膜下滴灌水肥一体化技术在西北旱区农业生产中的应用

肖阳

（大禹节水集团股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

我国农业是第一用水大户，水资源紧缺是制约西北旱区农业生产和可持续发展的瓶颈之一。如何在有限灌水条件下提高水肥利用效率、提质增产增效是解决旱地作物种植最为迫切的问题［1］。同时，高水高肥的水肥投入方式，致使该地区土壤团粒结构恶化、土壤营养结构失调、酸化盐碱化及土壤细菌微生物群落受到破坏，加剧土壤生态环境污染［2］。膜下滴灌是近年来新兴起的一项新型高效节水灌溉技术，其集成了覆膜措施和滴灌技术的优点，即可增温保墒、减少水分蒸发、抑制盐分积累及减少病虫害，亦可节水增效、提高水分利用效率、确保作物高产稳产，因此被广泛应用于我国西北旱区农业生产种植［3］。水分和养分因子是影响作物高产优质的关键因素，明确作物各生育期需水需肥规律，合理水肥配施的水肥耦合一体化技术能有效提高水分和养分利用效率，有效解决地域季节性、区域性干旱缺水情况，降低化肥投入，减少氮素淋失和增强磷素、钾素的迁移速率，平衡土壤环境酸碱平衡和营养结构优化，有效促进绿色农业生态可持续发展［4］。

1 水肥一体化技术对西北干旱区作物影响

1.1 作物生长发育

作物生长发育与施肥灌水量、施肥灌水频率、水肥配施比例等模式密切相关。黄卿宜等［5］研究发现，适宜的滴灌水肥一体化灌溉施肥制度促进甜瓜植株的生长发育，灌水施肥量对甜瓜植株株高、茎粗生长均有显著影响，适当降低土壤含水量下限、增加追肥量有利于甜瓜根系生长和植株营养吸收，促进植株生长发育。李帅等［6］通过水肥一体化稻田试验发现，相较于常规施肥灌溉，水肥一体化条件下水稻株高、分蘖数和产量显著提升，且肥料少量多次分施能稳定氮素及矿质元素在土壤系统中的时空分布，促进水稻根系在生长过程中对氮素的吸收利用。童铸等［7］研究表明，膜下滴灌水肥一体化处理显著促进了植烟株高、茎粗、叶面积、节距等农艺性状，提高植烟根系及地上部植株对氮磷钾的积累，氮、磷、钾吸收量相较常规水肥提高21.7%、10.2%、16.3%，有效促进了植烟生长和肥料元素的高效利用。此外，水溶肥种类及施肥时期也会影响作物生长发育，张雨蒙等［8］研究发现，春播花生均衡施肥比高磷、高氮施肥处理主茎和侧枝显著增加20%，夏播高磷水溶肥处理相比其他处理增加花生主茎和侧枝增长显著增加13%，且水溶肥减施条件下，在花生花针期和饱果期各追肥50%和20%，有利于花生荚果生殖生长和植株营养生长。

1.2 作物光合特性

水分和养分是保证作物生长生理的物质基础，而光合作用是作物植株体内进行物质能量循环流动的重要代谢过程。付诗宁等［9］通过日光温室葡萄滴灌水肥一体化试验发现，葡萄叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）随着生育期的推进整体呈现为先增大后减小的峰值正态分布，峰值出现在葡萄果实膨大期，且低水水平和水肥过高都会抑制葡萄光合特性，水肥交互耦合作用均对温室普通光合特性产生显著或极显著影响。王佳等［10］研究发现，水肥一体条件下玉米植株叶片光合速率、荧光参数、叶片酶活性等光合过程对施氮水平具有显著影响，叶绿素含量与光合、荧光指标均呈正相关关系，且基肥施氮为270 kg/hm2时，玉米叶片胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度、光能转换效率（PSⅡ）比其他处理显著提高38.2%、14.7%、38.9%、26.5%，进而提高玉米光合作用。陈昱辛等［11］通过柑橘滴灌水肥一体化试验发现，柑橘叶片各项光合指标随调亏程度加重呈现减小趋势，且相同水分胁迫条件下不同施肥水平处理差异不显著，在柑橘果实膨大期和成熟期轻度水分亏缺高肥能提升胞间CO2摩尔分数、羧化效率等光合指标，增强光合能力。光合作用是作物植株进行生物固碳的主要途径，王景燕等［12］研究发现，汉源花椒水肥耦合处理各项光合指标因子日变化均呈现“单峰”曲线变化，植株叶片净光合速率和叶绿素含量随施肥量增加而增大，土壤水分为田间持水量30%～50%时，净光合速率和叶绿素含量与土壤含水量呈正相关，50%～70%呈负相关。

1.3 水肥利用效率

水肥因素相互促进，亦相互制约，根据作物阶段生育期耗水需肥特性，适时适量水肥配施可以以肥促水、以水调肥，进而提高水肥利用效率。Gheysari等［13］指出过度灌溉导致土壤-N淋溶损失速率显著增加，土壤质地、有机质和矿物质含量也会影响硝酸盐的淋失，进而降低水肥利用效率。张丽霞等［14］研究表明，基施氮肥240 kg/hm2（拔节期和灌浆期按5∶3追施），3次灌水的水肥一体化处理优化了小麦植株生长的群体特性，有效提高小麦籽粒产量，提高水肥利用效率。Li等［15］对灌溉和施肥进行多元回归和空间分析，在多目标优化下，灌溉对WUE、水肥耦合对棉花产量，具有极显著影响，高效水-氮模式为：4 300.5～4 396.5 m3/hm2，270.95～318.45 kg/hm2；此时WUE=1.78 kg/m-3、氮肥偏生产力（NUE）、产量均超过最大值的90%。郭培武等［16］研究发现，滴灌水肥一体化技术实现水分和养分同步供给，精准定量浸润植株根生区，相较畦灌灌水量减少40%，水分利用效率增加1.9%～2.8%，籽粒产量和氮肥利用效率均优于其他灌水模式。

1.4 作物产量品质

水肥合理配施的水肥一体化技术利用作物生物水-肥-盐胁迫反馈机制，促进水分养分向作物特定生殖器官运移，抑制植株营养器官冗余生长，加快植株体内物质能量转化效率，进而达到作物提质增产增效。齐振宇等［17］研究发现，大蒜抽薹率、薹茎长受基肥追施比例和灌溉模式影响显著，基肥和追肥3∶2比例水肥一体化情况下，大蒜生育期6次追肥显著提升的大蒜单薹质量，化肥减施有利于大蒜生殖器官的形成，且显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营养品质。田歌等［18］通过15N同位素示踪研究不同水肥一体化方式对苹果产量品质的影响，发现渗灌施氮水肥一体化处理苹果单果重和单株产量为0.12 kg和66.13 kg，果实糖酸为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处理，这是因为不同施氮方式造成了植株根区土壤氮素分布，影响作物根系对氮素的吸收利用。吴海兰等［19］研究发现，沙地红枣单果重与植株叶片营养丰缺密切相关，液体肥水肥一体化处理明显提高沙地红枣叶片N∶P含量，单果重显著高于其他处理，且固体肥、液体肥、滴灌水肥一体化处理枣果含水量、可溶性糖、可溶性固形物、维生素C、总黄酮等品质指标均有所提升，其中液体肥水肥一体化处理品质提升最佳。

1.5 水盐运移

滴灌水肥一体化技术具有调控作物生长对土壤水盐响应平衡的正向效应。何子建［20］等研究盐生植物间作膜下滴灌试验发现，碱蓬、苜蓿、孜然间作有效抑制0～100 cm土层内Na+、Cl-迁移和聚集，苜蓿脱盐效果最好（提高55.97%），碱蓬抑制盐分积累效果最好（较无间作对照盐分降低2.3倍）。孙海燕等［21］结合施钙方式和膜下滴灌模拟水盐运移，发现代换性Ca2+置换出吸附在土壤胶体的阳离子实现脱盐，其中施Ca-灌水-施Ca处理显著提高脱钠区深度系数（低于初始钠离子含量区域深度h/湿润锋深度H）和降低钠吸附比，脱盐效果明显。王振华等［22］在新疆石河子121团定点连续棉花膜下滴灌试验发现，土壤盐分随着滴灌应用年限增长而降低，0～3 a滴灌年限和盐含量呈幂函数关系，属于快速脱盐阶段；滴灌3～8 a盐分含量线性降低到5.0 g/kg，属于稳速脱盐阶段（苗期进行105～350 mm冲洗压盐）；滴灌16 a田间盐分均值小于3.0 g/kg，脱盐率稳定（80%～90%）并趋于动态平衡状态。

1.6 水肥耦合模型

水肥耦合模型表现为作物阶段耗水需肥规律的数学结构表达，有利于研究不同地域不同作物水肥耦合规律的普适性。Tan等［23］运用ORYZA（v3）模型模拟了水氮胁迫水平对水稻生长过程和产量的响应发现，各施氮水平下，变异系数随灌溉量阈值的增加而减小，施氮水平对早稻产量影响大于灌水水平，而灌水和施氮对晚稻产量影响显著，早稻最佳水氮组合为30～40 mm、150～200 kg/hm2，晚稻最佳水氮组合为40～60 mm、200～250 kg/hm2。Asseng等［24］通过APSIM模型系统模拟了冬小麦水-氮吸收利用、地上部生长特性及籽粒产量动态变化，结果表明APSIM模型可以准确模拟施氮和灌水对冬小麦籽粒产量的响应，模拟产量和实测呈正相关，决定系数R2=0.9，籽粒产量（干重）和籽粒蛋白质浓度的归一化均方根偏差（NRMSE）分别为0.8%和1.6%，与实测结果有良好的一致性。

2 存在问题及展望

2.1 存在问题

近些年，随着我国膜下滴灌水肥一体化在理论研究、设备配套、技术推广层面日臻成熟，加之国家政策扶持，膜下滴灌水肥一体化技术在节水节肥、提质增效方面成效显著。但目前仍然存在着一些问题：（1）普适性作物耦合机制、模型构建研究较为欠缺；（2）由于复种指数高、肥料投入大，导致土壤环境恶化的衍生效应；（3）覆膜垦殖时间长、范围广，塑料薄膜降解周期长，加剧土壤贫瘠化；（4）“作物生长-传感监测-智能决策”物联网融合水肥一体化技术还需深化研究；（5）技术示范推广缺乏专业人才、手段落后、农户主体意识不强。

2.2 展望

2.2.1 加强水肥耦合机理研究

适宜的水分和养分状况是作物高产优质的基础，揭示水-肥协同耦合对作物各生育期生长、光合动态、干物质积累，产量及品质作用机理是发掘农业生态环境作物生产潜力的关键。同时，水肥耦合机制往往受地域气象因子、作物特性、土壤属性等影响，须综合考量土壤-植物-大气连续体中水分、营养元素和盐分吸收运移过程，交互耦合“水、肥、气、热、根、盐及营养元素”，构建具有区域乃至多时空普适性的水肥耦合响应模型。

2.2.2 化肥减施与水溶肥开发

化肥投入强度对生态环境和农业可持续发展具有重要意义。水溶肥分为固态和液态，较传统单元、二元及复合肥料而言养分纯析量更高，从作物对养分吸收特性来说，水溶肥更具有针对性和科学性，依据作物关键生育进行动态营养诊断，以减少用量投入和利于作物根系吸收。

2.2.3 可降解生物薄膜研发结合多元覆盖模式

长期覆膜种植会破坏土壤团聚体结构和通气状况，改变土壤微生物群落多样性，限制根系生长及种子萌芽。可降解生物薄膜是各种添加剂（淀粉、纤维素、聚羟基烷烃酸酯等）的聚合组成，最后通过生物及非生物作用在土壤中降解为水、二氧化碳、甲烷等物质，与传统地膜在对作物产量、水分生产力、温度方面具有类似的性能。考虑经济因素，搭配秸秆多元覆盖方式，以有效降低塑料薄膜对农田生态环境的污染。

2.2.4 设备研制及智能化管理系统构建

合适地点，合适作物，合适量，合适施用方法是提高水肥利用效率的关键。传感器融合物联网技术实时、精准快速捕捉土壤墒情、作物生长、气象变化，及根据作物多年历史灌溉试验数据构建专家系统模型，实现对土壤-作物-大气水肥动态变化的数值模拟、分析预测及智能决策机制。进而提高施肥灌溉系统的精准度和灌溉效率，减少劳动力，提高生产效率。

2.2.5 加大技术推广投入力度

水肥一体化技术发展和推广要以依靠国家政策为导向，坚持因地制宜，合理区域布局，深化高校企业科研技术交流示范，强化农技推广人员队伍专业能力、科学素养。通过集体培训、田间入户、报纸、网络等渠道加大宣传推广力度，切实指导农户详细规范操作、设备维护管理，普及水肥一体化技术理念及节水意识。