膜下滴灌水肥一體化研究進展

王 永， 張恒嘉， 李福強

（甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

農業是我國第一用水大戶，水利部2020 年水資源公報顯示，農業灌溉用水量3 612.4 億m3，約占用水總量的62.1%[1]。我國干旱缺水，人均水資源占有量少，且水資源時空分配不均，農業用水供需矛盾突出，化肥投入量大。據FAO 數據統計，2019 年我國化肥平均用量350.5 kg/hm2，遠超發達國家化肥施用水平上限225 kg/hm2[2-3]。這種高耗低效的水肥投入生產方式導致耕地土壤性狀惡化、養分流失、土壤板結及次生鹽漬化加劇，農作物品質降低，造成極大的資源浪費和生態環境破壞，影響農業可持續發展。

覆膜栽培農藝措施能顯著降低植株蒸騰和棵間蒸發，調整作物耗水結構，提高基礎作物系數，改善作物根際表層土壤局部水溫狀況，增加土壤微生物群落，提高作物水分生產力，進而達到增產增效目標[4]。滴灌系統通過灌溉設備將水分和養分以小流量、高頻率、緩慢均勻、定時定量浸潤土壤表層和植株根區，根據作物不同階段需水特性，實現同步調控水分和養分的精確供給，廣泛應用于干旱、半干旱地區[5]。膜下滴灌則集成了覆膜和滴灌技術的優點，能有效保護土壤團粒結構和改良土壤理化性狀，既可積溫保墑、節水節肥、減蒸抑鹽、增產優質，亦可減少病蟲草害及農藥施用量，顯著減少肥料淋失和營養元素奢侈消耗[6]。水利部2019 年統計數據顯示，我國微灌等高效節水灌溉面積達2 200 萬hm2，約占全國耕地面積的17.8%，發展潛力巨大[7]。但“大尺度、跨流域、多時空”水?肥?根?鹽交互耦合機制及普適性模型構建、高效綠色水溶肥和地膜研發、智能化系統設施配套及技術推廣將是亟待解決的問題。因此，通過系統科學管理和精確實施水肥動態調控的膜下滴灌水肥一體化技術對實現作物生產提質增效、化肥減施、鹽堿治理、環境保護與精準農業發展具有重要意義。

1 水肥一體化發展歷程

20 世紀60 年代初，以色列建成世界上首個現代滴灌系統。以色列水資源極度匱乏，60%土地處于干旱、半干旱區，極端的氣候條件迫使以色列發展高效節水技術并廣泛應用于大田、溫室、園林、生態綠化等多元種植領域。近年來，以色列大力發展地下滴灌、地下咸水淡化灌溉、污水循環灌溉及壓力補償滴灌技術，其中滴灌面積達69.7%，灌溉水利用效率和肥料利用效率分別達95%和80%[8]。在美國、日本、澳大利亞、南非津巴布韋等國家，隨著滴灌技術的推廣應用，水肥一體化技術也日臻成熟。美國水資源量充沛，2018 年滴灌面積達到了201 萬hm2，占有效灌溉面積的62.4%[9]。日本、澳大利亞水肥一體化應用率達90%，配備了較為先進的自動化水肥控制設備，有效提高了水資源利用效率。

我國于1974 年從墨西哥引進滴灌技術，在引進西方先進生產工藝基礎上，廣泛進行試驗研究并建立示范區。“八五”計劃將滴灌技術研究列為重點研發攻關項目。1992 年以來，我國積極同以色列等國加強了農業科技領域的深度合作，構建了中?以農業交流合作平臺，如1992 年和2006 年MASHAV 農業培訓、1993年國際農業培訓中心與示范農場、2001 年旱作農業培訓中心等，期間微灌設備配套和技術示范推廣研究取得新進展[10]。1996－2006 年是我國滴灌技術高速發展時期，同時期對灌溉施肥技術也頗為重視，農業部連續5 年邀請國內外專家舉辦水肥一體化理論技術培訓，微灌施肥技術從小范圍推廣應用升級為集約規模化區域發展（華北、華南、西北旱區）[11]。截至2019 年，我國微灌灌溉面積628 萬hm2，其中新疆450.3 萬hm2，位居全國第一[12]。滴灌水肥一體化技術節水增產30%～60%，有效減少氮素損失25%～50%，覆蓋設施栽培、無土栽培、果樹花卉栽培等種植模式[13]。

2 膜下滴灌對作物水分利用效率的影響

土壤?作物水分關系對探明作物生物性節水機理和對干旱逆境水分狀況的響應至關重要，也是SPAC 系統研究的重點內容。WANG Yahui 等[14]對西北旱區玉米研究發現，膜下滴灌比畦灌作物水利用效率（water use efficiency，WUE）和灌溉水利用效率（irrigation water use efficiency，IWUE）平均提高11%，WUE 平均提升15%，減少田間蒸散發7%，且土壤含水量在整個生育期內波動幅度較小。BAI Shanshan 等[15]研究了華北平原冬小麥滴灌施肥對作物生長和WUE 的響應，發現土壤水勢（soil water potential，SMP）閾值為40 kPa 時滴灌較地面灌溉顯著增產4.3%、節水46.6%、WUE 提高10.5%，且單位SMP 降低可使冬小麥ET、灌水量分別降低0.12%、0.92%，IWUE增加1.22%。WEI Zhenhua 等[16]借助13C 同位素示蹤法研究了西北旱區番茄溝灌、分根交替滴灌（APRI）對WUE 的影響，結果表明APRI 使植株葉片通過介質根源信號ABA（Abscisic acid）與水分脅迫建立反饋機制調節氣孔開度，降低蒸騰損失，減少灌水33.3%，WUE 提高19.6%。劉小剛等[17]通過灌水水平與肥料分期追施對光合特性、WUE、產量的響應研究發現，干熱區芒果滴灌施肥對葉面積指數、消光系數、羧化效率等光合特性影響顯著，適度水分虧缺（75% ETc）和開花期、果實膨大期、花芽分化期追肥（75、25 和50 kg/hm2）可明顯提高IWUE和水分生產力。

3 膜下滴灌對作物養分利用效率的影響

3.1 氮素利用效率

硝態氮和銨態氮是可供植物吸收利用的良好氮源。土壤?植物系統中氮素的損失（氨揮發、硝酸鹽淋失）不僅會降低土壤肥力和減產，還會導致酸雨、水體富營養化等一系列環境問題。SANDHU O S 等[18]通過玉米?小麥輪作滴灌覆蓋試驗發現，滴灌水肥一體化對土壤速效養分的空間變化有較強的適應能力，且硝態氮運移規律具有明顯的表聚性，與溝灌相比，滴灌覆蓋使小麥、玉米平均氮素回收效率提高了16.5% 和29%，玉米氮肥農學效率提高19.2%。SUI Juan 等[19]在東北平原連續兩年的膜下滴灌試驗表明，膜下滴灌有效增加了土壤總水分貯量、土壤積溫及凈輻射截留，促使氮素利用效率提高57%～84%。作物灌水后根區水分飽和，容易導致根系缺氧，該條件下優化施氮水平并不能持續增加作物產量，CUI Bingjing 等[20]研究發現增氧滴灌可以改善土壤通氣狀況和根系呼吸作用，提高光合作物基礎系數和作物干物質積累，與非含氧滴灌相比，氮素偏生產力提高了28.95%，產量增加1.29 倍。

3.2 磷素利用效率

CHEN Bolang 等[21]研究表明，作物品種特性與磷素水平存在交互作用，作物根毛密度、結構形態不同，對交換態磷的吸收能力也不同，直接影響磷素的利用效率（phosphorus use rates，PUE）和偏生產力。YANG Lijuan等[22]發現不同形態磷含量隨著土層深度增加呈現遞減的規律，全磷、速效磷含量均表現為明顯的表聚性，且20～60 cm 土層全磷、速效磷含量均高于溝灌處理，表明土壤水分管理一定程度上可以調控磷素動態。隨著磷素的轉化、運移和歸趨，磷酸鹽逐漸老化，土壤對磷專性配位基團吸附作用力減弱，土壤有效性磷濃度降低，進而需要增施磷肥以提高有效磷貯庫，ZHANG Qianbing 等[23]研究發現，在灌水量相同條件下，滴灌施磷肥顯著提高了紫花苜蓿產量7.43%～29.87%，一定范圍苜蓿植株磷累積利用率和施磷肥量呈正相關，且滴灌施磷肥顯著增加0～20 cm 土層速效磷含量，提高PUE3.76%～4.96%。作物對有機磷素的吸收也受土壤堿性磷酸酶活性影響，WANG Jingwei 等[24]通過膜下滴灌對PUE 影響研究發現覆膜、灌水下限、滴灌線密度3 因素中，土壤堿性磷酸酶活性灌水下限最敏感（最大值出現在80%田間持水量），覆膜滴灌有效提高了作物根系活力和真菌、放線菌生物群落豐度，間接提高了植株對磷的吸收能力。

3.3 鉀素利用效率

外源鉀素主要以游離態K+供土壤膠體吸附，經K+和銨根等離子交換成為可供植株生長發育的有效鉀。王虎等[25]研究發現，點源滴灌施肥條件下，反應性溶質K＋運移規律與土壤水分入滲擴散密切相關，當水分遷移速率較大時，速效鉀徑向和豎向運動為對流作用主導下的溶質遷移，反之速效鉀吸附固定大于對流作用，0～30 cm 土層土壤濕潤鋒內側出現明顯的速效鉀遷移積聚。KANAI S 等[26]發現植物細胞在光合同化、蛋白質合成、酶活、有機酸代謝和離子穩態對K+需求非常高，鉀素脅迫抑制了作物光合作用和13C 同化產物轉運及生物量分配，對番茄來說，鉀素合理施用水平是鉀素高效利用的重要因素。尹彩俠等[27]通過膜下滴灌玉米鉀素運籌試驗發現，合理的鉀素運籌可以顯著提高各營養器官向生殖器官鉀素的轉運效率和地上部鉀素累積，促進玉米開花期鉀素向籽粒的轉運，鉀素吸收利用效率、農學效率、鉀素偏生產力顯著提高24%、59%、8.35%。此外氮-鉀互作也會影響鉀素的利用效率，ZHANG Fusuo 等[28]綜述了氮素形態、施氮量對土壤鉀的吸持及作物體內鉀運移規律的響應，發現氮-鉀的相互作用取決于氮素形態和供鉀水平，過量鉀素投入加劇了銨根離子和K+拮抗作用，而長期氮脅迫降低了根系對K+的親和力，適宜鉀素水平下的施用氮肥，有利于提高鉀素的利用效率。

4 膜下滴灌對土壤性狀的影響

4.1 水鹽運移

膜下滴灌具有調控、分配水鹽對作物生長影響的正向效應，同時水鹽遷移受灌水方式、水質、土壤鹽分時空異質性、耕作方式等多因素耦合效應影響。LI Kaiming 等[29]在新疆棉花膜下滴灌試驗中發現，隨著灌水量增加，0～80 cm 土層內鹽分含量明顯降低，且鹽分峰值隨土壤水分向濕潤鋒邊緣遷移，土壤剖面形成明顯的積鹽區和鹽分淡化區。姚寶林等[30]研究發現，灌水次數對土壤剖面鹽分變異程度比灌水定額弱，增加灌水次數有利于表層土壤洗鹽和抑制土壤返鹽，當耕作層鹽分含量＜3.0 g/kg 時，棉花全生育期灌水定額460 mm、灌水次數16 次不會出現鹽分累積。SELIM T 等[31]研究微咸水滴灌對水鹽分布影響機制發現，微咸水與淡水入滲特征相似，土壤累積入滲量與濕潤鋒呈線性關系，鹽分含量分布接近正態分布，且隨著灌水礦化度的增加，作物主根區鹽分濃度出現明顯累積。但也有研究表明，作物不同生育期對鹽分脅迫敏感程度差異顯著，苗期宜淡水灌溉，生長后期作物耐鹽性增強，微咸水灌溉能有效減少非生物鹽分脅迫[32]。

4.2 土壤理化性狀

膜下滴灌通過影響土壤水鹽和養分運移、耕層溫度、氧化還原狀況等理化生物特性，改變作物生長環境。馬建輝等[33]研究發現，土壤水吸力30 kPa 灌水下限的膜下滴灌顯著降低了土壤結構破壞率、不穩定團粒指數和團聚體分形維數，促進了耕層水穩性土壤團聚體結構的形成和穩定，進而保持土壤的疏松狀態。GUO Shufang 等[34]研究發現膜下滴灌局部浸潤土壤，使作物根際水分和溫度處于適宜狀態，增加了微生物熵值，促進了固相有機物質快速礦化分解和鹽基離子交換演化，保持了土壤肥力和增強土壤固碳能力。趙祥等[35]探究了滴灌對土壤微生物群落及分布特征的影響，發現功能菌群的多樣性促進了土壤物質循環和能量流動，滴灌苜蓿距離根系4 mm 土壤中有機質、全磷、有效磷、土壤中性磷酸酶及土壤脲酶比自然降雨灌溉苜蓿根際土壤分別增加65.6%、23.85%、48.4%、40.4%、266.7%，有效改善了土壤質量。

5 水肥耦合效應模型研究

水肥耦合模型的構建是揭示SPAC（soil plant atmosphere continuum）系統各個變量內在數學結構的等式表達，能夠較好模擬水-肥運移分布及水肥交互水平尋優和綜合評價。何進宇等[36]通過旋轉組合試驗設計，發現膜下滴灌條件下，灌水定額、氮素、磷素對水稻產量關系符合三元二次回歸模型，水氮交互項回歸系數均達到極顯著水平，3 因素對增產效應影響從大到小依次為灌水定額＞氮素＞磷素。MOJTABA K 等[37]借助AquaCrop模型模擬了不同水氮組合對大豆冠層覆蓋度、WUE、產量的影響，結果表明，模擬結果與實測結果均方根偏差較小，不同冠層演進與實測一致性指數均為0.95，模型效率分別為0.96、0.93 和0.85，吻合度高，且與實測結果具有良好的一致性。

6 結束語

膜下滴灌水肥一體化技術是一項精準高效的農業技術，不僅能促進土壤水分和養分平衡土壤水分再分布，提升灌溉質量，還可減少化肥投入，有效改善區域水資源緊缺和施肥對土壤生態環境的次生污染。然而，水肥一體化也存在提質增效機理研究不夠深入，設備不配套、質量參差、技術推廣不全面等問題，今后需進一步探明不同區域水分和養分元素及鹽分在作物-土壤系統的遷移規律，并根據作物生理需水需肥規律構建多因素耦合水肥模型，實現水肥藥并施、實時監測反饋及自動化管理，不斷推進水肥一體化規范化、標準化、實用化。