收稿日期：2020-07-08；网络首发时间：2021-01-26
网络首发地址：knski/kcms/detail/11.5020.TV.20210125.1559.003.html油页岩灰渣
基金项目：国家重点研发计划课题（2016YFC0403102，2016YFC0400102，2017YFC0403206）；中国水利水电科学研究院团队建
设与人才培养项目（ID0145B602017）
作者简介：吴文勇（1977-），博士，教授级高级工程师，主要从事灌溉原理与技术研究。E-mail ：文章编号：1672-3031（2021）01-0081-09 中国水利水电科学研究院学报
吴文勇，龚时宏，李久生，白美健，王建东，栗岩峰，赵伟霞，章少辉
（中国水利水电科学研究院水利所，北京100048）
摘要：我国一般年份农业缺水约300亿m 3，农业水肥利用率主要指标相当于国际先进水平的60%~70%，农业缺水和面源污染问题日益突出，严重影响国家粮食安全和生态安全。本文综述了创新团队在现代灌溉水肥调控原理、技术与模式等方面所开展的研究工作进展。通过多年的研究，发展了现代灌溉施肥变量调控理论方法，提出了精量滴灌水肥高效调控技术、变量喷灌水肥高效调控技术、精细地面灌溉水肥高效调控技术等关键技术，构建了东北粮食主产区覆膜滴灌水肥精量调控技术模式、华北地下水超采区灌溉水肥高效调控技术模式和西北干旱区滴灌水肥盐协同调控技术模式，节水、增产和节肥效益十分显著。 关键词：现代灌溉；水肥调控；高效利用；滴灌；喷灌；地面灌；应用模式
中图分类号：S275文献标识码：A doi ：10.13244/jki.jiwhr.202001221研究背景
我国是农业大国，灌溉面积位居世界第一，以6%的水资源、9%的耕地养活了全世界21%的人口，灌溉农业生产了75%的粮食和90%的经济作物。农业用水占总用水量的比例在60%以上，一般年份缺水300亿m 3，农业低效用水导致地表水过度开发、地下水超采、肥料严重淋失且水肥效率低下等突出问题，农业水肥利用率主要指标仅相当于国际先进水平的60%~70%。大力发展节水灌溉成为贯彻落实“节水优先”治水方针、实现高质量发展和生态文明的重大战略举措。喷灌、微灌和精细地面灌溉作为现代灌溉技术的主要形式，在我国的应用已有四十余年历史，尤其近10余年间，在持续增加的财政
投入和土地流转政策的直接推动下，现代灌溉技术进入快速发展时期，2018年全国水利发展统计公报数据显示［1］，我国节水灌溉工程面积达36125千hm 2，占耕地灌溉面积的53%，其中喷灌和微灌面积11338千hm 2，微灌面积世界排名第一，喷灌面积世界排名第三（CNCID ，2016）［2］。随着节水灌溉面积的快速增加，我国灌溉工程装备不断提升与管理水平相对滞后的矛盾日益凸显，水肥利用率低以及由此引发的农田生态环境问题也日趋严重。我国是化肥使用大国，2018年全国农用化肥施用量（折纯量）5653万t ，农作物亩均化肥施用量21.9kg ，是美国的2.6倍，欧盟的2.5倍［3］。面对现代灌溉农业集约化和精量化的发展趋势，深入研究现代灌溉水肥调控原理，突破农田水肥管理中的关键技术难题，是进一步提升我国灌溉技术应用水平、推动农业生产方式转变的关键举措。
国内外学者在农业灌溉水肥高效利用方面开展了大量研究工作，针对地面灌溉水肥高效利用，国内外学者重点开展了施肥性能评价指标［4］，不同灌溉施肥管理下土壤中肥料运移规律
［5-8］，地面灌溉水流溶质运动模拟模型构建［9-12］等方面的工作。与均匀撒施肥料畦灌相比，液施肥料畦灌易于控制肥料溶液浓度和施肥时机，降低了由于水流运动携带效应造成的田块尾部肥料堆积，可有效提高化肥利用效率。自滴灌技术商业化以来，我国通过不断的实践与创新，逐步实现了关键设备的国产化和系列化，研究解决了系统设计和运行管理中出现的一大批关键问题，形成多个符合我国国情又具
有明显地域特的微灌技术应用模式，取得了显著的节水增产效果［13-14］。近年来，随着集约化农业的发展，微灌技术在世界范围内的发展面临一些新的问题，开展微灌系统优化设计、水肥精量调控机理及新型设备研制等方面的研究对滴灌推广及可持续发展具有重要意义。利用喷灌系统进行施肥的设想始于1950年代，大型喷灌机较高的灌水均匀度为喷灌施肥灌溉管理提供了保证［15］。但是一方面因为喷灌机较大的单机控制面积内不可避免的存在土壤理化性质的空间变异，增大了水肥管理的复杂程度，另一方面因为喷灌全覆盖的喷洒形式被认为是另一种形式的撒施［16］，且喷灌过程中存在肥液的蒸挥移损失、冠层截留损失和氨挥发损失［17］，所以喷灌施肥是否节肥，以及喷灌施肥后潜在的叶片灼伤和产量降低风险疑虑极大限制了喷灌施肥灌溉技术的发展。作为区别于滴灌技术实现水肥一体化的优势，喷灌施肥后植物根系与叶片的双重吸肥作用提高了肥料的利用效率［18］，奠定了水肥一体化技术的理论基础。研究喷灌过程中水肥损失机理，作物不同生长阶段适宜的肥液喷洒浓度及提高肥料利用效率的喷灌施肥模式，是促进喷灌施肥灌溉技术良性发展的关键。
创新团队围绕现代灌溉水肥调控原理与技术开展深入的研究，系统揭示了现代灌溉系统水肥变量调控机理，创新研发了滴灌、喷灌、精细地面灌等现代灌溉精量高效水肥调控技术与产品，提出了面向东北粮食主产区、华北地下水超采区、西北干旱区等区域的现代灌溉水肥调控技术应用模式，推动我国水肥一体化技术创新与规模化应用。本文对创新团队在水肥调控方面取得的主要成果进行综述。
2现代灌溉系统水肥调控机理与方法
射击标靶2.1灌溉管网系统水动力学模拟方法准确合理地模拟管道输配水系统中水流运动过程是实现水肥协同调控的基础。管道水流中有压-无压交替变化的明满流运动过程是管道输配水系统水动力学模拟的难题。基于Preissmann窄缝法原理，采用守恒型Saint-Venant方程组，在交错空间离散单元格上，借助高斯-赛德尔迭代法解算该时空离散式，建立了基于全隐式标量耗散有限体积法的明满流耦合模拟模型［19］，实现了无条件稳定的明满流模拟，主要创新是对水动力连续性方程的如下重新表述，
∂ξ∂t+u ∂ξ
∂s=0，且u=
z
b
B
∂Q
∂ξ（1）
式中：t为时间坐标，s；s为空间坐标，m；Q为通过任意断面的过流量，m3/s；B对明渠而言是自由水面宽度，对管道而言是Preissmann窄缝宽度，m；ξ=z b+h为渠/管道内的水位（自由水位或测压管水头）相对高程，且z b为渠/管底相对高程，h为渠/管内的水深/水压，m。
借助标准的室内物理模型观测数据和野外原型观测数据，与基于显式向量耗散有限体积法相比，明满流耦合模拟模型具有类似的模拟精度，但水量平衡误差降低了近一个量级（由以往的近1%降低到了0.1%以下），且计算效率提高了约5.5倍；与四点偏心有限差分法相比，模拟精度显著提高，水量平衡误差值降低了两个量级，有效克服了无法统一模拟精度和效率的缺陷，为管道灌溉系统水肥迁移模拟调控奠定了方法基础。
多媒体操作系统2.2灌溉施肥变量调控理论方法灌溉水通过管网输配到田间后，通过灌溉首部施肥装置将肥料溶液注入水中以实现水肥一体化，水肥协同过程和空间变异性是影响灌溉施肥均匀度和水肥利用效率的关键因素，本研究实现了现代灌溉施肥系统变量调控方法，突破了从定量施肥向变量施肥转变的理论瓶颈。发展了畦田施肥灌溉地表水流溶质运动理论，改进与完善了基于经典双曲单一问题和显式有限体积法建立的地表水溶质运动模拟模型及其数值模拟方法，构建了基于双曲-抛物型守恒-非守恒全水动力学方程和全隐式有限体积法的地面灌溉模拟模型和畦田液施肥料灌溉地表水流溶质运动全耦合模型；提出了非均匀撒施肥料畦灌方法，克服了均匀撒施肥料畦灌下由于水流运动携带导致的灌后地表水流中肥料在畦田尾部堆积的缺陷［20］。定量表征了长期滴灌条件下土壤水肥空间变异规律和分形特征［
21］，阐明了施肥时机、施肥频率对水肥利用效率的影响机制和优化注肥方法［22-24］，揭示了覆膜滴灌水肥调控影响机制和节水增产机理［25］。提出了基于测土配方技术［26］和土壤水分传感器网络［27-29］的变量水肥调控方法，并基于喷灌后作物冠层截留对叶片灼伤风险的影响，提出了作物冠层
肥液截留量估算模型［30］，通过田间试验探究了尿素喷施浓度对叶片光系统活性和光化学能力、产量和氮肥利用率的影响机理［31］，提出了不同作物生长阶段需要施肥浓度变量调控的方法。
3灌溉水肥精量高效调控关键技术
3.1精量滴灌水肥高效调控技术
pvc再生颗粒
3.1.1覆膜滴灌系统水肥高效调控技术覆膜滴灌将农艺节水与工程技术节水有机结合，能够有效保持表层土壤温度，增加土壤积温，减少土壤水分蒸发，提高作物产量及水分利用效率。东北黑土地区是我国重要的粮食产区。针对覆膜滴灌水肥调控措施和节水增产机理开展了系列研究，结合hy⁃draus模型和DNDC模型模拟确定了东北典型区膜下滴灌氮肥施用量和生育期施用比例，量化了最优施肥制度下，覆膜滴灌模式下农田蒸发蒸腾量变化特征，并结合产量形成的光合生理基础揭示了覆膜滴灌节水增产机理［32-33］。综合考虑玉米产量、水分利用效率（WUE）和氮淋失，哈尔滨地区膜下滴灌玉米适宜的施氮量为230kg/hm2，氮肥分两次、在拔节期和抽穗期按6∶4比例施入，能促进玉米氮素吸
收，降低氮素淋失的风险。与地表滴灌相比，覆膜滴灌蒸发量减少30%~50%的同时蒸腾量却增加6%~9%，ET总量略有降低。研究还发现冠层下方净辐射下降32%~36%和冠层吸收净辐射上升10%~15%与E的减少和T的增加密切相关，揭示了能量平衡因子与作物耗水间的互馈响应机制［34］。揭示了玉米覆膜滴灌下蒸腾作用、光合能力、叶片生理性状对产量影响的变化规律，可综合提高作物产量6%~9%和作物水分利用效率11%~13%［35］。
图1春玉米光合参数（光合能力A max和最大羧化速率V c max）与产量的关系图
3.1.2规模化滴灌系统水肥盐协同调控技术随着集约化农业发展，单体滴灌工程控制面积呈现增加趋势，系统水力偏差、地形偏差等引起的灌水施肥不均匀性问题凸显，研究规模化滴灌系统的水肥时空
分布规律和尺度效应是提高水肥利用率的基础工作。研究表明，灌溉季节早期，各轮灌组水量分布均匀度普遍低于80%，肥料分布均匀度较水量分布均匀度低约10%；随着轮灌组控制面积和距首部枢纽距离的增加均匀度逐渐降低。毛管压力偏差是灌溉季节早期影响水量分布的主要因素，影响权重达到0.41~0.71，随着滴灌系统灌水和施肥次数的增加，在灌溉季节末期，灌水器堵塞是影响滴灌系统水量分布的主要因素，影响权重为0.44~0.62。为提升规模化滴灌系统水肥分布均匀性，提出了毛管双向供水模式，可显著降低毛管压力偏差率和流量偏差率，并提升毛管极限铺设长度（图2）。灌水器允许流量偏差率为20%情况下，双向供水方式毛管极限铺设长度较单向供水提升约60%，灌
图2不同毛管首部压力条件下灌水器流量偏差率随毛管长度增加变化
水和施肥均匀性分别较单向供水方式提高了1%~9%和1%~8%（p ＜0.05）［36］
。
干旱地区滴灌规模化发展以及不合理的水肥管理措施存在加剧土壤盐渍化的风险，在新疆阿拉尔地区的田间试验表明，不同滴灌水质（地下水G ∶1.27g/l ，微咸水S ∶3.0g/l ）、灌水量（75%ETc ，100%ET c ，125%ET c ）及施肥量（195kg/hm 2，255kg/hm 2，315kg/hm 2）对棉花根区土壤盐分累积、作物生长及产量具有显著影响，微咸水灌溉显著增加了根区土壤盐分累积，较高的灌水施肥量能够降低
根区土壤盐分累积、提高作物吸氮量及干物质增加量。综合考虑棉花产量、水分生产率以及土壤盐分含量，地下水和微咸水滴灌适宜的水肥组合均为高灌水量和中等施肥量（125%ET c 和255kg/hm 2）［37］。
3.1.3滴灌水肥精量高效调控设备与产品滴灌设备性能是影响灌溉施肥均匀性的重要制约因素，本研究发明了等截面流道过滤器、自动反冲洗旋流过滤器等高效过滤器，揭示了其流道结构参数、污染物负荷与水力学损失的相互关系，提高了过滤效率，降低了灌溉系统运行的能耗成本，提出了砂石过滤器高效去除悬浮性总固体的不均匀系数（UC ）阈值为2.0。系统研究了文丘里施肥器不同结构参数对吸肥性能的影响规律（图3），提出了喉管进口与出口比值λ为1.27、进口与吸肥口比例为1/3~1/2时吸肥效率最高
［38-40］。研发了集恒压、过滤、注肥、控制于一体的智能灌溉施肥机，建立了基于EC 、pH 控制的变量注肥算法和作物需肥数据库，实现了根据作物类型和生育阶段进行注肥的变量灌溉施肥模式。（a ）λ=1.00（b ）λ=1.25（c ）λ=1.27（d ）λ=1.33（e ）λ=1.50（f ）λ=1.59（g ）λ=1.67（h ）λ=2.00-0.06-0.020.02x
-0.06-0.020.02x -0.06-0.020.02x -0.06-0.020.02x -0.06-0.020.02x -0.06-0.020.02
x -0.06-0.020.02x
-0.06-0.020.02x 0.03
0.01
-0.01y 0.030.01-0.01y 0.030.01-0.01y 0.030.01-0.01y
0.030.01-0.01y 0.030.01-0.01y 0.030.01-0.01y 0.030.01-0.01y 图3文丘里施肥器8种喉管流线分布图
3.2变量喷灌水肥调控技术在大型喷灌机控制面积内，由土壤、坡度、地形等非生物因素和植物病、虫害等生物因素导致作物生产潜力和水肥需求存在明显的空间变异性，采用均一定量灌溉施肥易产生水氮淋失等环境问题。为了进一步提高喷灌水肥利用效率，研发了具有自主知识产权的圆形喷灌机机载
式红外温度传感器系统，并发明了红外温度传感器沿喷灌机桁架方向的优化布设密度和布设方法［41］，研究了不同土壤性质管理区内冠层温度的差异，提出了制定变量灌溉动态分区图最优
的冠层温度获取时间［42］。结果表明，夏玉米生育期内，11∶00—17∶00时冠层温度变化较小且管理区
间冠层温度的差异较大，为运行喷灌机机载式红外温度传感器系统，获取冠层温度空间分布的最佳测量时间。但为了避免该时间段内大气温度变化对冠层温度的影响（图4），在绘制变量灌溉动态分区图和处方图时，需将冠层温度进行时间尺度转化，统一至每日冠层温度最大值发生时间13∶00。
为了充分发挥喷灌施肥时的叶片吸肥功能，提高肥料利用率，通过在玉米大喇叭口期使用不同
（a ）11∶00-12∶48
（b ）13∶00-14∶48（c ）15∶00-16∶48
图4一天内不同时间段获取的冠层温度等值线图
的尿素浓度进行喷灌水肥一体化追施，研究了夏玉米生理生态指标和产量的响应特征［18］。研究发现，追施尿素后叶片相对叶绿素含量（SPAD）增加，但不同尿素喷施浓度处理的夏玉米株高、SPAD 无显著差异，尿素喷施浓度对叶面积指数、光系统活性、光化学效率和产量的影响具有较大的年际变化特征。叶片SPAD含量较高时，喷施尿素后叶片光系统活性和光化学效率呈先减小后增大规律，且尿素喷施浓度≤0.146%处理的抑制作用仅发生在施肥后1d，尿素喷施浓度≥0.178%处理的抑制作用持续至施肥后3~5d；SPAD含量较低时，与地面灌溉、尿素撒施处理（CK）相同，喷施尿素后所有处理的光系统活性和光化学效率均呈先增大后稳定规律。施氮量小于等于CK的处理产量和水分利用效率无显著差异，但氮肥偏生产力显著增加，证明了喷灌施肥灌溉的可行性及其节肥、增产潜力。3.3精细地面灌水肥调控技术地面灌溉最显著的特点是以田面作为水流运动载体，故灌水过程可控性差。基于不同的田块规格和入畦流量所开展的撒施和液施畦灌下水肥运移规律研究表明，撒施肥料畦灌时，灌后土壤中肥浓度增量空间分布与水流推进到各测点时水流中肥浓度空间分布具有较高的相关性，而与灌水量空间分布之间不相关，液施下土壤中肥浓度增量空间分布与地表水流中肥浓度空间分布基本不相关，但与灌水量空间分布高度相关，表明采用液施肥料灌溉方式更易于实现土壤水肥同步均布的目的，应采用非均匀撒施措施改善灌溉水流中肥的分布均匀性，从而提高土壤中施肥均匀性［43］。
三基荧光粉
针对撒施和液施肥料畦灌的水肥运移规律，构建了畦灌撒施和液施条件下地表水流溶质运移模型，模拟分析了各施肥灌溉技术要素对施肥性能的影响［44-45］，选用施氮分布均匀性UCC N和施氮效率E
作为精细地面灌溉施肥性能评价指标，确定出畦田撒施和液施肥料灌溉技术要素优化组合方案及aN
空间区域。畦灌下肥料非均匀撒施程度和畦面微地形对施肥性能影响最为显著，条畦在线形、扇形和角形入流形式下的最佳非均匀撒施系数U SN值分别为0.5、0.7和1.1，而窄畦和宽畦各入流形式下分别为1.0、1.1和1.3以及1.1、1.2和1.5，且S d>3cm后的施肥性能明显变差。液施肥料畦灌下施肥时机和畦面微地形对施肥性能影响最为显著，条畦各入流形式以及窄畦和宽畦线形入流下的最佳施肥时机均为前半程液施灌溉，而窄畦和宽畦扇形和角形入流下却是全程液施灌溉，且S d>3cm后的施肥性能明显变差。在有效改善畦面微地形空间分布状况、提升田面平整精度基础上，选用最佳非均匀撒施系数值可有效提高撒施肥料畦灌下施肥性能，利用前半程或全程肥料液施灌溉方式可有效提高
拉纸笔
图5线形入流最佳非均匀撒施系数下畦田撒施肥料灌溉技术要素优化组合空间区域
图6线形入流前半程液施下畦田液施肥料灌溉技术要素优化组合空间区域
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议