茄子水肥耦合研究進展

摘 要： 在農業生產中，水分和肥料是不可或缺的兩大基本要素。水肥耦合將水、肥有機結合，通過二者的協同效應實現作物高產優質目的。在分析水資源緊缺和肥料施用不合理的現狀基礎上，回顧了水肥耦合的發展歷程、定義及水肥耦合灌溉模式，闡述了水肥耦合對茄子生長形態、光合特性、產量和品質等影響的研究進展。結果表明，水肥耦合是節約水肥資源，降低環境污染，實現茄子高效優質增產的有效措施。深入探究茄子水肥耦合機制，構建多因素水肥耦合模型，尋求最佳水肥配比實現精準化灌溉，可為指導茄子合理的水肥管理并使茄子達到高效優質生長提供參考。

關鍵詞：水肥耦合；茄子；節水灌溉；產量；品質

中圖分類號：S274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）07-0073-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.07.011

0 引言

水資源是促進農業生產和社會發展的關鍵，隨著人口持續增長與糧食安全危機加重，水資源短缺問題面臨嚴峻挑戰。我國作為世界農業產出大國，農業灌溉用水需求量大。據統計，2021 年我國農業用水突破了3 644 億m3，占我國用水總量的61.5%，農業節水前景依然廣闊。肥料對農作物的生長至關重要，是作物增產的重要保證[1-2]。一般來說，作物生產中，農戶根據傳統經驗盲目或過度施肥以期達到高產和高經濟效益。過度或不合理施肥不但無法有效地增產，還會增加生產成本，同時也會造成土壤氮素積聚、作物根際微環境破壞、生態環境嚴重污染等一系列問題[3-5]。

茄子（Solanum melongena L.）是我國主要的蔬菜作物之一，其果肉中富含蛋白質、維生素、生物堿等多種營養成分，并且茄皮中富含花青苷、類黃酮等物質，具有重要的食用價值和藥用價值[6-8]。對于作物生長發育而言，水分和肥料是不可或缺的基本要素，以水促肥，以肥調水，二者相輔相成[9]。由于茄子對水肥要求較高，因此研究科學的水肥調控技術，確定茄子最佳灌溉施肥模式，不僅可以節約水肥資源、降低環境污染，還可以為茄子增產提質提供理論依據。

耦合效應一詞來自物理學概念，在農業生態系統中，水肥耦合指作物在生長過程中水分和肥料兩個體系之間的相互耦合和制約對作物生長、產量、品質的影響，并將水分和肥料通過相互協調產生的結果稱為水肥耦合效應[10]。研究表明，水肥耦合灌溉技術已廣泛應用于不同農作物中，不僅促進了作物根系生長和光合作用，還提高了作物水肥利用率，實現了作物增產、優質、高效[11-12]。針對水肥耦合在農業生產中的應用，部分學者對茄子的水肥耦合機制也進行了研究，但相比其他作物，當前國內外研究多集中于灌溉或施肥單因素對茄子生長發育及產量品質的影響，而對茄子水肥耦合效應的研究相對較少，茄子水肥耦合理論體系尚不完善。本研究歸納和總結了水肥耦合對茄子生長形態、光合特性、產量和品質的影響，以期為茄子生長配置最優水肥灌溉，進行科學水肥調控提供參考。

1 水肥耦合發展概況

水、肥是作物生長發育必不可少且最易控制的兩大基本要素。水分和養分與作物生長發育密不可分，俗話說“有收無收在于水，收多收少在于肥”。水是溶解和輸送養分的載體，可以促進作物根系對養分的吸收轉化，對肥效發揮起著關鍵作用；而肥料提供足夠養分供給作物生長，為水土系統高效生產創造了條件[13-14]。綜合協調水量和肥量，不僅可以節水節肥，還可以改善土壤狀況，提高水肥利用率，實現作物高產、優質、高效。水分對作物生長的影響早在16 世紀就有相關試驗記載，而肥料對作物生長的重要性直至17 世紀才被人們意識到[15]。1911 年，MONTGOMERYE G[16] 將玉米產量與水分需求量和土壤肥力建立聯系，研究發現，以高肥土壤單位用水的生產方式玉米產量較高。1972 年，VIETS F G[17] 指出，盡管作物的水分和養分吸收是兩個獨立的過程，但是土壤養分以水分為載體由作物根部通過液流運輸至各器官被作物吸收，這充分顯示了土壤水分和養分之間復雜而又緊密的關系。1975 年，ARNON I[18] 提出旱地作物吸收營養的根本是如何在受到水分脅迫的條件下合理的施肥。此后，水肥間的耦合效應逐漸為人們所重視。國內農學界于20 世紀80 年代提出，通過科學合理的施肥可提高作物水分利用率，進而改善作物營養條件，促進作物生長發育，即“以肥調水”[14]。近些年來，國內外科技工作者對水分和養分間的關系進行了多方位試驗研究，從各個層面對水肥耦合機理進行了更加系統地分析，使作物與土壤水肥間的關系更加協調，取得了許多研究成果。

水肥耦合是指作物生長過程中，水分和土壤養分兩個體系間的相互協調和相互制約對作物生長發育產生的正向效應或負向效應。根據作物需水需肥特性，合理配置水量和肥量，以實現“以肥調水”和“以水促肥”的目的。在農業生產實踐中，為更有效地利用有限的水資源，農作物灌溉已由傳統的大水漫灌逐漸轉變為畦灌、噴灌、微灌和膜下滴灌等新型節水灌溉模式。水肥一體化灌溉是一種以水肥耦合為核心的精準灌溉模式，又稱水肥耦合灌溉，其針對作物的需水需肥特點，利用節水灌溉設備在固定時間內將水分和可溶性肥料按特定配比充分混勻后及時輸送至植株根部。水肥耦合灌溉不但能大大提高水肥利用率，節約水肥資源，還可以改善土壤板結，加快土壤微生物分解有機質，促進作物根系高效吸收水分和養分，對作物的產量和品質起著重要作用。

2 水肥耦合對茄子生長形態特征的影響

在不同生育階段，作物生長發育特征明顯。株高是衡量作物生長動態的重要指標，對作物產量有重大影響；莖稈可以將根系吸收的水分和營養物質輸送至各個器官，因此莖粗對作物生長起著關鍵作用[19]。水分和養分在茄子生育前期主要參與營養生長，株高和莖粗增長迅速，在茄子生長后期主要參與生殖生長，株高和莖粗增長變緩[20]。張娟等[21] 研究發現，在設施滴灌條件下，灌水量對茄子株高、莖粗的影響比施肥量更為顯著，當灌水下限相對較低時，較高的施氮水平雖不利于植株莖粗發育，但顯著促進了植株葉片生長和株高增長。HALIL K 等[22] 研究表明，相比充分灌溉，水分虧缺情況下，茄子株高、莖粗和干物質質量顯著降低。繆其松等[23] 在塑料大棚內研究了水肥減量對茄子生長的影響，結果表明，當灌水量和施肥量為常規的50% 時，不僅可以促進茄子整個生育期株高的增長，還使生長中后期的茄子莖粗達到最大。不同茄子品種的肥水需求量各不相同，米國全等[24] 研究發現，在進行不同灌溉量處理前，不同有機肥處理對不同品種茄子生長發育指標不盡相同；對茄子的株高和株幅來說，綠玉1 號在施肥量150 m3/hm2（中肥）時較大，而綠玉2 號在施肥量300 m3/hm2（高肥）時較大；有機肥的高投入不僅有利于花冠直徑的增加，還可以使植株提早開花。李波等[25] 通過分析不同的灌溉方式和水分處理對茄子生長的影響，得出當灌溉方式相同時，隨著灌水量的增加，茄子的株高和莖粗逐漸增長；此外，灌溉方式和灌水量兩因素協調作用對茄子莖粗有較為顯著的影響，但對茄子株高影響不大。

3 水肥耦合對茄子光合生理特征的影響

光合作用是作物生長發育過程中必不可少的生理活動，對促進作物營養生長和生殖生長有重要意義。土壤中的水肥狀況對光合作用影響重大，水分不足時，作物對光合原料的吸收降低；養分不足時，作物生長速度和光合元素合成受到抑制，所以科學合理的水肥狀況是作物光合特性有效發揮的基礎[26-27]。楊振宇[28]通過探究施氮量和水分虧缺對茄子生長發育的影響發現，在正午時，茄子凈光合速率明顯減小，存在光合“午休”現象；隨著氮肥施用量的逐步增大，茄子蒸騰速率和氣孔導度也逐步增加，但施氮量超過某一范圍后，茄子蒸騰速率和氣孔導度開始減小，此外，任何生育時期水分脅迫都會使二者的值降低。郜永博[29]研究顯示，基質栽培條件下，灌水定額相同時，適宜的氮、磷、鉀用量使葉片光合特性顯著提高；葉片凈光合速率和光合色素在一定范圍內隨著施氮量的增加而增大，作物光合作用得到提高，植株快速增長。王璐璐[30] 則通過正交試驗方法，探討了灌溉水質、灌溉定額和施肥量3 因素對茄子生長的影響，試驗結果顯示，在再生水灌溉下，茄子凈光合速率、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率、葉綠素含量及氣孔導度均隨著灌溉定額和施肥量的提高而上升；并提出灌水量4 680m3/hm2、施肥量1 440 kg/hm2 是茄子在再生水灌溉下的最佳水肥耦合方案。徐軍用等[31] 研究灌水方式對茄子生長發育的影響發現，相較于固定灌溉和常規灌溉，交替隔溝灌溉增強了水肥耦合效應，進而提高了茄子葉綠素含量和光合速率。

4 水肥耦合對茄子產量的影響

實現作物高產是研究水肥耦合的主要目的之一。邵泱峰等[32] 在大田條件下進行了水肥同灌對比試驗發現，與常規施肥相比，水肥同灌處理使茄子產量增加3.2%～8.5%。氮、磷、鉀是作物生長發育的必需元素，3 者的平衡施用對作物產量影響重大。劉根紅等[33] 通過數學模擬得出，在日光溫室中，各因素對茄子產量影響的順序為鉀素gt;氮素gt;水分。陳修斌等[34] 通過水肥耦合數學模型分析茄子產量對灌水量、鉀肥、磷肥耦合效應的響應得出，茄子產量在施鉀量、施磷量和灌水量分別為78.6 kg/hm2、15.5 kg/hm2、2 904.6m3/hm2 時最高。孫卓等[35] 以設施黑土菜田茄子生產為試驗目標，探討了減水減肥對茄子產量的作用，認為相比于傳統水肥處理，雖然灌水量減少明顯降低了茄子產量，但施肥量減少對茄子產量作用不顯著，這可能是設施黑土菜田中養分含量充足的原故。劉秋麗[36]以常規滴灌為對照，研究了痕量灌溉不同施肥量對茄子產量的影響，結果表明，相比于常規滴灌模式，痕量灌溉節肥20%～40%，增產10.5%～13.5%。氮素是影響作物生長的主要養分元素，當施氮量超過某一閾值時，會導致作物產量和品質降低[37]。楊振宇等[38] 試驗表明，在同一施氮水平下，相比全生育期正常灌水，任何生育期的水分脅迫都會抑制茄子最終產量；隨著氮肥施用量增加，茄子產量逐漸增高，當超過一定范圍時，產量開始逐漸降低。王愛梅等[39] 進行了茄子水肥一體化減氮增效試驗，發現與常規穴施相比，在水肥一體化減氮10%～ 30% 時茄子產量反而提高了?0.48%～2.44%，這表明在一定程度上減少氮肥施用量，可以使茄子增產，在水肥一體化減氮30% 情況下，茄子產量增幅最大。

5 水肥耦合對茄子品質的影響

可溶性糖和蛋白質含量的高低決定了作物口味和貯藏時間，是反映作物營養品質的重要指標；維生素C 是一種對人體來說極為重要的抗氧化劑，其含量高低直接決定了蔬菜口味；硝酸鹽含量對植株本身沒有影響，但會對食用者的健康造成潛在威脅。與常規施肥相比，水肥耦合不僅能增加作物產量，還可以在一程度上改善作物品質。馬晟等[40] 采用水肥一體化膜下滴灌施肥技術研究氮、磷、鉀不同用量對茄子品質的影響，發現茄子品質與氮、磷、鉀用量符合報酬遞減定律，即在一定范圍內，茄子品質隨氮、磷、鉀用量的增加而增加，當超過這一范圍后，茄子品質反而降低。

張娟等[21] 研究表明，茄子品質指標對氮肥施用量響應并不明顯，但對灌水量響應非常顯著。米國全等[24] 研究不同品種茄子最佳的肥水管理模式，發現綠玉1 號、綠玉2 號的維生素C 和維生素P 含量分別在中肥高水、高肥高水處理下較高，而可溶性糖含量分別在高肥低水、低肥低水處理下達到最高，說明適度的肥水耦合對提高茄子果實中維生素C、維生素P 和可溶性糖含量非常重要。相比于過高或過低的水肥供應，適宜的水肥處理可以在保證作物品質的基礎上提高作物的商品屬性。繆其松等[23] 研究表明，50% 水肥處理的茄子維生素C 含量、可溶性糖含量及粗蛋白含量均達到最高，顯著高于其他水肥處理。盧家柱等[41] 采用盆栽試驗研究了不同施氮水平對茄子品質的影響發現，隨著氮肥施用量的增加，茄子果實中的硝酸鹽含量逐漸累積，不利于人體健康，適量減氮不僅可以降低茄子果實中硝酸鹽含量，還可以使其品質指標達到最優。奚輝等[42] 研究了滴灌施肥處理對秋茄子品質的影響，發現與常規施肥相比，滴灌施肥可以提高秋茄子果實中可溶性糖和可溶性蛋白含量，說明滴灌施肥可以有效高和改善茄子果實品質。

6 結束語

作物生長離不開水肥供應，灌水量和施肥量優化配置可實現作物低投入、高產出和高品質目標。茄子是需水需肥量大的作物，水肥耦合效應對其生長形態、光合特性、產量及品質起到了正向調節作用。但是，對不同區域和不同茄子品種的水肥施用量很難達到定量標準，水肥耦合效應受到水質、自然環境、土壤性質及栽培模式等多種因素制約。因此，今后的試驗研究要因地制宜，根據作物需水需肥特性構建多因素水肥耦合模型，尋求最優水肥灌溉方案以實現精準化水肥灌溉，以期節約水肥資源、增加作物產量、提升作物品質、增強水肥高效利用，從而促進農業可持續發展。