膜下滴灌水肥一體化技術(shù)在西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

肖陽

（大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

我國農(nóng)業(yè)是第一用水大戶，水資源緊缺是制約西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。如何在有限灌水條件下提高水肥利用效率、提質(zhì)增產(chǎn)增效是解決旱地作物種植最為迫切的問題［1］。同時(shí)，高水高肥的水肥投入方式，致使該地區(qū)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)惡化、土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)失調(diào)、酸化鹽堿化及土壤細(xì)菌微生物群落受到破壞，加劇土壤生態(tài)環(huán)境污染［2］。膜下滴灌是近年來新興起的一項(xiàng)新型高效節(jié)水灌溉技術(shù)，其集成了覆膜措施和滴灌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，即可增溫保墑、減少水分蒸發(fā)、抑制鹽分積累及減少病蟲害，亦可節(jié)水增效、提高水分利用效率、確保作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于我國西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植［3］。水分和養(yǎng)分因子是影響作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵因素，明確作物各生育期需水需肥規(guī)律，合理水肥配施的水肥耦合一體化技術(shù)能有效提高水分和養(yǎng)分利用效率，有效解決地域季節(jié)性、區(qū)域性干旱缺水情況，降低化肥投入，減少氮素淋失和增強(qiáng)磷素、鉀素的遷移速率，平衡土壤環(huán)境酸堿平衡和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展［4］。

1 水肥一體化技術(shù)對西北干旱區(qū)作物影響

1.1 作物生長發(fā)育

作物生長發(fā)育與施肥灌水量、施肥灌水頻率、水肥配施比例等模式密切相關(guān)。黃卿宜等［5］研究發(fā)現(xiàn)，適宜的滴灌水肥一體化灌溉施肥制度促進(jìn)甜瓜植株的生長發(fā)育，灌水施肥量對甜瓜植株株高、莖粗生長均有顯著影響，適當(dāng)降低土壤含水量下限、增加追肥量有利于甜瓜根系生長和植株?duì)I養(yǎng)吸收，促進(jìn)植株生長發(fā)育。李帥等［6］通過水肥一體化稻田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相較于常規(guī)施肥灌溉，水肥一體化條件下水稻株高、分蘗數(shù)和產(chǎn)量顯著提升，且肥料少量多次分施能穩(wěn)定氮素及礦質(zhì)元素在土壤系統(tǒng)中的時(shí)空分布，促進(jìn)水稻根系在生長過程中對氮素的吸收利用。童鑄等［7］研究表明，膜下滴灌水肥一體化處理顯著促進(jìn)了植煙株高、莖粗、葉面積、節(jié)距等農(nóng)藝性狀，提高植煙根系及地上部植株對氮磷鉀的積累，氮、磷、鉀吸收量相較常規(guī)水肥提高21.7%、10.2%、16.3%，有效促進(jìn)了植煙生長和肥料元素的高效利用。此外，水溶肥種類及施肥時(shí)期也會影響作物生長發(fā)育，張雨蒙等［8］研究發(fā)現(xiàn)，春播花生均衡施肥比高磷、高氮施肥處理主莖和側(cè)枝顯著增加20%，夏播高磷水溶肥處理相比其他處理增加花生主莖和側(cè)枝增長顯著增加13%，且水溶肥減施條件下，在花生花針期和飽果期各追肥50%和20%，有利于花生莢果生殖生長和植株?duì)I養(yǎng)生長。

1.2 作物光合特性

水分和養(yǎng)分是保證作物生長生理的物質(zhì)基礎(chǔ)，而光合作用是作物植株體內(nèi)進(jìn)行物質(zhì)能量循環(huán)流動的重要代謝過程。付詩寧等［9］通過日光溫室葡萄滴灌水肥一體化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葡萄葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）隨著生育期的推進(jìn)整體呈現(xiàn)為先增大后減小的峰值正態(tài)分布，峰值出現(xiàn)在葡萄果實(shí)膨大期，且低水水平和水肥過高都會抑制葡萄光合特性，水肥交互耦合作用均對溫室普通光合特性產(chǎn)生顯著或極顯著影響。王佳等［10］研究發(fā)現(xiàn)，水肥一體條件下玉米植株葉片光合速率、熒光參數(shù)、葉片酶活性等光合過程對施氮水平具有顯著影響，葉綠素含量與光合、熒光指標(biāo)均呈正相關(guān)關(guān)系，且基肥施氮為270 kg/hm2時(shí)，玉米葉片胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、光能轉(zhuǎn)換效率（PSⅡ）比其他處理顯著提高38.2%、14.7%、38.9%、26.5%，進(jìn)而提高玉米光合作用。陳昱辛等［11］通過柑橘滴灌水肥一體化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柑橘葉片各項(xiàng)光合指標(biāo)隨調(diào)虧程度加重呈現(xiàn)減小趨勢，且相同水分脅迫條件下不同施肥水平處理差異不顯著，在柑橘果實(shí)膨大期和成熟期輕度水分虧缺高肥能提升胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)、羧化效率等光合指標(biāo)，增強(qiáng)光合能力。光合作用是作物植株進(jìn)行生物固碳的主要途徑，王景燕等［12］研究發(fā)現(xiàn)，漢源花椒水肥耦合處理各項(xiàng)光合指標(biāo)因子日變化均呈現(xiàn)“單峰”曲線變化，植株葉片凈光合速率和葉綠素含量隨施肥量增加而增大，土壤水分為田間持水量30%～50%時(shí)，凈光合速率和葉綠素含量與土壤含水量呈正相關(guān)，50%～70%呈負(fù)相關(guān)。

1.3 水肥利用效率

水肥因素相互促進(jìn)，亦相互制約，根據(jù)作物階段生育期耗水需肥特性，適時(shí)適量水肥配施可以以肥促水、以水調(diào)肥，進(jìn)而提高水肥利用效率。Gheysari等［13］指出過度灌溉導(dǎo)致土壤-N淋溶損失速率顯著增加，土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)含量也會影響硝酸鹽的淋失，進(jìn)而降低水肥利用效率。張麗霞等［14］研究表明，基施氮肥240 kg/hm2（拔節(jié)期和灌漿期按5∶3追施），3次灌水的水肥一體化處理優(yōu)化了小麥植株生長的群體特性，有效提高小麥籽粒產(chǎn)量，提高水肥利用效率。Li等［15］對灌溉和施肥進(jìn)行多元回歸和空間分析，在多目標(biāo)優(yōu)化下，灌溉對WUE、水肥耦合對棉花產(chǎn)量，具有極顯著影響，高效水-氮模式為：4 300.5～4 396.5 m3/hm2，270.95～318.45 kg/hm2；此時(shí)WUE=1.78 kg/m-3、氮肥偏生產(chǎn)力（NUE）、產(chǎn)量均超過最大值的90%。郭培武等［16］研究發(fā)現(xiàn)，滴灌水肥一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)水分和養(yǎng)分同步供給，精準(zhǔn)定量浸潤植株根生區(qū)，相較畦灌灌水量減少40%，水分利用效率增加1.9%～2.8%，籽粒產(chǎn)量和氮肥利用效率均優(yōu)于其他灌水模式。

1.4 作物產(chǎn)量品質(zhì)

水肥合理配施的水肥一體化技術(shù)利用作物生物水-肥-鹽脅迫反饋機(jī)制，促進(jìn)水分養(yǎng)分向作物特定生殖器官運(yùn)移，抑制植株?duì)I養(yǎng)器官冗余生長，加快植株體內(nèi)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而達(dá)到作物提質(zhì)增產(chǎn)增效。齊振宇等［17］研究發(fā)現(xiàn)，大蒜抽薹率、薹莖長受基肥追施比例和灌溉模式影響顯著，基肥和追肥3∶2比例水肥一體化情況下，大蒜生育期6次追肥顯著提升的大蒜單薹質(zhì)量，化肥減施有利于大蒜生殖器官的形成，且顯著增加了大蒜可溶性糖和可溶性蛋白含量，一定程度上提升了大蒜營養(yǎng)品質(zhì)。田歌等［18］通過15N同位素示蹤研究不同水肥一體化方式對蘋果產(chǎn)量品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)滲灌施氮水肥一體化處理蘋果單果重和單株產(chǎn)量為0.12 kg和66.13 kg，果實(shí)糖酸為30.73，可滴定酸含量、可溶性糖和可溶性固形物含量均高于滴灌施氮和撒施處理，這是因?yàn)椴煌┑绞皆斐闪酥仓旮鶇^(qū)土壤氮素分布，影響作物根系對氮素的吸收利用。吳海蘭等［19］研究發(fā)現(xiàn)，沙地紅棗單果重與植株葉片營養(yǎng)豐缺密切相關(guān)，液體肥水肥一體化處理明顯提高沙地紅棗葉片N∶P含量，單果重顯著高于其他處理，且固體肥、液體肥、滴灌水肥一體化處理?xiàng)椆?、可溶性糖、可溶性固形物、維生素C、總黃酮等品質(zhì)指標(biāo)均有所提升，其中液體肥水肥一體化處理品質(zhì)提升最佳。

1.5 水鹽運(yùn)移

滴灌水肥一體化技術(shù)具有調(diào)控作物生長對土壤水鹽響應(yīng)平衡的正向效應(yīng)。何子建［20］等研究鹽生植物間作膜下滴灌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堿蓬、苜蓿、孜然間作有效抑制0～100 cm土層內(nèi)Na+、Cl-遷移和聚集，苜蓿脫鹽效果最好（提高55.97%），堿蓬抑制鹽分積累效果最好（較無間作對照鹽分降低2.3倍）。孫海燕等［21］結(jié)合施鈣方式和膜下滴灌模擬水鹽運(yùn)移，發(fā)現(xiàn)代換性Ca2+置換出吸附在土壤膠體的陽離子實(shí)現(xiàn)脫鹽，其中施Ca-灌水-施Ca處理顯著提高脫鈉區(qū)深度系數(shù)（低于初始鈉離子含量區(qū)域深度h/濕潤鋒深度H）和降低鈉吸附比，脫鹽效果明顯。王振華等［22］在新疆石河子121團(tuán)定點(diǎn)連續(xù)棉花膜下滴灌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤鹽分隨著滴灌應(yīng)用年限增長而降低，0～3 a滴灌年限和鹽含量呈冪函數(shù)關(guān)系，屬于快速脫鹽階段；滴灌3～8 a鹽分含量線性降低到5.0 g/kg，屬于穩(wěn)速脫鹽階段（苗期進(jìn)行105～350 mm沖洗壓鹽）；滴灌16 a田間鹽分均值小于3.0 g/kg，脫鹽率穩(wěn)定（80%～90%）并趨于動態(tài)平衡狀態(tài)。

1.6 水肥耦合模型

水肥耦合模型表現(xiàn)為作物階段耗水需肥規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表達(dá)，有利于研究不同地域不同作物水肥耦合規(guī)律的普適性。Tan等［23］運(yùn)用ORYZA（v3）模型模擬了水氮脅迫水平對水稻生長過程和產(chǎn)量的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，各施氮水平下，變異系數(shù)隨灌溉量閾值的增加而減小，施氮水平對早稻產(chǎn)量影響大于灌水水平，而灌水和施氮對晚稻產(chǎn)量影響顯著，早稻最佳水氮組合為30～40 mm、150～200 kg/hm2，晚稻最佳水氮組合為40～60 mm、200～250 kg/hm2。Asseng等［24］通過APSIM模型系統(tǒng)模擬了冬小麥水-氮吸收利用、地上部生長特性及籽粒產(chǎn)量動態(tài)變化，結(jié)果表明APSIM模型可以準(zhǔn)確模擬施氮和灌水對冬小麥籽粒產(chǎn)量的響應(yīng)，模擬產(chǎn)量和實(shí)測呈正相關(guān)，決定系數(shù)R2=0.9，籽粒產(chǎn)量（干重）和籽粒蛋白質(zhì)濃度的歸一化均方根偏差（NRMSE）分別為0.8%和1.6%，與實(shí)測結(jié)果有良好的一致性。

2 存在問題及展望

2.1 存在問題

近些年，隨著我國膜下滴灌水肥一體化在理論研究、設(shè)備配套、技術(shù)推廣層面日臻成熟，加之國家政策扶持，膜下滴灌水肥一體化技術(shù)在節(jié)水節(jié)肥、提質(zhì)增效方面成效顯著。但目前仍然存在著一些問題：（1）普適性作物耦合機(jī)制、模型構(gòu)建研究較為欠缺；（2）由于復(fù)種指數(shù)高、肥料投入大，導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化的衍生效應(yīng)；（3）覆膜墾殖時(shí)間長、范圍廣，塑料薄膜降解周期長，加劇土壤貧瘠化；（4）“作物生長-傳感監(jiān)測-智能決策”物聯(lián)網(wǎng)融合水肥一體化技術(shù)還需深化研究；（5）技術(shù)示范推廣缺乏專業(yè)人才、手段落后、農(nóng)戶主體意識不強(qiáng)。

2.2 展望

2.2.1 加強(qiáng)水肥耦合機(jī)理研究

適宜的水分和養(yǎng)分狀況是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)，揭示水-肥協(xié)同耦合對作物各生育期生長、光合動態(tài)、干物質(zhì)積累，產(chǎn)量及品質(zhì)作用機(jī)理是發(fā)掘農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境作物生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵。同時(shí)，水肥耦合機(jī)制往往受地域氣象因子、作物特性、土壤屬性等影響，須綜合考量土壤-植物-大氣連續(xù)體中水分、營養(yǎng)元素和鹽分吸收運(yùn)移過程，交互耦合“水、肥、氣、熱、根、鹽及營養(yǎng)元素”，構(gòu)建具有區(qū)域乃至多時(shí)空普適性的水肥耦合響應(yīng)模型。

2.2.2 化肥減施與水溶肥開發(fā)

化肥投入強(qiáng)度對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。水溶肥分為固態(tài)和液態(tài)，較傳統(tǒng)單元、二元及復(fù)合肥料而言養(yǎng)分純析量更高，從作物對養(yǎng)分吸收特性來說，水溶肥更具有針對性和科學(xué)性，依據(jù)作物關(guān)鍵生育進(jìn)行動態(tài)營養(yǎng)診斷，以減少用量投入和利于作物根系吸收。

2.2.3 可降解生物薄膜研發(fā)結(jié)合多元覆蓋模式

長期覆膜種植會破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和通氣狀況，改變土壤微生物群落多樣性，限制根系生長及種子萌芽?？山到馍锉∧な歉鞣N添加劑（淀粉、纖維素、聚羥基烷烴酸酯等）的聚合組成，最后通過生物及非生物作用在土壤中降解為水、二氧化碳、甲烷等物質(zhì)，與傳統(tǒng)地膜在對作物產(chǎn)量、水分生產(chǎn)力、溫度方面具有類似的性能?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，搭配秸稈多元覆蓋方式，以有效降低塑料薄膜對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的污染。

2.2.4 設(shè)備研制及智能化管理系統(tǒng)構(gòu)建

合適地點(diǎn)，合適作物，合適量，合適施用方法是提高水肥利用效率的關(guān)鍵。傳感器融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)快速捕捉土壤墑情、作物生長、氣象變化，及根據(jù)作物多年歷史灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建專家系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)對土壤-作物-大氣水肥動態(tài)變化的數(shù)值模擬、分析預(yù)測及智能決策機(jī)制。進(jìn)而提高施肥灌溉系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和灌溉效率，減少勞動力，提高生產(chǎn)效率。

2.2.5 加大技術(shù)推廣投入力度

水肥一體化技術(shù)發(fā)展和推廣要以依靠國家政策為導(dǎo)向，堅(jiān)持因地制宜，合理區(qū)域布局，深化高校企業(yè)科研技術(shù)交流示范，強(qiáng)化農(nóng)技推廣人員隊(duì)伍專業(yè)能力、科學(xué)素養(yǎng)。通過集體培訓(xùn)、田間入戶、報(bào)紙、網(wǎng)絡(luò)等渠道加大宣傳推廣力度，切實(shí)指導(dǎo)農(nóng)戶詳細(xì)規(guī)范操作、設(shè)備維護(hù)管理，普及水肥一體化技術(shù)理念及節(jié)水意識。