水肥一体化技术在农业循环经济中的应用研究

吴江虹

（江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400）

1 农业循环经济研究概况

1.1 农业循环经济内涵

农业循环经济是相对于传统农业发展提出的一种新的发展模式，运用可持续发展思想、循环经济理论及生态工程学方法，结合生态学、生态经济学、生态技术学，在保护农业生态环境和充分利用高新技术的基础上，调整和优化农业生态系统内部结构及产业结构，提高农业生态系统物质和能量的多级循环利用，严格控制外部有害物质的投入和农业废弃物的产生。循环农业是以资源有效循环利用为主要特点的农业发展方式，其目的是实现节能减排、节约资源、保护环境和可持续发展[1]，原则是减量化、再利用和资源化[2]，重点是建立一种改变传统农业模式的环境友好型、绿色低碳循环经济系统，实现自然资源、生物多样性、水土资源、化学物质等环境要素的协调发展。

1.2 国外农业循环经济的发展

国外农业循环经济最早可以追溯到1909 年有机农业的兴起，当时美国农业管理局局长King 在考察了中国农业后写成了《四千年的农民》一书，指出中国农业长盛不衰的秘密在于以有机肥还田培肥地力，提高土地利用率[3]。英国植物病理学家Albert 深受其影响，进一步总结和研究中国传统农业经验，并于20 世纪30 年代倡导发展有机农业[4]。受东方农业启发，美国的Rodale 研究所在1942 年开始出版《有机园艺和农作》刊物，并在自己的农场实践“有机农业”。1974 年澳大利亚Mollison 和Holmgren 融合东亚传统农耕文化和澳洲原住民生活经验的科学方法，基于照顾地球、照顾人类、分配盈余的三重核心理论，提出了朴门永续农业[5]。1981 年英国农学家Worthington 定义生态农业为“生态上能自我维持,低输入,经济上有生命力,在环境、伦理和审美方面可接受的小型农业”[6]。随后30 多年,各国围绕循环农业，在理论和生产实践方面进行了大量研究,循环农业的发展呈不可阻挡之势席卷全球，分别形成了具有各国农业特色的5 种循环农业模式。一是以美国为代表的“精准农业”发展模式[7]，依据自身在信息化和数据化统计的高精尖技术优势，运用RS 农业遥感技术、GIS 地理信息系统以及GPS 全球卫星定位系统，将土地划分成若干操作单元,对每个操作单元的土壤和各项作物进行精准的管理,并且通过优化,最大限度地减少使用农药、化肥等外部农业投入,充分利用水、种子等资源,保护农业生态环境,获取高产量、高经济效益。二是以德国为代表的“绿色能源农业”发展模式[8]，通过一定的技术手段从农作物中提取矿物能源和化工原料替代品，从而实现农产品的循环再利用。比如德国科学家先后从马铃薯、玉米、菊芋、甜菜和油菜中制取出甲烷、乙醇等“绿色能源”，从羽扇豆植物中获取了生物碱，从油菜籽中提取了可有效代替矿物柴油的植物柴油。三是以日本为代表的“环保型农业”发展模式[9]，将农用废弃物经过处理，重新变成可利用资源，再次回归到农业生产过程中，这种模式可以有效防止水土流失、环境失衡等问题。四是以英国为代表的“永久型农业”发展模式[10]，尽量降低人为因素对土地资源的破坏力，尽量不使用人造化肥和各种杀虫剂，而是通过种植多样性的植物促进生态链的互相牵制，实现有害物质的环保性捕杀，达到整个生态系统的平衡。五是以以色列为代表的“节水型农业”发展模式[11]，大力推进滴灌、喷灌等灌溉技术，发展水肥一体化以提高灌溉水的利用率；收集雨水以二次循环利用，为全球在水资源的开源节流方面做出了表率。

1.3 我国农业循环经济的发展

我国循环农业的概念最早出现在春秋时期，勤劳的华夏民族早就懂得用地养地的道理，包括物理杀虫、人工除草等做法也已经出现。近现代，随着我国农业的发展，国家也越来越重视循环农业的建立。早在20 世纪80 年代，叶谦吉[12]、许涤新[13]、吴灼年[14]等一批中国学者先后提出了中国农业要走“生态循环农业”之路。随后各级政府和研究机构陆续开展生态循环农业相关的试点研究和经验总结。90 年代农业部在全国分2 期开展了120 个生态循环农业试点县建设，各地开展的生态循环农业试点已超过1 000个。2014 年农业农村部农业生态与资源保护总站进一步组织开展了13 个生态循环农业区域示范基地建设，并对全国上百个典型生态农场开展了调查，并于2018 年总结出版了《中国生态农场案例调查报告》[15]。2021 年《“十四五”全国农业绿色发展规划》由农业农村部等6 部门联合印发[16]，这表明我国农业发展向生态循环农业转型的决心，为进入生态循环农业时代的我国农业和农村的可持续发展提供了顶层设计。近年来，随着我国农业技术的不断完善和农业经济水平的不断发展以及政府部门和老百姓生态保护意识越来越高，我国循环农业发展也在奋起直追，探索出多种农业循环模式[17]，如北方“四位一体”模式、南方“猪—沼—果”模式、平原农林牧复合模式、草地生态恢复与持续利用模式、畜牧业生态生产模式、生态种植模式、生态渔业模式、丘陵区小流域综治模式、设施生态农业模式、观光农业模式等。通过近年来反复实践中的延伸和发展，形成了越来越多适宜地方特色的生态循环农业模式。

我国循环农业呈综合性、多样性、高效性、持续性的特点[18]。通过农业循环体系的建设，可以根据农业发展要求，合理配置农业生产过程的基本要素，减少农业生产过程的支出，有助于实现水、资金、化肥、农药等各种资源合理配置，避免资源的浪费和环境污染。水肥一体化作为一种高效利用水肥的技术，在我国循环农业的建设中起到重要作用。

2 水肥一体化技术概况

水肥一体化是将灌溉与施肥融为一体的先进灌溉技术，其核心是根据土壤特性和作物生长规律，利用灌溉施肥装置同时把水分和养分均匀、准确、定时定量地供应给作物[19]。水肥一体化技术相比于传统灌溉施肥方式，灌溉水利用率提高了40%~60%，肥料利用率提高了30%~50%[20]。此外它还具有省工省力、增产高效、改善土壤质量、减少因肥料流失导致的面源污染等优点[21]。水肥一体化系统主要由水源工程、过滤装置、管道系统、灌水器和施肥装置等组成。根据灌水器分类，我国常见的水肥一体化系统主要有滴灌、喷灌和微喷灌[22-24]。其中滴灌适用于果树、蔬菜、经济作物以及温室大棚灌溉，在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。喷灌适用于根系浅，需水量大的作物，如水稻、小麦、花卉等作物。微喷灌适用于栽培密度大、植株柔软细嫩的作物，如棚栽叶菜类蔬菜、葱、姜、蒜等。

施肥装置是实现水肥一体化的核心装置之一，灌溉施肥质量的好坏很大程度上取决于施肥装置的性能优劣。目前常用的施肥装置包括压差式施肥罐、文丘里施肥器、比例施肥泵和水肥一体机等。压差式施肥罐主要由施肥罐、调压阀及进、出管组成[25]，其工作原理是利用进、出管之间的压力差，通过水流不断置换施肥罐内的肥液到灌溉管网中。压差施肥罐结构简单，生产成本低廉，移动方便，无需外加动力提供装置。但施肥过程浓度不均匀,易受水压影响。文丘里施肥器是基于文丘里管设计的自吸肥设备[26]，文丘里管中部渐缩，水流经文丘里管时会在喉部产生压差，从而将液态肥从喉部吸入管网中，其施肥过程肥液浓度均匀, 无需外部动力，但水头压力损失大。比例施肥泵是一种利用管道系统水动力驱动活塞往复运动[27]，从而向管道定比例注肥的先进水肥一体化施肥装置，具有施肥精度高、运行稳定、安装简单、注肥比例可调等优点，但吸肥流量小，施肥面积有限。施肥机自动控制技术与文丘里、比例施肥泵等注入设备高度集成的产物[28]，浓度、流量控制精确，可自动化灌溉施肥，但成本高,对操作人员要求高。

水肥一体化技术由于其优越的节水节肥性能，成为农业循环系统构建的重要指导技术。水肥一体化设备，特别是施肥机，由于灌水施肥量精准可调以及高度集成的自动化控制技术，推动着循环农业向着精准化、无人化、智能化发展。

3 水肥一体化技术在农业循环经济中的应用

3.1 循环农业中的水肥一体化技术

21 世纪以来，我国水肥一体化技术快速发展，推广应用越来越深入。浙江省海宁市蓝莓小镇在蓝莓种植过程中应用生态循环技术，非常重视生产过程中的施肥管理，定期采集土壤样品，监测土壤质量，并且按照土壤肥分情况通过精确定量施肥和水肥一体化技术来控制施肥量，以减少土壤和肥料的流失与浪费[29]。黔南州大力推广种养结合的循环农业发展模式，建设智能水肥一体化监控系统，根据系统采集的土壤、水肥、气象等数据，结合种植的农作物情况制定水肥灌溉方案，并通过系统将水肥施用方案实施到作物田地[30]。五丰泰连平农业生态园发展“猪—沼—肥—田”循环农业模式，将养殖产生的沼液处理后储存，通过水肥一体化设施喷洒于田间种植的水稻、玉米和蔬菜等作物，减少化肥施用的同时增强了土壤活力[31]。刘琼峰等[32]在种植业与草食畜牧业相结合的循环农业模式，将牲畜产生的固体废弃物进行无害化处理，生产出优质有机肥，再通过水肥一体化管道输送到蔬菜地、果园等种植系统。梁家河“‘果—沼—畜’水肥一体化”示范园中结合灌溉基础设施、互联网、物联网和气候墒情监测站[33]，建立了66.67 hm2水肥一体化示范工程。中央智慧灌溉控制系统综合分析处理苹果园的实时监测数据，结合预设的水肥一体化灌溉技术方案，智能推送一套最佳的水肥一体化灌溉技术方案。通过推行智慧灌溉，做到了精准灌溉、科学施肥，实现了节水、节肥、省工及保护生态环境的目的。徐磊等[34]以隆化县武烈河流域七家茅荆坝片区为对象进行分析，提出了现代循环农业节水节肥项目工程设计方案，强调了滴灌水肥一体化系统构建对于循环农业的重要性。水肥一体化技术已成为农业循环经济中不可或缺的重要一环，促进了多种特色的循环农业发展新模式的应用。

3.2 水肥一体化在循环农业应用中取得的成效

广西省积极搭建农业科技平台，加强高效生态循环农业领域科技创新，加快农业科技成果转化和应用步伐，全面提升农业科技应用水平，促进了广西高效生态循环农业快速发展，在香蕉、芒果、蔬菜、西瓜等优势农作物上推广应用水肥一体化，面积达1.13 万hm2[35]。山东省淄博市建立南部山地农林农业区、中部城郊休闲农业区和北部平原粮食农业区3大循环农业功能区，通过配套建设微灌设施，将施肥和灌溉同步进行、一体化管理，全市范围内示范推广水肥一体化技术，有效减少了14.64%的化肥用量，提高了肥料利用率，为农业绿色发展奠定了基础[36]。海南屯昌县以合理循环利用废弃物浇灌农作物为导向，建设水肥一体化基地95 个，通过政府扶持和补贴，大力推进建设“主体小循环、片区中循环、区域大循环”为重点的生态循环农业的发展模式[37]。百色市西林县正和牧业生态养殖产业园通过尾水处理利用技术将生猪养殖中的废弃物处理成肥料水，再通过管道输送到田间，现已铺设超过6 000 m 的水肥一体化输送管道，供应周边4 个村屯约66.67 hm2水果种植园的灌溉施肥，成功开启了全县的生态循环农业模式[38]。水肥一体化技术在循环农业示范区中大展身手，推广面积大、供应范围广，有效地降低了肥料施用量，节水节肥、降本增效效果明显。

4 问题与挑战

4.1 新装备应用滞后

虽然现有农业循环系统中不断强调水肥一体化技术的重要性，但更侧重的是生物肥料处理的研究。水肥一体化技术在循环农业中的应用主要是通过管道直接将沼液输送到田间，或在灌溉系统末端利用滴灌带将肥料输送到作物根部，实现了种植环节中废弃物的循环利用。然而有机肥的施用量无法满足作物生长所需，因此需要在作物生长过程中追加化学肥料。化学肥料的水肥一体化需要利用施肥设备完成，现有农业循环系统追加化肥的方式较传统，主要将固体肥溶解成液体，或直接将液体肥注入到管道中，对于近些年来飞速发展的智能施肥机等新装备的应用很少。

4.2 水肥一体化系统的“小循环”研究缺失

循环农业的研究集中在因地制宜的发展各式种养模式，最大化利用各环节所产生的资源，形成“养殖—沼液—种植—养殖”的闭环，这是农业循环的“大循环”。然而在循环农业的水肥一体化系统，特别是滴灌系统中，为确保作物充足的养分，进入灌溉系统的水肥或营养液往往多于需求量。虽然多余的水肥会再次进入水肥一体化系统进行循环，但在不断的循环中易在管路中产生废弃物的堆积。另外整个施肥过程结束后剩余的肥液不仅会造成浪费，长时间还会导致肥液储存罐腐蚀和产生水藻，影响下次施肥。如何使水肥一体化系统产生“小循环”，从而合理利用剩余水肥，是循环农业中水肥一体化技术应用急需解决的问题。

4.3 推广力度不足

虽然各地纷纷涌现出循环农业的代表性模式，但因其覆盖种养等多方面，导致国内的循环农业大多还是集中在农场等试点。而水肥一体化作为循环农业的重要一环，同样受到影响，尚未大面积的推广到村镇。此外，水肥一体化新工艺、新技术、新装备等由于研发成本高，尚未形成成熟的产业链，配套服务更是跟不上，导致应用成本高，也严重制约了水肥一体化的高新技术在循环农业中的推广。

4.4 精准化和智能化亟需发展

水肥一体化的精准化就是要解决何时灌溉施肥，灌溉施肥的量是多少的问题，但不同作物、不同地区，甚至是同一地区的同种作物在不同年份都会呈现不同的水肥需求。如何精准计量有机肥的施用量，确定追加化学肥料的量，以及灌水的时机和量，成为循环农业水肥一体化精准化发展的绊脚石。此外，近年来研发的水肥一体化设备已实现了一定的智能化，但水肥一体化智能化的实现，还离不开农艺以及循环农业中其他部分的配合。需将循环农业中各部分的智能化整合，以农业循环系统智能化为目标，以实现水肥一体化的智能化。然而目前循环农业中的养殖、沼液生产以及作物数据采集尚停留在自动化层面，严重制约了水肥一体化智能化的发展。

5 对策建议及展望

5.1 优化管路

优化水肥一体化管路的布置，融入自清洗功能，不仅能减少管路中废弃物的堆积，还能防止灌水器堵塞和磨损，延长水肥一体化系统的使用寿命，降低水肥一体化系统的建设成本，促进循环农业的降本增效。

5.2 农机农艺结合

根据不同作物的需水需肥量，定制水肥一体化的决策模型，使肥液在水肥一体化系统“小循环”的作用下被充分利用，大幅降低水肥一体化系统中的残余肥料量。农艺结合在线监测和施肥设备，构建水肥一体化“监测—决策—执行”的闭环系统，根据作物生长状态，确定灌水施肥量以及时机，实现循环农业中水肥一体化的精细化管理。推动水肥一体化设备智能化进程的同时，发展畜牧养殖以及生物肥制取的智能化，共同推进水肥一体化技术和循环农业的智能化发展。

5.3 落地公司配套服务

生产销售水肥一体化设备的公司多为小微企业，企业创新能力不足，生存形式严峻。政府一是可以鼓励创业，对水肥一体化设备公司的创业者给予政策偏向，促使相关企业遍地开花，为水肥一体化技术的推广提供土壤。二是为企业和高校牵线搭桥，促成深度合作，不仅能弥补企业创新能力不够的问题，还能为企业输送人才。三是大力支持企业与村镇签约“一对一服务”，鼓励企业开展生产、销售、安装、调试、改造、售后“一条龙”服务，解决新装备应用的后顾之忧，促进水肥一体化新装备在循环农业中的应用。

5.4 强化农民培训

随着时代不断发展、科技不断进步，农业逐渐机械化、智能化，生产效率大大提高，就要求从事农业生产的农民应具有较高的综合素质，所以我们需要对农业生产者进行相关技术的专业性培训，培养有文化、懂技术的高素质新型农民。发展职业农民，提高农民社会地位、增加农民收入，激发人们从事农业生产的积极性和热情，激发农民敢于应用水肥一体化新技术、新工艺、新装备的信心，以推动水肥一体化在循环农业中的应用。同时为循环农业中水肥一体化技术的精准化和智能化的发展积累人才。