滴灌技術(shù)在玉米生產(chǎn)上的應用研究進展

中化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（寧夏）有限公司 劉文輝

目前，滴灌技術(shù)在玉米生產(chǎn)上被廣泛應用，滴灌技術(shù)具有在玉米全過程滴灌中不破壞原有土壤結(jié)構(gòu)，且對土壤內(nèi)部溫、光、水、氣、肥狀態(tài)影響小等優(yōu)勢，同時，具有不產(chǎn)生地表徑流、水分蒸發(fā)損失量少、土壤縱向深層滲透少等特點。滴灌玉米受環(huán)境的影響較少，可以按照施肥方案隨時隨地補充水肥，極大地提高了水肥利用率及人均生產(chǎn)率。近年，滴灌技術(shù)快速發(fā)展，逐漸實現(xiàn)了自動化、智能化。

一、滴灌技術(shù)

（一）滴灌技術(shù)的概念

滴灌是一種比較節(jié)水的灌溉形式，是按照作物需水、需肥規(guī)律，通過管道系統(tǒng)與設計在毛管上的滴水器，將水分和肥料均勻而又緩慢地滴入作物根系土壤中的技術(shù)。在玉米全生育期中，滴灌技術(shù)具有不破壞原有土壤結(jié)構(gòu)且對土壤內(nèi)部溫、光、水、氣、肥狀態(tài)影響小等優(yōu)勢。滴灌可以保持適宜作物良好生長的狀態(tài)，不產(chǎn)生地表徑流，而且蒸發(fā)損失量少，幾乎沒有土壤縱向的深層擴散滲透，是一種高效節(jié)水的灌溉方式。滴灌具有諸多優(yōu)勢，其最大的特點是節(jié)水高效，每次灌水量少，每個出水孔緩慢一滴一滴出水，減少了地表徑流及地下過度滲透等缺點。滴灌可以隨時補水進肥，不受天氣和地形影響。近年，隨著智能化和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，滴灌還可以進行大面積自動化控制等。

（二）滴灌技術(shù)的應用場景

目前，國內(nèi)滴灌技術(shù)的應用場景呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢。最初從以色列等農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家引進，在農(nóng)業(yè)研究院（所）率先落地開展試驗并推廣實踐。最先應用在一些園林綠化領域，尤其是一些干旱地區(qū)的綠化工程上。隨著需求的不斷增加及各地區(qū)水資源的日益枯竭，滴灌技術(shù)逐漸向經(jīng)濟作物發(fā)展。隨著國家糧食增產(chǎn)、農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展以及“藏糧于地、藏糧于技”等要求，糧食作物如玉米也開始大面積推廣滴灌技術(shù)，使可利用耕地面積增加，尤其在西北干旱地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅等多個省份率先開展。應用滴灌技術(shù)使人們具有對抗不良環(huán)境的能力，可以隨時隨地進行滴水進肥。在滴灌技術(shù)的基礎上，水肥一體化、精準水肥、超大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田、智慧農(nóng)場等逐漸有序開展。

二、滴灌技術(shù)國內(nèi)外應用研究綜述

（一）國外應用研究進展

常見的玉米滴灌方式有地面滴灌、地下滴灌及覆膜滴灌等。在滴灌技術(shù)研究方面，以色列的地面滴灌技術(shù)比較先進，美國的滴灌技術(shù)在落地應用方面比較領先，澳大利亞等國家在灌水器研究方面比較突出，這些國家在滴灌技術(shù)研究應用方面占據(jù)主導地位。20世紀60年代，以色列研制出了壓力滴灌系統(tǒng)，滴灌技術(shù)逐漸成為一種新興的灌溉方式，迅速被各國應用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設中。20 世紀70 年代，Bernstein 和Francois 對比了滴灌、噴灌、溝灌三種灌溉措施下辣椒的產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)當用微咸水灌溉時，溝灌、噴灌與滴灌相比，分別減產(chǎn)13%與59%。20 世紀80 年代后期，印度學者研究發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)量不變的前提下應用滴灌處理，較溝灌處理節(jié)水84.7%。20 世紀30 年代，荷蘭、英國開始研究溫室滴灌技術(shù)，之后，滴灌技術(shù)開始應用到溫室花卉與蔬菜上，顯著提高了產(chǎn)量和水分利用效率。20 世紀中葉，以色列為了提高滴灌的灌水均勻度研制了長流道滴頭，該成果對滴灌技術(shù)的發(fā)展起到了顯著的促進作用。20 世紀60 年代后期，以色列又進行了大量滴灌灌水器滴頭的研究，其他國家也緊隨其后，使滴灌技術(shù)得到了長足發(fā)展。目前，滴灌技術(shù)已經(jīng)成為世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中一項不可或缺的基礎構(gòu)成技術(shù)，并朝著智能化、精準化的方向快速發(fā)展。

（二）國內(nèi)應用研究進展

20 世紀70 年代后，我國開始引進滴灌技術(shù)，到21 世紀初迅速發(fā)展。我國2003—2013 年滴灌面積增加了13倍，從27萬hm2擴展到了390萬hm2。20世紀90 年代后，我國滴灌技術(shù)無論是在灌水器原理上，還是在關(guān)鍵工藝設備技術(shù)上都有了比較長足的進步。近20 年，全世界滴灌技術(shù)應用落地面積高速增長，平均每年增加33%，在此背景下，我國相關(guān)研究人員在學習國外先進理論知識的同時，不斷把理論應用到實踐中深化改革，促進了我國滴灌系統(tǒng)技術(shù)高速發(fā)展。最近10 年，由于我國現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)及高標準農(nóng)田的建設和發(fā)展，滴灌玉米面積迅速增長（主要以淺埋滴灌和覆膜滴灌為主）。近5 年，我國滴灌技術(shù)借助互聯(lián)網(wǎng)及智能化技術(shù)快速發(fā)展迭代出現(xiàn)多元化現(xiàn)象，自動化、無人化、精準化、大規(guī)模化等快速成為發(fā)展勢頭。

三、滴灌技術(shù)在玉米生產(chǎn)上的應用研究

目前，滴灌技術(shù)在玉米上的應用研究十分廣泛，但是主要集中在高效節(jié)水、密植高產(chǎn)、水肥一體化、精準水肥等方面（如圖1所示）。

圖1 滴灌技術(shù)在玉米生產(chǎn)上的應用研究概況

（一）玉米滴灌高效節(jié)水技術(shù)

滴灌玉米技術(shù)的一個典型特征就是節(jié)水，可以達到減水但不減產(chǎn)的效果，主要原因是滴灌技術(shù)的超高水分利用率優(yōu)勢，其可以在20 cm 耕層處形成類似橢球狀的濕潤區(qū)域，剛好包裹玉米根系區(qū)域，水分橫向運動增加，減少了水分縱向下滲。相較于漫灌等其他方式，滴灌幾乎沒有地表徑流，極大地減少了水分地表蒸發(fā)。因為滴灌可以隨時隨地澆水，所以按照玉米的需水規(guī)律可以建立灌水模型，即不同生育期灌水量不同。以寧夏西北春玉米為例，可在苗期、拔節(jié)期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、籽粒建成期、乳熟期等進行滴水灌溉，總體7 次，水量控制在200 m3左右，墑情較差的滴水出苗方式可以適當增加灌水量。

1.淺埋滴灌。將滴灌帶埋在田間土層3～5 cm處，是引黃灌區(qū)較為常見的玉米滴灌方式，可以實現(xiàn)種肥同播。其主要優(yōu)勢是埋藏于地下可以減少滴灌帶的物理損傷，包括太陽的照曬老化、鳥類找水喝時的啄食破壞、小動物的啃食，以及人類田間機械操作的破壞等。同時，埋藏地下可以減少水分地表蒸發(fā)及形成地表徑流，避免土壤表面干旱質(zhì)密結(jié)皮的影響，使水分更快速到達玉米根系，從而提高水分的利用效率。

2.膜下滴灌技術(shù)。即在地膜下面鋪設滴灌帶。地膜幾乎隔斷了玉米棵間地表蒸發(fā)，同時高效吸收太陽熱量，防止熱量過度擴散，其中以黑色地膜最為顯著。此項技術(shù)解決了干旱及積溫不足地區(qū)玉米生產(chǎn)難題，使墑情及地溫得以優(yōu)化，同時減少地表水分蒸發(fā)，進一步提高水分利用效率，增加玉米種植面積。膜下滴灌技術(shù)是節(jié)水農(nóng)業(yè)的典型代表。

（二）玉米滴灌密植高產(chǎn)技術(shù)

滴灌技術(shù)的高效利用使大田生產(chǎn)突破自身的產(chǎn)量限制，傳統(tǒng)漫灌玉米由于大水漫灌及全田肥料難以隨時均勻補充等先天性缺陷，普遍存在田塊中間出現(xiàn)脫肥的現(xiàn)象，同時，肥料大量浪費，生產(chǎn)效率不高，通過增加玉米種植密度達到增加產(chǎn)量的目標比較困難。因此，滴灌技術(shù)的優(yōu)勢得以顯現(xiàn)，理論上可以做到一個毛管滴水孔管一株玉米，只要水肥方案合理，干旱脫肥的現(xiàn)象很難發(fā)生。

近年，玉米種植密度逐漸增加，產(chǎn)量不斷突破。滴灌籽粒玉米每667 m2種植密度普遍在5500 株以上，且有逐漸增大的趨勢，在新疆等先行示范區(qū)域每667 m2種植密度可以達到7000～10 000 株。受社會、市場等多方的影響，育種趨向于緊湊株型的玉米，各類肥料也變得更加高效，功能多樣化。農(nóng)機市場也同步大發(fā)展，導航播種快速落地，可以精準高效地利用田塊，提高了土地利用率，從而提高單產(chǎn)。玉米群體密度增加后會出現(xiàn)不良生長的競爭關(guān)系，導致倒伏、倒折、不育和空稈等現(xiàn)象。目前，結(jié)合有效的化控技術(shù)，比如，在玉米拔節(jié)期時可以每667 m2噴施羥基乙烯利，從而有效控制玉米第一節(jié)與第二節(jié)的節(jié)間距。同時，結(jié)合深耕技術(shù)，打破犁底層，使得玉米根系下扎穩(wěn)固。優(yōu)良的品種結(jié)合先進的播種技術(shù)促使苗壯苗齊，提高田間玉米的整齊度，然后結(jié)合科學合理的施肥，促使玉米提質(zhì)增產(chǎn)?？傮w來說，多種技術(shù)有效落地應用使滴灌玉米產(chǎn)量逐年增加，目前，每667 m2突破1000 kg，逐漸向1200～1500 kg突破。

（三）玉米滴灌水肥一體化與抗鹽堿技術(shù)

玉米水肥一體化概念是由滴灌技術(shù)逐漸發(fā)展而來的，水和肥同時提供，可以達到高效綠色的效果。依托于水肥一體化技術(shù)，肥料及水分可以根據(jù)玉米需水需肥模型規(guī)律定時定量供給，極大地提高了水肥利用效率。西北春玉米區(qū)供給水肥一般集中在6～8 次，以拔節(jié)期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、籽粒建成期等生育期最為重要。水肥同時供給，先進行1～2 h 的潤地，此時不開肥料閥門只滴水，目的是讓水分快速在根系間橫向擴散，減少后續(xù)肥料的縱向下滲浪費，提高肥料利用效率，每次滴水每667 m2盡量不要超過30 m3。玉米需水規(guī)律基本上遵循“前期少，中期多，后期偏多”的規(guī)律。玉米出苗期要少澆水，適當干旱可以促進玉米根系向深度和廣度發(fā)展，擴大吸收范圍，為壯苗奠定基礎。進入拔節(jié)期后植株開始快速生長，此時需水量增加，一般這個階段澆水使土壤水分維持在60%左右。玉米喇叭口期是玉米需水的關(guān)鍵期，因此，遇到干旱應及時澆水，確保植株健壯生長。抽雄吐絲期是玉米耗水量最大的時期，也是玉米需水的臨界期，干旱、缺水都會造成玉米后期不同程度的減產(chǎn)，玉米抽雄吐絲期的灌水是增加穗粒數(shù)和粒質(zhì)量的關(guān)鍵。玉米需肥規(guī)律是隨著玉米植株的生長對養(yǎng)分的吸收速度加快，抽雄吐絲—籽粒建成期達到峰值，灌漿期至成熟期逐漸減慢，總體上對氮、磷、鉀的需求比例為1:0.5:1。

水肥一體化抗鹽堿方面最明顯的效果是避免了大水漫灌，降低了地下水位，抑制田塊中鹽堿化反復。同時，由于減少肥料的不科學合理投入，減緩土壤中鹽基離子的積累，從而緩解了次生鹽漬化。

（四）水肥模型算法影響下的玉米精準灌溉與施肥技術(shù)

結(jié)合氣象、土壤、作物等諸多外界因素，一體的精準水肥技術(shù)近年發(fā)展迅速，其最大的優(yōu)勢是肥水用量可以通過技術(shù)無限接近玉米的真實需求，最終達到大幅提高水肥利用效率的效果。在精準水肥設計運作時，需要大量物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測設備實時協(xié)同運行，諸如小型氣象站更正水肥模型中的氣候蒸發(fā)參數(shù)，土壤墑情儀監(jiān)測土壤水分和溫度變化，并且及時反饋玉米缺水情況；等等。全套的智能化設備組網(wǎng)形成一個智能決策系統(tǒng)，監(jiān)測指導玉米全生育期水肥管理。

隨著各類傳感器和人為數(shù)據(jù)的逐年積累，形成一個龐大的數(shù)據(jù)庫體系，再根據(jù)區(qū)域特性進行分類，形成較為適合某個市、縣的專有玉米水肥灌溉模型，最終實現(xiàn)這樣的效果：只要數(shù)據(jù)庫中有的地點模型，輸入地點后就會自動決策生成該區(qū)域玉米施肥方案，指導農(nóng)戶進行綠色高效生產(chǎn)。

（五）玉米田產(chǎn)投比在滴灌技術(shù)影響下的優(yōu)勢

在滴灌技術(shù)的促進下，玉米生產(chǎn)效率大幅度提高，不僅增加了單位面積產(chǎn)量，還提高了人均生產(chǎn)力。綜合每667 m2平均收入，較傳統(tǒng)種植方式可增效200～280元，同時，為農(nóng)業(yè)集約化、大規(guī)?；l(fā)展奠定基礎。高效的水肥模型得以落地實施，達到減肥減水但不減產(chǎn)的優(yōu)良效果，節(jié)省了一部分化肥費用和水費投入也是提高生產(chǎn)效率的表現(xiàn)。綜上所述，在滴灌技術(shù)的影響下，玉米種植的產(chǎn)投比得到了長足的正向發(fā)展。

四、滴灌技術(shù)在玉米種植管理上的應用展望

（一）精準水肥技術(shù)

隨著滴灌技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，玉米生產(chǎn)中任何環(huán)節(jié)都可以實現(xiàn)智能化實時監(jiān)測。即玉米全生育期水肥活動全部可以模擬監(jiān)測，形成一套高精度數(shù)據(jù)庫模型。只要知道種植玉米的地點，就可以生成一份施肥灌溉方案，此方案的水分利用效率與肥料利用效率極高。數(shù)據(jù)模型精準的原因是其涉及該區(qū)域歷史的天氣情況，包含溫度變化、蒸發(fā)量、降水量、干熱情況、地形、土壤類型、下襯面特性等，還有作物吸收水肥的規(guī)律等，從而可以精確到每個生育期具體需要多少水及氮、磷、鉀等元素。

（二）物聯(lián)網(wǎng)與智能化發(fā)展

滴灌技術(shù)結(jié)合智能化的發(fā)展，最終會把人們從繁重的農(nóng)事勞作中解放出來。所有的端口最終都會集成到智能手機APP 中，結(jié)合多種類型的傳感器可用手機遙控控制，甚至人工授權(quán)后，電腦AI可以自主決策一些簡單的場景，如灌溉、施肥等。

（三）超大規(guī)模與無人化監(jiān)管

此階段需要10～15 年的發(fā)展，1～2 人就可以管理大型玉米農(nóng)場。多數(shù)玉米農(nóng)場的農(nóng)事操作全部智能化決策，人們只需要從事對外簡單的農(nóng)資投入品采購、日常無人機巡田等工作，以及標準化處理突發(fā)事件，如電腦決策錯誤、管道破損、傳感器失靈等?？傮w來說，可以使玉米生產(chǎn)變成一個超級工廠，大多數(shù)生產(chǎn)可以定量標準化服務。