西瓜水肥一體化灌溉研究進(jìn)展

聞丹 牛最榮 于守超 張恒嘉

摘 要： 水資源短缺和肥料利用率低是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的突出問(wèn)題。水肥一體化灌溉是將灌溉與施肥融為一體的灌溉模式，可根據(jù)作物不同生育時(shí)期需水需肥規(guī)律，將水分和養(yǎng)分定時(shí)定量按比例精準(zhǔn)提供到作物根部。綜述了國(guó)內(nèi)外水肥一體化灌溉及相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展、西瓜全生育期水肥需求規(guī)律和水肥一體化灌溉模式對(duì)西瓜生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，分析了水肥一體化灌溉面臨的問(wèn)題并提出相關(guān)解決方案。深入研究水肥一體化灌溉理論、優(yōu)化灌溉設(shè)備和改變傳統(tǒng)灌溉施肥方式，可為指導(dǎo)西瓜節(jié)水、節(jié)肥、優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水肥一體化；西瓜；水肥規(guī)律；生長(zhǎng)發(fā)育；產(chǎn)量；品質(zhì)

中圖分類號(hào)：S275文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）08-0081-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.014

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)快速發(fā)展及人們生活水平日益提高，水資源需求量不斷增加。目前農(nóng)業(yè)是全球最大的用水戶，占全球總用水量的87%，用于灌溉的淡水約占60%[1]。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，一些農(nóng)民缺乏科學(xué)灌溉、精準(zhǔn)施肥意識(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大水大肥問(wèn)題突出。傳統(tǒng)的灌溉施肥模式不但會(huì)產(chǎn)生報(bào)酬遞減現(xiàn)象，而且剩余肥料造成深層滲漏，污染水資源，因此有效解決農(nóng)業(yè)用水用肥問(wèn)題尤為重要。農(nóng)業(yè)灌溉方式在實(shí)踐中不斷發(fā)展，從大水漫灌到微灌、噴灌等新興灌溉技術(shù)。大水漫灌水資源利用率低，產(chǎn)量低，土壤鹽漬化問(wèn)題嚴(yán)重；普通微灌、噴灌技術(shù)雖然在一定程度上提高了水資源利用率，但仍存在許多問(wèn)題。傳統(tǒng)的施肥方式化肥施用量大，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)波動(dòng)較大，農(nóng)業(yè)面源污染頻發(fā)[2-3]。因此，水肥一體化灌溉模式應(yīng)運(yùn)而生，此灌溉方式根據(jù)作物生長(zhǎng)規(guī)律，定時(shí)、定量、按比例精準(zhǔn)灌溉施肥，從而達(dá)到省水、省肥、高效的目的?，F(xiàn)在許多學(xué)者針對(duì)芒果、棉花、紫花苜蓿等作物開(kāi)展水肥一體化研究[4-8]。

西瓜富含碳水化合物和各種維生素，口感好，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，是我國(guó)的重要瓜菜作物，種植面積大，但過(guò)量灌水和施肥導(dǎo)致西瓜品質(zhì)下降和土壤環(huán)境惡化等問(wèn)題突出，科學(xué)合理的灌溉模式不但可以調(diào)質(zhì)增產(chǎn)，還可以減少成本投入[9]。目前雖然已有大量的水肥一體化灌溉研究理論，但關(guān)于西瓜水肥一體化灌溉的系統(tǒng)研究較少。本研究針對(duì)國(guó)內(nèi)外水肥一體化灌溉研究進(jìn)展、水肥一體化灌溉技術(shù)、西瓜需水需肥規(guī)律及水肥一體化灌溉技術(shù)對(duì)西瓜生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響進(jìn)行了概括總結(jié)。

1 水肥一體化灌溉研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外水肥一體化灌溉技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外水肥一體化灌溉發(fā)展迅速，水平較高。20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)開(kāi)始運(yùn)用水肥灌溉技術(shù)，發(fā)展速度較快，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，60% 的馬鈴薯、33% 的果樹(shù)和25% 的玉米均使用水肥一體化灌溉[10]。隨著自動(dòng)化程度不斷提高，美國(guó)依據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)智能分析水肥控制中心溶解性肥料分布規(guī)律和系統(tǒng)壓力特征，制定科學(xué)的水肥灌溉制度，進(jìn)一步提高了水分和肥料利用率[11]。

20 世紀(jì)50 年代，以色列開(kāi)始用微灌技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)漫灌方式，隨著灌溉系統(tǒng)不斷完善，現(xiàn)在水資源利用率高達(dá)98%，位居世界首位，水肥一體化灌溉應(yīng)用率超過(guò)90%[12-13]。滴灌技術(shù)廣泛使用，有效改良土壤鹽漬化，增加土地使用面積，耕地面積由16.5 萬(wàn)hm2 增加至43 萬(wàn)hm2，農(nóng)業(yè)灌溉面積由3 萬(wàn)hm2 擴(kuò)大到22.5萬(wàn)hm2[14]。

20 世紀(jì)50 年代，荷蘭開(kāi)始研發(fā)肥料混合罐，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，現(xiàn)在荷蘭水肥一體化灌溉設(shè)備研發(fā)已相對(duì)成熟，通過(guò)使用封閉式水肥一體化自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，可使水肥利用效率提高至90% 以上[15]。除上述國(guó)家外，印度、法國(guó)、意大利、日本和南非等國(guó)家水肥一體化灌溉技術(shù)發(fā)展速度也較快。

1.2 國(guó)內(nèi)水肥一體化灌溉技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)水資源面臨污染嚴(yán)重、供需矛盾突出、利用方式粗放等問(wèn)題。嚴(yán)峻的用水形勢(shì)推動(dòng)我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。目前我國(guó)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展成效顯著，農(nóng)業(yè)用水比例和占全國(guó)總用水量比例“雙下降”，農(nóng)業(yè)用水效率和效益“雙提升”。節(jié)水灌溉在提高我國(guó)灌溉保證率和促進(jìn)糧食總產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)方面做出了卓越貢獻(xiàn)。

我國(guó)水肥一體化灌溉技術(shù)已經(jīng)由初期單一作物小范圍試點(diǎn)發(fā)展到現(xiàn)在分區(qū)域、規(guī)模化推廣[16]。目前廣泛應(yīng)用于棉花、玉米、馬鈴薯、設(shè)施蔬菜、果樹(shù)和花卉等作物，使用地區(qū)也已經(jīng)覆蓋了東北、西北、華北和南方的大部分地區(qū)。雖然我國(guó)水肥一體化灌溉技術(shù)已經(jīng)有了較大進(jìn)步，但相較于世界上發(fā)展較為成熟的國(guó)家還存在一定差距。

2 水肥一體化灌溉技術(shù)

2.1 水肥耦合效應(yīng)模型

數(shù)學(xué)模型針對(duì)具體問(wèn)題運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行數(shù)量分析計(jì)算，在減少試驗(yàn)次數(shù)的同時(shí)可以運(yùn)用其強(qiáng)大的科學(xué)預(yù)測(cè)功能較為系統(tǒng)、全面地獲得試驗(yàn)趨勢(shì)，廣泛應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)等領(lǐng)域。水肥一體化技術(shù)是以水肥耦合為基礎(chǔ)的灌溉技術(shù)，構(gòu)建水肥耦合效應(yīng)模型可以揭示土壤植物大氣連續(xù)體系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)變量間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過(guò)相關(guān)算法尋求模型最優(yōu)解，從而確定水分和肥料利用率的最佳組合[17-18]。馬波等[19] 采用3 因素5 水平二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法，對(duì)壓砂地西瓜水肥耦合產(chǎn)量效應(yīng)進(jìn)行研究，數(shù)學(xué)模型模擬后得到不同目標(biāo)產(chǎn)量的灌水、油渣、復(fù)合肥最優(yōu)組合；主因素效應(yīng)分析結(jié)果表明，灌水量、施油渣量和施復(fù)合肥量3 個(gè)因素對(duì)增產(chǎn)效應(yīng)影響依次為灌水量>施油渣量>施復(fù)合肥量。郭松等[20] 建立大棚西瓜產(chǎn)量數(shù)學(xué)模型，通過(guò)氮肥和鉀肥配施提高補(bǔ)灌水利用率，使作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)；對(duì)氮肥、鉀肥和水進(jìn)行單因素效應(yīng)分析表明，3 個(gè)因素對(duì)增產(chǎn)效應(yīng)影響為鉀肥>水>氮肥。

2.2 水肥一體化灌溉技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

伴隨著滴灌技術(shù)發(fā)展，水肥一體化灌溉也逐漸興起，其主要應(yīng)用于干旱和半干旱地區(qū)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水肥一體化灌溉技術(shù)具有4 方面優(yōu)點(diǎn)。一是提高水肥利用效率。將水分和肥料均勻輸送到作物根部減少揮發(fā)和流失，此外通過(guò)減少灌水量，增加灌水次數(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥目的。二是改善微生態(tài)環(huán)境。水肥一體化灌溉技術(shù)可以降低設(shè)施作物空氣濕度、保持空氣溫度，從而增強(qiáng)土壤微生物活性，促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收。三是改善土壤物理性質(zhì)。與傳統(tǒng)大水漫灌相比，水肥一體化灌溉技術(shù)可以減少水流重力、沖擊力和頻繁田間作業(yè)等對(duì)土壤板結(jié)、土壤容重和孔隙度的影響。四是高度自動(dòng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以減少人工投入，提高勞動(dòng)效率，具有較好的發(fā)展前景[15]。

3 西瓜需水需肥規(guī)律

作物在不同生長(zhǎng)階段所需營(yíng)養(yǎng)元素不同，因此應(yīng)依據(jù)作物各生育期需水需肥規(guī)律科學(xué)合理地灌溉施肥。西瓜整個(gè)生育期內(nèi)耗水量大，平均每吸收700 g 水才能形成1 g 干物質(zhì)；單株西瓜從幼苗期到成熟期總耗水量約200 L。LI Hao 等[21] 通過(guò)試驗(yàn)確定了西瓜幼苗期、開(kāi)花期、膨大期和成熟期所需水分占總灌溉量的比例依次為10%、15%、65% 和10%。王強(qiáng)等[22] 通過(guò)研究西瓜不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的需水特性發(fā)現(xiàn)，西瓜整個(gè)生育期需水規(guī)律呈雙峰曲線，幼苗期到伸蔓期瓜蔓迅速伸長(zhǎng)，需水量達(dá)到第1 個(gè)峰值，伸蔓期到開(kāi)花坐果期需水量開(kāi)始減少，開(kāi)花坐果期到膨大期迅速吸收水分促進(jìn)果實(shí)膨大，需水量達(dá)到第2 個(gè)峰值，此后至成熟期由于輻射值和葉面積下降，需水量再次下降。趙相宇等[23] 研究不同育苗方式和品種對(duì)西瓜需水規(guī)律的影響發(fā)現(xiàn)，各生育階段的耗水量隨著育苗方式和品種的不同而不同；嫁接苗在開(kāi)花坐果期日耗水量是自根苗的2 倍左右。寶哲等[24] 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫室滴灌條件下小型西瓜不同灌水下限對(duì)全生育期耗水強(qiáng)度和總耗水量影響顯著。

氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)所需的主要營(yíng)養(yǎng)元素。氮肥是植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵性元素，是植物所含蛋白質(zhì)和氨基酸的主要組成物質(zhì)，植物氮肥供應(yīng)不足會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)和產(chǎn)物品質(zhì)下降。磷肥可參與植物體內(nèi)呼吸作用、光合作用和細(xì)胞分裂等多種生理過(guò)程，從而促進(jìn)植物分蘗，提高開(kāi)花坐果率。鉀肥具有促進(jìn)植物體內(nèi)多種酶活化、保障植物正常生長(zhǎng)發(fā)育及增強(qiáng)植物抵抗病害的作用。西瓜不同生長(zhǎng)階段對(duì)氮肥、磷肥和鉀肥需求量不同。邵占宏等[25] 研究發(fā)現(xiàn)，西瓜不同生育時(shí)期氮肥、磷肥和鉀肥分配比例不同，苗期3 種肥料在不同器官的分配比例依次為葉>根>莖，伸蔓期到開(kāi)花坐果期前為葉>莖>根，坐果以后則在果實(shí)中占比較大。黎其萬(wàn)等[26] 研究表明，西瓜吸收氮肥主要集中在第1 雌花期和500 g 果實(shí)膨大期，鉀肥吸收高峰期則在1 000 g果實(shí)膨大期，此外開(kāi)花坐果期磷肥和鉀肥吸收量都較大。楊亦鵬等[27] 研究浙江省無(wú)公害西瓜需肥規(guī)律發(fā)現(xiàn)，西瓜苗期生長(zhǎng)量少，氮肥、磷肥和鉀肥需求量?jī)H占總需求量的0.5%～1.0%；伸蔓期增長(zhǎng)迅速，葉面積增大，肥料需求量增多，占總需求量的14%～15%，其中氮肥最多，鉀肥和磷肥極少；開(kāi)花坐果期至成熟期是西瓜生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，也是西瓜肥料需求高峰期，氮肥、磷肥和鉀肥需求量占總需求量的85% 左右，并且主要集中在膨瓜期。

4 水肥一體化灌溉對(duì)西瓜生長(zhǎng)發(fā)育的影響

植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中水分和肥料是兩個(gè)重要的環(huán)境影響因子，水分幾乎參與或影響植物全生育期內(nèi)所有生理生化過(guò)程。植物整個(gè)生長(zhǎng)階段都在經(jīng)歷利用根系不斷吸收水分，再通過(guò)葉片不斷散失水分的過(guò)程，在此循環(huán)中植物體內(nèi)水分形成了一個(gè)自下而上不斷流動(dòng)的體系，植物根系在吸收水分的同時(shí)土壤中的礦物質(zhì)元素也隨著水分流動(dòng)而被運(yùn)輸?shù)饺~片和其他地上部分。種子在萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)階段的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源可部分依靠母體種子儲(chǔ)藏的物質(zhì)，其他生長(zhǎng)發(fā)育階段則主要依靠植物光合作用和土壤供給來(lái)維持正常生命活動(dòng)。DOSSANTOS G R 等[28] 研究發(fā)現(xiàn)，在不噴灑殺菌劑的情況下，對(duì)重茬西瓜施以不同水平的氮肥，高施氮量水平下西瓜枯萎病最嚴(yán)重。HONG Tingting 等[29] 通過(guò)設(shè)置不同二氧化碳濃度發(fā)現(xiàn)，隨著二氧化碳濃度增加，可降低低氮條件對(duì)葉片數(shù)、干物質(zhì)積累量、凈光合速率和胞間二氧化碳濃度造成的負(fù)面影響，并且對(duì)干物質(zhì)積累量的影響最為顯著。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在保持充分灌溉的基礎(chǔ)上，適宜的二氧化碳濃度可以減少溫室西瓜氮肥使用量。潘艷花等[30] 通過(guò)盆栽試驗(yàn)設(shè)置了5 個(gè)不同水平鉀肥用量，發(fā)現(xiàn)西瓜幼苗直徑≤2.0 mm、2.5 mm<直徑≤3.0 mm、3.5 mm<直徑≤4.0 mm 時(shí)鉀肥對(duì)根長(zhǎng)、比根長(zhǎng)、根表面積和根體積影響顯著；同時(shí)適宜的鉀濃度會(huì)促進(jìn)西瓜幼苗生長(zhǎng)，加快西瓜根系生長(zhǎng)發(fā)育，但不施加鉀肥和高鉀處理均對(duì)西瓜幼苗生長(zhǎng)有抑制作用。楊小振等[31] 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高水高肥處理使西瓜苗期葉片凈光合速率和蒸騰速率有所提高，但相較于中水中肥處理變化不顯著。

5 水肥一體化灌溉對(duì)西瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

作物產(chǎn)量和品質(zhì)是多因素耦合作用的結(jié)果，水肥調(diào)控則為主要栽培管理措施。研究表明，植物全生育期所需要的各種礦物質(zhì)元素幾乎都要溶于水后才能被吸收利用，因此在施肥的同時(shí)要保證一定的灌水量。MALUKI M 等[32] 通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在西瓜種植過(guò)程中施加不同水平氮肥對(duì)其可溶性固形物、果實(shí)硬度、果實(shí)數(shù)量、果皮厚度、單果質(zhì)量和產(chǎn)量有顯著影響。NOWAKI R H D 等[33] 研究發(fā)現(xiàn)，不同施氮速率會(huì)影響西瓜產(chǎn)量，總產(chǎn)量和商品果實(shí)產(chǎn)量隨著施氮速率增加呈現(xiàn)二次曲線變化規(guī)律。張玉鳳等[34] 試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)施肥相比，減少氮肥、鉀肥和磷肥的使用可以增加西瓜產(chǎn)量和維生素C 含量，但還原糖和硝酸鹽含量會(huì)降低；減少氮肥和磷肥并增加鉀肥用量時(shí)西瓜產(chǎn)量、維生素C 含量、還原糖含量均最高，硝酸鹽含量最低。張保東[35] 用等量滴灌專用肥料和傳統(tǒng)沖施肥進(jìn)行日光溫室對(duì)比試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥產(chǎn)量和可溶性固形物含量相較于傳統(tǒng)沖施肥顯著增加。杜少平等[36]研究表明，鉀肥對(duì)西瓜產(chǎn)量影響不顯著，水對(duì)產(chǎn)量的正效應(yīng)和氮肥對(duì)產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)均極顯著；水對(duì)西瓜品質(zhì)的負(fù)效應(yīng)和氮肥和鉀肥對(duì)西瓜品質(zhì)的正效應(yīng)均達(dá)到顯著水平。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前水肥一體化灌溉模式涉及作物種類多、區(qū)域廣。有的研究人員側(cè)重于研究不同水肥配比對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，有的研究人員則側(cè)重于不同水肥設(shè)備對(duì)灌溉效果的研究。因而，西瓜生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)變化趨勢(shì)在不同研究中存在差異。水肥一體化灌溉雖然具有多重優(yōu)勢(shì)，但也存在許多問(wèn)題，如理論研究不夠深入、水肥設(shè)備質(zhì)量差異、區(qū)域發(fā)展不平衡等。今后需要進(jìn)一步明確不同作物在不同生長(zhǎng)階段、不同區(qū)域的水肥需求規(guī)律，注重產(chǎn)品設(shè)備質(zhì)量和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)一手抓產(chǎn)量品質(zhì)，一手抓農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，做到科學(xué)灌溉、合理施肥。研究方法也應(yīng)從傳統(tǒng)兩因素耦合向多因素耦合轉(zhuǎn)變，此外應(yīng)結(jié)合生物學(xué)、自動(dòng)控制、微電子、人工智能和信息科學(xué)等高新技術(shù)制造智能化水肥氣熱耦合設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物、土壤和大氣狀況，通過(guò)信息處理與分析，按照作物需求合理供給，最大限度提高資源利用率，努力實(shí)現(xiàn)科學(xué)種植，不斷向高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田邁進(jìn)。

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