第一章 水肥一体化技术基本原理文档格式.docx
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这要从植物是如何吸收养分说起。
植物有两张“嘴巴”，根系是它的大嘴巴，叶片是小嘴巴。
大量的营养元素是通过根系吸收的。
叶面喷肥只能起补充作用。
施到土壤的肥料怎样才能到达植物的嘴边呢？
通常有三个过程。
一个叫扩散过程。
肥料溶解后进入土壤溶液，靠近根表的养分被吸收，浓度降低，远离根表的土壤溶液浓度相对较高，结果产生扩散，养分向低浓度的根表移动，最后被根系吸收。
第二个过程叫质流。
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。
根系必须源源不断地吸收水分供叶片蒸腾耗水。
靠近根系的水分被吸收了，远处的水就会流向根表，溶解于水中的养分也跟着到达根表，从而被根系吸收。
第三个过程叫截获，即养分正好就在根系表面而被吸收。
扩散和质流是最重要的养分迁移到根表的过程。
这两个过程都离不开水做媒介。
因此，肥料一定要溶解才能被吸收，不溶解的肥料植物“吃不到”，是无效的。
在实践中就要求灌溉和施肥同时进行（或叫水肥一体化管理），这样施入土壤的肥料被充分吸收，肥料利用率大幅度提高。
图1-7质流过程示意图图1-8扩散过程示意图
从对肥料浓度的控制条件看，通过灌溉系统施肥可以按下面两种方式进行。
1、按数量施肥
在施肥时只考虑每次施入的肥料总量。
如对大田作物要求每公顷施多少公斤肥料，而对木本果树则要求每株施多少公斤肥料。
在施肥过程中，随着施肥时间的延长，被灌溉水带走的肥料浓度越来越低，最后趋于零，这种施肥方法称为按数量施肥（图1-9）。
传统的肥料撒施即是按数量施肥。
肥
料
浓浓度曲线
度
施肥时间
图1－9肥料浓度随施肥时间的变化
2、按比例施肥（固定浓度施肥）
在施肥时既考虑施肥数量同时又考虑施肥浓度，要求施肥过程中养分浓度是均匀一致的，这种施肥方法称为按比例施肥（图1-10）。
料肥料浓度
浓
施肥时间
图1－10肥料浓度随施肥时间的变化
对这两种施肥方式的选择主要根据作物的种类、根系生长介质和施肥成本来确定。
总体来讲按数量施肥的设备成本要低于按比例施肥。
一般大田种植的作物多采用按数量施肥，而温室栽植的蔬菜、花卉等多采用按比例施肥。
因为温室栽培多采用砂、泥炭、岩棉等疏松透气的基质。
这些基质虽然有很好的保水和通气性能，但对养分的吸附和缓冲性能低。
给根系供应恒定的适宜的养分浓度，可使根系免受高浓度养分造成的肥害。
在水肥一体化技术条件下的各种施肥设备有的是按数量施肥，有的是按比例施肥。
二、水肥一体化技术的优缺点
1、水肥一体化技术的优点
与常规施肥方法相比，通过灌溉系统施肥有以下优点：
（1）节省施肥劳力。
在果树的生产中，水肥管理耗费大量的人工。
如在华南地区的香蕉生产中有些产地的年施肥次数达18次之多。
每次施肥要挖穴或开浅沟，施肥后要灌水，需要耗费大量劳动力。
而在水肥一体化技术条件下可实现水肥的同步管理，节省大量用于灌溉和施肥的劳动力。
南方地区很多果园、茶园及经济作物位于丘陵山地，施肥灌溉非常困难，采用滴灌施肥可以大幅度减轻劳动强度。
作者在深圳市南山区西丽果场（主要种植荔枝）调查发现，采用滴灌施肥后，可节省用于灌溉和施肥的人工95％以上。
现在劳动力价格越来越高，应用水肥一体化技术可以显著节省生产成本。
图1-11人工拖管淋水肥示意图图1-12采用管道施肥可以节省大量人力
（2）提高肥料的利用率。
在水肥一体化技术条件下，溶解后的肥料被直接输送到作物根系最集中部位，充分保证了根系对养分的快速吸收。
对微灌而言，由于湿润范围仅限于根系集中的区域及水肥溶液最大限度的均匀分布，使得肥料利用效率大大提高；
同时，由于微灌的流量小，相应地延长了作物吸收养分的时间。
在滴灌下，含养分的水滴缓慢渗入土壤，延长了作物对水肥的吸收时间；
而当根区土壤水分饱和后可立即停止灌水，从而可以大大减少由于过量灌溉导致养分向深层土壤的渗漏损失，特别是硝态氮和尿素的淋失。
但在传统耕作中施肥和灌溉是分开进行的，肥料施入土壤后，由于没有及时灌水或灌水量不足，肥料存在于土壤中，并没有被根系充分吸收；
而在灌溉时虽然土壤可以达到水分饱和，但灌溉的时间很短，因此根系吸收养分的时间也短。
研究结果表明，在田间滴灌施肥系统下，番茄氮的利用率可达90％，磷达到70％，钾达到95％。
肥料利用率提高意味着施肥量减少，从而节省了肥料。
图1-13滴灌条件下水分只湿润根区土壤
（3）可灵活、方便、准确地控制施肥数量和时间，可根据作物养分需求规律有针对性施肥，做到缺什么补什么，实现精确施肥。
例如果树在抽梢期，主要需要氮；
在幼果期，需要氮磷钾等多种养分；
在果实发育后期，钾的需求增加。
可以根据作物的养分特点，研制各个时期的配方，为作物提供完全营养。
根据灌溉的时间和灌水器的流量，可以准确计算每株树或单位面积所用的肥料数量。
有些作物在需肥高峰时正是封行的时候（如甘蔗、马铃薯、菠萝等），传统的施肥无法进行。
而如采用滴灌施肥则不受限制，可以随时施肥，真正按作物的营养规律施肥。
覆膜栽培可以有效地提高低温、抑制杂草生长、防止土壤表层盐分累积、减少病害发生。
但覆膜后通常无法灌溉和施肥。
如采用膜下滴灌，这个问题就可迎刃而解。
图1-14马铃薯封行后田间人工追肥非常困难
图1-15木瓜覆膜栽培后人工追肥非常困难
（4）施肥及时，养分吸收快速。
对于集约化管理的农场或果园，可以在很短时间内完成施肥任务，作物生长速率均匀一致，有利于合理安排田间作业。
作者对深圳西丽果场的荔枝滴灌施肥时间调查表明，52公顷荔枝采用滴灌施肥1人24小时可完成1次施肥，而以往人工操作情况下需32人1个星期才能完成。
及时快速的灌溉和施肥对果树的生长有现实意义。
抽梢整齐方便统一喷药而控制病虫害，果实成熟一致方便集中采收。
（5）有利于应用微量元素。
金属微量元素通常应用螯合态，价格较贵，而通过微灌系统可以做到精确供应，提高肥料利用率，降低施用成本。
（6）改善土壤环境状况。
微灌灌水均匀度可达90％以上，克服了畦灌和淋灌可能造成的土壤板结。
微灌可以保持土壤良好的水气状况，基本不破坏原有土壤的结构。
由于土壤蒸发量小，保持土壤湿度的时间长，土壤微生物生长旺盛，有利于土壤养分转化。
（7）采用微灌施肥方法可使作物在边际土壤条件下正常生长。
如沙地或沙丘，因持水能力很差，水分几乎没有横向扩散，传统的浇水容易深层渗漏，水肥管理是个大问题，大大影响作物的正常生长。
采用水肥一体化技术后，可保证作物在这些条件下正常生长。
国外已有利用先进的滴灌技术配套微灌施肥开发沙漠，进行商品化作物栽培的成功经验。
如以色列在南部沙漠地带广泛应用微灌施肥技术生产甜椒、番茄、花卉等，成为冬季欧洲著名的“菜篮子”和鲜花供应基地。
我国有大量的滨海盐土和盐碱土，采用膜下滴灌施肥，可以使这些问题土壤也能生长作物。
（8）应用微灌施肥可以提高作物抵御风险的能力。
近几年来，华南许多地区秋冬或秋冬春连续干旱，持续时间长，在应用水肥一体化技术的地块可保证丰产稳产，而人工灌溉地块则成苗率低、产量低。
水肥一体化技术条件下的作物由于长势好，相对提高了作物的抗逆境能力。
（9）采用水肥一体化技术，有利于保护环境。
我国目前单位面积的施肥量居世界前列，肥料的利用率较低。
由于不合理的施肥，造成肥料的极大浪费，致使大量肥料没有被作物吸收利用而进入环境，特别是水体，从而造成江河湖泊的富营养化。
在水肥一体化技术条件下，通过控制灌溉深度，可避免将化肥淋洗至深层土壤，从而大大减少由于不合理施肥、过量施肥等对土壤和地下水造成污染，尤其是硝态氮的淋溶损失可以大幅度减少。
（10）在水肥一体化技术中可充分发挥水肥的相互作用，实现水肥效益的最大化，相对地减少了水的用量。
（11）水肥一体化技术的采用有利于实现标准化栽培，是现代农业中的一个重要技术措施。
在一些地区的作物标准化栽培手册中，已将水肥一体化技术作为标准技术措施推广。
（12）由于水肥协调平衡，作物的生长潜力得到充分发挥，表现为高产、优质，进而实现高效益。
2、水肥一体化技术的局限性
（1）尽管水肥一体化技术已日趋成熟，有上述诸多优点，但因其属于设施施肥，需要购买必须的设备，其最大局限性在于一次性投资较大。
根据近几年的灌溉设备和施肥设备市场价格估计，大田采用灌溉施肥一般每亩设备投资在400～1500元，而温室灌溉施肥的投资比大田高。
投资大小与众多因素有关（后面有详细的分析）。
（2）除投资外，水肥一体化技术对管理有一定要求，管理不善，容易导致滴头堵塞。
如磷酸盐类化肥，在适宜的pH值条件下易在管内产生沉淀，使系统出现堵塞。
而在南方一些井水灌溉的地方，水中的铁质引致的滴头铁细菌堵塞常会使系统报废。
（3）用于灌溉系统的肥料对溶解度有较高要求。
对不同类型的肥料应有选择性施用。
肥料选择不当，很容易出现堵塞，降低设备的使用效率。
没有配套肥料，上述部分优点不能充分发挥。
图1-16肥料含杂质过多会严重堵塞过滤器与滴头
（4）采用水肥一体化技术后，施肥量、肥料种类、施肥方法、肥料在生长期的分配都与传统施肥存在很大差别，要求用户要及时转变观念。
而生产中很多用户安装了先进灌溉设备，但还是按传统的施肥方法，结果会导致负面结果。
（5）在水肥一体化条件下，施肥通常只湿润部分土壤，根系的生长可能只局限在灌水器的湿润区，有可能造成作物的限根效应，造成株型较大的植株矮小。
这在干旱半干旱地区只依赖滴灌供水的地区可能会出现这种情况，但在华南地区有较丰富的降水，设施灌溉并不是水分的唯一来源，在此情况下基本不存在限根效应。
（6）长期应用微灌施肥，特别是滴灌施肥，容易造成湿润区边缘的盐分累积。
但在降雨充沛的地区，雨水可以淋洗盐分。
如在我国南方地区田间应用灌溉施肥，则不存在土壤盐分累积的问题。
而在大棚中多年应用滴灌施肥，盐分累积问题比较突出。
图1-17滴灌施肥后产生的地表盐斑
（7）有可能污染灌溉水源。
施肥设备与供水管道联通后，在正常的情况下，肥液被灌溉水带到田间。
但若发生特殊情况如事故、停电等，则有时系统内会产生回流现象，这时肥液可能被带到水源处。
另外，当饮用水与灌溉水用同一主管网时，如无适当措施，肥液也可能进入饮用水管道，这些都会造成对水源水的污染。
但在设计和应用时采取一定的安全措施，如安装逆止阀、真空破坏阀等，就可避免污染的发生。
三、水肥一体化技术的发展历史
水肥一体化技术是现代集约化灌溉农业的一个关键因素，它起源于无土栽培（也叫营养液栽培）的发展。
18世纪末，英国的乌特渥尔特（JohnWoodward）将植物种植在土壤的提取液中，这是第一个人工配制的水培营养液。
19世纪中期，法国的布森高（JeanBaptisteBoussingault）利用惰性材料做植物生长介质并以含有已知化合物的水溶液供应养分，从而确定了9种植物必需营养元素，并阐明了植物最佳生长所需的矿质养分比例。
后来，撒奇士（vonSachs）提出了能使植物生长良好的第一个营养液的标准配方。
在1925年以前，营养液只用于植物营养试验研究，并确定了许多营养液配方（如霍格兰营养液配方，1919）。
1925年温室工业开始利用营养液栽培取代传统的土壤栽培。
“营养液栽培”（hydroponics）这个词最初是指没有用任何固定根系基质的水培；
之后，营养液栽培的含义扩大了，指不用天然土壤而用惰性介质如石砾、砂、泥炭、蛭石或锯木屑和含有植物必需营养元素的营养液来种植植物。
现在一般把固体基质栽培类型称为无土栽培，无固体基质栽培类型称为营养液栽培。
第二次世界大战加速了无土栽培的发展，成为美军新鲜蔬菜的重要来源。
第一个大型营养液栽培农场就建在南大西洋荒芜的阿森宣岛上，这项采用粉碎火山岩做生长基质的技术后来也应用到其它太平洋岛屿如冲绳岛和硫黄岛。
二战后美军在日本调布建起了一个22公顷的无土栽培生产基地。
20世纪50年代，无土栽培的商业化生产开始在荷兰、意大利、西班牙、法国、英国、德国、瑞典、苏联和以色列发展。
之后，中东、阿拉伯半岛的沙漠地区、科威特和撒哈拉沙漠以及中美洲、南美洲、墨西哥和委内瑞拉海岸的阿鲁巴和库拉考地区也开始推广无土栽培技术。
在美国，无土栽培生产主要集中于伊利诺伊斯州、俄亥俄州、加利福尼亚州、亚利桑那州、印地安那州、密苏里州和佛罗里达州。
全美国有上百万家庭式无土栽培装置。
在俄罗斯、法国、加拿大、南非、荷兰、日本、澳大利亚和德国等国家也可见到这种家庭无土栽培装置。
塑料容器和塑料管件的发展以及平衡的营养液配方促进了无土栽培的进一步发展，生产成本和管理费用都大大降低。
20世纪50年代中期，美国进行灌溉施肥的规模很小，只在地面灌溉、漫灌和沟灌中应用。
当时最常用的肥料有氨气、氨水和硝酸铵，由于灌溉水的利用率很低，使得肥料的氮利用率也很低。
随着波涌灌的发展，地面灌溉的水分供应更加精确，紧接着又应用波涌阀注入肥料，这项技术极大地提高了地面灌溉的肥料利用率。
在荷兰，从20世纪50年代初以来，温室数量大幅增加，通过灌溉系统施用的肥料量也大幅增加，水泵和用于实现养分精确供应的肥料混合罐也得到研制和开发。
自20世纪60年代初起，以色列开始普及水肥一体化灌溉施肥技术。
全国43万公顷耕地中大约有20万公顷应用加压灌溉系统。
果树、花卉和温室作物都是采用水肥一体化灌溉施肥技术，而大田蔬菜和大田作物有些是全部利用水肥一体化灌溉施肥技术，有些只是某种程度上应用，这取决于土壤本身的肥力和基肥施用。
滴灌湿润的土壤范围很小，根系要吸收充足的养分则需要水和养分的同步供应。
在其它微灌系统中，如喷灌和微喷灌系统，水肥一体化灌溉施肥技术对作物的作用效果也很好。
随着喷灌系统由移动式转为固定式，水肥一体化灌溉施肥技术也被应用到喷灌系统中。
20世纪80年代初，开始将水肥一体化灌溉施肥技术应用到自动推进机械灌溉系统。
现在，以色列农业灌溉面积（除辅助灌溉外）有90%以上采用水肥一体化灌溉施肥技术。
最初，由于使用肥料罐，灌溉施肥的养分分布不均匀；
后来采用文丘里施肥器和水压驱动肥料注射器，养分分布较为均衡；
引入全电脑控制的现代水肥一体化灌溉施肥技术设备，养分分布的均匀度得到显著提高。
滴灌是目前应用最广泛、最节水的灌溉技术。
通过滴灌施肥肥料利用率最高，最容易实现养分的精确调控。
滴灌是怎么产生的？
滴灌的构想产生于20世纪30年代初的以色列。
当时恩格.申巴.布拉斯先生受邀去滨海地带的一个小农场参加傍晚茶会。
他发现主人的众多葡萄柚中有一棵长得特别大，但是这棵树并没有明显的灌溉水源。
经过进一步调查，他发现一条通往房子的很细的饮用水铁管在此处有一个小裂口，从这个裂口处有水滴滴出。
流出的水可湿润范围仅为25厘米，而这棵树的树冠直径为10米。
这么大一棵树竟能从容积如此小的土壤中获得所需水分，这个现象触发布拉斯先生产生滴灌的想法。
不幸的是，那时研究滴灌存在许多实际困难，以致于这个想法无法实现。
但是17年后，即1959年，塑料管的应用使这个想法的实现成为可能。
经过3年的反复试验，最后终于成功了。
与喷灌和沟灌相比，应用滴灌的番茄产量增加一倍，黄瓜产量增加了两倍。
这项新灌溉技术的一个关键问题是养分的供应问题。
它湿润的土壤容积只是耕作层的一小部分，特别是砂土条件下，这个问题更为明显。
因此若在土壤表面撒施肥料，大部分肥料仍留在土壤表面而不能被植物利用。
在初始阶段，通过灌溉系统进行施肥有两种方法。
一种是利用喷雾泵将肥料溶液注入灌溉系统；
另一方法是将灌溉系统的水引到装有水和固体肥料的容器内，然后又回到灌溉系统内。
这两种施肥方法虽然简单但不精确，但是应用这两种施肥方法后产量可显著增加。
20世纪60年代末，以色列由于出口花卉的需要，温室面积开始扩大。
滴灌与施肥技术的结合极大地加速这个密集的、高投入的种植产业体系的发展。
同时生产蔬菜和大田作物的农户也开始应用水肥一体化灌溉施肥技术。
20世纪60年代中期，随着滴灌的发展，应用肥料罐施肥是主要的施肥方法。
一些温室应用两用途的喷雾泵来进行喷施农药和灌溉施肥，而果园则应用移动式喷雾器将肥料溶液直接注入灌溉系统。
20世纪70年代初，液体肥料的应用促进了水力驱动泵的发展。
第一种开发的水力驱动泵为膜式泵，它将肥料溶液从一个敞开的容器中抽取后再注入灌溉系统，这种泵产生的压力是灌溉系统中压力的两倍。
第二种水力驱动泵为活塞泵，依靠活塞来进行肥料溶液的吸取和注入。
这些肥料泵的应用实现了水和肥料的同步供应。
同样在20世纪70年代初，开始应用低流量的文丘里施肥器，主要应用于苗圃和盆栽温室。
它的应用解决了早期肥料泵的一个主要缺点，即在低流量时的不精确性。
在有电的地方，主要在温室内，电驱动的肥料泵可以对肥料溶液进行精确供应。
20世纪90年代初，用于精确施用低中流量肥料溶液的新型肥料泵得到发展。
在肥料施用量的控制方面，随着施肥设备的不断更新，对肥料用量的控制也越来越精确。
最初需要手工来调节肥料罐的进流量和出流量，后来应用机械化设备来自动控制水和肥料的同步供应。
现在已有非常复杂的控制设备，如计算机与监控肥料混合罐的酸度计、电导率仪及灌溉控制器相连接，实现对肥料用量更为精确的控制，如在温室中施肥机的应用等。
除施肥设备上不断的更新和完善外，用于灌溉施肥的专用肥料也得到大力发展。
在众多的肥料类型中，液体肥料最适合用于灌溉施肥。
在以色列，液体肥料占总肥料的80％以上，美国液体肥料占总肥料的38％以上，目前仍在继续增长。
目前，在一些水肥一体化灌溉施肥技术发达的国家（如以色列、美国、澳大利亚、西班牙、荷兰、塞浦路斯等），已形成了完善的设备生产、肥料配制、推广和服务的技术体系。
他们的设备和技术除满足于国内市场外，现正大力寻求海外市场。
我国水肥一体化技术的发展相比发达国家来讲要迟近20年。
现普遍的看法是从1974年开始。
当年我国引进了墨西哥的滴灌设备，试验点仅有3个，面积约5.3公顷，试验取得了显著的增产和节水效果。
1980年我国第一代成套滴灌设备研制生产成功。
1981年后，在引进国外先进生产工艺的基础上，我国灌溉设备的规模化生产基础逐步形成，在应用上由试验、示范到大面积推广，取得显著的节水和增产效益。
在进行节水灌溉试验的同时，开始开展水肥一体化灌溉施肥的试验研究。
从20世纪90年代中期开始，灌溉施肥的理论及应用技术日趋被重视，技术研讨和技术培训大量开展。
2000年开始至今，全国农技推广中心节水处每年在我国不同地区举办灌溉施肥技术培训班（最初的几届与国际钾肥研究所（IPI）合办），由国内外专家系统地介绍灌溉施肥的理论和技术。
灌溉施肥的面积逐步扩大。
特别是温室及大棚蔬菜的生产，推动了水肥一体化技术的不断完善和发展。
一些研究单位和企业结合，研究开发出适合当地条件的施肥设备和灌溉技术，如压差施肥罐、文丘里施肥器、移动式灌溉施肥机、施肥综合控制系统、重力自压施肥系统、泵吸施肥法、泵注肥法、膜下滴灌施肥技术等。
当前水肥一体化灌溉施肥技术已经由过去局部试验示范发展为大面积推广应用，辐射范围由华北地区扩大到西北干旱区、东北寒温带和华南亚热带地区，覆盖了设施栽培、无土栽培、果树栽培，以及蔬菜、花卉、苗木、大田作物等多种栽培模式和作物。
在经济发达地区，水肥一体化技术的水平日益提高，涌现了一批设备配置精良、并实现了专家系统智能自动控制的大型示范工程。
部分地区因地制宜实施的山区重力自压滴灌施肥、瓜类栽培吊瓶滴灌施肥、华南地区利用灌溉系统施用有机液肥等技术形式使水肥一体化技术日趋丰富和完善，形成了适合中国国情的、有中国特色的水肥一体化技术体系。
特别是新疆地区的膜下滴灌施肥技术处于世界领先水平。
除在棉花上大面积应用外，目前已推广到加工番茄、色素菊、辣椒、玉米、蔬菜、瓜类、花卉、果树、烤烟等作物，推广面积达几千万亩。
水肥一体化技术应用与理论研究逐渐深入，由过去侧重土壤水分状况、节水和增产效益试验研究，逐渐发展到灌溉施肥条件下的水肥耦合效应、作物生理及产品产量与品质的影响、养分在土壤中运移规律等方面的研究；
由单纯注重灌溉技术、灌溉制度转变到灌溉与施肥的综合运筹。
我国灌溉施肥总体水平，已从80年代初级阶段发展提高到中级阶段。
其中，部分微灌设备产品性能、大型现代温室装备和自动化控制已基本达到目前国际先进水平。
微灌工程的设计理论及方法已接近世界先进行列；
微灌设备产品和微灌工程技术规范，特别是条款的逻辑性、严谨性和可操作性等方面，已跃居世界领先水平。
但是，从整体上分析，我国水肥一体化灌溉施肥技术系统的管理水平相对较低；
应用灌溉施肥技术面积所占比例小，水肥结合理论与应用研究成果较少，深度不够；
灌溉施肥用的专用肥料的研究和开发刚刚起步，某些微灌设备产品特别是首部配套设备的质量与国外同类先进产品相比仍存在较大差距。
四、水肥一体化技术研究和推广应用中存在的问题
1.我国设施灌溉技术的推广应用还处于起步阶段。
设施灌溉面积不足总灌溉面积的3％，与经济发达国家相比存在巨大差异，在设施灌溉的有限面积中，大部分没有考虑通过灌溉系统施肥。
即使在最适宜用灌溉施肥技术的设施栽培中，灌溉施肥面积也仅占20％左右。
水肥一体化技术的经济和社会效益尚未得到足够重视。
另外，多数种植者对水肥一体化灌溉施肥技术存在认识上的偏差。
目前，多数种植业者或管理人员对滴灌等灌溉形式的认识还停留在原有基础上，如由于设计不合理、管理不善等引起的滴头堵塞等问题，进而对水肥一体化技术本身加以否定；
再有就是在他们的潜意识中，滴灌是将灌溉水一滴一滴滴下去，灌水量太少，根本满足不了作物生长的需要；
对国外技术的过分依赖，认为只有使用国外的产品、让国外的技术人员来进行规划、设计、安装才是可行的，从
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