水肥耦合技術(shù)及在西瓜栽培中的應(yīng)用

王英英， 張恒嘉， 李福強(qiáng)， 王 永， 劉林桃， 陳 濤

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

水、肥是作物生長發(fā)育的兩大基本要素，兩者相互聯(lián)系、相互制約。西瓜果瓤脆嫩、味甜多汁，是我國重要的瓜菜作物，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值、營養(yǎng)價(jià)值相對較高[1]。生產(chǎn)中由于西瓜耗水量大且對水分供應(yīng)敏感等特點(diǎn)，造成其傳統(tǒng)水分管理生產(chǎn)力低，加之施肥的盲目性，導(dǎo)致水肥資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而肥料流失、營養(yǎng)元素失衡使得土壤理化性質(zhì)改變、水體質(zhì)量下降，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題[2-4]。針對當(dāng)前西瓜生產(chǎn)中水肥利用效率低、水肥管理技術(shù)落后及對環(huán)境造成不利影響等問題，研究利用水肥調(diào)控理論和技術(shù)以尋求最優(yōu)的灌溉施肥模式，是發(fā)展優(yōu)質(zhì)高效西瓜產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵性措施。通過“以肥調(diào)水、以水促肥”的方式，合理利用水肥，不僅節(jié)約資源和有利于生態(tài)保護(hù)，還能促進(jìn)作物生長發(fā)育、增產(chǎn)調(diào)質(zhì)[5-6]。

水肥耦合指在農(nóng)業(yè)生態(tài)體系中，水分與肥料兩因素之間的交互關(guān)系對作物生長產(chǎn)生的影響和肥水利用效率[2]。以水肥耦合為基礎(chǔ)的灌溉技術(shù)，即水肥一體化（水肥耦合灌溉技術(shù)），能夠?qū)崿F(xiàn)水、肥協(xié)同利用和兼顧水土環(huán)境保護(hù)、減少污染，達(dá)到水肥資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)雙贏。研究表明，多種農(nóng)作物生產(chǎn)中應(yīng)用水肥一體化技術(shù)效果良好 ，而集成水肥一體化技術(shù)可提高西瓜水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)，降本減工，維護(hù)環(huán)境，對實(shí)現(xiàn)西瓜規(guī)?；a(chǎn)同樣至關(guān)重要[7-9]。目前，已有大量關(guān)于西瓜水肥耦合效應(yīng)的研究，但對西瓜灌溉施肥制度優(yōu)化及水肥耦合機(jī)制的系統(tǒng)報(bào)道相對較少。本文就水肥耦合的含義、水肥耦合效應(yīng)的分類及其在西瓜栽培中的應(yīng)用效果進(jìn)行了綜述，以期為今后西瓜科學(xué)、合理的水肥管理提供理論支撐。

1 概述

1.1 水肥耦合

灌水和施肥是調(diào)控作物生長發(fā)育的重要途徑，但兩者對其產(chǎn)生的影響并不是孤立的[10-11]。水分可以溶解肥料，促進(jìn)根系對養(yǎng)分的吸收，但也能使土壤中養(yǎng)分含量降低、流失，而合理施肥可以調(diào)整作物營養(yǎng)供給，提高土壤蓄水保墑能力，從而促使作物增產(chǎn)、提高水分利用效率[12]。16 世紀(jì)關(guān)于水肥的研究就有相關(guān)試驗(yàn)記載，但人們認(rèn)識的營養(yǎng)物質(zhì)主要是水分，而肥料的作用17 世紀(jì)后才被關(guān)注。1911 年MONTGOMERY E G[13]研究土壤肥力對玉米水肥需求的影響成為水肥耦合研究的開端，直至1975 年ARNON I[14]在旱地農(nóng)業(yè)中提出“在水分受限條件下，植物營養(yǎng)的基本問題是如何合理施用肥料提高水分利用效率”，水肥耦合才被真正重視并開展研究。近年來，隨著試驗(yàn)由單因素逐漸向多因素綜合過渡，水肥耦合效應(yīng)研究在因素影響植物生長理論方面取得重大進(jìn)展[15]。

水肥耦合指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，土壤礦物元素和水這兩個(gè)體系相互作用、相互影響，所產(chǎn)生的結(jié)果稱為水肥耦合效應(yīng)，其核心在于 “以水促肥、以肥調(diào)水”，通過水肥間的協(xié)同補(bǔ)償作用對水肥與作物進(jìn)行一體化管理，以此提高作物生產(chǎn)力和水肥利用效率[16]。研究發(fā)現(xiàn)，作物生長過程中水肥耦合效應(yīng)具體表現(xiàn)為3 種結(jié)果，分別是水肥兩個(gè)要素或多個(gè)要素耦合效應(yīng)為正向促進(jìn)作用的協(xié)同效應(yīng)、水肥兩個(gè)體系或一個(gè)體系中各因素耦合結(jié)果為負(fù)效應(yīng)的拮抗效應(yīng)和水肥要素之間無明顯促進(jìn)或抑制作用的疊加效應(yīng)[17-19]。

1.2 水肥耦合灌溉技術(shù)

水肥耦合灌溉技術(shù)，又稱“水肥一體化”“灌溉施肥”等，是利用節(jié)水灌溉設(shè)備將水、肥定時(shí)、定量、定點(diǎn)按照特定比例，根據(jù)作物需水需肥特性，及時(shí)輸送至作物根系實(shí)現(xiàn)平衡施肥、優(yōu)化灌溉的一項(xiàng)高效現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)[20]。自我國1974 年從墨西哥引進(jìn)滴灌設(shè)備開始至1980 年自主研發(fā)的第1 代滴灌設(shè)備生產(chǎn)，隨后逐漸形成了以發(fā)展滴灌技術(shù)為主的灌溉設(shè)備生產(chǎn)模式[21]。目前，滴灌施肥技術(shù)已在全國大部分地區(qū)推廣應(yīng)用，同時(shí)在很多區(qū)域都取得了成功，隨著可持續(xù)農(nóng)業(yè)目標(biāo)的逐步實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用將越趨廣泛[22]。滴灌施肥技術(shù)的特點(diǎn)主要有4 個(gè)方面。第一，水分、養(yǎng)分可直接輸送至作物根系有助于作物吸收利用，同時(shí)節(jié)約水肥資源。第二，滴灌施肥可有效發(fā)揮水肥的協(xié)同作用和激勵(lì)機(jī)制。第三，按照土壤環(huán)境狀況和作物營養(yǎng)需求，滴灌施肥可靈活控制養(yǎng)分種類、數(shù)量。第四，滴灌施肥的少量多次施用方式使根系水分、養(yǎng)分空間分布均衡、水肥環(huán)境相對穩(wěn)定[23]。

2 水肥耦合對西瓜生長發(fā)育的影響

作物生長過程中各個(gè)器官之間相互依存、相互促進(jìn)[24]。水肥一體化技術(shù)條件下，土壤通透性良好、孔隙度增加，作物根系水分狀況、營養(yǎng)狀況都得到改善，從而加強(qiáng)了作物對水肥的同化吸收，作物生長發(fā)育良好。馬駿等[25]通過進(jìn)行不同的有機(jī)肥比例與不同灌水定額耦合處理的試驗(yàn)表明，灌水定額和施肥量對株高產(chǎn)生直接影響，相比開花坐果期、膨瓜期，西瓜幼苗期、伸蔓期的莖粗變化明顯，這與王力[23]的研究結(jié)果相一致。該研究還顯示，相比施肥處理，西瓜的株高和莖粗對灌水定額的響應(yīng)更為顯著，灌水定額大的處理下其株高、莖粗值均大于灌水定額小的處理；在相同灌水定額條件下，60%常規(guī)施肥+40%有機(jī)?無機(jī)水溶肥處理的西瓜株高、莖粗最佳。水肥交互作用存在閾值，適宜的范圍內(nèi)施肥量越足，根系發(fā)育、吸收能力越好，而過高或過低的肥水施用量則效果不明顯[26]。宋修超等[27]的研究顯示，基質(zhì)栽培條件下，西瓜地上部、地下部生物量和產(chǎn)量在中水、N-P2O5-K2O （20 g-10 g-30 g）處理下達(dá)到最高，超過此閾值，若繼續(xù)增加水肥用量，則西瓜產(chǎn)量不再增加，甚至開始下降。

3 水肥耦合對西瓜光合生理特征的影響

光合作用是影響植物生長發(fā)育和產(chǎn)量效益的重要生理過程[28]。水、肥通過影響葉綠素、酶活性及氣孔開度等多種因素，對植株的光合作用產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其生物量積累和水分利用效率[29]。歐陽贊[30]對溫室西瓜進(jìn)行水肥氣熱耦合研究表明，灌溉定額對西瓜凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度以及胞間CO2濃度的影響極顯著，但施肥量對其影響效果則未達(dá)顯著水平，這與周振江等[31]對番茄的研究結(jié)論類似。適宜的灌溉條件下，西瓜形態(tài)指標(biāo)良好、葉片光合能力提高[32]。盧成等[33]通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)范圍內(nèi)控制土壤水分和施肥西瓜光合效率有效提高。楊小振等[34]研究表明，西瓜葉片光合特性與不同水肥處理響應(yīng)顯著，中水中肥處理下西瓜營養(yǎng)生長旺盛，葉片葉綠素含量、凈光合速率和蒸騰速率都較高，有利于更多光合產(chǎn)物積累。

4 水肥耦合對西瓜產(chǎn)量及品質(zhì)性狀的影響

氮、磷、鉀作為肥料的3 個(gè)要素，對西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)有重要作用，但不同生長階段西瓜對氮、磷、鉀的吸收比例不同。適量的氮肥用量不僅促進(jìn)西瓜生長，使產(chǎn)量、品質(zhì)也有提高。增施磷肥，西瓜的單株瓜數(shù)及單瓜質(zhì)量均有提高，從而增加產(chǎn)量，但過量施磷會(huì)造成西瓜品質(zhì)下降。西瓜的風(fēng)味和營養(yǎng)品質(zhì)與鉀肥用量存在一定程度的相關(guān)關(guān)系，施鉀量越大西瓜可溶性糖含量越高，但當(dāng)鉀肥用量達(dá)到一定值后其增加趨勢漸緩[35]。合理的水肥配比有助于西瓜營養(yǎng)生長，增加產(chǎn)量、改善品質(zhì)。研究表明，適度改善作物營養(yǎng)狀況可提高其產(chǎn)量和品質(zhì)，滴灌施肥條件下西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)變化隨施肥量、灌水量的增加呈“拋物線”態(tài)勢[36]。結(jié)合水肥一體化技術(shù)，按照西瓜需肥特點(diǎn)在其全生育期施肥，當(dāng)N、P2O5施用量均減少56.25%～68.75%，K2O減少34.37%～53.12%時(shí)可提高其開花坐果能力，產(chǎn)量提高10.24%～15.87%，售價(jià)增加16.88%～27.45%[37]。

5 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜體系，但就灌水和施肥而言，水分和養(yǎng)分為可控因素，兩者間的協(xié)同補(bǔ)償作用是作物得以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化灌溉和平衡施肥的基礎(chǔ)。水肥耦合效應(yīng)是西瓜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的有效途徑，對西瓜生長發(fā)育、生理特性、產(chǎn)量及品質(zhì)均有正向促進(jìn)作用，但受品種、自然環(huán)境、土壤特性及栽培模式等因素制約，西瓜不同生育期對水肥耦合的響應(yīng)存在差異。綜合考慮作物系統(tǒng)生產(chǎn)效益和農(nóng)田水土環(huán)境保護(hù)，需進(jìn)一步探索水肥耦合機(jī)理，研究建立以提高肥水利用效率、作物增產(chǎn)調(diào)質(zhì)為核心的水肥耦合灌溉技術(shù)體系，合理灌溉，科學(xué)施肥，進(jìn)而建立高效的農(nóng)田水肥管理信息系統(tǒng)，對穩(wěn)定提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力和助力農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。