高效节水与水肥一体化技术研究进展――中农大 杨培岭

高效节水与水肥一体化研究进展杨培岭教授中国农业大学水利与土木工程学院2015年3月主要内容推进高效节水与水肥一体化的意义水肥一体化灌溉方式与新技术应用研究水肥一体化肥料选择与推荐施肥研究进展水肥一体化关键设备研究与开发进展一、推进高效节水与水肥一体化的意义灌溉水利用系数低：灌溉水利用系数低于0.55，先进水平为0.8-0.85水分利用效率不高：单方水的粮食、蔬菜、果品产量为先进水平的30%-50%肥料淋失污染严重：大水大肥导致肥料大量淋失，肥料利用率30%，先进水平50-60%我国农业水资源利用现状习近平总书记视察北京时，明确要求大力发展农业高效节水、提高用水效率北京市农业与农村工作会议上提出要大力发展“以高效节水农业为基础的都市型现代农业”2014年2月，习近平总书记视察北京“滴灌施肥效果不是很好吗？”“这种办法好，既节水又节肥，还能保护环境。”——胡锦涛2009年5月2日上午10点，胡锦涛总书记视察中国农业大学二、水肥一体化灌溉方式与新技术应用研究滴灌水肥一体化技术滴灌水肥一体化技术是借助压力灌溉系统，将可溶性固体肥料或液体肥料配兑而成的肥液与灌溉水融为一体，均匀、准确、定时、定量地供给作物吸收的一项农业新技术。滴灌水肥一体化广泛适用于玉米、小麦、马铃薯、棉花、果蔬等多种类型的作物。地表滴灌膜下滴灌地下滴灌现代水肥一体化技术微喷灌水肥一体化技术设施喷灌大型喷灌机微喷技术的特点是：通过有压管网将首部加压的水输送到田间，再经过特制的雾化喷头将水喷洒呈雾状进行灌溉。微喷灌水肥一体化技术在果园，园林绿化以及工厂化育苗中应用广泛。易受田间杂草，作物茎秆的阻挡，大田中易受风力影响。微喷灌现代水肥一体化技术灌水器为双层滤膜，出水口处是很多根的毛细管构成的毛细纤维束拥有独特的灌水器结构，依靠滤膜和纤维束之间的配合，可以减轻灌水器堵塞原理图内径≤1mm的细管被称为毛细管。由于液体表面存在张力，当毛细管与土壤接触时，灌水器中的水会被土壤中的毛细孔隙抽出，不断向土壤供水。痕量灌溉现代水肥一体化技术灌水器为双层滤膜，出水口处是很多根的毛细管构成的毛细纤维束出水流量约为0.005-0.14L/h（压力水头范围0.5-10m）原理图内径≤1mm的细管被称为毛细管。由于液体表面存在张力，当毛细管与土壤接触时，灌水器中的水会被土壤中的毛细孔隙抽出，不断向土壤供水。新型水肥一体化技术—痕量灌溉痕量灌溉的特点优点：常规条件下低压运行（2m压力可保证春玉米一个完整生育期需水量）抗堵塞能力较强（玉米一个完整生育期后滴头出水量约降低40%）缺点：技术理论不成熟使用寿命问题虫咬问题虫咬问题在14℃、26℃、32℃三个温度条件下肥液25d中平均流量波动下降24.26%（如图一）痕量灌溉的抗堵塞性能特点图一氮磷酐氯化钾氯化镁硫B、F、J300mg/L150mg/L175mg/L13mg/L17mg/LD、H、L清水试验肥液浓度设置图二同时期清水条件下流量下降35.31%（如图二）适宜肥液浓度情况下痕量灌溉带适合水肥一体化。供水压力（m）痕灌管埋深（cm）处理一215处理二515处理三1015试验设置三个处理（见下表），种植春玉米，种植行距为60cm、株距为30cm，每行作物布置1条痕灌管，灌水器间距30cm。各小区施肥处理一致，为播种时施复合肥375.0kg/hm2，追肥为拔节期施用尿素112.5kg/hm2。痕量灌溉在水肥一体化的应用研究处理痕量灌溉10m水头痕量灌溉5m水头痕量灌溉2m水头百粒重（g）38.70a38.38a38.31a籽粒产量（kg/亩）646.38a613.43a664.37a百粒重：各处理中，痕量灌溉10m水头最高为38.70g。2m、5m、10m水头下痕量灌溉玉米百粒重均无显著性差异。产量：痕量灌溉2m水头为最高664.37kg/亩，3个处理在产量上均无显著性差异。痕量灌溉在水肥一体化的应用研究751575AB增加侧渗减少直渗交替隔沟常规畦灌交替沟灌施肥技术针对起垄单行栽培且无微灌设施的菜田，改常规沟灌为交替沟灌，明确了交替沟灌时期和定额等参数，筛选出适宜的输水管和施肥器，节水节肥效果显著。现代水肥一体化技术控释水肥一体化技术通过调控制剂，使肥料和水分在作物生长季节释放，起到调控水肥，提高效率的作用包膜缓/控释肥、合成型微溶态缓释肥化学抑制型缓释肥、基质复合与胶粘型缓/控释肥化控制剂吸肥控释肥控释复合肥现代水肥一体化技术降水+灌溉水深层渗漏植株蒸腾地表径流土壤蒸发层施土壤保水剂—SAP建立土壤调节水库降低土壤深层渗漏、水分蒸发增强养分、农药缓释功能，减少渗漏损失形成根系局部水肥耦合微域，提升植物根系整体吸收功能表施土壤结构改良剂—PAM改良表土结构增加雨水入渗能力减少水土流失，控制肥料地表输移喷施植物蒸腾调控剂—FA抑制作物气孔奢侈蒸腾增加叶面肥力水平调控根区微生物减少化肥施用量化学控释技术节约水肥减少工程投入水、肥、气一体化技术加气灌溉，微纳米气泡技术应用到滴灌系统中，增加根区氧气含量改善土壤和植物根系呼吸等生理活动的环境条件，从而提高作物产量和品质微纳米气泡发生器温室草莓、温室蔬菜应用现代水肥一体化技术三、水肥一体化肥料选择与推荐施肥研究进展水肥一体化的肥料选择选择水肥一体化的肥料时，应从以下4个方面进行考虑:土壤状态灌溉水质植物类型和发育期肥料价格与便利性适用于水肥一体化的肥料应该是高品质、高溶解性和高纯度，含盐量降低且pH值较为合适，同时必须适应相应的农田管理模式。水肥一体化的肥料需满足要求肥料中养分浓度较高在一定温度条件下具有高度可溶性流动性好，施用方便杂质含量低金属微量元素应是螯合物形式与灌溉水的相互作用小，避免诱发灌水器堵塞不会引起灌溉水pH的剧烈变化对控制中心和灌溉系统的腐蚀性小水肥一体化肥料相容性水肥一体化的肥料种类单元和二元水溶性肥料：尿素、硫酸铵、氯化铵、磷酸二氢钾、工业级磷酸二铵和一铵、聚磷酸铵、氯化钾、硝酸钾、水溶性硫酸钾等水溶性复合肥料：根据组分不同分为水溶性氮磷钾肥料、水溶性微量元素肥料水肥一体化的肥料种类有机无机型：加入了氨基酸、黄腐植酸、海藻酸的氮磷钾复混肥近年来有机肥、有机无机复混肥产品研发与应用取得新进展，成为水肥一体化肥料发展的重要方向MZS系列氨基酸有机肥产品草莓水肥一体化应用果树水肥一体化应用水肥一体化的肥料种类液体肥料：是自动化施肥的首选肥料，在以色列、美国等国家广泛应用清液液体肥料：作物所需的养分全部溶解在水中，形成无沉淀的液体，具有均匀一致的显著优点，但养分含量低，不适宜长距离运输悬浮液体肥料：通过添加助剂，使作物所需的养分悬浮在液体中，养分含量高达50%清液液体肥料悬浮液体肥料——对环境因子应变性差，局限性较大！联合国粮农组织（FAO）推荐米氏方程，直线式，二次多项式和平方根式等四种模型来表示施肥量与作物产量之间的关系美国Iowa州立大学农学系的研究表明：线性加平台模式、二次加平台模式、二次多项式、平方根模式以及指数曲线模型都能很好的拟合玉米产量和施肥量之间的关系；但其中又以直线加平台和二次型加平台最优肥料效应函数法几种推荐施肥方法与技术建立在土壤测试技术上的一种方法，以植物可利用态氮Nmin为基础进行氮肥推荐SPAD法：在叶色诊断的基础上发展而来，利用叶绿素仪，实现肥料追施诊断DRIS法：即“营养诊断施肥综合法”采用叶片养分诊断技术，综合考虑营养元素平衡和影响作物产量的因素，确定施肥策略测土配方施肥技术植株营养诊断推荐施肥几种推荐施肥方法与技术推荐施肥实例PSNT技术（Pre-SidedressNitrateTest）：在作物氮素吸收高峰前通过测定土壤氮素的有效性来决定是否追施氮肥的推荐技术取土提取和显色反射仪测定020406080100120140吸N量（Kghm-2)）050100150200250300累积N量（kg/ha）521159415累积吸氮量实时监控2004006008001000根层土壤Nmin水平kghm-2苗期初瓜期盛瓜初期盛瓜中期盛瓜末期拉秧期根层区域节肥潜力达到40％！土壤矿化及灌溉水带入PSNT习惯施肥98878710010830108-120929075878787871081081081089090总氮肥量675kg/hm2习惯追肥措施调控追肥监控总氮肥量435kg/hm270~80％70~90％75~95％控制田间持水量四、水肥一体化关键设备研究进展水肥一体化灌溉设备与工作原理水肥一体化灌溉系统简介一个完整的微灌工程，从灌溉受水点到水源，一般由灌水器、各级输水管道和管件，各种控制和量测设备，过滤器、施肥（施药）装置和水泵电机安装组成。微灌系统首部枢纽首部枢纽包括水泵、肥料罐、过滤器、压力表、调节阀、肥料泵、逆止阀以及自动操作时首部枢纽配备电脑自控系统过滤器分类砂石自动叠片离心筛网过滤设备灌水器滴头微喷头滴管带新型灌水器灌水器滴头迷宫紊流滴头压力补偿式滴头管上式滴头通过流道或孔口将毛管中的压力水流变成滴状或细流状的装置称为滴头。其流量一般不大于12L/h。滴箭滴灌（管）带内镶式滴灌带薄壁滴灌带滴头与毛管制造成一整体，兼具配水和滴水功能的滴灌管称为滴灌带。微喷头是将压力水流以细小水滴喷洒在土壤表面的灌水器。单个微喷头的喷水量一般不超过250L/h，射程一般小于7m。微喷头射流式折射式离心式缝隙式新型灌水器—分形流道灌水器以非线性科学-分形理论为指导，基于分形几何构造复杂分形体的能力以及湍流本质的分形特征，利用Koch、Minkowski曲线为中心线或边界线构建的滴灌灌水器分形流道，实现了灌水器的全紊流设计，大幅度提高了其抗堵塞性能灌水器流道狭小，水肥一体化应用易产生堵塞问题同时我国水资源短缺和水环境污染并重，采用地表微污染水体、再生水常会作为滴灌水源，这使得堵塞的机理更为复杂，对灌水器的抗堵塞能力要求更高深入研究灌水器堵塞诱发机理对于灌水器抗堵塞设计及滴灌技术的应用推广有着重要意义劣质水情形下滴灌灌水器化学堵塞问题劣质水情形下滴灌灌水器化学堵塞问题灌溉水质（ECW）：1.0、2.0、4.0、6.0dS/m肥料调控:硫酸铵、磷酸尿素、硫酸铵+硫酸利用酸性肥料可以在一定程度上调控灌水器的化学堵塞1ds/m2ds/m4ds/m6ds/m不同灌溉水质试验布置流量测试灌水器堵塞取样施肥设备向水肥一体化系统注入可溶性肥料溶液的装置称为施肥装置。混肥装置设计必须保证肥料原液、pH值调节液与水的有效混合，并有利于自动控制的实现常用的有文丘里注入器，压差式施肥罐，比例施肥泵等利用水流通过文丘里管产生的真空吸力，将肥料溶液从敞口的肥料桶中均匀吸入管道系统进行施肥。优点：操作简单、方便移动、不需外部能源等。缺点：吸肥量易波动、吸肥压力损失大等。适用范围：温室大棚或小规模农田。文丘里注入器一般由储液罐、进水管、供肥液管、调压阀等组成，其利用输水管上的两点形成压力差，将肥液注入系统。优点：操作简单、成本低、维护方便、不需外部能源等。缺点：施肥浓度不均一、耐用性差。不适宜用自动化作业。适用范围：温室大棚、大田种植。压差式施肥罐水肥水混合液肥料通过水力或电力驱动泵向系统中添加肥料。优点：精确施肥，可控施肥用量与施肥时间、浓度等。缺点：结构复杂、价格相对昂贵。适用范围：温室大棚、大田种植。比例施肥泵微灌施肥系统自动化的兴起由于过量灌溉造成水肥流失而引起的地下水质变差和土壤板结，水源的化学污染、系统的管网化学腐蚀、农药（除草剂）过量施用等问题。现代节水灌溉技术的发展为实现精量灌溉施肥提供条件，但对于节水灌溉条件下的灌溉施肥不容易实现最优控制，因而实现灌溉施肥系统的自动化已成为现代灌溉的发展趋势。水肥一体化自动控制系统分层分布式计算机控制智能灌溉施肥系统通过对作物生长环境参数（土壤水分、养分、空气温度、湿度、雨量、风速、风向等）进行实时采集和监控，并根据灌溉计划和环境因子实现