滴灌水肥耦合技術在西北干旱區作物栽培中的應用

董 昕，蘆 倩，王澤義，周三利，吳彥霖，王玉才，張恒嘉

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

作為農業大國，我國僅用全球6%的淡水資源和9%的耕地面積，解決了世界22%人口溫飽問題且自給率高達95%[1]。高效穩定的農業生產對我國糧食安全及全球經濟的發展至關重要。水和肥是作物生長發育過程中必不可少且較易控制的兩大因素，掌握二者的交互作用可以實現節水省肥增產的目標。我國西北干旱區幅員遼闊但水資源極端匱乏，因灌溉水資源短缺而造成的糧食減產問題十分嚴峻[2]。同時，該區農業生產過程中“大水大肥”現象普遍存在，水分和養分的不合理調配不僅導致水肥極大浪費，亦造成農田土壤中硝酸鹽含量超標危及地下水安全[3]。由此可知，診斷作物各生育期適宜水肥用量，采取適宜的水肥高效耦合利用技術是緩解西北干旱區水資源緊缺狀況和提高水土資源利用效率的關鍵所在。研究表明，準確而均勻的滴灌施肥，不僅可以滿足作物各生育期的水分及養分需求，還可以解決季節性干旱和部分區域水資源短缺的問題[4]。本文綜述了滴灌水肥耦合的優點及其對西北干旱灌區作物生長、品質及水肥利用影響的研究進展，以期為西北干旱區農作物高效栽培提供理論依據。

1 滴灌水肥耦合技術研究概述

1.1 滴灌水肥耦合優點

滴灌水肥耦合技術是一種適用于干旱和半干旱地區進行土壤水肥綜合調控的優化管理技術，其目的是實現以水促肥、以肥調水。滴灌水肥耦合的優點有以下4個方面。①顯著提高農作物水分和養分利用效率。與其他灌溉施肥類型相比，一方面水肥直接作用于作物根部，減少了水分及養分的流失；另一方面滴灌施肥頻率和間隙加強作物根系對水肥敏感度，進一步提高了水資源利用效率和作物本身對養分的汲取能力[5]。②農作物優質高產栽培，增加農業經濟效益。研究發現，滴灌水肥耦合可以使溫室番茄獲得充足的養分和水分，對番茄的品質指標及產量指標均有顯著影響[6]。③操作簡單，易于實現高度自動化農業生產，減少田間作業用工，釋放了大量農業勞動力，有廣闊的發展前景。④可以減少農藥的施用量、減輕因為過量施肥造成地下硝酸鹽污染和土壤板結問題，有利于健康綠色可持續農業的發展[7]。

1.2 滴灌水肥耦合數學模型

模型作為一種復雜的仿真技術，可以更好地模擬和再現水肥的運移分布情景。目前，國內外也有一些學者使用模型模擬的方法對滴灌水肥耦合進行了一些研究。GRDENSA A I等[8]通過構建二維數學模型模擬了不同滴灌水肥條件下土壤中氮素的運移，研究發現適宜頻率和速率的水肥供應能影響土壤氮素分布、轉化和淋失。孫文濤等[9]和鄭志松等[10]采用二次回歸組合設計，分別建立了玉米、小麥產量的水、氮、磷耦合模型，并分析得到水肥調控下3個因素影響作物產量的最佳組合方案。康玲玲等[11]研究了水肥條件對冬小麥生理特性及產量的影響。王新等[12]按照番茄各個生長階段需肥特性，構建了滴灌番茄臨界氮濃度稀釋曲線模型，并在此基礎上建立了優化模型，作為植株營養狀況的判定指標。

2 滴灌水肥耦合對西北干旱區作物的影響研究

2.1 作物生長和產量

旱區滴灌水肥耦合效應研究的意義在于改善土壤養分狀況，促進作物根系對深層土壤有效水的吸收，改變作物結構，提高作物抗旱性，進而影響作物地面生長部分，增加干物質積累，提高作物產量[13]。郭永杰等[14]進行了滴灌施肥玉米/小麥帶田水肥耦合試驗，建立了水氮施用量對玉米/小麥產量的耦合效應方程，結果表明，當施氮量為420.0 kg/hm2、灌水量為5 298.0 m3/hm2時，玉米/小麥帶田可獲得最高產量。適時適量的灌水和施肥對棉花的生長同樣十分重要，通過棉花滴灌水肥耦合試驗研究發現，在施純氮素150～225 kg/hm2水平下，棉花增產速度最大[15]。為探明河西冷涼灌區甘藍水肥最優管理模式，馬彥霞等[16]通過對比試驗研究表明，滴灌施肥條件下，水肥耦合效應相比單獨灌水和施肥對甘藍產量影響更為顯著，在H2F1(灌水9 d/次，施肥總量690 kg/hm2)處理下時，甘藍生物產量和干物質量最高。

2.2 作物品質

水肥交互耦合是栽培優質高產作物的有效措施，對作物品質性狀影響顯著。研究表明，釀酒葡萄在氮素充足、輕度水分脅迫下可溶性固形物含量明顯高于對照組7.5%以上，而在低氮素、輕度水分脅迫處理下漿果可溶性固形物含量仍有提高[17]。可見，水肥耦合可以改善釀酒葡萄果實品質。枸杞是寧夏地區主要的經濟作物之一，近年來圍繞水肥互作對枸杞質量的影響進行了研究，結果表明，灌水和氮肥交互效應對多糖含量影響最為顯著，而灌水和磷肥耦合效應對類胡蘿卜素含量影響顯著[18]。在同一灌水水平下增加肥料施用量，枸杞品質指標及營養物質累積量整體呈現先增加后降低的趨勢[19]。滴灌水肥交互作用對河西冷涼灌區甘藍葉球品質也有較大影響，在高氮肥、輕度虧缺灌水(灌水9 d/次，施肥690 kg/hm2)處理下，甘藍可溶性糖和Vc含量最高[16]。

2.3 作物水分利用效率

適宜的氮磷投入可以促進作物根系生長發育，進而擴大水分和養分在作物根區的運移范圍，提高作物對土壤儲水的轉化利用，減少土壤水分蒸發，在基本不改變作物總耗水量前提下，提高水分利用效率。宋娜等[20]在武威科學觀測實驗站進行的膜下滴灌馬鈴薯大田試驗研究發現，不同水氮條件下水與氮素之間存在著顯著交互作用，相同水分處理下馬鈴薯水分利用效率隨施氮量增加先增大后減小，施氮水平為135 kg/hm2時馬鈴薯水分利用效率最高；而在同一氮肥處理下，濕潤比40%處理下水分利用效率明顯高于70%處理，但產量低于70%處理。YANG Kaijing等[21]水肥耦合試驗研究也表明，在氮肥充足條件下，當土壤濕度保持在40%時馬鈴薯水分利用效率最高，但在同一灌水水平下不同施氮處理間馬鈴薯耗水量變化不明顯。

2.4 作物養分利用

滴灌水肥耦合有利于作物對養分的吸收和利用，從而減少肥料施用量，達到保護環境的目的。FRITSCHI F B等[22]認為，過量施肥會打破旱地棉花營養生長和生殖生長的平衡關系，進而推遲棉花成熟時間。而李培嶺等[23]則認為打破兩者平衡的主要原因是營養生長過于旺盛，當棉花滿足一定的養分需求后，肥料用量增加對養分吸收無明顯促進作用，具體表現為氮肥施用量增大到一定程度后氮素吸收、利用和生產效率明顯下降。“大水大肥”不僅不能使棉花獲得較高的養分積累，而且持續施氮會導致土層無機氮殘留量，加速環境污染的風險[24]。

3 結束語

滴灌水肥耦合技術是一項在節水減肥增產調質等方面具有顯著優勢的農藝措施，除此之外，還可以改善土壤生態環境，解決區域性水資源短缺問題。通過對滴灌水肥耦合技術在西北干旱區作物栽培中的應用梳理，發現作物不同生育期滴灌水肥耦合對其產量、品質及灌溉水分和養分吸收利用效率均有一定影響。從作物綜合效益及農田水土環境保護等方面綜合考慮滴灌水肥耦合效應是我國西北干旱區農作物栽培的必然選擇。同時，進一步研究和論證農田系統水、肥、氣、熱與作物生長的協調關系，建立農田水、肥、氣、熱高效管理信息系統，這將會穩定提高農業綜合生產能力，促進我國西北干旱區農業可持續發展。