第一章 文献综述
1.1 研究目的及意义
1.1.1 选题背景
水是生命之源，是人类赖以生存的基础自然资源，也是生态环境的控制性因素之一，同时，又是战略性经济资源，是一个国家综合国力的重要组成部分（丁文喜 2011）。我国是一个严重缺水的国家，水资源总量为 2.83 万亿 m3,占世界第六位，但人均占有水量仅 2300 m3,只相当于世界人均水平的 1/4,居世界第 109 位，是世界 13 个“贫水国”之一（王熹等 2014; 朱朝东等 2014; 孙景生等 2000）。我国总用水量中农业所占比很大比重，是我国的用水大户。截止 2012 年底，我国农业用水占全国总用水量 62.4%（佟丽萍等 2014），其中农业灌溉用水占农业用水的 90%左右（汪恕诚 2003）。据统计，我国每年农业用水缺口超过 300 亿 m3,灌溉用水的利用率不到 60%（路华忠等 2014; 陈广峰等 2013），而先进国家已经达到了 70%~80%,我国节水潜力巨大（王虎 2006）。
我国水资源时空分布极不均衡，即降水东南多而西北少，山区多而平原少，雨量大致是由东南向西北递减（孙景生等 2000;朱朝东 2014）。在西北很多地区年降水量不足 300mm,很难满足农业需求。同时我国年内降水时间分布也不均匀，降水年际变化较大，西北地区气候干旱，蒸发量大，容易发生旱灾。水资源短缺是限制西北地区农业生产发展最重要的因素，在干旱半干旱地区发展农业，传统的灌溉模式早已不符合现代农业的发展。因此，加快推广农业节水灌溉技术、提高农业用水效率，不仅是缓解西北农业水资源短缺状况的一种有效措施，从根本上来说，也是我国农业可持续发展的一项长期战略性任务。
肥料是农业可持续发展的物质保证，是粮食增产的物质基础。我国是生物密集型农业，农业增产对化肥的依赖程度很高。20 世纪 80 年代，化肥的施用对我国粮食的增产贡献率约为 46.3%（夏循峰等 2011）。目前，我国每年化肥施用量折纯量达 4300 万 t,占全球化肥施用量的 1/3,居世界第一（杨青林等 2011）。在我国，化肥占农业成本的20%以上，致使我国成为世界上最大的化肥生产国和消费国。但是不断增加化肥的投入并没有持续的增加粮食产量，出现这一现象的重要原因之一是肥料利用率降低。研究表明，我国当季氮肥利用率仅为 30%~35%,磷肥约为 10%~25%,钾肥为 35%~50%（张民等 2005; 夏循峰 2011）。西北地区是我国重要的农产品生产基地之一，其粮食播种面积和产量分别占全国的 8.1%、6.8%;小麦、水果和棉花的播种面积分别占全国的14.9%、15.5%和 22.9%,都高于西北地区耕地面积占全国的比例（刘全清等 2005）。但是，我国西北干旱、半干旱地区水土流失严重，生态环境退化，土壤贫瘠，水资源严重缺乏，水肥供应不协调是限制西北地区农业发展的另一个因素。长期以来西北旱作农田采用浅施、撒施、冲施等传统的施肥方式，因是“靠天吃饭”,肥料施入土壤后不能及时灌溉造成肥料利用率不高；或是有灌溉条件，但是大水漫灌，容易使肥料挥发、流失或难以到达作物根部，不利于作物的吸收，从而造成肥料利用率降低。由于肥料利用率较低，其中氮肥通过挥发、淋溶和径流等途径损失数量巨大（张文新等 2010），随之带来土壤肥力下降、农作物品质降低、环境污染等严重后果。
在这种水资源短缺、肥料利用率低的现状下，我国农业急需从大水大肥粗放型生产转变为合理利用资源的集约型生产，尤其是作为重要农产品基地之一的西北地区。水肥一体化技术是灌溉和施肥有机结合的最好方式。与传统方式相比，水肥一体化可以减少肥料发挥、固定以及淋洗带来的损失，肥料利用率可达 30%~50%,水分利用率可提高40%~60%（李茂权等 2011）。
1.1.2 研究目的
目前，在我国水肥一体化技术的发展越来越受到重视，滴灌水肥一体化技术和简易水肥一体化技术（即根际注射施肥的应用）是我国西北地区推广应用的主要模式，但关于两种模式在推广应用中存在的问题及解决对策鲜有研究。本文通过对两种水肥一体化技术的使用现状及问题分析，旨在加深对两种水肥一体化技术理论知识的认识，使这两种技术得以推广，并发现推广应用中的问题提出解决对策，以便更好的为推广水肥一体化技术提供借鉴。
1.1.3 研究意义
目前农业仍是我国西北地区的支柱产业，而且存在着两大问题亟需解决。首先西北地区农业水资源随着工业用水和生活用水的不断增加而逐年减少，因此，在这种形势下如何保障农业的发展，特别是在保证生活供水和工业供水前提下，保障农业用水对于西北地区持续稳定的发展具有重要意义。此外，西北地区因土壤贫瘠、水土流失严重造成土壤肥力低下，化肥的大量施用使其粮食、经济作物增产的同时也加剧了土壤的污染及肥料利用率不高所造成的资源浪费。解决上述问题的有效措施就是推广及应用水肥一体化技术，即灌溉与施肥相结合的技术，如地面灌溉施肥、喷灌施肥、滴灌施肥及根际注射施肥等。但是，地面灌溉施肥和喷灌施肥在应用过程中水肥损失比滴灌施肥和根际注射施肥严重。而且，滴灌及根际注射和施肥相结合方便且易控制，在实际应用中容易被农户接受。同时，滴灌施肥和根际注射施肥是解决我国干旱半干旱地区农业水肥资源不足及利用率低下等问题的有效措施之一。
1.2 国内外研究现状
水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业高新实用技术，是按照作物需水、需肥规律，根据土壤的墒情和养分状况，通过压力管道系统与安装在末级管道上的灌水器，将肥料溶液以较小的流量均匀、准确直接地输送到作物根系附近的土壤表面或土层中的综合技术（路华忠 2014;张承林 2012）。
水肥一体化技术在干旱缺水以及经济发达国家农业中已得到广泛应用，在国外有一特定词描述，叫“Fertigation”,即“Fertilization（施肥）”和“Irrigation（灌溉）”各拿半个词组合而成的，意为灌溉和施肥结合的一种技术。国内根据英文字意翻译成“灌溉施肥”、“加肥灌溉”、“水肥耦合”、“水肥一体”、“肥水灌溉”等多种叫法。
水肥一化技术原理。肥料要达到作物根系表面被根系吸收通常经过 3 个过程，即截获、扩散和质流。（1）截获。养分正好与作物根系表面接触而被吸收，但该情况只占根系吸收的很小部分。（2）扩散。肥料溶解进入土壤溶液，靠近根表的养分被吸收，浓度降低，远离根表的土壤溶液中养分浓度较高，从而产生浓度差，使养分从高浓度区向低浓度区扩散，最后使离根很远的养分达到根表。（3）质流。植物在有阳光的情况下叶片气孔张开，进行蒸腾作用（这是植物的生理现象），导致水分损失，此时需根系不断吸收水分供叶片蒸腾，从而根系附近的水分被吸收，离根较远处的水就会流向根表，溶解于水中的养分也跟着达到根表，然后被根吸收（关泉杰 2013; 郑丹琦 2013; 张承林和邓兰生 2012）。在灌概的同时施肥，极易完成质流和扩散过程，加快养分的吸收，大幅度提高肥料利用率，该过程即称为“水肥一体化”管理。
水肥一体化技术具有以下几个特点：第一，节约水资源。传统的灌溉方式畦灌和大水漫灌，常将水量在运输途中或非根系区内浪费。而水肥一体化技术主要采用滴灌、微喷灌等一些节水灌溉方式进行施肥（路华忠 2014），通过可控管道滴状浸润作物根系，从而将用水量降到最小，减少水分的下渗和蒸发，提高水分利用率，通常可节水30%~40%（毛金梅 2008）。第二，提高肥料利用率。水肥一体化技术是将溶解后的液体肥料直接输送到植物的根部集中部位（关泉杰 2013），与传统施肥方式相比有减少肥料挥发、流失及土壤对养分的固定的特点，而且实现了集中施肥和平衡施肥。在同等条件下，一般可节约肥料 30%~50%（李广敏 2003）。第三，减少农药用量。设施蔬菜棚内因采用水肥一体化技术可使其湿度降低 8.5%~15.0%,从而在一定程度抑制病虫害的发生。此外，棚内由于减少通风降湿的次数而使温度提高 2~4℃，使作物生长更为健壮，增强其抵抗病虫害的能力，从而减少农药用量（高鹏等 2012）。第四，提高农作物产量与品质。实行水肥一体化的作物因得到其生理需要的水肥，其果实果型饱满。个头大，通常可增产 10%~20%.此外，由于病虫害的减少，腐烂果及畸形果的数量减少，果实品质得到明显改善。以设施栽培黄瓜为例，实施水肥一体化技术施肥后的黄瓜比常规畦灌施肥减少畸形瓜 21%,黄瓜增产 4200 kg/hm2.产值增加 20340 元/hm2（高鹏等 2012）。第五，节省劳动力。传统的灌溉和施肥方法是每次施肥需要挖穴或开浅沟，施肥后再灌水。而利用水肥一体化技术实现水肥同步管理，可以节省人工开沟施肥、灌水的时间及费用，同时节省大量劳动力。第六，改善土壤微生态环境。水肥一体化技术使土壤容重降低，孔隙度增加，增强土壤微生物的活性，促进作物对养分的吸收，减少养分淋失，从而克服了土壤板结和地下水资源污染，耕地综合生产能力大大提高。
1.2.1 国外研究现状
世界上科技先进、经济发达的国家早在 20 世纪 30 年代就开始研究实施喷灌这一先进的节水灌溉技术（李字霞等 2009）。西方国家采用喷灌设备灌溉作物，始于庭园花卉和草坪的灌溉。20 世纪 30~40 年代，欧洲发达国家由于金属冶炼、轧制技术和机械工业的迅速发展，逐渐采用壁金属管做地面移动输水管，代替投资大的地埋固定管，用缝隙或折射喷头浇灌作物（渠桂芳 2002）。自世界第二次大战结束后，西方经济快速发展，喷灌技术及其机具设备的研制又进一步得到了快速发展（郭慧滨 1998）。20 世纪 50 年代以后，塑料工业的快速发展，为满足水资源缺乏地区灌溉的需要，以塑料为基础的滴灌和喷灌技术逐渐发展起来。20 世纪 60 年代，以色列为提高水资源利用率开始发展及应用水肥一体化灌溉施肥技术（张承林和邓兰生 2012）。20 世纪 70 年代，澳大利亚、以色列、墨西哥、新西兰、美国及南非等 6 个国家滴灌施肥技术模式迅速发展（刘永宝2013）。目前以色列已在农业各个领域（大田、果园、温室、以及园林绿化等）全面地应用水肥一体化技术，其推广面积占全国农业灌溉面积的 67.9%,位居世界首位（高鹏2012）。而美国起步较晚，但却是微灌面积推广应用最大的国家，滴灌应用面积约为 95万 hm2,占全国总灌溉面积 4.2%（陈小彬 2014）。20 世纪 80 年代，全世界喷灌、微灌面积已突破 0.2 亿 hm2,其中美国和前苏联已超过 666.67 万 hm2,分别占两国灌溉面积的 40%左右。而以色列其灌溉几乎全都采用喷灌和微灌。在日本的旱地面积中，喷灌、微灌占到 90%以上（渠桂芳 2002）。同时在 80 年代，开始将水肥一体化技术发展到自动推进式机械灌溉系统。从最初使用肥料罐设施，发展到采用文丘里施肥器和水压驱动肥料注射器，再到微机控制的现代水肥一体化系统设备。与之前相比，现在设备的养分分布均匀度也得到了提高。
随着施肥设备不断研发和更新，对肥料施用量的精准性控制要求也越来越高。施肥设备的发展也从需手工调节的肥料罐发展到机械自动化控水控肥设备，再到现在的施肥机系统，水肥同步供应的能力得到质的飞跃。如在温室中应用的施肥机等设备，将计算机、酸度计、电导率仪及灌溉控制器等仪器相连接，自动监控肥料混合罐内肥液 pH 和EC 值，并实现对肥料用量更为精确地控制（张承林和邓兰生 2013）。目前，在以色列、美国、荷兰、西班牙、澳大利亚、塞浦路斯等水肥一体化灌溉施肥技术发达的国家，已形成了设备生产、肥料配制、推广和服务的完善技术体系。
1.2.2 国内研究现状
相比发达国家，我国水肥一体化技术的发展而言晚了近 20 年。我国在 1974 年从墨西哥引进滴灌设备，分别在山西省大寨村、河北省沙石峪村、北京密云县进行果树、蔬菜和粮食作物试验研究，试点总面积 5.3 hm2（姚振宪和王三建 2011），并在 1980 年，我国自主研制生产了第一代成套滴灌设备（张承林和邓兰生 2012）。自 1981 年后，我国在引进国外先进生产工艺的基础上，在灌溉设备上逐渐形成规模化生产，在应用上由试验到示范再到大面积推广，到 1985 年我国滴灌面积发展到 1.5 万 hm2,其中辽宁省果树滴灌面积 1.4 万 hm2,占了全国滴灌面积的 90%以上（姚振宪和王三建 2011）。在进行节水灌溉的同时，开始发展水肥一体化灌溉施肥的试验研究。20 世纪 90 年代中期，灌溉施肥技术理论及其应用日益受到重视，我国开始大量开展技术培训和研讨。2000年水肥一体化的技术培训和指导得到进一步的发展，中央农业部的全国农业技术推广中心参与国际合作，连续 5 年在我国举办水肥一体化技术培训班，邀请国内外专家就相关技术理论及其操作进行系统地讲解，加大了微灌施肥的面积（刘文忠 2013）。
2002 年以来，我国通过组织和实施旱作节水农业项目，推进各地建立核心示范区，使得水肥一体化技术已由小范围试验示范发展为大面积推广应用，辐射范围从华北扩大到西北旱区、东北地区及华南地区，覆盖设施栽培、无土栽培、果树栽培等多种栽培模式（张承林和邓兰生 2013），尤其是设施蔬菜生产的迅速发展，推进了水肥一体化技术的不断发展与完善。与此同时，一些高校、科研单位与企业合作开发了大量施肥设备和灌溉技术，如压差施肥罐、重力自压施肥系统、移动式灌溉施肥机、膜下滴灌施肥技术、泵吸施肥法、覆膜沟灌施肥技术、小白龙喷水带微喷施肥技术、痕量灌溉施肥技术等（陈广锋 2013），其中在新疆地区应用的棉花膜下滴灌施肥技术已达到国际领先水平。
总体上，我国水肥一体化技术水平已从 20 世纪 80 年代的初级阶段发展和提高到中级阶段。其中，大型现代温室装备、部分微灌设备产品性能和自动化控制已基本达到国际领先水平；微灌工程的设计方法及理论也已接近世界领先水平；微灌工程技术规范和微灌设备产品已跃居世界领先水平。但是从整体上看，国内某些微灌设备产品尤其是首部配套设备的质量同国外同类先进产品相比仍存在较大差距；全国应用水肥一体化技术的覆盖面积所占比例还小；我国水肥一体化技术系统的管理水平还是相对较低；节水灌溉施肥的研究与技术培训投入不足。因此，大力发展水肥一体化技术需要多方面的共同努力。
1.3 研究方法
文献研究法。本文通过万方数据库资源、中国知网的查阅并研读了大量的与水肥一体化技术等相关的文献资料，对相关概念和相关理论进行了整合，对整理阅读的相关材料进行分析总结。综合分析法。通过阅读大量文献从中归纳滴灌与简易水肥一体化技术的内涵、系统组成、优点和局限性。分析现行推广应用中存在的问题，并且借鉴国内学者的研究结论提出相关解决对策。
1.4 研究技术路线
本文对两种水肥一体化技术的应用进行研究，主要通过以下几部分进行分析阐述，第一部分对滴灌和简易水肥一体化技术进行总结归纳，以期通过两种技术的对比分析出适合于西北水源充足地区应用的模式及因干旱缺水而水源不足地区应用的模式。第二部对水肥一体化技术推广应用中存在的问题提出解决对策，以期为以后更好的推广应用此项新技术给予理论依据及借鉴（图 1-1）。
1.5 研究内容
第一，滴灌水肥一体化技术与简易水肥一体技术优缺点及适用范围在实践工作基础之上，通过搜集资料和查阅文献，对滴灌水肥一体化技术与简易水肥一体化技术的发展、应用状况、优点及局限性等进行了全面系统的总结。
第二，滴灌水肥一体化技术与简易水肥一体技术推广应用中存在的问题通过查阅文献和搜集资料，结合实践工作基础，针对两种水肥一体化技术在推广应用中出现的问题进行了分析。
第三，针对滴灌水肥一体化技术与简易水肥一体技术推广应用中出现的问题，借鉴国内学者的研究结论提出对策。
