水肥气热耦合在农业灌溉中的研究进展

张彩霞，张 芮，王引弟，张小艳，李妙祺，杨昌钰，温 文

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

在水资源极度短缺，农业环境污染严重的背景下，农业生产面临着巨大挑战，且长久以来，我国农田传统灌溉方式粗放、大水大肥问题突出，不仅水的利用效率不高，且形成了“三高三低”恶性循环，给种植环境也造成了难以短时间逆转的不利影响，我国的水资源储量有限，为缓解水资源短缺和灌溉用水增加引来的生态环境问题，需在农田灌溉中采取些措施提高水资源利用率[1]。因此，大力推动节水灌溉，发展节水农业，推进绿色生产方式，缓解农业供需矛盾，提高农田灌溉水利用系数及节水灌溉率，促进农业高效节水体系建设，在保障高产优质的前提下减少灌溉用水量使农业可持续发展[2]。

水、肥、气、热是影响农作物生长的重要因素，适宜的水分和良好的养分是作物高产优质的基本保障，了解影响作物根系发育及其生长环境相互作用的因素是了解作物在农业生态环境中生产潜力的关键。根系营养物质和水分是两个独立的过程，水分的有效性影响着整个土壤的物理化学过程及微生物和植物的生理过程，使得土壤水分和养分密切而复杂地联系在一起[3]。作物生长在一定的降雨、光照、气候以及土壤条件下进行的，气候、土壤性质及施肥是决定作物长势的关键因子，而在这些环境中水分和养分的运移特性及空间分布情况与作物生长发育过程密切相关，直接影响作物种子萌发、出苗新陈代谢及后期成长。水肥耦合灌溉技术在我国已大量的推广应用，且取得了显著效果[4]；加气灌溉也改善了作物根区环境，研究表明，加气灌溉改善了作物根区环境，增加了根系活力，提高了作物产量和水分利用效率[5]；提高根区温度对作物生长有显著促进作用，研究表明增高温度可以影响土壤脲酶活性更有利于氮肥转化，被作物有效吸收[6]，还可以直接影响根系生长，从而影响根系活力，提高水分养分的运输能力，触发了向根区增加氧气的驱动力[7]。因此调节供给作物生长需要的水分养分和根部生长环境至关重要，通过控制灌水、施肥、加气、增温调节农作物生长达到增产节水的目的，协调好水、肥、气、热四大因素之间的关系，进一步实现节水、节肥、增产、增效、环保的效果，水肥气热耦合是现代化农业转型的重要手段，为水肥气热耦合在现代化农业转型发展提供理论依据。

1 水肥耦合对作物的影响

1.1 水肥耦合对作物生长及产量的影响

水肥耦合指水和肥料二因素之间的协调作用在农业生态系统中对作物生长的响应机理及其利用效率。因地制宜地调节水分和肥料，使它们处于合理的范围，达到“以水促肥”和“以肥促水”的目的，施肥可促进作物冠层的发育，增强了气孔的抵抗力，降低气孔的电导率，减少蒸腾作用，提高蒸腾比，从而提高叶片水分利用效率[8]；水分作为载体向根系运移养分矿物质，水分的充足影响养分的迁移速率，且水分含量影响营养成分的转化[9]，根区交替灌溉可以有效调节植物营养与生长之间的关系，促进光合产物的合理分配[10]，因而使水肥产生协同作用，实现高产优质和节能环保将有重要意义。水肥管理因子主要包括灌溉量、施肥量、施肥浓度、施肥频率、水肥耦合方式等5个主要因素，也是灌溉施肥制度的核心重要部分，它们的变化首先引起水分和养分在土壤中空间分布的动态效应，进而影响作物根系吸水、根系生长、作物蒸腾速率、光合速率等生理过程，并最终反映在作物生理生态指标上[11]。干物质的积累是作物营养状况的反应，作物对土壤矿物质的养分吸收是有选择性地，灌溉施肥不当造成资源浪费且影响土壤的连作能力，适宜的水肥条件和时机才能促进发育生长。孟亮[12]的研究表明水肥一体化技术相对于常规沟灌冲施肥能提高辣椒的干物质量，根和果实干物质积累总量增大了9.21%，干物质的积累用于供应和促进果实充实膨胀和营养物质积累，提高果实中的分配比例改善辣椒品质。在滴灌条件下，充足的水分对西瓜株高的生长有积极作用，增加灌溉量反而抑制了茎粗的生长，中肥可以促进西瓜苗期生长，呈现出较好的产量潜力，综合得到中水中肥使西瓜光合蒸腾作用维持在最好的状态，使其营养生长旺盛，获得较高的产量[13]，与常规沟灌施肥相比番茄产量增加了46.9%，干物质与养分的积累受灌水和施肥的影响，氮吸收含量与灌水量成正比[14]，这与樊兆博[15]等关于滴管施肥对设施番茄的产量影响及氮素平衡表现研究结果一致。在半干旱地区不同灌溉方式对番茄的综合效益表明[16]，滴灌是半干旱地区节水增产较为理想的灌溉方式。张丽莹[17]的研究表明养分越充足越利于水果黄瓜物质量的积累，有足够的有机营养物质输送到生殖器官中，营养器官生长茁壮时，生殖生长才能旺盛，高肥处理在整个生长期中供应过多的氮素，延缓了作物衰老速度在结果期获得高产。综上，水肥耦合效应显著，施肥基于土壤肥力，重点在于农作物的生长和发育以及对肥料的需求特征，将水肥比控制在适宜范围，根系又是作物吸取养分和水分的重要器官，在最适当的时间，最适量的水分和养分将被输送到最活跃的根部区域，这将同时满足作物时间和空间对营养物质的吸收，并将促进各器官的生长和光合有机质的合理分布，将水肥耦合的效应得到充分发挥。

1.2 水肥耦合对水分利用效率及作物品质的影响

水、肥料是影响作物生长和水分利用效率的两个重要因素，大量研究表明适当的灌溉可以促进肥料的转化以及作物对肥料的吸收和利用，并提高肥料的利用率，同时适当的肥料还可以调节用水过程，提高用水效率[9，18- 19]。水和肥料对春小麦水分利用效率表现出交互耦合效应，氮肥的施用量取决于土壤的水分含量，灌溉水的量取决于氮的施用水平，合理的氮、水配合，才能发挥最佳交互耦合作用，获得最高产量，获得最高水分利用效率[20]。施肥可促进根系发育，提高根系吸水率，提高叶片光合能力并增加同化含量。随着施肥量和浇水量的增加，适当的提高了草莓内在品质，在中水高肥的组合处理中获得较高的产量及最高的水分利用效率[21]。营养品质的综合评价指标为提高作物品质提供了科学依据，而评估和比较向来复杂而有争议。研究表明不同水肥处理对番茄品质指标有极其显著是的影响，增加灌水量会显著降低番茄红素、Vc、可溶性糖含量，表明水分对各指标有稀释作用，随施肥量的增加番茄品质含量及营养物质先增大而后降低，施肥过量导致土壤中的硝酸盐残留过剩，使土壤盐渍化，而灌溉量在一定程度上促进了硝化作用，加快有机质的分解，满足作物对养分的需要，使作物正常发育生长，进而有效地改善品质提高水分利用效率[22- 23]。 Cabello等研究表明适度亏缺灌溉不降低甜瓜产量，可获得较高的水分利用效率，严重亏缺使果实重量下降，随着施氮量的增加，不仅降低了果实产量，而且由于果实内部空腔增大，果实中空，果肉少，从而降低了果实品质，建议当灌水量为90%的蒸发量且施肥量接近90kg/hm2时，可获得最佳产量和品质[24]，所以水分和养分的管理是获得高产优质品质的关键。Liu等发现在最佳氮源条件下，施用钾肥使可溶性固形物含量增加可提高滴灌加工番茄的品质[25]。

2 水气耦合对作物的影响

2.1 水气耦合对作物生长发育的影响

作物生长需要的大部分养分和水分通过土壤获得，最基本营养元素的吸收与根系代谢活动的过程紧密相关，这些过程需要根系细胞呼吸产生的能量，这对应于氧气存在下光合产物的降解，根系需在释放二氧化碳的环境中找到氧气，充足的氧气进行根系呼吸并维持根系和植物的良好代谢功能，缺氧会减缓作物根系呼吸、水分微量元素吸收动力和生物量的生成，增加进入植物的盐分从而阻碍作物生长，所以根区水、气、热等微环境对作物生长极为重要。通过加气滴灌向作物根区输送氧气是一种创新的方法，被称为氧化法，发现根系曝气可以改善缺氧条件下的作物性能[26]；根区通气可以对土壤根区通气可以改善土壤理化特性并减缓水气矛盾，使微生物活性和矿物质转化保持最佳状态，促进与大气交换改善土壤环境[27]。加气灌溉利于番茄生长，相比不加气灌溉株高增加36.54%，茎粗增长6.82%，可以提高番茄的生长量[28]；番茄基质通气栽培模式的效果发现，基质通气栽培可为植株生长提供较合适的根际气体环境，增强了番茄根系的生长潜力，并提高植株的净光合速率、根系活力和吸收能力[29]。加气滴灌有效提高叶片的叶绿素含量和气孔导度，另外进行地下加气滴灌可以改善有氧呼吸，提高根的呼吸效率并利于矿质营养的吸收和光合速率的提高[30]。同时大量研究通过对温室甜瓜、番茄，加气灌溉实验，结果表明，加入气体以后促进作物根系对水分的吸收，改善了干物质的积累，促进作物生长并提高植株生长速率，总体来说合理的加气灌溉措施保障了作物的生长[31- 32]。

2.2 水气耦合对作物产量及品质的影响

根区通气改善根区氧环境，保证了植株生理功能的正常运行，提高了果实直径及厚度，增加单个果实质量，都随着加气频率的增加而提高[33]。Bhattarai[34]等在重黏土土壤种植试验中，在灌溉周期利用MazzeiTM空气注射器进行高压和空气喷射，种植的大豆和棉花在产量和水分利用效率上都有不同程度的提高；国内学者[35]利用Mazzei空气注射器菠萝在田间加氧灌溉试验表明，通过地下滴灌系统向根区加气，可以提高土壤氧浓度，增强根系呼吸，促进作物生长，增加新鲜生物量，有利于菠萝的生长发育，并改善了根区土壤呼吸，根系功能增强并增加了菠萝生物产量和收获指数，使果实大小、含糖量明显提高；同时对棉花的氧化处理表明，氧循环提高棉花根冠的生长，使鲜生物量、干物质和棉铃虫的增重，而氧胁迫对棉花鲜生物量和干物质产量有交互作用[36]。不同地下灌溉方式加气灌溉对温室芹菜生长及产量影响表明，渗灌加气灌溉对芹菜生长有一定正效应，可同时达到节水高产，优化灌溉水生产效率，利于硝态氮的吸收利[37]。加气灌溉对根部土壤环境的调节、土壤生理生化特性以及农作物生理指标的影响，促进了作物的光合作用及新陈代谢速率，从而加快对养分水分的吸收促进作物生长旺盛来实现增产和改良品质，为节水农业和高效生产作出更好的贡献[38- 39]。

3 水热耦合对作物的影响

温度是决定自然生态系统中各种结构和功能特性的重要生态因素。灌溉水温影响土壤温度，而根区温度直接影响养分营养物质的运输特性，根系土壤矿物质营养积累和转化，以及对养分和水分的吸收能力，温度过低会减少水中的溶解氧含量，影响养分和水分的的有效吸收，矿物营养物质的分解转化，从而影响植株生长发育，灌溉水温度对作物生长发育有着重要影响[40]。3种不同温度处理在小麦各个生育期的影响显著，小麦冬前至返青期低温处理明显抑制根系发育，各生长指标均比常温处理显著降低，越冬前和越冬期高温促进了根系生长[41]。有研究表明，在三维栽培条件下，20～35℃的水温灌溉一定程度上增加油麦菜的茎粗、叶片数和叶绿素含量，25℃是最适合油菜双低油菜籽生长的灌溉温度[42]；同时利用不同温度热水灌溉后，发现35℃水温对番茄株高、茎粗、开花数、结果数、叶面积、叶绿素含量、植株根系形态指标有显著的增加，水温过高或过低水温会抑制某些物质的形成不利于作物生长[43]；而在寒冷地区，低温是水稻生产的主要限制因素，根区低温导致叶面积减少进而影响光合速率抑制水稻植株干物质的生产[44]。由于溶质的溶解速率随温度的升高而增大，灌溉水增温在一定程度上提高作物对矿物养分的吸收，从而影响光合作用加速新陈代谢促进生长。在水培条件下，不同根区温度会影响生菜生长和矿质元素含量，生菜的生长随着根区温度的升高在最佳的根区温度达到最大值，在25℃时达到最大值，当温度继续升高根叶的生长受到严重抑制，由于根区高温导致植物根部细胞功能紊乱，根系活力降低，直接影响到植株对矿物质元素和水分的吸收[45]。综上表明适宜的水温变化与调节对促进作物正常生长有积极作用。

4 水肥气热耦合对作物的影响

国内外专家学者对水肥耦合、水气耦合、水热耦合均有研究，成果十分丰富，土壤水、肥、气、热四因素耦合对作物生长及产量品质的影响，是农田水土的影研究热点，宁夏大学田军仓教授团队系统的对番茄、黄瓜、西瓜、甜瓜、辣椒的水肥气热耦合做了研究。马继梅利用正交实验法对温室中的进行了水肥气热的系统研究，得出的结论是：影响温室番茄产量的主次因素依次为地热管水温、溶氧量、灌水定额、施肥量，各种因素组合及产量的变化决定了膜下滴灌条件下温室番茄产量最优组合方案，并采用旋转组合设计方法建立了水肥耦合最优产量模型，为节水灌溉和温室番茄高产优质提供了理论基础[46]。欧阳赞在膜下滴灌条件下对温室西瓜水肥气热耦合的研究表明，通过正交试验得出影响主控因素为灌溉定额和施肥量，综合考虑生长指标、光合作用指标、品质、果实形态及产量，最佳组合即为灌溉定额6062m3/hm2、施肥量75kg/hm2、溶解氧6.5mg/hm2、地热管水温36℃，通过四因素五水平二次回归通用旋转组合试验，建立了温室西瓜水肥气热与各类生长指标的数学模型，经分析得到各类指标与四因素间的变化规律及耦合效应，通过各类指标综合比较得到水肥气热耦合的最优组合[47]。张瑞弯在膜下滴灌过程中研究了水肥气热不同组合对黄瓜生长影响规律及作用机理，得出各因素对黄瓜产量影响中地热管水温极其显著，最优的组合方案为灌水定额160～170m3/hm2，施肥量175.43～184.57kg/hm2，地热管水温34.9～35.9℃[48]。将土壤中水肥气热4个因素相耦合，可以相互作用，很大程度上改善了作物根系的生长环境，水分是影响作物生长发育的重要控制因素，以水溶肥，以水促进施肥，同时以肥调水，加强作物根系对水分和养分的吸收，加气灌溉使土壤通气性增强，而充足的氧气又利于土壤微生物群落发挥作用并降解有机质，起到改善土壤结构的作用，土壤中含氧量提升，土壤的根系呼吸效率增高，从而保证最佳的根系功能、微生物活性和矿物质转化，地热管加热水灌溉，可增高土壤温度，使肥料得到有效吸收和利用[49]。这些研究为水肥气热耦合一体化灌溉技术奠定了基础，为温室蔬菜增产增效提供了有利的途径，仍需要更深入的探究。

5 问题与展望

随着水肥耦合、水气耦合、水热耦合、水肥气热耦合灌溉模式的应用，在一定程度上改善灌区生态环境，为全面改善农业生产提供了有效的途径，提高了水肥利用效率，促进了作物增质优产，转变了农业发展方式，缓解了水资源日益短缺，但目前仍存在以下一些问题。

5.1 存在问题

(1)由于家庭生产模式较分散和城市化的影响，使农村常驻人口逐步老龄化且民众文化水平普遍落后，缺乏专业知识，不掌握科技农业运营技术，使用机械化种植水平低，在一定程度上制约了节水灌溉技术的发展。

(2)政府补贴扶持力度缺乏持续性，对基层推广传播不到位，民众节水意识短缺，技能培训的专业人员服务意识浅薄。

(3)节水灌溉技术与产品结合不够紧密，只注重了灌溉施肥加气增温的设备，忽略了水肥、水气、水热之间的灌溉制度优化。

5.2 展望

(1)加快完善国家农业节水政策体系，根据大型节水工程的建设，同步改造田间节水设施，推动信息技术与灌区建设相融合，实现现代化灌区。

(2)促进农艺节水技术发展，将水肥气热灌溉一体通过精准化化、标准化的技术规范向用户推广使用，提供专业的指导培训，转变用户传统农业生产的思想观念，调动民众的积极性，政府部门应制定合理的惠民政策大力的宣传和扶持，完善节水技术服务体系。

(3)加强农业物联网技术的发展，通过不同功能的传感器、无线网络通讯技术、信息综合处理对农作物的生长及环境实时监控，使用传感器对温度、土壤水分、土壤养分、气体浓度、光照强度、PH值等数据的检测，用户可以通过物联网传感器的反馈信息了解农作物的生长状况，为水分养分精准化管理奠定基础，并可根据作物的生长状况及时进行调整，在不同生育期将水肥气热精准的补给给作物。

(4)优化地域特色农业节水提质增效灌溉技术，根据地域水土资源的特点，集成特色经济作物节水增效种植，大力发展绿色经济产业，实施区域规模化的水肥气热一体化灌溉 模式，增强实用性和针对性，做好试点示范工作，实现示范化、标准化，更好的推广应用。

随着农业生产向着全面机械化及信息化、自动化及精准化迈进，利用喷灌、微灌、地下灌、膜下灌、渗灌等具有发展潜力的灌溉技术，加大新型灌溉节水一体化技术的研发力度，综合考虑作物生长环境及生理发育等多过程，在不同地域、土壤、气候条件下进一步探索土壤-作物-大气系统中水肥气热耦合效应，基于水肥气热一体化的条件下水分的运移、养分的吸收、土壤肥力、微生态环境保护等方面的机理研究，依靠科技创新推动水资源短缺绿色可持续发展模式。