水氮耦合技術(shù)在經(jīng)濟(jì)作物栽培中的應(yīng)用

康 海

（新疆烏魯木齊大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830010）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已略顯滯后。作為農(nóng)業(yè)創(chuàng)收的主要經(jīng)濟(jì)來源，經(jīng)濟(jì)型作物通常具有地域性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、技術(shù)要求高、商品率高等特點(diǎn)，但其不合理的灌溉、施肥技術(shù)，不僅造成作物減產(chǎn)和水資源浪費(fèi)等現(xiàn)象，還嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。因此，合理分配有限的水氮資源，使得作物獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。本文綜述水氮耦合技術(shù)在經(jīng)濟(jì)型作物應(yīng)用中的研究背景、意義、作用機(jī)理和應(yīng)用效果，旨在為我國(guó)提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加農(nóng)業(yè)人口創(chuàng)收，發(fā)展優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水肥高效型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供借鑒作用。

1 水氮耦合技術(shù)發(fā)展概況

1.1 水氮耦合技術(shù)的提出

20 世紀(jì)10 年代初，MONTGOMERY 等為研究土壤肥力與水分之間的關(guān)聯(lián)，以玉米為試驗(yàn)材料對(duì)其進(jìn)行了科 學(xué)研究[1]。1953 年，LEARNER 和PAINTEN 在前人的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了更深層次的探討，發(fā)現(xiàn)土壤含水量和肥料的多少與產(chǎn)量的高低呈正比[2-3]。20 世紀(jì)60 年代，BROWN 等對(duì)作物的水肥利用進(jìn)行了探討研究[1]。1975 年，ARNON 發(fā)現(xiàn)，合理施肥可有效提高水分的利用效率，這一研究為水肥耦合技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。此后，水肥耦合技術(shù)逐漸進(jìn)入眾多學(xué)者的研究范圍，為農(nóng)作物種植提供了理論基礎(chǔ)。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物的發(fā)展，水肥耦合技術(shù)已被廣泛推廣，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。

1.2 水氮耦合技術(shù)的研究意義

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中水分循環(huán)受到灌水和施氮極大影響，灌水和施氮影響作物的耗水量。合理的灌水和施氮能緩解干旱和養(yǎng)分脅迫，增大光合面積和光合速率，增加產(chǎn)量，提升品質(zhì)，進(jìn)而提高水分和氮素的利用效率[5]。作為生命物質(zhì)，在作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中，水分必不可少；水分是化肥溶解不可或缺的因素；作物營(yíng)養(yǎng)向根系表面遷移及吸收養(yǎng)分過程中，水分也都必不可少。貫穿于作物整個(gè)生育時(shí)期，氮素含量影響干物質(zhì)的累積及營(yíng)養(yǎng)分配，合理的水氮條件提高了作物的光合性能，是決定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量的關(guān)鍵因素[6-8]。

2 水氮耦合對(duì)經(jīng)濟(jì)作物栽培的影響

2.1 生長(zhǎng)發(fā)育

保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)的根本是保證作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，而水分是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素之一。作物的高矮、莖稈的粗細(xì)、根的長(zhǎng)短、葉片和花的形態(tài)都能反映出作物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況。灌水量不足，則會(huì)阻礙作物生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致葉片變小，葉綠素含量降低，進(jìn)而降低光合作用，影響作物產(chǎn)量與品質(zhì)。氮素同樣是作物生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的重要元素之一，施氮量顯著影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量。

OLIVIA H C 等[9]研究表明，作物生長(zhǎng)對(duì)氮的響應(yīng)比水更敏感。楊旸等[10]研究表明，增加施氮量或灌水量均可彌補(bǔ)二者缺乏造成的減產(chǎn)，但過量時(shí)反而引起負(fù)效應(yīng)。王斌等[11]研究發(fā)現(xiàn)，水氮耦合存在閾值，不足和過量均會(huì)造成藜麥減產(chǎn)。水分和氮素在一定范圍內(nèi)的互作呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，對(duì)藜麥的生長(zhǎng)發(fā)育起到積極的促進(jìn)作用；當(dāng)施氮量超出某一范圍時(shí)起到負(fù)相關(guān)的作用，抑制藜麥的生長(zhǎng)發(fā)育，而在施氮量37.5 kg/hm2、灌溉定額為50 mm 時(shí)，藜麥產(chǎn)量可達(dá)到最高。馬國(guó)禮等[12]研究指出，從辣椒結(jié)果盛期開始（180 d 后），同一灌水量下，隨著施肥量的增加，株高和莖粗均增加；在同一施肥量下，隨著灌水量的增加，辣椒的株高和莖粗呈增加趨勢(shì)。當(dāng)灌水量為田間持水量的80%，磷、鉀肥施用量為當(dāng)?shù)厥┓柿浚┑繛?.21 kg/m2時(shí)，可使辣椒株高、莖粗達(dá)到最大值。

2.2 次生代謝產(chǎn)物

藥用植物屬于經(jīng)濟(jì)作物的一種，其有效成分為次生代謝產(chǎn)物，人們針對(duì)藥用植物的形態(tài)、藥理、藥效等進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)藥用植物的品質(zhì)除了受遺傳特性的影響外，還受到外界環(huán)境和栽培技術(shù)的影響。相關(guān)研究表明，當(dāng)改變藥用植物的外界環(huán)境時(shí)，其自身的次生代謝產(chǎn)物合成與轉(zhuǎn)化也會(huì)受到影響，適當(dāng)?shù)哪婢抄h(huán)境可以促進(jìn)其次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)出。氮元素是藥用植物重要的生命元素之一，自然也是影響藥用植物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響因素之一。

魏廷邦等[13]研究表明，在水分脅迫下，黃芪促進(jìn)了甲苷化合物合成基因的表達(dá)，中施氮處理的黃芪甲苷含量較不施氮、低施氮和高施氮顯著提高，說明在適當(dāng)?shù)乃置{迫和氮肥施用量下，可以促進(jìn)黃芪有效成分的積累。趙凇儀[14]研究表明，在三七營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和開花期進(jìn)行水分脅迫，可以有效促進(jìn)三七皂苷R1 和人參皂苷（Rg1、Re、Rb1、Rd）有效成分的積累，說明在適當(dāng)?shù)纳谶M(jìn)行干旱脅迫，可以提升三七的總皂苷含量。劉家煦[15]研究表明，適度干旱條件下，有利于丹參素的合成；在土壤濕潤(rùn)的情況下，更利于迷迭香酸和丹酚酸B 合成，且在同一施氮處理?xiàng)l件下，脂溶性、水溶性有效成分隨灌水量的增大而降低；在同一灌水處理?xiàng)l件下，脂溶性、水溶性有效成分隨施氮量的增大而降低。

2.3 產(chǎn)量

農(nóng)業(yè)種植的最終目的是提高作物產(chǎn)量，從而獲得較高的經(jīng)濟(jì)收益。水分虧缺嚴(yán)重會(huì)造成作物減產(chǎn)，而過度灌水會(huì)破壞作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)間的平衡關(guān)系，不利于作物生長(zhǎng)。氮肥用量過少會(huì)阻礙作物正常生長(zhǎng)，施氮過多會(huì)降低作物氮肥利用效率和增產(chǎn)效應(yīng)。故要提高作物產(chǎn)量及水氮利用效率，適宜的水分及肥料用量至關(guān)重要。

談建鑫[16]研究指出，在灌水量相同的情況下，隨著氮肥用量增加，油葵盤徑與千粒質(zhì)量也增大，產(chǎn)量也隨之增加，當(dāng)?shù)视昧繛?60 kg/hm2時(shí)表現(xiàn)為最高，說明適宜的施氮量能有效促進(jìn)油葵盤徑的增加，從而提高油葵產(chǎn)量。劉學(xué)娜[17]研究表明，灌水方法與氮肥用量會(huì)顯著影響黃瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率，在一定范圍內(nèi)，減少施氮及水分用量能夠在提高或不明顯降低作物產(chǎn)量的同時(shí)提高水氮利用效率。李越鵬[18]研究表明，籽棉產(chǎn)量主要由有效鈴數(shù)與單鈴質(zhì)量乘積表征，適宜的水氮耦合能夠促進(jìn)棉花對(duì)土壤中水肥的吸 收 利 用， 當(dāng) 灌 水 量為 100%ETc、 施 氮 量 為300 kg/hm2時(shí)，籽棉產(chǎn)量較高，達(dá)到了7 421.0 kg/hm2。陳修斌等[19]研究表明，合理的灌水與施肥能促進(jìn)番茄產(chǎn)量提高，番茄的產(chǎn)量與水氮用量、土壤酶活性等因素緊密相聯(lián)，良好的水肥用量能優(yōu)化土壤微生物生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)番茄對(duì)水肥的吸收利用，進(jìn)而有效提高作物產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 水氮利用率

作物的生長(zhǎng)受到灌水量與施氮量的影響，而水氮之間存在著明顯的耦合效應(yīng)，灌水量的虧缺會(huì)阻礙作物吸收土壤中的氮素，而氮素過少會(huì)影響植物生長(zhǎng)。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植中，為了追求高產(chǎn)而過度灌水與施肥，不僅降低了水氮利用效率，還造成土壤水氮流失。適量的氮肥和灌溉量不僅能夠促進(jìn)植物吸收土壤水分，對(duì)于氮肥利用效率的提高還有明顯作用，所以提高作物水氮利用效率是發(fā)展新型農(nóng)業(yè)的必然選擇。

黃鑫[20]研究了水氮調(diào)控對(duì)機(jī)采棉的影響，結(jié)果表明，同一水分處理下，隨著氮肥用量增加，水分利用效率表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，存在一定的閾值，適宜的氮肥用量有利于水分利用效率的提高。王超[21]研究表明，灌水量減少與氮肥用量增加促進(jìn)番茄水分利用效率提高，追施氮肥次數(shù)能夠改善水分利用效率，灌水量與施氮量減少降低番茄氮素利用效率。張芳園[22]研究表明，灌水量增加會(huì)降低作物水分利用效率，氮肥利用效率隨氮肥用量增加而降低，因此要選擇適宜的灌水與施肥量。高娜等[23]研究表明，水氮耦合顯著影響小油菜的水氮利用效率，隨著灌水量增加，氮肥利用效率呈上升趨勢(shì)，隨施氮量增加，肥料利用率呈下降趨勢(shì)，肥料損耗增加。

3 結(jié)束語

水分與氮肥是使經(jīng)濟(jì)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要因素，在我國(guó)農(nóng)業(yè)種植中，不合理的灌溉與施肥嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，水氮耦合作為一種科學(xué)高效的灌水施肥方式，還應(yīng)在以下幾方面深入研究。

（1）大量研究集中在水氮耦合技術(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)、產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率等方面，而作物生理特性、體內(nèi)重要酶、土壤等方面的研究較少，今后應(yīng)加大研究力度。

（2）大田試驗(yàn)大多都是基于對(duì)水分與肥料單因素或雙因素互作效應(yīng)的影響研究，而氣與熱同樣是影響作物生長(zhǎng)重要因素，今后應(yīng)開展水肥氣熱綜合效應(yīng)的影響研究，為農(nóng)業(yè)提供更為科學(xué)合理的種植模式。

（3）目前農(nóng)業(yè)主要依靠人工種植與管理，信息技術(shù)的高效發(fā)展可為今后農(nóng)業(yè)發(fā)展提供更加有力的科技支持，在未來的農(nóng)業(yè)種植中，應(yīng)依靠科技的力量，加大農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，為節(jié)水灌溉與農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和管理技術(shù)。