茶園水肥一體化研究進(jìn)展

孫紅嚴(yán), 馬德新,2,3

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)漫與傳媒學(xué)院，山東 青島 266109；2.山東省科學(xué)院計(jì)算中心，山東 濟(jì)南 250101；3. 山東大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

茶樹(Tea tree)，又稱茶，拉丁文名：Camellia sinensis(L.)O.Ktze，原產(chǎn)于中國(guó)西南部濕潤(rùn)多雨的原始森林，現(xiàn)以長(zhǎng)江往南地區(qū)種植十分普遍。在長(zhǎng)期的生長(zhǎng)進(jìn)化過程中，茶樹形成了喜陰、喜濕、耐光、耐溫的生存特性[1]。茶樹是主要的經(jīng)濟(jì)作物，地域種植復(fù)雜，在暖溫帶、亞熱帶、邊緣熱帶均有分布，最西在西藏自治區(qū)北林，最北在山東威海榮成[2～3]。在實(shí)際的茶樹生長(zhǎng)過程中由于地形、濕度、營(yíng)養(yǎng)元素等原因，存在著水資源和肥料浪費(fèi)嚴(yán)重的情況，使得茶樹出現(xiàn)減產(chǎn)、降質(zhì)、病害多發(fā)的問題。要解決這些問題就需要因地制宜的利用水肥耦合效應(yīng)，運(yùn)用茶園智能水肥一體化技術(shù)充分提高水肥利用率。

水肥一體化技術(shù)最早是由以色列人發(fā)明并在其國(guó)家農(nóng)業(yè)灌溉上迅速發(fā)展和普及使用。我國(guó)起步較晚，自20世紀(jì)70年代我國(guó)才開始試驗(yàn)和使用水肥一體化技術(shù)，當(dāng)前我國(guó)水肥一體化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多種糧食農(nóng)作物、各種果樹、茶樹、蔬菜、花卉等作物上[4]。水肥一體化，即水肥耦合，是指在作物生產(chǎn)的過程中根據(jù)作物的需肥需水規(guī)律把水與化肥通過一定的比例進(jìn)行混合，再由鋪設(shè)在田間的滴灌管道緩慢均勻的送至作物根部。這樣可以實(shí)現(xiàn)水肥同步到達(dá)，讓種植戶以最低的成本獲得更好作物品質(zhì)以及更高的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)水肥一體化也將加快我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，減少水資源的浪費(fèi)以及對(duì)自然環(huán)境的污染，是具有重大戰(zhàn)略意義的，并促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)化以及加快鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的進(jìn)展。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 茶園水肥一體化發(fā)展現(xiàn)狀

茶樹屬于重要的經(jīng)濟(jì)型作物，它與大豆、玉米、小麥等糧食作物有所不同，茶樹在生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)溫度、濕度、營(yíng)養(yǎng)元素以及光照的要求極高，不適宜的因素都有可能會(huì)使茶樹出現(xiàn)病蟲害的幾率增加，尤其是濕度和施肥情況對(duì)茶葉的產(chǎn)量和質(zhì)量影響最大，嚴(yán)重的情況下還會(huì)導(dǎo)致茶樹生長(zhǎng)不良等一系列問題。為了有效降低這一問題的出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者也都相繼進(jìn)行了大量研究探索工作，在中國(guó)知網(wǎng)進(jìn)行檢索關(guān)鍵詞：茶園、灌溉，檢索結(jié)果顯示共計(jì)各類文章130篇(截止至2019年3月)，并對(duì)檢索的結(jié)果進(jìn)行分類。分別為綜述類、技術(shù)推廣應(yīng)用類、水肥一體化系統(tǒng)類以及其他(會(huì)議、報(bào)紙)，具體各類文章數(shù)量情況表1所示。由表可以明顯看出，目前我國(guó)茶園水肥一體化還處在發(fā)展階段，對(duì)水肥一體化的系統(tǒng)研發(fā)建設(shè)較少，而相對(duì)于綜述介紹類文章較多，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)水肥一體化技術(shù)在茶園的應(yīng)用發(fā)展。在中國(guó)知網(wǎng)中分別檢索與黃瓜、番茄、蘋果、玉米、小麥、茶樹在水肥一體化方面的研究文獻(xiàn)數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，具體情況如圖1所示。通過圖1可知在茶樹水肥一體化應(yīng)用與其他作物相比研究有著較大的差距，我們應(yīng)當(dāng)加快茶園相關(guān)水肥一體化研究，且應(yīng)當(dāng)注重研究茶園中茶樹的需水需肥規(guī)律，通過借鑒其他已經(jīng)相對(duì)成熟的水肥技術(shù)，來探索研究茶園水肥一體化最優(yōu)管理模式，向茶園智能水肥一體化發(fā)展。

表1 檢索結(jié)果中各類文章數(shù)量 (篇)

圖1 檢索結(jié)果中茶樹與其他作物在水肥一體化應(yīng)用的數(shù)量對(duì)比

1.2 茶園現(xiàn)行施肥模式

在茶園施肥方面我國(guó)北方茶園施肥往往是采用“一基三追”的施肥模式，這種施肥方式存在著操作復(fù)雜、水肥流失、傷害茶樹根部、人工費(fèi)較高等一系列問題。南方茶園種植地多為丘陵和山區(qū)地帶，由于地形原復(fù)雜以及技術(shù)裝備問題，常存在水土流失問題?？偟膩碚f，水肥一體化技術(shù)在茶園應(yīng)用上還不成熟，大多茶園主要是采取傳統(tǒng)的灌溉方式，這種方式對(duì)茶樹的生長(zhǎng)以及茶葉的質(zhì)量會(huì)有巨大的影響，因此我國(guó)茶園現(xiàn)行是施肥模式是存在一定弊端的。

1.3 水肥一體化對(duì)茶樹生長(zhǎng)、茶葉產(chǎn)量及質(zhì)量的影響

1.4 水肥一體化對(duì)茶樹吸收利用水肥的影響研究現(xiàn)狀

孫立濤[8]研究試驗(yàn)了不同地表覆蓋對(duì)茶樹吸收養(yǎng)分以及水分的影響，結(jié)論表明地表覆蓋模式可提高水分的吸收利用率以及養(yǎng)分吸收并且在土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、硝態(tài)氮、氨鈦氮等物質(zhì)含量明顯增高，提高了土壤肥力，葉面中的硝酸還原酶含量明顯增加，有效地促進(jìn)了茶樹的生長(zhǎng)。李偉[10]等在研究不同施肥方式及肥料對(duì)幼齡茶樹生長(zhǎng)及主要生化成分含量的影響時(shí)通過對(duì)比試驗(yàn)得出以下結(jié)論：①使用復(fù)合肥比單純使用尿素處理效果更加。②通過溝施復(fù)合肥直接拋撒效果更好，可以有效增加茶樹根和茶葉中的N、P、K含量，為茶樹生長(zhǎng)和內(nèi)含物質(zhì)代謝合成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。傅海平[11]等探討試驗(yàn)了茶園間作高桿綠肥對(duì)茶樹光合特征的影響,通過使用光合儀對(duì)茶樹1號(hào)進(jìn)行不同刈割處理后，結(jié)果表明適度調(diào)控光照強(qiáng)度以及合適的水肥溶液配比的施用,有利于茶樹凈光合速率的提高,能夠有效促進(jìn)茶樹的生長(zhǎng)。

1.5 水肥一體化對(duì)茶樹茶葉產(chǎn)量的影響及數(shù)學(xué)模型研究現(xiàn)狀

楊凈云[12]等在對(duì)微噴灌、滴灌、地面灌溉等灌溉方式，通過試驗(yàn)研究了它們對(duì)茶葉生產(chǎn)的影響，從灌溉方式對(duì)茶樹新梢的生長(zhǎng)方面來說,節(jié)水灌溉可加深葉色,增加芽頭密度和百芽重;從對(duì)茶葉生化成分方面來看,節(jié)水灌溉相比于地面灌溉能產(chǎn)量明顯增加,增產(chǎn)幅度為5.34%～6.70%；從茶葉經(jīng)濟(jì)效益來看,節(jié)水灌溉茶園較地面灌溉茶園可增加純收入2 092.2～372.0元·hm-2;茶園使用節(jié)水灌溉技術(shù),節(jié)水率為33.33%～50.00%。葛家寶[13]通過對(duì)傳統(tǒng)和現(xiàn)代茶葉的質(zhì)量管理進(jìn)行深入分析,提出了最新是時(shí)期茶葉質(zhì)量管理的數(shù)學(xué)模型，他主要從重點(diǎn)從貼近度原則和擇近原則兩方面來應(yīng)用。王林林[14]等，在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)茶園對(duì)茶樹的蒸騰蒸發(fā)量(騰發(fā)量)進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)，以PenmanMonteith方程為基礎(chǔ),在對(duì)于蒸騰蒸發(fā)量進(jìn)行計(jì)算時(shí)借鑒了P-M溫室修正式,得出了基于常規(guī)氣象數(shù)據(jù)和茶樹生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的溫室茶樹蒸騰蒸發(fā)模型ET0(Tea)，這對(duì)北方溫室茶樹灌溉施肥提供了重要的決策依據(jù)。

2 研究展望與建議

2.1 增大水分耦合在茶園中的應(yīng)用

我國(guó)大部分地區(qū)的水污染嚴(yán)重惡化，而且大多數(shù)地區(qū)水資源短缺越來越明顯[15]。水肥耦合效應(yīng)可以廣泛的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，而且可以有效達(dá)到節(jié)水省肥的作用，并且能夠降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料對(duì)水資源的污染。以水肥一體化在茶園的應(yīng)用為例，在中國(guó)知網(wǎng)上檢索其相關(guān)內(nèi)容，結(jié)果顯示我國(guó)對(duì)茶園水肥一體化的相關(guān)研究甚少，而且我國(guó)茶園面積又是非常龐大。由中國(guó)知網(wǎng)上研究文獻(xiàn)可知：茶樹對(duì)水肥的吸收利用存在臨界值，同時(shí)不同地區(qū)的茶樹種植環(huán)境也是有所不同，因此，大力推廣茶園水肥一體化在各個(gè)地區(qū)的研究發(fā)展是非常有意義和必要的，這樣不僅可以因地制宜還可以協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展，有效的提高茶葉品質(zhì)和降低水資源浪費(fèi)、肥料浪費(fèi)以及水污染。

圖2 茶園水肥一體化技術(shù)系統(tǒng)路線

2.2 加強(qiáng)基于物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化在智慧茶園的應(yīng)用研究

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在迅速的發(fā)展，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需求增大，國(guó)內(nèi)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及在智能處理技術(shù)等方面研究上有了很大成果。對(duì)于茶園生產(chǎn)灌溉施肥也有巨大的作用，可以推廣應(yīng)用智能水肥一體化系統(tǒng)，智能水肥一體化系統(tǒng)會(huì)根據(jù)安裝在茶園的各種傳感器發(fā)回的信息進(jìn)行處理，并結(jié)合先前已經(jīng)輸進(jìn)去的茶樹生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及對(duì)水的需要進(jìn)行智能處理，自動(dòng)配比水肥溶液通過設(shè)定時(shí)間，通過提前鋪設(shè)在茶園的灌溉管道進(jìn)行自動(dòng)灌溉。目前，關(guān)于智能一體化水肥機(jī)的研究以及運(yùn)用多在蔬菜和果園上，而茶園的應(yīng)用研究相對(duì)較少。因此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)基于物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化在智慧茶園的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同茶樹品種的監(jiān)測(cè)+控制+水肥一體化的智慧灌溉模式，此模式技術(shù)系統(tǒng)路線圖如圖2所示，充分提高茶葉質(zhì)量，降低人工成本的投入、減少水資源以及肥料的使用。

2.3 深入研究茶樹在水肥一體化條件下需肥需水規(guī)律研究

當(dāng)前我國(guó)對(duì)茶樹需水、需肥的研究比較少，大多數(shù)都是對(duì)農(nóng)作物以及蔬菜的水肥一體化研究，這些研究大部分都是以特定的茶區(qū)為例來配比肥料以及確定施肥的時(shí)間，基本上需要大量的人工和經(jīng)驗(yàn)才能完成。茶葉的品質(zhì)與生產(chǎn)環(huán)境、土壤溫濕度、光照、以及氣象因子等具有很大的關(guān)系，而這些環(huán)境因素在很大程度上都是不可控的，通過對(duì)環(huán)境因子以及茶樹生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行研究，探索其對(duì)茶樹生長(zhǎng)的影響規(guī)律。充分考慮水肥以及環(huán)境因素協(xié)同的作用，加大研究茶樹不同區(qū)域以及不同生長(zhǎng)周期在水肥一體化條件下的需肥、需水規(guī)律為實(shí)施精準(zhǔn)精量灌溉提供理論基礎(chǔ)知識(shí)依據(jù)。

2.4 構(gòu)建合適的茶園水肥一體化數(shù)學(xué)、機(jī)理模型

茶葉屬于經(jīng)濟(jì)型作物，不同于大田農(nóng)作物，它的種植地區(qū)以及種植時(shí)間和種植條件具有很大的不同，因此將數(shù)學(xué)建模引入到茶葉的生產(chǎn)應(yīng)用過程，建立適合各區(qū)域茶葉的數(shù)學(xué)模型。董國(guó)玉[16]在茶葉土壤導(dǎo)電、酸堿性的測(cè)量應(yīng)用中加入數(shù)學(xué)模型對(duì)比，精確的衡量茶葉種植土壤的成分,并將土壤性質(zhì)分析定量化、可視化。但是單純的數(shù)學(xué)模型具有的缺點(diǎn)就是不適合大部分茶園，通用效果差。現(xiàn)有一些機(jī)理模型如WOFOST、APSIM、EPIC等，這些包含了土壤、作物生長(zhǎng)、氣象因子影響等多種條件，能夠準(zhǔn)確描述作物的生理過程，但研究發(fā)現(xiàn)這些大多用來模擬農(nóng)作物幾乎沒有用在茶樹上[17]。因此，可加強(qiáng)數(shù)學(xué)模型與機(jī)理模型的結(jié)合是使用，用以指導(dǎo)茶葉的高效生產(chǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

水肥對(duì)茶樹的生長(zhǎng)以及產(chǎn)量和品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，國(guó)內(nèi)外對(duì)水肥一體化條件下的茶樹需肥需水規(guī)律進(jìn)行一定的研究，但和其他作物相比還相差甚遠(yuǎn)，因此應(yīng)當(dāng)加大茶園水肥一體化研究進(jìn)展。筆者通過對(duì)茶園水肥相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以及存在的一些現(xiàn)狀進(jìn)行了研究分析，并給出了一些發(fā)展建議，以期在茶園水肥一體化的研究發(fā)展提供理論支持，加快我國(guó)農(nóng)業(yè)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換。