Development Overview of Water and Fertilizer Integration Technology and Its Application in Watermelon Production
Abstract：
Water and fertilizer integration technology is a new modern agricultural production technology that utilizes water-saving irrigation equipment to transmit water and fertilizer to the roots of crops in a timely, quantitative, fixed-point and proportional manner based on the water and fertilizer requirements of crops at different growth stages, achieving balanced fertilization and optimized irrigation. The general situation of research and development of water and fertilizer integration technology at domestic and foreign is presented, and its advantages and disadvantages in watermelon cultivation are analyzed. In connection with the problems existing in the practical application of water and fertilizer integration technology, the future developing direction is proposed.
我国人均水资源占有量约为2 300 m3，仅为世界人均占有量的25%[1]。根据《2022年中国水资源公报》，2022年我国农业用水量为3 781.3亿m3，占用水总量的63.0%，且90%~95%的农业用水主要用于农田灌溉，水资源短缺和大水漫灌造成的水资源浪费问题较为严重。另外，我国农业生产普遍存在灌溉模式简单粗放、大水大肥现象突出，农民科学灌溉、精准施肥意识淡薄，资源浪费整体较为严重等问题。这种传统的灌溉施肥模式不仅限制了作物产量、提高了生产成本，而且导致土壤盐碱化，剩余肥料发生深层渗漏，污染水土资源[2]。因此，针对我国目前水资源短缺及水肥利用率低的问题，开发并推广水肥一体化技术势在必行。水肥一体化灌溉方式是以作物生长规律为依据，定时、定量、定点、定比例地灌溉施肥，真正起到了省水、省肥、高效的效果[3]，很多研究人员已针对西瓜、芒果、棉花、紫花苜蓿等作物开展了水肥一体化相关研究[4-7]。
西瓜富含碳水化合物和各种维生素，口感好，经济价值高，在园艺生产中占据重要的地位。在栽培过程中，西瓜需水量较大，且对水分较为敏感，其产量和品质受施肥量和灌水量的影响较大，但过量灌水和施肥也可能导致西瓜品质下降和土壤环境恶化等问题[8-9]。科学合理的灌溉模式不但可以提高水肥利用率、改善品质、提高产量，同时还能有效减少成本投入，减轻环境污染。本文阐述了水肥一体化技术，综述了国内外水肥一体化灌溉研究进展以及水肥一体化技术在西瓜生产上的应用现状，分析了水肥一体化技术在西瓜种植上的优势和不足，并对水肥一体化技术在西瓜上的应用前景进行了展望。
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水肥一体化技术简介
水肥一体化技术是将微灌与施肥两者有机融合在一起的新型农业施肥技术，有狭义与广义之分。狭义的水肥一体化技术是指依靠压力系统或地形自然落差，先把可溶性肥料配兑成肥液，然后再与灌溉水一起通过可控管道系统，定量、定比例地输送给作物，实现水肥耦合。从广义上讲，水肥一体化是将灌溉用水与肥料共同输送至作物根部，以供作物正常生长所需[10]。简单来说，就是依据农作物生长各阶段对水肥的需求规律，采用滴灌和施肥装置，将水肥均匀、准确、定时、定量地供给到作物根系[11]。
水肥一体化技术能充分考虑作物在不同生育阶段对水和养分的需求，通过调配出适宜的、满足作物所需养分含量的水肥，并在恰当的时间段内进行高效灌溉，既能防止因漫灌导致的用水损失，将用水效率提升40%~60%，又可以减少传统施肥过程中的肥料浪费，将肥料利用率提高30%~50%，同时还能防止土壤理化性状恶化、环境污染等问题[12]。因此，与传统水肥施用方法相比，水肥一体化技术在节水节肥、提质增效、省时省工、减轻污染等方面的优势十分明显[13]。
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水肥一体化技术研究进展
2.1
国外研究进展
水肥一体化技术最早起源于以色列，在以色列Ein Gedi绿洲地区主要进行棕榈枣的种植，产生了农业滴灌系统网络雏形[14]。到二十世纪六七十年代，美国、荷兰、德国、日本、澳大利亚等国家也开始研究并大力发展水肥一体化技术，目前已形成了包括设备研发生产、液体肥料配制、作物生长监测和后期技术推广服务等在内的一整套完善的技术配套体系[15]。
各个国家的实际情况不同，其水肥一体化技术的发展也各有特点。以色列于1960年开始研究水肥一体作业模式并投入使用，目前已走在了世界前列，尤其在无土栽培、种子培育、农业机械化和农业智能化等领域处于世界领先水平。如今以色列的水资源利用率高达98%，位居世界第一位，水肥一体化灌溉应用率超过90%[16-17]。此外，以色列还在数字农业方面取得了重大突破，采用现代传感技术、大数据分析和智能控制系统，实时监测土壤湿度、作物生长状态和气象条件，为农民根据实际需要进行精确的灌溉和施肥提供了参考依据，进一步提高了水肥一体化的效果。以色列的自动控制技术公司Eldae-shany生产的肥滴佳、肥滴美、肥滴杰等产品，可确保顺利实现精准施水、施肥作业；该公司开发的水肥一体化作业设备，可对作物生长环境进行实时监测，并根据不同环境调节肥料投入量，形成了无人作业的灌溉施肥模式[18]。
美国于1950年开始尝试小规模灌溉施肥作业，后广泛应用于马铃薯、玉米和果树等农作物的生产[19]。美国水肥一体化技术发展相对较早，且发展迅速，目前美国的水肥一体化专用肥料在肥料总量中的占比已达38%以上，且水肥一体化系统逐步趋于自动化和智能化。美国著名的灌溉公司有KRAIN、Rain Bird等，其依托信息处理技术、控制技术等，配套先进的水肥一体化装备，实时监测并调节植株根部土壤环境，促进植株生长，真正达到了节水、节肥的目的[19-20]。
此外，荷兰、印度、法国、意大利、南非、韩国和日本等国家的水肥一体化灌溉技术发展也较快。由于国外对水肥一体化技术的研究起步早、发展快，在许多发达国家已实现了大面积的推广应用，同时还实现了物联网技术与水肥一体化技术的结合，在信息资源整合运用、土壤作物信息监测和实际农业生产管理等方面均取得了较好的效果[21]。
2.2
国内研究进展
我国于1974年从墨西哥引进了滴灌设备，并在国内多个地区进行试点，总面积为6.0 hm2，这是我国在水肥一体化技术方面的首次尝试，发展至今也取得了较大的进步[22]。目前，我国水肥一体化设备主要应用于滴灌、微喷灌、裸带滴灌、地表下浅埋滴灌、膜下滴灌，涵盖作物包括果蔬、玉米、花卉、谷物等几十种[23-25]。
总的来说，自20世纪80年代后，我国水肥一体化技术发展迅速，在理论研究和推广应用上均取得了良好的成效，水肥一体化设备的性能和自动化控制逐渐完善，部分节水灌溉技术和配套工程的设计方法与理论在国际上已处于领先水平[26]。发达国家的水肥一体化应用面积达90%以上，且在水肥一体化的技术研发、设备制造、系统集成等方面已形成了较为完善的产业链。我国在水肥一体化整体技术水平、应用规模以及普及程度上，与发达国家相比还存在一定差距，仍有较大的发展空间。为了缩小该差距，需进一步加大技术创新力度，提高技术应用水平；加强政策支持，加大推广力度；注重对农民的培训和宣传，提高他们的认知度和接受度[27]。
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水肥一体化技术在西瓜种植上的应用
虽然西瓜对肥料的需求量很大，但由于其根系相对脆弱，对土壤的抵抗力差，如果不能按照其生长需求合理施肥，很容易造成烧根和肥料流失。此外，气候、水分和栽培措施等因素显著影响西瓜的生长进程、产量和品质，对西瓜进行有效的水肥管理尤为重要。
水肥一体化技术适合在西瓜种植领域应用，且应用日趋广泛，其主要原因是：
(1) 西瓜在不同的生长时期、不同的种植环境中，其需水量有所不同，因此灌溉是西瓜种植过程中一个非常重要的环节。需要注意的是，在西瓜坐瓜后有两个裂瓜期，不宜采用单一的浇水模式来灌溉。采用滴灌、微喷灌等灌溉技术，将水分精准高效地传输至西瓜根部，可实现根据西瓜的需水特点进行精准灌溉。
(2) 在各生育时期，西瓜需求的养分也不尽相同，前期对氮素的需求量较高，有利于提高产量；而在结实期间，为了改善果品质量，必须加大磷肥、钾肥的施用量。采用水肥一体化技术可以对各生育时期的施肥量进行精确调节，实现对西瓜生长发育的精确控制。
(3) 通过与智能调控相结合的方式，对农田土壤中的水、营养状态进行实时监控，并依据设置的参数，对水分、肥料用量进行动态调节，达到精确调控水肥环境的目的，在节省人力的同时，能有效提升农田管理的准确性与效率。
沙志宏等[28]采用新型的腐殖酸液体肥料对西瓜进行滴灌施肥后，不仅能够提高产量，而且能够提升糖度，改善了品质。采用水肥一体化技术可以节省50%的化肥用量，降低了肥料使用成本，对改良修复土壤、保护环境具有明显的效果[29]。王英英等[30]探究了水肥耦合技术及在西瓜栽培中的应用，深入研究了西瓜水肥耦合的机理，揭示了农田系统水分和养分优化管理模式，为西瓜水肥精准调控和优质高产栽培提供了有效的参考依据。
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水肥一体化技术在西瓜种植上的优缺点
西瓜在我国园艺生产中占有非常重要的地位，近年来，我国西瓜单产水平已跻身世界前列。在西瓜栽培中，灌水量和施肥量是影响西瓜产量和品质的重要因素。西瓜自身的生长特点决定了其对水分和养分的要求很严苛，在不同生长时期、不同生长环境中，对水分和养分的要求不尽相同。水肥一体化技术首先可实现精准定量供给水分和养分，有效解决了因过度浇水和施肥而导致的资源浪费问题；其次可通过科学的水肥管理，使土壤结构得到明显的改良，表现出较强的持水保肥功能，为西瓜创造一个更加适宜的生长环境；此外，可以实现对化肥的精确调控，减少化肥的使用量，有效防止化肥的损失，减轻对地下水、土壤等的环境污染。
西瓜水肥一体化技术在体现改善品质、提高产量、节时省工、改良土壤、保护环境等优势的同时，也表现出以下不足：①初期的投资费用较高。水肥一体化装备的整体设计和安装，包括智能水肥一体机、灌溉系统、肥料供应系统等，资金的需求量较大，对小型西瓜种植户来说经济负担较重。②对水的质量及肥料的要求高。若采用含盐废水或未达标的水，则造成土壤盐渍化或排水口堵塞。若化肥本身不完全溶于水，会导致灌水器的阻塞，阻碍灌溉用水的正常供给。③对操作及维护有较高的要求。如果作业不当，将会造成作物的长势变差或减产。因此，种植者要懂得如何调节浇水、施肥等相关参数，保证对农作物的养分供给适当。
在西瓜种植过程中，水肥一体化技术的优点和缺点同时存在，需要综合考虑投入成本、水源条件、肥料供给、运行维护等方面，以确保该项技术能够最大程度地发挥作用，获得最大的效益。
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展望
水肥一体化作为一种高效的现代农业技术应用于西瓜种植中，在提高西瓜产量和品质、降低生产成本、保护环境等方面效果显著，但在其推广应用过程中，也面临着基础研究不足、水肥设施质量参差不齐、区域发展不均衡等问题。今后需要进一步研究并明确西瓜在不同生长阶段、不同区域的水肥需求规律，注重设备质量和区域协调发展，结合生物学、自动控制、微电子、人工智能和信息科学等高新技术制造智能水肥一体化设备，实时监测作物、土壤和大气状况，并通过信息处理与分析，按照作物需求合理供给水肥，从而达到精确施肥、合理灌溉、系统养护的目的，最大化地提升资源的利用效率，实现科学种植。
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