膜下滴灌水肥一體化技術在西北旱區農業生產中的應用

肖陽

（大禹節水集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

我國農業是第一用水大戶，水資源緊缺是制約西北旱區農業生產和可持續發展的瓶頸之一。如何在有限灌水條件下提高水肥利用效率、提質增產增效是解決旱地作物種植最為迫切的問題［1］。同時，高水高肥的水肥投入方式，致使該地區土壤團粒結構惡化、土壤營養結構失調、酸化鹽堿化及土壤細菌微生物群落受到破壞，加劇土壤生態環境污染［2］。膜下滴灌是近年來新興起的一項新型高效節水灌溉技術，其集成了覆膜措施和滴灌技術的優點，即可增溫保墑、減少水分蒸發、抑制鹽分積累及減少病蟲害，亦可節水增效、提高水分利用效率、確保作物高產穩產，因此被廣泛應用于我國西北旱區農業生產種植［3］。水分和養分因子是影響作物高產優質的關鍵因素，明確作物各生育期需水需肥規律，合理水肥配施的水肥耦合一體化技術能有效提高水分和養分利用效率，有效解決地域季節性、區域性干旱缺水情況，降低化肥投入，減少氮素淋失和增強磷素、鉀素的遷移速率，平衡土壤環境酸堿平衡和營養結構優化，有效促進綠色農業生態可持續發展［4］。

1 水肥一體化技術對西北干旱區作物影響

1.1 作物生長發育

作物生長發育與施肥灌水量、施肥灌水頻率、水肥配施比例等模式密切相關。黃卿宜等［5］研究發現，適宜的滴灌水肥一體化灌溉施肥制度促進甜瓜植株的生長發育，灌水施肥量對甜瓜植株株高、莖粗生長均有顯著影響，適當降低土壤含水量下限、增加追肥量有利于甜瓜根系生長和植株營養吸收，促進植株生長發育。李帥等［6］通過水肥一體化稻田試驗發現，相較于常規施肥灌溉，水肥一體化條件下水稻株高、分蘗數和產量顯著提升，且肥料少量多次分施能穩定氮素及礦質元素在土壤系統中的時空分布，促進水稻根系在生長過程中對氮素的吸收利用。童鑄等［7］研究表明，膜下滴灌水肥一體化處理顯著促進了植煙株高、莖粗、葉面積、節距等農藝性狀，提高植煙根系及地上部植株對氮磷鉀的積累，氮、磷、鉀吸收量相較常規水肥提高21.7%、10.2%、16.3%，有效促進了植煙生長和肥料元素的高效利用。此外，水溶肥種類及施肥時期也會影響作物生長發育，張雨蒙等［8］研究發現，春播花生均衡施肥比高磷、高氮施肥處理主莖和側枝顯著增加20%，夏播高磷水溶肥處理相比其他處理增加花生主莖和側枝增長顯著增加13%，且水溶肥減施條件下，在花生花針期和飽果期各追肥50%和20%，有利于花生莢果生殖生長和植株營養生長。

1.2 作物光合特性

水分和養分是保證作物生長生理的物質基礎，而光合作用是作物植株體內進行物質能量循環流動的重要代謝過程。付詩寧等［9］通過日光溫室葡萄滴灌水肥一體化試驗發現，葡萄葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）隨著生育期的推進整體呈現為先增大后減小的峰值正態分布，峰值出現在葡萄果實膨大期，且低水水平和水肥過高都會抑制葡萄光合特性，水肥交互耦合作用均對溫室普通光合特性產生顯著或極顯著影響。王佳等［10］研究發現，水肥一體條件下玉米植株葉片光合速率、熒光參數、葉片酶活性等光合過程對施氮水平具有顯著影響，葉綠素含量與光合、熒光指標均呈正相關關系，且基肥施氮為270 kg/hm2時，玉米葉片胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導度、光能轉換效率（PSⅡ）比其他處理顯著提高38.2%、14.7%、38.9%、26.5%，進而提高玉米光合作用。陳昱辛等［11］通過柑橘滴灌水肥一體化試驗發現，柑橘葉片各項光合指標隨調虧程度加重呈現減小趨勢，且相同水分脅迫條件下不同施肥水平處理差異不顯著，在柑橘果實膨大期和成熟期輕度水分虧缺高肥能提升胞間CO2摩爾分數、羧化效率等光合指標，增強光合能力。光合作用是作物植株進行生物固碳的主要途徑，王景燕等［12］研究發現，漢源花椒水肥耦合處理各項光合指標因子日變化均呈現“單峰”曲線變化，植株葉片凈光合速率和葉綠素含量隨施肥量增加而增大，土壤水分為田間持水量30%～50%時，凈光合速率和葉綠素含量與土壤含水量呈正相關，50%～70%呈負相關。

1.3 水肥利用效率

水肥因素相互促進，亦相互制約，根據作物階段生育期耗水需肥特性，適時適量水肥配施可以以肥促水、以水調肥，進而提高水肥利用效率。Gheysari等［13］指出過度灌溉導致土壤-N淋溶損失速率顯著增加，土壤質地、有機質和礦物質含量也會影響硝酸鹽的淋失，進而降低水肥利用效率。張麗霞等［14］研究表明，基施氮肥240 kg/hm2（拔節期和灌漿期按5∶3追施），3次灌水的水肥一體化處理優化了小麥植株生長的群體特性，有效提高小麥籽粒產量，提高水肥利用效率。Li等［15］對灌溉和施肥進行多元回歸和空間分析，在多目標優化下，灌溉對WUE、水肥耦合對棉花產量，具有極顯著影響，高效水-氮模式為：4 300.5～4 396.5 m3/hm2，270.95～318.45 kg/hm2；此時WUE=1.78 kg/m-3、氮肥偏生產力（NUE）、產量均超過最大值的90%。郭培武等［16］研究發現，滴灌水肥一體化技術實現水分和養分同步供給，精準定量浸潤植株根生區，相較畦灌灌水量減少40%，水分利用效率增加1.9%～2.8%，籽粒產量和氮肥利用效率均優于其他灌水模式。

1.4 作物產量品質

水肥合理配施的水肥一體化技術利用作物生物水-肥-鹽脅迫反饋機制，促進水分養分向作物特定生殖器官運移，抑制植株營養器官冗余生長，加快植株體內物質能量轉化效率，進而達到作物提質增產增效。齊振宇等［17］研究發現，大蒜抽薹率、薹莖長受基肥追施比例和灌溉模式影響顯著，基肥和追肥3∶2比例水肥一體化情況下，大蒜生育期6次追肥顯著提升的大蒜單薹質量，化肥減施有利于大蒜生殖器官的形成，且顯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營養品質。田歌等［18］通過15N同位素示蹤研究不同水肥一體化方式對蘋果產量品質的影響，發現滲灌施氮水肥一體化處理蘋果單果重和單株產量為0.12 kg和66.13 kg，果實糖酸為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處理，這是因為不同施氮方式造成了植株根區土壤氮素分布，影響作物根系對氮素的吸收利用。吳海蘭等［19］研究發現，沙地紅棗單果重與植株葉片營養豐缺密切相關，液體肥水肥一體化處理明顯提高沙地紅棗葉片N∶P含量，單果重顯著高于其他處理，且固體肥、液體肥、滴灌水肥一體化處理棗果含水量、可溶性糖、可溶性固形物、維生素C、總黃酮等品質指標均有所提升，其中液體肥水肥一體化處理品質提升最佳。

1.5 水鹽運移

滴灌水肥一體化技術具有調控作物生長對土壤水鹽響應平衡的正向效應。何子建［20］等研究鹽生植物間作膜下滴灌試驗發現，堿蓬、苜蓿、孜然間作有效抑制0～100 cm土層內Na+、Cl-遷移和聚集，苜蓿脫鹽效果最好（提高55.97%），堿蓬抑制鹽分積累效果最好（較無間作對照鹽分降低2.3倍）。孫海燕等［21］結合施鈣方式和膜下滴灌模擬水鹽運移，發現代換性Ca2+置換出吸附在土壤膠體的陽離子實現脫鹽，其中施Ca-灌水-施Ca處理顯著提高脫鈉區深度系數（低于初始鈉離子含量區域深度h/濕潤鋒深度H）和降低鈉吸附比，脫鹽效果明顯。王振華等［22］在新疆石河子121團定點連續棉花膜下滴灌試驗發現，土壤鹽分隨著滴灌應用年限增長而降低，0～3 a滴灌年限和鹽含量呈冪函數關系，屬于快速脫鹽階段；滴灌3～8 a鹽分含量線性降低到5.0 g/kg，屬于穩速脫鹽階段（苗期進行105～350 mm沖洗壓鹽）；滴灌16 a田間鹽分均值小于3.0 g/kg，脫鹽率穩定（80%～90%）并趨于動態平衡狀態。

1.6 水肥耦合模型

水肥耦合模型表現為作物階段耗水需肥規律的數學結構表達，有利于研究不同地域不同作物水肥耦合規律的普適性。Tan等［23］運用ORYZA（v3）模型模擬了水氮脅迫水平對水稻生長過程和產量的響應發現，各施氮水平下，變異系數隨灌溉量閾值的增加而減小，施氮水平對早稻產量影響大于灌水水平，而灌水和施氮對晚稻產量影響顯著，早稻最佳水氮組合為30～40 mm、150～200 kg/hm2，晚稻最佳水氮組合為40～60 mm、200～250 kg/hm2。Asseng等［24］通過APSIM模型系統模擬了冬小麥水-氮吸收利用、地上部生長特性及籽粒產量動態變化，結果表明APSIM模型可以準確模擬施氮和灌水對冬小麥籽粒產量的響應，模擬產量和實測呈正相關，決定系數R2=0.9，籽粒產量（干重）和籽粒蛋白質濃度的歸一化均方根偏差（NRMSE）分別為0.8%和1.6%，與實測結果有良好的一致性。

2 存在問題及展望

2.1 存在問題

近些年，隨著我國膜下滴灌水肥一體化在理論研究、設備配套、技術推廣層面日臻成熟，加之國家政策扶持，膜下滴灌水肥一體化技術在節水節肥、提質增效方面成效顯著。但目前仍然存在著一些問題：（1）普適性作物耦合機制、模型構建研究較為欠缺；（2）由于復種指數高、肥料投入大，導致土壤環境惡化的衍生效應；（3）覆膜墾殖時間長、范圍廣，塑料薄膜降解周期長，加劇土壤貧瘠化；（4）“作物生長-傳感監測-智能決策”物聯網融合水肥一體化技術還需深化研究；（5）技術示范推廣缺乏專業人才、手段落后、農戶主體意識不強。

2.2 展望

2.2.1 加強水肥耦合機理研究

適宜的水分和養分狀況是作物高產優質的基礎，揭示水-肥協同耦合對作物各生育期生長、光合動態、干物質積累，產量及品質作用機理是發掘農業生態環境作物生產潛力的關鍵。同時，水肥耦合機制往往受地域氣象因子、作物特性、土壤屬性等影響，須綜合考量土壤-植物-大氣連續體中水分、營養元素和鹽分吸收運移過程，交互耦合“水、肥、氣、熱、根、鹽及營養元素”，構建具有區域乃至多時空普適性的水肥耦合響應模型。

2.2.2 化肥減施與水溶肥開發

化肥投入強度對生態環境和農業可持續發展具有重要意義。水溶肥分為固態和液態，較傳統單元、二元及復合肥料而言養分純析量更高，從作物對養分吸收特性來說，水溶肥更具有針對性和科學性，依據作物關鍵生育進行動態營養診斷，以減少用量投入和利于作物根系吸收。

2.2.3 可降解生物薄膜研發結合多元覆蓋模式

長期覆膜種植會破壞土壤團聚體結構和通氣狀況，改變土壤微生物群落多樣性，限制根系生長及種子萌芽。可降解生物薄膜是各種添加劑（淀粉、纖維素、聚羥基烷烴酸酯等）的聚合組成，最后通過生物及非生物作用在土壤中降解為水、二氧化碳、甲烷等物質，與傳統地膜在對作物產量、水分生產力、溫度方面具有類似的性能。考慮經濟因素，搭配秸稈多元覆蓋方式，以有效降低塑料薄膜對農田生態環境的污染。

2.2.4 設備研制及智能化管理系統構建

合適地點，合適作物，合適量，合適施用方法是提高水肥利用效率的關鍵。傳感器融合物聯網技術實時、精準快速捕捉土壤墑情、作物生長、氣象變化，及根據作物多年歷史灌溉試驗數據構建專家系統模型，實現對土壤-作物-大氣水肥動態變化的數值模擬、分析預測及智能決策機制。進而提高施肥灌溉系統的精準度和灌溉效率，減少勞動力，提高生產效率。

2.2.5 加大技術推廣投入力度

水肥一體化技術發展和推廣要以依靠國家政策為導向，堅持因地制宜，合理區域布局，深化高校企業科研技術交流示范，強化農技推廣人員隊伍專業能力、科學素養。通過集體培訓、田間入戶、報紙、網絡等渠道加大宣傳推廣力度，切實指導農戶詳細規范操作、設備維護管理，普及水肥一體化技術理念及節水意識。