微灌技術(shù)全球?qū)＠暾埣爸攸c(diǎn)技術(shù)分析

孫龍飛，張蕓蕓，張大海，曲 丹，范建會

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304)

節(jié)水灌溉是我國重大戰(zhàn)略舉措，在中央和地方一系列政策的激勵下，中國節(jié)水灌溉產(chǎn)學(xué)研水平不斷提升[1]。微灌是通過管道系統(tǒng)將水運(yùn)送到灌溉地段，利用安裝在末級管道上的灌水器，將作物所需的水以小流量，均勻地直接輸送到作物根部附近土壤的一種灌水技術(shù)，與傳統(tǒng)的地面灌相比，微灌是以較小的流量濕潤作物根部區(qū)域的部分土壤，屬于局部灌溉[2]。

在微灌技術(shù)之中，滲灌技術(shù)出現(xiàn)得最早，隨后出現(xiàn)了滴灌、涌泉灌。我國微灌技術(shù)起步于1974年，國內(nèi)有關(guān)科研單位與大專高校等先后開展了對滴灌理論技術(shù)和設(shè)備的研究，建立了微灌標(biāo)準(zhǔn)體系，其微灌系統(tǒng)由水源工程、首部控制樞紐、輸配水管網(wǎng)、灌水器4部分組成[3]。世界微灌技術(shù)的發(fā)展趨勢中，不同作物的不同增產(chǎn)和節(jié)水效果是各國研究的重點(diǎn)，傳統(tǒng)灌溉與微灌的水分生產(chǎn)效率是研究熱點(diǎn)。目前微灌設(shè)備處于領(lǐng)先地位的仍然是以色列和美國，世界著名的微灌設(shè)備大公司已經(jīng)形成技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠的系列產(chǎn)品，我國微灌設(shè)備企業(yè)主要分布在華中、華北、新疆等地，形成了灌水器、輸水管材、凈化裝置和控制裝置等5大類產(chǎn)品[4]。

本文從專利的角度對微灌技術(shù)發(fā)展的整體情況進(jìn)行分析，并對其重要分支技術(shù)滴灌的發(fā)展情況和發(fā)展路線進(jìn)行了研究，為我國微灌技術(shù)產(chǎn)業(yè)化及專利布局提供參考和支撐。

1 技術(shù)分解

技術(shù)分解是專利分析中的一項(xiàng)基礎(chǔ)而重要的工作，通過查閱文獻(xiàn)和企業(yè)調(diào)研，確定微灌技術(shù)的一級和二級技術(shù)分支，見圖1。

圖1 微灌技術(shù)分解

2 數(shù)據(jù)采集

采用德溫特公司開發(fā)的DWPI數(shù)據(jù)庫以及中國專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫CNABS，檢索起止時(shí)間為1994年1月1日至2015年5月1日，檢索范圍為全球。針對研究領(lǐng)域確定IPC分類號：A01G25/02、A01G25/06、A01G25/00、A01G29/00、A01C23/00、B05B。結(jié)合微灌的技術(shù)細(xì)節(jié)，確定中文關(guān)鍵詞：滴、滲灌、地下、滲管、滲水、滲孔、滲帶、膜、灌、涌、霧灌、微灌、微噴，相應(yīng)地，采用英文關(guān)鍵詞：drip,drop,trickle,emit,hose,tape,capillary,infiltrate,seep,weep,filtrate,percolat,ooze,perforate,porous,fountain,bubble,membrane,layer,drizzle,type,mist,fog,sprinkle,spray,jet,nozzle,inject,dispense,distribute,mini,micro,tiny,ground,soil。在檢索的過程中，利用上述確定的分類號和關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，并去除了可能存在的噪音，確定了最終的檢索式。由于發(fā)明專利通常自申請日起滿18個(gè)月才能公開，PCT申請自申請日起30個(gè)月甚至更長時(shí)間才能進(jìn)入國家階段，因此，統(tǒng)計(jì)樣本中并未完全包括2015年5月1日之前遞交的所有專利申請，2014、2015兩年的專利數(shù)據(jù)僅供參考。

3 全球微灌專利申請分析

3.1 全球申請量發(fā)展趨勢

微灌技術(shù)自20世紀(jì)中期成型以后，其技術(shù)經(jīng)過50多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種技術(shù)比較成熟的灌溉方式。但是隨著人們對微灌技術(shù)節(jié)水、高效、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面不斷提出更高的要求，各主要企業(yè)仍然不斷加大研發(fā)力度，微灌技術(shù)仍然不斷向前發(fā)展。

從圖2的全球申請量發(fā)展趨勢和圖3的技術(shù)生命周期圖可以看出，微灌技術(shù)雖然技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，但隨著新的發(fā)展機(jī)遇的不斷出現(xiàn)，在其技術(shù)生命周期中還是出現(xiàn)了多個(gè)活躍期，1965年之后，其主要可以劃分為以下幾個(gè)階段：

圖2 全球申請量趨勢圖

圖3 技術(shù)生命周期圖

(1)萌芽期(1970年之前)。這一時(shí)期，每年全球?qū)＠麛?shù)量只有幾項(xiàng)，且這些專利集中于美國和歐洲。此時(shí)微灌技術(shù)處于技術(shù)摸索階段，并且技術(shù)起源于歐美。這個(gè)時(shí)期的專利涉及的一級分支有滴灌、滲灌、微噴灌、其他微灌方式和多功能灌溉，對微灌技術(shù)的分類已經(jīng)基本成型。其中，對于滴灌技術(shù)主要針對輸配水管網(wǎng)和灌水器進(jìn)行研究，例如，1969年美國的BLASS申請的USRE29546E等；對于滲灌技術(shù)主要針對裝置、方法、設(shè)備、材料、工藝和輸配水管網(wǎng)進(jìn)行研究，例如，1968年英國的(ICIL)'MPERIAL CHEMICAL INDUSTR申請的GB1290847A等；對于微噴灌技術(shù)主要針對首部樞紐進(jìn)行研究，例如，1965年德國的VLEL申請的DE1782704B2等；對于其他微灌方式主要針對首部樞紐和灌水器進(jìn)行研究；對于多功能灌溉主要針對結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行研究，例如，1968年前蘇聯(lián)的LEKA申請的SU516375A1等。

(2)平穩(wěn)增長期(1971-1992年)。這一時(shí)期的專利申請量平穩(wěn)增長，這是由于微灌技術(shù)經(jīng)過此前幾十年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，20世紀(jì)七八十年代，世界各主要發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)陷入滯脹危機(jī)，固定資產(chǎn)投資放緩，使得大企業(yè)的研發(fā)熱度降低，其研發(fā)主要結(jié)合于生產(chǎn)過程中進(jìn)行，因而，微灌市場呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢。且由于微灌技術(shù)的相對成熟，使得各企業(yè)不得不加大研發(fā)力度，以期開拓市場，提高市場競爭力，因而這一時(shí)期，雖然申請量增長量不大，但事實(shí)上卻是力量的積累和不斷地探索過程。在20世紀(jì)90年代左右，微灌技術(shù)迎來一次技術(shù)上的革新并逐漸成形，且已經(jīng)廣泛分布于歐、美、前蘇聯(lián)等技術(shù)發(fā)達(dá)地區(qū)。

(3)第一次快速增長期(1993-2008年)。隨著經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)和新興市場的快速活躍和發(fā)展，不斷有新的申請人進(jìn)入微灌的研發(fā)領(lǐng)域，使得申請人數(shù)量在這個(gè)時(shí)期持續(xù)增長，市場進(jìn)入活躍期。從1993年到2005年，由于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、新的加工設(shè)備和方法的快速發(fā)展，各大型企業(yè)圍繞采用新的控制和調(diào)節(jié)技術(shù)，提高微灌連續(xù)自動調(diào)節(jié)、優(yōu)化輸配水管網(wǎng)等方面展開研發(fā)，申請了大量相關(guān)專利。而2005年之后，技術(shù)研發(fā)逐漸趨于平穩(wěn)，出現(xiàn)了申請人數(shù)量和申請量持續(xù)下滑的態(tài)勢，技術(shù)和市場趨于降溫。這也與2008年出現(xiàn)的全球金融危機(jī)打擊了新興市場的經(jīng)濟(jì)發(fā)展不無關(guān)系，但申請量的減少并未影響申請人進(jìn)入這一領(lǐng)域的研發(fā)，微灌技術(shù)整體仍然處于上升時(shí)期。

(4)第二次快速增長期(2009年至今)。2009年以后，隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程，很多發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，對水資源的節(jié)約利用引起廣泛關(guān)注，在這一時(shí)期，微灌技術(shù)也迎來了新的發(fā)展機(jī)遇期。全球更多國家投入更多的資金和人力進(jìn)行研究，而且專利保護(hù)意識在全球都有了顯著的提高，使得全球的專利申請量快速增長。另外其他相關(guān)領(lǐng)域，例如加工制造、新型材料、控制技術(shù)等的突破性進(jìn)展，也使得微灌技術(shù)不斷取得技術(shù)上的新突破。在主要技術(shù)強(qiáng)國和企業(yè)重點(diǎn)研究前沿技術(shù)的同時(shí)，很多后起的相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)或科研院所也在不斷探索微灌技術(shù)，從而將微灌技術(shù)的專利申請量推到了一個(gè)新的高度。

3.2 主要申請人的申請量

從圖4的全球主要申請人的申請量來看，其主要有以下3個(gè)特點(diǎn)。

圖4 主要申請人專利申請量

(1)申請量較大的申請人中，國外申請人占比較大，但排名第2-4的申請人全部為國內(nèi)申請人，體現(xiàn)出國內(nèi)對于微灌領(lǐng)域較密切的關(guān)注度和較高的研究熱情，同時(shí)也申請了大量專利，專利布局意識較強(qiáng)。

(2)排名第一的RADU-R申請量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于排名第二的中國科學(xué)院申請量，說明RADU-R占領(lǐng)了大部分關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，專利布局最廣泛，體現(xiàn)出國內(nèi)技術(shù)發(fā)展相比于國外仍然有較大的進(jìn)步空間。

(3)申請量較大的國內(nèi)申請人中，科研院所占比較大，體現(xiàn)了國內(nèi)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)對微灌領(lǐng)域研究的極大興趣，上述院所在國家資助下積極投入，進(jìn)行了大量的專利申請；而申請量較大的國內(nèi)企業(yè)占比很小，體現(xiàn)出國內(nèi)企業(yè)在微灌領(lǐng)域的專利保護(hù)意識不強(qiáng)，企業(yè)整體參與度不高，因此微灌技術(shù)還處于科學(xué)研究為主的階段，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

3.3 全球申請的國家分布情況分析

從圖5的微灌技術(shù)的全球?qū)＠暾埛植紒砜矗渲饕幸韵聝蓚€(gè)特點(diǎn)：

圖5 全球?qū)＠暾垏曳植紙D

(1)主要是技術(shù)研發(fā)力量較強(qiáng)、節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展意識較強(qiáng)的國家申請量較大。例如，中國、美國、俄羅斯、歐洲、日本的申請量較大，充分體現(xiàn)出這些國和地區(qū)對水資源的節(jié)約理念。

(2)新興市場國家擁有較大申請量。新興市場國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別是可持續(xù)的發(fā)展路線，有效地?cái)U(kuò)大了微灌技術(shù)的市場份額，使得各市場主體為了搶占市場，在競爭中保持優(yōu)勢地位，加大了專利申請布局的力度。中國微灌技術(shù)的申請量排在第一位(不包括中國香港、澳門和臺灣地區(qū))，甚至達(dá)到了微灌技術(shù)發(fā)明國美國的申請量的4倍。

總之，微灌技術(shù)的專利布局集中于微灌的技術(shù)強(qiáng)國和近年來微灌市場規(guī)?？焖僭龃蟮闹袊葒液偷貐^(qū)，顯示出微灌產(chǎn)業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的密不可分的關(guān)系。

3.4 全球申請量的地區(qū)分布情況趨勢分析

圖6展示的中國(包括中國香港、澳門和臺灣地區(qū))、美國、歐洲、日韓、俄羅斯、蘇聯(lián)、其他地區(qū)的申請量地區(qū)分布的變化趨勢，餅圖中反映的是整體的申請量分布情況，其顏色與申請量地區(qū)分布構(gòu)成變化趨勢圖的曲線顏色一致。從整體申請量來看，中國在微灌技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，蘇聯(lián)申請量與美國相當(dāng)，俄羅斯、日韓、歐洲申請量占比不高，技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢減弱，中國快速發(fā)展，在很短的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)成為微灌技術(shù)領(lǐng)域的專利大國。

圖6 全球申請量地區(qū)分布構(gòu)成及趨勢圖

從申請量地區(qū)分布的變化趨勢上可以看出，中國的申請量在一定時(shí)期的平穩(wěn)發(fā)展后開始快速發(fā)展的狀態(tài)，這與全球?qū)＠暾埩砍尸F(xiàn)出相同的態(tài)勢，蘇聯(lián)的申請量經(jīng)過一定時(shí)期的快速發(fā)展后迅速減少，這與蘇聯(lián)1991年的解體有直接關(guān)聯(lián)，其他國家和地區(qū)的申請量平穩(wěn)較平穩(wěn)。

1965-1977年，微灌技術(shù)的專利申請量是美國最多、歐洲居于第二位的狀態(tài)，顯示了微灌技術(shù)萌芽時(shí)期，技術(shù)優(yōu)勢掌握在歐美等國家手中。

1977-1989年，蘇聯(lián)專利申請量快速提高，躍居第一位，其大型國有企業(yè)敏銳地把握到技術(shù)發(fā)展的趨勢，樹立了其在微灌領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，促進(jìn)了微灌技術(shù)的快速發(fā)展。

1990-1996年，其他國家和地區(qū)的申請量都在一個(gè)較平穩(wěn)的范圍內(nèi)波動，中國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長，更多的中國企業(yè)開始探索微灌技術(shù)領(lǐng)域，申請量逐漸增多，超過歐洲、日韓、俄羅斯等其他國家和地區(qū)的申請量，基本與美國的申請量持平。

1997-1998年，歐洲、俄羅斯、日韓等國家和地區(qū)的專利申請量都出現(xiàn)下滑，美國的申請量也于1997年開始出現(xiàn)下滑，而中國企業(yè)自身也提高了自身的專利保護(hù)意識，加強(qiáng)了與跨國企業(yè)的技術(shù)競爭，開始重視專利申請和保護(hù)，從而使得中國的專利申請量呈現(xiàn)出持續(xù)增長，超過美國，躍居第一位。

1999年至今，中國由于經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，申請量井噴式增長，申請量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出世界上其他國家和地區(qū)的申請量。這顯示出近年來，中國微灌技術(shù)和市場以及市場主體呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。

3.5 專利申請技術(shù)流向分析

圖7展示出的是專利申請的流向圖，其示出了由歐洲籍、美國籍、中國籍、日韓籍、其他籍申請人所申請的專利布局的國家和地區(qū)，從中可以發(fā)現(xiàn)專利申請人對所進(jìn)行專利布局地區(qū)的市場和技術(shù)競爭的重視程度。從專利申請的技術(shù)流向來看，其呈現(xiàn)出以下3個(gè)特點(diǎn)。

圖7 專利申請流向圖

(1)各個(gè)國家和地區(qū)的專利申請向外進(jìn)行專利布局的專利在其專利申請總量中占比均非常小，大部分局限于在國內(nèi)進(jìn)行布局。

(2)美國、日韓和其他地區(qū)向外的專利布局側(cè)重于歐洲，顯示了市場主體更加注重于歐洲市場，在專利布局上也主要考慮保護(hù)歐洲市場的需要。

(3)中國對外申請專利非常少，中國微灌技術(shù)的專利申請量近年來快速增長，但中國企業(yè)還基本只停留在開發(fā)國內(nèi)市場的層次，沒有與國外大型企業(yè)在其他地區(qū)展開競爭的可能，因而對外申請專利的需求較低，且技術(shù)研發(fā)力量和專利布局戰(zhàn)略也比較薄弱，因而還處于技術(shù)研發(fā)的上升期，需要進(jìn)一步提高自身研發(fā)實(shí)力和競爭思維。

4 重點(diǎn)技術(shù)分析

滴灌是目前世界上最先進(jìn)的節(jié)水灌溉方式之一，滴灌具有節(jié)水、節(jié)肥、省工等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前在我國西北內(nèi)陸、東北四省、兩廣地區(qū)等均已有大規(guī)模應(yīng)用。而隨著我國水資源短缺形勢的不斷加劇，滴灌在我國的推廣面積將越來越大，有著廣泛的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村改革的不斷深入，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件有了新的變化。面對我國農(nóng)業(yè)出現(xiàn)的新形勢，探討如何進(jìn)一步合理發(fā)展滴灌技術(shù)，為促進(jìn)我國節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供一定的技術(shù)支撐，具有重要意義。

圖8示出了滴灌技術(shù)下各技術(shù)主題的申請量，從圖8可知，滴灌領(lǐng)域的研究方向主要涉及以下幾個(gè)方面：灌水器、首次樞紐、結(jié)構(gòu)組成、方法設(shè)備材料工藝、輸配水管網(wǎng)、自動控制、綠化設(shè)施、水源工程、栽培器和盆栽等。其中，灌水器、首部樞紐、結(jié)構(gòu)組成是本領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)，占據(jù)了該技術(shù)領(lǐng)域的大部分申請，其中對灌水器的申請數(shù)量最多并達(dá)到了約1 900 件。此外，關(guān)于滴灌的設(shè)備、方法、材料工藝，以及滴灌自動控制方面也占有相當(dāng)?shù)谋戎?，屬于目前的研究熱點(diǎn)?？梢?，滴灌領(lǐng)域的核心在于灌水器，其在整個(gè)滴灌領(lǐng)域申請量的50%，灌水器技術(shù)決定了滴灌技術(shù)的整體水平，是研發(fā)的重點(diǎn)方向。

圖8 滴灌技術(shù)下各技術(shù)主題的申請量

圖9顯示了滴灌技術(shù)下各技術(shù)主題全球地區(qū)分布。如圖9所示，從全球地域分布來看，中國在各技術(shù)分支的申請量都位居首位，俄羅斯、美國、以色列緊隨其后。其中，中國在一些非常規(guī)的領(lǐng)域也進(jìn)行了相應(yīng)的研發(fā)，例如栽培器、盆栽和綠化設(shè)施等，而國外在這3個(gè)領(lǐng)域卻幾乎沒有申請量，這一方面體現(xiàn)了中國與西方國家之間的文化差異，同時(shí)也說明該領(lǐng)域尚處于起步階段，中國企業(yè)可以重點(diǎn)關(guān)注這些領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域產(chǎn)品的生產(chǎn)地、銷售地提前進(jìn)行專利布局，為“走出去”做好知識產(chǎn)權(quán)方面的準(zhǔn)備。

圖9 滴灌技術(shù)下各技術(shù)主題全球地區(qū)分布

圖10顯示了中國專利申請中，滴灌技術(shù)領(lǐng)域各技術(shù)主題的占比情況，從圖10可以看出，與全球?qū)＠擃I(lǐng)域的技術(shù)主題占比類似，中國專利申請中，灌水器、結(jié)構(gòu)組成和首部樞紐各占據(jù)了大部分的申請比例，灌水器仍然是中國申請人主要的研發(fā)重點(diǎn)，自動控制、滴灌方法、滴灌材料和輸配水管網(wǎng)也具有相應(yīng)的比較，其他技術(shù)主題則占比較少。

圖10 中國專利申請中滴灌技術(shù)領(lǐng)域各技術(shù)主題的占比情況

5 結(jié) 論

本文從專利申請出發(fā)，分析了全球微灌技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，并對其中滴灌技術(shù)發(fā)展情況和技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行研究。通過對比國內(nèi)外專利申請的數(shù)量和技術(shù)分支，發(fā)現(xiàn)我國的微灌專利申請還存在申請量分散、對外申請量少等問題，導(dǎo)致我國雖然已是專利申請大國，但并非是專利技術(shù)強(qiáng)國。未來，我國微灌專利申請量仍將保持一段時(shí)期內(nèi)的高速增長，我國企業(yè)要在競爭中突出重圍，就要不斷尋求技術(shù)突破，提高專利申請質(zhì)量，比如加強(qiáng)與大公司的技術(shù)合作，重視專利權(quán)的保護(hù)和維持，開發(fā)擁有更多自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品來提高競爭力，通過對技術(shù)的引進(jìn)吸收以及和對專利的交叉許可，吸收國外大型跨國公司研發(fā)技術(shù)和專利的基礎(chǔ)上，從技術(shù)上進(jìn)而從產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)微灌技術(shù)的本土化和國產(chǎn)化，對于我國微灌企業(yè)打破國外大型跨國公司的技術(shù)優(yōu)勢地位，提高市場競爭力至關(guān)重要。此外，抗堵、環(huán)保、智能控制與技術(shù)集成等仍是國際微灌界研究和關(guān)注的重點(diǎn)，因此，我國微灌領(lǐng)域研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)致力于從水力學(xué)角度研究生物堵塞、化學(xué)堵塞、物理堵塞的原因，提出抗堵塞性灌水器設(shè)計(jì)原理和方法，從結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝技術(shù)等方面研究，開發(fā)具有高抗堵塞性的灌水器，逐漸解決微灌系統(tǒng)的堵塞問題。