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農田水藥一體化技術研究與應用進展

2019-08-19 09:04:54來源:《農藥》作者:李穎,楊寧編輯:bianji2
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  我國北方雨量時空分布不均勻,區域性缺水問題日益突顯,農業用水緊張嚴重地影響了農業穩產增產,抗旱減災已成為農業生產的新常態。對傳統雨養農業和粗放灌溉農業進行改造升級,采用節水高效灌溉技術成為抗旱減災的主要應對方法,是實現農業可持續發展的必然選擇。隨著我國微灌技術的應用水平不斷提升,綜合效率與效益日益顯現。與此同時,農藥的不合理施用,以及所帶來的農業生態環境的污染和水藥利用率過低(農田水有效利用系數為0.5左右,農藥有效利用率為30%左右)是新時期節水農業生產面臨的突出問題。在我國新時代農業供給側改革“一控兩減三基本”和“節肥節藥”、“統防統治”的政策背景下,采用節水省藥、節本增效的施藥灌溉方式成為現代農業發展的必然趨勢。

  “水藥一體化”,也稱作“微灌施藥”、“化學灌溉”(Chemigation),是將灌溉與用藥融為一體的節水技術,其核心是借助壓力灌溉系統使得藥劑隨灌溉水一起按時、均勻、準確地輸送到作物根際,按照作物生長需求把水分和適合的藥物定量、定時的直接提供給作物,是實現節水減藥的關鍵技術途徑。水藥一體化技術是灌溉與施藥相融合的最佳策略。作為新型節水灌溉和節藥施用融合方式,采用水藥一體化技術可以更加合理、高效利用水資源、提高藥劑的利用效率、減少農業面源污染、促進農業可持續發展。

  1 水藥一體化技術的重要意義

  1.1 水藥一體化實現高效節水用藥

  微灌灌溉通過增加用水次數,減少單次用水量,提高灌溉水的利用率。同時,我國農田用藥量整體水平偏高,2015年達200多萬t,單位面積使用量大,為世界平均水平的2.5倍,有效利用率僅為30%左右。結合了節水灌溉和高效用藥的水藥一體化技術實現了精確灌溉、精準施藥,與傳統地面灌溉和傳統施藥方式相比,自動化程度更高,藥劑減量施用,減輕了傳統灌溉與施藥勞動強度,提高了藥劑利用率和時效性,實現高效控制病蟲草害。

  1.2 水藥一體化實現安全施藥

  傳統施藥粗放,施用者很少采取安全防護措施,常造成農藥中毒,調查表明施藥者中有30%以上曾經發生過不同程度的接觸性農藥中毒。使用水藥一體化系統可避免直接接觸藥液和飄移的藥霧,降低了有毒物質的吸入風險,實現安全施藥。

  1.3 水藥一體化保護生態環境

  在施用過程中農藥擴散到環境中,易對所有環境生物造成長期和潛在危害。水資源短缺地區,農藥降解的速度減慢,影響了藥效發揮,而加大用藥量就成為缺水地區的普遍做法,由此易加劇環境中農藥殘留,同時,大量用藥也造成病蟲草的抗藥性水平提高,進而再加大用藥量,形成惡性循環;另一方面,采用大水漫灌,易造成農藥隨排水、淋溶等進入水體而污染環境。采用微灌系統,利于改善土壤物理性質,減少灌溉造成的土壤板結等不良影響,減少土壤養分淋失和對地下水、地表水的污染以及藥劑的使用量,尤其在保護地生產中,有效地降低了土壤水分與空氣濕度,降低通風降濕頻率,減少高濕病害發生幾率,利于改善灌溉后生態環境。

  1.4 水藥一體化提高經濟效益

  水藥一體化技術是在節水灌溉技術基礎上發展而成,尤其在已廣泛采用水肥一體化技術地區,可以直接使用已有設備進行隨水施藥。雖然節水設施建設初始費用較高,但是通過使用化學灌溉技術,可以使農作物提質增效、減少化肥農藥施用量,大大縮短投資回收年限。如膜下滴灌棉田與常規的灌溉方式相比,各類總投入能夠減少35.3%,產量能夠增加10%以上。而溫室更可以減少農藥用量15%~30%,節省勞動力10~15人次,實現節水節本增效。

  2 水藥一體化技術應用原理

  2.1 藥劑分布與運移規律

  隨滴灌系統施用藥劑后的分布和運移直接影響藥劑的利用率及藥效作用的發揮。自上世紀80年代,外國學者開始研究藥劑在土壤中的運移和分布情況,2000年前,微灌在國內應用較少,研究相對滯后。2000年后,隨著我國微灌技術普及,微灌藥劑在土壤中的運移和分布方面研究不斷深入。毛萌、任理等采用HYDRUS2D軟件研究了室內滴灌施用的除草劑莠去津(atrazine)在土壤中的運移規律,結果表明:隨著初始含水量的增加,土壤水分的濕潤范圍增大,但除草劑莠去津在土壤中的分布范圍基本不變;當滴灌施藥歷時相同、滴頭流量不同時,隨著滴頭流量的增加,土壤水分和莠去津在土壤中的范圍均有所增大。任玉鵬通過滴灌施阿維菌素防治南方根結線蟲(Meloidogyne incognita),發現水分擴散與藥劑擴散存在相關性,藥劑擴散顯著滯后于水分擴散,用水量對藥劑擴散面積起主要作用,其次為流速,最后為劑型因素,適量增大灌溉水量,提高土壤疏松程度并選擇微囊懸浮劑或懸浮劑可增大藥劑在土壤中的分布范圍。在實際應用中,針對土壤容重不同的地塊,則應要考慮滴灌流速和相應的藥劑劑型對藥劑分散的影響,以保證最佳施用效果的同時減少環境污染。

  2.2 藥劑劑型影響

  由于水藥一體化系統均以灌溉水為溶劑稀釋藥液,并在管道中運送最后施入作物根部土壤。因此藥劑的可溶性和溶解程度等物理指標直接影響了藥劑運輸的通暢和藥劑效果的發揮。在水中可以溶解為真溶劑的劑型更適合用于滴灌系統,更利于植物吸收。趙軍等使用20%吡蟲啉(imidacloprid)可溶性液劑防治辣椒蚜蟲(Aphisgossypii Glover)試驗,14 d后防效達到100%。任玉鵬通過室內模擬滴灌試驗發現供試的乳油、懸浮劑、微囊懸浮劑均屬于較易吸附等級,在淋溶程度上,微囊懸浮劑>懸浮劑>乳油,超過40%的藥劑集中在0~5 cm土層,3種劑型阿維菌素在淋溶等級上均較難淋溶。乳油處理施藥后3 d部分植株莖基部縊縮,根部壞死,藥害明顯,可能由于該乳油中有溶劑二甲苯。

  通過微灌系統還可施用土壤熏蒸劑,其優勢是讓藥劑以液體的形態更加均勻地擴散分布,減少藥劑的散失降低施用量,同時可以減少作業人員的直接接觸,使得藥劑處理變得更為經濟安全。Wang等用2種地埋滴灌(深度2~5、30 cm)處理對比傳統的注射方式發現,1,3-二氯丙烯(1,3-dichloropropene)的散失量分別為66%、57%和90%,滴灌處理具有明顯優勢。肖長坤等通過對草莓田滴施辣根素(isothiocyanate)水劑對比常規試驗,證實了熏蒸劑對土壤真菌中的鐮刀菌、腐霉、曲霉、青霉(Fusarium、Pythium、Aspergillus、Penicillium)等具有突出的殺滅效果。隨著應用研究的深入,水藥一體化條件下,有針對性的施用適宜劑型的藥劑,將會大幅度的提高藥效,減少無效淋溶,確保用藥安全,減少農業面源污染。

  2.3 藥劑影響作物及非靶標

  水藥一體化主要用于控制病蟲草害,同時對作物的根系分布以及N、P、K養分吸收具有一定影響。于穎多等研究表明在適宜的范圍內不同濃度氟樂靈(trifluralin)對番茄和冬小麥產量、品質及作物根系的分布均無顯著影響,但施藥日期對冬小麥根系在垂直方向分布影響較大。張艷麗研究表明雖然頭水滴施二甲戊靈(pendimethalin)降低了棉花N、P、K養分含量,但仍然顯著增加了養分吸收量,顯著降低了雜草的干重,減少了雜草的株數。孫玉勇等對淮山(Dioscorea opposita Thunb)施用噻唑膦(fosthiazate)乳油,結果表明在試驗劑量范圍內淮山長勢良好,未發現因施藥而造成的根、塊莖、葉、芽有至害性影響,且增產率最高達到9.13%。由此可知,通過滴灌系統施用藥劑對靶標是有影響的;而在某個施藥時間、濃度范圍內,可能對作物產生輕微影響,但從產量而言,這種影響較弱。

  2.4 灌溉施藥系統防堵過程

  地埋灌溉系統中,由于植物根系的向水性生長,若系統不采取防止根系入侵措施,3年就可由根系入地下滴灌管網侵堵塞10%,4年至60%,6年后可達95%。防止作物根系侵入滴水孔引起堵塞對于發展微灌施藥有著重要意義。目前國內研究最多的是在滴灌系統中加入化學物質(如除草劑氟樂靈等)來防止根系入侵堵塞,于穎多等研究了番茄根系在地下滴灌氟樂靈后的分布情況及氟樂靈對滴灌灌水器周圍根系的控制效應。確認適量施藥可以對灌水器周圍的根系進行一定的調控,緩解灌水器的根系堵塞問題,且果實中均無農藥殘留,與對照的地上部分生物量無顯著差異。在滴灌冬小麥試驗中注入氟樂靈可以有效地削減滴頭附近區域的根密度,減小根系入侵堵塞的發生。施藥濃度對根系分布及作物的產量、品質均無顯著影響。王榮蓮等通過正交試驗分析,認為施藥時間、施藥濃度和施藥量對小麥根密度降低的影響都是顯著的,其中影響程度由主到次的順序分別為施藥時間、施藥量和施藥濃度,并提出應用于小麥的最優的方案組合。另外,通過控制土壤水分和調整系統工作壓力,避免水分脅迫現象的出現,也能減少根系入侵滴頭。

  3 水藥一體化技術應用效果

  3.1 設施園藝水藥一體化技術應用

  水藥一體化應用始于上世紀50?60年代,我國于上世紀80年代開始水藥一體化的研究與應用,但受成本、技術等因素制約,大多停留在研究層面,實際應用較少,至2000年后,國內集約化、精準化節水農業迅猛發展,滴灌設施得到廣泛應用,水藥一體化的研究進程加快。在農業“雙減”政策的引導下,水藥一體化使用程度有了大幅提高,應用的作物從設施園藝作物、藥用植物等經濟性較高的作物,逐漸擴大到果樹甚至大田。防治對象從單一類型的地下害蟲、土傳病害發展為多種病蟲草害的綜合防治。

  水藥一體化技術最為普遍的應用是在設施園藝作物上(見表1),我國水藥一體化使用地區主要集中在已鋪設滴灌系統的山東地區,少部分在西部地區、北京地區、以及遼寧東部沿海地區,尤其以大面積、長時期應用滴灌灌溉的地區為主,使用的廣度與當地灌溉習慣、使用經驗有著非常大的關系。山東地區設施蔬菜種植產業規模化早,機械化、自動化程度高,與此相配套的滴灌灌溉方式的應用也更為系統。作物以葫蘆科、茄科蔬菜為主,兼有少量百合科、薔薇科蔬果。滴灌系統的特征決定了水藥一體化技術在防治地下害蟲[根結線蟲(Meloidoyne spp.)、遲眼蕈蚊(Bradysia odoriphaga)]和土傳病害[枯萎病(Fusarium oxysporum sp.)、莖基腐病(Pythium ultimum)等]有更多優勢,既避免了大水漫灌施藥需要承擔的環境風險,又減少了灌根等施藥方式的大量人工投入,同時水藥一體化技術可以有效解決用藥量大、施用次數多的問題,尤其對根結線蟲防效明顯,與傳統施藥方式???常規灌溉和噴霧防治相比,綜合防效達到60%~98%,平均增產24%以上;灌溉施藥方式主要為膜下滴灌;應用作物種類以茄科為主,平均防效達到85.3%,葫蘆科防效最高,達到98%以上。水藥一體化技術與傳統施藥方式對藥劑的選擇較為相似,苯甲酰胺類、有機磷類、新煙堿類殺蟲劑,以及取代苯類、三唑類、銅制劑為主的殺菌劑均可使用。藥劑劑型以水溶解度高的水劑為主,部分粉劑也可應用。配套溫室、覆膜等相對密閉條件可隨水施用熏蒸劑,進一步完善了藥劑的施用方式。溫室內膜下滴灌施藥有效地降低溫室濕度,增加地溫,壯苗、增產。


  在一些面積大的山地果園,藥劑的人工噴施成本高、時效性差,使用大型機械作業難度增加,成本過高,而大部分園區在建園初期就鋪設有微灌系統,因此使用水藥一體化系統是非常經濟有效的方法,因此果園較早地使用了微灌系統施藥。2000年前,新疆地區已有使用氟樂靈對果園雜草進行防除(見表2),平均防效達到90%以上;近年來,海南地區通過使用滴灌施入螺蟲乙酯(spirotetramat)、吡蟲啉(imidacloprid),對黃胸薊馬[Thripshawaiiensis (Morgan)]進行防治,防效達到85.56%~98.86%。


  3.2 水藥一體化技術在大田生產中的應用

  在干旱半干旱地區的大田生產中,大面積應用自動化滴灌設施,機械化程度較高,以及封壟后人工施藥容易造成機械損傷等問題,使得應用水藥一體化系統的功能和效益更加明顯,為水藥一體化提供了良好應用基礎。如表3所示,2000年前,僅有東北中藥材產區使用水藥一體技術,這與經濟作物的高效益有直接關系;在2000?2010年間,水藥一體化發展較為緩慢,該時期的應用主要以新疆地區為代表,該地區干旱少雨,地廣人稀,勞動力匱乏,膜下滴灌有效地解決了以上問題,是微灌較早普遍應用的地區。2010年后,隨著技術的進步、人工費用的增加以及農業機械化水平的提高,水藥一體化技術在大田使用中迅速發展,北方地區均有應用,但仍以新疆、山東有多年滴灌灌溉經驗的地區為主。大田防治對象與設施園藝作物相比,地上部病害[花生網斑病(Peyronellaea arachidicola),黑斑病Cercospo -ridiumpersonatum等)]、蟲害[玉米螟(Pyrausta nubilalis (Hubern))、三點斑葉蟬( Zygina salina Mit )、紅蜘蛛( Tetranychuscinnbarinus)、蚜蟲(Aphidoidea)等]種類明顯增多,地下害蟲、土傳病害種類也有所增加,防治藥劑以有機磷類居多,這與內吸性藥劑的應用有很大關系,其擴大了水藥一體化防治對象范圍,使得部分葉莖甚至果實的病蟲害也能得到控制,由于是隱藏式施藥,蟲害的天敵得到了較好的保護,更有利于保護環境;近幾年,以防除闊葉草為主的除草劑也開始應用。同時,生物制劑在新疆棉田也得到了廣泛的應用。應用的劑型以粉劑為主,而能溶解為真溶劑的水劑較少,這與原藥在水中的可溶性有很大關系,雖然乳油中助劑的成分有可能影響作物生長,但在對作物影響不大的試驗劑量范圍內仍有使用。由于大田使用滴灌主要為干旱半干旱地區居多,膜下滴灌是最主要的灌溉方式,因此大田水藥一體化的灌溉方式也以膜下滴灌為主(見表3),其防效除人參外均在83%以上,比常規防治防效增加14%~27%,增產10%以上,投入產出比達到1∶7.01。


  3.3 水藥一體化設備應用

  目前水藥一體化設備多使用“水肥一體化”裝備,在“施肥器”中注入藥劑。并使用相同的微灌系統進行施藥,該系統包括灌溉抽水站、農藥貯藏箱、阻止回流系統、校準裝置、農藥灌注等裝置。施藥裝置按照投加藥劑的方式不同可分為電動泵投加和自身壓差注入投加2種。一種是使用電動泵在進園總管上進行投加藥劑,另一種是利用灌溉系統自身的壓差進行注入投加,不同的投加方式有不同的設備可供選擇。表4總結了不同施藥裝置的原理,優缺點,以及適宜使用的條件。

  表4 水藥一體化施藥裝置

  相比水肥一體化中的肥料,水藥一體化中的農藥畝平均用量更少,精準度要求更高,單純的“施藥器”并不能完全的發揮施藥的功能,越來越多的研究傾向于使用單獨的施藥箱,而不是直接使用已有的施肥罐兼作為施藥箱使用。鄢一新等設計了一種與現有產品工作原理不同的差壓隔膜式加藥裝置,通過在密閉式加藥罐中設置柔性防水薄膜,保持加藥罐中藥劑濃度不變,實現加藥流量自我調節功能,保證均勻施藥。

  近幾年,水藥一體化系統從人工操作逐漸升級到半自動化、自動化控制和智能化控制。石建飛團隊設計了以PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器)為控制核心,通過無線通信方式,實現農田的土壤水分、水位、設備工作狀態等數據進行采集分析的系統,實現遠程控制,提高了系統的均勻性、及時性和簡便性。并將各項數據統一存入數據庫,可進行數據分析和對比,為產品質量安全管理提供保障。2015年馬偉等開發了基于Web的設施果園水肥藥一體物聯網控制系統,在溫室內安裝物聯網控制系統的無線網絡節點,通過WIFI無線網絡通訊,用戶可通過總控箱、智能手機或電腦上的軟件發送指令,實現物聯網遠程控制。

  4 水藥一體化技術存在的問題與展望

  4.1 存在的問題

  1) 防治對象

  目前水藥一體化技術的主要用于土傳病害和地下害蟲的防治,在防治范圍上具有一定的局限性。雖然通過施用內吸性藥劑可以解決部分問題,但在藥劑使用量、防效以及安全性方面需要進一步研究。

  2) 劑型種類

  不同的藥劑劑型對藥效發揮產生非常大的影響。從目前的研究結果看,可濕性粉劑、水劑和水乳劑在水藥一體化試驗中,出現矛盾和不穩定結果。另外,藥物的溶解性差,或黏性過高,可導致管道堵塞,設備損壞,或使得施藥不完全、不均一。因此,特定劑型的研制對水藥一體化的應用與發展起著至關重要的作用。

  3) 灌溉系統

  水源及地下水安全問題。當通過灌溉系統施用到灌溉水中的農藥回流到灌溉水中甚至水源中,會帶來用水安全問題。水源和灌溉方法的選擇決定了是否有污染水源的可能性;加藥箱前端的反水閥穩定性差也可能對水源造成污染。過大或過急的降雨也可能造成藥劑的下滲與淋溶,進而引起地下水安全問題。因此,對氣象預測和環境監測與用藥決策之間的關系有待進一步研究。灌溉過程中,為防止根系入侵滴頭,大多數情況下使用除草劑氟樂靈,但對很多園藝作物并不適用,不同作物應用的除草劑類型及防治效果需要進一步研究。

  4) 水藥設備

  水藥一體化設備研發欠缺。目前大部分智能型設備都應用于具有一定規模的農業企業,而小規模或家庭式的種植模式下應用較少,大田應用中尤為明顯。相應于該模式的需求多為價格低,易操作,穩定性高、安全環保且界面友好的智能化、自動化設備市場上較為少見。

  5) 水肥藥一體化融合

  水藥一體施用研究薄弱。水藥一體化系統不是單純的灌溉和施藥相疊加,亦或是簡單的通過灌溉管道施加藥劑。更重要的是水藥的聯合施用。合理的灌溉促進作物生長,健壯的植株抗性相應較好,而合理的用藥更可以起到壯苗健苗的目的,這2個方面互為補充,更好的促進作物生長。然而國內目前對于水藥聯合施用制度的研究還處于起步階段,更加深入的試驗與研究是非常有必要的。

  4.2 對策

  1)預測、診斷、灌溉和防治策略。水藥一體化系統是結合了預測、診斷、灌溉和防治策略的綜合系統。早期病蟲草害的精準預測和診斷,確保了“預防為主,綜合防治”的防治方針。在土壤表面或土壤中使用農藥所需的水量取決于土壤中的含水量和農藥在土壤中分散的深度,因此,在施藥之前對土壤含水量的監測、檢測,可以保證灌溉的精準度和藥劑的高效利用。制定合理有效的防治策略將達到事半功倍的效果。

  2)制定水藥一體化技術規范。農藥灌注系統和灌溉系統的核定是十分重要的。需要通過精準的試驗來制定不同作物、不同品種、不同地區、不同季節灌溉施藥的時間、藥量、濃度、流速、灌溉量以及每次藥后的管護時間和水量等核定標準,在優化這些參數的基礎上,制定相應的操作規范,避免因管理方式和人員的不同而出現灌溉不足或浪費以及不合理施藥等問題。

  3)加強技術人員培訓。組織專業人員對使用水藥一體化系統的技術人員進行培訓,確保其具備較高的綜合素質,有能力安全合理地使用系統中的設備,解決常見問題。

  4.3 展望

  1)隨著水資源危機的加劇,越來越多的國家、地區重視發展微灌技術,近10年來,微灌、噴灌在我國發展非常迅速,截至2013年底,我國微灌面積已達385.7 萬hm2,占世界微灌面積的35%,在我國西北內陸、東北干旱半干旱地區、兩廣地區等均已有大規模應用,為水藥一體化技術廣泛應用奠定了規模化的基礎。

  2)科技的進步使得新技術,如大數據、AI(人工智能)等技術不斷應用到水藥一體化技術和設備中,精準測量以及精細管理也將變得越來越普及,水藥一體化設備的性能也將會不斷地提高和完善;施用的藥劑將呈現標準化、系列化;伴隨著水藥一體化技術理論研究不斷深入,整個系統管理的自動化、智能化程度會更高,管理的成本將大幅降低,精準智能化水藥一體化技術和設備將會更廣泛地普及應用。

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