水肥一体化研究与应用

水肥一体化研究与应用内容提要一、基本概念二、基本原理三、目的意义四、技术要求五、技术路线一、水肥一体化技术的概念利用低压管道系统，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律，将肥料溶液注入灌溉输水管道，通过灌水器将液体肥料均匀、定时、定量直接提供给作物叶片或根区。具有节水，节肥，省劳力；同时改善土壤理化性状，提高了土地利用率，提高单位面积产量。通常的方法：1、将肥料溶解后施用，包含淋施、浇施、喷施、管道施用等。2、与灌溉同时进行的施肥，将肥料的溶于灌溉水，通过低压管道灌水器，将肥液直接提供给作物。由于滴灌施用延长了施肥时间，效果最好，最节省肥料。二、基本原理（一）植物吸收养分的过程1、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，最后被吸收。2、质流植物在阳光下叶片气孔张开，产生蒸腾作用，导致水分损失，通过根系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。因此，肥料溶解后才能被植物吸收，不溶解的肥料不能利用。将灌溉和施肥同时进行，肥料得到充分溶解，施入土壤的肥料被充分吸收，肥料利用率大幅提高。（二）作物施肥的规律1、养分归还学说作物产量的形成有40%~80%的养分来自土壤，为保证土壤有足够的养分，必须通过施肥措施来实现。通过施肥，可以把作物吸收的养分“归还”土壤，确保土壤能力。2、最小养分律作物生长发育需要吸收各种养分，但存在限制作物产量的土壤中相对含量最小的养分因素，即使增加其他养分，作物产量也难以提高。只有提供作物所缺的各种养分，作物才会高产。3、同等重要律对作物来讲，不论大量元素或微量元素，都是同样重要缺一不可的，即缺少某一种微量元素，尽管它的需要量很少，仍会影响某种生理功能而导致减产，不能因为需要量少而忽略。4、不可代替律作物需要的各营养元素，在作物内都有一定功效，相互之间不能替代。如缺磷不能氮代替，缺钾不能用氮、磷配合代替。缺少什么营养元素，就必须施用含有该元素的肥料进行补充。5、报酬递减律当施肥量超过适量时，作物产量与施肥量之间的关系就不再是同步增减模式，而呈抛物线模式了，单位施肥量的增产会呈递减趋势。6、因子作用律作物产量是由影响作物生长发育诸因子综合作用的结果。施肥作为主导限制因子，必须与其他农业措施相配合，才能发挥应有的功能；同时，各种养分之间的合理平衡作用，才能发挥应有的功能。三、目的意义1、节肥。水肥一体化技术可平衡施肥和集中施肥，减少了肥料挥发和流失，供肥及时、作物易于吸收、提高肥料利用率。与传统技术施肥相比节省化肥30%~50%。能灵活、方便、准确地控制施肥时间和数量。通过滴灌系统施肥，可节肥至少20%，减少病害，可节省农药投入，一般增产10~30%。2、节水。水肥一体化技术可减少水分的下渗和蒸发，提高水分利用率。在露地栽培条件下，与大水漫灌相比，节水率达50%左右。保护地栽培条件下，与畦灌相比，节水率为30%~40%。3、改善生态环境。水肥一体化技术可降低棚内空气湿度8.5~15个百分点。提高棚内温度2~4℃，提高地温2~3℃，改善土壤物理性质，减少土壤养分淋失。提高灌溉水利用率达到80%以上，施氮肥当季利用率达60%，与地面灌溉相比，节水30%~50%，节肥25%~30%，减少了水向深层的渗漏，减轻了面源污染和对地下水的污染。4、减轻病虫害发生。空气湿度的降低，在很大程度上抑制了作物病害的发生，减少了农药的投入，每亩农药用量减少15%~30%，节省劳力15~20个。5、增加产量，改善品质。水肥一体化技术可促进作物产量提高和产品质量的改善，设施栽培增产17%~28%。增产增收。四、水肥一体化技术要求（一）建立一套灌水系统根据地形、田块、单元、土壤质地、作物种植方式、水源特点等基本情况，设计管道系统的埋设深度、长度、灌区面积等。水肥一体化的灌水方式可采用管道灌溉、喷灌、微喷灌、泵加压滴灌、重力滴灌、渗灌、小管出流等，以双上孔软管滴灌较为实用。1、双上孔滴灌优点（1）供水均衡且节约用水目前设施蔬菜生产上，供水方法一般是沟灌、畦面浇灌和喷灌，用水量大且水量不易控制。采用软管滴灌方式，水直接滴在根际土壤，浇水量可人为控制，减少了土壤水分渗漏及表土水分流失，节约灌溉用水，对砂性土壤和盐碱土壤尤为重要,试验表明：采用软管滴灌比沟灌节水70%左右，而且灌水均衡。（2）降低湿度且减轻病害软管滴灌水量易控制，土壤水分蒸发少，降低了棚内空气湿度，控制了病害的发生程度。黄瓜大棚栽培试验表明：采用双上孔软管滴灌方式，大棚空气湿度在65％-75％，清晨无雾气，黄瓜叶缘无水珠，没有霜霉病发生，整个生育期仅喷预防药4次。而对照沟灌大棚清晨多雾气，叶缘水珠多并形成水膜，2月下旬~4月上旬伴有白粉病、霜霉病发生，全生育期喷药14次，亩增加成本42元。番茄大棚栽培试验表明：空气相对湿度（3月20日下午2时测定湿度）分别是73%（软管滴灌大棚）和80%（沟灌大棚），同样，沟灌大棚前期早疫病和叶霉病明显增多，用药次数也明显增加。（3）改善环境且促进生长软管滴灌灌水均匀度达80%~90%以上，经实验表明：软管滴灌比沟灌土壤溶重降低0.08g／cm³-0.15g／cm³，孔隙度增加0.44％-2.53％，表层土壤中盐分积累少。由于土壤物理性状好，黄瓜根系横纵向伸展度比对照各长6.4厘米和10.2厘米，根毛数量明显多于对照，黄瓜长势好。由于供水量得到有效控制，在冬季棚室黄瓜栽培中，10cm地温比沟灌提高2℃，气温提高1.5℃。棚室番茄栽培中：早春（3月20日）下午2时测定，5cm处地温分别是18.2℃（软管滴灌）和15.3℃（沟灌），大棚内气温分别是21.7℃（软管滴灌）和19.5℃（沟灌）。（4）性能可靠且操作方便双上孔软管滴灌有良好的抗堵性能，对水质无特别要求，水中杂质粘度不超过0.8mg即可。在灌溉时，只须开关阀门，就能完成浇水作业，操作方便，工效高。一般软管滴灌方式比对照节省用工约20个，大大减轻劳动强度。2、滴灌系统的组成（1）水源工程：根据各地水源情况设计灌溉面积，一般情况微灌每次灌水定额为8-20m3/亩左右。（2）首部枢纽：包括水泵、过滤器、施肥器、水表、压力表、进排气阀和控制设备等。（3）田间管网和滴灌管线各级主支管道，各种口径的管道压力控制阀门，排污设备和管道排水装置。田间滴灌管线及专用接头，压力测定装置。滴灌系统组成示意（1）水泵（2）压力传感器（3）排气阀（4）主阀（5）施肥系统（6）调节阀（7）压力表（8）过滤器（9）流量表（10）主管（11）小区阀（12）支管（13）滴灌带（14）支管连接件（15）管件（16）自动控制系统3、滴灌带滴灌带一般采用抗老化塑料配方制成PE软管，机械打孔，产品结实耐用，一般可使用3年以上。该产品投资少、工作压力低（1～5米水头）、抗堵塞性能好、对水源要求低、安装使用方便，喷洒水冲击力小，灌水均匀、不伤害作物，体积小、重量轻，移动储藏方便。管径一般为28mm，其上出水孔0.6～0.8mm，出水分开向上，微灌范围大，滴灌带工作压力为30～60kPa。吸水口四周用40目以上纱网围成过滤装置。滴灌带技术参数名称规格折径×单层厚度mm工作压力kPa每卷长度m喷水孔类型微喷带N45×0.210-30200双孔或异步孔主管N80×0.450-80100无孔三通Φ50×25×50四通Φ50×25×50×25滴灌带说明：1、孔纵向间距在100-400mm之间；2、孔横向间距在10-30mm之间3、孔径为0.8mm4、N45使用压力1~5m水柱（不超过50kpa-5m水柱），每米流量：双孔11.2—20.7升/时米，使用长度：（qv=10%）双孔≤60米。4、滴灌带安装水泵与主管相连，主管再用三通或四通与喷灌带相连。主管和喷灌带与接头连接时，先把管子的口用手拉伸扩大孔口，便可安装。提水泵可选用175QJ32-65B型水泵5、灌水制度的确定根据土壤有效含水量、作物不同生育期需水量确定灌水定额。（1）不同作物种类需水不同①吸水力中等，水分消耗较大：黄瓜、白菜及绿叶蔬菜。②吸水力强，水分消耗中等：西瓜、甜瓜。③吸水力中等，水分消耗中等：茄果类、豆类等。④吸水力中等，水分消耗小：葱蒜类。（2）不同生育期需水不同黄瓜不同生育期水分要求生育期土壤水分负压PF灌水要点出苗期2.0~2.3水分充足出苗后2.5适当控水定苗期1.7保持土壤湿润茎叶生长期2.1~2.2灌水量不宜过大结果期1.7~2.3需充足水分，勤灌水结果后期2.5适当控水（3）不同土壤条件的含水量（4）水分控制方法①水分控制田间试验，盆栽试验，模拟试验②需水量确定作物种类、品种、生育时期土壤质地和耕作层深度作物有害水分点土壤最适含水量③灌水指标确定形态指标土壤含水量（绝对含水量、相对含水量、土壤水分负压）生理指标（组织吸水力、细胞渗透压、气孔开放程度）（二）建立一套施肥系统根据水源、地形、种植面积、作物种类，选择不同的微灌施肥系统。保护地栽培、露地瓜菜种植、大田经济作物栽培一般选择滴灌施肥系统，施肥装置保护地一般选择文丘里施肥器、压差式施肥罐、注肥泵或选择自动灌溉施肥系统。在田间要设计为定量施肥，包括蓄水池和混肥池的位置、容量、出口、施肥管道、分配器阀门、水泵肥泵等。同时，以养分归还学说、最小养分律、同等重要律、不可代替律、报酬递减律和因子作用律等为理论依据，以确定没养分的施肥总量和配比为主要内容。为了补充发挥肥料的最大增产效益，施肥必须以选用良种、肥水管理、种植密度、耕作制度和气候变化等影响肥效的诸因素结合，形成一套完整的施肥技术体系。1、施肥设备选择（1）压差式施肥罐由两根细管（旁通管）与主管道相连接，在主管道上两条细管接点之间设置一个节制阀（球阀或闸阀）以产生一个较小的压力差（1～2m水压），使一部分水流流入施肥罐，进水管直达罐底，水溶解罐中肥料后，肥料溶液由另一根细管进入主管道，将肥料带到作物根区。（2）文丘里施肥器文丘里施肥器与微灌系统或灌区入口处的供水管控制阀门并联安装，使用时将控制阀门关小，造成控制阀门前后有一定的压差，使水流经过安装文丘里施肥器的支管，利用水流通过文丘里管产生的真空吸力，将肥料溶液从敞口的肥料桶中均匀吸入管道系统进行施肥。文丘里施肥器造价低廉，使用方便，施肥浓度稳定，无须外加动力等特点，其缺点是压力损失较大，一般适于灌区面积不大的场合。薄壁多孔管微灌系统的工作压力较低，可以采用文丘里施肥器。（3）施肥机灌溉施肥机，可配置计算机控制系统，能按照用户的要求精确控制施肥和灌溉水量。能将水与肥料在混合器中混合配制成作物生长所需的营养液，通过用户设定的灌溉施肥程序，适时适量地供给作物。尤其适用于无土栽培。2、施肥制度的确定根据种植作物的需肥规律、地块的肥力水平及目标产量确定总施肥量、氮磷钾比例及底、追肥的比例。作底肥的肥料在整地前施入，追肥则按照不同作物生长期的需肥特性，确定其次数和数量。实施微灌施肥技术可使肥料利用率提高40%-50%，故微灌施肥量为常规施肥的50%-60%。各地根据蔬菜种类，依据氮素营养需求规律和氮素营养关键需求时期，以及灌溉管理措施来确定优化追肥次数。一般情况下，推荐追肥次数见下表，每次推荐氮肥（N）量控制在2-7kg/亩。3、施肥罐施肥时间确定（1）电导率法：测定施肥时流出液的电导率的变化确定施肥罐肥的施肥时间。将某种肥料倒入罐内约1/3容积，称重，记录入水口压力表读数，用电导率仪测量流出液的电导率，记录施肥开始的时间。施肥过程中每隔3分钟测量一次，直到电导率值与入水口灌溉水的电导率值相等，此时表明罐内无肥，记录结束的时间。开始与结束的时间差即为参考的施肥时间。（2）试剂法：利用钾离子与铵离子能与2%的四苯硼钠形成白色沉淀来判断。做法同电导率法相似。试验肥料可用硝酸钾、氯化钾、硝酸铵等含钾或铵的肥料。记录开始施肥的时间。每次用50ml的烧杯取肥液3～5ml，滴入1滴四苯硼钠溶液，摇匀，开始施肥时变白色沉淀，以后随浓度越来越稀而无反应。开始与结