花椒水肥耦合效應研究現狀及展望

摘 要 文章綜述了花椒水肥耦合效應的研究現狀，分析了水肥耦合對花椒植株功能性狀的影響，探討了土壤肥力與植物養分利用效率對水肥耦合的響應規律及對花椒產量和品質的影響。為提高我國花椒培育技術水平，集成基于水肥耦合的花椒高效水肥管理經營技術體系，未來還需加強以下幾個方面的研究：一是結合花椒不同發育階段及物候期對水肥需求的規律進行深入研究；二是深化水肥耦合對花椒產量和質量提升的影響研究；三是揭示水肥耦合對花椒不同發育階段的影響規律，合理規劃不同階段的水肥配比。

關鍵詞 花椒；水肥耦合；功能性狀；產量

中圖分類號：S753.53"""" 文獻標識碼：A"" doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2024.02.019

花椒（Zanthoxylum bungeanum）屬蕓香科（Rutaceae）花椒屬（Zanthoxylum），具有較高的食用和藥用價值，是我國重要的調味品、香料及木本油料樹種之一。花椒在甘肅栽培歷史悠久，種植面積和產量均居全國前列，隨著國家鼓勵利用“四荒”資源，引導林果業上山上坡，花椒的日常管理工作逐漸成為花椒產業發展中的一項難題，水肥作為農林生產中兩個重要的可調控因子，也是花椒優質高產的關鍵因素，如何進行合理、高效的水肥管理是花椒培育中所面臨的核心問題。近年來，在現代農業的發展研究中發現，合理的水肥管理能產生明顯的交互協同效應[1]，這種效應稱之為耦合正效應，水肥耦合是指植株所在的土壤體系中的水分與礦質元素之間的相互作用，即水分與肥料中的營養元素之間因不同配比產生的相互作用對植物生長發育、生理特征和水分利用效率所產生的綜合影響[2]。水分和肥料是植物生長過程中不可替代且最容易控制的環境要素，也是相互協調、共同促進、互為制約的[3]，水肥耦合可以對植物產生3種不同的效應：協同、疊加和拮抗效應[4]。在實際生產中，要想改善土壤水肥條件，主要通過灌溉和施肥2個途徑來完成，但是僅靠灌溉和施肥并不能顯著改善植物的生長和水分吸收狀態，如果再出現水肥管理不當，就會導致新的“最小限制因子”的出現，例如因水分脅迫而導致的花椒根系生長量的減少和對礦質營養元素吸收及運輸能力的下降[5]，所以盲目的開展水肥管理的行為不可取。因此，制訂科學合理的水肥管理措施在花椒的日常管理中顯得尤為重要。近年來許多學者研究發現，制定水肥精準化管理措施，能夠顯著提高植物對養分和水分的利用效率，能最大限度挖掘植株的生長潛能，提高土地的利用效率，其效果顯著優于單純采取水分或養分管理措施[6]。水肥耦合處理對花椒幼苗的生長、生理等方面都有著不同程度的積極影響。本文擬對目前研究中的水肥耦合對花椒生長過程中產生的影響進行較為全面的綜述，為花椒水肥管理提供科學有效的依據。

1 花椒水肥耦合效應研究現狀

水肥耦合是通過調控植株灌溉、施肥時間和方式盡可能協調水分和養分這兩大植物生長最重要的環境因子，不僅可以營造出植物的最佳生境，還能對植物生長狀況和生理性狀產生較為顯著的正向影響，有利于植物體內元素運輸、轉化和循環，進而達到提高養分和水分利用效率的目的[7]，最終實現產量和品質的提升。

1.1 水肥耦合對花椒生理狀態的影響

當植物遇到極端環境時，其外部形態和內部生理都會不同程度的產生變化，此時，植株自身所呈現出的功能性狀就反映了其自身對極端環境的適應能力[8，9]。近年來，關于水肥耦合處理對花椒功能性狀的響應研究，主要集中在光合、蒸騰和耐澇適應機制等方面。植物的光合作用對植物的生長和產量有直接的影響，是植物自身積累有機物質的重要途徑，其中凈光合速率又是重要因素之一，與植物的生長指標息息相關，它的增加能提高植物積累有機物質的能力；蒸騰速率和氣孔導度則是通過影響植物凈光合速率，間接影響植物的生長。王景燕等[10]研究發現，當土壤含水量維持在35.9%～46.7%FWC這個區間時，施肥可以有效提高漢源花椒葉片的凈光合速率、氣孔導度和水分利用效率，而且伴隨著施肥量的增加而持續增加，由此可得出，通過調控土壤水分和合理施肥是促進漢源花椒的生長、提高光合能力和增加水肥利用效率的關鍵措施；包秀楠[11]的研究顯示，在適中的水分條件下，增加施肥量，有利于花椒葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度的增加，因此適宜的水肥配比延長了漢源花椒葉片凈光合速率達到峰值的時間，同時對提高植物葉片光合生產能力、資源利用效率及植株生長具有明顯的促進作用，這為花椒的高產穩產提供了科學依據和理論基礎[12]。

舒正悅等[13]研究顯示，當土壤水分、氮肥、五氧化二磷、氧化鉀含量分別為60.8%、243 kg·hm-2、97 kg·hm-2和243 kg·hm-2 時，竹葉花椒幼苗耐澇綜合值為最高，有效促進了竹葉花椒幼苗生長，提高其抗逆特性，這一研究結果充分表明，通過水肥的合理調配可有效提高花椒的生產能力和抵抗極端環境的能力。徐建霞等[14]研究施肥對新銀合歡幼苗抗旱性影響時發現，在土壤水分充足的條件下，合理的配方施肥可以加快新銀合歡幼苗的生長、促進生物量的累積。在干旱條件下，配施適量的氮肥可以顯著提升新銀合歡幼苗對干旱的耐受能力。楊宇芳[15]研究提高花椒抗寒能力的措施時發現，噴施0.5%磷酸二氫鉀溶液和 0.5%蔗糖溶液均能提高花椒新梢的抗逆性指標。李飛[16]通過實驗室模擬低溫，研究KH2PO4對青花椒幼苗抗寒能力的影響時發現，葉面噴施不同濃度的KH2PO4溶液，均可提高青花椒幼苗的抗寒能力。

上述研究表明，通過調整灌溉與施肥量，制訂科學合理的水肥配比，可顯著提高花椒對水肥的利用效率及抵抗極端環境的能力。采用合理的水肥管理方案，能有效提高花椒植株的生產能力、抗逆性和穩定性。

在未來的研究中，若能進一步完善花椒植株功能性狀評價指標體系，如加大對花椒植株葉面積、比葉面積、相對水肥虧缺、解剖結構等性狀的研究，就能更進一步優化花椒水肥管理方案，所以應予以重視。

1.2 水肥耦合對土壤養分、微生物及養分吸收利用的影響

土壤水肥條件是植物生長的重要基礎物質，植物吸收的營養元素大部分來自土壤，在植物整個生長周期所需的礦質營養元素中，氮元素是必需的大量元素之一，它對植物光合器官的構建具有關鍵性的作用，充足的氮元素供應，可以增強植物的光合作用，延緩葉片的衰老；磷元素在植物體內相對氮、鉀元素含量較少，磷元素對植物的分蘗、分枝、根系生長和開花結實均具有促進作用，同時參與呼吸作用，影響氮元素的代謝，充足的磷元素對植物的生長有促進作用，但一旦過量，就會產生負面作用；鉀元素能提升植物的產量和品質，并增強植物的抗性，提高植物抵御極端氣候的能力，并能在一定程度上緩和因施入氮肥過量而導致的危害[17]，鉀元素充足時，能保證植物對水分的利用效率，并減少蒸騰作用。土壤水肥條件的改善主要通過灌溉和施肥這兩個途徑來完成，經研究表明，單純施加肥料或者增加土壤含水量并不能有效提高植物對水肥的利用率，水分、養分之間的相互作用直接影響土壤的肥力和植物的生長發育，合理的水肥配比能有效促進養分輸送及循環，有利于植物對土壤中養分的吸收、轉化與利用。

目前，有關土壤水分和施肥對土壤中養分含量的高低和微生物的特性等相關研究較多，如陳鴻飛等[18]研究發現，不同的水肥調控措施對土壤酶活性及微生物功能的多樣性有著顯著的影響，科學的水肥調控對土壤中養分的有效性和微生物功能的多樣性均產生了顯著的正面影響。微生物作為土壤生化反應的直接參與者，對土壤環境的變化尤為敏感，其中土壤含水量是影響土壤中微生物活動的重要因子，土壤水分含量過高或者過低都會對土壤中的微生物產生脅迫作用[19]。唐海龍等[20]的研究得出，當土壤水分含量為61.47% ，氮、磷、鉀等大量元素的施肥量分別為244.3、112.4和240.1 kg·hm-2 時，可增加土壤中的微生物數量，提高土壤有效養分含量，且土壤中細菌、真菌、放線菌和總的微生物含量均達到峰值，并且能顯著增加竹葉花椒幼苗的地徑及苗高。由此可見，合理的配方施肥是提高微生物數量和土壤有效養分含量的關鍵，同時可以促進竹葉花椒幼苗的生長及提高土壤肥力。

土壤酶活性的高低能表征土壤肥力的高低及土壤耕作管理措施的優劣，唐海龍等[21]關于配方施肥對竹葉花椒生長和產量品質及土壤肥力的影響研究，驗證了較高的土壤酶活性能促進土壤養分無機化，不僅能提高土壤供肥能力，還能促進植株生長。試驗說明良好的土壤水肥條件能在一定程度上增加土壤的酶活性，且土壤酶活性與施氮量呈正相關關系，但隨磷肥和鉀肥的施用量的增加則會呈現先增加后降低的變化趨勢，當土壤水分含量為62%FWC，氮、磷、鉀施肥量分別為253.0、55.0和81.1 kg·hm-2時，對竹葉花椒生長和土壤供肥能力均具有顯著的正面影響[22]。

近年來，水肥耦合對花椒植株養分的吸收、利用的影響研究雖然已被學者廣泛關注，但目前的研究重點大都集中在氮、磷、鉀等大量元素及土壤微生物等方面，針對微量、中量元素的研究關注度不高，不利于實現土壤養分的全面分析與均衡供應。

1.3 水肥耦合對花椒品質和產量的影響

水肥耦合與果實的品質關系主要表現為土壤養分和水分相互作用成為一個整體，并對品質和產量產生影響。近年來，國內外研究人員針對水肥耦合及調控方面做了大量的研究工作，目前關于水肥耦合對果實品質的影響主要是通過調控氮、磷、鉀元素的比例及灌溉水量的途徑從而實現作物增產和品質提升的目的。周罕覓等[1] 通過設置4組灌溉處理，高中低3種施肥水平的試驗，研究水肥耦合效應對蘋果幼樹的產量和品質的影響，試驗結果顯示，當田間持水量控制在75%～85%時，在高水平的施肥量下，可以獲得相對最大的蘋果產量，這時增加灌溉量可以同步提升蘋果的糖酸比，蘋果維生素C含量也會隨著施肥量的增加而增加。曹曉慶等[23]研究在不同水肥配比設計下，膜下滴灌施氮對櫻桃產量及品質的影響時發現，當灌水定額為209.7 m3·hm-2、施氮量為150 kg·hm-2時（中水高肥），可使櫻桃植株的產量、品質及對水分的利用效率相對達到最高。王評等[24]研究不同水肥配比對核桃生長的影響時發現，灌水量和施氮量份額過高或過低對核桃樹體的生長、果實產量及品質的提升均會產生負面的影響。王鵬勃等[25] 通過設置高、中、低3個施肥量和灌水量水平，研究水肥耦合對番茄產量和品質的影響，結果表明，在不同水肥處理下的番茄產量會隨著水肥施用量的增加而增加，但其增長速率逐漸降低；在相同的水分處理條件下，番茄中的Vc、番茄紅素、還原糖及可溶性糖含量則隨著施肥量的增加而呈現出先增加后減少的變化趨勢，這一研究結果充分說明了合理科學的水肥調控可有效促進番茄產量和品質的提升。李開萍等[26]研究發現，基于花椒水肥耦合機制，制訂針對不同立地條件下花椒種植的最佳水肥配置模式，分析討論在不同立地條件下，最佳水肥配置模式的花椒品質差異，探索發現不同立地條件下種植花椒的最佳水肥配比模式，通過研究發現，在T7（N2P3K2）、T10（N2P2K3）和T12（N3P2K2）處理下，花椒的胸徑、株高、枝條長度、果穗長和寬、坐果率和葉綠素等指標相對較其他處理高。

目前，關于水肥耦合效應對植物果實的品質和產量的研究熱點大多都集中在蘋果、核桃、櫻桃和番茄等作物上，而針對水肥耦合對花椒的品質、產量的研究相對較少，在今后的研究中應適當給予關注。

2 研究展望

近年來，水肥耦合對經濟林果的影響逐漸成為農林科技人員的研究熱點，水分是植物營養物質運輸的載體，是植物生長過程所不可或缺的。但是，水資源短缺又是目前乃至未來全球所共同面臨的嚴峻問題，因此研究水肥耦合機制，制訂合理高效的水肥管理措施，可有效協調水分和養分供應之間的矛盾，明顯提高水分利用效率，是保持生態修復的重要因子，因此研究水肥耦合機制也迅速成為生態恢復和治理中的一項重要技術措施。在未來的水肥研究工作中，需要加大對植物水肥需求規律的研究力度，更加深入的探索水肥耦合效應對經濟林果的品質、產量的影響機制，持續充實和完善水肥耦合對經濟林果的影響機制。

2.1 結合水肥需求規律對植物營養進行全面、深入的研究

目前關于對土壤養分認知比較片面，主要集中體現在以下2個方面：一是直接將土壤養分等同于植物營養；二是直接將植物營養等同于土壤中的氮、磷、鉀等大量元素的含量，對土壤中大量元素比較重視，缺乏對其他礦質元素關注，中、微量元素及其他營養物質被植物吸收后往往得不到補充，從而導致土壤養分的供需失衡，進而造成品質和產量的下降。因此，在實際研究中，應結合植物自身的需肥規律去重新認識植物營養，不僅能實現土壤養分的形態全面、含量充足且劑量平衡；還能促進植物對營養的吸收效率。因此在研究過程中應注意以下兩點：一是雖然碳、氮、磷是構成機體的結構性和限制性元素，也是生態系統生產力的主要限制因子[7]，但是不能忽視中量、微量元素在植物的生長、生理和代謝過程中不可替代的作用，應給予關注并重視；二是植物并非直接從土壤中吸收有機質，而是通過有機質礦化過程為植物提供養分。因此在土壤的日常管理中，應重視培肥土壤團粒結構，可將土壤礦質化和腐殖化的過程有機結合起來，綜合提高土壤肥力質量。

在花椒種植方面，水資源短缺是亟待解決的問題之一，這一問題會直接影響花椒的品質和產量。水肥配比不當，很容易破壞土壤結構，且對生態環境造成危害，因此我們同樣要加大對土壤水分管理的關注度，在土壤水分認識方面，我們可以借鑒藍水、綠水和灰水的足跡類型劃分，藍水一般指的是植物對地表水或者地下水的消耗；綠水指來源于降水，指植物生長對降水的吸收，并通過作物蒸發蒸騰消耗掉的水；灰水指稀釋植物生長過程中因農藥和肥料的使用所產生的污染物對水分的消耗[28]。在未來的研究中，可以借鑒水足跡理論，對作物生產藍、綠水的足跡進行量化，分析灰水足跡的占比及對環境造成的影響，最后建立花椒植株生長與不同類型水資源之間的關系[29]，進而結合水分和養分的需求范疇更進一步深入的研究花椒的水肥需求規律，以便更精確的闡述水肥耦合效應，形成集成高效的定額灌溉制度。

2.2 探索水肥耦合效應對花椒品質、產量提升的影響

花椒的品質、產量與廣大椒農們的利益息息相關，獲取優質高產的花椒果實不僅僅是廣大椒農們的追求，同樣也是消費者們的追求，這就對花椒產業規模化、規范化經營提出了更高的要求，建議未來圍繞以下3個方面深入開展研究：一是構建土壤水肥條件與花椒品質和質量的相關關系，研究揭示影響花椒品質、產量高低的水分和養分機制，診斷影響品質、產量的關鍵性因素，有目的地對土壤養分情況進行有效調控，及時發現并解除限制因子；二是從既定的目標與需求出發，針對性的對花椒的性狀進行分析與評估，最大限度提高花椒植株對水、肥資源的利用效率；三是深入探索花椒的品質、產量形成機制，了解其形成不僅僅受水肥因子限制，也與產地的溫度、濕度、光照等各種環境因子息息相關，故應當進一步加深對不同水肥供給數量、方式、時間、次數、環境和生態因子狀況等條件變化對花椒品質、產量的綜合影響效應的研究，建立健全花椒全面科學的水肥管理制度。

2.3 開展水肥耦合對花椒不同發育階段及物候期的影響規律研究

植物在不同的發育階段及物候期對土壤水肥的需求也不盡相同，張娜等[30]為了探索土壤水分的有效調控措施，最大限度提高核桃的品質與產量，在新疆阿克蘇地區開展了試驗研究，經研究發現，土壤水分下限在果實膨大期對核桃的產量、在開花期對核桃蛋白質含量、在硬核期對核桃的脂肪含量影響均為最大，在植株的開花期和硬核期影響最小。水分是影響果樹光合作用和籽粒產量的重要因素，在后期植物物質的積累和分配過程中也同樣有至關重要的作用。水分和養分在植株的生長發育中相輔相成，水分有益于肥效的發揮，肥料又能在一定程度上提高植株水分利用率。

但是，目前關于水肥耦合效應對植物不同發育階段及物候期的影響研究多集中在核桃、櫻桃、蘋果等經濟林上，對花椒的相關研究相對較少，幾乎未見報道。因此，開展水肥耦合對花椒不同發育階段及物候期的影響規律研究十分必要。在未來的研究中，可以根據當地實際土壤環境及土壤水肥供應狀況，研究土壤水分和養分虧缺對土壤團粒結構形成、礦質化過程的影響機制，深入探索不同水肥配比對花椒不同發育階段及物候期的影響。利用水肥耦合效應，制訂花椒不同發育階段的水肥配比方案，進行合理科學的灌溉和施肥，不僅可以減少水肥的投入，降低肥料的損失和水資源的浪費，還能促進土壤改良及花椒根系發育，增強花椒植株對養分的吸收效率，進而達到提升花椒品質和產量的目的。

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