滴灌水肥耦合技术在西北干旱区作物栽培中的应用

董 昕，芦 倩，王泽义，周三利，吴彦霖，王玉才，张恒嘉

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

作为农业大国，我国仅用全球6%的淡水资源和9%的耕地面积，解决了世界22%人口温饱问题且自给率高达95%[1]。高效稳定的农业生产对我国粮食安全及全球经济的发展至关重要。水和肥是作物生长发育过程中必不可少且较易控制的两大因素，掌握二者的交互作用可以实现节水省肥增产的目标。我国西北干旱区幅员辽阔但水资源极端匮乏，因灌溉水资源短缺而造成的粮食减产问题十分严峻[2]。同时，该区农业生产过程中“大水大肥”现象普遍存在，水分和养分的不合理调配不仅导致水肥极大浪费，亦造成农田土壤中硝酸盐含量超标危及地下水安全[3]。由此可知，诊断作物各生育期适宜水肥用量，采取适宜的水肥高效耦合利用技术是缓解西北干旱区水资源紧缺状况和提高水土资源利用效率的关键所在。研究表明，准确而均匀的滴灌施肥，不仅可以满足作物各生育期的水分及养分需求，还可以解决季节性干旱和部分区域水资源短缺的问题[4]。本文综述了滴灌水肥耦合的优点及其对西北干旱灌区作物生长、品质及水肥利用影响的研究进展，以期为西北干旱区农作物高效栽培提供理论依据。

1 滴灌水肥耦合技术研究概述

1.1 滴灌水肥耦合优点

滴灌水肥耦合技术是一种适用于干旱和半干旱地区进行土壤水肥综合调控的优化管理技术，其目的是实现以水促肥、以肥调水。滴灌水肥耦合的优点有以下4个方面。①显著提高农作物水分和养分利用效率。与其他灌溉施肥类型相比，一方面水肥直接作用于作物根部，减少了水分及养分的流失；另一方面滴灌施肥频率和间隙加强作物根系对水肥敏感度，进一步提高了水资源利用效率和作物本身对养分的汲取能力[5]。②农作物优质高产栽培，增加农业经济效益。研究发现，滴灌水肥耦合可以使温室番茄获得充足的养分和水分，对番茄的品质指标及产量指标均有显著影响[6]。③操作简单，易于实现高度自动化农业生产，减少田间作业用工，释放了大量农业劳动力，有广阔的发展前景。④可以减少农药的施用量、减轻因为过量施肥造成地下硝酸盐污染和土壤板结问题，有利于健康绿色可持续农业的发展[7]。

1.2 滴灌水肥耦合数学模型

模型作为一种复杂的仿真技术，可以更好地模拟和再现水肥的运移分布情景。目前，国内外也有一些学者使用模型模拟的方法对滴灌水肥耦合进行了一些研究。GRDENSA A I等[8]通过构建二维数学模型模拟了不同滴灌水肥条件下土壤中氮素的运移，研究发现适宜频率和速率的水肥供应能影响土壤氮素分布、转化和淋失。孙文涛等[9]和郑志松等[10]采用二次回归组合设计，分别建立了玉米、小麦产量的水、氮、磷耦合模型，并分析得到水肥调控下3个因素影响作物产量的最佳组合方案。康玲玲等[11]研究了水肥条件对冬小麦生理特性及产量的影响。王新等[12]按照番茄各个生长阶段需肥特性，构建了滴灌番茄临界氮浓度稀释曲线模型，并在此基础上建立了优化模型，作为植株营养状况的判定指标。

2 滴灌水肥耦合对西北干旱区作物的影响研究

2.1 作物生长和产量

旱区滴灌水肥耦合效应研究的意义在于改善土壤养分状况，促进作物根系对深层土壤有效水的吸收，改变作物结构，提高作物抗旱性，进而影响作物地面生长部分，增加干物质积累，提高作物产量[13]。郭永杰等[14]进行了滴灌施肥玉米/小麦带田水肥耦合试验，建立了水氮施用量对玉米/小麦产量的耦合效应方程，结果表明，当施氮量为420.0 kg/hm2、灌水量为5 298.0 m3/hm2时，玉米/小麦带田可获得最高产量。适时适量的灌水和施肥对棉花的生长同样十分重要，通过棉花滴灌水肥耦合试验研究发现，在施纯氮素150～225 kg/hm2水平下，棉花增产速度最大[15]。为探明河西冷凉灌区甘蓝水肥最优管理模式，马彦霞等[16]通过对比试验研究表明，滴灌施肥条件下，水肥耦合效应相比单独灌水和施肥对甘蓝产量影响更为显著，在H2F1(灌水9 d/次，施肥总量690 kg/hm2)处理下时，甘蓝生物产量和干物质量最高。

2.2 作物品质

水肥交互耦合是栽培优质高产作物的有效措施，对作物品质性状影响显著。研究表明，酿酒葡萄在氮素充足、轻度水分胁迫下可溶性固形物含量明显高于对照组7.5%以上，而在低氮素、轻度水分胁迫处理下浆果可溶性固形物含量仍有提高[17]。可见，水肥耦合可以改善酿酒葡萄果实品质。枸杞是宁夏地区主要的经济作物之一，近年来围绕水肥互作对枸杞质量的影响进行了研究，结果表明，灌水和氮肥交互效应对多糖含量影响最为显著，而灌水和磷肥耦合效应对类胡萝卜素含量影响显著[18]。在同一灌水水平下增加肥料施用量，枸杞品质指标及营养物质累积量整体呈现先增加后降低的趋势[19]。滴灌水肥交互作用对河西冷凉灌区甘蓝叶球品质也有较大影响，在高氮肥、轻度亏缺灌水(灌水9 d/次，施肥690 kg/hm2)处理下，甘蓝可溶性糖和Vc含量最高[16]。

2.3 作物水分利用效率

适宜的氮磷投入可以促进作物根系生长发育，进而扩大水分和养分在作物根区的运移范围，提高作物对土壤储水的转化利用，减少土壤水分蒸发，在基本不改变作物总耗水量前提下，提高水分利用效率。宋娜等[20]在武威科学观测实验站进行的膜下滴灌马铃薯大田试验研究发现，不同水氮条件下水与氮素之间存在着显著交互作用，相同水分处理下马铃薯水分利用效率随施氮量增加先增大后减小，施氮水平为135 kg/hm2时马铃薯水分利用效率最高；而在同一氮肥处理下，湿润比40%处理下水分利用效率明显高于70%处理，但产量低于70%处理。YANG Kaijing等[21]水肥耦合试验研究也表明，在氮肥充足条件下，当土壤湿度保持在40%时马铃薯水分利用效率最高，但在同一灌水水平下不同施氮处理间马铃薯耗水量变化不明显。

2.4 作物养分利用

滴灌水肥耦合有利于作物对养分的吸收和利用，从而减少肥料施用量，达到保护环境的目的。FRITSCHI F B等[22]认为，过量施肥会打破旱地棉花营养生长和生殖生长的平衡关系，进而推迟棉花成熟时间。而李培岭等[23]则认为打破两者平衡的主要原因是营养生长过于旺盛，当棉花满足一定的养分需求后，肥料用量增加对养分吸收无明显促进作用，具体表现为氮肥施用量增大到一定程度后氮素吸收、利用和生产效率明显下降。“大水大肥”不仅不能使棉花获得较高的养分积累，而且持续施氮会导致土层无机氮残留量，加速环境污染的风险[24]。

3 结束语

滴灌水肥耦合技术是一项在节水减肥增产调质等方面具有显著优势的农艺措施，除此之外，还可以改善土壤生态环境，解决区域性水资源短缺问题。通过对滴灌水肥耦合技术在西北干旱区作物栽培中的应用梳理，发现作物不同生育期滴灌水肥耦合对其产量、品质及灌溉水分和养分吸收利用效率均有一定影响。从作物综合效益及农田水土环境保护等方面综合考虑滴灌水肥耦合效应是我国西北干旱区农作物栽培的必然选择。同时，进一步研究和论证农田系统水、肥、气、热与作物生长的协调关系，建立农田水、肥、气、热高效管理信息系统，这将会稳定提高农业综合生产能力，促进我国西北干旱区农业可持续发展。