吳現(xiàn)兵，白美健，李益農(nóng)，章少輝，史 源

(1. 中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048； 2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001)

水肥一體化的雛形最早可追溯到18世紀(jì)末，英國的烏特沃爾特將植物種植在土壤的提取液中使其生長，之后無土栽培技術(shù)在英國、美國、荷蘭和以色列等國家先后發(fā)展起來。而以節(jié)水、節(jié)肥和水肥高效利用為目的的水肥一體化技術(shù)最早是20世紀(jì)60年由以色列人發(fā)明，之后在以色列快速普及和發(fā)展。自20世紀(jì)70年我國開始試驗(yàn)并發(fā)展和普及水肥一體化技術(shù)，目前已在多種糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、果樹和花卉等作物中應(yīng)用[1]。

水肥一體化也稱水肥耦合，即將肥溶解于灌溉水中通過一定的工程技術(shù)措施隨水一起進(jìn)入田間的作物根區(qū)供作物快速、高效利用，以達(dá)到節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)、增質(zhì)、省工、省時(shí)、減污等目的。然而，并非水肥耦合一定就可達(dá)此目的，水肥耦合對(duì)作物的效應(yīng)可能產(chǎn)生三種現(xiàn)象，即協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)和拮抗效應(yīng)。疊加效應(yīng)是水、肥各自獨(dú)立的對(duì)作物產(chǎn)生作用，拮抗效應(yīng)是水肥相互制約、互相抵消，其結(jié)果可能對(duì)作物產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，協(xié)同效應(yīng)是水、肥協(xié)同配合、相互促進(jìn)來影響作物的生長已達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的。由此可見，在作物的生長發(fā)育期內(nèi)如何最大限度地發(fā)揮水肥的協(xié)同效應(yīng)，是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者需要深入分析和研究的主要問題。

蔬菜作為人們生活的必需品，其種植規(guī)模在逐年擴(kuò)大，由于人們普遍認(rèn)為蔬菜只有“大水大肥”才能高產(chǎn)的錯(cuò)誤觀念，過量水肥導(dǎo)致土壤微環(huán)境逐漸惡化，使得蔬菜出現(xiàn)減產(chǎn)、降質(zhì)、病蟲害頻發(fā)等一系列問題。要解決這些問題必須因地制宜對(duì)蔬菜的需水、需肥規(guī)律和水肥因素之間的耦合機(jī)理進(jìn)行深入研究，以正確充分發(fā)揮水肥之間的協(xié)同效應(yīng)，達(dá)到保證蔬菜增產(chǎn)增質(zhì)的同時(shí)提高水肥高效利用，減輕農(nóng)業(yè)污染，使農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和諧可持續(xù)發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 蔬菜水肥一體化研究進(jìn)展分析

蔬菜不同于小麥、玉米等糧食作物，蔬菜生育期內(nèi)對(duì)水分、養(yǎng)分、光和溫度等感應(yīng)極為敏感，不適宜的水分和養(yǎng)分供應(yīng)、過多或過少的日輻射量、過高或過低的環(huán)境溫濕度等都可能加劇蔬菜病蟲害的發(fā)生幾率和出現(xiàn)減產(chǎn)、降質(zhì)等一系列問題。為了攻克這一系列難題，園藝學(xué)、土壤學(xué)、作物營養(yǎng)學(xué)、農(nóng)業(yè)水土工程等相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)者近幾十年開展了大量的研究工作，在中國知網(wǎng)檢索統(tǒng)計(jì)蔬菜、小麥、玉米、棉花、馬鈴薯、大豆、花生、蘋果、葡萄、梨、桃和柑橘等作物有關(guān)水肥一體化的期刊文章共1 154 篇(截止2018年3月)，其中有關(guān)蔬菜的期刊文章407篇；碩博論文共310篇，其中有關(guān)蔬菜的共81篇，分別占總數(shù)的35.27%和26.13%，各作物的具體占比如圖1所示。檢索番茄、黃瓜等常見的11種蔬菜有關(guān)水肥一體化的期刊文章和碩博論文占比情況如圖2所示，可見在蔬菜的研究文獻(xiàn)中，番茄占比最大，以番茄為例對(duì)公開發(fā)表的40篇碩博論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，87.5%的論文中研究了水肥一體化對(duì)番茄產(chǎn)量和其生長指標(biāo)的影響，80%的論文中研究了水肥一體化對(duì)番茄品質(zhì)的影響，5%的論文中對(duì)不同灌水施肥方式進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)論文的發(fā)表日期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖3所示，自2003開始，有關(guān)水肥一體化方面的研究成果逐年總體呈增長趨勢(shì)，尤其是2012年之后論文的發(fā)表數(shù)量明顯增多，而且研究內(nèi)容從單純的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較向水肥對(duì)作物的作用機(jī)理方面深入，從水肥一體化對(duì)蔬菜生長發(fā)育影響向蔬菜耗水規(guī)律、最優(yōu)水肥管理模式等方面發(fā)展。

圖1 期刊和碩博論文研究的主要作物類型篇數(shù)分布

圖2 期刊和碩博論文研究的主要蔬菜類型篇數(shù)分布

圖3 番茄水肥一體研究成果數(shù)量統(tǒng)計(jì)

1.2 水肥一體化對(duì)蔬菜生長、產(chǎn)量和品質(zhì)影響研究進(jìn)展

在影響作物生長的諸多因素中，水、肥是其中人為易控的關(guān)鍵兩因素，Harmnato等[2]通過進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在番茄生育期內(nèi)不論是水分虧缺還是過飽和都會(huì)對(duì)其株高、莖粗、葉面積等生長指標(biāo)和產(chǎn)量造成影響。肖自添[3]在溫室內(nèi)研究了基質(zhì)栽培條件下，水氮協(xié)同對(duì)番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，并利用回歸方程分析了水分與氮素施用量對(duì)產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明水肥交互存在閾值，只有適當(dāng)?shù)乃逝浔炔艜?huì)使得作物增產(chǎn)明顯，同樣水、肥用量過高或過低也會(huì)影響番茄品質(zhì)，主要表現(xiàn)在糖酸比指標(biāo)的浮動(dòng)較大。邱淵等[4]通過盆栽試驗(yàn)并利用回歸方程分別分析了不同灌水量和N、P、K用量對(duì)番茄產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灌水量、施氮量和施鉀量對(duì)番茄產(chǎn)量存在閾值上限，施磷量對(duì)番茄產(chǎn)量存在閾值下限，并提出使番茄經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高的最佳灌水和N、P、K施用量。袁宇霞等[5]在設(shè)施栽培滴灌施肥條件下研究發(fā)現(xiàn)，灌水下限和施肥量對(duì)番茄株高、葉面積、干物質(zhì)累積、產(chǎn)量等的影響均存在閾值，而且在不同灌水下限和施肥量條件下番茄產(chǎn)量與干物質(zhì)量、番茄產(chǎn)量與葉片的凈光合速率均呈顯著線性相關(guān)。

有關(guān)不同灌溉施肥方式下水肥一體化對(duì)蔬菜的生長與產(chǎn)量的影響方面，Hebbar等[6]人對(duì)滴灌施肥和溝灌施肥進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滴灌水肥一體化比溝灌水肥一體化在番茄干物質(zhì)累積、LAI和產(chǎn)量方面分別高出29.74%、64.0%、20.84%。王欣[7]在日光溫室中采用滴灌和溝灌施肥兩種水肥一體化模式對(duì)比試驗(yàn)也得出類似的結(jié)論，滴灌水肥一體化模式下番茄產(chǎn)量、株高、莖粗、LAI、地上部分干物質(zhì)量、水分利用效率均顯著高于溝灌施肥，其中，產(chǎn)量高出溝灌15%～31.2%，水分利用效率高出溝灌90%以上。也有學(xué)者以蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)為因變量研究水肥一體化對(duì)其影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在閾值范圍內(nèi)蔬菜產(chǎn)量隨著水肥用量的增加而增加，但蔬菜中的硝酸鹽含量、可溶性蛋白、可滴定酸含量與肥料用量呈顯著正效應(yīng)、與灌水量則呈顯著負(fù)效應(yīng)，而Vc、還原糖、可溶性糖則隨著灌水量的增加呈現(xiàn)“稀釋效應(yīng)”[8, 9]。

1.3 水肥一體化對(duì)蔬菜養(yǎng)分、水分利用率影響研究進(jìn)展

1.4 水肥一體化對(duì)蔬菜產(chǎn)量影響模擬研究進(jìn)展

虞娜等[14]以產(chǎn)量為因變量，灌水量、N和K用量為自變量，建立數(shù)學(xué)回歸模型對(duì)番茄的模擬研究表明，灌水下限對(duì)番茄產(chǎn)量的影響顯著程度大于施N量、施K量影響最小，并且得出在灌水下限為85%θf、N肥用量為327.13～352.01 kg N/hm2、K肥用量為295.69～330.17 kg K2O/hm2時(shí)，番茄產(chǎn)量最高可達(dá)104.70～105.55 t/hm2。而陳修斌等[15]建立數(shù)學(xué)回歸模型對(duì)西葫蘆的模擬研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)西葫蘆產(chǎn)量影響最顯著的為施N量，其次為灌水量，施K量影響最小(這與虞娜等人研究結(jié)果一致)，并且當(dāng)西葫蘆在生育期內(nèi)灌水量為2 815.5 m3/hm2，N、K用量分別為583.1、265.4 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量最高可達(dá)88.58 t/hm2。陳碧華等[16]以產(chǎn)量為因變量，灌水定額和施肥定額為自變量，建立數(shù)學(xué)回歸模型研究發(fā)現(xiàn)，灌水定額和施肥定額2因素與產(chǎn)量之間存在極顯著的回歸關(guān)系，然后通過對(duì)各項(xiàng)回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，去除不顯著項(xiàng)后重新建立了優(yōu)化的回歸方程，并以此方程模擬得出番茄的灌水定額為2 710.95 m3/hm2、施肥定額為264.6 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量可達(dá)到最高為116.25 t/hm2。

2 研究展望

2.1 擴(kuò)大蔬菜水肥一體化的研究地域

水肥一體化大多配以滴灌等高效節(jié)水灌溉措施，該技術(shù)的應(yīng)用具有明顯的節(jié)水作用，而我國水資源時(shí)空分布極不均勻，對(duì)于干旱及半干旱區(qū)對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水措施進(jìn)行研究推廣和普及更具實(shí)際意義，以番茄水肥耦合研究為例，截至目前從中國知網(wǎng)可檢索到碩/博文共計(jì)40篇，文獻(xiàn)試驗(yàn)研究地域統(tǒng)計(jì)如圖4所示，極度缺水的陜甘寧地區(qū)最多，占總量的50%；其次是華北地區(qū)占總量的22.5%，而水資源較為豐富的華中、華南等地區(qū)極少。

圖4 有關(guān)番茄水肥耦合碩博文研究地域統(tǒng)計(jì)

由已有研究文獻(xiàn)可知，蔬菜對(duì)水肥吸收利用存在閾值，水肥虧缺或過量都不利于作物的生長，且產(chǎn)量和品質(zhì)會(huì)降低，而且水肥一體化正確發(fā)揮水肥的協(xié)同作用，既可以顯著對(duì)蔬菜增產(chǎn)、提質(zhì)，又能減輕農(nóng)業(yè)面源污染、改善生態(tài)環(huán)境。因此，應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大在水資源豐富地區(qū)蔬菜水肥一體化的研究和推廣。

2.2 建立模擬蔬菜生長發(fā)育過程及產(chǎn)量預(yù)測(cè)的機(jī)理型模型

目前就水肥一體化條件下蔬菜生長模擬模型大多是以產(chǎn)量為因變量，灌水量和施肥量為自變量建立的數(shù)學(xué)回歸模型，這些模型為純數(shù)學(xué)模型，其優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確地計(jì)量各因素之間的相關(guān)程度和回歸擬合程度的高低、除因變量和自變量外模擬結(jié)果不受其他因素或參數(shù)的影響，模型建立方便、簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是模型通用性差，缺乏機(jī)理性研究，只能單純反映設(shè)定的因變量和自變量之間的關(guān)系，不能反映對(duì)其他參數(shù)或指標(biāo)的影響?，F(xiàn)有的機(jī)理型模型如WOFOST、AquaCrop、EPIC、APSIM等，包含氣象、土壤、作物生長、田間管理等多種模塊，融合了氣象學(xué)、植物生理學(xué)、作物栽培學(xué)、土壤學(xué)、農(nóng)業(yè)工程等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，這些模型基本能夠較詳細(xì)的定量描述作物的生理生態(tài)過程，能比較精確的描述光照、溫度、水分、養(yǎng)分等要素對(duì)作物生長發(fā)育的影響，但就國內(nèi)外已有文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大多用來模擬小麥、玉米、水稻、豆類等[17-21]作物，極少見有對(duì)蔬菜的生長發(fā)育過程和產(chǎn)量預(yù)測(cè)等的報(bào)道，因此，應(yīng)建立可精確定量描述各種蔬菜的生理生態(tài)過程的機(jī)理型模型用以指導(dǎo)蔬菜高效生產(chǎn)。

2.3 蔬菜水肥一體化條件下需水、需肥規(guī)律研究

目前對(duì)蔬菜作物需/耗水規(guī)律的研究已有較多報(bào)道[22-26]，這些研究大多是采用某種節(jié)水灌溉技術(shù)，設(shè)定不同的灌水下限研究蔬菜在生育期內(nèi)的需/耗水規(guī)律。只考慮灌水量單因素的蔬菜需/耗水規(guī)律與水肥一體化條件下的蔬菜需/耗水規(guī)律存在一定差異，因?yàn)樗蕝f(xié)同可增大LAI、提高水分利用效率，影響葉片的氣孔導(dǎo)度，影響光合、呼吸、蒸騰等作用，從而對(duì)蔬菜的需/耗水規(guī)律產(chǎn)生一定影響，另外，水肥協(xié)同條件下，考慮“以肥調(diào)水、以水促肥”效應(yīng)，蔬菜對(duì)N、P、K等養(yǎng)分的需求量與常規(guī)施肥相比在各生育階段存在明顯不同。因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究蔬菜水肥一體化條件下需水、需肥規(guī)律，并建立計(jì)算模型對(duì)蔬菜的需水、需肥量進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)，這對(duì)“適時(shí)、適地、適量”精準(zhǔn)灌溉施肥意義重大。

2.4 深入研究區(qū)域蔬菜種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題

蔬菜不同于大田糧食作物，具有種植時(shí)間隨機(jī)性大、生育期較短、一年多茬、產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益明顯、種植面積逐年增大等特點(diǎn)?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益，使得一個(gè)地區(qū)某一時(shí)期種植蔬菜種類和品種隨機(jī)性很大，頻繁出現(xiàn)某一蔬菜品種連作情況，使得蔬菜的產(chǎn)量、品質(zhì)明顯下降。為此應(yīng)深入研究不同區(qū)域不同時(shí)期不同蔬菜種類對(duì)土壤環(huán)境的適應(yīng)性問題，分析水肥一體化條件下農(nóng)田土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)時(shí)空變異特性及規(guī)律，結(jié)合環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、蔬菜生長習(xí)性等，建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬對(duì)區(qū)域蔬菜作物的種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，“3S”、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)等技術(shù)已應(yīng)用到許多領(lǐng)域，并取得了大量有價(jià)值的成果。對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可將其與作物種類、水肥因子、土壤特性、氣象條件、管理措施等有機(jī)結(jié)合起來，建立水肥高效利用管理信息平臺(tái)，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)和精量灌水施肥，以此來指導(dǎo)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，將會(huì)大大促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效方向發(fā)展。

3 結(jié) 語

水肥供應(yīng)時(shí)機(jī)和供應(yīng)量對(duì)蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生較大的影響，為了尋求不同蔬菜的需水需肥規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并取得了豐碩的成果。本文在對(duì)已有研究分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)存在的問題提出了今后我國蔬菜水肥一體化研究應(yīng)向哪些方向發(fā)展的一些建議，以期為水肥一體化技術(shù)進(jìn)一步在蔬菜生產(chǎn)中深入研究提供理論支持，并在蔬菜增產(chǎn)增質(zhì)、區(qū)域節(jié)水節(jié)肥等方面也具有重要意義。