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农田水药一体化技术研究与应用进展

2019-08-19 09:04:54来源农药作者李?#20445;?#26472;宁编辑bianji2
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我国北方雨量时空分布不均匀区域?#21248;?#27700;问题日益突显农业用水紧张严重地影响了农业稳产增产抗旱减灾已成为农业生产的新常态?#28304;?#32479;雨养农业和?#22336;?#28748;溉农业进行改造升级采用节水高效灌溉技术成为抗旱减灾的主要应对方法是实现农业可?#20013;?#21457;展的必然选择随着我国微灌技术的应用水平不断提升综合效率与效益日益显现与此同?#20445;?a href=http://www.qhjpi.club target=_blank>农药的不合理施用以及所带来的农业生态环境的污染和水药利用率过低(农田水?#34892;?#21033;用系数为0.5左右农药?#34892;?#21033;用率为30%左右)是新时期节水农业生产面临的突出问题在我国新时代农业供给侧改革一控两减三基本和节肥节药?#34180;?#32479;防统治的政策背景下采用节水省药节本增效的施药灌溉方式成为现代农业发展的必然趋势

水药一体化?#20445;?#20063;称作微灌施药?#34180;?#21270;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?#35789;薄?#22343;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?#33519;?#25552;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?#20013;?#21457;展

1 水药一体化技术的重要意义

1.1 水药一体化实现高效节水用药

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?#20445;?#25105;国农田用药?#31354;?#20307;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?#34892;?#21033;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?#21537;?#33647;剂利用率和时效性实现高效控制病虫草害

1.2 水药一体化实现安全施药

传统施药?#22336;ţ?#26045;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?#26174;?#32463;发生过不同程度的接触性农药中毒使用水药一体化系统?#26432;?#20813;?#33519;?#25509;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

1.3 水药一体化保护生态环境

在施用过程中农药扩散?#20132;?#22659;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?#21040;?#30340;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?#20445;?#22823;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?#20302;常?#21033;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?#25237;?#22320;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?#34892;?#22320;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

1.4 水药一体化提高经济效益

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?#33519;?#20351;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?#29575;?#26356;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

2 水药一体化技术应用原理

2.1 药剂分布与运移规律

随滴灌系统施用药剂后的分布和运移?#33519;?#24433;响药剂的利用?#22987;?#33647;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?#28798;?#21518;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?#21462;?#20219;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?#20445;?#38543;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?#25991;?#26041;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着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?#25237;?#33647;剂分散的影响以保证最佳施用效果的同时减少环境污染

2.2 药剂剂型影响

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?#33519;?#24433;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?#20302;常?#26356;利于植物吸收赵军等使用20吡虫啉(imidacloprid)可溶性液剂防治?#33519;费?#34411;(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?#38477;?#32423;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05 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?#33804;?#27833;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?#33519;?#25509;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2~530 cm)处理对比传统的注射方式发现13-二?#32570;?#28911;(1,3-dichloropropene)的散失量分别为6657和90滴灌处理具有明显优势肖长坤等通过对草莓田?#38382;?#36771;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(FusariumPythiumAspergillusPenicillium)?#26579;?#26377;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

2.3 药剂影响作物及?#21069;?#26631;

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NPK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?#25237;?a href=http://www.chinagrain.cn/xiaomai/ target=_blank>小麦产量?#20998;始?#20316;物根系的分布均无显着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?#38382;?#20108;甲戊灵(pendimethalin)降低了棉花NPK养分含量但?#21248;?#26174;着增加了养分吸收量显着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?#20197;?#20135;?#39318;?#39640;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?#30830;?#22260;内可能对作物产生轻微影响但从产量而言这种影响较弱

2.4 灌溉施药系统防堵过程

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?#27695;?0%4年至606年后可达95%防止作物根?#30331;?#20837;滴水孔引起?#27695;?#23545;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?#27695;?#20110;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?#27695;?#38382;题且果实中均无农药残留与对照的地上部分生物量无显着差异在滴灌冬小麦试验中注入氟乐灵可以?#34892;?#22320;削减滴头附近区域的根密度减小根系入侵?#27695;?#30340;发生施药浓度对根系分?#25216;?#20316;物的产量?#20998;?#22343;无显着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着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?#20013;?#36843;现象的出现也能减少根系入侵滴头

3 水药一体化技术应用效果

3.1 设施园艺水药一体化技术应用

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?#35813;?#21457;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?#26579;?#27982;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?#26893;?#34411;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?#26412;?#22320;区以及辽宁东部沿海地区尤其?#28304;?#38754;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?#32570;?#20813;了大水漫灌施药需要?#26800;?#30340;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?#34892;?#35299;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?#26412;?#21058;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?#29575;u?#35206;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?#29575;?#20869;膜下滴灌施药?#34892;?#22320;降低?#29575;?#28287;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?#35759;?#22686;加成本过高而大部分园区在建园初期就铺设有微灌?#20302;常?#22240;此使用水药一体化系统是非常经济?#34892;?#30340;方法因此果园?#26174;?#22320;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%


3.2 水药一体化技术在大田生产中的应用

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?#29992;?#26174;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?#33519;?#20851;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?#34892;?#22320;解决了以上问题是微灌?#26174;?#26222;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?#27602;?#29978;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?#24120;?#36817;?#25913;ݏ?#20197;防除阔叶草为主的除草剂也开始应用同?#20445;?#29983;物制剂在新疆棉田也得到了广?#26097;?#24212;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17.01


3.3 水药一体化设备应用

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?#30002;?#32622;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

表4 水药一体化施药装置

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?#32423;?#35201;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?#33519;?#20351;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?#19994;?#33410;功能保证均匀施药

近?#25913;ݏ?#27700;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?#26432;?#31243;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?#20302;常?#23454;现远程控制提?#21537;?#31995;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?#25237;?#27604;为产?#20998;?#37327;安全管理提供保?#31232;?015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?#20302;常?#22312;?#29575;?#20869;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

4 水药一体化技术存在的问题与展望

4.1 存在的问题

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?#25237;?#33647;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?#32622;?#30462;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?#27695;?#35774;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?#31361;?#22659;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?#29575;?#29992;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?#29976;?#22330;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?#21361;?#26356;加深入的试验与研究是非常有必要的

4.2 对策

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?#32423;?#21644;药剂的高效利用制定合理?#34892;?#30340;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?#20998;?#19981;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?#27490;?#28297;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?#25285;?#30830;保其具备较高的综合素质?#24515;?#21147;安全合理地使用系统中的设备解决常见问题

4.3 展望

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?#38469;?#30028;微灌面积的35%在我国西北内?#20581;?#19996;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

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