茶園水肥一體化研究進展

孫紅嚴(yán), 馬德新,2,3

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 動漫與傳媒學(xué)院，山東 青島 266109；2.山東省科學(xué)院計算中心，山東 濟南 250101；3. 山東大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟南 250101)

茶樹(Tea tree)，又稱茶，拉丁文名：Camellia sinensis(L.)O.Ktze，原產(chǎn)于中國西南部濕潤多雨的原始森林，現(xiàn)以長江往南地區(qū)種植十分普遍。在長期的生長進化過程中，茶樹形成了喜陰、喜濕、耐光、耐溫的生存特性[1]。茶樹是主要的經(jīng)濟作物，地域種植復(fù)雜，在暖溫帶、亞熱帶、邊緣熱帶均有分布，最西在西藏自治區(qū)北林，最北在山東威海榮成[2～3]。在實際的茶樹生長過程中由于地形、濕度、營養(yǎng)元素等原因，存在著水資源和肥料浪費嚴(yán)重的情況，使得茶樹出現(xiàn)減產(chǎn)、降質(zhì)、病害多發(fā)的問題。要解決這些問題就需要因地制宜的利用水肥耦合效應(yīng)，運用茶園智能水肥一體化技術(shù)充分提高水肥利用率。

水肥一體化技術(shù)最早是由以色列人發(fā)明并在其國家農(nóng)業(yè)灌溉上迅速發(fā)展和普及使用。我國起步較晚，自20世紀(jì)70年代我國才開始試驗和使用水肥一體化技術(shù)，當(dāng)前我國水肥一體化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多種糧食農(nóng)作物、各種果樹、茶樹、蔬菜、花卉等作物上[4]。水肥一體化，即水肥耦合，是指在作物生產(chǎn)的過程中根據(jù)作物的需肥需水規(guī)律把水與化肥通過一定的比例進行混合，再由鋪設(shè)在田間的滴灌管道緩慢均勻的送至作物根部。這樣可以實現(xiàn)水肥同步到達，讓種植戶以最低的成本獲得更好作物品質(zhì)以及更高的經(jīng)濟效益。同時水肥一體化也將加快我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，減少水資源的浪費以及對自然環(huán)境的污染，是具有重大戰(zhàn)略意義的，并促進我國農(nóng)業(yè)新舊動能轉(zhuǎn)化以及加快鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的進展。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 茶園水肥一體化發(fā)展現(xiàn)狀

茶樹屬于重要的經(jīng)濟型作物，它與大豆、玉米、小麥等糧食作物有所不同，茶樹在生長期內(nèi)對溫度、濕度、營養(yǎng)元素以及光照的要求極高，不適宜的因素都有可能會使茶樹出現(xiàn)病蟲害的幾率增加，尤其是濕度和施肥情況對茶葉的產(chǎn)量和質(zhì)量影響最大，嚴(yán)重的情況下還會導(dǎo)致茶樹生長不良等一系列問題。為了有效降低這一問題的出現(xiàn)，國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者也都相繼進行了大量研究探索工作，在中國知網(wǎng)進行檢索關(guān)鍵詞：茶園、灌溉，檢索結(jié)果顯示共計各類文章130篇(截止至2019年3月)，并對檢索的結(jié)果進行分類。分別為綜述類、技術(shù)推廣應(yīng)用類、水肥一體化系統(tǒng)類以及其他(會議、報紙)，具體各類文章數(shù)量情況表1所示。由表可以明顯看出，目前我國茶園水肥一體化還處在發(fā)展階段，對水肥一體化的系統(tǒng)研發(fā)建設(shè)較少，而相對于綜述介紹類文章較多，所以應(yīng)當(dāng)加強水肥一體化技術(shù)在茶園的應(yīng)用發(fā)展。在中國知網(wǎng)中分別檢索與黃瓜、番茄、蘋果、玉米、小麥、茶樹在水肥一體化方面的研究文獻數(shù)量進行對比，具體情況如圖1所示。通過圖1可知在茶樹水肥一體化應(yīng)用與其他作物相比研究有著較大的差距，我們應(yīng)當(dāng)加快茶園相關(guān)水肥一體化研究，且應(yīng)當(dāng)注重研究茶園中茶樹的需水需肥規(guī)律，通過借鑒其他已經(jīng)相對成熟的水肥技術(shù)，來探索研究茶園水肥一體化最優(yōu)管理模式，向茶園智能水肥一體化發(fā)展。

表1 檢索結(jié)果中各類文章數(shù)量 (篇)

圖1 檢索結(jié)果中茶樹與其他作物在水肥一體化應(yīng)用的數(shù)量對比

1.2 茶園現(xiàn)行施肥模式

在茶園施肥方面我國北方茶園施肥往往是采用“一基三追”的施肥模式，這種施肥方式存在著操作復(fù)雜、水肥流失、傷害茶樹根部、人工費較高等一系列問題。南方茶園種植地多為丘陵和山區(qū)地帶，由于地形原復(fù)雜以及技術(shù)裝備問題，常存在水土流失問題?？偟膩碚f，水肥一體化技術(shù)在茶園應(yīng)用上還不成熟，大多茶園主要是采取傳統(tǒng)的灌溉方式，這種方式對茶樹的生長以及茶葉的質(zhì)量會有巨大的影響，因此我國茶園現(xiàn)行是施肥模式是存在一定弊端的。

1.3 水肥一體化對茶樹生長、茶葉產(chǎn)量及質(zhì)量的影響

1.4 水肥一體化對茶樹吸收利用水肥的影響研究現(xiàn)狀

孫立濤[8]研究試驗了不同地表覆蓋對茶樹吸收養(yǎng)分以及水分的影響，結(jié)論表明地表覆蓋模式可提高水分的吸收利用率以及養(yǎng)分吸收并且在土壤中有機質(zhì)、堿解氮、硝態(tài)氮、氨鈦氮等物質(zhì)含量明顯增高，提高了土壤肥力，葉面中的硝酸還原酶含量明顯增加，有效地促進了茶樹的生長。李偉[10]等在研究不同施肥方式及肥料對幼齡茶樹生長及主要生化成分含量的影響時通過對比試驗得出以下結(jié)論：①使用復(fù)合肥比單純使用尿素處理效果更加。②通過溝施復(fù)合肥直接拋撒效果更好，可以有效增加茶樹根和茶葉中的N、P、K含量，為茶樹生長和內(nèi)含物質(zhì)代謝合成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。傅海平[11]等探討試驗了茶園間作高桿綠肥對茶樹光合特征的影響,通過使用光合儀對茶樹1號進行不同刈割處理后，結(jié)果表明適度調(diào)控光照強度以及合適的水肥溶液配比的施用,有利于茶樹凈光合速率的提高,能夠有效促進茶樹的生長。

1.5 水肥一體化對茶樹茶葉產(chǎn)量的影響及數(shù)學(xué)模型研究現(xiàn)狀

楊凈云[12]等在對微噴灌、滴灌、地面灌溉等灌溉方式，通過試驗研究了它們對茶葉生產(chǎn)的影響，從灌溉方式對茶樹新梢的生長方面來說,節(jié)水灌溉可加深葉色,增加芽頭密度和百芽重;從對茶葉生化成分方面來看,節(jié)水灌溉相比于地面灌溉能產(chǎn)量明顯增加,增產(chǎn)幅度為5.34%～6.70%；從茶葉經(jīng)濟效益來看,節(jié)水灌溉茶園較地面灌溉茶園可增加純收入2 092.2～372.0元·hm-2;茶園使用節(jié)水灌溉技術(shù),節(jié)水率為33.33%～50.00%。葛家寶[13]通過對傳統(tǒng)和現(xiàn)代茶葉的質(zhì)量管理進行深入分析,提出了最新是時期茶葉質(zhì)量管理的數(shù)學(xué)模型，他主要從重點從貼近度原則和擇近原則兩方面來應(yīng)用。王林林[14]等，在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)茶園對茶樹的蒸騰蒸發(fā)量(騰發(fā)量)進行了實際試驗，以PenmanMonteith方程為基礎(chǔ),在對于蒸騰蒸發(fā)量進行計算時借鑒了P-M溫室修正式,得出了基于常規(guī)氣象數(shù)據(jù)和茶樹生長發(fā)育指標(biāo)的溫室茶樹蒸騰蒸發(fā)模型ET0(Tea)，這對北方溫室茶樹灌溉施肥提供了重要的決策依據(jù)。

2 研究展望與建議

2.1 增大水分耦合在茶園中的應(yīng)用

我國大部分地區(qū)的水污染嚴(yán)重惡化，而且大多數(shù)地區(qū)水資源短缺越來越明顯[15]。水肥耦合效應(yīng)可以廣泛的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，而且可以有效達到節(jié)水省肥的作用，并且能夠降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料對水資源的污染。以水肥一體化在茶園的應(yīng)用為例，在中國知網(wǎng)上檢索其相關(guān)內(nèi)容，結(jié)果顯示我國對茶園水肥一體化的相關(guān)研究甚少，而且我國茶園面積又是非常龐大。由中國知網(wǎng)上研究文獻可知：茶樹對水肥的吸收利用存在臨界值，同時不同地區(qū)的茶樹種植環(huán)境也是有所不同，因此，大力推廣茶園水肥一體化在各個地區(qū)的研究發(fā)展是非常有意義和必要的，這樣不僅可以因地制宜還可以協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展，有效的提高茶葉品質(zhì)和降低水資源浪費、肥料浪費以及水污染。

圖2 茶園水肥一體化技術(shù)系統(tǒng)路線

2.2 加強基于物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化在智慧茶園的應(yīng)用研究

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在迅速的發(fā)展，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對自動化的需求增大，國內(nèi)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及在智能處理技術(shù)等方面研究上有了很大成果。對于茶園生產(chǎn)灌溉施肥也有巨大的作用，可以推廣應(yīng)用智能水肥一體化系統(tǒng)，智能水肥一體化系統(tǒng)會根據(jù)安裝在茶園的各種傳感器發(fā)回的信息進行處理，并結(jié)合先前已經(jīng)輸進去的茶樹生長所需營養(yǎng)物質(zhì)以及對水的需要進行智能處理，自動配比水肥溶液通過設(shè)定時間，通過提前鋪設(shè)在茶園的灌溉管道進行自動灌溉。目前，關(guān)于智能一體化水肥機的研究以及運用多在蔬菜和果園上，而茶園的應(yīng)用研究相對較少。因此應(yīng)當(dāng)加強基于物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化在智慧茶園的應(yīng)用研究，實現(xiàn)不同區(qū)域不同茶樹品種的監(jiān)測+控制+水肥一體化的智慧灌溉模式，此模式技術(shù)系統(tǒng)路線圖如圖2所示，充分提高茶葉質(zhì)量，降低人工成本的投入、減少水資源以及肥料的使用。

2.3 深入研究茶樹在水肥一體化條件下需肥需水規(guī)律研究

當(dāng)前我國對茶樹需水、需肥的研究比較少，大多數(shù)都是對農(nóng)作物以及蔬菜的水肥一體化研究，這些研究大部分都是以特定的茶區(qū)為例來配比肥料以及確定施肥的時間，基本上需要大量的人工和經(jīng)驗才能完成。茶葉的品質(zhì)與生產(chǎn)環(huán)境、土壤溫濕度、光照、以及氣象因子等具有很大的關(guān)系，而這些環(huán)境因素在很大程度上都是不可控的，通過對環(huán)境因子以及茶樹生長所需營養(yǎng)物質(zhì)進行研究，探索其對茶樹生長的影響規(guī)律。充分考慮水肥以及環(huán)境因素協(xié)同的作用，加大研究茶樹不同區(qū)域以及不同生長周期在水肥一體化條件下的需肥、需水規(guī)律為實施精準(zhǔn)精量灌溉提供理論基礎(chǔ)知識依據(jù)。

2.4 構(gòu)建合適的茶園水肥一體化數(shù)學(xué)、機理模型

茶葉屬于經(jīng)濟型作物，不同于大田農(nóng)作物，它的種植地區(qū)以及種植時間和種植條件具有很大的不同，因此將數(shù)學(xué)建模引入到茶葉的生產(chǎn)應(yīng)用過程，建立適合各區(qū)域茶葉的數(shù)學(xué)模型。董國玉[16]在茶葉土壤導(dǎo)電、酸堿性的測量應(yīng)用中加入數(shù)學(xué)模型對比，精確的衡量茶葉種植土壤的成分,并將土壤性質(zhì)分析定量化、可視化。但是單純的數(shù)學(xué)模型具有的缺點就是不適合大部分茶園，通用效果差。現(xiàn)有一些機理模型如WOFOST、APSIM、EPIC等，這些包含了土壤、作物生長、氣象因子影響等多種條件，能夠準(zhǔn)確描述作物的生理過程，但研究發(fā)現(xiàn)這些大多用來模擬農(nóng)作物幾乎沒有用在茶樹上[17]。因此，可加強數(shù)學(xué)模型與機理模型的結(jié)合是使用，用以指導(dǎo)茶葉的高效生產(chǎn)。

3 結(jié) 語

水肥對茶樹的生長以及產(chǎn)量和品質(zhì)會產(chǎn)生巨大的影響，國內(nèi)外對水肥一體化條件下的茶樹需肥需水規(guī)律進行一定的研究，但和其他作物相比還相差甚遠，因此應(yīng)當(dāng)加大茶園水肥一體化研究進展。筆者通過對茶園水肥相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以及存在的一些現(xiàn)狀進行了研究分析，并給出了一些發(fā)展建議，以期在茶園水肥一體化的研究發(fā)展提供理論支持，加快我國農(nóng)業(yè)新舊動能轉(zhuǎn)換。