聞丹 牛最榮 于守超 張恒嘉

摘 要： 水資源短缺和肥料利用率低是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的突出問題。水肥一體化灌溉是將灌溉與施肥融為一體的灌溉模式，可根據(jù)作物不同生育時期需水需肥規(guī)律，將水分和養(yǎng)分定時定量按比例精準提供到作物根部。綜述了國內(nèi)外水肥一體化灌溉及相關(guān)技術(shù)研究進展、西瓜全生育期水肥需求規(guī)律和水肥一體化灌溉模式對西瓜生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，分析了水肥一體化灌溉面臨的問題并提出相關(guān)解決方案。深入研究水肥一體化灌溉理論、優(yōu)化灌溉設(shè)備和改變傳統(tǒng)灌溉施肥方式，可為指導(dǎo)西瓜節(jié)水、節(jié)肥、優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水肥一體化；西瓜；水肥規(guī)律；生長發(fā)育；產(chǎn)量；品質(zhì)

中圖分類號：S275文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）08-0081-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.014

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)快速發(fā)展及人們生活水平日益提高，水資源需求量不斷增加。目前農(nóng)業(yè)是全球最大的用水戶，占全球總用水量的87%，用于灌溉的淡水約占60%[1]。我國作為農(nóng)業(yè)大國，一些農(nóng)民缺乏科學灌溉、精準施肥意識，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大水大肥問題突出。傳統(tǒng)的灌溉施肥模式不但會產(chǎn)生報酬遞減現(xiàn)象，而且剩余肥料造成深層滲漏，污染水資源，因此有效解決農(nóng)業(yè)用水用肥問題尤為重要。農(nóng)業(yè)灌溉方式在實踐中不斷發(fā)展，從大水漫灌到微灌、噴灌等新興灌溉技術(shù)。大水漫灌水資源利用率低，產(chǎn)量低，土壤鹽漬化問題嚴重；普通微灌、噴灌技術(shù)雖然在一定程度上提高了水資源利用率，但仍存在許多問題。傳統(tǒng)的施肥方式化肥施用量大，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)波動較大，農(nóng)業(yè)面源污染頻發(fā)[2-3]。因此，水肥一體化灌溉模式應(yīng)運而生，此灌溉方式根據(jù)作物生長規(guī)律，定時、定量、按比例精準灌溉施肥，從而達到省水、省肥、高效的目的?，F(xiàn)在許多學者針對芒果、棉花、紫花苜蓿等作物開展水肥一體化研究[4-8]。

西瓜富含碳水化合物和各種維生素，口感好，經(jīng)濟價值高，是我國的重要瓜菜作物，種植面積大，但過量灌水和施肥導(dǎo)致西瓜品質(zhì)下降和土壤環(huán)境惡化等問題突出，科學合理的灌溉模式不但可以調(diào)質(zhì)增產(chǎn)，還可以減少成本投入[9]。目前雖然已有大量的水肥一體化灌溉研究理論，但關(guān)于西瓜水肥一體化灌溉的系統(tǒng)研究較少。本研究針對國內(nèi)外水肥一體化灌溉研究進展、水肥一體化灌溉技術(shù)、西瓜需水需肥規(guī)律及水肥一體化灌溉技術(shù)對西瓜生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響進行了概括總結(jié)。

1 水肥一體化灌溉研究進展

1.1 國外水肥一體化灌溉技術(shù)現(xiàn)狀

國外水肥一體化灌溉發(fā)展迅速，水平較高。20 世紀80 年代，美國開始運用水肥灌溉技術(shù)，發(fā)展速度較快，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，60% 的馬鈴薯、33% 的果樹和25% 的玉米均使用水肥一體化灌溉[10]。隨著自動化程度不斷提高，美國依據(jù)自動控制系統(tǒng)智能分析水肥控制中心溶解性肥料分布規(guī)律和系統(tǒng)壓力特征，制定科學的水肥灌溉制度，進一步提高了水分和肥料利用率[11]。

20 世紀50 年代，以色列開始用微灌技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)漫灌方式，隨著灌溉系統(tǒng)不斷完善，現(xiàn)在水資源利用率高達98%，位居世界首位，水肥一體化灌溉應(yīng)用率超過90%[12-13]。滴灌技術(shù)廣泛使用，有效改良土壤鹽漬化，增加土地使用面積，耕地面積由16.5 萬hm2 增加至43 萬hm2，農(nóng)業(yè)灌溉面積由3 萬hm2 擴大到22.5萬hm2[14]。

20 世紀50 年代，荷蘭開始研發(fā)肥料混合罐，隨著技術(shù)不斷進步，現(xiàn)在荷蘭水肥一體化灌溉設(shè)備研發(fā)已相對成熟，通過使用封閉式水肥一體化自動灌溉系統(tǒng)，可使水肥利用效率提高至90% 以上[15]。除上述國家外，印度、法國、意大利、日本和南非等國家水肥一體化灌溉技術(shù)發(fā)展速度也較快。

1.2 國內(nèi)水肥一體化灌溉技術(shù)現(xiàn)狀

我國水資源面臨污染嚴重、供需矛盾突出、利用方式粗放等問題。嚴峻的用水形勢推動我國節(jié)水灌溉技術(shù)進一步發(fā)展。目前我國節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展成效顯著，農(nóng)業(yè)用水比例和占全國總用水量比例“雙下降”，農(nóng)業(yè)用水效率和效益“雙提升”。節(jié)水灌溉在提高我國灌溉保證率和促進糧食總產(chǎn)量穩(wěn)步增長方面做出了卓越貢獻。

我國水肥一體化灌溉技術(shù)已經(jīng)由初期單一作物小范圍試點發(fā)展到現(xiàn)在分區(qū)域、規(guī)?；茝V[16]。目前廣泛應(yīng)用于棉花、玉米、馬鈴薯、設(shè)施蔬菜、果樹和花卉等作物，使用地區(qū)也已經(jīng)覆蓋了東北、西北、華北和南方的大部分地區(qū)。雖然我國水肥一體化灌溉技術(shù)已經(jīng)有了較大進步，但相較于世界上發(fā)展較為成熟的國家還存在一定差距。

2 水肥一體化灌溉技術(shù)

2.1 水肥耦合效應(yīng)模型

數(shù)學模型針對具體問題運用科學的方法進行數(shù)量分析計算，在減少試驗次數(shù)的同時可以運用其強大的科學預(yù)測功能較為系統(tǒng)、全面地獲得試驗趨勢，廣泛應(yīng)用于社會、經(jīng)濟和科學等領(lǐng)域。水肥一體化技術(shù)是以水肥耦合為基礎(chǔ)的灌溉技術(shù)，構(gòu)建水肥耦合效應(yīng)模型可以揭示土壤植物大氣連續(xù)體系統(tǒng)內(nèi)各個變量間的數(shù)學表達式，通過相關(guān)算法尋求模型最優(yōu)解，從而確定水分和肥料利用率的最佳組合[17-18]。馬波等[19] 采用3 因素5 水平二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法，對壓砂地西瓜水肥耦合產(chǎn)量效應(yīng)進行研究，數(shù)學模型模擬后得到不同目標產(chǎn)量的灌水、油渣、復(fù)合肥最優(yōu)組合；主因素效應(yīng)分析結(jié)果表明，灌水量、施油渣量和施復(fù)合肥量3 個因素對增產(chǎn)效應(yīng)影響依次為灌水量>施油渣量>施復(fù)合肥量。郭松等[20] 建立大棚西瓜產(chǎn)量數(shù)學模型，通過氮肥和鉀肥配施提高補灌水利用率，使作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)；對氮肥、鉀肥和水進行單因素效應(yīng)分析表明，3 個因素對增產(chǎn)效應(yīng)影響為鉀肥>水>氮肥。

2.2 水肥一體化灌溉技術(shù)優(yōu)點

伴隨著滴灌技術(shù)發(fā)展，水肥一體化灌溉也逐漸興起，其主要應(yīng)用于干旱和半干旱地區(qū)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水肥一體化灌溉技術(shù)具有4 方面優(yōu)點。一是提高水肥利用效率。將水分和肥料均勻輸送到作物根部減少揮發(fā)和流失，此外通過減少灌水量，增加灌水次數(shù)實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥目的。二是改善微生態(tài)環(huán)境。水肥一體化灌溉技術(shù)可以降低設(shè)施作物空氣濕度、保持空氣溫度，從而增強土壤微生物活性，促進作物養(yǎng)分吸收。三是改善土壤物理性質(zhì)。與傳統(tǒng)大水漫灌相比，水肥一體化灌溉技術(shù)可以減少水流重力、沖擊力和頻繁田間作業(yè)等對土壤板結(jié)、土壤容重和孔隙度的影響。四是高度自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以減少人工投入，提高勞動效率，具有較好的發(fā)展前景[15]。

3 西瓜需水需肥規(guī)律

作物在不同生長階段所需營養(yǎng)元素不同，因此應(yīng)依據(jù)作物各生育期需水需肥規(guī)律科學合理地灌溉施肥。西瓜整個生育期內(nèi)耗水量大，平均每吸收700 g 水才能形成1 g 干物質(zhì)；單株西瓜從幼苗期到成熟期總耗水量約200 L。LI Hao 等[21] 通過試驗確定了西瓜幼苗期、開花期、膨大期和成熟期所需水分占總灌溉量的比例依次為10%、15%、65% 和10%。王強等[22] 通過研究西瓜不同生長發(fā)育階段的需水特性發(fā)現(xiàn)，西瓜整個生育期需水規(guī)律呈雙峰曲線，幼苗期到伸蔓期瓜蔓迅速伸長，需水量達到第1 個峰值，伸蔓期到開花坐果期需水量開始減少，開花坐果期到膨大期迅速吸收水分促進果實膨大，需水量達到第2 個峰值，此后至成熟期由于輻射值和葉面積下降，需水量再次下降。趙相宇等[23] 研究不同育苗方式和品種對西瓜需水規(guī)律的影響發(fā)現(xiàn)，各生育階段的耗水量隨著育苗方式和品種的不同而不同；嫁接苗在開花坐果期日耗水量是自根苗的2 倍左右。寶哲等[24] 試驗發(fā)現(xiàn)，溫室滴灌條件下小型西瓜不同灌水下限對全生育期耗水強度和總耗水量影響顯著。

氮、磷、鉀是植物生長所需的主要營養(yǎng)元素。氮肥是植物生長發(fā)育的關(guān)鍵性元素，是植物所含蛋白質(zhì)和氨基酸的主要組成物質(zhì)，植物氮肥供應(yīng)不足會導(dǎo)致減產(chǎn)和產(chǎn)物品質(zhì)下降。磷肥可參與植物體內(nèi)呼吸作用、光合作用和細胞分裂等多種生理過程，從而促進植物分蘗，提高開花坐果率。鉀肥具有促進植物體內(nèi)多種酶活化、保障植物正常生長發(fā)育及增強植物抵抗病害的作用。西瓜不同生長階段對氮肥、磷肥和鉀肥需求量不同。邵占宏等[25] 研究發(fā)現(xiàn)，西瓜不同生育時期氮肥、磷肥和鉀肥分配比例不同，苗期3 種肥料在不同器官的分配比例依次為葉>根>莖，伸蔓期到開花坐果期前為葉>莖>根，坐果以后則在果實中占比較大。黎其萬等[26] 研究表明，西瓜吸收氮肥主要集中在第1 雌花期和500 g 果實膨大期，鉀肥吸收高峰期則在1 000 g果實膨大期，此外開花坐果期磷肥和鉀肥吸收量都較大。楊亦鵬等[27] 研究浙江省無公害西瓜需肥規(guī)律發(fā)現(xiàn)，西瓜苗期生長量少，氮肥、磷肥和鉀肥需求量僅占總需求量的0.5%～1.0%；伸蔓期增長迅速，葉面積增大，肥料需求量增多，占總需求量的14%～15%，其中氮肥最多，鉀肥和磷肥極少；開花坐果期至成熟期是西瓜生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，也是西瓜肥料需求高峰期，氮肥、磷肥和鉀肥需求量占總需求量的85% 左右，并且主要集中在膨瓜期。

4 水肥一體化灌溉對西瓜生長發(fā)育的影響

植物生長發(fā)育過程中水分和肥料是兩個重要的環(huán)境影響因子，水分幾乎參與或影響植物全生育期內(nèi)所有生理生化過程。植物整個生長階段都在經(jīng)歷利用根系不斷吸收水分，再通過葉片不斷散失水分的過程，在此循環(huán)中植物體內(nèi)水分形成了一個自下而上不斷流動的體系，植物根系在吸收水分的同時土壤中的礦物質(zhì)元素也隨著水分流動而被運輸?shù)饺~片和其他地上部分。種子在萌發(fā)和幼苗生長階段的營養(yǎng)來源可部分依靠母體種子儲藏的物質(zhì)，其他生長發(fā)育階段則主要依靠植物光合作用和土壤供給來維持正常生命活動。DOSSANTOS G R 等[28] 研究發(fā)現(xiàn)，在不噴灑殺菌劑的情況下，對重茬西瓜施以不同水平的氮肥，高施氮量水平下西瓜枯萎病最嚴重。HONG Tingting 等[29] 通過設(shè)置不同二氧化碳濃度發(fā)現(xiàn)，隨著二氧化碳濃度增加，可降低低氮條件對葉片數(shù)、干物質(zhì)積累量、凈光合速率和胞間二氧化碳濃度造成的負面影響，并且對干物質(zhì)積累量的影響最為顯著。上述試驗結(jié)果表明，在保持充分灌溉的基礎(chǔ)上，適宜的二氧化碳濃度可以減少溫室西瓜氮肥使用量。潘艷花等[30] 通過盆栽試驗設(shè)置了5 個不同水平鉀肥用量，發(fā)現(xiàn)西瓜幼苗直徑≤2.0 mm、2.5 mm<直徑≤3.0 mm、3.5 mm<直徑≤4.0 mm 時鉀肥對根長、比根長、根表面積和根體積影響顯著；同時適宜的鉀濃度會促進西瓜幼苗生長，加快西瓜根系生長發(fā)育，但不施加鉀肥和高鉀處理均對西瓜幼苗生長有抑制作用。楊小振等[31] 通過試驗發(fā)現(xiàn)，高水高肥處理使西瓜苗期葉片凈光合速率和蒸騰速率有所提高，但相較于中水中肥處理變化不顯著。

5 水肥一體化灌溉對西瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

作物產(chǎn)量和品質(zhì)是多因素耦合作用的結(jié)果，水肥調(diào)控則為主要栽培管理措施。研究表明，植物全生育期所需要的各種礦物質(zhì)元素幾乎都要溶于水后才能被吸收利用，因此在施肥的同時要保證一定的灌水量。MALUKI M 等[32] 通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，在西瓜種植過程中施加不同水平氮肥對其可溶性固形物、果實硬度、果實數(shù)量、果皮厚度、單果質(zhì)量和產(chǎn)量有顯著影響。NOWAKI R H D 等[33] 研究發(fā)現(xiàn)，不同施氮速率會影響西瓜產(chǎn)量，總產(chǎn)量和商品果實產(chǎn)量隨著施氮速率增加呈現(xiàn)二次曲線變化規(guī)律。張玉鳳等[34] 試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)施肥相比，減少氮肥、鉀肥和磷肥的使用可以增加西瓜產(chǎn)量和維生素C 含量，但還原糖和硝酸鹽含量會降低；減少氮肥和磷肥并增加鉀肥用量時西瓜產(chǎn)量、維生素C 含量、還原糖含量均最高，硝酸鹽含量最低。張保東[35] 用等量滴灌專用肥料和傳統(tǒng)沖施肥進行日光溫室對比試驗后發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥產(chǎn)量和可溶性固形物含量相較于傳統(tǒng)沖施肥顯著增加。杜少平等[36]研究表明，鉀肥對西瓜產(chǎn)量影響不顯著，水對產(chǎn)量的正效應(yīng)和氮肥對產(chǎn)量的負效應(yīng)均極顯著；水對西瓜品質(zhì)的負效應(yīng)和氮肥和鉀肥對西瓜品質(zhì)的正效應(yīng)均達到顯著水平。

6 結(jié)束語

目前水肥一體化灌溉模式涉及作物種類多、區(qū)域廣。有的研究人員側(cè)重于研究不同水肥配比對作物生長發(fā)育的影響，有的研究人員則側(cè)重于不同水肥設(shè)備對灌溉效果的研究。因而，西瓜生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)變化趨勢在不同研究中存在差異。水肥一體化灌溉雖然具有多重優(yōu)勢，但也存在許多問題，如理論研究不夠深入、水肥設(shè)備質(zhì)量差異、區(qū)域發(fā)展不平衡等。今后需要進一步明確不同作物在不同生長階段、不同區(qū)域的水肥需求規(guī)律，注重產(chǎn)品設(shè)備質(zhì)量和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)一手抓產(chǎn)量品質(zhì)，一手抓農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護，做到科學灌溉、合理施肥。研究方法也應(yīng)從傳統(tǒng)兩因素耦合向多因素耦合轉(zhuǎn)變，此外應(yīng)結(jié)合生物學、自動控制、微電子、人工智能和信息科學等高新技術(shù)制造智能化水肥氣熱耦合設(shè)備，實時監(jiān)測作物、土壤和大氣狀況，通過信息處理與分析，按照作物需求合理供給，最大限度提高資源利用率，努力實現(xiàn)科學種植，不斷向高標準農(nóng)田邁進。

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