滴灌水肥耦合技術(shù)在西北干旱區(qū)作物栽培中的應(yīng)用

董 昕，蘆 倩，王澤義，周三利，吳彥霖，王玉才，張恒嘉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)僅用全球6%的淡水資源和9%的耕地面積，解決了世界22%人口溫飽問(wèn)題且自給率高達(dá)95%[1]。高效穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)我國(guó)糧食安全及全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。水和肥是作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必不可少且較易控制的兩大因素，掌握二者的交互作用可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水省肥增產(chǎn)的目標(biāo)。我國(guó)西北干旱區(qū)幅員遼闊但水資源極端匱乏，因灌溉水資源短缺而造成的糧食減產(chǎn)問(wèn)題十分嚴(yán)峻[2]。同時(shí)，該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中“大水大肥”現(xiàn)象普遍存在，水分和養(yǎng)分的不合理調(diào)配不僅導(dǎo)致水肥極大浪費(fèi)，亦造成農(nóng)田土壤中硝酸鹽含量超標(biāo)危及地下水安全[3]。由此可知，診斷作物各生育期適宜水肥用量，采取適宜的水肥高效耦合利用技術(shù)是緩解西北干旱區(qū)水資源緊缺狀況和提高水土資源利用效率的關(guān)鍵所在。研究表明，準(zhǔn)確而均勻的滴灌施肥，不僅可以滿(mǎn)足作物各生育期的水分及養(yǎng)分需求，還可以解決季節(jié)性干旱和部分區(qū)域水資源短缺的問(wèn)題[4]。本文綜述了滴灌水肥耦合的優(yōu)點(diǎn)及其對(duì)西北干旱灌區(qū)作物生長(zhǎng)、品質(zhì)及水肥利用影響的研究進(jìn)展，以期為西北干旱區(qū)農(nóng)作物高效栽培提供理論依據(jù)。

1 滴灌水肥耦合技術(shù)研究概述

1.1 滴灌水肥耦合優(yōu)點(diǎn)

滴灌水肥耦合技術(shù)是一種適用于干旱和半干旱地區(qū)進(jìn)行土壤水肥綜合調(diào)控的優(yōu)化管理技術(shù)，其目的是實(shí)現(xiàn)以水促肥、以肥調(diào)水。滴灌水肥耦合的優(yōu)點(diǎn)有以下4個(gè)方面。①顯著提高農(nóng)作物水分和養(yǎng)分利用效率。與其他灌溉施肥類(lèi)型相比，一方面水肥直接作用于作物根部，減少了水分及養(yǎng)分的流失；另一方面滴灌施肥頻率和間隙加強(qiáng)作物根系對(duì)水肥敏感度，進(jìn)一步提高了水資源利用效率和作物本身對(duì)養(yǎng)分的汲取能力[5]。②農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培，增加農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。研究發(fā)現(xiàn)，滴灌水肥耦合可以使溫室番茄獲得充足的養(yǎng)分和水分，對(duì)番茄的品質(zhì)指標(biāo)及產(chǎn)量指標(biāo)均有顯著影響[6]。③操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，減少田間作業(yè)用工，釋放了大量農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力，有廣闊的發(fā)展前景。④可以減少農(nóng)藥的施用量、減輕因?yàn)檫^(guò)量施肥造成地下硝酸鹽污染和土壤板結(jié)問(wèn)題，有利于健康綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[7]。

1.2 滴灌水肥耦合數(shù)學(xué)模型

模型作為一種復(fù)雜的仿真技術(shù)，可以更好地模擬和再現(xiàn)水肥的運(yùn)移分布情景。目前，國(guó)內(nèi)外也有一些學(xué)者使用模型模擬的方法對(duì)滴灌水肥耦合進(jìn)行了一些研究。GRDENSA A I等[8]通過(guò)構(gòu)建二維數(shù)學(xué)模型模擬了不同滴灌水肥條件下土壤中氮素的運(yùn)移，研究發(fā)現(xiàn)適宜頻率和速率的水肥供應(yīng)能影響土壤氮素分布、轉(zhuǎn)化和淋失。孫文濤等[9]和鄭志松等[10]采用二次回歸組合設(shè)計(jì)，分別建立了玉米、小麥產(chǎn)量的水、氮、磷耦合模型，并分析得到水肥調(diào)控下3個(gè)因素影響作物產(chǎn)量的最佳組合方案。康玲玲等[11]研究了水肥條件對(duì)冬小麥生理特性及產(chǎn)量的影響。王新等[12]按照番茄各個(gè)生長(zhǎng)階段需肥特性，構(gòu)建了滴灌番茄臨界氮濃度稀釋曲線(xiàn)模型，并在此基礎(chǔ)上建立了優(yōu)化模型，作為植株?duì)I養(yǎng)狀況的判定指標(biāo)。

2 滴灌水肥耦合對(duì)西北干旱區(qū)作物的影響研究

2.1 作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量

旱區(qū)滴灌水肥耦合效應(yīng)研究的意義在于改善土壤養(yǎng)分狀況，促進(jìn)作物根系對(duì)深層土壤有效水的吸收，改變作物結(jié)構(gòu)，提高作物抗旱性，進(jìn)而影響作物地面生長(zhǎng)部分，增加干物質(zhì)積累，提高作物產(chǎn)量[13]。郭永杰等[14]進(jìn)行了滴灌施肥玉米/小麥帶田水肥耦合試驗(yàn)，建立了水氮施用量對(duì)玉米/小麥產(chǎn)量的耦合效應(yīng)方程，結(jié)果表明，當(dāng)施氮量為420.0 kg/hm2、灌水量為5 298.0 m3/hm2時(shí)，玉米/小麥帶田可獲得最高產(chǎn)量。適時(shí)適量的灌水和施肥對(duì)棉花的生長(zhǎng)同樣十分重要，通過(guò)棉花滴灌水肥耦合試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在施純氮素150～225 kg/hm2水平下，棉花增產(chǎn)速度最大[15]。為探明河西冷涼灌區(qū)甘藍(lán)水肥最優(yōu)管理模式，馬彥霞等[16]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究表明，滴灌施肥條件下，水肥耦合效應(yīng)相比單獨(dú)灌水和施肥對(duì)甘藍(lán)產(chǎn)量影響更為顯著，在H2F1(灌水9 d/次，施肥總量690 kg/hm2)處理下時(shí)，甘藍(lán)生物產(chǎn)量和干物質(zhì)量最高。

2.2 作物品質(zhì)

水肥交互耦合是栽培優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)作物的有效措施，對(duì)作物品質(zhì)性狀影響顯著。研究表明，釀酒葡萄在氮素充足、輕度水分脅迫下可溶性固形物含量明顯高于對(duì)照組7.5%以上，而在低氮素、輕度水分脅迫處理下漿果可溶性固形物含量仍有提高[17]?？梢?jiàn)，水肥耦合可以改善釀酒葡萄果實(shí)品質(zhì)。枸杞是寧夏地區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，近年來(lái)圍繞水肥互作對(duì)枸杞質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，灌水和氮肥交互效應(yīng)對(duì)多糖含量影響最為顯著，而灌水和磷肥耦合效應(yīng)對(duì)類(lèi)胡蘿卜素含量影響顯著[18]。在同一灌水水平下增加肥料施用量，枸杞品質(zhì)指標(biāo)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)累積量整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)[19]。滴灌水肥交互作用對(duì)河西冷涼灌區(qū)甘藍(lán)葉球品質(zhì)也有較大影響，在高氮肥、輕度虧缺灌水(灌水9 d/次，施肥690 kg/hm2)處理下，甘藍(lán)可溶性糖和Vc含量最高[16]。

2.3 作物水分利用效率

適宜的氮磷投入可以促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而擴(kuò)大水分和養(yǎng)分在作物根區(qū)的運(yùn)移范圍，提高作物對(duì)土壤儲(chǔ)水的轉(zhuǎn)化利用，減少土壤水分蒸發(fā)，在基本不改變作物總耗水量前提下，提高水分利用效率。宋娜等[20]在武威科學(xué)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行的膜下滴灌馬鈴薯大田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同水氮條件下水與氮素之間存在著顯著交互作用，相同水分處理下馬鈴薯水分利用效率隨施氮量增加先增大后減小，施氮水平為135 kg/hm2時(shí)馬鈴薯水分利用效率最高；而在同一氮肥處理下，濕潤(rùn)比40%處理下水分利用效率明顯高于70%處理，但產(chǎn)量低于70%處理。YANG Kaijing等[21]水肥耦合試驗(yàn)研究也表明，在氮肥充足條件下，當(dāng)土壤濕度保持在40%時(shí)馬鈴薯水分利用效率最高，但在同一灌水水平下不同施氮處理間馬鈴薯耗水量變化不明顯。

2.4 作物養(yǎng)分利用

滴灌水肥耦合有利于作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用，從而減少肥料施用量，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。FRITSCHI F B等[22]認(rèn)為，過(guò)量施肥會(huì)打破旱地棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的平衡關(guān)系，進(jìn)而推遲棉花成熟時(shí)間。而李培嶺等[23]則認(rèn)為打破兩者平衡的主要原因是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)于旺盛，當(dāng)棉花滿(mǎn)足一定的養(yǎng)分需求后，肥料用量增加對(duì)養(yǎng)分吸收無(wú)明顯促進(jìn)作用，具體表現(xiàn)為氮肥施用量增大到一定程度后氮素吸收、利用和生產(chǎn)效率明顯下降。“大水大肥”不僅不能使棉花獲得較高的養(yǎng)分積累，而且持續(xù)施氮會(huì)導(dǎo)致土層無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅?，加速環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)[24]。

3 結(jié)束語(yǔ)

滴灌水肥耦合技術(shù)是一項(xiàng)在節(jié)水減肥增產(chǎn)調(diào)質(zhì)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)的農(nóng)藝措施，除此之外，還可以改善土壤生態(tài)環(huán)境，解決區(qū)域性水資源短缺問(wèn)題。通過(guò)對(duì)滴灌水肥耦合技術(shù)在西北干旱區(qū)作物栽培中的應(yīng)用梳理，發(fā)現(xiàn)作物不同生育期滴灌水肥耦合對(duì)其產(chǎn)量、品質(zhì)及灌溉水分和養(yǎng)分吸收利用效率均有一定影響。從作物綜合效益及農(nóng)田水土環(huán)境保護(hù)等方面綜合考慮滴灌水肥耦合效應(yīng)是我國(guó)西北干旱區(qū)農(nóng)作物栽培的必然選擇。同時(shí)，進(jìn)一步研究和論證農(nóng)田系統(tǒng)水、肥、氣、熱與作物生長(zhǎng)的協(xié)調(diào)關(guān)系，建立農(nóng)田水、肥、氣、熱高效管理信息系統(tǒng)，這將會(huì)穩(wěn)定提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，促進(jìn)我國(guó)西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。