蔬菜水肥一體化研究進展分析

吳現兵，白美健，李益農，章少輝，史 源

(1. 中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100048； 2. 河北農業大學城鄉建設學院，河北 保定 071001)

水肥一體化的雛形最早可追溯到18世紀末，英國的烏特沃爾特將植物種植在土壤的提取液中使其生長，之后無土栽培技術在英國、美國、荷蘭和以色列等國家先后發展起來。而以節水、節肥和水肥高效利用為目的的水肥一體化技術最早是20世紀60年由以色列人發明，之后在以色列快速普及和發展。自20世紀70年我國開始試驗并發展和普及水肥一體化技術，目前已在多種糧食作物、經濟作物、蔬菜、果樹和花卉等作物中應用[1]。

水肥一體化也稱水肥耦合，即將肥溶解于灌溉水中通過一定的工程技術措施隨水一起進入田間的作物根區供作物快速、高效利用，以達到節水、節肥、增產、增質、省工、省時、減污等目的。然而，并非水肥耦合一定就可達此目的，水肥耦合對作物的效應可能產生三種現象，即協同效應、疊加效應和拮抗效應。疊加效應是水、肥各自獨立的對作物產生作用，拮抗效應是水肥相互制約、互相抵消，其結果可能對作物產生負效應，協同效應是水、肥協同配合、相互促進來影響作物的生長已達到高產、優質的目的。由此可見，在作物的生長發育期內如何最大限度地發揮水肥的協同效應，是相關領域學者需要深入分析和研究的主要問題。

蔬菜作為人們生活的必需品，其種植規模在逐年擴大，由于人們普遍認為蔬菜只有“大水大肥”才能高產的錯誤觀念，過量水肥導致土壤微環境逐漸惡化，使得蔬菜出現減產、降質、病蟲害頻發等一系列問題。要解決這些問題必須因地制宜對蔬菜的需水、需肥規律和水肥因素之間的耦合機理進行深入研究，以正確充分發揮水肥之間的協同效應，達到保證蔬菜增產增質的同時提高水肥高效利用，減輕農業污染，使農業生態環境良性循環、農業生產和諧可持續發展。

1 研究現狀分析

1.1 蔬菜水肥一體化研究進展分析

蔬菜不同于小麥、玉米等糧食作物，蔬菜生育期內對水分、養分、光和溫度等感應極為敏感，不適宜的水分和養分供應、過多或過少的日輻射量、過高或過低的環境溫濕度等都可能加劇蔬菜病蟲害的發生幾率和出現減產、降質等一系列問題。為了攻克這一系列難題，園藝學、土壤學、作物營養學、農業水土工程等相關領域專業學者近幾十年開展了大量的研究工作，在中國知網檢索統計蔬菜、小麥、玉米、棉花、馬鈴薯、大豆、花生、蘋果、葡萄、梨、桃和柑橘等作物有關水肥一體化的期刊文章共1 154 篇(截止2018年3月)，其中有關蔬菜的期刊文章407篇；碩博論文共310篇，其中有關蔬菜的共81篇，分別占總數的35.27%和26.13%，各作物的具體占比如圖1所示。檢索番茄、黃瓜等常見的11種蔬菜有關水肥一體化的期刊文章和碩博論文占比情況如圖2所示，可見在蔬菜的研究文獻中，番茄占比最大，以番茄為例對公開發表的40篇碩博論文進行統計分析發現，87.5%的論文中研究了水肥一體化對番茄產量和其生長指標的影響，80%的論文中研究了水肥一體化對番茄品質的影響，5%的論文中對不同灌水施肥方式進行了對比分析。對論文的發表日期進行統計如圖3所示，自2003開始，有關水肥一體化方面的研究成果逐年總體呈增長趨勢，尤其是2012年之后論文的發表數量明顯增多，而且研究內容從單純的試驗數據分析比較向水肥對作物的作用機理方面深入，從水肥一體化對蔬菜生長發育影響向蔬菜耗水規律、最優水肥管理模式等方面發展。

圖1 期刊和碩博論文研究的主要作物類型篇數分布

圖2 期刊和碩博論文研究的主要蔬菜類型篇數分布

圖3 番茄水肥一體研究成果數量統計

1.2 水肥一體化對蔬菜生長、產量和品質影響研究進展

在影響作物生長的諸多因素中，水、肥是其中人為易控的關鍵兩因素，Harmnato等[2]通過進行田間對比試驗發現，在番茄生育期內不論是水分虧缺還是過飽和都會對其株高、莖粗、葉面積等生長指標和產量造成影響。肖自添[3]在溫室內研究了基質栽培條件下，水氮協同對番茄產量和品質的影響，并利用回歸方程分析了水分與氮素施用量對產量的影響，結果表明水肥交互存在閾值，只有適當的水肥配比才會使得作物增產明顯，同樣水、肥用量過高或過低也會影響番茄品質，主要表現在糖酸比指標的浮動較大。邱淵等[4]通過盆栽試驗并利用回歸方程分別分析了不同灌水量和N、P、K用量對番茄產量的影響，結果發現，灌水量、施氮量和施鉀量對番茄產量存在閾值上限，施磷量對番茄產量存在閾值下限，并提出使番茄經濟產量最高的最佳灌水和N、P、K施用量。袁宇霞等[5]在設施栽培滴灌施肥條件下研究發現，灌水下限和施肥量對番茄株高、葉面積、干物質累積、產量等的影響均存在閾值，而且在不同灌水下限和施肥量條件下番茄產量與干物質量、番茄產量與葉片的凈光合速率均呈顯著線性相關。

有關不同灌溉施肥方式下水肥一體化對蔬菜的生長與產量的影響方面，Hebbar等[6]人對滴灌施肥和溝灌施肥進行了對比，結果發現滴灌水肥一體化比溝灌水肥一體化在番茄干物質累積、LAI和產量方面分別高出29.74%、64.0%、20.84%。王欣[7]在日光溫室中采用滴灌和溝灌施肥兩種水肥一體化模式對比試驗也得出類似的結論，滴灌水肥一體化模式下番茄產量、株高、莖粗、LAI、地上部分干物質量、水分利用效率均顯著高于溝灌施肥，其中，產量高出溝灌15%～31.2%，水分利用效率高出溝灌90%以上。也有學者以蔬菜產量和品質為因變量研究水肥一體化對其影響，結果發現在閾值范圍內蔬菜產量隨著水肥用量的增加而增加，但蔬菜中的硝酸鹽含量、可溶性蛋白、可滴定酸含量與肥料用量呈顯著正效應、與灌水量則呈顯著負效應，而Vc、還原糖、可溶性糖則隨著灌水量的增加呈現“稀釋效應”[8, 9]。

1.3 水肥一體化對蔬菜養分、水分利用率影響研究進展

1.4 水肥一體化對蔬菜產量影響模擬研究進展

虞娜等[14]以產量為因變量，灌水量、N和K用量為自變量，建立數學回歸模型對番茄的模擬研究表明，灌水下限對番茄產量的影響顯著程度大于施N量、施K量影響最小，并且得出在灌水下限為85%θf、N肥用量為327.13～352.01 kg N/hm2、K肥用量為295.69～330.17 kg K2O/hm2時，番茄產量最高可達104.70～105.55 t/hm2。而陳修斌等[15]建立數學回歸模型對西葫蘆的模擬研究發現，對西葫蘆產量影響最顯著的為施N量，其次為灌水量，施K量影響最小(這與虞娜等人研究結果一致)，并且當西葫蘆在生育期內灌水量為2 815.5 m3/hm2，N、K用量分別為583.1、265.4 kg/hm2時，產量最高可達88.58 t/hm2。陳碧華等[16]以產量為因變量，灌水定額和施肥定額為自變量，建立數學回歸模型研究發現，灌水定額和施肥定額2因素與產量之間存在極顯著的回歸關系，然后通過對各項回歸系數進行顯著性檢驗，去除不顯著項后重新建立了優化的回歸方程，并以此方程模擬得出番茄的灌水定額為2 710.95 m3/hm2、施肥定額為264.6 kg/hm2時，產量可達到最高為116.25 t/hm2。

2 研究展望

2.1 擴大蔬菜水肥一體化的研究地域

水肥一體化大多配以滴灌等高效節水灌溉措施，該技術的應用具有明顯的節水作用，而我國水資源時空分布極不均勻，對于干旱及半干旱區對農業節水措施進行研究推廣和普及更具實際意義，以番茄水肥耦合研究為例，截至目前從中國知網可檢索到碩/博文共計40篇，文獻試驗研究地域統計如圖4所示，極度缺水的陜甘寧地區最多，占總量的50%；其次是華北地區占總量的22.5%，而水資源較為豐富的華中、華南等地區極少。

圖4 有關番茄水肥耦合碩博文研究地域統計

由已有研究文獻可知，蔬菜對水肥吸收利用存在閾值，水肥虧缺或過量都不利于作物的生長，且產量和品質會降低，而且水肥一體化正確發揮水肥的協同作用，既可以顯著對蔬菜增產、提質，又能減輕農業面源污染、改善生態環境。因此，應進一步擴大在水資源豐富地區蔬菜水肥一體化的研究和推廣。

2.2 建立模擬蔬菜生長發育過程及產量預測的機理型模型

目前就水肥一體化條件下蔬菜生長模擬模型大多是以產量為因變量，灌水量和施肥量為自變量建立的數學回歸模型，這些模型為純數學模型，其優點是可以準確地計量各因素之間的相關程度和回歸擬合程度的高低、除因變量和自變量外模擬結果不受其他因素或參數的影響，模型建立方便、簡單；缺點是模型通用性差，缺乏機理性研究，只能單純反映設定的因變量和自變量之間的關系，不能反映對其他參數或指標的影響。現有的機理型模型如WOFOST、AquaCrop、EPIC、APSIM等，包含氣象、土壤、作物生長、田間管理等多種模塊，融合了氣象學、植物生理學、作物栽培學、土壤學、農業工程等多個學科和領域，這些模型基本能夠較詳細的定量描述作物的生理生態過程，能比較精確的描述光照、溫度、水分、養分等要素對作物生長發育的影響，但就國內外已有文獻統計發現，大多用來模擬小麥、玉米、水稻、豆類等[17-21]作物，極少見有對蔬菜的生長發育過程和產量預測等的報道，因此，應建立可精確定量描述各種蔬菜的生理生態過程的機理型模型用以指導蔬菜高效生產。

2.3 蔬菜水肥一體化條件下需水、需肥規律研究

目前對蔬菜作物需/耗水規律的研究已有較多報道[22-26]，這些研究大多是采用某種節水灌溉技術，設定不同的灌水下限研究蔬菜在生育期內的需/耗水規律。只考慮灌水量單因素的蔬菜需/耗水規律與水肥一體化條件下的蔬菜需/耗水規律存在一定差異，因為水肥協同可增大LAI、提高水分利用效率，影響葉片的氣孔導度，影響光合、呼吸、蒸騰等作用，從而對蔬菜的需/耗水規律產生一定影響，另外，水肥協同條件下，考慮“以肥調水、以水促肥”效應，蔬菜對N、P、K等養分的需求量與常規施肥相比在各生育階段存在明顯不同。因此，應進一步加強研究蔬菜水肥一體化條件下需水、需肥規律，并建立計算模型對蔬菜的需水、需肥量進行模擬、預測，這對“適時、適地、適量”精準灌溉施肥意義重大。

2.4 深入研究區域蔬菜種植結構優化問題

蔬菜不同于大田糧食作物，具有種植時間隨機性大、生育期較短、一年多茬、產量高、經濟效益明顯、種植面積逐年增大等特點。考慮到經濟效益，使得一個地區某一時期種植蔬菜種類和品種隨機性很大，頻繁出現某一蔬菜品種連作情況，使得蔬菜的產量、品質明顯下降。為此應深入研究不同區域不同時期不同蔬菜種類對土壤環境的適應性問題，分析水肥一體化條件下農田土壤物理、化學、生物學時空變異特性及規律，結合環境氣象數據、蔬菜生長習性等，建立數學模型，通過數值模擬對區域蔬菜作物的種植結構進行優化。

隨著科學技術的飛速發展，“3S”、計算機、互聯網、無人機等技術已應用到許多領域，并取得了大量有價值的成果。對于農業生產，可將其與作物種類、水肥因子、土壤特性、氣象條件、管理措施等有機結合起來，建立水肥高效利用管理信息平臺，發展智慧農業和精量灌水施肥，以此來指導區域農業生產，將會大大促進區域農業生產向高產、優質和高效方向發展。

3 結 語

水肥供應時機和供應量對蔬菜的產量和品質均會產生較大的影響，為了尋求不同蔬菜的需水需肥規律，國內外學者進行了大量的試驗研究，并取得了豐碩的成果。本文在對已有研究分析的基礎上，根據存在的問題提出了今后我國蔬菜水肥一體化研究應向哪些方向發展的一些建議，以期為水肥一體化技術進一步在蔬菜生產中深入研究提供理論支持，并在蔬菜增產增質、區域節水節肥等方面也具有重要意義。