新疆生产建设兵团第八师石河子市水利工程管理服务中心 张佳

水肥一体化技术是指使用相关设备将灌溉、施肥融合，根据作物需求及状况，按时按量地将水肥均匀地作用于植物根系生长处，实现对田间土壤环境和水肥含量的协同调控、综合管理和高效利用[1]。水肥一体化技术能够显著提高水肥利用效率，减少因过量施肥造成的水体污染，同时可提高经济效益[1-2]。

膜下滴灌技术的提出促进了新疆农业大发展，带动了新疆成为世界上规模化膜下滴灌最大的区域，并对国内农业节水灌溉起到了明显的示范带动作用。以新疆为代表的西北干旱区节水灌溉虽然取得了巨大的成绩，但相比现代化灌区建设内涵，当前水肥精量施控技术仍存在较大差距，面临的挑战依然严峻，故分析问题提出对策对水肥精量施控技术进一步发展具有重要意义。

1 水肥精量施控技术的发展现状

随着现代灌溉技术的规模化应用和农业生产集约化管理，农田尺度提升、应用区域变化以及灌溉水源多样化都对水肥精量施控技术的应用和发展提出了新的挑战。受灌区土壤、环境等空间变异的影响，将盆栽或小区等小尺度理想环境下试验优化得到的水肥灌溉水平直接应用到大田农业生产实践中易造成作物水肥需求与实际灌溉不一致，出现水肥浪费或亏缺的现象。此外，毛管压力偏差与灌水器堵塞也会对水肥灌溉均匀度产生较大影响，降低田间水肥灌溉均匀性[3]。为此，国内外学者围绕农业精量微灌水肥高效利用、微灌水肥精量施控技术方法、实践应用及产品研发等方面开展了大量研究工作。

1.1 水肥耦合提质增效理论

水肥互作对作物生理生长指标、产量品质及水肥利用效率等的影响得到了广泛且深入的研究。Mostafa等[4]研究了不同水肥水平下滴灌小麦产量和水肥利用效率等，翟娟等[5]通过正交试验分析了水肥耦合对玉米生长、生理、产量及品质等的影响。此外，水肥互作对棉花、番茄、红枣等作物生长生理指标的影响也是众多学者关注、研究的热点。诸多研究结果表明，合理的水肥灌溉水平可以显著提高作物产量品质及水肥利用效率。

1.2 水肥一体化灌溉技术应用

在水肥耦合提质增效理论基础上，许多学者围绕水肥一体化灌溉技术应用做了大量研究。肖让等[6]分析了不同灌溉定额和有机肥使用量对制种玉米产量的影响，提出了适于河西走廊制种玉米的最佳水肥组合。王振华等[7-11]人广泛研究了新疆红枣、葡萄、番茄、棉花和小麦等典型粮经作物的水肥需求规律，提出了相应环境条件下的最优水肥灌溉制度，具体到水肥一体化施控过程，相关研究主要集中在施肥及水肥管理软、硬件研发改进等方面。王来刚[12]使用卫星遥感技术与地面监测技术相结合的方法，在农田尺度上实时对灌溉施肥时机和施用量进行指导，提升监测尺度，有效地释放作物产量潜力，提高了氮肥利用效率。韩文霆等[13]使用无人机遥感数据诊断作物水肥需求，指导灌溉决策，解决了瞬时延拓、空间尺度转换精度低等卫星遥感监测的常见技术难题。

1.3 水肥精量施控设备系统的研发优化

为进一步提高水肥协同调控精准度，部分学者围绕文丘里施肥器、注肥泵、智能水肥一体机、精准灌溉系统等软硬件设备开展了结构优化研究。国外设施农业发达国家如美国、荷兰、以色列等国在农作物精确灌水施肥方面技术水平较高，土壤的合理采样方法及养分分布理论研究深入，变量施肥决策和变量投入技术成熟。以色列Netafim公司开发了全球先进的智能化精准水肥灌溉系统，可实时监测作物环境信息、水肥信息等，通过无线传输技术对数据进行远程传输，通过计算机中的模型来处理采集到的信息，生成灌溉施肥决策，用户足不出户便可对田间施肥灌溉设备进行操控。此外，以色列Rivulis、Naandanjain和Bermad公司，以及美国Toro、Rainbird等公司均提出了成熟的精准微灌方案，涵盖了灌溉系统的全系列产品。

相对于欧美等国家，我国研究精准变量施肥技术起步较晚。近年来，国内很多高等院校和农业科研单位在对国外先进的精准变量施肥技术消化借鉴的基础上，结合国内水肥实践生产情况开展了大量研究。我国不少学者通过提出新型水肥诊断决策算法、开发基于物联网的智能施肥管理系统等途径提升田间水肥施控精度。大禹节水集团股份有限公司研究开发的新型灌水器具备良好的抗堵性能，可有效提高施肥均匀度，进而提高肥料利用效率12%[14]。中国水利水电科学研究院针对喷滴灌水肥精量调控和高效安全利用的需求及存在的关键技术问题，在现代灌溉施肥精量调控原理、新型喷头和变量灌溉设备、喷滴灌水肥管理模式等方面进行了系统研究[15]。此外，中国水利水电科学研究院还提出了考虑土壤空间变异对水肥分布影响的微灌系统设计新方法，发展了变量灌溉理论并建成了我国第一套具有自主知识产权的高精度变量灌溉系统，同时研发定型了多种配套精量调控设备。西北农林科技大学蔡焕杰教授主持完成西北典型农区高效节水灌溉技术，提出了不同区域的节水灌溉系统技术解决方案与标准体系，形成了相应的高效节水灌溉技术模式，并在陕西、甘肃等西北干旱地区应用示范。这些都有力推动了我国微灌水肥精量施控技术水平的进步，提升了节水灌溉领域的自主创新能力。

2 新疆水肥施控存在的问题

2.1 灌区水肥协同施控不精准

水肥调控通常在小微均匀环境下试验确定，大田生产实践中灌区尺度土壤理化性质和环境参数等随空间存在变异，小微均匀环境下试验优化得到的水肥灌溉措施与大田作物水肥实际需求不一致，一定程度上导致作物面临水肥胁迫。滴灌管网水压衰减、灌水器堵塞等亦会对水肥灌溉均匀度产生较大影响，导致灌区部分区域作物面临水肥胁迫等。此外，施肥装置性能和田间水肥运行管理等亦会影响水肥协同过程，使得肥液浓度在微灌管网中发生波动造成施肥均匀性的降低。受大田多因素的共同作用，实践生产中田间水肥施控精准度不高，水肥分布均匀度普遍低于80%[3]。

2.2 水肥精准施控资金投入较大

实现水肥精准施控，需要依托具有自动化、信息化及智能化等技术特征的水肥一体机。目前新疆普遍采用压差施肥罐、自制施肥设施等进行田间水肥管理，这些设施设备虽然性能落后，但其技术门槛低、资金投入少，深受广大农户喜爱。而水肥一体机价格普遍昂贵，较高的资金投入成为阻碍水肥一体机替代施肥罐等现有简易施肥装置的主要因素。加之新疆大田农业亩均收益不高，采用水肥一体机等综合经济效益不显著，进一步影响了水肥一体机等精准水肥施控设备在新疆的推广应用。

2.3 田间水肥管理水平低

为推广水肥一体化技术，部分地区积极采购相关设备，在软硬件上已经形成比较健全的体系。但目前，水肥管理依赖人为经验，缺乏完善的技术应用管理体系，各项工作流程比较混乱，导致供应时间不科学、水肥施用次数总量控制不精确、工作效率较低等问题突出，且工作人员不重视设备的检查及维修，使得整体工作质量并没有真正达到水肥一体化技术的应用效果，普遍存在过量灌溉现象，导致每年浪费的水肥资源数量巨大，既不经济，也对环境存在潜在影响。这些问题不及时处理，即使拥有先进的灌溉施肥设备，也很难发挥其价值，很难形成水肥一体化模式。

3 新疆水肥精量施控技术发展对策建议

3.1 精量水肥协同调控尺度提升技术

结合不同土壤水肥环境下作物全生育期蒸散特性、根系空间分布、生理、生态因子的变异性分析，多维度揭示不同水肥组合对作物生长发育过程及水肥高效利用的调控机制。利用无人机遥感与地面无线传感网监测系统集成与信息融合技术，构建“空——天——地”立体监测体系。结合田间同步取样，分析土壤、作物关键参数时空动态异变规律，建立水肥调控从小区尺度到灌区尺度的变量映射函数，实现精量水肥协同调控从小区到灌区的尺度提升。

3.2 精量水肥协同调控灌溉保障技术体系

研究灌区渠系、管网内泥沙运移规律及沉降特征，构建从首部到田间的泥沙梯级协同处理技术方案，设计多重高效沉沙池，研发泵前过滤器、自动反冲洗过滤器及低水损叠片过滤器等配套设施设备。分析新疆灌区灌水器堵塞的主要机理，研究脉冲水压抗堵塞技术，研发新型抗堵塞灌水器等，保障田间水肥均匀灌溉。

3.3 智能水肥管理系统及配套变量施肥装备

围绕灌区种植结构及作物水肥差异需求，基于遗传算法、人工神经网络等提出多目标差异化水肥决策模型，研发智能变量施肥装备。结合对策1、2，开发集自动监测、远程通信、智能决策、自动控制于一体的智能水肥精准管理系统。优化改进相应终端App，实现电脑、手机、平板和云平台等多端实时监测管理。

4 结语

综上所述，水肥精量施控技术的运用在提升农业生产水肥利用率、提高生产经济效益方面有积极作用。但当前新疆地区水肥精量施控技术在应用时还存在水肥协同施控不精准、田间水肥管理水平低等问题，且水肥结合理论与应用研究成果较少，灌区灌溉水输配调度与田间灌排一体化技术研究基本上处于空白。建议结合新疆绿洲农业生产节水灌溉技术特征，综合利用从小区——灌区尺度提升的水肥协同精量施控关键技术模式、保障技术体系和研发配套智能水肥管理系统及配套变量施肥装备等，解决水肥精量施控技术存在的问题，促进农业生产绿色生态可持续发展，夯实干旱区农业高质量发展。