水氮耦合技術在經濟作物栽培中的應用

康 海

（新疆烏魯木齊大禹節水集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830010）

0 引言

隨著社會經濟的迅猛發展和人們生活水平的不斷提高，農業經濟的發展已略顯滯后。作為農業創收的主要經濟來源，經濟型作物通常具有地域性強、經濟價值高、技術要求高、商品率高等特點，但其不合理的灌溉、施肥技術，不僅造成作物減產和水資源浪費等現象，還嚴重破壞了生態環境。因此，合理分配有限的水氮資源，使得作物獲得最佳經濟效益，對于農業經濟的發展至關重要。本文綜述水氮耦合技術在經濟型作物應用中的研究背景、意義、作用機理和應用效果，旨在為我國提高農業經濟發展，增加農業人口創收，發展優質高產水肥高效型農業生產提供借鑒作用。

1 水氮耦合技術發展概況

1.1 水氮耦合技術的提出

20 世紀10 年代初，MONTGOMERY 等為研究土壤肥力與水分之間的關聯，以玉米為試驗材料對其進行了科 學研究[1]。1953 年，LEARNER 和PAINTEN 在前人的基礎上，進行了更深層次的探討，發現土壤含水量和肥料的多少與產量的高低呈正比[2-3]。20 世紀60 年代，BROWN 等對作物的水肥利用進行了探討研究[1]。1975 年，ARNON 發現，合理施肥可有效提高水分的利用效率，這一研究為水肥耦合技術的發展奠定了堅實的基礎[4]。此后，水肥耦合技術逐漸進入眾多學者的研究范圍，為農作物種植提供了理論基礎。隨著我國農業經濟作物的發展，水肥耦合技術已被廣泛推廣，應用于農業生產實踐。

1.2 水氮耦合技術的研究意義

農田生態系統中水分循環受到灌水和施氮極大影響，灌水和施氮影響作物的耗水量。合理的灌水和施氮能緩解干旱和養分脅迫，增大光合面積和光合速率，增加產量，提升品質，進而提高水分和氮素的利用效率[5]。作為生命物質，在作物生長發育過程中，水分必不可少；水分是化肥溶解不可或缺的因素；作物營養向根系表面遷移及吸收養分過程中，水分也都必不可少。貫穿于作物整個生育時期，氮素含量影響干物質的累積及營養分配，合理的水氮條件提高了作物的光合性能，是決定農產品產量、質量的關鍵因素[6-8]。

2 水氮耦合對經濟作物栽培的影響

2.1 生長發育

保證農產品質量和品質的根本是保證作物正常生長發育，而水分是影響作物生長發育的重要因素之一。作物的高矮、莖稈的粗細、根的長短、葉片和花的形態都能反映出作物的生長發育狀況。灌水量不足，則會阻礙作物生長發育，導致葉片變小，葉綠素含量降低，進而降低光合作用，影響作物產量與品質。氮素同樣是作物生長發育不可或缺的重要元素之一，施氮量顯著影響作物的生長發育與產量。

OLIVIA H C 等[9]研究表明，作物生長對氮的響應比水更敏感。楊旸等[10]研究表明，增加施氮量或灌水量均可彌補二者缺乏造成的減產，但過量時反而引起負效應。王斌等[11]研究發現，水氮耦合存在閾值，不足和過量均會造成藜麥減產。水分和氮素在一定范圍內的互作呈現明顯的正相關，對藜麥的生長發育起到積極的促進作用；當施氮量超出某一范圍時起到負相關的作用，抑制藜麥的生長發育，而在施氮量37.5 kg/hm2、灌溉定額為50 mm 時，藜麥產量可達到最高。馬國禮等[12]研究指出，從辣椒結果盛期開始（180 d 后），同一灌水量下，隨著施肥量的增加，株高和莖粗均增加；在同一施肥量下，隨著灌水量的增加，辣椒的株高和莖粗呈增加趨勢。當灌水量為田間持水量的80%，磷、鉀肥施用量為當地施肥量，而施氮量為0.21 kg/m2時，可使辣椒株高、莖粗達到最大值。

2.2 次生代謝產物

藥用植物屬于經濟作物的一種，其有效成分為次生代謝產物，人們針對藥用植物的形態、藥理、藥效等進行了大量的研究，發現藥用植物的品質除了受遺傳特性的影響外，還受到外界環境和栽培技術的影響。相關研究表明，當改變藥用植物的外界環境時，其自身的次生代謝產物合成與轉化也會受到影響，適當的逆境環境可以促進其次生代謝產物的產出。氮元素是藥用植物重要的生命元素之一，自然也是影響藥用植物產量和品質的影響因素之一。

魏廷邦等[13]研究表明，在水分脅迫下，黃芪促進了甲苷化合物合成基因的表達，中施氮處理的黃芪甲苷含量較不施氮、低施氮和高施氮顯著提高，說明在適當的水分脅迫和氮肥施用量下，可以促進黃芪有效成分的積累。趙凇儀[14]研究表明，在三七營養生長期和開花期進行水分脅迫，可以有效促進三七皂苷R1 和人參皂苷（Rg1、Re、Rb1、Rd）有效成分的積累，說明在適當的生育期進行干旱脅迫，可以提升三七的總皂苷含量。劉家煦[15]研究表明，適度干旱條件下，有利于丹參素的合成；在土壤濕潤的情況下，更利于迷迭香酸和丹酚酸B 合成，且在同一施氮處理條件下，脂溶性、水溶性有效成分隨灌水量的增大而降低；在同一灌水處理條件下，脂溶性、水溶性有效成分隨施氮量的增大而降低。

2.3 產量

農業種植的最終目的是提高作物產量，從而獲得較高的經濟收益。水分虧缺嚴重會造成作物減產，而過度灌水會破壞作物營養生長與生殖生長間的平衡關系，不利于作物生長。氮肥用量過少會阻礙作物正常生長，施氮過多會降低作物氮肥利用效率和增產效應。故要提高作物產量及水氮利用效率，適宜的水分及肥料用量至關重要。

談建鑫[16]研究指出，在灌水量相同的情況下，隨著氮肥用量增加，油葵盤徑與千粒質量也增大，產量也隨之增加，當氮肥用量為360 kg/hm2時表現為最高，說明適宜的施氮量能有效促進油葵盤徑的增加，從而提高油葵產量。劉學娜[17]研究表明，灌水方法與氮肥用量會顯著影響黃瓜產量、品質及水肥利用效率，在一定范圍內，減少施氮及水分用量能夠在提高或不明顯降低作物產量的同時提高水氮利用效率。李越鵬[18]研究表明，籽棉產量主要由有效鈴數與單鈴質量乘積表征，適宜的水氮耦合能夠促進棉花對土壤中水肥的吸 收 利 用， 當 灌 水 量為 100%ETc、 施 氮 量 為300 kg/hm2時，籽棉產量較高，達到了7 421.0 kg/hm2。陳修斌等[19]研究表明，合理的灌水與施肥能促進番茄產量提高，番茄的產量與水氮用量、土壤酶活性等因素緊密相聯，良好的水肥用量能優化土壤微生物生長環境，促進番茄對水肥的吸收利用，進而有效提高作物產品質量。

2.4 水氮利用率

作物的生長受到灌水量與施氮量的影響，而水氮之間存在著明顯的耦合效應，灌水量的虧缺會阻礙作物吸收土壤中的氮素，而氮素過少會影響植物生長。在傳統的農業種植中，為了追求高產而過度灌水與施肥，不僅降低了水氮利用效率，還造成土壤水氮流失。適量的氮肥和灌溉量不僅能夠促進植物吸收土壤水分，對于氮肥利用效率的提高還有明顯作用，所以提高作物水氮利用效率是發展新型農業的必然選擇。

黃鑫[20]研究了水氮調控對機采棉的影響，結果表明，同一水分處理下，隨著氮肥用量增加，水分利用效率表現為先增加后減小的趨勢，存在一定的閾值，適宜的氮肥用量有利于水分利用效率的提高。王超[21]研究表明，灌水量減少與氮肥用量增加促進番茄水分利用效率提高，追施氮肥次數能夠改善水分利用效率，灌水量與施氮量減少降低番茄氮素利用效率。張芳園[22]研究表明，灌水量增加會降低作物水分利用效率，氮肥利用效率隨氮肥用量增加而降低，因此要選擇適宜的灌水與施肥量。高娜等[23]研究表明，水氮耦合顯著影響小油菜的水氮利用效率，隨著灌水量增加，氮肥利用效率呈上升趨勢，隨施氮量增加，肥料利用率呈下降趨勢，肥料損耗增加。

3 結束語

水分與氮肥是使經濟作物高產優質的重要因素，在我國農業種植中，不合理的灌溉與施肥嚴重影響農業可持續發展，水氮耦合作為一種科學高效的灌水施肥方式，還應在以下幾方面深入研究。

（1）大量研究集中在水氮耦合技術對作物生長動態、產量、品質及水肥利用效率等方面，而作物生理特性、體內重要酶、土壤等方面的研究較少，今后應加大研究力度。

（2）大田試驗大多都是基于對水分與肥料單因素或雙因素互作效應的影響研究，而氣與熱同樣是影響作物生長重要因素，今后應開展水肥氣熱綜合效應的影響研究，為農業提供更為科學合理的種植模式。

（3）目前農業主要依靠人工種植與管理，信息技術的高效發展可為今后農業發展提供更加有力的科技支持，在未來的農業種植中，應依靠科技的力量，加大農業信息化建設，為節水灌溉與農業持續發展提供科學依據和管理技術。