上述分析，建議未來增強企業專利研發實力，促進節水灌溉技術成果的轉化落地；注重專利海外布局，將市場擴大到世界范疇；引入物聯網、傳感器等技術，推動節水灌溉向智能化、精準化方向發展。

關鍵詞：農業用水；節水灌溉；節水增效；專利分析；智慧芽

中圖分類號：S277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0005-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411301

0 引言

建設資源節約型社會是我國貫徹落實科學發展觀的重要戰略部署，這其中水資源的節約利用是重要一環。2022 年我國水資源總量27 088.1 億m3，約占全球水資源總量的6%，居世界第4 位[1-2]。然而，由于我國人口基數大，人均水資源卻十分匱乏，僅達到世界平均水平的25%，列為13 個人均水資源最貧乏國家之一[3]。節約用水迫在眉睫且勢在必行，這項舉措貫穿我國社會發展的方方面面。我國是傳統農業大國，農業是國民經濟建設和發展的基礎產業，農業用水是全國水資源總體利用的重要組成。節水增效既關乎農業發展的命脈，又對國民經濟的穩步提升起到推波助瀾的作用。2019 年4 月，國家發展改革委、水利部聯合印發的《國家節水行動方案》指出，在農業節水增效方面，要大力推進節水灌溉[4]。2023 年中央1 號文件提到，要加強高標準農田建設。完成高標準農田新建和改造提升年度任務，重點補上土壤改良、農田灌排設施等短板，統籌推進高效節水灌溉，健全長效管護機制[5]。《“十四五”節水型社會建設規劃》也對節水灌溉做出了重點部署， 強調要推廣節水灌溉，“十四五”新增高效節水灌溉面積0.04 億hm2，創建200 個節水型灌區，到2025 年，全國建成高標準農田0.72 億hm2 [6]。由此可見，在集約化、可持續發展高效農業的今天，節水灌溉是一項行之有效的重要措施。

本研究通過對我國節水灌溉現狀分析，清晰展現了近年來節水灌溉產業發展的成效。但是由于技術發展起步較晚，與世界發達國家相比仍然存在較大差距。以專利為視角，分別從全球專利申請量、申請專利類型、申請人區域專利數量排名、“五局”流向、重要技術分支地域分布、申請（專利權）人專利數量排名、創新詞云和領域地圖等方面做出深入分析。最終從技術攻關、產業布局、管理體制等不同層面提出對策建議，希望對提升我國節水灌溉產業水平，進軍國際市場有所幫助。

1 現狀分析

根據水利部發布的《中國水資源公報》數據，2018—2022 年， 我國農業用水量分別為3 693.1 億、3 682.3 億、3 612.4 億、3 644.3 億和3 781.3 億m3，分別占全國用水總量的61.4%、61.2%、62.1%、61.6%和63.0%，具體如表1 所示。

以中國統計年鑒數據為基礎，自2000 年起，每5年為一個節點，分別采集2000、2005、2010、2015 和2020 年的數據。節水灌溉面積分別為1 638.9 萬、2 133.8 萬、2 731.4 萬、3 106.0 萬和3 779.6 萬hm2，占耕地灌溉面積的比例分別為30.45%、38.78%、45.26%、47.15% 和54.65%，具體如表2 所示。

由表1 和表2 可知，我國農業用水量占全國用水總量的比例常年保持在61% 以上，主要用于農田灌溉，是全國用水的重要組成[1]。盡管農田灌溉水有效利用系數呈逐年遞增趨勢， 但與世界先進農業大國0.7～0.8 的水平比較仍存在差距[7]。

自2000 年開始，20 年間我國節水灌溉面積占耕地灌溉面積的比例呈上升趨勢，由2000 年的30.45% 提升至2020 年的54.65%，節水灌溉面積達3 779.6 萬hm2 [8]。然而，國務院發布的《全國土地利用總體規劃綱要（2006－2020 年）》顯示，2020 年我國耕地保有量是1.2 億hm2 [9]。顯然，我國僅有不到1/3 的耕地實現了節水灌溉。另一方面，我國水資源與耕地配置失衡，我國近60% 的耕地面積集中在北方地區，與之匹配的水資源卻不足全國的20%[10]。克服節水灌溉覆蓋度不高及自然資源分布不均等不利因素，必須加快節水灌溉技術提升與推廣的步伐，通過科學有效的技術支撐推動農業集約化與可持續發展。

2 數據來源與檢索方法

2.1 數據來源

本研究使用智慧芽專利數據庫作為數據來源，該數據庫采集了全球超過1.8 億項的專利數據，覆蓋170個國家和地區，可提供精準、多維度、可視化的專利及研發情報。

2.2 檢索詞采集

目前較常見的節水灌溉技術主要包括地面灌溉節水技術、低壓管道輸水技術、噴灌技術、滴灌技術、微灌技術、滲灌技術、雨水蓄集利用技術、波涌流灌溉技術、渠道灌溉技術、水肥一體化技術和覆蓋保墑技術等[10]。

節水灌溉設備主要包括地面移動管道、噴灌機（如電動圓形噴灌機、平移式噴灌機、卷盤式噴灌機、手推式機組和手抬式機組等）、噴灌地埋管道（鑄鐵管、鋼筋混凝土管、硬質聚氯乙烯管等）及不同規格的噴灌水泵（自吸泵、非自吸泵）等[11]。

本研究從節水灌溉主要技術和設備的角度出發，采集檢索關鍵詞，建立檢索式。檢索時間為2023 年12 月，數據采集范圍為2014 年1 月—2023 年12 月的全球節水灌溉技術及裝備專利數據。

3 結果分析

在170 個受理局中，搜索出48 845 項專利。其中，有效專利26 835 項，占比54.94%；失效專利15 248 項，占比31.22%； 審中專利5 687 項， 占比11.64%；PCT（ 專利合作條約） 指定期滿專利810 項， 占比1.66%；PCT（專利合作條約）指定期內專利168 項，占比0.34%；未確認專利97 項，占比0.2%。

3.1 申請時間

由圖1 可知，2014—2020 年專利申請量總體呈上升趨勢，其中2018—2020 年增幅較大，2020 年達到峰值，2021—2023 年專利申請量有所回落。依據《中華人民共和國專利法》第三十四條規定，一般情況下申請人提交專利申請后滿18 個月，發明專利才可以被公開[12]。由于本研究數據采集時間是2023 年12 月，因此2022—2023 年的部分發明專利可能因為處于未公開狀態而沒有被統計，這可能是專利申請量回落主要原因。而我國專利申請量占全球總申請量的近90%，因此很大程度上影響了全球的總體狀態。

3.2 專利類型

專利類型主要是發明專利、實用新型專利和外觀設計專利。從發明專利的占比來看，2014—2018 年發明專利占比維持在70% 左右。2019 年以后基本保持在30%～40%（2023 年由于存在未公開專利，占比數據不做參考）（見表3）。作為專利申請的大國，我國專利的類型分布影響了全球總體專利類型布局。近年來我國在專利質量提升方面不斷加強管理與指導力度，不再一味追求專利申請數量，而是注重專利的“含金量”，對發明專利的審查愈加嚴格，這也是造成發明專利占比自2019 年以后明顯減少的原因。

3.3 申請（專利權）人區域專利數量排名（前10）

按照申請（專利權）人區域統計，中國申請量達到42 594 項，居世界第1 位。其次是美國、印度、以色列、日本、俄羅斯和韓國等，如圖2 所示。由于我國水資源的相對匱乏，近年來我國不斷加強在節水灌溉方面的研發力度，通過科技力量的注入達到節約農業用水的目的。

3.4 “五局”流向分析

通過專利“五局”流向分析，可以清晰地看到中國、美國、歐洲專利局、日本和韓國5 大局的專利流向情況，從而直觀地了解節水灌溉技術的來源分布情況和目標市場布局情況。

通過表4 的分析，可以了解節水灌溉技術在哪些國家/地區申請了優先權，即技術來源國，而這些專利持有者除了將該技術布局在所屬國，還布局到了哪些目標市場。很顯然，中國是最大的技術來源國和目標市場國，未來還應該加大對國外市場的開拓。

3.5 重要技術分支地域分布

對已檢索到的專利按照IPC 分類（《國際專利分類表》）進行統計，同時分析活躍度較高的國家IPC技術布局， 可以看到中國在A01G25、A01C23、A01G9 和E03B3 等技術分類方面優勢明顯。美國在A01G25、A01G9、A01G31 和A01G27 等技術分類方面布局集中，如表5 所示。

3.6 申請（專利權）人專利數量排名

申請（專利權）人專利數量排名可以反映全球專利研發機構的活躍度。由圖3 可知，瓦爾蒙特工業股份有限公司（美國）、琳賽股份有限公司（美國）、雨鳥公司（美國）、恩普樂股份有限公司（日本）、中國農業科學院農田灌溉研究所（中國）等機構在節水灌溉領域的專利申請量相對較高。可見，隨著我國在節水灌溉專利保護方面意識和實力的不斷增強，我國專利研發機構的活躍度有所提升，但是相較于歐美國家的專利公司還有一定差距。另外不同于歐美國家，我國活躍度較高的專利研發機構以科研院所、大學為主，公司在專利申請方面的實力相對較弱。

3.7 創新詞云

利用智慧芽軟件中創新詞云分析，可以看出在節水灌溉領域相對熱門的技術主題詞分布。其中灌溉裝置相關專利624 項、農業灌溉相關專利220 項、水肥一體化相關專利201 項、傳感器相關專利162 項、農作物相關專利157 項、儲水箱相關專利150 項、園林綠化相關專利133 項、連接管相關專利122 項、農田灌溉相關專利120 項、進水管相關專利114 項、澆灌裝置相關專利114 項、滴灌管相關專利113 項、控制器相關專利109 項和物聯網相關專利108 項，如圖4所示。由此可見，灌溉裝置、水肥一體化、傳感器、物聯網和控制器等是該領域的研發熱點。

3.8 領域地圖

領域地圖可以直觀顯示在節水灌溉領域主要申請人的專利關鍵詞分布情況，從而了解該領域主要申請人的技術焦點布局。利用智慧芽軟件，選取檢索結果中最新公布的5 000 項專利，對其提取關鍵詞。篩選出高頻詞匯分別是灌溉裝置、農業灌溉、一體化、傳感器、農作物、儲水箱、園林綠化、連接管、農田灌溉、進水管、澆灌裝置、滴灌管、控制器、物聯網、滴灌帶、支撐板、支撐架、出水管、灌溉管和固定板等。對專利申請量排名前5 位的申請人進行高頻詞匯覆蓋度分析如表6 所示，由此繪制領域地圖如圖5 所示。

由圖5 可知，專利申請量排名前3 位的瓦爾蒙特工業股份有限公司、琳賽股份有限公司、雨鳥公司都將傳感器、控制器作為重點領域。而我國以中國農業科學院農田灌溉研究所為例，盡管在傳感器、控制器領域有所涉及，但是領域優勢并不突出。

4 技術發展趨勢分析

節水灌溉技術裝備的雛形源于1894 年美國人查爾斯·斯凱納發明的簡易噴水系統。40 年后，第1 只搖臂灌溉噴頭于1933 年在美國問世，正式拉開節水灌溉技術發展的序幕。20 世紀40 年代，半固定式及固定式薄壁噴灌技術、滴灌技術相繼在美國、以色列誕生，并逐步在歐美國家得到廣泛推廣。20 世紀80 年代后，地下滴灌技術成為新的研究熱點，改善了滴灌地上蒸發的問題[10]。伴隨科技的不斷發展，歐美發達國家將噴灌、滴灌與水肥一體化技術相結合，同時滿足節約灌溉用水和降低施肥量的雙重需求，降低生產成本的同時提高作物品質。信息化時代的來臨，農業節水灌溉迎來了重大變革。傳感技術、控制技術應用于大型農機具的設計與制造，實現了施肥與灌溉的智能化、精準化[13]。在灌溉作業過程中，智能傳感器負責環境監測、參數采集和數據處理，控制系統根據回傳信息遠程控制機具作業，達到省時、省力、節約和高效的效果[14]。

與農業發達國家相比，我國節水灌溉起步較晚，20 世紀70 年代引入噴灌、滴灌技術后，受限于節水意識不足、政策制度不健全、經濟支撐不夠及技術水平落后等諸多不利因素影響，我國節水灌溉工作在80 年代進展緩慢。90 年代開始，水資源緊張對農業發展的影響日趨嚴重，節水農業逐漸被人們所重視，加之經濟、科技水平不斷提高，我國節水灌溉工作進入穩步發展階段。

進入21 世紀，國家陸續頒布一系列扶持政策，鼓勵更多的科研院所和企業參與到節水灌溉技術的研發與推廣工作中，具有自主知識產權的創新成果不斷涌現，節水灌溉技術的推廣應用帶來了巨大經濟和社會效益。我國與農業發達國家的差距正在不斷縮小，但同時暴露出的問題也不容小覷。如由于我國技術研發起步較晚，對噴灌噴頭理論研究尚顯不足，需要重點解決在高強度作業過程中保持噴頭工作穩定性、高效性的問題。另外，進口高端微灌產品的市場占有率偏高，我國應加強對灌水器等核心部件的自主研發與產業化，提高產品性能[3]。此外，推廣體系的健全、管理制度的完善等，尚需不斷付諸努力。

5 對策建議

5.1 增強企業專利研發實力

排名前10 位的申請人中中國占7 位，以高校和科研院所為主，企業只有1 位。在產學研的體系中，企業往往與成果的推廣應用關系更加直觀與緊密，這一點也從側面反映了我國在專利市場化應用方面相對薄弱。未來建議通過政策的引導與扶持措施，加強企業與高校、科研院所的協作，促進節水灌溉技術成果的轉化落地，推動產業化發展，平衡技術市場供需關系[15]。

5.2 注重專利海外布局

無論從加強技術產品推廣，擴大知識產權布局和世界影響力的角度考慮，還是出于加強知識產權保護，降低風險的目的，我國專利研發機構都應注重專利技術的海外布局，將市場對焦世界范疇。以專利申報作為節水灌溉技術交流的渠道，不斷引進先進理念技術的同時，將自主創新的成果在知識產權保護的前提下不斷向海外輸出，接受更大范圍的市場檢驗，促進技術的不斷革新。

5.3 向智能化、精準化方向發展

從IPC 技術布局及創新詞云等分析中得到啟示，未來我國應不斷擴大在灌溉裝置方面的技術優勢，同時通過物聯網、傳感器等技術的融入，從提高灌溉智能化、精準化的角度實現節水增效的目的[16]。

5.4 加強核心技術攻關

目前我國節水灌溉推廣相對廣泛的技術包括噴灌、滴灌、微灌等，近年來雖然在自主創新方面不斷實現突破，但仍存在很多技術難點有待攻克。如噴灌過程中如何盡量降低風速等外部環境對噴灑均勻度的影響及滴灌過程中如何防治土壤鹽堿化等，這些問題都需要加強技術攻關與實踐創新[17]。

5.5 完善管理體系與實施方案

不同于歐美農業發達國家，我國地域遼闊，水資源分布不均，土壤結構參差不齊，不同灌區對節水灌溉的要求各有不同[18]。需要因地制宜，制定符合當地農業發展特色的節水灌溉管理體系及實施方案，在節約資源的同時實現提質增效，保環境促生產。

6 結束語

發展節約型農業既是落實科學發展觀的戰略性舉措，也是實現農業可持續發展的必然要求。節水灌溉是發展節約型農業的有效措施。近年來，我國相繼出臺一系列鼓勵與扶持政策，為節水灌溉產業發展鋪設了更為寬廣的道路。未來要不斷加強核心技術攻關，將傳統理論與物聯網、傳感器等高新技術相結合，突破技術瓶頸，從源頭提升自主研發實力，縮短與歐美發達國家的差距。同時，優化政產學研全鏈條合作機制，拓展海外產業布局，建立科學合理的推廣體系和管理機制[19]。總之，從技術與管理雙重層面齊行并舉，推動我國農業發展。

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基金項目： 國家自然科學基金面上項目（52379035）