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文章目录
前言
一、什么是水肥一体化
1. 水肥一体的优势
2. 水肥一体的缺点
二、工作原理
三、与灌溉系统的兼容性
1. 地面灌溉
2. 滴灌
3. 喷灌和微喷灌
四、落地关键因素
1. 溶解度
2. 兼容性
3. 酸度
4. 渗透压
5. 吸附性
总结
前言
水肥一体化是一种在农业中现代广泛应用的实践，能够使种植者高效同时完成施肥和灌溉，从而节省时间、资源和人力。水肥一体化系统结合了定制化和创新的卫星软件，能够精确定位可变施肥（VRF）的应用。最有效的水肥一体化系统通常基于滴灌技术，这种方式不仅降低了投入成本，还能将养分管道直接到作物的根区。该技术适用于各种规模的养殖场企业，有大型水肥一体化系统，也有适合小型养殖场的系统，控制方式可以是手动或另，满足不同的需求。
一、什么是水肥一体化
水肥一体化是一种通过灌溉系统将肥料液体管道直接到植物上的农业技术。与传统的施肥方法相比，水肥一体化在农业中具有更高的效率。它不仅能减少肥料浪费，降低土地污染，还能显着提高作物产量，成为农民和环境的双赢选择。
这项技术与精准农业理念相契合，允许农业生产者只在该地方进行施肥，从而节省成本。通过自动化系统，农民可以方便地调节养分的施肥用量和时间表，以确保作物获得适时、短暂的营养支持。
水肥一体化中最常使用的溶解肥料包括硫酸铵、尿素硝酸铵、硫酸钙、一些硫代硫酸铵、氯化钾、硫酸钾、硫酸钾、磷酸和硫酸等。除提供适当的营养外，肥料还能起到酸化土壤和改善性状的作用。例如，硫代硫酸铵中的硫杀菌剂参与了石灰溶解并转化为磷酸化的过程，从而有利于改善土壤结构。
1. 水肥一体的优势
液态营养物本身就是灌溉施肥的诸多好处之一。由于植物在处理后可以很快吸收液态肥料，因此它们既容易获取又有效。水肥一体化技术通过精准的养分施用，提高作物产量、质量和均匀性。其主要优势包括：
- 施肥与作物需求相匹配；
- 优化用水量；
- 减少肥料用量，降低成本；
- 通过减少化学品的使用，减少环境污染；
- 防止因季节性强或水资源过量导致肥料流失；
- 解决水土流失问题；
- 促进根系的快速生长；
- 对土壤保持和产生积极影响；
- 降低晶体密度；
- 简化并自动化施肥过程。
2. 水肥一体的缺点
尽管水肥一体化在作物生长和养分控制方面有许多好处，但也存在一些需要考虑的缺点：
- 该系统通常需要昂贵的设备组件，如泵、喷射器、水箱和控制器，才能保证正常运行。
- 灌溉系统需要定期维护和保养，如清洁和检查设备。
- 水肥一体化的成败取决于灌溉系统的效率。如果系统设计或操作不当，作物可能得不到足够的水和养分。
- 如果营养成分不平衡或系统调节不当，可能会导致过量施肥，对作物造成伤害甚至死亡。
- 在电力匮乏或供应不稳定的地区，水肥一体化的实施可能面临困难。
- 与许多其他农业技术一样，是否使用精准灌溉通常取决于种植面积。对于小型农户，灌溉技术可能无法实现成本效益；但对于大型农业企业，水肥一体化几乎总是具有成本效益。灌溉系统是快速发展农业企业的理想选择。
二、工作原理
水肥一体化技术是将水溶性肥料通过精准灌溉系统喷洒到作物上。通常，农户通过喷射器和压力控制阀实现这一过程。大多数水肥一体化系统配备了传感器来监测 pH 值和电导率，从而确定田地所需的施肥量，农户可以根据这些数据设置喷射器，确保系统精准施肥。
水肥一体化系统有多种类型，农户可以根据规模、管理方式和应用策略进行选择。
- 应用规模
水肥一体化系统有多种尺寸和配置，适用于不同的农业应用。大型农业企业通常使用大型水肥一体化系统，统一改良土壤，以提高作物产量。对于较小农场或温室，农户通常选择小型水肥一体化系统。在这些区域，田块面积通常在 0.1 到 1 英亩之间，农户通过滴灌系统为作物提供水分和养分。
- 管理方式
水肥一体化控制系统可以手动或自动操作。在小规模种植中，农户通常手动混合肥料溶液，手动测量、配制和混合每一批肥料。而自动水肥一体化系统通过集成在灌溉系统中的计时器，确保作物在不同生长阶段得到适量的水分和养分，农户无需花费大量时间和精力手动管理。
- 施肥过程
在选择施肥方法时，作物类型、土壤条件和耕作方式都会影响决策。借助自动化技术，农户可以获得必要的数据和工具，实施最佳施肥方法。以下是常见的四种施肥方法：
- 连续施肥：从灌溉开始到结束，肥料以均匀的速率施用，不论水流量如何变化，肥料剂量保持稳定。
- 三阶段施肥：灌溉开始时不施肥，待土壤吸收足够水分后，农户启动肥料注入，并在灌溉结束前停止，然后肥料残留可在最后的灌溉过程中被冲洗干净。
- 按比例施肥：肥料注入速率与供水量直接挂钩。例如，每千升灌溉水中注入一升溶液。这种方法简单易行，适合在水分需求高的生长时期同步补充营养。
- 定量施肥：每个灌溉区根据具体需求接收特定剂量的营养液，例如，A 区接收 20 升，B 区接收 40 升。这种方法容易自动化操作，让农户能够精准控制养分的分配。
三、与灌溉系统的兼容性
由于肥料是液体，它的输送和分布与润湿模式密切相关。换句话说，养分会到达水所能渗透的区域。地面灌溉、滴灌和喷灌都是农户将肥料输送给作物的有效方法，每种方法各有优点。
1. 地面灌溉
地面灌溉是最常见的水饱和灌溉方式，适用于90%的灌溉土地。然而，这种方法的水利用效率较低，只有30-70%的水能到达作物的活跃根区，因此并不总是农户的最优选择。
一般来说，水肥一体化系统较少与地面灌溉结合使用，因为肥料通过特定渠道以规定量供给。系统设备包括带有阀门或开口的储液器，用于液体或固体肥料。系统的操作复杂程度因设备而异，从手动到全自动不等。
地面灌溉的肥料利用率不高，尤其是在有尾水或渗漏的情况下，氮肥的流失尤为显著。然而，农户常表示，即使有养分流失，高产量的回报依然能弥补成本投入。该方法适用于零坡度或涌流灌溉区域。
2. 滴灌
滴灌是农户常用的加压灌溉技术之一。利用压力梯度将水和养分通过管道和喷射器系统直接输送到作物的根区。滴灌系统是作物种植中最为高效的灌溉方式之一，因为它能够：
- 将养分精准输送到根区，优化水肥利用效率；
- 所需压力较低，能耗小；
- 允许多种自动化设置，降低管理负担。
通常，滴灌的润湿模式呈椭圆或半球形，位于土壤表面或滴头水平面之下。水分及养分主要集中在滴头周围和下方区域。农户可根据作物的需求调节水平扩散的水量，水量的扩散取决于土壤特性、灌溉速率和时间长短。
3. 喷灌和微喷灌
喷灌施肥是另一种常见的加压养分输送方式。农户通过喷灌器将水和养分均匀分布在作物冠层中。虽然喷灌的精确性不及滴灌，但它更适合大面积的农田。然而，喷灌系统施用的高强度肥料可能会带来一定的风险，比如冠层烧伤和设备金属部件生锈。
微喷灌是另一种利用低压喷头的技术，适合中小型作物的浇灌和施肥。如果管理得当，农户可以通过此技术为作物提供高效的水肥供应。
选择哪种灌溉方式取决于作物大小和类型、地形和土壤肥力、可用预算及其他资源。农户应根据实际条件选择最适合的灌溉方式，以实现水肥的高效利用。
四、落地关键因素
如前所述，水肥一体化通过灌溉系统输送液体肥料，但仅仅添加肥料并不足够。农户需要考虑一些关键因素，包括溶解度、相容性、酸度和盐度（渗透压）等。
1. 溶解度
首先，农户选择肥料时需根据其溶解度进行判断。合适的肥料选择应包括：
- 固体肥料，能够在水中充分溶解；
- 已经溶解好的液体肥料。
不同肥料的溶解能力各不相同，溶解速度和程度与水温密切相关。因此，农户需要考虑当前田地的温度，确保肥料在该温度下能够完全溶解。此外，季节变化也会影响溶解度，例如春季与夏季的溶解情况不同。
某些肥料在高浓度下加入硬水或温度较低时（如寒冷季节或夜晚）可能会从溶液中沉淀出来。这在提前制备并储存肥料溶液时尤为重要。常见的沉淀物包括磷酸一铵、磷酸尿素和磷酸，而硝酸铵、硝酸钾、尿素和磷酸铵则是速溶型水溶性肥料。
通常，水温越高，肥料的溶解度越高。例如，硝酸铵在 32°F（0°C） 和 86°F（30°C）时溶解度从 1183 克/升增加到 2420 克/升，溶解度上升两倍多。这意味着在相同水量中可以溶解更多的养分。
不过，还有另一个关键因素需农户注意。灌溉系统中的溶液可以是吸热的或放热的，溶解过程中溶液的温度可能会降低或升高。通常，氮基肥料在溶解时会从水中吸收热量，因此溶液温度会下降，导致制备时间延长，溶液温度较低，肥料浓度也相应降低。下表列出了一些合成肥料化合物的溶解度（g/L）与温度的关系，这对于智能灌溉施肥技术至关重要。
表1 合成肥料化合物的溶解度（g/L）与温度的关系
2. 兼容性
当农户需要将灌溉施肥系统的多个组件整合时，必须确保它们兼容。混合肥料的基本原则是避免因化学反应导致沉淀或降低溶解度。基本规则如下：
- 如果可能发生不良反应，农户应准备单独的溶液并将其存储在不同的容器中。
- 不要将磷或硫与钙混合。
- 不要将螯合物加入非螯合物中。
- 螯合物应与酸隔离，因为它们在酸性环境下会分解。
3. 酸度
溶液的酸度可能会导致腐蚀，从而损坏金属容器和灌溉系统部件。酸碱性通过 pH 值来衡量，过高或过低都不理想。酸性溶液具有较高的腐蚀性，而碱性液体则有引发沉淀的风险。氯化物基化肥料也因其强腐蚀性而受到农户的关注。
肥料可以影响溶液的 pH 值，例如：
- 磷酸二铵的 pH 值比磷酸一铵更高。
- 硝酸在较低浓度下也能显著降低溶液的 pH 值。
此外，农户还需要考虑土壤对灌溉施肥的反应。氯化钾或硫酸钾通常产生中性反应，而硝酸钙或硝酸钾则呈碱性。硝酸铵、尿素、硫酸铵、磷酸一铵和磷酸二铵产生酸性反应，其中磷酸的施用会使土壤的酸度最高。
4. 渗透压
灌溉水通常含有一定量的盐分，加入含盐肥料后，盐分含量会进一步增加，这与渗透压密切相关。负渗透势会让作物根部吸收水分变得困难，导致产量下降。即使土壤中有水分，作物也可能因渗透胁迫而无法吸收，因为水分会从盐分较低的区域流向盐分较高的区域。
农户需要注意，肥料的渗透压应尽可能低，以减少对作物的胁迫。通常，电导率是衡量肥料盐度潜力的指标，农户可以计算电导率和 pH 值，并进行对比。不同肥料在溶液中的渗透压各不相同。例如，硫酸铵在溶液中产生的渗透压比硝酸铵高。
表2 肥料溶液特性
5. 吸附性
养分的类型及其与土壤颗粒的吸附能力也是影响养分分布的重要因素。例如，硝酸盐和硫酸盐不会吸附到土壤颗粒上，而钾和磷则会。特别是磷容易与钙或铝结合，而带正电的钾会与带负电的黏土反应。
总结
农作物在不同的生长阶段所需的养分量各不相同。农户若过早或过晚施肥，养分可能因流失或挥发而被浪费，特别是硝酸盐，容易从土壤中流失。至于磷，虽然它也会流失，但在很多情况下，农户通常会在种植前施用约 50% 的磷肥。
水肥一体化技术帮助农户在适当的时间和适量地为作物提供养分，被认为是最有效的施肥方法。通过增加根区水肥一体化的频率，可以增强土壤对养分的吸收能力，促进作物产量增长。同时，这种方法还能刺激根系快速生长，增加土壤表层的根系密度。
此外，农户及时施用少量肥料可以降低成本，避免因盐分过高或肥料盐析引起的土壤盐化问题。使用滴灌等技术还能防止土壤压实，因为这种方法不需要使用重型机械来翻动土壤，从而更有效地为作物提供养分。
根据作物在不同阶段的需求，农户可以制定养分管理策略，按日、周或月进行灌溉施肥。在作物需要养分之前稍微提前施肥，有助于保证作物的顺利生长。通常，最密集的灌溉施肥期应集中在作物的生长期，而在收获阶段则应减少或停止施肥。通过跟踪每周的生长进度，农户可以更合理地安排灌溉施肥的活动。
