膜下滴灌水肥一體化研究進(jìn)展

王 永， 張恒嘉， 李福強(qiáng)

（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

農(nóng)業(yè)是我國第一用水大戶，水利部2020 年水資源公報(bào)顯示，農(nóng)業(yè)灌溉用水量3 612.4 億m3，約占用水總量的62.1%[1]。我國干旱缺水，人均水資源占有量少，且水資源時(shí)空分配不均，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾突出，化肥投入量大。據(jù)FAO 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年我國化肥平均用量350.5 kg/hm2，遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國家化肥施用水平上限225 kg/hm2[2-3]。這種高耗低效的水肥投入生產(chǎn)方式導(dǎo)致耕地土壤性狀惡化、養(yǎng)分流失、土壤板結(jié)及次生鹽漬化加劇，農(nóng)作物品質(zhì)降低，造成極大的資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境破壞，影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

覆膜栽培農(nóng)藝措施能顯著降低植株蒸騰和棵間蒸發(fā)，調(diào)整作物耗水結(jié)構(gòu)，提高基礎(chǔ)作物系數(shù)，改善作物根際表層土壤局部水溫狀況，增加土壤微生物群落，提高作物水分生產(chǎn)力，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)增效目標(biāo)[4]。滴灌系統(tǒng)通過灌溉設(shè)備將水分和養(yǎng)分以小流量、高頻率、緩慢均勻、定時(shí)定量浸潤土壤表層和植株根區(qū)，根據(jù)作物不同階段需水特性，實(shí)現(xiàn)同步調(diào)控水分和養(yǎng)分的精確供給，廣泛應(yīng)用于干旱、半干旱地區(qū)[5]。膜下滴灌則集成了覆膜和滴灌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能有效保護(hù)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和改良土壤理化性狀，既可積溫保墑、節(jié)水節(jié)肥、減蒸抑鹽、增產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，亦可減少病蟲草害及農(nóng)藥施用量，顯著減少肥料淋失和營養(yǎng)元素奢侈消耗[6]。水利部2019 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國微灌等高效節(jié)水灌溉面積達(dá)2 200 萬hm2，約占全國耕地面積的17.8%，發(fā)展?jié)摿薮骩7]。但“大尺度、跨流域、多時(shí)空”水?肥?根?鹽交互耦合機(jī)制及普適性模型構(gòu)建、高效綠色水溶肥和地膜研發(fā)、智能化系統(tǒng)設(shè)施配套及技術(shù)推廣將是亟待解決的問題。因此，通過系統(tǒng)科學(xué)管理和精確實(shí)施水肥動(dòng)態(tài)調(diào)控的膜下滴灌水肥一體化技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)提質(zhì)增效、化肥減施、鹽堿治理、環(huán)境保護(hù)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 水肥一體化發(fā)展歷程

20 世紀(jì)60 年代初，以色列建成世界上首個(gè)現(xiàn)代滴灌系統(tǒng)。以色列水資源極度匱乏，60%土地處于干旱、半干旱區(qū)，極端的氣候條件迫使以色列發(fā)展高效節(jié)水技術(shù)并廣泛應(yīng)用于大田、溫室、園林、生態(tài)綠化等多元種植領(lǐng)域。近年來，以色列大力發(fā)展地下滴灌、地下咸水淡化灌溉、污水循環(huán)灌溉及壓力補(bǔ)償?shù)喂嗉夹g(shù)，其中滴灌面積達(dá)69.7%，灌溉水利用效率和肥料利用效率分別達(dá)95%和80%[8]。在美國、日本、澳大利亞、南非津巴布韋等國家，隨著滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用，水肥一體化技術(shù)也日臻成熟。美國水資源量充沛，2018 年滴灌面積達(dá)到了201 萬hm2，占有效灌溉面積的62.4%[9]。日本、澳大利亞水肥一體化應(yīng)用率達(dá)90%，配備了較為先進(jìn)的自動(dòng)化水肥控制設(shè)備，有效提高了水資源利用效率。

我國于1974 年從墨西哥引進(jìn)滴灌技術(shù)，在引進(jìn)西方先進(jìn)生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，廣泛進(jìn)行試驗(yàn)研究并建立示范區(qū)?！鞍宋濉庇?jì)劃將滴灌技術(shù)研究列為重點(diǎn)研發(fā)攻關(guān)項(xiàng)目。1992 年以來，我國積極同以色列等國加強(qiáng)了農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域的深度合作，構(gòu)建了中?以農(nóng)業(yè)交流合作平臺(tái)，如1992 年和2006 年MASHAV 農(nóng)業(yè)培訓(xùn)、1993年國際農(nóng)業(yè)培訓(xùn)中心與示范農(nóng)場(chǎng)、2001 年旱作農(nóng)業(yè)培訓(xùn)中心等，期間微灌設(shè)備配套和技術(shù)示范推廣研究取得新進(jìn)展[10]。1996－2006 年是我國滴灌技術(shù)高速發(fā)展時(shí)期，同時(shí)期對(duì)灌溉施肥技術(shù)也頗為重視，農(nóng)業(yè)部連續(xù)5 年邀請(qǐng)國內(nèi)外專家舉辦水肥一體化理論技術(shù)培訓(xùn)，微灌施肥技術(shù)從小范圍推廣應(yīng)用升級(jí)為集約規(guī)?；瘏^(qū)域發(fā)展（華北、華南、西北旱區(qū)）[11]。截至2019 年，我國微灌灌溉面積628 萬hm2，其中新疆450.3 萬hm2，位居全國第一[12]。滴灌水肥一體化技術(shù)節(jié)水增產(chǎn)30%～60%，有效減少氮素?fù)p失25%～50%，覆蓋設(shè)施栽培、無土栽培、果樹花卉栽培等種植模式[13]。

2 膜下滴灌對(duì)作物水分利用效率的影響

土壤?作物水分關(guān)系對(duì)探明作物生物性節(jié)水機(jī)理和對(duì)干旱逆境水分狀況的響應(yīng)至關(guān)重要，也是SPAC 系統(tǒng)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。WANG Yahui 等[14]對(duì)西北旱區(qū)玉米研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌比畦灌作物水利用效率（water use efficiency，WUE）和灌溉水利用效率（irrigation water use efficiency，IWUE）平均提高11%，WUE 平均提升15%，減少田間蒸散發(fā)7%，且土壤含水量在整個(gè)生育期內(nèi)波動(dòng)幅度較小。BAI Shanshan 等[15]研究了華北平原冬小麥滴灌施肥對(duì)作物生長和WUE 的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)土壤水勢(shì)（soil water potential，SMP）閾值為40 kPa 時(shí)滴灌較地面灌溉顯著增產(chǎn)4.3%、節(jié)水46.6%、WUE 提高10.5%，且單位SMP 降低可使冬小麥ET、灌水量分別降低0.12%、0.92%，IWUE增加1.22%。WEI Zhenhua 等[16]借助13C 同位素示蹤法研究了西北旱區(qū)番茄溝灌、分根交替滴灌（APRI）對(duì)WUE 的影響，結(jié)果表明APRI 使植株葉片通過介質(zhì)根源信號(hào)ABA（Abscisic acid）與水分脅迫建立反饋機(jī)制調(diào)節(jié)氣孔開度，降低蒸騰損失，減少灌水33.3%，WUE 提高19.6%。劉小剛等[17]通過灌水水平與肥料分期追施對(duì)光合特性、WUE、產(chǎn)量的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，干熱區(qū)芒果滴灌施肥對(duì)葉面積指數(shù)、消光系數(shù)、羧化效率等光合特性影響顯著，適度水分虧缺（75% ETc）和開花期、果實(shí)膨大期、花芽分化期追肥（75、25 和50 kg/hm2）可明顯提高IWUE和水分生產(chǎn)力。

3 膜下滴灌對(duì)作物養(yǎng)分利用效率的影響

3.1 氮素利用效率

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是可供植物吸收利用的良好氮源。土壤?植物系統(tǒng)中氮素的損失（氨揮發(fā)、硝酸鹽淋失）不僅會(huì)降低土壤肥力和減產(chǎn)，還會(huì)導(dǎo)致酸雨、水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題。SANDHU O S 等[18]通過玉米?小麥輪作滴灌覆蓋試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滴灌水肥一體化對(duì)土壤速效養(yǎng)分的空間變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，且硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律具有明顯的表聚性，與溝灌相比，滴灌覆蓋使小麥、玉米平均氮素回收效率提高了16.5% 和29%，玉米氮肥農(nóng)學(xué)效率提高19.2%。SUI Juan 等[19]在東北平原連續(xù)兩年的膜下滴灌試驗(yàn)表明，膜下滴灌有效增加了土壤總水分貯量、土壤積溫及凈輻射截留，促使氮素利用效率提高57%～84%。作物灌水后根區(qū)水分飽和，容易導(dǎo)致根系缺氧，該條件下優(yōu)化施氮水平并不能持續(xù)增加作物產(chǎn)量，CUI Bingjing 等[20]研究發(fā)現(xiàn)增氧滴灌可以改善土壤通氣狀況和根系呼吸作用，提高光合作物基礎(chǔ)系數(shù)和作物干物質(zhì)積累，與非含氧滴灌相比，氮素偏生產(chǎn)力提高了28.95%，產(chǎn)量增加1.29 倍。

3.2 磷素利用效率

CHEN Bolang 等[21]研究表明，作物品種特性與磷素水平存在交互作用，作物根毛密度、結(jié)構(gòu)形態(tài)不同，對(duì)交換態(tài)磷的吸收能力也不同，直接影響磷素的利用效率（phosphorus use rates，PUE）和偏生產(chǎn)力。YANG Lijuan等[22]發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)磷含量隨著土層深度增加呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，全磷、速效磷含量均表現(xiàn)為明顯的表聚性，且20～60 cm 土層全磷、速效磷含量均高于溝灌處理，表明土壤水分管理一定程度上可以調(diào)控磷素動(dòng)態(tài)。隨著磷素的轉(zhuǎn)化、運(yùn)移和歸趨，磷酸鹽逐漸老化，土壤對(duì)磷專性配位基團(tuán)吸附作用力減弱，土壤有效性磷濃度降低，進(jìn)而需要增施磷肥以提高有效磷貯庫，ZHANG Qianbing 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在灌水量相同條件下，滴灌施磷肥顯著提高了紫花苜蓿產(chǎn)量7.43%～29.87%，一定范圍苜蓿植株磷累積利用率和施磷肥量呈正相關(guān)，且滴灌施磷肥顯著增加0～20 cm 土層速效磷含量，提高PUE3.76%～4.96%。作物對(duì)有機(jī)磷素的吸收也受土壤堿性磷酸酶活性影響，WANG Jingwei 等[24]通過膜下滴灌對(duì)PUE 影響研究發(fā)現(xiàn)覆膜、灌水下限、滴灌線密度3 因素中，土壤堿性磷酸酶活性灌水下限最敏感（最大值出現(xiàn)在80%田間持水量），覆膜滴灌有效提高了作物根系活力和真菌、放線菌生物群落豐度，間接提高了植株對(duì)磷的吸收能力。

3.3 鉀素利用效率

外源鉀素主要以游離態(tài)K+供土壤膠體吸附，經(jīng)K+和銨根等離子交換成為可供植株生長發(fā)育的有效鉀。王虎等[25]研究發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)源滴灌施肥條件下，反應(yīng)性溶質(zhì)K＋運(yùn)移規(guī)律與土壤水分入滲擴(kuò)散密切相關(guān)，當(dāng)水分遷移速率較大時(shí)，速效鉀徑向和豎向運(yùn)動(dòng)為對(duì)流作用主導(dǎo)下的溶質(zhì)遷移，反之速效鉀吸附固定大于對(duì)流作用，0～30 cm 土層土壤濕潤鋒內(nèi)側(cè)出現(xiàn)明顯的速效鉀遷移積聚。KANAI S 等[26]發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞在光合同化、蛋白質(zhì)合成、酶活、有機(jī)酸代謝和離子穩(wěn)態(tài)對(duì)K+需求非常高，鉀素脅迫抑制了作物光合作用和13C 同化產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)及生物量分配，對(duì)番茄來說，鉀素合理施用水平是鉀素高效利用的重要因素。尹彩俠等[27]通過膜下滴灌玉米鉀素運(yùn)籌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合理的鉀素運(yùn)籌可以顯著提高各營養(yǎng)器官向生殖器官鉀素的轉(zhuǎn)運(yùn)效率和地上部鉀素累積，促進(jìn)玉米開花期鉀素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，鉀素吸收利用效率、農(nóng)學(xué)效率、鉀素偏生產(chǎn)力顯著提高24%、59%、8.35%。此外氮-鉀互作也會(huì)影響鉀素的利用效率，ZHANG Fusuo 等[28]綜述了氮素形態(tài)、施氮量對(duì)土壤鉀的吸持及作物體內(nèi)鉀運(yùn)移規(guī)律的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)氮-鉀的相互作用取決于氮素形態(tài)和供鉀水平，過量鉀素投入加劇了銨根離子和K+拮抗作用，而長期氮脅迫降低了根系對(duì)K+的親和力，適宜鉀素水平下的施用氮肥，有利于提高鉀素的利用效率。

4 膜下滴灌對(duì)土壤性狀的影響

4.1 水鹽運(yùn)移

膜下滴灌具有調(diào)控、分配水鹽對(duì)作物生長影響的正向效應(yīng)，同時(shí)水鹽遷移受灌水方式、水質(zhì)、土壤鹽分時(shí)空異質(zhì)性、耕作方式等多因素耦合效應(yīng)影響。LI Kaiming 等[29]在新疆棉花膜下滴灌試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量增加，0～80 cm 土層內(nèi)鹽分含量明顯降低，且鹽分峰值隨土壤水分向濕潤鋒邊緣遷移，土壤剖面形成明顯的積鹽區(qū)和鹽分淡化區(qū)。姚寶林等[30]研究發(fā)現(xiàn)，灌水次數(shù)對(duì)土壤剖面鹽分變異程度比灌水定額弱，增加灌水次數(shù)有利于表層土壤洗鹽和抑制土壤返鹽，當(dāng)耕作層鹽分含量＜3.0 g/kg 時(shí)，棉花全生育期灌水定額460 mm、灌水次數(shù)16 次不會(huì)出現(xiàn)鹽分累積。SELIM T 等[31]研究微咸水滴灌對(duì)水鹽分布影響機(jī)制發(fā)現(xiàn)，微咸水與淡水入滲特征相似，土壤累積入滲量與濕潤鋒呈線性關(guān)系，鹽分含量分布接近正態(tài)分布，且隨著灌水礦化度的增加，作物主根區(qū)鹽分濃度出現(xiàn)明顯累積。但也有研究表明，作物不同生育期對(duì)鹽分脅迫敏感程度差異顯著，苗期宜淡水灌溉，生長后期作物耐鹽性增強(qiáng)，微咸水灌溉能有效減少非生物鹽分脅迫[32]。

4.2 土壤理化性狀

膜下滴灌通過影響土壤水鹽和養(yǎng)分運(yùn)移、耕層溫度、氧化還原狀況等理化生物特性，改變作物生長環(huán)境。馬建輝等[33]研究發(fā)現(xiàn)，土壤水吸力30 kPa 灌水下限的膜下滴灌顯著降低了土壤結(jié)構(gòu)破壞率、不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)和團(tuán)聚體分形維數(shù)，促進(jìn)了耕層水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定，進(jìn)而保持土壤的疏松狀態(tài)。GUO Shufang 等[34]研究發(fā)現(xiàn)膜下滴灌局部浸潤土壤，使作物根際水分和溫度處于適宜狀態(tài)，增加了微生物熵值，促進(jìn)了固相有機(jī)物質(zhì)快速礦化分解和鹽基離子交換演化，保持了土壤肥力和增強(qiáng)土壤固碳能力。趙祥等[35]探究了滴灌對(duì)土壤微生物群落及分布特征的影響，發(fā)現(xiàn)功能菌群的多樣性促進(jìn)了土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，滴灌苜蓿距離根系4 mm 土壤中有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷、土壤中性磷酸酶及土壤脲酶比自然降雨灌溉苜蓿根際土壤分別增加65.6%、23.85%、48.4%、40.4%、266.7%，有效改善了土壤質(zhì)量。

5 水肥耦合效應(yīng)模型研究

水肥耦合模型的構(gòu)建是揭示SPAC（soil plant atmosphere continuum）系統(tǒng)各個(gè)變量內(nèi)在數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的等式表達(dá)，能夠較好模擬水-肥運(yùn)移分布及水肥交互水平尋優(yōu)和綜合評(píng)價(jià)。何進(jìn)宇等[36]通過旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)膜下滴灌條件下，灌水定額、氮素、磷素對(duì)水稻產(chǎn)量關(guān)系符合三元二次回歸模型，水氮交互項(xiàng)回歸系數(shù)均達(dá)到極顯著水平，3 因素對(duì)增產(chǎn)效應(yīng)影響從大到小依次為灌水定額＞氮素＞磷素。MOJTABA K 等[37]借助AquaCrop模型模擬了不同水氮組合對(duì)大豆冠層覆蓋度、WUE、產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果均方根偏差較小，不同冠層演進(jìn)與實(shí)測(cè)一致性指數(shù)均為0.95，模型效率分別為0.96、0.93 和0.85，吻合度高，且與實(shí)測(cè)結(jié)果具有良好的一致性。

6 結(jié)束語

膜下滴灌水肥一體化技術(shù)是一項(xiàng)精準(zhǔn)高效的農(nóng)業(yè)技術(shù)，不僅能促進(jìn)土壤水分和養(yǎng)分平衡土壤水分再分布，提升灌溉質(zhì)量，還可減少化肥投入，有效改善區(qū)域水資源緊缺和施肥對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的次生污染。然而，水肥一體化也存在提質(zhì)增效機(jī)理研究不夠深入，設(shè)備不配套、質(zhì)量參差、技術(shù)推廣不全面等問題，今后需進(jìn)一步探明不同區(qū)域水分和養(yǎng)分元素及鹽分在作物-土壤系統(tǒng)的遷移規(guī)律，并根據(jù)作物生理需水需肥規(guī)律構(gòu)建多因素耦合水肥模型，實(shí)現(xiàn)水肥藥并施、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋及自動(dòng)化管理，不斷推進(jìn)水肥一體化規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)用化。