寧夏枸杞水肥一體化智能控制技術(shù)應(yīng)用效益

李永梅， 陳學(xué)東， 李 鋒， 張學(xué)儉

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)研究所，寧夏銀川 750002)

枸杞(LyciumbarbarumL.)是我國重要的“藥食同源”特色植物資源，全國有13個(gè)省(市、區(qū))在種植，其中寧夏是我國枸杞的原產(chǎn)地和主產(chǎn)區(qū)，已有2 000多年栽培歷史，經(jīng)過漫長的生產(chǎn)實(shí)踐和科研工作，寧夏枸杞栽培技術(shù)比較規(guī)范，生育特征及需水需肥規(guī)律基本明確，目前枸杞產(chǎn)業(yè)已作為寧夏特色優(yōu)勢(shì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)，被列入自治區(qū)“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題。然而，寧夏枸杞生產(chǎn)中同樣存在濫用化肥、水源短缺等問題，不合理施肥不僅起不到增產(chǎn)作用，反而會(huì)降低水肥利用率，甚至破壞土壤結(jié)構(gòu)，污染農(nóng)田環(huán)境，嚴(yán)重制約枸杞產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展[1]。如何實(shí)現(xiàn)枸杞水肥的精確施用及高效利用，已經(jīng)成為寧夏枸杞產(chǎn)業(yè)急需解決的重大問題。近年來，水肥一體化技術(shù)在枸杞栽培種植中的應(yīng)用不斷受到重視，2016年寧夏召開枸杞產(chǎn)業(yè)再造新優(yōu)勢(shì)——水肥一體化工作推進(jìn)會(huì)，力推寧夏枸杞從大水漫灌走向水肥一體化的節(jié)水時(shí)代。

水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的一項(xiàng)新型節(jié)水省肥農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。該技術(shù)可按土壤特性、作物根系特征及需水需肥規(guī)律在灌溉量、施肥量和施肥時(shí)間等方面高度精確地進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)水肥的精準(zhǔn)施用[2-4]。相關(guān)研究表明，與傳統(tǒng)灌溉和施肥相比，采用該技術(shù)水分利用效率可提高 40%～60%，肥料利用率可提高30%～50%[5]。因此，有專家指出，水肥一體化技術(shù)是發(fā)展高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大技術(shù)，更是建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“一號(hào)技術(shù)”[6]。國外的水肥一體化技術(shù)起步早，發(fā)展迅速，目前一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了完善的設(shè)備生產(chǎn)、肥料配置、推廣服務(wù)體系[6]。中國該技術(shù)起步較晚，總體與世界一些國家相比還存在很大差距。該技術(shù)在我國最初主要應(yīng)用于大棚蔬菜，之后應(yīng)用于大田作物及果樹作物，果樹作物灌溉施肥已在南方的荔枝、芒果、香蕉、柑橘上成功應(yīng)用，果實(shí)產(chǎn)量提高10%；在北方，已在蘋果、梨、桃、葡萄上成功應(yīng)用，果實(shí)產(chǎn)量提高15%以上[6]。雖然水肥一體化技術(shù)在一些果樹生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)展不斷成熟，但針對(duì)枸杞水肥一體化應(yīng)用的研究還很少，其應(yīng)用效益還不明確。

采用水肥一體化智能控制裝備開展不同配方施肥田間試驗(yàn)，通過分析不同施肥方案與傳統(tǒng)施肥方式對(duì)枸杞產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤養(yǎng)分及成本投入的影響，明確水肥一體化技術(shù)在枸杞種植中產(chǎn)生的田間量化效益，為枸杞生產(chǎn)中肥料選取與配比選擇及水肥的精確灌溉提供科學(xué)參考，對(duì)推動(dòng)水肥一體化技術(shù)在枸杞中的應(yīng)用推廣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中寧縣恩和鎮(zhèn)(105°46′3″N、37°29′39″E)大地生態(tài)有限公司枸杞種植基地，該地氣候條件和地質(zhì)條件優(yōu)良，熱量充足，日照時(shí)間長，晝夜溫差大，雨量適中[7]，年平均氣溫9.5 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 979.9 h，年平均降水量209 mm；地貌平坦，土層厚，沙質(zhì)土壤，質(zhì)地均勻，富含各種礦物質(zhì)和微量元素，是寧夏枸杞主產(chǎn)區(qū)[8]。主栽枸杞品種為寧杞7號(hào)，樹齡3年，栽培采用3 m×1 m模式。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)枸杞基地試驗(yàn)田土壤情況、枸杞需水需肥規(guī)律及前期水肥試驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)7個(gè)不同配方施肥試驗(yàn)方案。其中，CK采用傳統(tǒng)施肥方式；處理1至處理6采用水肥一體化智能控制設(shè)備進(jìn)行水肥田間精確管理，處理1、處理2為氮磷鉀配方施肥，處理3至處理6為有機(jī)質(zhì)+氮磷鉀配方施肥。于2016—2017連續(xù)2年開展枸杞田間試驗(yàn)。每個(gè)處理重復(fù)3次，共21個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積為0.22 km2，含74株枸杞。

表1 試驗(yàn)處理肥料施用量

水肥一體化各處理所需有機(jī)質(zhì)由黃腐酸營養(yǎng)液(N+P2O5+K2O≥200 g/L，黃腐酸30 g/L)提供，氮、磷、鉀主要由尿素(含46% N，溶解度67%)、磷酸一銨(含氮12%，含P2O561%)與農(nóng)業(yè)用硫酸鉀(K2O含量≥51.0%，S含量≥17.5%)提供。同時(shí)，采用寧夏農(nóng)林科學(xué)院自主研發(fā)枸杞滴管專用型肥料果施寶58%(含氮28%，含P2O525%，含K2O 5%)對(duì)氮、磷、鉀進(jìn)行補(bǔ)充。對(duì)照區(qū)有機(jī)肥為牛糞，氮、磷、鉀肥采用尿素、磷酸二銨(含氮18%，含P2O556%)及農(nóng)業(yè)用硫酸鉀。傳統(tǒng)施肥方式為穴施后覆土，沿樹冠外緣挖穴，將肥料駛?cè)胙▋?nèi)后用土覆蓋。為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果在各處理間的可比性，水肥一體化各處理肥料均分4次同期施入，4次施肥各處理的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀均按40%、30%、20%、10%施入。CK區(qū)按照傳統(tǒng)習(xí)慣施肥，有機(jī)肥在春季施1次，化肥同樣分4次施入且時(shí)間與水肥一體化保持一致。水肥一體化及CK各小區(qū)全年灌水量相同，為 26萬L。枸杞剪枝、病蟲害防治、清園等田間管理措施均保持一致。

1.3 樣品采集及指標(biāo)測(cè)定

土壤本底樣品在試驗(yàn)開展前采集，試驗(yàn)結(jié)束后各小區(qū)土壤樣品在當(dāng)年枸杞秋果采摘后、冬灌前進(jìn)行采集。采樣方式為“S”形布點(diǎn)，取樣深度為20 cm，各小區(qū)分別取5點(diǎn)的混合成1個(gè)土樣，共21個(gè)混合土樣。將土樣在室溫下進(jìn)行風(fēng)干，過2 mm篩后，分別測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量。采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀含量采用NH4OAC浸提-火焰光度法測(cè)定[9-10]。

在各小區(qū)中間區(qū)域相鄰2行連續(xù)選取10株枸杞植株作為田間觀測(cè)樣本，每小區(qū)共計(jì)20株。在枸杞果實(shí)成熟期，對(duì)觀測(cè)樣株單獨(dú)采摘、測(cè)定果實(shí)質(zhì)量。隨機(jī)選取觀測(cè)樣株頭茬果和盛果期鮮果1 kg測(cè)定其總糖、多糖含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel軟件和SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析及制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥一體化對(duì)枸杞產(chǎn)量影響分析

由圖1可知，水肥一體化各處理枸杞產(chǎn)量處理5>處理1>處理3>處理6>處理4>處理2，處理5枸杞產(chǎn)量最高(2 230.28 kg/hm2)，處理2產(chǎn)量最低(1 706.37 kg/hm2)，各處理平均產(chǎn)量為1 904.93 kg/hm2，均高于CK的產(chǎn)量(1 591 kg/hm2)；枸杞產(chǎn)量增加115.37～639.28 kg/hm2，產(chǎn)量平均增加313.93 kg/hm2。由圖2可知，水肥一體化各處理產(chǎn)量增產(chǎn)率最低為7.25%，最高可達(dá) 40.18%，平均產(chǎn)量增產(chǎn)率為19.73%。

2.2 水肥一體化對(duì)枸杞品質(zhì)影響分析

由圖3可知，頭茬果枸杞總糖含量均高于盛果期總糖含量。水肥一體化各處理頭茬果與盛果的總糖含量均高于傳統(tǒng)常規(guī)施肥CK，其中處理3、處理5頭茬果總糖含量較高，分別為180、178 mg/kg，總糖含量最少為161 mg/kg，均值為 170.5 mg/kg。頭茬果總糖含量較傳統(tǒng)常規(guī)施肥提高了1～20 mg/kg，平均提高10.5 mg/kg，總糖含量提升率為 0.63%～12.5%，平均提升率為6.56%。盛果期水肥一體化各處理總糖含量為122 mg/kg～128 mg/kg，平均為 126.5 mg/kg，盛果總糖含量較傳統(tǒng)常規(guī)施肥增加4～10 mg/kg，平均增加 8.5 mg/kg，提升率為3.39%～8.47%，平均提升率為7.2%。

圖4顯示，頭茬果多糖含量與盛果期相比，除處理4和處理6外，其他各處理表現(xiàn)出的規(guī)律與總糖含量相一致，即頭茬果多糖含量高于盛果期。水肥一體化頭茬果多糖含量除處理6與傳統(tǒng)常規(guī)施肥相同外，其余均高于CK。各處理多糖含量最高增加3.5 mg/kg，平均增加1.7 mg/kg，最大提升率為44.87%，平均提升率為22%。盛果期水肥一體化各處理多糖含量為8.0～10.1mg/kg，平均為9.2mg/kg，增加了1～3.1 mg/kg，平均增加2.2 mg/kg，多糖含量提升率為14.29%～44.29%，平均提升率為31.43%。

2.3 水肥一體化對(duì)枸杞土壤養(yǎng)分影響分析

將各小區(qū)0～20 cm深混合土樣測(cè)定的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀含量整理計(jì)算并繪制成圖(圖5)。由圖5-a可知，處理1、處理2及CK土壤有機(jī)質(zhì)含量低于土壤本底，其余處理的有機(jī)質(zhì)含量均高于土壤本底；與傳統(tǒng)施肥相比，土壤有機(jī)質(zhì)含量依次為處理6>處理5>處理3>處理4>處理1=CK>處理2，由于處理1和處理2沒有施用有機(jī)肥，它們的土壤有機(jī)質(zhì)含量與CK相近，其中處理2的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，為3.45 g/kg；有機(jī)質(zhì)+氮磷鉀配方肥的各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于傳統(tǒng)施肥的CK處理，其中處理3為有機(jī)質(zhì)+氮磷鉀配方肥各處理中施用有機(jī)肥最少的，但其土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.09 g/kg，也高于CK的3.83 g/kg。

由圖5-b可知，各處理土壤堿解氮含量均高于土壤本底，水肥一體化各處理土壤堿解氮含量依次為處理6>處理4>處理1>處理5>處理3>處理2，均高于CK(28.56 mg/kg)。圖5-c顯示，除處理3土壤速效磷含量(23.35 mg/kg)與土壤本底(23.75 mg/kg)相近外，其余水肥一體化各處理均高于本底；水肥一體化處理中，除處理3和處理5土壤速效磷含量與CK相近，其余各處理均遠(yuǎn)高于CK(27.20 mg/kg)。圖 5-d 顯示，各處理土壤速效鉀均高于土壤本底；處理3、處理4土壤速效鉀含量低于CK，其余水肥一體化處理土壤速效鉀含量均較CK高。

2.4 水肥一體化對(duì)枸杞投入影響分析

本次試驗(yàn)中傳統(tǒng)施肥區(qū)與水肥一體化智能控制施肥各小區(qū)灌水都采用水肥一體化設(shè)備進(jìn)行滴灌，且滴水時(shí)間、時(shí)長及滴水量均控制相同。為了使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，水肥一體化施肥時(shí)間與傳統(tǒng)施肥一致，且CK穴施覆土后，對(duì)傳統(tǒng)施肥區(qū)進(jìn)行滴水時(shí)，滴水量也控制到與水肥一體化施肥的需水量相一致，所以水肥一體化各處理與傳統(tǒng)施肥CK區(qū)的灌水量相同。另外，枸杞在修剪、病蟲害防治、除草等方面均采用相同管理模式。故本次試驗(yàn)在枸杞生長投入方面的差異主要表現(xiàn)在肥料投入量、肥料費(fèi)用及施肥用工。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)將有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀折合成實(shí)物量(表2)。

表2 試驗(yàn)各處理折合實(shí)物量

由表2可知，水肥一體化各處理投入肥料最多，為 2 691.0 kg/hm2，平均肥料投入為1 725.75 kg/hm2。傳統(tǒng)施肥方式為有機(jī)質(zhì)5 kg/株，每公頃為16 650 kg；尿素、磷酸二銨及農(nóng)業(yè)用硫酸鉀的混合肥按照0.6 kg/株施入，共計(jì) 1 998 kg/hm2，CK肥料投入量為18 648 kg/hm2，遠(yuǎn)高于水肥一體化各處理的肥料投入量。按照黃腐酸營養(yǎng)液、尿素、磷酸一銨、農(nóng)業(yè)用硫酸鉀及果施寶市場(chǎng)價(jià)1 500、1 500、7 000、4 000、11 500元/t計(jì)算，水肥一體化各處理肥料投入費(fèi)用依次為9 546、6 912.6、6 219.9、5 217、6 288、8 266.2元/hm2，水肥一體化肥料投入平均費(fèi)用為7 075.5元/hm2，傳統(tǒng)施肥投入肥料費(fèi)用為10 500元/hm2。水肥一體化各處理可節(jié)省肥料費(fèi)用最少為954元/hm2，最高節(jié)省4 280.1元/hm2，平均節(jié)省肥料費(fèi)用3 454.5元/hm2。施肥用工方面，水肥一體化完成全年4次施肥需要用工7.65人/hm2，傳統(tǒng)施肥按全年4次施肥計(jì)算用工為24.75人/hm2，施肥可節(jié)省17.1人/hm2，采用水肥一體化智能設(shè)備開展枸杞施肥可顯著提高效率，大大節(jié)省勞動(dòng)力。

3 討論與結(jié)論

水肥一體化技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)施肥技術(shù)的重要改良，是提高肥水利用效率、減少環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增收、節(jié)支的關(guān)鍵技術(shù)[11]。該研究通過選取有機(jī)肥+氮磷鉀配方施肥和氮磷鉀配方施肥，采用水肥一體化智能控制裝備開展枸杞田間試驗(yàn)，從枸杞產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤養(yǎng)分及投入成本4個(gè)方面對(duì)水肥一體化技術(shù)在枸杞種植中的應(yīng)用效益進(jìn)行對(duì)比分析，明確該技術(shù)在枸杞產(chǎn)量提高、品質(zhì)提升及成本節(jié)約方面的量化信息，對(duì)推動(dòng)水肥一體化技術(shù)在枸杞種植中的推廣具有重要實(shí)現(xiàn)意義。

本試驗(yàn)水肥一體化枸杞產(chǎn)量提高了115.37～639.28 kg/hm2，平均提高313.93 kg/hm2，產(chǎn)量增產(chǎn)率為 7.25%～40.18%，平均增產(chǎn)率為19.73%。

總糖含量和多糖含量為枸杞品質(zhì)主要的生化指標(biāo)。頭茬果總糖含量，水肥一體化技術(shù)提高1～20 mg/kg，平均提高10.5 mg/kg，提升率0.63%～12.50%，平均提升率為6.56%；盛果期總糖含量，水肥一體化增加4～10 mg/kg，平均增加0.85 mg/kg，提升率為3.39%～8.47%，平均提升率為 7.20%。頭茬果多糖含量除處理6與傳統(tǒng)常規(guī)施肥相同外，其他各處理均有所增加，最高增加3.5 mg/kg，平均增加 1.7 mg/kg，最高提升率44.87%，平均提升率為22.00%；盛果期多糖含量，水肥一體化增加1.0～3.1 mg/kg，平均增加 2.2 mg/kg，提升率為14.29%～44.29%，平均提升率為31.43%。

土壤速效養(yǎng)分含量對(duì)施肥的響應(yīng)比較敏感。本試驗(yàn)水肥一體化各處理的施肥量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)常規(guī)施肥，但同時(shí)又能提高產(chǎn)量、提升品質(zhì)，0～20 cm深的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量基本高于土壤本底和CK，初步得出水肥一體化技術(shù)在枸杞生產(chǎn)中同樣可以提高肥料利用率，在保持土壤養(yǎng)分及改善土壤環(huán)境方面具有一定的促進(jìn)作用。在枸杞種植肥料費(fèi)用及用工投入上，水肥一體化技術(shù)可節(jié)省肥料費(fèi)用954.0～4 280.1元/hm2，平均節(jié)省肥料費(fèi)用3 424.5元/hm2；平均節(jié)約用工17.1人/hm2。

枸杞產(chǎn)量與品質(zhì)受外部環(huán)境影響很大，土壤環(huán)境變化是長期復(fù)雜的過程[12]。本研究是基于連續(xù)2年采集的數(shù)據(jù)展開的，在水肥一體化技術(shù)對(duì)枸杞產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤影響的年際變化特點(diǎn)、穩(wěn)定性方面的研究還須進(jìn)一步深入。此外，通過完善配方施肥處理，豐富數(shù)據(jù)分析方法，補(bǔ)充采集枸杞百粒質(zhì)量及粒度等表征枸杞品質(zhì)的數(shù)據(jù)，在進(jìn)一步全面深入量化分析枸杞水肥一體化智能控制裝備應(yīng)用效益的基礎(chǔ)上，在明確枸杞最佳施肥水平組合及最優(yōu)施肥方案方面仍須深入開展研究。