农田水药一体化技术研究与应用进展

 

“水药一体化”，也称作“微灌施药”、“化学灌溉”(Chemigation)，是将灌溉与用药融为一体的节水技术，其核心是借助压力灌溉系统使得药剂随灌溉水一起按时、均匀、准确地输送到作物根际，按照作物生长需求把水分和适合的药物定量、定时的直接提供给作物，是实现节水减药的关键技术途径。水药一体化技术是灌溉与施药相融合的最佳策略。作为新型节水灌溉和节药施用融合方式，采用水药一体化技术可以更加合理、高效利用水资源、提高药剂的利用效率、减少农业面源污染、促进农业可持续发展。

 

 

 

微灌灌溉通过增加用水次数，减少单次用水量，提高灌溉水的利用率。同时，我国农田用药量整体水平偏高，2015年达200多万t，单位面积使用量大，为世界平均水平的2.5倍，有效利用率仅为30%左右。结合了节水灌溉和高效用药的水药一体化技术实现了精确灌溉、精准施药，与传统地面灌溉和传统施药方式相比，自动化程度更高，药剂减量施用，减轻了传统灌溉与施药劳动强度，提高了药剂利用率和时效性，实现高效控制病虫草害。

 

 

传统施药粗放，施用者很少采取安全防护措施，常造成农药中毒，调查表明施药者中有30%以上曾经发生过不同程度的接触性农药中毒。使用水药一体化系统可避免直接接触药液和飘移的药雾，降低了有毒物质的吸入风险，实现安全施药。

 

在施用过程中农药扩散到环境中，易对所有环境生物造成长期和潜在危害。水资源短缺地区，农药降解的速度减慢，影响了药效发挥，而加大用药量就成为缺水地区的普遍做法，由此易加剧环境中农药残留，同时，大量用药也造成病虫草的抗药性水平提高，进而再加大用药量，形成恶性循环；另一方面，采用大水漫灌，易造成农药随排水、淋溶等进入水体而污染环境。采用微灌系统，利于改善土壤物理性质，减少灌溉造成的土壤板结等不良影响，减少土壤养分淋失和对地下水、地表水的污染以及药剂的使用量，尤其在保护地生产中，有效地降低了土壤水分与空气湿度，降低通风降湿频率，减少高湿病害发生几率，利于改善灌溉后生态环境。

 

 

水药一体化技术是在节水灌溉技术基础上发展而成，尤其在已广泛采用水肥一体化技术地区，可以直接使用已有设备进行随水施药。虽然节水设施建设初始费用较高，但是通过使用化学灌溉技术，可以使农作物提质增效、减少化肥和农药施用量，大大缩短投资回收年限。如膜下滴灌棉田与常规的灌溉方式相比，各类总投入能够减少35.3%，产量能够增加10%以上。而温室更可以减少农药用量15％~30％，节省劳动力10~15人次，实现节水节本增效。

 

 

 

随滴灌系统施用药剂后的分布和运移直接影响药剂的利用率及药效作用的发挥。自上世纪80年代，外国学者开始研究药剂在土壤中的运移和分布情况，2000年前，微灌在国内应用较少，研究相对滞后。2000年后，随着我国微灌技术普及，微灌药剂在土壤中的运移和分布方面研究不断深入。毛萌、任理等采用HYDRUS2D软件研究了室内滴灌施用的除草剂莠去津(atrazine)在土壤中的运移规律，结果表明：随着初始含水量的增加，土壤水分的湿润范围增大，但除草剂莠去津在土壤中的分布范围基本不变；当滴灌施药历时相同、滴头流量不同时，随着滴头流量的增加，土壤水分和莠去津在土壤中的范围均有所增大。任玉鹏通过滴灌施阿维菌素防治南方根结线虫(Meloidogyne incognita)，发现水分扩散与药剂扩散存在相关性，药剂扩散显著滞后于水分扩散，用水量对药剂扩散面积起主要作用，其次为流速，最后为剂型因素，适量增大灌溉水量，提高土壤疏松程度并选择微囊悬浮剂或悬浮剂可增大药剂在土壤中的分布范围。在实际应用中，针对土壤容重不同的地块，则应要考虑滴灌流速和相应的药剂剂型对药剂分散的影响，以保证最佳施用效果的同时减少环境污染。

 

 

由于水药一体化系统均以灌溉水为溶剂稀释药液，并在管道中运送最后施入作物根部土壤。因此药剂的可溶性和溶解程度等物理指标直接影响了药剂运输的通畅和药剂效果的发挥。在水中可以溶解为真溶剂的剂型更适合用于滴灌系统，更利于植物吸收。赵军等使用20％吡虫啉(imidacloprid)可溶性液剂防治辣椒蚜虫(Aphisgossypii Glover)试验，14 d后防效达到100%。任玉鹏通过室内模拟滴灌试验发现供试的乳油、悬浮剂、微囊悬浮剂均属于较易吸附等级，在淋溶程度上，微囊悬浮剂>悬浮剂>乳油，超过40％的药剂集中在0～5 cm土层，3种剂型阿维菌素在淋溶等级上均较难淋溶。乳油处理施药后3 d部分植株茎基部缢缩，根部坏死，药害明显，可能由于该乳油中有溶剂二甲苯。

 

通过微灌系统还可施用土壤熏蒸剂，其优势是让药剂以液体的形态更加均匀地扩散分布，减少药剂的散失降低施用量，同时可以减少作业人员的直接接触，使得药剂处理变得更为经济安全。Wang等用2种地埋滴灌(深度2~5、30 cm)处理对比传统的注射方式发现，1，3-二氯丙烯(1,3-dichloropropene)的散失量分别为66％、57％和90％，滴灌处理具有明显优势。肖长坤等通过对草莓田滴施辣根素(isothiocyanate)水剂对比常规试验，证实了熏蒸剂对土壤真菌中的镰刀菌、腐霉、曲霉、青霉(Fusarium、Pythium、Aspergillus、Penicillium)等具有突出的杀灭效果。随着应用研究的深入，水药一体化条件下，有针对性的施用适宜剂型的药剂，将会大幅度的提高药效，减少无效淋溶，确保用药安全，减少农业面源污染。

 

 

水药一体化主要用于控制病虫草害，同时对作物的根系分布以及N、P、K养分吸收具有一定影响。于颖多等研究表明在适宜的范围内不同浓度氟乐灵(trifluralin)对番茄和冬小麦产量、品质及作物根系的分布均无显著影响，但施药日期对冬小麦根系在垂直方向分布影响较大。张艳丽研究表明虽然头水滴施二甲戊灵(pendimethalin)降低了棉花N、P、K养分含量，但仍然显著增加了养分吸收量，显著降低了杂草的干重，减少了杂草的株数。孙玉勇等对淮山(Dioscorea opposita Thunb)施用噻唑膦(fosthiazate)乳油，结果表明在试验剂量范围内淮山长势良好，未发现因施药而造成的根、块茎、叶、芽有至害性影响，且增产率最高达到9.13％。由此可知，通过滴灌系统施用药剂对靶标是有影响的；而在某个施药时间、浓度范围内，可能对作物产生轻微影响，但从产量而言，这种影响较弱。

 

 

地埋灌溉系统中，由于植物根系的向水性生长，若系统不采取防止根系入侵措施，3年就可由根系入地下滴灌管网侵堵塞10%，4年至60％，6年后可达95%。防止作物根系侵入滴水孔引起堵塞对于发展微灌施药有着重要意义。目前国内研究最多的是在滴灌系统中加入化学物质(如除草剂氟乐灵等)来防止根系入侵堵塞，于颖多等研究了番茄根系在地下滴灌氟乐灵后的分布情况及氟乐灵对滴灌灌水器周围根系的控制效应。确认适量施药可以对灌水器周围的根系进行一定的调控，缓解灌水器的根系堵塞问题，且果实中均无农药残留，与对照的地上部分生物量无显著差异。在滴灌冬小麦试验中注入氟乐灵可以有效地削减滴头附近区域的根密度，减小根系入侵堵塞的发生。施药浓度对根系分布及作物的产量、品质均无显著影响。王荣莲等通过正交试验分析，认为施药时间、施药浓度和施药量对小麦根密度降低的影响都是显著的，其中影响程度由主到次的顺序分别为施药时间、施药量和施药浓度，并提出应用于小麦的最优的方案组合。另外，通过控制土壤水分和调整系统工作压力，避免水分胁迫现象的出现，也能减少根系入侵滴头。

 

 

 

水药一体化应用始于上世纪50—60年代，我国于上世纪80年代开始水药一体化的研究与应用，但受成本、技术等因素制约，大多停留在研究层面，实际应用较少，至2000年后，国内集约化、精准化节水农业迅猛发展，滴灌设施得到广泛应用，水药一体化的研究进程加快。在农业“双减”政策的引导下，水药一体化使用程度有了大幅提高，应用的作物从设施园艺作物、药用植物等经济性较高的作物，逐渐扩大到果树甚至大田。防治对象从单一类型的地下害虫、土传病害发展为多种病虫草害的综合防治。

 

水药一体化技术最为普遍的应用是在设施园艺作物上(见表1)，我国水药一体化使用地区主要集中在已铺设滴灌系统的山东地区，少部分在西部地区、北京地区、以及辽宁东部沿海地区，尤其以大面积、长时期应用滴灌灌溉的地区为主，使用的广度与当地灌溉习惯、使用经验有着非常大的关系。山东地区设施蔬菜种植产业规模化早，机械化、自动化程度高，与此相配套的滴灌灌溉方式的应用也更为系统。作物以葫芦科、茄科蔬菜为主，兼有少量百合科、蔷薇科蔬果。滴灌系统的特征决定了水药一体化技术在防治地下害虫[根结线虫(Meloidoyne spp.)、迟眼蕈蚊(Bradysia odoriphaga)]和土传病害[枯萎病(Fusarium oxysporum sp.)、茎基腐病(Pythium ultimum)等]有更多优势，既避免了大水漫灌施药需要承担的环境风险，又减少了灌根等施药方式的大量人工投入，同时水药一体化技术可以有效解决用药量大、施用次数多的问题，尤其对根结线虫防效明显，与传统施药方式———常规灌溉和喷雾防治相比，综合防效达到60%~98%，平均增产24%以上；灌溉施药方式主要为膜下滴灌；应用作物种类以茄科为主，平均防效达到85.3%，葫芦科防效最高，达到98%以上。水药一体化技术与传统施药方式对药剂的选择较为相似，苯甲酰胺类、有机磷类、新烟碱类杀虫剂，以及取代苯类、三唑类、铜制剂为主的杀菌剂均可使用。药剂剂型以水溶解度高的水剂为主，部分粉剂也可应用。配套温室、覆膜等相对密闭条件可随水施用熏蒸剂，进一步完善了药剂的施用方式。温室内膜下滴灌施药有效地降低温室湿度，增加地温，壮苗、增产。

 

在一些面积大的山地果园，药剂的人工喷施成本高、时效性差，使用大型机械作业难度增加，成本过高，而大部分园区在建园初期就铺设有微灌系统，因此使用水药一体化系统是非常经济有效的方法，因此果园较早地使用了微灌系统施药。2000年前，新疆地区已有使用氟乐灵对果园杂草进行防除(见表2)，平均防效达到90%以上；近年来，海南地区通过使用滴灌施入螺虫乙酯(spirotetramat)、吡虫啉(imidacloprid)，对黄胸蓟马[Thripshawaiiensis (Morgan)]进行防治，防效达到85.56%～98.86%。

 

 

在干旱半干旱地区的大田生产中，大面积应用自动化滴灌设施，机械化程度较高，以及封垄后人工施药容易造成机械损伤等问题，使得应用水药一体化系统的功能和效益更加明显，为水药一体化提供了良好应用基础。如表3所示，2000年前，仅有东北中药材产区使用水药一体技术，这与经济作物的高效益有直接关系；在2000—2010年间，水药一体化发展较为缓慢，该时期的应用主要以新疆地区为代表，该地区干旱少雨，地广人稀，劳动力匮乏，膜下滴灌有效地解决了以上问题，是微灌较早普遍应用的地区。2010年后，随着技术的进步、人工费用的增加以及农业机械化水平的提高，水药一体化技术在大田使用中迅速发展，北方地区均有应用，但仍以新疆、山东有多年滴灌灌溉经验的地区为主。大田防治对象与设施园艺作物相比，地上部病害[花生网斑病(Peyronellaea arachidicola)，黑斑病Cercospo -ridiumpersonatum等)]、虫害[玉米螟(Pyrausta nubilalis (Hubern))、三点斑叶蝉( Zygina salina Mit )、红蜘蛛( Tetranychuscinnbarinus)、蚜虫(Aphidoidea)等]种类明显增多，地下害虫、土传病害种类也有所增加，防治药剂以有机磷类居多，这与内吸性药剂的应用有很大关系，其扩大了水药一体化防治对象范围，使得部分叶茎甚至果实的病虫害也能得到控制，由于是隐藏式施药，虫害的天敌得到了较好的保护，更有利于保护环境；近几年，以防除阔叶草为主的除草剂也开始应用。同时，生物制剂在新疆棉田也得到了广泛的应用。应用的剂型以粉剂为主，而能溶解为真溶剂的水剂较少，这与原药在水中的可溶性有很大关系，虽然乳油中助剂的成分有可能影响作物生长，但在对作物影响不大的试验剂量范围内仍有使用。由于大田使用滴灌主要为干旱半干旱地区居多，膜下滴灌是最主要的灌溉方式，因此大田水药一体化的灌溉方式也以膜下滴灌为主(见表3)，其防效除人参外均在83%以上，比常规防治防效增加14%~27%，增产10%以上，投入产出比达到1∶7.01。

 

 

目前水药一体化设备多使用“水肥一体化”装备，在“施肥器”中注入药剂。并使用相同的微灌系统进行施药，该系统包括灌溉抽水站、农药贮藏箱、阻止回流系统、校准装置、农药灌注等装置。施药装置按照投加药剂的方式不同可分为电动泵投加和自身压差注入投加2种。一种是使用电动泵在进园总管上进行投加药剂，另一种是利用灌溉系统自身的压差进行注入投加，不同的投加方式有不同的设备可供选择。表4总结了不同施药装置的原理，优缺点，以及适宜使用的条件。
 

 

相比水肥一体化中的肥料，水药一体化中的农药亩平均用量更少，精准度要求更高，单纯的“施药器”并不能完全的发挥施药的功能，越来越多的研究倾向于使用单独的施药箱，而不是直接使用已有的施肥罐兼作为施药箱使用。鄢一新等设计了一种与现有产品工作原理不同的差压隔膜式加药装置，通过在密闭式加药罐中设置柔性防水薄膜，保持加药罐中药剂浓度不变，实现加药流量自我调节功能，保证均匀施药。

 

近几年，水药一体化系统从人工操作逐渐升级到半自动化、自动化控制和智能化控制。石建飞团队设计了以PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)为控制核心，通过无线通信方式，实现农田的土壤水分、水位、设备工作状态等数据进行采集分析的系统，实现远程控制，提高了系统的均匀性、及时性和简便性。并将各项数据统一存入数据库，可进行数据分析和对比，为产品质量安全管理提供保障。2015年马伟等开发了基于Web的设施果园水肥药一体物联网控制系统，在温室内安装物联网控制系统的无线网络节点，通过WIFI无线网络通讯，用户可通过总控箱、智能手机或电脑上的软件发送指令，实现物联网远程控制。

 

 

 

1) 防治对象

 

目前水药一体化技术的主要用于土传病害和地下害虫的防治，在防治范围上具有一定的局限性。虽然通过施用内吸性药剂可以解决部分问题，但在药剂使用量、防效以及安全性方面需要进一步研究。

 

2) 剂型种类

 

不同的药剂剂型对药效发挥产生非常大的影响。从目前的研究结果看，可湿性粉剂、水剂和水乳剂在水药一体化试验中，出现矛盾和不稳定结果。另外，药物的溶解性差，或黏性过高，可导致管道堵塞，设备损坏，或使得施药不完全、不均一。因此，特定剂型的研制对水药一体化的应用与发展起着至关重要的作用。

 

3) 灌溉系统

 

水源及地下水安全问题。当通过灌溉系统施用到灌溉水中的农药回流到灌溉水中甚至水源中，会带来用水安全问题。水源和灌溉方法的选择决定了是否有污染水源的可能性；加药箱前端的反水阀稳定性差也可能对水源造成污染。过大或过急的降雨也可能造成药剂的下渗与淋溶，进而引起地下水安全问题。因此，对气象预测和环境监测与用药决策之间的关系有待进一步研究。灌溉过程中，为防止根系入侵滴头，大多数情况下使用除草剂氟乐灵，但对很多园艺作物并不适用，不同作物应用的除草剂类型及防治效果需要进一步研究。

 

4) 水药设备

 

水药一体化设备研发欠缺。目前大部分智能型设备都应用于具有一定规模的农业企业，而小规模或家庭式的种植模式下应用较少，大田应用中尤为明显。相应于该模式的需求多为价格低，易操作，稳定性高、安全环保且界面友好的智能化、自动化设备市场上较为少见。

 

5) 水肥药一体化融合

 

水药一体施用研究薄弱。水药一体化系统不是单纯的灌溉和施药相叠加，亦或是简单的通过灌溉管道施加药剂。更重要的是水药的联合施用。合理的灌溉促进作物生长，健壮的植株抗性相应较好，而合理的用药更可以起到壮苗健苗的目的，这2个方面互为补充，更好的促进作物生长。然而国内目前对于水药联合施用制度的研究还处于起步阶段，更加深入的试验与研究是非常有必要的。

 

 

1)预测、诊断、灌溉和防治策略。水药一体化系统是结合了预测、诊断、灌溉和防治策略的综合系统。早期病虫草害的精准预测和诊断，确保了“预防为主，综合防治”的防治方针。在土壤表面或土壤中使用农药所需的水量取决于土壤中的含水量和农药在土壤中分散的深度，因此，在施药之前对土壤含水量的监测、检测，可以保证灌溉的精准度和药剂的高效利用。制定合理有效的防治策略将达到事半功倍的效果。

 

2)制定水药一体化技术规范。农药灌注系统和灌溉系统的核定是十分重要的。需要通过精准的试验来制定不同作物、不同品种、不同地区、不同季节灌溉施药的时间、药量、浓度、流速、灌溉量以及每次药后的管护时间和水量等核定标准，在优化这些参数的基础上，制定相应的操作规范，避免因管理方式和人员的不同而出现灌溉不足或浪费以及不合理施药等问题。

 

3)加强技术人员培训。组织专业人员对使用水药一体化系统的技术人员进行培训，确保其具备较高的综合素质，有能力安全合理地使用系统中的设备，解决常见问题。

 

 

1)随着水资源危机的加剧，越来越多的国家、地区重视发展微灌技术，近10年来，微灌、喷灌在我国发展非常迅速，截至2013年底，我国微灌面积已达385.7 万hm²，占世界微灌面积的35%，在我国西北内陆、东北干旱半干旱地区、两广地区等均已有大规模应用，为水药一体化技术广泛应用奠定了规模化的基础。

 

2)科技的进步使得新技术，如大数据、AI(人工智能)等技术不断应用到水药一体化技术和设备中，精准测量以及精细管理也将变得越来越普及，水药一体化设备的性能也将会不断地提高和完善；施用的药剂将呈现标准化、系列化；伴随着水药一体化技术理论研究不断深入，整个系统管理的自动化、智能化程度会更高，管理的成本将大幅降低，精准智能化水药一体化技术和设备将会更广泛地普及应用。