干旱區馬鈴薯膜下滴灌水肥一體化技術探討

董 昕

（水城區水土保持站，貴州 六盤水 553600）

馬鈴薯營養價值高、產量大，適應能力強，在我國年均種植面積超過467×104hm2。馬鈴薯作為人們飲食結構的重要組成部分，與農業經濟發展有著密切聯系，探索其水肥需求規律，進一步改善馬鈴薯耕層土壤環境，是實現馬鈴薯高產優質的有效途徑。水分和養分是馬鈴薯生長過程中極為重要的兩大因素，掌握其需求規律及二者耦合機制有利于馬鈴薯高效栽培，從而提高經濟產量。我國北方地區鹽堿地資源廣泛分布但水資源明顯不足，因水資源短缺而造成的土壤貧瘠及農田次生鹽漬化問題對農作物產量影響巨大。同時，部分區域因無序開墾土地、采用大水漫灌及尚未實現精準施肥等高耗低效的水肥投入方式，導致水土資源嚴重浪費、土地生產能力持續下降及土壤生態環境惡化等問題，制約著當地農業生態環境的發展。膜下滴灌水肥一體化技術是在覆膜條件下，利用可控灌溉管道系統，根據土壤水分、養分含量和作物需水需肥規律，將水肥溶液通過滴灌帶均勻、定時、定量、定點地灌入作物根部，滿足作物生長發育的同時，實現水肥藥同步管理的高效農田節水技術。與其他灌溉類型相比，膜下滴灌在調節農田土壤水熱、改善耕層土壤水肥、阻止土壤返鹽以及提高土壤可持續生產能力方面均有一定程度的優勢[1]。研究表明，覆膜滴灌整個生育期耗水強度更是明顯降低，而作物產量提高23%～30%，節水37%～45%，節肥超過30%[2]。因此，研究馬鈴薯水肥一體化技術，既可節水省肥、減蒸抑鹽、保溫保墑，又可為馬鈴薯種植提供良好的耕層生長環境，提高馬鈴薯生產綜合效益，對農業可持續發展具有重要意義。

1 膜下滴灌水肥一體化技術研究概況

1.1 國外膜下滴灌水肥一體化研究

為克服以色列水資源緊缺難題，20 世紀60 年代以色列學者開發出首個滴灌水肥一體化設備，將水肥混合溶液直接輸送到作物根部，實現了農業灌溉施肥技術的一大突破。20世紀70 年代后，在美國、澳大利亞、墨西哥、南非等國家灌溉技術大面積推廣應用，滴灌水肥一體化技術也日臻成熟。如美國水土資源充沛，有效灌溉區域不足中國灌溉總區域的50%，但滴灌區占有效灌溉面積的62.4%，有效提高了水土資源利用效率。

1.2 國內膜下滴灌水肥一體化研究

我國自1974 年前后從墨西哥引入滴灌技術設備，開始了滴灌試驗研究并建立示范區，主要應用于蔬菜、果樹等作物。至1985 年我國滴灌面積已經達到1.5×104hm2，且90%以上的滴灌區域分布在遼寧省果樹灌溉區。20 世紀90 年代中后期，許多專家學者應用膜下滴灌技術在新疆鹽堿地大面積種植棉花并取得成功，促進了我國大田膜下滴灌體系的發展。進入21 世紀后，隨著我國膜下滴灌技術的日漸成熟，科研工作者對其節水節肥、保溫抑鹽、增產機理以及水肥耦合效應等方面進行了深入研究。如鄧忠等通過棉花膜下滴灌水氮調控試驗研究發現，當灌水量390 mm、施氮量300 kg/hm2時，棉花干物質積累量最高，表明水氮耦合效應顯著促進棉花干物質積累[3]。在寧夏自治區對馬鈴薯進行試驗研究發現，小量多次灌，施氮量為180 kg/hm2模式下，馬鈴薯的產量、商品薯率和淀粉含量均最高[4]。滴灌水肥一體化條件下，水分可加速肥料的溶解，適時適量的灌水施肥可以促進作物高效吸收水分和養分。應用滴灌技術的地區和作物也從新疆棉花擴展到我國整個干旱半干旱地區的玉米、番茄、洋蔥等作物，促進了我國滴灌水肥一體化技術的全面發展。

2 膜下滴灌馬鈴薯水肥耦合效應研究概況

2.1 馬鈴薯水肥一體化關鍵技術研究

馬鈴薯膜下滴灌水肥一體化技術關鍵在于適時適量將水肥精準投入到作物根部，減少深層滲漏，加之覆膜可以提高耕層土壤溫度，降低馬鈴薯生育期內耗水量，提高抗旱性，從而提高水分利用效率，增加干物質積累以提高馬鈴薯產量。此外，適宜的肥料投入有助于提高馬鈴薯對土壤儲水和養分的轉化利用，進而減少水肥的投入，制造更多養分不斷向塊莖輸送，提高產量的同時達到保護環境的目的。

2.2 需水需肥規律研究

研究表明，不同生長階段的馬鈴薯需水、需肥具有一定差異性，馬鈴薯全生育期耗水量呈先增后減趨勢，生長前期（苗期）土壤水分下限最佳指標為65%，中期（塊莖形成期、塊莖增長期）為75%～80%、后期（淀粉積累期）為60%～65%[5]。此外，馬鈴薯是喜肥作物，其產量的高低與土壤養分也有很大關系，土壤養分不足，產量水平低，施肥過量或時期不當也會造成減產。梁玲玲等[6]通過馬鈴薯減肥增效田間試驗研究表明，相比習慣施肥（51%復合肥1 500 kg/hm2），推薦施肥（40%專用肥1 500 kg/hm2）處理氮肥總施用量減少20%，馬鈴薯產量和氮肥利用率均增加14%。商美新等[7]認為在適宜水分處理下，施氮量150～225 kg/hm2時馬鈴薯增產最為顯著，繼續增加氮肥投入達到300 kg/hm2，產量不僅沒有增加反而略有下降。

2.3 水肥耦合效應研究

水肥交互耦合是促進作物生長發育的有效措施，對作物產量、品質性狀及水肥利用效率均有顯著協同作用。研究表明，干旱區馬鈴薯在灌水和氮素的交互作用下，總產量、單薯質量和商品薯率均有顯著提高，全生育期總灌水量345 mm，灌溉頻率8次，施肥量為常用施氮量的70%（氮肥236 kg/hm2、磷肥236 kg/hm2、鉀肥193 kg/hm2），馬鈴薯產量最高，商品薯率平均達到89.4%[8]。杜常亮等[9]通過陜北溫室馬鈴薯產量對水肥耦合效應的響應模擬研究，確定了馬鈴薯最佳的灌溉和施肥調度，在田間持水量的60%、常規施肥量的75%時增產效果明顯且品質較高，為優化溫室馬鈴薯產量和水肥生產率的最佳模式。為探明滴灌馬鈴薯水肥最優管理模式，獲得更高的經濟效益，郭濤等[10]通過對比試驗研究發現，滴灌施肥條件下，水肥耦合效應相比單獨灌水或施肥對馬鈴薯的產量更高。總的來說，根據灌水量以及馬鈴薯品種來調整肥料施用量以滿足作物需求，不僅提高了水肥利用效率和馬鈴薯產量，還降低了農業投入量。

3 膜下滴灌馬鈴薯對農田土壤環境的影響

3.1 土壤水熱傳輸特性研究

農田土壤水熱狀況是影響作物光合作用、基礎代謝、農田小氣候形成及其變化機制的重要因素。因此，研究膜下滴灌農田土壤水熱傳輸特性，有助于認知農田現狀并預測未來變化趨勢，是分析和評估農田生態系統生產能力和潛力的重要前提。張永強等[11]采用波文比-能量平衡法與渦度相關技術綜合研究農田水、熱與CO2通量，精度穩定地揭示了水、熱傳輸的長期變化過程。毛曉敏等[12]對葉爾羌灌區農田作物水熱狀況進行模擬研究，建立了土壤水熱遷移數學模型，模擬得到土壤貯水量、地表溫濕度的變化過程。李夢露[13]為了探討膜下滴灌提高馬鈴薯產量的機理，研究發現馬鈴薯膜下滴灌與無覆膜無滴灌相比提高土壤含水率近20%，產量提高近1.09 倍，土壤溫度提高9%。此外，利用HYDRUS-2D 模型模擬不同灌水量下農田土壤水熱傳輸特性，張友良[14]研究表明，覆膜隔絕了土壤與外界的水分交換，改變了農田系統水熱平衡各分項的日內變化，在日尺度上明顯降低了潛熱通量，減弱了土壤與外界的顯熱通量，使夜間土壤溫度下降緩慢，表明覆膜滴灌結合顯著改變了近地面溫、濕度及土壤理化性狀，促進馬鈴薯生長發育和最終產量的形成。

3.2 土壤水鹽運移規律研究

近年來國內外研究發現，與傳統的漫灌、畦灌等技術相比，膜下滴灌技術以水滴形式將水分均勻、緩慢輸送至作物根部，帶動表層鹽分向深層遷移，作物根系則被限制在滴頭附近的淡鹽區，為作物生長提供良好的水土環境，對生產率、產投比有著關鍵性作用。與天然降水相比，膜下滴灌能有效減輕土壤鹽漬化現象，且滴灌過程中蒸發損耗低，還可促進土壤肥料的運移，而天然降水由于土壤水分水平運動距離和范圍越廣，鹽分積累也越多，土壤鹽漬化現象較為嚴重。同一灌水水平下，不同滴灌頻次對土壤水鹽運移也有顯著影響，具體表現為：滴灌頻率低，鹽分淋洗深度淺，鹽分聚集在表層，當增加滴灌頻次時，土壤蒸發減弱，鹽分向上遷移程度降低，所以作物根區始終鹽分含量少[15]。也有研究表明，在輕度水鹽脅迫下，作物水肥耦合效應可以緩解作物在鹽堿地受到的鹽分脅迫，但水肥耦合效應隨著土壤鹽漬化程度的增加而減弱[16]。這是因為輕度鹽分脅迫使作物根系產生生理抗逆，促進作物根系對土壤中水分和養分的攝取。此外，增加灌水頻率也可以有效降低土壤表層鹽分，促進作物高效增產[17]。

4 問題與對策

4.1 存在的問題

馬鈴薯膜下滴灌水肥一體化技術在實際推廣過程中，仍存在一些問題：①滴灌管道長時間暴露于外部環境中，容易受到日照、雨水等影響出現老化、部件損壞等問題；②地膜覆蓋面積增加導致殘膜在土壤中大量積累，破壞了土壤環境，對農田生態系統造成嚴重影響；③水肥管理缺乏科學性，配套農藝措施、相關設備產品及操作標準不緊密，農民無法確定合理的水肥調配比例，導致滴灌過度或滴灌不足，嚴重影響了膜下滴灌效益。

4.2 解決措施

一是在農村地區推廣膜下滴灌技術的正確操作方式，加大對運行管理人員的培訓力度，督促在運行管理階段維修養護，及時更換損壞、銹蝕部件；二是加強對更經濟實用滴灌產品的研究，如一次性使用滴灌帶；三是推廣使用可降解地膜，是防治地膜污染的有效途徑。可降解地膜與普通塑料薄膜增溫保墑和除草效果一致，但能顯著降低農田地膜殘留量，對農田生態系統破壞小；四是以農業生產需求和農民實際需求為依據,因地制宜研發實用型滴灌設備，建立與推廣實用輕簡化、適應區域性的水肥一體化綜合管理制度，提高灌溉施肥精度。

5 結語

在現有單項技術基礎上，進一步研究土壤水、肥、氣、熱及鹽綜合效應，因地制宜地研發低成本膜下滴灌水肥一體化精準灌溉設備、大型植保機械等智能化技術，加強對關鍵技術的理論研究，同時注意培養農民節水意識和加強用水管理制度,是馬鈴薯膜下滴灌水肥一體化技術在未來一段時間內穩定高效推進的主要方向。