茄子水肥耦合研究進(jìn)展

摘 要： 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水分和肥料是不可或缺的兩大基本要素。水肥耦合將水、肥有機(jī)結(jié)合，通過(guò)二者的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)目的。在分析水資源緊缺和肥料施用不合理的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，回顧了水肥耦合的發(fā)展歷程、定義及水肥耦合灌溉模式，闡述了水肥耦合對(duì)茄子生長(zhǎng)形態(tài)、光合特性、產(chǎn)量和品質(zhì)等影響的研究進(jìn)展。結(jié)果表明，水肥耦合是節(jié)約水肥資源，降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)茄子高效優(yōu)質(zhì)增產(chǎn)的有效措施。深入探究茄子水肥耦合機(jī)制，構(gòu)建多因素水肥耦合模型，尋求最佳水肥配比實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化灌溉，可為指導(dǎo)茄子合理的水肥管理并使茄子達(dá)到高效優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞：水肥耦合；茄子；節(jié)水灌溉；產(chǎn)量；品質(zhì)

中圖分類號(hào)：S274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2023）07-0073-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.07.011

0 引言

水資源是促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵，隨著人口持續(xù)增長(zhǎng)與糧食安全危機(jī)加重，水資源短缺問(wèn)題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我國(guó)作為世界農(nóng)業(yè)產(chǎn)出大國(guó)，農(nóng)業(yè)灌溉用水需求量大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年我國(guó)農(nóng)業(yè)用水突破了3 644 億m3，占我國(guó)用水總量的61.5%，農(nóng)業(yè)節(jié)水前景依然廣闊。肥料對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)至關(guān)重要，是作物增產(chǎn)的重要保證[1-2]。一般來(lái)說(shuō)，作物生產(chǎn)中，農(nóng)戶根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)盲目或過(guò)度施肥以期達(dá)到高產(chǎn)和高經(jīng)濟(jì)效益。過(guò)度或不合理施肥不但無(wú)法有效地增產(chǎn)，還會(huì)增加生產(chǎn)成本，同時(shí)也會(huì)造成土壤氮素積聚、作物根際微環(huán)境破壞、生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重污染等一系列問(wèn)題[3-5]。

茄子（Solanum melongena L.）是我國(guó)主要的蔬菜作物之一，其果肉中富含蛋白質(zhì)、維生素、生物堿等多種營(yíng)養(yǎng)成分，并且茄皮中富含花青苷、類黃酮等物質(zhì)，具有重要的食用價(jià)值和藥用價(jià)值[6-8]。對(duì)于作物生長(zhǎng)發(fā)育而言，水分和肥料是不可或缺的基本要素，以水促肥，以肥調(diào)水，二者相輔相成[9]。由于茄子對(duì)水肥要求較高，因此研究科學(xué)的水肥調(diào)控技術(shù)，確定茄子最佳灌溉施肥模式，不僅可以節(jié)約水肥資源、降低環(huán)境污染，還可以為茄子增產(chǎn)提質(zhì)提供理論依據(jù)。

耦合效應(yīng)一詞來(lái)自物理學(xué)概念，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，水肥耦合指作物在生長(zhǎng)過(guò)程中水分和肥料兩個(gè)體系之間的相互耦合和制約對(duì)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，并將水分和肥料通過(guò)相互協(xié)調(diào)產(chǎn)生的結(jié)果稱為水肥耦合效應(yīng)[10]。研究表明，水肥耦合灌溉技術(shù)已廣泛應(yīng)用于不同農(nóng)作物中，不僅促進(jìn)了作物根系生長(zhǎng)和光合作用，還提高了作物水肥利用率，實(shí)現(xiàn)了作物增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效[11-12]。針對(duì)水肥耦合在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，部分學(xué)者對(duì)茄子的水肥耦合機(jī)制也進(jìn)行了研究，但相比其他作物，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究多集中于灌溉或施肥單因素對(duì)茄子生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)的影響，而對(duì)茄子水肥耦合效應(yīng)的研究相對(duì)較少，茄子水肥耦合理論體系尚不完善。本研究歸納和總結(jié)了水肥耦合對(duì)茄子生長(zhǎng)形態(tài)、光合特性、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為茄子生長(zhǎng)配置最優(yōu)水肥灌溉，進(jìn)行科學(xué)水肥調(diào)控提供參考。

1 水肥耦合發(fā)展概況

水、肥是作物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少且最易控制的兩大基本要素。水分和養(yǎng)分與作物生長(zhǎng)發(fā)育密不可分，俗話說(shuō)“有收無(wú)收在于水，收多收少在于肥”。水是溶解和輸送養(yǎng)分的載體，可以促進(jìn)作物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)化，對(duì)肥效發(fā)揮起著關(guān)鍵作用；而肥料提供足夠養(yǎng)分供給作物生長(zhǎng)，為水土系統(tǒng)高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件[13-14]。綜合協(xié)調(diào)水量和肥量，不僅可以節(jié)水節(jié)肥，還可以改善土壤狀況，提高水肥利用率，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效。水分對(duì)作物生長(zhǎng)的影響早在16 世紀(jì)就有相關(guān)試驗(yàn)記載，而肥料對(duì)作物生長(zhǎng)的重要性直至17 世紀(jì)才被人們意識(shí)到[15]。1911 年，MONTGOMERYE G[16] 將玉米產(chǎn)量與水分需求量和土壤肥力建立聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)，以高肥土壤單位用水的生產(chǎn)方式玉米產(chǎn)量較高。1972 年，VIETS F G[17] 指出，盡管作物的水分和養(yǎng)分吸收是兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程，但是土壤養(yǎng)分以水分為載體由作物根部通過(guò)液流運(yùn)輸至各器官被作物吸收，這充分顯示了土壤水分和養(yǎng)分之間復(fù)雜而又緊密的關(guān)系。1975 年，ARNON I[18] 提出旱地作物吸收營(yíng)養(yǎng)的根本是如何在受到水分脅迫的條件下合理的施肥。此后，水肥間的耦合效應(yīng)逐漸為人們所重視。國(guó)內(nèi)農(nóng)學(xué)界于20 世紀(jì)80 年代提出，通過(guò)科學(xué)合理的施肥可提高作物水分利用率，進(jìn)而改善作物營(yíng)養(yǎng)條件，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，即“以肥調(diào)水”[14]。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)水分和養(yǎng)分間的關(guān)系進(jìn)行了多方位試驗(yàn)研究，從各個(gè)層面對(duì)水肥耦合機(jī)理進(jìn)行了更加系統(tǒng)地分析，使作物與土壤水肥間的關(guān)系更加協(xié)調(diào)，取得了許多研究成果。

水肥耦合是指作物生長(zhǎng)過(guò)程中，水分和土壤養(yǎng)分兩個(gè)體系間的相互協(xié)調(diào)和相互制約對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的正向效應(yīng)或負(fù)向效應(yīng)。根據(jù)作物需水需肥特性，合理配置水量和肥量，以實(shí)現(xiàn)“以肥調(diào)水”和“以水促肥”的目的。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，為更有效地利用有限的水資源，農(nóng)作物灌溉已由傳統(tǒng)的大水漫灌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠韫?、噴灌、微灌和膜下滴灌等新型?jié)水灌溉模式。水肥一體化灌溉是一種以水肥耦合為核心的精準(zhǔn)灌溉模式，又稱水肥耦合灌溉，其針對(duì)作物的需水需肥特點(diǎn)，利用節(jié)水灌溉設(shè)備在固定時(shí)間內(nèi)將水分和可溶性肥料按特定配比充分混勻后及時(shí)輸送至植株根部。水肥耦合灌溉不但能大大提高水肥利用率，節(jié)約水肥資源，還可以改善土壤板結(jié)，加快土壤微生物分解有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)作物根系高效吸收水分和養(yǎng)分，對(duì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)起著重要作用。

2 水肥耦合對(duì)茄子生長(zhǎng)形態(tài)特征的影響

在不同生育階段，作物生長(zhǎng)發(fā)育特征明顯。株高是衡量作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的重要指標(biāo)，對(duì)作物產(chǎn)量有重大影響；莖稈可以將根系吸收的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送至各個(gè)器官，因此莖粗對(duì)作物生長(zhǎng)起著關(guān)鍵作用[19]。水分和養(yǎng)分在茄子生育前期主要參與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，株高和莖粗增長(zhǎng)迅速，在茄子生長(zhǎng)后期主要參與生殖生長(zhǎng)，株高和莖粗增長(zhǎng)變緩[20]。張娟等[21] 研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)施滴灌條件下，灌水量對(duì)茄子株高、莖粗的影響比施肥量更為顯著，當(dāng)灌水下限相對(duì)較低時(shí)，較高的施氮水平雖不利于植株莖粗發(fā)育，但顯著促進(jìn)了植株葉片生長(zhǎng)和株高增長(zhǎng)。HALIL K 等[22] 研究表明，相比充分灌溉，水分虧缺情況下，茄子株高、莖粗和干物質(zhì)質(zhì)量顯著降低?？娖渌傻萚23] 在塑料大棚內(nèi)研究了水肥減量對(duì)茄子生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)灌水量和施肥量為常規(guī)的50% 時(shí)，不僅可以促進(jìn)茄子整個(gè)生育期株高的增長(zhǎng)，還使生長(zhǎng)中后期的茄子莖粗達(dá)到最大。不同茄子品種的肥水需求量各不相同，米國(guó)全等[24] 研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行不同灌溉量處理前，不同有機(jī)肥處理對(duì)不同品種茄子生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)不盡相同；對(duì)茄子的株高和株幅來(lái)說(shuō)，綠玉1 號(hào)在施肥量150 m3/hm2（中肥）時(shí)較大，而綠玉2 號(hào)在施肥量300 m3/hm2（高肥）時(shí)較大；有機(jī)肥的高投入不僅有利于花冠直徑的增加，還可以使植株提早開花。李波等[25] 通過(guò)分析不同的灌溉方式和水分處理對(duì)茄子生長(zhǎng)的影響，得出當(dāng)灌溉方式相同時(shí)，隨著灌水量的增加，茄子的株高和莖粗逐漸增長(zhǎng)；此外，灌溉方式和灌水量?jī)梢蛩貐f(xié)調(diào)作用對(duì)茄子莖粗有較為顯著的影響，但對(duì)茄子株高影響不大。

3 水肥耦合對(duì)茄子光合生理特征的影響

光合作用是作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必不可少的生理活動(dòng)，對(duì)促進(jìn)作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)有重要意義。土壤中的水肥狀況對(duì)光合作用影響重大，水分不足時(shí)，作物對(duì)光合原料的吸收降低；養(yǎng)分不足時(shí)，作物生長(zhǎng)速度和光合元素合成受到抑制，所以科學(xué)合理的水肥狀況是作物光合特性有效發(fā)揮的基礎(chǔ)[26-27]。楊振宇[28]通過(guò)探究施氮量和水分虧缺對(duì)茄子生長(zhǎng)發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，在正午時(shí)，茄子凈光合速率明顯減小，存在光合“午休”現(xiàn)象；隨著氮肥施用量的逐步增大，茄子蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度也逐步增加，但施氮量超過(guò)某一范圍后，茄子蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度開始減小，此外，任何生育時(shí)期水分脅迫都會(huì)使二者的值降低。郜永博[29]研究顯示，基質(zhì)栽培條件下，灌水定額相同時(shí)，適宜的氮、磷、鉀用量使葉片光合特性顯著提高；葉片凈光合速率和光合色素在一定范圍內(nèi)隨著施氮量的增加而增大，作物光合作用得到提高，植株快速增長(zhǎng)。王璐璐[30] 則通過(guò)正交試驗(yàn)方法，探討了灌溉水質(zhì)、灌溉定額和施肥量3 因素對(duì)茄子生長(zhǎng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在再生水灌溉下，茄子凈光合速率、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率、葉綠素含量及氣孔導(dǎo)度均隨著灌溉定額和施肥量的提高而上升；并提出灌水量4 680m3/hm2、施肥量1 440 kg/hm2 是茄子在再生水灌溉下的最佳水肥耦合方案。徐軍用等[31] 研究灌水方式對(duì)茄子生長(zhǎng)發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，相較于固定灌溉和常規(guī)灌溉，交替隔溝灌溉增強(qiáng)了水肥耦合效應(yīng)，進(jìn)而提高了茄子葉綠素含量和光合速率。

4 水肥耦合對(duì)茄子產(chǎn)量的影響

實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)是研究水肥耦合的主要目的之一。邵泱峰等[32] 在大田條件下進(jìn)行了水肥同灌對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)施肥相比，水肥同灌處理使茄子產(chǎn)量增加3.2%～8.5%。氮、磷、鉀是作物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素，3 者的平衡施用對(duì)作物產(chǎn)量影響重大。劉根紅等[33] 通過(guò)數(shù)學(xué)模擬得出，在日光溫室中，各因素對(duì)茄子產(chǎn)量影響的順序?yàn)殁浰豨t;氮素gt;水分。陳修斌等[34] 通過(guò)水肥耦合數(shù)學(xué)模型分析茄子產(chǎn)量對(duì)灌水量、鉀肥、磷肥耦合效應(yīng)的響應(yīng)得出，茄子產(chǎn)量在施鉀量、施磷量和灌水量分別為78.6 kg/hm2、15.5 kg/hm2、2 904.6m3/hm2 時(shí)最高。孫卓等[35] 以設(shè)施黑土菜田茄子生產(chǎn)為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，探討了減水減肥對(duì)茄子產(chǎn)量的作用，認(rèn)為相比于傳統(tǒng)水肥處理，雖然灌水量減少明顯降低了茄子產(chǎn)量，但施肥量減少對(duì)茄子產(chǎn)量作用不顯著，這可能是設(shè)施黑土菜田中養(yǎng)分含量充足的原故。劉秋麗[36]以常規(guī)滴灌為對(duì)照，研究了痕量灌溉不同施肥量對(duì)茄子產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，相比于常規(guī)滴灌模式，痕量灌溉節(jié)肥20%～40%，增產(chǎn)10.5%～13.5%。氮素是影響作物生長(zhǎng)的主要養(yǎng)分元素，當(dāng)施氮量超過(guò)某一閾值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低[37]。楊振宇等[38] 試驗(yàn)表明，在同一施氮水平下，相比全生育期正常灌水，任何生育期的水分脅迫都會(huì)抑制茄子最終產(chǎn)量；隨著氮肥施用量增加，茄子產(chǎn)量逐漸增高，當(dāng)超過(guò)一定范圍時(shí)，產(chǎn)量開始逐漸降低。王愛(ài)梅等[39] 進(jìn)行了茄子水肥一體化減氮增效試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)穴施相比，在水肥一體化減氮10%～ 30% 時(shí)茄子產(chǎn)量反而提高了?0.48%～2.44%，這表明在一定程度上減少氮肥施用量，可以使茄子增產(chǎn)，在水肥一體化減氮30% 情況下，茄子產(chǎn)量增幅最大。

5 水肥耦合對(duì)茄子品質(zhì)的影響

可溶性糖和蛋白質(zhì)含量的高低決定了作物口味和貯藏時(shí)間，是反映作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)；維生素C 是一種對(duì)人體來(lái)說(shuō)極為重要的抗氧化劑，其含量高低直接決定了蔬菜口味；硝酸鹽含量對(duì)植株本身沒(méi)有影響，但會(huì)對(duì)食用者的健康造成潛在威脅。與常規(guī)施肥相比，水肥耦合不僅能增加作物產(chǎn)量，還可以在一程度上改善作物品質(zhì)。馬晟等[40] 采用水肥一體化膜下滴灌施肥技術(shù)研究氮、磷、鉀不同用量對(duì)茄子品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)茄子品質(zhì)與氮、磷、鉀用量符合報(bào)酬遞減定律，即在一定范圍內(nèi)，茄子品質(zhì)隨氮、磷、鉀用量的增加而增加，當(dāng)超過(guò)這一范圍后，茄子品質(zhì)反而降低。

張娟等[21] 研究表明，茄子品質(zhì)指標(biāo)對(duì)氮肥施用量響應(yīng)并不明顯，但對(duì)灌水量響應(yīng)非常顯著。米國(guó)全等[24] 研究不同品種茄子最佳的肥水管理模式，發(fā)現(xiàn)綠玉1 號(hào)、綠玉2 號(hào)的維生素C 和維生素P 含量分別在中肥高水、高肥高水處理下較高，而可溶性糖含量分別在高肥低水、低肥低水處理下達(dá)到最高，說(shuō)明適度的肥水耦合對(duì)提高茄子果實(shí)中維生素C、維生素P 和可溶性糖含量非常重要。相比于過(guò)高或過(guò)低的水肥供應(yīng)，適宜的水肥處理可以在保證作物品質(zhì)的基礎(chǔ)上提高作物的商品屬性?？娖渌傻萚23] 研究表明，50% 水肥處理的茄子維生素C 含量、可溶性糖含量及粗蛋白含量均達(dá)到最高，顯著高于其他水肥處理。盧家柱等[41] 采用盆栽試驗(yàn)研究了不同施氮水平對(duì)茄子品質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，隨著氮肥施用量的增加，茄子果實(shí)中的硝酸鹽含量逐漸累積，不利于人體健康，適量減氮不僅可以降低茄子果實(shí)中硝酸鹽含量，還可以使其品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。奚輝等[42] 研究了滴灌施肥處理對(duì)秋茄子品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)施肥相比，滴灌施肥可以提高秋茄子果實(shí)中可溶性糖和可溶性蛋白含量，說(shuō)明滴灌施肥可以有效高和改善茄子果實(shí)品質(zhì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

作物生長(zhǎng)離不開水肥供應(yīng)，灌水量和施肥量?jī)?yōu)化配置可實(shí)現(xiàn)作物低投入、高產(chǎn)出和高品質(zhì)目標(biāo)。茄子是需水需肥量大的作物，水肥耦合效應(yīng)對(duì)其生長(zhǎng)形態(tài)、光合特性、產(chǎn)量及品質(zhì)起到了正向調(diào)節(jié)作用。但是，對(duì)不同區(qū)域和不同茄子品種的水肥施用量很難達(dá)到定量標(biāo)準(zhǔn)，水肥耦合效應(yīng)受到水質(zhì)、自然環(huán)境、土壤性質(zhì)及栽培模式等多種因素制約。因此，今后的試驗(yàn)研究要因地制宜，根據(jù)作物需水需肥特性構(gòu)建多因素水肥耦合模型，尋求最優(yōu)水肥灌溉方案以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化水肥灌溉，以期節(jié)約水肥資源、增加作物產(chǎn)量、提升作物品質(zhì)、增強(qiáng)水肥高效利用，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。