水肥一體化技術在農業循環經濟中的應用研究

吳江虹

（江蘇農林職業技術學院，江蘇 句容 212400）

1 農業循環經濟研究概況

1.1 農業循環經濟內涵

農業循環經濟是相對于傳統農業發展提出的一種新的發展模式，運用可持續發展思想、循環經濟理論及生態工程學方法，結合生態學、生態經濟學、生態技術學，在保護農業生態環境和充分利用高新技術的基礎上，調整和優化農業生態系統內部結構及產業結構，提高農業生態系統物質和能量的多級循環利用，嚴格控制外部有害物質的投入和農業廢棄物的產生。循環農業是以資源有效循環利用為主要特點的農業發展方式，其目的是實現節能減排、節約資源、保護環境和可持續發展[1]，原則是減量化、再利用和資源化[2]，重點是建立一種改變傳統農業模式的環境友好型、綠色低碳循環經濟系統，實現自然資源、生物多樣性、水土資源、化學物質等環境要素的協調發展。

1.2 國外農業循環經濟的發展

國外農業循環經濟最早可以追溯到1909 年有機農業的興起，當時美國農業管理局局長King 在考察了中國農業后寫成了《四千年的農民》一書，指出中國農業長盛不衰的秘密在于以有機肥還田培肥地力，提高土地利用率[3]。英國植物病理學家Albert 深受其影響，進一步總結和研究中國傳統農業經驗，并于20 世紀30 年代倡導發展有機農業[4]。受東方農業啟發，美國的Rodale 研究所在1942 年開始出版《有機園藝和農作》刊物，并在自己的農場實踐“有機農業”。1974 年澳大利亞Mollison 和Holmgren 融合東亞傳統農耕文化和澳洲原住民生活經驗的科學方法，基于照顧地球、照顧人類、分配盈余的三重核心理論，提出了樸門永續農業[5]。1981 年英國農學家Worthington 定義生態農業為“生態上能自我維持,低輸入,經濟上有生命力,在環境、倫理和審美方面可接受的小型農業”[6]。隨后30 多年,各國圍繞循環農業，在理論和生產實踐方面進行了大量研究,循環農業的發展呈不可阻擋之勢席卷全球，分別形成了具有各國農業特色的5 種循環農業模式。一是以美國為代表的“精準農業”發展模式[7]，依據自身在信息化和數據化統計的高精尖技術優勢，運用RS 農業遙感技術、GIS 地理信息系統以及GPS 全球衛星定位系統，將土地劃分成若干操作單元,對每個操作單元的土壤和各項作物進行精準的管理,并且通過優化,最大限度地減少使用農藥、化肥等外部農業投入,充分利用水、種子等資源,保護農業生態環境,獲取高產量、高經濟效益。二是以德國為代表的“綠色能源農業”發展模式[8]，通過一定的技術手段從農作物中提取礦物能源和化工原料替代品，從而實現農產品的循環再利用。比如德國科學家先后從馬鈴薯、玉米、菊芋、甜菜和油菜中制取出甲烷、乙醇等“綠色能源”，從羽扇豆植物中獲取了生物堿，從油菜籽中提取了可有效代替礦物柴油的植物柴油。三是以日本為代表的“環保型農業”發展模式[9]，將農用廢棄物經過處理，重新變成可利用資源，再次回歸到農業生產過程中，這種模式可以有效防止水土流失、環境失衡等問題。四是以英國為代表的“永久型農業”發展模式[10]，盡量降低人為因素對土地資源的破壞力，盡量不使用人造化肥和各種殺蟲劑，而是通過種植多樣性的植物促進生態鏈的互相牽制，實現有害物質的環保性捕殺，達到整個生態系統的平衡。五是以以色列為代表的“節水型農業”發展模式[11]，大力推進滴灌、噴灌等灌溉技術，發展水肥一體化以提高灌溉水的利用率；收集雨水以二次循環利用，為全球在水資源的開源節流方面做出了表率。

1.3 我國農業循環經濟的發展

我國循環農業的概念最早出現在春秋時期，勤勞的華夏民族早就懂得用地養地的道理，包括物理殺蟲、人工除草等做法也已經出現。近現代，隨著我國農業的發展，國家也越來越重視循環農業的建立。早在20 世紀80 年代，葉謙吉[12]、許滌新[13]、吳灼年[14]等一批中國學者先后提出了中國農業要走“生態循環農業”之路。隨后各級政府和研究機構陸續開展生態循環農業相關的試點研究和經驗總結。90 年代農業部在全國分2 期開展了120 個生態循環農業試點縣建設，各地開展的生態循環農業試點已超過1 000個。2014 年農業農村部農業生態與資源保護總站進一步組織開展了13 個生態循環農業區域示范基地建設，并對全國上百個典型生態農場開展了調查，并于2018 年總結出版了《中國生態農場案例調查報告》[15]。2021 年《“十四五”全國農業綠色發展規劃》由農業農村部等6 部門聯合印發[16]，這表明我國農業發展向生態循環農業轉型的決心，為進入生態循環農業時代的我國農業和農村的可持續發展提供了頂層設計。近年來，隨著我國農業技術的不斷完善和農業經濟水平的不斷發展以及政府部門和老百姓生態保護意識越來越高，我國循環農業發展也在奮起直追，探索出多種農業循環模式[17]，如北方“四位一體”模式、南方“豬—沼—果”模式、平原農林牧復合模式、草地生態恢復與持續利用模式、畜牧業生態生產模式、生態種植模式、生態漁業模式、丘陵區小流域綜治模式、設施生態農業模式、觀光農業模式等。通過近年來反復實踐中的延伸和發展，形成了越來越多適宜地方特色的生態循環農業模式。

我國循環農業呈綜合性、多樣性、高效性、持續性的特點[18]。通過農業循環體系的建設，可以根據農業發展要求，合理配置農業生產過程的基本要素，減少農業生產過程的支出，有助于實現水、資金、化肥、農藥等各種資源合理配置，避免資源的浪費和環境污染。水肥一體化作為一種高效利用水肥的技術，在我國循環農業的建設中起到重要作用。

2 水肥一體化技術概況

水肥一體化是將灌溉與施肥融為一體的先進灌溉技術，其核心是根據土壤特性和作物生長規律，利用灌溉施肥裝置同時把水分和養分均勻、準確、定時定量地供應給作物[19]。水肥一體化技術相比于傳統灌溉施肥方式，灌溉水利用率提高了40%~60%，肥料利用率提高了30%~50%[20]。此外它還具有省工省力、增產高效、改善土壤質量、減少因肥料流失導致的面源污染等優點[21]。水肥一體化系統主要由水源工程、過濾裝置、管道系統、灌水器和施肥裝置等組成。根據灌水器分類，我國常見的水肥一體化系統主要有滴灌、噴灌和微噴灌[22-24]。其中滴灌適用于果樹、蔬菜、經濟作物以及溫室大棚灌溉，在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。噴灌適用于根系淺，需水量大的作物，如水稻、小麥、花卉等作物。微噴灌適用于栽培密度大、植株柔軟細嫩的作物，如棚栽葉菜類蔬菜、蔥、姜、蒜等。

施肥裝置是實現水肥一體化的核心裝置之一，灌溉施肥質量的好壞很大程度上取決于施肥裝置的性能優劣。目前常用的施肥裝置包括壓差式施肥罐、文丘里施肥器、比例施肥泵和水肥一體機等。壓差式施肥罐主要由施肥罐、調壓閥及進、出管組成[25]，其工作原理是利用進、出管之間的壓力差，通過水流不斷置換施肥罐內的肥液到灌溉管網中。壓差施肥罐結構簡單，生產成本低廉，移動方便，無需外加動力提供裝置。但施肥過程濃度不均勻,易受水壓影響。文丘里施肥器是基于文丘里管設計的自吸肥設備[26]，文丘里管中部漸縮，水流經文丘里管時會在喉部產生壓差，從而將液態肥從喉部吸入管網中，其施肥過程肥液濃度均勻, 無需外部動力，但水頭壓力損失大。比例施肥泵是一種利用管道系統水動力驅動活塞往復運動[27]，從而向管道定比例注肥的先進水肥一體化施肥裝置，具有施肥精度高、運行穩定、安裝簡單、注肥比例可調等優點，但吸肥流量小，施肥面積有限。施肥機自動控制技術與文丘里、比例施肥泵等注入設備高度集成的產物[28]，濃度、流量控制精確，可自動化灌溉施肥，但成本高,對操作人員要求高。

水肥一體化技術由于其優越的節水節肥性能，成為農業循環系統構建的重要指導技術。水肥一體化設備，特別是施肥機，由于灌水施肥量精準可調以及高度集成的自動化控制技術，推動著循環農業向著精準化、無人化、智能化發展。

3 水肥一體化技術在農業循環經濟中的應用

3.1 循環農業中的水肥一體化技術

21 世紀以來，我國水肥一體化技術快速發展，推廣應用越來越深入。浙江省海寧市藍莓小鎮在藍莓種植過程中應用生態循環技術，非常重視生產過程中的施肥管理，定期采集土壤樣品，監測土壤質量，并且按照土壤肥分情況通過精確定量施肥和水肥一體化技術來控制施肥量，以減少土壤和肥料的流失與浪費[29]。黔南州大力推廣種養結合的循環農業發展模式，建設智能水肥一體化監控系統，根據系統采集的土壤、水肥、氣象等數據，結合種植的農作物情況制定水肥灌溉方案，并通過系統將水肥施用方案實施到作物田地[30]。五豐泰連平農業生態園發展“豬—沼—肥—田”循環農業模式，將養殖產生的沼液處理后儲存，通過水肥一體化設施噴灑于田間種植的水稻、玉米和蔬菜等作物，減少化肥施用的同時增強了土壤活力[31]。劉瓊峰等[32]在種植業與草食畜牧業相結合的循環農業模式，將牲畜產生的固體廢棄物進行無害化處理，生產出優質有機肥，再通過水肥一體化管道輸送到蔬菜地、果園等種植系統。梁家河“‘果—沼—畜’水肥一體化”示范園中結合灌溉基礎設施、互聯網、物聯網和氣候墑情監測站[33]，建立了66.67 hm2水肥一體化示范工程。中央智慧灌溉控制系統綜合分析處理蘋果園的實時監測數據，結合預設的水肥一體化灌溉技術方案，智能推送一套最佳的水肥一體化灌溉技術方案。通過推行智慧灌溉，做到了精準灌溉、科學施肥，實現了節水、節肥、省工及保護生態環境的目的。徐磊等[34]以隆化縣武烈河流域七家茅荊壩片區為對象進行分析，提出了現代循環農業節水節肥項目工程設計方案，強調了滴灌水肥一體化系統構建對于循環農業的重要性。水肥一體化技術已成為農業循環經濟中不可或缺的重要一環，促進了多種特色的循環農業發展新模式的應用。

3.2 水肥一體化在循環農業應用中取得的成效

廣西省積極搭建農業科技平臺，加強高效生態循環農業領域科技創新，加快農業科技成果轉化和應用步伐，全面提升農業科技應用水平，促進了廣西高效生態循環農業快速發展，在香蕉、芒果、蔬菜、西瓜等優勢農作物上推廣應用水肥一體化，面積達1.13 萬hm2[35]。山東省淄博市建立南部山地農林農業區、中部城郊休閑農業區和北部平原糧食農業區3大循環農業功能區，通過配套建設微灌設施，將施肥和灌溉同步進行、一體化管理，全市范圍內示范推廣水肥一體化技術，有效減少了14.64%的化肥用量，提高了肥料利用率，為農業綠色發展奠定了基礎[36]。海南屯昌縣以合理循環利用廢棄物澆灌農作物為導向，建設水肥一體化基地95 個，通過政府扶持和補貼，大力推進建設“主體小循環、片區中循環、區域大循環”為重點的生態循環農業的發展模式[37]。百色市西林縣正和牧業生態養殖產業園通過尾水處理利用技術將生豬養殖中的廢棄物處理成肥料水，再通過管道輸送到田間，現已鋪設超過6 000 m 的水肥一體化輸送管道，供應周邊4 個村屯約66.67 hm2水果種植園的灌溉施肥，成功開啟了全縣的生態循環農業模式[38]。水肥一體化技術在循環農業示范區中大展身手，推廣面積大、供應范圍廣，有效地降低了肥料施用量，節水節肥、降本增效效果明顯。

4 問題與挑戰

4.1 新裝備應用滯后

雖然現有農業循環系統中不斷強調水肥一體化技術的重要性，但更側重的是生物肥料處理的研究。水肥一體化技術在循環農業中的應用主要是通過管道直接將沼液輸送到田間，或在灌溉系統末端利用滴灌帶將肥料輸送到作物根部，實現了種植環節中廢棄物的循環利用。然而有機肥的施用量無法滿足作物生長所需，因此需要在作物生長過程中追加化學肥料?；瘜W肥料的水肥一體化需要利用施肥設備完成，現有農業循環系統追加化肥的方式較傳統，主要將固體肥溶解成液體，或直接將液體肥注入到管道中，對于近些年來飛速發展的智能施肥機等新裝備的應用很少。

4.2 水肥一體化系統的“小循環”研究缺失

循環農業的研究集中在因地制宜的發展各式種養模式，最大化利用各環節所產生的資源，形成“養殖—沼液—種植—養殖”的閉環，這是農業循環的“大循環”。然而在循環農業的水肥一體化系統，特別是滴灌系統中，為確保作物充足的養分，進入灌溉系統的水肥或營養液往往多于需求量。雖然多余的水肥會再次進入水肥一體化系統進行循環，但在不斷的循環中易在管路中產生廢棄物的堆積。另外整個施肥過程結束后剩余的肥液不僅會造成浪費，長時間還會導致肥液儲存罐腐蝕和產生水藻，影響下次施肥。如何使水肥一體化系統產生“小循環”，從而合理利用剩余水肥，是循環農業中水肥一體化技術應用急需解決的問題。

4.3 推廣力度不足

雖然各地紛紛涌現出循環農業的代表性模式，但因其覆蓋種養等多方面，導致國內的循環農業大多還是集中在農場等試點。而水肥一體化作為循環農業的重要一環，同樣受到影響，尚未大面積的推廣到村鎮。此外，水肥一體化新工藝、新技術、新裝備等由于研發成本高，尚未形成成熟的產業鏈，配套服務更是跟不上，導致應用成本高，也嚴重制約了水肥一體化的高新技術在循環農業中的推廣。

4.4 精準化和智能化亟需發展

水肥一體化的精準化就是要解決何時灌溉施肥，灌溉施肥的量是多少的問題，但不同作物、不同地區，甚至是同一地區的同種作物在不同年份都會呈現不同的水肥需求。如何精準計量有機肥的施用量，確定追加化學肥料的量，以及灌水的時機和量，成為循環農業水肥一體化精準化發展的絆腳石。此外，近年來研發的水肥一體化設備已實現了一定的智能化，但水肥一體化智能化的實現，還離不開農藝以及循環農業中其他部分的配合。需將循環農業中各部分的智能化整合，以農業循環系統智能化為目標，以實現水肥一體化的智能化。然而目前循環農業中的養殖、沼液生產以及作物數據采集尚停留在自動化層面，嚴重制約了水肥一體化智能化的發展。

5 對策建議及展望

5.1 優化管路

優化水肥一體化管路的布置，融入自清洗功能，不僅能減少管路中廢棄物的堆積，還能防止灌水器堵塞和磨損，延長水肥一體化系統的使用壽命，降低水肥一體化系統的建設成本，促進循環農業的降本增效。

5.2 農機農藝結合

根據不同作物的需水需肥量，定制水肥一體化的決策模型，使肥液在水肥一體化系統“小循環”的作用下被充分利用，大幅降低水肥一體化系統中的殘余肥料量。農藝結合在線監測和施肥設備，構建水肥一體化“監測—決策—執行”的閉環系統，根據作物生長狀態，確定灌水施肥量以及時機，實現循環農業中水肥一體化的精細化管理。推動水肥一體化設備智能化進程的同時，發展畜牧養殖以及生物肥制取的智能化，共同推進水肥一體化技術和循環農業的智能化發展。

5.3 落地公司配套服務

生產銷售水肥一體化設備的公司多為小微企業，企業創新能力不足，生存形式嚴峻。政府一是可以鼓勵創業，對水肥一體化設備公司的創業者給予政策偏向，促使相關企業遍地開花，為水肥一體化技術的推廣提供土壤。二是為企業和高校牽線搭橋，促成深度合作，不僅能彌補企業創新能力不夠的問題，還能為企業輸送人才。三是大力支持企業與村鎮簽約“一對一服務”，鼓勵企業開展生產、銷售、安裝、調試、改造、售后“一條龍”服務，解決新裝備應用的后顧之憂，促進水肥一體化新裝備在循環農業中的應用。

5.4 強化農民培訓

隨著時代不斷發展、科技不斷進步，農業逐漸機械化、智能化，生產效率大大提高，就要求從事農業生產的農民應具有較高的綜合素質，所以我們需要對農業生產者進行相關技術的專業性培訓，培養有文化、懂技術的高素質新型農民。發展職業農民，提高農民社會地位、增加農民收入，激發人們從事農業生產的積極性和熱情，激發農民敢于應用水肥一體化新技術、新工藝、新裝備的信心，以推動水肥一體化在循環農業中的應用。同時為循環農業中水肥一體化技術的精準化和智能化的發展積累人才。