小麥微噴（滴）灌水肥一體化高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效生態(tài)栽培研究進(jìn)展

石雄高 裴雪霞 黨建友 張定一

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，030801，山西晉中；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，041000，山西臨汾；3賀州學(xué)院黨委辦公室，542899，廣西賀州）

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的浪潮中，我國(guó)農(nóng)業(yè)得到了快速發(fā)展，規(guī)模不斷壯大，產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)，效益不斷提高，但農(nóng)業(yè)用水也日益增多，水資源供需矛盾日漸凸顯。目前，缺水已成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，多年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)缺水量維持在300億m3以上[1]。近幾年農(nóng)業(yè)用水量和肥料用量見(jiàn)表1。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中大田漫灌和肥料撒施等粗放的栽培方式存在水資源利用不科學(xué)、不合理和化肥過(guò)量盲目施用等現(xiàn)象，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，利用率低[2-4]，造成氮肥以NO3—N形式淋溶到深層或浸出土壤而被損失，導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力下降、質(zhì)地退化和地下水污染等農(nóng)業(yè)生態(tài)問(wèn)題[5-8]。同時(shí)，施用氮肥和灌溉會(huì)促進(jìn)土壤向大氣排放N2O，增加溫室氣體排放量，其中灌溉可提高N2O排放量50%～140%[9-11]。因此，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展，需要轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，走資源集約且高效利用的綠色發(fā)展道路，水肥一體化技術(shù)適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。

表1 2015-2019年我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源和化肥使用情況Table 1 Utilization of water resources and chemical fertilizers in agricultural production in China from 2015 to 2019

小麥作為我國(guó)第三大糧食作物，是國(guó)民口糧的重要支柱，在國(guó)家糧食安全中占有重要位置。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[12]顯示，2020年我國(guó)小麥播種面積達(dá)到2.338×107hm2，占當(dāng)年全國(guó)糧食總播種面積的20.02%。傳統(tǒng)小麥栽培方式在籽粒產(chǎn)量、品質(zhì)、水肥消耗與利用率上有較大提升和優(yōu)化空間，由于種植區(qū)域主要分布在我國(guó)北緯 20°～41°的干旱地區(qū)，大部分地區(qū)年降雨量不能滿足其生長(zhǎng)發(fā)育，且農(nóng)業(yè)環(huán)境問(wèn)題較為突出[13-15]。而被稱為農(nóng)業(yè)“一號(hào)技術(shù)”[16]的水肥一體化是打破小麥這一生產(chǎn)瓶頸的有效手段，為國(guó)家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

1 水肥一體化技術(shù)簡(jiǎn)述及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)述

20世紀(jì)60年代，水肥一體化技術(shù)起源于以色列，隨后廣泛應(yīng)用于干旱缺水以及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家，目前該技術(shù)已逐步向發(fā)展中國(guó)家推廣應(yīng)用[17]。水肥一體化技術(shù)是根據(jù)作物每個(gè)生長(zhǎng)階段不同的水肥需求規(guī)律和土壤水分、養(yǎng)分狀況，將水和所需要的肥料混合成專用營(yíng)養(yǎng)液，借助灌溉壓力系統(tǒng)均勻、定時(shí)、定量地將營(yíng)養(yǎng)液直接輸送到作物的根部和葉部，為作物生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分和水分[18-20]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用較為廣泛的水肥一體化技術(shù)采用微噴灌和滴灌，相比傳統(tǒng)灌溉和施肥方式，該模式可分別提高水分和肥料利用率40%～60%和30%～50%，省工50%，增產(chǎn)增收達(dá)15%～30%，且在減少農(nóng)藥用量、提高作物品質(zhì)、改善土壤環(huán)境、降低氮肥損失和 N2O排放等方面具有顯著的生產(chǎn)生態(tài)優(yōu)勢(shì)[21-25]。作為節(jié)水省肥的高效農(nóng)業(yè)技術(shù)，目前水肥一體化已廣泛應(yīng)用于全世界的溫室、果園和大田等作物[26-29]。

1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外水肥一體化技術(shù)起步較早，發(fā)展較快，在以色列、荷蘭、美國(guó)、韓國(guó)等沙漠國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛普及和推廣，并研發(fā)出了 NetaJet和Fertikit系列（以色列，NETAFIM公司）、Frtimix系列（以色列，Eldar-Shany公司）、Nutri-line系列（荷蘭，PRIVA公司）和BH系列（韓國(guó)，普賢公司）等較為先進(jìn)且成熟的灌溉施肥機(jī)產(chǎn)品[30]。這些產(chǎn)品能夠根據(jù)作物類型、生育時(shí)期、土壤性狀、環(huán)境參數(shù)等制定不同的灌溉施肥策略，為作物精準(zhǔn)地提供水分和養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)作物栽培的智能化[17]。

截至2018年，以色列90%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了水肥一體化智能管理，廣泛應(yīng)用于溫室育苗、大田栽培和果蔬種植等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可回收利用75%的農(nóng)用廢水，提高 40%～60%的水分利用率和30%～50%的肥料利用率，達(dá)到節(jié)水省肥、增產(chǎn)增效的栽培效果，讓其從“沙漠之國(guó)”躍身成為“農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)”[31]。美國(guó)水肥一體化技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，是世界上推廣應(yīng)用水肥一體化技術(shù)面積最大的國(guó)家，其中50%的農(nóng)場(chǎng)采用葉面噴灌，43%采用地面滴灌，7%采用其他灌溉方式[32]。水肥一體化技術(shù)應(yīng)用在美國(guó)各類作物的生產(chǎn)中，以馬鈴薯應(yīng)用面積最大，其次是果樹(shù)、玉米，所生產(chǎn)的水肥耦合專用肥料占其國(guó)內(nèi)肥料總量的38%以上[31]。此外，美國(guó)專門(mén)成立了水肥一體化相關(guān)管理部門(mén)，并建立了服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的線上平臺(tái)，針對(duì)不同地理區(qū)域、自然條件、作物種類等制定一系列灌溉制度，有效提高了水肥利用率和生產(chǎn)生態(tài)效益[33]。荷蘭則是根據(jù)作物不同生育時(shí)期的水肥需求規(guī)律，開(kāi)發(fā)出了可進(jìn)行自動(dòng)配比水肥的智能水肥一體化灌溉系統(tǒng)，在有限的農(nóng)業(yè)用地上實(shí)現(xiàn)了作物產(chǎn)量最大化[34]。

1.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)水肥一體化技術(shù)發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)70年代開(kāi)始從墨西哥引進(jìn)滴灌設(shè)備，并開(kāi)展滴灌設(shè)備與農(nóng)藝栽培技術(shù)結(jié)合的研究[35]。1980年自主研制了國(guó)內(nèi)第1代成套滴灌設(shè)備，此后逐漸實(shí)現(xiàn)灌溉設(shè)備規(guī)模化生產(chǎn)，目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用于20多種農(nóng)作物，包括棉花、果樹(shù)、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物以及小麥、玉米、大豆等糧食作物[17,36]。在技術(shù)引進(jìn)與自主研發(fā)協(xié)同推進(jìn)的基礎(chǔ)上，近幾年相關(guān)企業(yè)、高校與科研單位研發(fā)了大量水肥一體化設(shè)備和灌溉技術(shù)，其中在新疆地區(qū)應(yīng)用的棉花膜下滴灌施肥技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[37]。

近年來(lái)，國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展水肥一體化技術(shù)，出臺(tái)相關(guān)政策文件，如《推進(jìn)水肥一體化實(shí)施方案（2016-2020年）》、《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》等，并主張從經(jīng)濟(jì)作物擴(kuò)展到糧食作物，為技術(shù)推廣應(yīng)用提供了有力支持和保障[38-39]。截至2016年，我國(guó)水肥一體化技術(shù)在玉米生產(chǎn)上應(yīng)用面積超過(guò)1.0×106hm2，小麥上超過(guò)3.0×105hm2，并提出在2020年作物種植總應(yīng)用面積達(dá)到2.7×106hm2的目標(biāo)[40]。相較于農(nóng)民傳統(tǒng)灌水施肥模式（表2），水肥一體化技術(shù)在我國(guó)小麥栽培上可減少31.58%灌水量，節(jié)省氮肥9.01%，產(chǎn)量、水分生產(chǎn)力和氮肥利用效率分別提高1.83%、22.22%和 20.70%，具有節(jié)水省肥、資源高效利用和穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的多重效益[41]。目前，該技術(shù)已由小范圍試驗(yàn)示范發(fā)展為大面積推廣應(yīng)用，覆蓋東北、華北、西北和南方大部分地區(qū)，近些年，節(jié)水灌溉工程面積不斷擴(kuò)大（表3），但在技術(shù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新、推廣與應(yīng)用以及農(nóng)技人才隊(duì)伍建設(shè)上，與世界先進(jìn)水平仍有較大差距[31,35]。

表2 水肥一體化技術(shù)和農(nóng)民傳統(tǒng)灌水施肥模式在我國(guó)小麥栽培上生產(chǎn)效益的比較Table 2 Comparison of production benefits between fertigation and farmers’ traditional irrigation and fertilization practices in wheat cultivation in China

表3 2015-2019年我國(guó)耕地灌溉面積和節(jié)水灌溉面積Table3 Irrigation areas of cultivated land and water-saving in China from 2015 to 2019 ×103hm2

2 微噴（滴）灌水肥一體化對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.1 對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

統(tǒng)計(jì)[12]顯示，2020年我國(guó)小麥播種面積同比下降1.5%，單位面積產(chǎn)量同比增長(zhǎng)2.0%，總產(chǎn)量同比增長(zhǎng)0.5%，但進(jìn)口數(shù)量卻創(chuàng)下1996年以來(lái)新高，同比增幅達(dá)1.4倍。說(shuō)明我國(guó)小麥產(chǎn)量雖然連年增長(zhǎng)，但仍很大程度依賴于進(jìn)口，因此需要最大程度提高產(chǎn)量。而水肥一體化技術(shù)能夠根據(jù)小麥不同生育期水肥需求規(guī)律進(jìn)行分期灌水施肥，可以有效發(fā)揮水肥協(xié)同作用和提高水肥利用效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效栽培。

關(guān)于小麥微噴（滴）灌水肥一體化分期灌水施肥的增產(chǎn)機(jī)理，前人開(kāi)展了大量研究。Zhao等[42]研究發(fā)現(xiàn)，小麥水氮一體化生育期內(nèi)灌水施肥3次，產(chǎn)量比不施肥和農(nóng)民施肥模式分別提高 32.5%和15.1%，且氮肥偏生產(chǎn)力較農(nóng)民施肥模式提高29.5%。有研究[43]表明，水肥一體化模式下小麥分次施純氮240kg/hm2（底施60%+拔節(jié)期追施25%+灌漿期追施15%），同時(shí)在生育期（拔節(jié)期+開(kāi)花期+灌漿期）灌3次水，能夠促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)和氮素的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)及產(chǎn)量的提高，產(chǎn)量較對(duì)照提高了31.88%。這與張英華等[44]在微噴灌條件下通過(guò)控制灌水頻率（少量多次）和施氮量（分期、適量）來(lái)提高冬小麥產(chǎn)量的結(jié)果基本一致。究其水氮科學(xué)運(yùn)籌原理，主要是水肥一體化分次施氮減少了小麥生育期總耗水量，提高了水分利用效率，延緩了灌漿期葉片衰老速度，增大了冠層光截獲面積，促進(jìn)了葉片光合作用及花后干物質(zhì)的合成與積累，提高了千粒重，進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量[45-46]。

在作物生育期內(nèi)，向根系提供有效養(yǎng)分和水分對(duì)促進(jìn)生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量至關(guān)重要[47]。小麥根系干重和密度在水肥一體化條件下顯著增加，而其與籽粒產(chǎn)量具有很強(qiáng)的正相關(guān)性[48]。分蘗數(shù)和成穗率亦是影響小麥產(chǎn)量的重要因素。與傳統(tǒng)灌溉方式相比，水肥一體化能增加春季冬小麥最大分蘗數(shù)及株高，減少無(wú)效分蘗，提高成穗率和千粒重，可顯著增產(chǎn)14.29%～18.96%[49-50]。同時(shí)，氮肥種類對(duì)小麥產(chǎn)量也有影響。(NH4)2SO4相比于CH4N2O、NH4NO3和Ca(NO3)2，可分別提高小麥產(chǎn)量 11.3%～25.1%、13.7%～46.1%和16.4%～32.7%，是水肥一體化模式下小麥的優(yōu)勢(shì)氮源[51]。此外，在適當(dāng)減水減肥條件下，水肥一體化亦能維持小麥產(chǎn)量穩(wěn)定，甚至增產(chǎn)。在減少灌水方面，Man等[52]研究發(fā)現(xiàn)，在微噴灌條件下，灌水量減少50%與充分灌水相比，小麥產(chǎn)量差異不顯著，水分利用效率提升，說(shuō)明輕度水分虧缺復(fù)水后小麥產(chǎn)量出現(xiàn)補(bǔ)償效應(yīng)，達(dá)到節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)的效果。在減施肥料方面，Zhang等[53]研究表明，雖然水氮一體化減施 25%氮肥會(huì)降低小麥凈光合速率和冠層氣孔導(dǎo)度，但產(chǎn)量和水分利用效率沒(méi)有明顯下降，能達(dá)到很好的穩(wěn)產(chǎn)效果；但也有研究[54]認(rèn)為，在磷、鉀肥減施30%條件下，采用微噴灌水肥一體化技術(shù)可以提高小麥產(chǎn)量并滿足其生育期對(duì)氮、磷、鉀肥的需求。

2.2 對(duì)小麥品質(zhì)的影響

隨著國(guó)家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，以及人們生活水平的提高，對(duì)綠色、優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)需求越來(lái)越大。因此，小麥未來(lái)將向綠色、高效、營(yíng)養(yǎng)、健康的方向發(fā)展，優(yōu)質(zhì)小麥產(chǎn)業(yè)將得到快速發(fā)展[12]。水肥一體化技術(shù)能滿足小麥在關(guān)健生育期“吃飽喝足”的養(yǎng)分需要，改善小麥缺素癥狀，進(jìn)而提高籽粒品質(zhì)。但目前高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)仍無(wú)法達(dá)到平衡[55]，且影響小麥品質(zhì)的因素較多，也較為復(fù)雜，包括土壤、肥料、小麥品種和環(huán)境[56-60]，亟需探尋平衡產(chǎn)量與品質(zhì)的優(yōu)化路徑。

灌水和施肥模式均能顯著影響小麥品質(zhì)[61]。籽粒蛋白質(zhì)含量是小麥的重要品質(zhì)指標(biāo)，對(duì)其烹飪質(zhì)量有很大影響[62]。氮肥與小麥籽粒蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)，而磷、鉀肥影響不顯著[63]。平衡氮、磷、鉀和硫肥可以防止由小麥產(chǎn)量增加而導(dǎo)致的籽粒蛋白質(zhì)含量降低，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與品質(zhì)平衡的有效施肥措施[64]。而水肥一體化模式下，適度的水分虧缺和適宜的施肥量有利于小麥對(duì)氮、磷、鉀肥的吸收利用，促進(jìn)籽粒品質(zhì)提高[65]。張孟妮等[66]基于微噴灌水肥一體化對(duì)小麥品質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，施氮量與籽粒蛋白質(zhì)及其各組分含量、面筋含量呈正相關(guān)，且以微噴灌4次（越冬水+拔節(jié)水+孕穗水+灌漿水）和優(yōu)化施氮（N 225kg/hm2，60%底施+30%拔節(jié)期追施+10%灌漿期追施）的水氮一體化組合處理下籽粒品質(zhì)最高。

微噴（滴）灌較傳統(tǒng)漫灌而言，小麥蛋白質(zhì)含量、沉降值和穩(wěn)定時(shí)間均顯著提高，且微噴灌可提高籽粒硬度、面粉吸水率和面筋強(qiáng)度，有利于改善小麥品質(zhì)[67-69]。武繼承等[70]基于沼肥及其與化肥配施水肥一體化模式對(duì)小麥生長(zhǎng)影響的研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，小麥蛋白質(zhì)含量可提高0.30g/100g～1.00g/100g，粗淀粉含量可提高0.57%～2.22%，籽粒品質(zhì)明顯提升。沉降值是測(cè)定小麥品質(zhì)的綜合指標(biāo)，與小麥?zhǔn)称芳庸て焚|(zhì)呈顯著或極顯著相關(guān)[71]。有研究[67]表明，在磷、鉀肥施用處理相同條件下，滴灌沉降值均高于微噴灌。

3 微噴（滴）灌水肥一體化對(duì)小麥水肥利用率的影響

3.1 對(duì)水分利用率的影響

傳統(tǒng)的大水漫灌方法水分有效利用率僅為30%～40%[72]。而微噴（滴）灌水肥一體化技術(shù)根據(jù)作物生長(zhǎng)周期的需水規(guī)律、土壤墑情、根系分布狀況等制定灌溉制度，按需供水，使土壤中的水分含量處于作物生長(zhǎng)的最佳狀態(tài)，提高了水分利用率。有研究[73-74]發(fā)現(xiàn)，微噴（滴）灌水肥一體化灌溉模式下，作物對(duì)水的利用率高達(dá)90%以上，節(jié)水35%～70%，平均節(jié)水率為52.7%，在節(jié)水方面優(yōu)勢(shì)明顯。

雖然小麥?zhǔn)歉吆乃魑铮罅垦芯拷Y(jié)果表明，水肥一體化亦可提高其水分利用率，具有很好的節(jié)水效果。如Wang等[75]連續(xù)3年基于不同灌溉方式對(duì)小麥生理特性的研究發(fā)現(xiàn)，滴灌比畦灌節(jié)水14%～35%（約45.9～114.8mm），水分利用效率顯著提高。聶紫瑾等[76]亦研究發(fā)現(xiàn)，與地面澆灌相比，在正常年份和干旱年份下，滴灌可以減少小麥生育期45～105mm灌水量和57.5～86.4mm耗水量，水分利用率提高了6.2%～16.0%。Li等[41]基于Meta分析方法綜述了我國(guó)水肥一體化技術(shù)的研究進(jìn)展，其結(jié)果亦表明，滴灌可以降低作物蒸騰率11.3%，提高水分生產(chǎn)率26.4%，其中小麥節(jié)水潛力可達(dá)22%（約87mm）。亦有研究[77]認(rèn)為，微噴灌和滴灌節(jié)水效果略有不同，相較于漫灌模式，可分別提高小麥生育期節(jié)水潛力10%～40%和11%，以及水分利用效率83.15%和77.09%。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤具有蓄水保墑的重要作用，可為作物提供生長(zhǎng)發(fā)育所必需的水分。傳統(tǒng)畦灌使更多的水分以蒸發(fā)形式流失，微噴灌則可以有效降低田間蒸發(fā)，增加0～20cm土層貯水量，且由于微噴灌霧化程度高，灌水均勻，更有利于深層土壤存蓄水分，為小麥生育期提供充足的水分[78]。有研究[79]發(fā)現(xiàn)，微噴補(bǔ)灌處理亦有利于小麥主要根層水、肥、氣、熱協(xié)調(diào)，增強(qiáng)土層根系密度和活力，促進(jìn)對(duì)土壤水分的吸收和利用，且減施20%氮肥能降低小麥對(duì)土壤水分的消耗，明顯提高水分利用效率和灌溉效益。但土壤水分過(guò)多易影響小麥根系正常呼吸作用，不利于水肥吸收，通過(guò)灌水量和灌水時(shí)期的調(diào)控形成適度水分脅迫，反而有利于提高水分利用效率[80-82]。故適當(dāng)增加水肥一體化灌溉次數(shù)，可有效降低小麥生育期總耗水和花前耗水量，提高花后耗水量和耗水比例，進(jìn)而提高水分利用效率[44]。而Shen等[83]研究認(rèn)為，通過(guò)調(diào)控灌水量亦可提高小麥水分利用效率，在我國(guó)華北平原地區(qū)，水肥一體化模式下定額灌溉36～45mm為最佳推薦量。

3.2 對(duì)肥料利用率的影響

根據(jù)2013年《中國(guó)三大糧食作物肥料利用率研究報(bào)告》顯示，中國(guó)小麥氮、磷、鉀肥當(dāng)季平均利用率分別為32%、19%和44%，已進(jìn)入國(guó)際公認(rèn)適宜范圍內(nèi)，但仍處于較低水平，還有很大提升空間。2015年，提出力爭(zhēng)到2020年主要農(nóng)作物化肥用量零增長(zhǎng)，肥料利用率達(dá)40%以上。水肥一體化技術(shù)可根據(jù)作物和土壤養(yǎng)分需求狀況，對(duì)灌水、施肥量和次數(shù)進(jìn)行調(diào)控，促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，進(jìn)而提高肥料利用效率[84-86]。

已有研究[79,87]表明，微噴灌水肥一體化處理能顯著改善施肥均勻程度，防止水肥無(wú)效蒸發(fā)和深層滲漏，并形成適當(dāng)養(yǎng)分脅迫，增加0～60cm土層小麥根系密度、根重和根表面積，截獲和吸收更多的有效養(yǎng)分，極大提高了肥料利用效率。陳靜等[88]在黃淮海平原地區(qū)對(duì)免耕冬小麥的研究發(fā)現(xiàn)，采用測(cè)墑補(bǔ)灌和滴灌施肥相結(jié)合的方法，滴灌后水分移至作物根區(qū)內(nèi)，減少了灌溉水深層滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)了作物對(duì)隨水施入肥料的吸收，合理滴灌施肥較常規(guī)施肥總體可節(jié)約氮肥23.47%、磷肥28.33%和鉀肥47.89%。亦有研究[89]認(rèn)為，在新疆地區(qū)滴灌水肥一體化較常規(guī)施肥相比，春小麥氮和鉀肥利用率分別提高了4.7%和3.2%，但磷肥利用率差異不明顯。

小麥?zhǔn)菍?duì)氮素反應(yīng)強(qiáng)烈的谷類作物，而氮是水肥一體化技術(shù)中最常用的一種肥料營(yíng)養(yǎng)元素，通過(guò)水肥一體化分期施用氮肥可以有效提高其利用率[51,86,90-91]。與傳統(tǒng)灌溉方式相比，可調(diào)控的小麥動(dòng)態(tài)水肥一體化氮肥施用模式能在很大程度上影響土壤中養(yǎng)分離子與其他媒介的反應(yīng)，減少氮肥損失[92-93]。例如，微噴灌和滴灌可減少深層土壤中NO3--N積累，降低氮淋失風(fēng)險(xiǎn)，從而促進(jìn)小麥對(duì)氮肥的充分吸收和高效利用[94]。我國(guó)作物對(duì)磷肥利用率偏低，為7.3%～20.1%，但適當(dāng)減施磷肥并不會(huì)顯著降低作物產(chǎn)量，反而可以提高磷肥利用率和農(nóng)學(xué)效率[95-97]。水肥一體化模式下，適當(dāng)減量施用氮、磷、鉀肥亦有同樣效果。Bai等[98]對(duì)冬小麥的研究發(fā)現(xiàn)，相比于地面澆灌和常規(guī)施肥，在氮、磷肥減施30%（N 235kg/hm2，P 118kg/hm2）條件下，滴灌的肥料偏生產(chǎn)力提高48.5%，是華北平原地區(qū)值得推廣的水肥一體化灌水施肥模式。張晶等[99]試驗(yàn)結(jié)果也表明，與傳統(tǒng)栽培模式相比，微噴灌常量施肥條件下，小麥生育期氮肥施用量不變，磷、鉀肥各減施30%并分期施用，能夠促進(jìn)氮、磷、鉀間養(yǎng)分協(xié)調(diào)和提高氮素利用率，從而保證穩(wěn)產(chǎn)和品質(zhì)的提高，實(shí)現(xiàn)肥料高效利用。

4 微噴（滴）灌水肥一體化對(duì)土壤水肥運(yùn)移規(guī)律和N2O排放的影響

4.1 對(duì)水肥運(yùn)移規(guī)律的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是全球環(huán)境氮污染的主要來(lái)源，有超過(guò)50%農(nóng)用氮肥損失到環(huán)境中，其在土壤中主要以NO3--N形式淋失，少量以可溶性有機(jī)氮淋溶，每年氮肥深層滲漏損失高達(dá) 1.0×103t，造成水資源污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化以及土壤性狀惡化[100-103]。傳統(tǒng)畦灌和漫灌等耕作方式粗放，水肥利用率低，田間蒸發(fā)和深層滲漏嚴(yán)重。雖然水肥一體化技術(shù)生態(tài)優(yōu)勢(shì)顯著，但在干旱半干旱地區(qū)，滴灌施肥模式會(huì)提高土壤中的鹽分，形成明顯的積鹽區(qū)和脫鹽區(qū)，從而可能影響作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，并導(dǎo)致地下水污染[104]。因此，探尋滴灌條件下土壤水肥運(yùn)移規(guī)律是非常必要的。

根據(jù)作物生長(zhǎng)需要，將水肥耦合協(xié)同供應(yīng)，不僅可以提高水肥利用率、降低生產(chǎn)成本，對(duì)減少水分深層滲漏和降低氮肥淋失風(fēng)險(xiǎn)也發(fā)揮重要作用[105-106]。有關(guān)研究[49,107-110]發(fā)現(xiàn)，水肥一體化模式下水肥主要集中分布在0～80cm土層內(nèi)，越靠近耕層，水肥含量越高，且能有效防止水肥田間蒸發(fā)和深層滲漏，進(jìn)而增加根區(qū)水肥供應(yīng)量、提高水肥利用率、改善土壤質(zhì)量、減少農(nóng)業(yè)污染，實(shí)現(xiàn)小麥高效生態(tài)栽培。灌溉方式可影響無(wú)機(jī)氮在0～20cm耕層的含量及分布[111]。滴灌由于水肥用量少、施用次數(shù)多，平均可減少90% NO3--N深層淋失，且在秸稈還田條件下，滴灌比漫灌明顯減少約10倍氮肥淋失量[102,112]。而漫灌因水肥施用過(guò)量，導(dǎo)致硝態(tài)氮淋失嚴(yán)重，易造成土壤酸化、土壤養(yǎng)分失衡，并破壞土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[113-114]。但在干旱地區(qū)，當(dāng)?shù)喂嗨蜀詈瞎嗨亢褪┓柿砍^(guò)一定閾值時(shí)，氮肥和鉀肥均可被淋洗到100cm土層以下，而磷肥淋洗不明顯[107]。滴灌條件下，磷、鉀肥減施且隨灌水分次施用，可提高耕層有效磷和速效鉀含量，而微噴灌則差異不顯著，且滴灌較微噴灌和漫灌可提高0～40cm 土層有效磷含量[67]。李亞莉等[115]研究表明，不同滴灌年限小麥土壤速效養(yǎng)分含量的最大值均在耕層，且隨著土層深度的增加而逐漸降低。

滴灌水肥運(yùn)移方向和運(yùn)移速度主要受灌水量與施肥量影響，同時(shí)也受土壤環(huán)境狀況影響。微噴補(bǔ)灌施肥較為均勻，有利于土壤NO3--N橫向運(yùn)移和被小麥吸收利用，而滴灌模式下灌水量會(huì)影響水、氮的水平和垂直運(yùn)移，施氮量主要影響氮素的水平運(yùn)移[87,116]。陳靜[116]研究發(fā)現(xiàn)，灌水量越大，滴灌施肥后水分和NO3--N運(yùn)移的垂直深度越深，減少灌水量則可以降低灌溉水深層滲漏損失和NO3--N深層淋溶風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)灌溉系數(shù)為0.5和1時(shí)，水分和NO3--N主要向下運(yùn)移至0～60cm和0～80cm土層，且灌溉系數(shù)為1時(shí)可以保持冬小麥―夏玉米整個(gè)生育期 0～80cm 土層含水量為田間持水量的75%～80%以上。當(dāng)膜下滴灌時(shí)，水肥運(yùn)移規(guī)律主要體現(xiàn)在土壤鹽分運(yùn)移耦合性上。冀雅珍等[117]研究認(rèn)為，土壤含水量與含鹽量存在負(fù)相關(guān)性，土壤水分分布不受肥料液濃度影響，肥料液濃度與含鹽量存在正相關(guān)性，但隨肥料液濃度增大，表層土壤含鹽量變大，深層土壤變化規(guī)律不明顯。

4.2 對(duì)N2O氣體排放的影響

N2O是一種有害的溫室氣體，其效果是CO2的296倍，每年全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放量高達(dá) 0.11×106～6.30×106t，約占人類活動(dòng)排放N2O的84%[118-121]。土壤產(chǎn)生N2O主要是由于施用氮肥導(dǎo)致NH4+在好氧條件下發(fā)生硝化作用，而灌溉則會(huì)增加土壤濕度、降低土壤孔隙度和通氣性，進(jìn)而加劇 N2O排放[122-124]。當(dāng)?shù)试谧魑锷捌谌渴┤肭椅绽寐瘦^低時(shí)，土壤中的氮很容易在幾周內(nèi)損失掉，包括以N2O的形式排向大氣[125-126]。而在小麥和玉米等作物生育期內(nèi)，少量多次施入氮肥則可以減少N2O排放[125,127]。

基于水肥一體化模式下，現(xiàn)有研究多是聚焦探尋滴灌對(duì) N2O排放的影響，雖然研究結(jié)果存在差異，但大多數(shù)認(rèn)為該模式有利于減少N2O排放。當(dāng)?shù)屎退诌^(guò)剩時(shí)，水肥一體化可能會(huì)在土壤中形成多重氣壓，從而導(dǎo)致更高的N2O排放風(fēng)險(xiǎn)[128]。故有研究[129-130]認(rèn)為，滴灌水氮一體化對(duì)減少N2O排放效果不顯著，甚至?xí)黾覰2O排放。但Kennedy等[131]對(duì)溝灌和滴灌的比較發(fā)現(xiàn)，滴灌可以減少近50%的N2O排放量。Leanne等[128]對(duì)小麥和油菜進(jìn)行連續(xù)4年的研究也發(fā)現(xiàn)，相比一次性施入氮肥，生育期內(nèi)滴灌水氮一體化（中、低水平氮肥，總施用量分別為90和60kg/hm2）條件下，N2O平均排放系數(shù)為0.16±0.04%，2種作物N2O排放量總體降低了32%，其中小麥最高可降低59%。Zhang等[132]對(duì)我國(guó)北方地區(qū)冬小麥―夏玉米輪作模式下探究水氮一體化氮肥施用量對(duì) N2O排放影響的研究亦有類似結(jié)果。除了施肥和灌溉方式，N2O排放亦受不同氮肥種類和灌溉方式組合的影響。Tian等[133]研究發(fā)現(xiàn)，在冬小麥―夏玉米輪作模式下，相比漫灌+NH4Cl處理，滴灌+Ca(NO3)2+NH4Cl混合處理可以減少33%的N2O排放量。這些研究結(jié)果表明，水肥耦合和少量多次的灌水施肥模式可以有效減少N2O排放。

5 總結(jié)與展望

隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，水肥一體化技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)得到了廣泛推廣應(yīng)用，尤其在北方干旱地區(qū)應(yīng)用最多、效益最大，在實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效生態(tài)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)中扮演了重要角色。現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展讓水肥一體化技術(shù)變得越來(lái)越智能化、高效化、生態(tài)化，使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不斷向集約高效和可持續(xù)發(fā)展的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。而小麥作為生育期長(zhǎng)、耗水肥多的作物，應(yīng)用這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)后，產(chǎn)量、品質(zhì)、水肥和環(huán)境等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)和生態(tài)效益大大提升，有力保障了國(guó)家糧食安全，且對(duì)資源高效利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到了很好的促進(jìn)作用。

我國(guó)小麥水肥一體化栽培取得了明顯成效，但也存在一些問(wèn)題與不足。在技術(shù)開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新方面，技術(shù)開(kāi)發(fā)成本總體較大，設(shè)備操作流程較為復(fù)雜，且性價(jià)比高的智能型水肥一體化灌溉設(shè)備較為缺乏，在肥料配方、水肥用量、灌溉頻次、管理方法等方面未能形成一套科學(xué)、準(zhǔn)確的灌溉決策系統(tǒng)，大多是憑農(nóng)民個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行灌水施肥。在技術(shù)推廣與應(yīng)用方面，小麥多為分散種植，經(jīng)濟(jì)效益增加不明顯，且宣傳力度不夠，農(nóng)民認(rèn)可度低；水溶肥配方較少，收鋪微噴帶機(jī)械缺乏，勞動(dòng)成本增加、效益降低；設(shè)備操作方法復(fù)雜，開(kāi)發(fā)和銷售企業(yè)應(yīng)對(duì)農(nóng)民進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)與培訓(xùn)，提高售后維修服務(wù)水平，降低上門(mén)維修費(fèi)用，及時(shí)解決設(shè)備使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。在小麥生理與栽培研究方面，不同氮肥用量對(duì)小麥籽粒灌漿速率和氮素吸收利用以及耗水特性的影響機(jī)制尚未明確，氮肥后移是否能促進(jìn)葉面施肥、籽粒蛋白質(zhì)組成變化以及其他營(yíng)養(yǎng)與加工品質(zhì)是否得到改善等還需要進(jìn)一步研究；現(xiàn)有研究多是針對(duì)大量營(yíng)養(yǎng)元素，而微量營(yíng)養(yǎng)元素在水肥一體化條件下對(duì)小麥生理特性和產(chǎn)量、品質(zhì)以及環(huán)境的影響機(jī)制尚不清楚；對(duì)緩解氮肥損失和N2O排放的效果研究結(jié)論不一致，且關(guān)于N2O的排放多是聚焦對(duì)滴灌進(jìn)行研究，相關(guān)研究結(jié)果說(shuō)服力和代表性不足；現(xiàn)有研究大多集中在一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)、有限的灌溉和施肥模式以及某種特定的作物，其結(jié)果和數(shù)據(jù)不足以描述和確定全國(guó)范圍內(nèi)水肥一體化的總體效益；小麥水肥高效利用的分子水平已是學(xué)術(shù)界的一大研究前沿，但關(guān)于水肥一體化技術(shù)下小麥水肥高效利用的分子調(diào)控機(jī)制研究鮮有報(bào)道。

針對(duì)以上問(wèn)題，需要社會(huì)各界共同努力解決，使水肥一體化技術(shù)盡快從“高端農(nóng)業(yè)”走向更大面積的應(yīng)用推廣，從設(shè)施農(nóng)業(yè)走向大田。政府可加快完善相關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)機(jī)制，加大相關(guān)建設(shè)資金投入和技術(shù)推廣力度，加強(qiáng)專業(yè)農(nóng)技人才隊(duì)伍建設(shè)，組織開(kāi)展農(nóng)技科普活動(dòng)，并與有關(guān)研發(fā)企業(yè)和單位加強(qiáng)合作，推動(dòng)技術(shù)指導(dǎo)與培訓(xùn)的普惠化，以及行業(yè)經(jīng)營(yíng)與服務(wù)的規(guī)范化。同時(shí)，科研人員應(yīng)主動(dòng)對(duì)接農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需要，積極挖掘當(dāng)前有關(guān)科研空白，努力攻關(guān)國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目，為水肥一體化技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)生產(chǎn)上提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。例如在提升設(shè)備智能化水平上，可結(jié)合“3S”和人工智能等技術(shù)，建立設(shè)備科學(xué)決策系統(tǒng)和專家遠(yuǎn)程可視化決策系統(tǒng)，切實(shí)為農(nóng)民提供科學(xué)、準(zhǔn)確的決策指導(dǎo)。又如在小麥水肥一體化對(duì)微量營(yíng)養(yǎng)元素的響應(yīng)機(jī)制上，通過(guò)與傳統(tǒng)水肥施用模式、不同水肥組合及不同肥料組合模式等進(jìn)行對(duì)比，探明水肥一體化條件下微量營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)小麥生理特征、產(chǎn)量與品質(zhì)、水肥利用率以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響特性。在小麥水肥一體化的水肥高效分子調(diào)控機(jī)理上，通過(guò)利用已發(fā)現(xiàn)的水肥高效基因進(jìn)行篩選和鑒定，以及通過(guò)植株優(yōu)良性狀的篩選對(duì)水肥高效基因進(jìn)行挖掘和利用，并利用植物基因工程、細(xì)胞工程和植物組織培養(yǎng)等現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行分子育種和推廣種植。種植戶應(yīng)提升設(shè)備操作與維護(hù)、水肥用量與濃度配比等農(nóng)業(yè)知識(shí)和技能，加快土地流轉(zhuǎn)和土地承包，抱團(tuán)成立合作社，確保在自然條件允許的小麥種植區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益，為水肥一體化技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造條件。