水肥耦合技術及在西瓜栽培中的應用

王英英， 張恒嘉， 李福強， 王 永， 劉林桃， 陳 濤

（甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

水、肥是作物生長發育的兩大基本要素，兩者相互聯系、相互制約。西瓜果瓤脆嫩、味甜多汁，是我國重要的瓜菜作物，其經濟價值、營養價值相對較高[1]。生產中由于西瓜耗水量大且對水分供應敏感等特點，造成其傳統水分管理生產力低，加之施肥的盲目性，導致水肥資源浪費嚴重，而肥料流失、營養元素失衡使得土壤理化性質改變、水體質量下降，從而產生嚴重的環境問題[2-4]。針對當前西瓜生產中水肥利用效率低、水肥管理技術落后及對環境造成不利影響等問題，研究利用水肥調控理論和技術以尋求最優的灌溉施肥模式，是發展優質高效西瓜產業的關鍵性措施。通過“以肥調水、以水促肥”的方式，合理利用水肥，不僅節約資源和有利于生態保護，還能促進作物生長發育、增產調質[5-6]。

水肥耦合指在農業生態體系中，水分與肥料兩因素之間的交互關系對作物生長產生的影響和肥水利用效率[2]。以水肥耦合為基礎的灌溉技術，即水肥一體化（水肥耦合灌溉技術），能夠實現水、肥協同利用和兼顧水土環境保護、減少污染，達到水肥資源節約和環境保護雙贏。研究表明，多種農作物生產中應用水肥一體化技術效果良好 ，而集成水肥一體化技術可提高西瓜水肥利用效率、產量和品質，降本減工，維護環境，對實現西瓜規模化生產同樣至關重要[7-9]。目前，已有大量關于西瓜水肥耦合效應的研究，但對西瓜灌溉施肥制度優化及水肥耦合機制的系統報道相對較少。本文就水肥耦合的含義、水肥耦合效應的分類及其在西瓜栽培中的應用效果進行了綜述，以期為今后西瓜科學、合理的水肥管理提供理論支撐。

1 概述

1.1 水肥耦合

灌水和施肥是調控作物生長發育的重要途徑，但兩者對其產生的影響并不是孤立的[10-11]。水分可以溶解肥料，促進根系對養分的吸收，但也能使土壤中養分含量降低、流失，而合理施肥可以調整作物營養供給，提高土壤蓄水保墑能力，從而促使作物增產、提高水分利用效率[12]。16 世紀關于水肥的研究就有相關試驗記載，但人們認識的營養物質主要是水分，而肥料的作用17 世紀后才被關注。1911 年MONTGOMERY E G[13]研究土壤肥力對玉米水肥需求的影響成為水肥耦合研究的開端，直至1975 年ARNON I[14]在旱地農業中提出“在水分受限條件下，植物營養的基本問題是如何合理施用肥料提高水分利用效率”，水肥耦合才被真正重視并開展研究。近年來，隨著試驗由單因素逐漸向多因素綜合過渡，水肥耦合效應研究在因素影響植物生長理論方面取得重大進展[15]。

水肥耦合指農業生產過程中，土壤礦物元素和水這兩個體系相互作用、相互影響，所產生的結果稱為水肥耦合效應，其核心在于 “以水促肥、以肥調水”，通過水肥間的協同補償作用對水肥與作物進行一體化管理，以此提高作物生產力和水肥利用效率[16]。研究發現，作物生長過程中水肥耦合效應具體表現為3 種結果，分別是水肥兩個要素或多個要素耦合效應為正向促進作用的協同效應、水肥兩個體系或一個體系中各因素耦合結果為負效應的拮抗效應和水肥要素之間無明顯促進或抑制作用的疊加效應[17-19]。

1.2 水肥耦合灌溉技術

水肥耦合灌溉技術，又稱“水肥一體化”“灌溉施肥”等，是利用節水灌溉設備將水、肥定時、定量、定點按照特定比例，根據作物需水需肥特性，及時輸送至作物根系實現平衡施肥、優化灌溉的一項高效現代農業技術[20]。自我國1974 年從墨西哥引進滴灌設備開始至1980 年自主研發的第1 代滴灌設備生產，隨后逐漸形成了以發展滴灌技術為主的灌溉設備生產模式[21]。目前，滴灌施肥技術已在全國大部分地區推廣應用，同時在很多區域都取得了成功，隨著可持續農業目標的逐步實現，該技術的應用將越趨廣泛[22]。滴灌施肥技術的特點主要有4 個方面。第一，水分、養分可直接輸送至作物根系有助于作物吸收利用，同時節約水肥資源。第二，滴灌施肥可有效發揮水肥的協同作用和激勵機制。第三，按照土壤環境狀況和作物營養需求，滴灌施肥可靈活控制養分種類、數量。第四，滴灌施肥的少量多次施用方式使根系水分、養分空間分布均衡、水肥環境相對穩定[23]。

2 水肥耦合對西瓜生長發育的影響

作物生長過程中各個器官之間相互依存、相互促進[24]。水肥一體化技術條件下，土壤通透性良好、孔隙度增加，作物根系水分狀況、營養狀況都得到改善，從而加強了作物對水肥的同化吸收，作物生長發育良好。馬駿等[25]通過進行不同的有機肥比例與不同灌水定額耦合處理的試驗表明，灌水定額和施肥量對株高產生直接影響，相比開花坐果期、膨瓜期，西瓜幼苗期、伸蔓期的莖粗變化明顯，這與王力[23]的研究結果相一致。該研究還顯示，相比施肥處理，西瓜的株高和莖粗對灌水定額的響應更為顯著，灌水定額大的處理下其株高、莖粗值均大于灌水定額小的處理；在相同灌水定額條件下，60%常規施肥+40%有機?無機水溶肥處理的西瓜株高、莖粗最佳。水肥交互作用存在閾值，適宜的范圍內施肥量越足，根系發育、吸收能力越好，而過高或過低的肥水施用量則效果不明顯[26]。宋修超等[27]的研究顯示，基質栽培條件下，西瓜地上部、地下部生物量和產量在中水、N-P2O5-K2O （20 g-10 g-30 g）處理下達到最高，超過此閾值，若繼續增加水肥用量，則西瓜產量不再增加，甚至開始下降。

3 水肥耦合對西瓜光合生理特征的影響

光合作用是影響植物生長發育和產量效益的重要生理過程[28]。水、肥通過影響葉綠素、酶活性及氣孔開度等多種因素，對植株的光合作用產生影響，進而影響其生物量積累和水分利用效率[29]。歐陽贊[30]對溫室西瓜進行水肥氣熱耦合研究表明，灌溉定額對西瓜凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度以及胞間CO2濃度的影響極顯著，但施肥量對其影響效果則未達顯著水平，這與周振江等[31]對番茄的研究結論類似。適宜的灌溉條件下，西瓜形態指標良好、葉片光合能力提高[32]。盧成等[33]通過田間試驗發現，適當范圍內控制土壤水分和施肥西瓜光合效率有效提高。楊小振等[34]研究表明，西瓜葉片光合特性與不同水肥處理響應顯著，中水中肥處理下西瓜營養生長旺盛，葉片葉綠素含量、凈光合速率和蒸騰速率都較高，有利于更多光合產物積累。

4 水肥耦合對西瓜產量及品質性狀的影響

氮、磷、鉀作為肥料的3 個要素，對西瓜產量、品質有重要作用，但不同生長階段西瓜對氮、磷、鉀的吸收比例不同。適量的氮肥用量不僅促進西瓜生長，使產量、品質也有提高。增施磷肥，西瓜的單株瓜數及單瓜質量均有提高，從而增加產量，但過量施磷會造成西瓜品質下降。西瓜的風味和營養品質與鉀肥用量存在一定程度的相關關系，施鉀量越大西瓜可溶性糖含量越高，但當鉀肥用量達到一定值后其增加趨勢漸緩[35]。合理的水肥配比有助于西瓜營養生長，增加產量、改善品質。研究表明，適度改善作物營養狀況可提高其產量和品質，滴灌施肥條件下西瓜產量、品質變化隨施肥量、灌水量的增加呈“拋物線”態勢[36]。結合水肥一體化技術，按照西瓜需肥特點在其全生育期施肥，當N、P2O5施用量均減少56.25%～68.75%，K2O減少34.37%～53.12%時可提高其開花坐果能力，產量提高10.24%～15.87%，售價增加16.88%～27.45%[37]。

5 結束語

農業生產是一個復雜體系，但就灌水和施肥而言，水分和養分為可控因素，兩者間的協同補償作用是作物得以實現優化灌溉和平衡施肥的基礎。水肥耦合效應是西瓜優質高效生產的有效途徑，對西瓜生長發育、生理特性、產量及品質均有正向促進作用，但受品種、自然環境、土壤特性及栽培模式等因素制約，西瓜不同生育期對水肥耦合的響應存在差異。綜合考慮作物系統生產效益和農田水土環境保護，需進一步探索水肥耦合機理，研究建立以提高肥水利用效率、作物增產調質為核心的水肥耦合灌溉技術體系，合理灌溉，科學施肥，進而建立高效的農田水肥管理信息系統，對穩定提高農業綜合生產力和助力農業可持續發展具有重要現實意義。