2023年中国灌溉设备发展历程与水肥一体化技术深度解析
工欲善其事，必先利其器。在水肥一体化快速发展中，灌溉技术装备的升级显得尤为重要。水肥一体化灌溉方式有哪些，对灌溉设备有哪些要求，我国灌溉设备经历了怎样的发展历程？ 2023年，农林电视台《中国农资秀》记者朱金鹏请中国农业大学水利与土木工程学院教授严海军采访。本期采访记录，颜海军教授将为您详细剖析我国灌溉装备的发展时间线和发展水平，带您一睹水肥一体化这把“利器”。
严海军 中国农业大学水利与土木工程学院教授
记者：您是从哪一年开始从事水肥一体化工作的？
严海军：说来话长，因为1992年我考入了北京农业工程大学，中国农业大学之前的东校区，专业是水利机械。本科毕业后，我又读了研究生。在这个过程中，我实际上已经开始接触我现在从事的职业，这既涉及灌溉技术与设备，又涉及灌溉施肥技术。到现在已经20多年了。
记者：您还记得您刚接触时中国水肥一体化的现状是什么样的吗？
颜海军：1996年我读研究生的时候，其实就接触过水肥一体化相关技术。我接触的第一个领域是灌溉设备。我的研究生项目其实是关于卷筒式喷灌机的研发。在此过程中，中国农业大学启动了中以农业培训中心建设。在该中心，一批以色列专家前往中国面对面传授以色列先进的灌溉技术，包括相应的设备。又建了几个连栋温室，在这样的条件下，实现了培训与实践的结合。但当时水肥一体化技术的概念还没有被提出。英文单词叫，我们直译的话就是灌溉和施肥。我们也称之为水肥耦合。水肥一体化技术的概念是在2010年左右提出的，到现在大家对水肥一体化的概念也越来越熟悉，行业内大家也都认可了，所以术语也基本统一了，而且这就是所谓的水肥一体化技术。
记者：中国什么时候开始研制灌溉设备？
严海军：这有很长的历史。我国20世纪50年代开始引进灌溉设备。后来经过模仿、消化、设计、改进，形成了我们国产的灌溉设备。当然，灌溉设备的种类有很多种。我们现在所知道的包括喷灌、微灌等，但在20世纪50年代，主要采用的是喷灌。喷灌最重要的部件是喷头。最初，喷头不是由塑料制成，而是由金属制成。金属喷嘴最早由苏联引进，主要用于城市郊区蔬菜基地的灌溉。比如解放初期的上海，一些蔬菜基地很早就开始使用。
但除了喷头之外，其实还有水泵、管道等部件。从20世纪50年代到90年代，灌溉设备材料主要是金属，包括铝、钢等。到了90年代，我们可以在生活中实际体验到。以前没有塑料脸盆，也没有塑料袋。基本上是在20世纪80年代末、90年代初，当时塑料化工原料、配方、塑料模具、注塑机都得到了迅速的发展。我国开始引进该设备后，也生产了一些相应的产品，不仅在灌溉领域，而且在工业和日常生活中也得到了应用。塑料制品越来越多。由于微灌产品是低压的，很多采用塑料，所以我们的微灌技术基本上是20世纪90年代左右才开始发展的。
我刚才提到的中以农业培训中心，实际上是20世纪90年代初中以正式建交后引进的以色列专家和灌溉设备。因此，20世纪90年代是我国微灌发展的一个非常重要的时间点。后来我们现在所说的喷灌、微灌、管道灌溉统称为高效节水灌溉。
记者：目前我国有多少种水肥一体化灌溉方式？
严海军：从广义上讲，分为喷灌、微灌、管道灌溉三部分。喷灌可分为管道式喷灌系统和单元式喷灌系统。管道式喷灌系统按喷头立管是否可移动可分为固定管道式、半固定管道式和全移动管道式三种喷灌系统。 。
机组式喷灌系统按功率可分为轻型、小型喷灌机、中型喷灌机和大型喷灌机。有很多类型。
从全球范围来看，喷灌技术已经发展了100多年。在一百多年的发展过程中，各种型号的喷灌机已经比较成熟稳定，产品也多种多样。国外的一些技术、产品、设备几乎都在中国出现过，而且大部分还在使用。但比如说，如果用了一段时间，不符合我们的生态、规模、商业方式等，就会被淘汰。然而，大多数喷灌设备实际上都在使用。
在这个过程中，我们并不是照搬，而是充分考虑了我国的国情、经济承受能力、人们的使用习惯和技术水平，做了一些改进。
微灌可分为微喷灌和滴灌。微喷灌实际上可以分为地面安装式、倒置式等，喷头包括折射微喷头和旋转微喷头。液压喷射特性也不同。
说到滴灌，它的滴头也可以分为很多类型：压力补偿式和非压力补偿式。按结构还可分为：内镶式、圆柱式等，种类很多。从安装方式上来说，有的是直接敷设在地表的滴灌，有的是浅埋式滴灌，还有的是地下滴灌，这些都属于滴灌的范畴。
当然，我们还有一些流量更小，甚至压力更低的灌溉方式，比如微润灌，其实也属于微灌的范畴。
管道灌溉，全称低压管道水灌溉。它是在我国传统地面灌溉的基础上，将渠道输水改为低压管道输水。到达田地后，每隔一段留有一个出水口。这种方法称为管道灌溉。几乎消除了地下渗漏和地表蒸发，提高了输水效率和灌溉水利用系数。
管道灌溉在地势相对平坦的地区得到广泛推广。华北大部分地区，如河北、河南、山东等仍采用地面灌溉，以管道灌溉为主，所需工作水头最低。与滴灌、微喷灌相比，其工作压力可能从几米到二十多米。喷灌的工作压力范围较广，达到40～50米。根据喷嘴的形式、类型和装置所提供的控制区域，所需的压力也不同。粗略地说，高效灌溉主要属于这一类。
记者：高效灌溉给农业带来什么帮助？
严海军：节约用水是毫无疑问的。传统的地面灌溉通过渠道输送水。原来土渠的调水过程中，实际上有一部分水蒸发了，有一部分水渗入地下，渗漏出来。滴水现象严重，灌溉水利用率较低。从水源到需要灌溉的地块，一半以上的灌溉水可能会流失。同时，由于输水过程中水流缓慢，控制面积也比较小，水流速度甚至可能不到1m\s。
因此，在这几年的工程节水改造过程中，我们把土沟变成了渠道衬砌。无论是内衬石块还是现场浇筑混凝土，地下渗漏都会大大减少，但仍然会发生地表蒸发。南方稻田有不少衬砌渠道输水工程。
后来我们在北方，因为水资源比较匮乏，就直接用管道，比如PEC管、PE管来输送水，而不是渠道。这就避免了土渠的缺点，大大加快了输水速度。管灌工作水头只有几米，输水速度比土渠快得多。我们喷灌和微灌的经济流量已达到每秒1.5至2米的流量。流速越快，水到达的距离越远，单位时间内可灌溉的面积就越大。无地表蒸发、地下渗漏，灌溉水利用系数大大提高。
截至去年，我国全国灌溉水利用系数已达到0.56以上。在这个过程中，我们的高效节水灌溉其实起到了非常重要的作用。一般来说，喷灌的水分利用系数应在0.7或0.8以上，微灌的水分利用系数应在0.8-0.9以上。这是总体情况。
另外，我们采用高效灌溉系统，利用专用施肥装置将溶解的肥料直接注入高效灌溉管网。也就是说稀释好的、预先配置好的肥液进入我们的灌溉管网，再次被稀释。水流经管道时，与肥料一起流向喷头。灌溉过程中，肥料通过滴头排出。不可能把它应用到我们农作物的根部，或者应用到我们农作物的叶子上，进行灌溉和施肥，以及通过土壤渠道输送水。
水肥一体化有很多优点。其实还有一大优点就是大大降低了劳动强度，这是人们最喜欢的。至此，水肥一体化技术的优势逐渐显现。我刚才提到的只是几个方面。
记者：您认为我国水肥一体化发展在装备方面有哪些重要节点？
颜海军：从我自己的学习和工作来看，我认为有以下几个节点：一是1998年，十五届三中全会提出节水灌溉作为革命性举措。那时我正好在读研究生，听说专业毕业后我也对政府的一切相关电话感到非常兴奋。我觉得这是一个非常重要的时间节点；第二个重要节点是2011年中央一号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》，这是中间整个中央文件中共一号文件是关于农业节水的。从资金、政策等各方面为我们节水农业提供了高度的政策文件保障和资金支持。这促进了节水灌溉在全国的推广。是巨大的；第三个重要部分是，2014年，习近平总书记提出了新时代16字治水思想，包括节水优先、空间均衡、系统治理、双手用力。针对农业节水、工业节水、生活节水等各方面节水，他提出了治水新理念、新思路。
近年来，总书记多次对水和农业节水作出一些新指示、新要求。其实它们对我们农业节水有非常好的促进作用，因为我大概整理了一下。事实上，近五年乃至更长时间的中央一号文件，几乎每年都会用一句话、一段甚至一页来阐述节水灌溉的重要性，甚至是节水灌溉的重要性。水肥一体化。
记者：高效节水灌溉设备的发展经历了漫长的历程吗？
颜海军：我国的灌溉设备经历了从国外引进、消化、仿制、改进的过程。基本上我们就是走这条路发展的，而且也是很曲折的。我们经历了农业生产经营体制重大改革，走过了坎坷历程。是的，有时你会达到高潮，有时你会遇到低谷。因为高效灌溉与人们的使用习惯、土地经营规模、管理制度密切相关。
在这个过程中，我们有一些设备引进后已经得到了很好的利用，也有一些可能会被淘汰。到目前为止，无论是喷灌还是微灌，我们在消化、吸收、改进的过程中其实都走了一条不平凡的路。在发展道路上，能保留、能继续使用的装备，被实践证明是人们喜欢用的，能给人民带来实实在在的好处。
但它也有局限性。比如这个设备或者技术在河北、山东很好，但是在黑龙江、新疆可能就不太好用。在国有农场这样大规模土地经营集中、连片的情况下可能用得着，但可能因为土地太小而不能被农民使用。
因此，我们觉得目前的灌溉方式多样化，必须根据具体地块、种植对象、管理主体、投资水平综合考虑。必须因地制宜，不能照搬。而且，大田农业和设施农业是不同的。农作物和经济作物可能有所不同。它的灌溉系统、施肥装置、肥料种类、施肥习惯等都有很大不同。
记者：有没有同样的装备在不同的地方效果不同的例子？
严海军：我们在20世纪70年代末从美国引进了大型喷灌机。据我的导师说，刚引进到黑龙江大农场时，使用得很好。后来，他们被介绍到河北的几个地点，其中包括几位农民。由于喷头太大，效果并不好，所以安装在农户地块上的喷头最终被搬到了农场。一些大农场从1970年代到2011年中央一号文件已经使用了近40年，这是一个非常成功的案例。高效节水灌溉设备如果使用几十公里可能会产生不同的效果。这与地块、种植者、种植者主体有关。
新疆还有膜下滴灌技术。 1990年代末至2000年初，我们开始在兵团试点，随后到地方推广棉膜下滴灌技术。这项技术也为全国感到自豪。 ，因为以色列没有膜下滴灌技术。这项技术成功后，逐渐推广到内地，如甘肃、内蒙古、河北、东北地区。它是从西向东乃至从北向南推广的。在这个过程中，有的地方成功了，有的地方失败了。 。有一个非常典型的例子。据我了解，通辽基本上已经不再覆盖地膜了。改为浅滴滴灌，农膜也去掉了。那么新疆为什么要进行地膜覆盖呢？因为薄膜包衣对于减少蒸发、提高地温等非常重要。
因此，这项技术传入东方，最终并没有被使用，而是得到了改进。因此，将一项技术或设备从一个地方转移到另一个地方需要一个适应过程。有些人可能会成功，而另一些人可能不会成功。
因此，不能为了研究设备而研究灌溉设备。为了灌溉的目的必须对其进行研究。农业机械只有与农学相结合，才能使设备具有特殊功能，发挥最大价值。我们需要了解作物需水需肥的规律。了解了这些规律后，我们就需要根据作物的具体时期，利用高效的灌溉系统，精准地将水和肥料施到作物的根部和叶部。这非常重要。
在我们的理论研究中，如施肥技术、施肥作物模型以及一些实验研究工作中，通过在国内外发表的学术论文和学术会议，我们可以快速获取和了解国内外同行目前正在开展的研究工作。关卡比较容易，但在装备方面，我们还有一些“卡壳”的技术没有解决。事实上，我们现在的传感器和分析仪器有很大一部分来自国外。不管我们的研究方法有多好，没有这些设备一切都是零。在设备研发的过程中，我们需要了解国外同行的一些最新产品，同时也需要与我们的进行合作。国内企业开展联合研发。
当我们研发出来的技术最终面对用户的时候，无论你的研究水平有多好，无论你的研究方法有多新，无论你有多么的创新，最终都要投入到设备中去实现。
记者：到目前为止，我国水肥一体化装备技术的整体发展水平如何？
严海军：我先去了以色列，然后去了日本，然后又去了美国。总共应该有十几次，所以我对国外的微灌和喷灌有经验，包括一些仪器和传感器。密切沟通，我一直在关注他们的研究动态和产品设备。
目前，我国无论是喷灌还是微灌，我认为我们的技术和产品达到国外水平还有一定的距离。核心设备中的一些最关键的材料和一小部分工艺还没有达到国外水平，所以在我们产品性能的一些核心和重要方面，我们仍然需要购买一些国外产品。总体来说，我认为与2005年访问以色列时相比，我国水肥一体化设备的研发有了很大的发展，达到了国外水平的三分之二甚至四分之三。
记者：水肥一体化未来发展形势如何？
严海军：发展前景非常广阔。水肥一体化有很多优点。就连农民也真正认识到水肥一体化的重要性。
但我也看到，人口老龄化问题越来越严重，从事农业的人越来越少。在这种情况下，粮食安全问题就摆在我们面前。水肥一体化，实际上可以大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。节水、减肥、增产、提高质量肯定是没有问题的。这项技术完全是一项绿色、高产、高效的农业新技术，所以我们农业农村部把它定位为农业一号技术，这是非常正确的，也是对我们技术的一个很好的认可。
而现在水肥一体化技术与信息技术、先进传感器、移动通信等技术相结合，更好地实现了水肥的精准化、智能化水平。这就是我们目前正在做的事情。现阶段水肥管理还比较凭经验。我们已经有了可以使用的灌溉设备、施肥装置，以及一些适合水肥一体化的肥料。不过，什么时候施肥、施多少肥，我们还是坚持原来的习惯。但用现代施肥方法替代传统施肥，在节水、减肥、提高肥料利用率等方面仍有很大的潜力可探索，其潜力和前景非常好。我认为我们还有很长的路要走。
记者：您认为下一步有什么好的办法来改变这种现状吗？
颜海军：在研究方面，作为大学、科研单位，肯定需要研究特定土壤、特定作物、特定条件的水肥需求规律。这无疑是非常重要的。尽管近20年来已经有了很多研究成果，但其中很多并不符合实施条件。因为中国幅员辽阔，资源丰富，条件复杂，我认为在落实方向上还需要做很多工作。这也是基础工作。
第二，作为企业，我们一些重要的“卡壳”设备和材料需要进一步研发，包括化肥产品等，核心技术必须掌握在自己手里。否则，一旦被别人卡住，你就会陷入被动。这方面也非常重要。
第三，示范推广培训也很重要。培训对象不仅是农民，还有我们当地基层的一线农业技术人员，包括农机人员。我们要形成规范的培训体系，通过政策，特别是鼓励一些高校毕业、愿意回乡创业的新农民，我们要提供政策和资金引导，让他们能够更快地接受新知识，然后与农业机械和农业技术人员合作，更快更好地传递新技术，然后为当地农民提供培训。这些链接中缺少一个链接。不。
记者：到目前为止，你们团队在设备和技术的研发方面取得了哪些成果？
颜海军：在产品方面，我们拥有自己的核心知识产权进行成果转化，也获得了水利部的技术推广目录和技术成果推广目录。我们最有代表性的就是我们的泵式施肥装置。得到了我们行业的认可，我也正在主持制定第一个行业标准。
此外，我们还进行了可变灌溉的研究。我主要研究大型喷灌机，控制大面积的喷灌机。大地块内的土壤空间可能存在较大差异，我们可以进行有针对性的变量灌溉施肥，我们在中国农业大学涿州教学实验场专门建造并安装了国内最先进的变量灌溉施肥系统。大学。
从去年开始，我们团队也以喷灌机为平台，实现喷灌和滴灌兼具。已在中国农业大学涿州教学实验场苜蓿生产基地和内蒙古阿鲁科尔沁旗100万亩苜蓿生态基地进行试用。效果非常好，解决了每年3-6月份大风条件下喷灌蒸发过多、漂移的问题。将两用喷头技术集成到一个系统中，可以最大限度地发挥节水效果。
中国农业大学涿州教学实验场安装了圆形喷灌机，又称中心枢轴喷灌机。它绕中心支点旋转，理论上，完整旋转一圈将覆盖90多英亩的面积。喷水灭火机上的每个喷头都装有一个电磁阀。我们可以调节电磁阀的平均开启时间。通过改变开启时间，可以调节每个喷头的平均工作流量，实现变量灌溉和施肥。而且，该实验机可通过调整喷头间距来配置，以提高喷灌的均匀系数。经检测，其喷灌均匀系数超过89%，有的甚至超过90%-91%。喷灌的整体均匀系数很高。
记者：下一步水肥一体化装备的研究有什么计划？
颜海军：我的工作可能更侧重于示范培训。一个产品再好，如果不被人们认可，也无法发挥它的作用。
作为中国农业大学的教授，我们应该承担更大的责任。我们应该引进国外的好技术，并将其转化为中国产品。同时，我们应该把产品更好地传播出去，让更多的人使用它，这样我们的研究才能发挥出它的作用。
另外，由于本人的学习、工作和海外经历，在示范和推广培训过程中，我们也会根据用水的实际需求，因地制宜地推荐更适合的灌溉方式、水肥一体化设备等。与肥料一体化，从而实现水肥一体化。技术装备高度匹配，取得更大成果。
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