水肥氣熱耦合在農業灌溉中的研究進展

張彩霞，張 芮，王引弟，張小艷，李妙祺，楊昌鈺，溫 文

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

在水資源極度短缺，農業環境污染嚴重的背景下，農業生產面臨著巨大挑戰，且長久以來，我國農田傳統灌溉方式粗放、大水大肥問題突出，不僅水的利用效率不高，且形成了“三高三低”惡性循環，給種植環境也造成了難以短時間逆轉的不利影響，我國的水資源儲量有限，為緩解水資源短缺和灌溉用水增加引來的生態環境問題，需在農田灌溉中采取些措施提高水資源利用率[1]。因此，大力推動節水灌溉，發展節水農業，推進綠色生產方式，緩解農業供需矛盾，提高農田灌溉水利用系數及節水灌溉率，促進農業高效節水體系建設，在保障高產優質的前提下減少灌溉用水量使農業可持續發展[2]。

水、肥、氣、熱是影響農作物生長的重要因素，適宜的水分和良好的養分是作物高產優質的基本保障，了解影響作物根系發育及其生長環境相互作用的因素是了解作物在農業生態環境中生產潛力的關鍵。根系營養物質和水分是兩個獨立的過程，水分的有效性影響著整個土壤的物理化學過程及微生物和植物的生理過程，使得土壤水分和養分密切而復雜地聯系在一起[3]。作物生長在一定的降雨、光照、氣候以及土壤條件下進行的，氣候、土壤性質及施肥是決定作物長勢的關鍵因子，而在這些環境中水分和養分的運移特性及空間分布情況與作物生長發育過程密切相關，直接影響作物種子萌發、出苗新陳代謝及后期成長。水肥耦合灌溉技術在我國已大量的推廣應用，且取得了顯著效果[4]；加氣灌溉也改善了作物根區環境，研究表明，加氣灌溉改善了作物根區環境，增加了根系活力，提高了作物產量和水分利用效率[5]；提高根區溫度對作物生長有顯著促進作用，研究表明增高溫度可以影響土壤脲酶活性更有利于氮肥轉化，被作物有效吸收[6]，還可以直接影響根系生長，從而影響根系活力，提高水分養分的運輸能力，觸發了向根區增加氧氣的驅動力[7]。因此調節供給作物生長需要的水分養分和根部生長環境至關重要，通過控制灌水、施肥、加氣、增溫調節農作物生長達到增產節水的目的，協調好水、肥、氣、熱四大因素之間的關系，進一步實現節水、節肥、增產、增效、環保的效果，水肥氣熱耦合是現代化農業轉型的重要手段，為水肥氣熱耦合在現代化農業轉型發展提供理論依據。

1 水肥耦合對作物的影響

1.1 水肥耦合對作物生長及產量的影響

水肥耦合指水和肥料二因素之間的協調作用在農業生態系統中對作物生長的響應機理及其利用效率。因地制宜地調節水分和肥料，使它們處于合理的范圍，達到“以水促肥”和“以肥促水”的目的，施肥可促進作物冠層的發育，增強了氣孔的抵抗力，降低氣孔的電導率，減少蒸騰作用，提高蒸騰比，從而提高葉片水分利用效率[8]；水分作為載體向根系運移養分礦物質，水分的充足影響養分的遷移速率，且水分含量影響營養成分的轉化[9]，根區交替灌溉可以有效調節植物營養與生長之間的關系，促進光合產物的合理分配[10]，因而使水肥產生協同作用，實現高產優質和節能環保將有重要意義。水肥管理因子主要包括灌溉量、施肥量、施肥濃度、施肥頻率、水肥耦合方式等5個主要因素，也是灌溉施肥制度的核心重要部分，它們的變化首先引起水分和養分在土壤中空間分布的動態效應，進而影響作物根系吸水、根系生長、作物蒸騰速率、光合速率等生理過程，并最終反映在作物生理生態指標上[11]。干物質的積累是作物營養狀況的反應，作物對土壤礦物質的養分吸收是有選擇性地，灌溉施肥不當造成資源浪費且影響土壤的連作能力，適宜的水肥條件和時機才能促進發育生長。孟亮[12]的研究表明水肥一體化技術相對于常規溝灌沖施肥能提高辣椒的干物質量，根和果實干物質積累總量增大了9.21%，干物質的積累用于供應和促進果實充實膨脹和營養物質積累，提高果實中的分配比例改善辣椒品質。在滴灌條件下，充足的水分對西瓜株高的生長有積極作用，增加灌溉量反而抑制了莖粗的生長，中肥可以促進西瓜苗期生長，呈現出較好的產量潛力，綜合得到中水中肥使西瓜光合蒸騰作用維持在最好的狀態，使其營養生長旺盛，獲得較高的產量[13]，與常規溝灌施肥相比番茄產量增加了46.9%，干物質與養分的積累受灌水和施肥的影響，氮吸收含量與灌水量成正比[14]，這與樊兆博[15]等關于滴管施肥對設施番茄的產量影響及氮素平衡表現研究結果一致。在半干旱地區不同灌溉方式對番茄的綜合效益表明[16]，滴灌是半干旱地區節水增產較為理想的灌溉方式。張麗瑩[17]的研究表明養分越充足越利于水果黃瓜物質量的積累，有足夠的有機營養物質輸送到生殖器官中，營養器官生長茁壯時，生殖生長才能旺盛，高肥處理在整個生長期中供應過多的氮素，延緩了作物衰老速度在結果期獲得高產。綜上，水肥耦合效應顯著，施肥基于土壤肥力，重點在于農作物的生長和發育以及對肥料的需求特征，將水肥比控制在適宜范圍，根系又是作物吸取養分和水分的重要器官，在最適當的時間，最適量的水分和養分將被輸送到最活躍的根部區域，這將同時滿足作物時間和空間對營養物質的吸收，并將促進各器官的生長和光合有機質的合理分布，將水肥耦合的效應得到充分發揮。

1.2 水肥耦合對水分利用效率及作物品質的影響

水、肥料是影響作物生長和水分利用效率的兩個重要因素，大量研究表明適當的灌溉可以促進肥料的轉化以及作物對肥料的吸收和利用，并提高肥料的利用率，同時適當的肥料還可以調節用水過程，提高用水效率[9，18- 19]。水和肥料對春小麥水分利用效率表現出交互耦合效應，氮肥的施用量取決于土壤的水分含量，灌溉水的量取決于氮的施用水平，合理的氮、水配合，才能發揮最佳交互耦合作用，獲得最高產量，獲得最高水分利用效率[20]。施肥可促進根系發育，提高根系吸水率，提高葉片光合能力并增加同化含量。隨著施肥量和澆水量的增加，適當的提高了草莓內在品質，在中水高肥的組合處理中獲得較高的產量及最高的水分利用效率[21]。營養品質的綜合評價指標為提高作物品質提供了科學依據，而評估和比較向來復雜而有爭議。研究表明不同水肥處理對番茄品質指標有極其顯著是的影響，增加灌水量會顯著降低番茄紅素、Vc、可溶性糖含量，表明水分對各指標有稀釋作用，隨施肥量的增加番茄品質含量及營養物質先增大而后降低，施肥過量導致土壤中的硝酸鹽殘留過剩，使土壤鹽漬化，而灌溉量在一定程度上促進了硝化作用，加快有機質的分解，滿足作物對養分的需要，使作物正常發育生長，進而有效地改善品質提高水分利用效率[22- 23]。 Cabello等研究表明適度虧缺灌溉不降低甜瓜產量，可獲得較高的水分利用效率，嚴重虧缺使果實重量下降，隨著施氮量的增加，不僅降低了果實產量，而且由于果實內部空腔增大，果實中空，果肉少，從而降低了果實品質，建議當灌水量為90%的蒸發量且施肥量接近90kg/hm2時，可獲得最佳產量和品質[24]，所以水分和養分的管理是獲得高產優質品質的關鍵。Liu等發現在最佳氮源條件下，施用鉀肥使可溶性固形物含量增加可提高滴灌加工番茄的品質[25]。

2 水氣耦合對作物的影響

2.1 水氣耦合對作物生長發育的影響

作物生長需要的大部分養分和水分通過土壤獲得，最基本營養元素的吸收與根系代謝活動的過程緊密相關，這些過程需要根系細胞呼吸產生的能量，這對應于氧氣存在下光合產物的降解，根系需在釋放二氧化碳的環境中找到氧氣，充足的氧氣進行根系呼吸并維持根系和植物的良好代謝功能，缺氧會減緩作物根系呼吸、水分微量元素吸收動力和生物量的生成，增加進入植物的鹽分從而阻礙作物生長，所以根區水、氣、熱等微環境對作物生長極為重要。通過加氣滴灌向作物根區輸送氧氣是一種創新的方法，被稱為氧化法，發現根系曝氣可以改善缺氧條件下的作物性能[26]；根區通氣可以對土壤根區通氣可以改善土壤理化特性并減緩水氣矛盾，使微生物活性和礦物質轉化保持最佳狀態，促進與大氣交換改善土壤環境[27]。加氣灌溉利于番茄生長，相比不加氣灌溉株高增加36.54%，莖粗增長6.82%，可以提高番茄的生長量[28]；番茄基質通氣栽培模式的效果發現，基質通氣栽培可為植株生長提供較合適的根際氣體環境，增強了番茄根系的生長潛力，并提高植株的凈光合速率、根系活力和吸收能力[29]。加氣滴灌有效提高葉片的葉綠素含量和氣孔導度，另外進行地下加氣滴灌可以改善有氧呼吸，提高根的呼吸效率并利于礦質營養的吸收和光合速率的提高[30]。同時大量研究通過對溫室甜瓜、番茄，加氣灌溉實驗，結果表明，加入氣體以后促進作物根系對水分的吸收，改善了干物質的積累，促進作物生長并提高植株生長速率，總體來說合理的加氣灌溉措施保障了作物的生長[31- 32]。

2.2 水氣耦合對作物產量及品質的影響

根區通氣改善根區氧環境，保證了植株生理功能的正常運行，提高了果實直徑及厚度，增加單個果實質量，都隨著加氣頻率的增加而提高[33]。Bhattarai[34]等在重黏土土壤種植試驗中，在灌溉周期利用MazzeiTM空氣注射器進行高壓和空氣噴射，種植的大豆和棉花在產量和水分利用效率上都有不同程度的提高；國內學者[35]利用Mazzei空氣注射器菠蘿在田間加氧灌溉試驗表明，通過地下滴灌系統向根區加氣，可以提高土壤氧濃度，增強根系呼吸，促進作物生長，增加新鮮生物量，有利于菠蘿的生長發育，并改善了根區土壤呼吸，根系功能增強并增加了菠蘿生物產量和收獲指數，使果實大小、含糖量明顯提高；同時對棉花的氧化處理表明，氧循環提高棉花根冠的生長，使鮮生物量、干物質和棉鈴蟲的增重，而氧脅迫對棉花鮮生物量和干物質產量有交互作用[36]。不同地下灌溉方式加氣灌溉對溫室芹菜生長及產量影響表明，滲灌加氣灌溉對芹菜生長有一定正效應，可同時達到節水高產，優化灌溉水生產效率，利于硝態氮的吸收利[37]。加氣灌溉對根部土壤環境的調節、土壤生理生化特性以及農作物生理指標的影響，促進了作物的光合作用及新陳代謝速率，從而加快對養分水分的吸收促進作物生長旺盛來實現增產和改良品質，為節水農業和高效生產作出更好的貢獻[38- 39]。

3 水熱耦合對作物的影響

溫度是決定自然生態系統中各種結構和功能特性的重要生態因素。灌溉水溫影響土壤溫度，而根區溫度直接影響養分營養物質的運輸特性，根系土壤礦物質營養積累和轉化，以及對養分和水分的吸收能力，溫度過低會減少水中的溶解氧含量，影響養分和水分的的有效吸收，礦物營養物質的分解轉化，從而影響植株生長發育，灌溉水溫度對作物生長發育有著重要影響[40]。3種不同溫度處理在小麥各個生育期的影響顯著，小麥冬前至返青期低溫處理明顯抑制根系發育，各生長指標均比常溫處理顯著降低，越冬前和越冬期高溫促進了根系生長[41]。有研究表明，在三維栽培條件下，20～35℃的水溫灌溉一定程度上增加油麥菜的莖粗、葉片數和葉綠素含量，25℃是最適合油菜雙低油菜籽生長的灌溉溫度[42]；同時利用不同溫度熱水灌溉后，發現35℃水溫對番茄株高、莖粗、開花數、結果數、葉面積、葉綠素含量、植株根系形態指標有顯著的增加，水溫過高或過低水溫會抑制某些物質的形成不利于作物生長[43]；而在寒冷地區，低溫是水稻生產的主要限制因素，根區低溫導致葉面積減少進而影響光合速率抑制水稻植株干物質的生產[44]。由于溶質的溶解速率隨溫度的升高而增大，灌溉水增溫在一定程度上提高作物對礦物養分的吸收，從而影響光合作用加速新陳代謝促進生長。在水培條件下，不同根區溫度會影響生菜生長和礦質元素含量，生菜的生長隨著根區溫度的升高在最佳的根區溫度達到最大值，在25℃時達到最大值，當溫度繼續升高根葉的生長受到嚴重抑制，由于根區高溫導致植物根部細胞功能紊亂，根系活力降低，直接影響到植株對礦物質元素和水分的吸收[45]。綜上表明適宜的水溫變化與調節對促進作物正常生長有積極作用。

4 水肥氣熱耦合對作物的影響

國內外專家學者對水肥耦合、水氣耦合、水熱耦合均有研究，成果十分豐富，土壤水、肥、氣、熱四因素耦合對作物生長及產量品質的影響，是農田水土的影研究熱點，寧夏大學田軍倉教授團隊系統的對番茄、黃瓜、西瓜、甜瓜、辣椒的水肥氣熱耦合做了研究。馬繼梅利用正交實驗法對溫室中的進行了水肥氣熱的系統研究，得出的結論是：影響溫室番茄產量的主次因素依次為地熱管水溫、溶氧量、灌水定額、施肥量，各種因素組合及產量的變化決定了膜下滴灌條件下溫室番茄產量最優組合方案，并采用旋轉組合設計方法建立了水肥耦合最優產量模型，為節水灌溉和溫室番茄高產優質提供了理論基礎[46]。歐陽贊在膜下滴灌條件下對溫室西瓜水肥氣熱耦合的研究表明，通過正交試驗得出影響主控因素為灌溉定額和施肥量，綜合考慮生長指標、光合作用指標、品質、果實形態及產量，最佳組合即為灌溉定額6062m3/hm2、施肥量75kg/hm2、溶解氧6.5mg/hm2、地熱管水溫36℃，通過四因素五水平二次回歸通用旋轉組合試驗，建立了溫室西瓜水肥氣熱與各類生長指標的數學模型，經分析得到各類指標與四因素間的變化規律及耦合效應，通過各類指標綜合比較得到水肥氣熱耦合的最優組合[47]。張瑞彎在膜下滴灌過程中研究了水肥氣熱不同組合對黃瓜生長影響規律及作用機理，得出各因素對黃瓜產量影響中地熱管水溫極其顯著，最優的組合方案為灌水定額160～170m3/hm2，施肥量175.43～184.57kg/hm2，地熱管水溫34.9～35.9℃[48]。將土壤中水肥氣熱4個因素相耦合，可以相互作用，很大程度上改善了作物根系的生長環境，水分是影響作物生長發育的重要控制因素，以水溶肥，以水促進施肥，同時以肥調水，加強作物根系對水分和養分的吸收，加氣灌溉使土壤通氣性增強，而充足的氧氣又利于土壤微生物群落發揮作用并降解有機質，起到改善土壤結構的作用，土壤中含氧量提升，土壤的根系呼吸效率增高，從而保證最佳的根系功能、微生物活性和礦物質轉化，地熱管加熱水灌溉，可增高土壤溫度，使肥料得到有效吸收和利用[49]。這些研究為水肥氣熱耦合一體化灌溉技術奠定了基礎，為溫室蔬菜增產增效提供了有利的途徑，仍需要更深入的探究。

5 問題與展望

隨著水肥耦合、水氣耦合、水熱耦合、水肥氣熱耦合灌溉模式的應用，在一定程度上改善灌區生態環境，為全面改善農業生產提供了有效的途徑，提高了水肥利用效率，促進了作物增質優產，轉變了農業發展方式，緩解了水資源日益短缺，但目前仍存在以下一些問題。

5.1 存在問題

(1)由于家庭生產模式較分散和城市化的影響，使農村常駐人口逐步老齡化且民眾文化水平普遍落后，缺乏專業知識，不掌握科技農業運營技術，使用機械化種植水平低，在一定程度上制約了節水灌溉技術的發展。

(2)政府補貼扶持力度缺乏持續性，對基層推廣傳播不到位，民眾節水意識短缺，技能培訓的專業人員服務意識淺薄。

(3)節水灌溉技術與產品結合不夠緊密，只注重了灌溉施肥加氣增溫的設備，忽略了水肥、水氣、水熱之間的灌溉制度優化。

5.2 展望

(1)加快完善國家農業節水政策體系，根據大型節水工程的建設，同步改造田間節水設施，推動信息技術與灌區建設相融合，實現現代化灌區。

(2)促進農藝節水技術發展，將水肥氣熱灌溉一體通過精準化化、標準化的技術規范向用戶推廣使用，提供專業的指導培訓，轉變用戶傳統農業生產的思想觀念，調動民眾的積極性，政府部門應制定合理的惠民政策大力的宣傳和扶持，完善節水技術服務體系。

(3)加強農業物聯網技術的發展，通過不同功能的傳感器、無線網絡通訊技術、信息綜合處理對農作物的生長及環境實時監控，使用傳感器對溫度、土壤水分、土壤養分、氣體濃度、光照強度、PH值等數據的檢測，用戶可以通過物聯網傳感器的反饋信息了解農作物的生長狀況，為水分養分精準化管理奠定基礎，并可根據作物的生長狀況及時進行調整，在不同生育期將水肥氣熱精準的補給給作物。

(4)優化地域特色農業節水提質增效灌溉技術，根據地域水土資源的特點，集成特色經濟作物節水增效種植，大力發展綠色經濟產業，實施區域規模化的水肥氣熱一體化灌溉 模式，增強實用性和針對性，做好試點示范工作，實現示范化、標準化，更好的推廣應用。

隨著農業生產向著全面機械化及信息化、自動化及精準化邁進，利用噴灌、微灌、地下灌、膜下灌、滲灌等具有發展潛力的灌溉技術，加大新型灌溉節水一體化技術的研發力度，綜合考慮作物生長環境及生理發育等多過程，在不同地域、土壤、氣候條件下進一步探索土壤-作物-大氣系統中水肥氣熱耦合效應，基于水肥氣熱一體化的條件下水分的運移、養分的吸收、土壤肥力、微生態環境保護等方面的機理研究，依靠科技創新推動水資源短缺綠色可持續發展模式。