新疆水肥精量施控技術(shù)發(fā)展現狀及對策

新疆生產(chǎn)建設兵團第八師石河子市水利工程管理服務(wù)中心 張佳

水肥一體化技術(shù)是指使用相關(guān)設備將灌溉、施肥融合，根據作物需求及狀況，按時(shí)按量地將水肥均勻地作用于植物根系生長(cháng)處，實(shí)現對田間土壤環(huán)境和水肥含量的協(xié)同調控、綜合管理和高效利用[1]。水肥一體化技術(shù)能夠顯著(zhù)提高水肥利用效率，減少因過(guò)量施肥造成的水體污染，同時(shí)可提高經(jīng)濟效益[1-2]。

膜下滴灌技術(shù)的提出促進(jìn)了新疆農業(yè)大發(fā)展，帶動(dòng)了新疆成為世界上規?；は碌喂嘧畲蟮膮^域，并對國內農業(yè)節水灌溉起到了明顯的示范帶動(dòng)作用。以新疆為代表的西北干旱區節水灌溉雖然取得了巨大的成績(jì)，但相比現代化灌區建設內涵，當前水肥精量施控技術(shù)仍存在較大差距，面臨的挑戰依然嚴峻，故分析問(wèn)題提出對策對水肥精量施控技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

隨著(zhù)現代灌溉技術(shù)的規?；瘧煤娃r業(yè)生產(chǎn)集約化管理，農田尺度提升、應用區域變化以及灌溉水源多樣化都對水肥精量施控技術(shù)的應用和發(fā)展提出了新的挑戰。受灌區土壤、環(huán)境等空間變異的影響，將盆栽或小區等小尺度理想環(huán)境下試驗優(yōu)化得到的水肥灌溉水平直接應用到大田農業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中易造成作物水肥需求與實(shí)際灌溉不一致，出現水肥浪費或虧缺的現象。此外，毛管壓力偏差與灌水器堵塞也會(huì )對水肥灌溉均勻度產(chǎn)生較大影響，降低田間水肥灌溉均勻性[3]。為此，國內外學(xué)者圍繞農業(yè)精量微灌水肥高效利用、微灌水肥精量施控技術(shù)方法、實(shí)踐應用及產(chǎn)品研發(fā)等方面開(kāi)展了大量研究工作。

1.1 水肥耦合提質(zhì)增效理論

水肥互作對作物生理生長(cháng)指標、產(chǎn)量品質(zhì)及水肥利用效率等的影響得到了廣泛且深入的研究。Mostafa等[4]研究了不同水肥水平下滴灌小麥產(chǎn)量和水肥利用效率等，翟娟等[5]通過(guò)正交試驗分析了水肥耦合對玉米生長(cháng)、生理、產(chǎn)量及品質(zhì)等的影響。此外，水肥互作對棉花、番茄、紅棗等作物生長(cháng)生理指標的影響也是眾多學(xué)者關(guān)注、研究的熱點(diǎn)。諸多研究結果表明，合理的水肥灌溉水平可以顯著(zhù)提高作物產(chǎn)量品質(zhì)及水肥利用效率。

1.2 水肥一體化灌溉技術(shù)應用

在水肥耦合提質(zhì)增效理論基礎上，許多學(xué)者圍繞水肥一體化灌溉技術(shù)應用做了大量研究。肖讓等[6]分析了不同灌溉定額和有機肥使用量對制種玉米產(chǎn)量的影響，提出了適于河西走廊制種玉米的最佳水肥組合。王振華等[7-11]人廣泛研究了新疆紅棗、葡萄、番茄、棉花和小麥等典型糧經(jīng)作物的水肥需求規律，提出了相應環(huán)境條件下的最優(yōu)水肥灌溉制度，具體到水肥一體化施控過(guò)程，相關(guān)研究主要集中在施肥及水肥管理軟、硬件研發(fā)改進(jìn)等方面。王來(lái)剛[12]使用衛星遙感技術(shù)與地面監測技術(shù)相結合的方法，在農田尺度上實(shí)時(shí)對灌溉施肥時(shí)機和施用量進(jìn)行指導，提升監測尺度，有效地釋放作物產(chǎn)量潛力，提高了氮肥利用效率。韓文霆等[13]使用無(wú)人機遙感數據診斷作物水肥需求，指導灌溉決策，解決了瞬時(shí)延拓、空間尺度轉換精度低等衛星遙感監測的常見(jiàn)技術(shù)難題。

1.3 水肥精量施控設備系統的研發(fā)優(yōu)化

為進(jìn)一步提高水肥協(xié)同調控精準度，部分學(xué)者圍繞文丘里施肥器、注肥泵、智能水肥一體機、精準灌溉系統等軟硬件設備開(kāi)展了結構優(yōu)化研究。國外設施農業(yè)發(fā)達國家如美國、荷蘭、以色列等國在農作物精確灌水施肥方面技術(shù)水平較高，土壤的合理采樣方法及養分分布理論研究深入，變量施肥決策和變量投入技術(shù)成熟。以色列Netafim公司開(kāi)發(fā)了全球先進(jìn)的智能化精準水肥灌溉系統，可實(shí)時(shí)監測作物環(huán)境信息、水肥信息等，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)對數據進(jìn)行遠程傳輸，通過(guò)計算機中的模型來(lái)處理采集到的信息，生成灌溉施肥決策，用戶(hù)足不出戶(hù)便可對田間施肥灌溉設備進(jìn)行操控。此外，以色列Rivulis、Naandanjain和Bermad公司，以及美國Toro、Rainbird等公司均提出了成熟的精準微灌方案，涵蓋了灌溉系統的全系列產(chǎn)品。

相對于歐美等國家，我國研究精準變量施肥技術(shù)起步較晚。近年來(lái)，國內很多高等院校和農業(yè)科研單位在對國外先進(jìn)的精準變量施肥技術(shù)消化借鑒的基礎上，結合國內水肥實(shí)踐生產(chǎn)情況開(kāi)展了大量研究。我國不少學(xué)者通過(guò)提出新型水肥診斷決策算法、開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能施肥管理系統等途徑提升田間水肥施控精度。大禹節水集團股份有限公司研究開(kāi)發(fā)的新型灌水器具備良好的抗堵性能，可有效提高施肥均勻度，進(jìn)而提高肥料利用效率12%[14]。中國水利水電科學(xué)研究院針對噴滴灌水肥精量調控和高效安全利用的需求及存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，在現代灌溉施肥精量調控原理、新型噴頭和變量灌溉設備、噴滴灌水肥管理模式等方面進(jìn)行了系統研究[15]。此外，中國水利水電科學(xué)研究院還提出了考慮土壤空間變異對水肥分布影響的微灌系統設計新方法，發(fā)展了變量灌溉理論并建成了我國第一套具有自主知識產(chǎn)權的高精度變量灌溉系統，同時(shí)研發(fā)定型了多種配套精量調控設備。西北農林科技大學(xué)蔡煥杰教授主持完成西北典型農區高效節水灌溉技術(shù)，提出了不同區域的節水灌溉系統技術(shù)解決方案與標準體系，形成了相應的高效節水灌溉技術(shù)模式，并在陜西、甘肅等西北干旱地區應用示范。這些都有力推動(dòng)了我國微灌水肥精量施控技術(shù)水平的進(jìn)步，提升了節水灌溉領(lǐng)域的自主創(chuàng )新能力。

2.1 灌區水肥協(xié)同施控不精準

水肥調控通常在小微均勻環(huán)境下試驗確定，大田生產(chǎn)實(shí)踐中灌區尺度土壤理化性質(zhì)和環(huán)境參數等隨空間存在變異，小微均勻環(huán)境下試驗優(yōu)化得到的水肥灌溉措施與大田作物水肥實(shí)際需求不一致，一定程度上導致作物面臨水肥脅迫。滴灌管網(wǎng)水壓衰減、灌水器堵塞等亦會(huì )對水肥灌溉均勻度產(chǎn)生較大影響，導致灌區部分區域作物面臨水肥脅迫等。此外，施肥裝置性能和田間水肥運行管理等亦會(huì )影響水肥協(xié)同過(guò)程，使得肥液濃度在微灌管網(wǎng)中發(fā)生波動(dòng)造成施肥均勻性的降低。受大田多因素的共同作用，實(shí)踐生產(chǎn)中田間水肥施控精準度不高，水肥分布均勻度普遍低于80%[3]。

2.2 水肥精準施控資金投入較大

實(shí)現水肥精準施控，需要依托具有自動(dòng)化、信息化及智能化等技術(shù)特征的水肥一體機。目前新疆普遍采用壓差施肥罐、自制施肥設施等進(jìn)行田間水肥管理，這些設施設備雖然性能落后，但其技術(shù)門(mén)檻低、資金投入少，深受廣大農戶(hù)喜愛(ài)。而水肥一體機價(jià)格普遍昂貴，較高的資金投入成為阻礙水肥一體機替代施肥罐等現有簡(jiǎn)易施肥裝置的主要因素。加之新疆大田農業(yè)畝均收益不高，采用水肥一體機等綜合經(jīng)濟效益不顯著(zhù)，進(jìn)一步影響了水肥一體機等精準水肥施控設備在新疆的推廣應用。

2.3 田間水肥管理水平低

為推廣水肥一體化技術(shù)，部分地區積極采購相關(guān)設備，在軟硬件上已經(jīng)形成比較健全的體系。但目前，水肥管理依賴(lài)人為經(jīng)驗，缺乏完善的技術(shù)應用管理體系，各項工作流程比較混亂，導致供應時(shí)間不科學(xué)、水肥施用次數總量控制不精確、工作效率較低等問(wèn)題突出，且工作人員不重視設備的檢查及維修，使得整體工作質(zhì)量并沒(méi)有真正達到水肥一體化技術(shù)的應用效果，普遍存在過(guò)量灌溉現象，導致每年浪費的水肥資源數量巨大，既不經(jīng)濟，也對環(huán)境存在潛在影響。這些問(wèn)題不及時(shí)處理，即使擁有先進(jìn)的灌溉施肥設備，也很難發(fā)揮其價(jià)值，很難形成水肥一體化模式。

3.1 精量水肥協(xié)同調控尺度提升技術(shù)

結合不同土壤水肥環(huán)境下作物全生育期蒸散特性、根系空間分布、生理、生態(tài)因子的變異性分析，多維度揭示不同水肥組合對作物生長(cháng)發(fā)育過(guò)程及水肥高效利用的調控機制。利用無(wú)人機遙感與地面無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)監測系統集成與信息融合技術(shù)，構建“空——天——地”立體監測體系。結合田間同步取樣，分析土壤、作物關(guān)鍵參數時(shí)空動(dòng)態(tài)異變規律，建立水肥調控從小區尺度到灌區尺度的變量映射函數，實(shí)現精量水肥協(xié)同調控從小區到灌區的尺度提升。

3.2 精量水肥協(xié)同調控灌溉保障技術(shù)體系

研究灌區渠系、管網(wǎng)內泥沙運移規律及沉降特征，構建從首部到田間的泥沙梯級協(xié)同處理技術(shù)方案，設計多重高效沉沙池，研發(fā)泵前過(guò)濾器、自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器及低水損疊片過(guò)濾器等配套設施設備。分析新疆灌區灌水器堵塞的主要機理，研究脈沖水壓抗堵塞技術(shù)，研發(fā)新型抗堵塞灌水器等，保障田間水肥均勻灌溉。

3.3 智能水肥管理系統及配套變量施肥裝備

圍繞灌區種植結構及作物水肥差異需求，基于遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等提出多目標差異化水肥決策模型，研發(fā)智能變量施肥裝備。結合對策1、2，開(kāi)發(fā)集自動(dòng)監測、遠程通信、智能決策、自動(dòng)控制于一體的智能水肥精準管理系統。優(yōu)化改進(jìn)相應終端App，實(shí)現電腦、手機、平板和云平臺等多端實(shí)時(shí)監測管理。

綜上所述，水肥精量施控技術(shù)的運用在提升農業(yè)生產(chǎn)水肥利用率、提高生產(chǎn)經(jīng)濟效益方面有積極作用。但當前新疆地區水肥精量施控技術(shù)在應用時(shí)還存在水肥協(xié)同施控不精準、田間水肥管理水平低等問(wèn)題，且水肥結合理論與應用研究成果較少，灌區灌溉水輸配調度與田間灌排一體化技術(shù)研究基本上處于空白。建議結合新疆綠洲農業(yè)生產(chǎn)節水灌溉技術(shù)特征，綜合利用從小區——灌區尺度提升的水肥協(xié)同精量施控關(guān)鍵技術(shù)模式、保障技術(shù)體系和研發(fā)配套智能水肥管理系統及配套變量施肥裝備等，解決水肥精量施控技術(shù)存在的問(wèn)題，促進(jìn)農業(yè)生產(chǎn)綠色生態(tài)可持續發(fā)展，夯實(shí)干旱區農業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。