水肥耦合技术及在西瓜栽培中的应用

王英英， 张恒嘉， 李福强， 王 永， 刘林桃， 陈 涛

（甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

水、肥是作物生长发育的两大基本要素，两者相互联系、相互制约。西瓜果瓤脆嫩、味甜多汁，是我国重要的瓜菜作物，其经济价值、营养价值相对较高[1]。生产中由于西瓜耗水量大且对水分供应敏感等特点，造成其传统水分管理生产力低，加之施肥的盲目性，导致水肥资源浪费严重，而肥料流失、营养元素失衡使得土壤理化性质改变、水体质量下降，从而产生严重的环境问题[2-4]。针对当前西瓜生产中水肥利用效率低、水肥管理技术落后及对环境造成不利影响等问题，研究利用水肥调控理论和技术以寻求最优的灌溉施肥模式，是发展优质高效西瓜产业的关键性措施。通过“以肥调水、以水促肥”的方式，合理利用水肥，不仅节约资源和有利于生态保护，还能促进作物生长发育、增产调质[5-6]。

水肥耦合指在农业生态体系中，水分与肥料两因素之间的交互关系对作物生长产生的影响和肥水利用效率[2]。以水肥耦合为基础的灌溉技术，即水肥一体化（水肥耦合灌溉技术），能够实现水、肥协同利用和兼顾水土环境保护、减少污染，达到水肥资源节约和环境保护双赢。研究表明，多种农作物生产中应用水肥一体化技术效果良好 ，而集成水肥一体化技术可提高西瓜水肥利用效率、产量和品质，降本减工，维护环境，对实现西瓜规模化生产同样至关重要[7-9]。目前，已有大量关于西瓜水肥耦合效应的研究，但对西瓜灌溉施肥制度优化及水肥耦合机制的系统报道相对较少。本文就水肥耦合的含义、水肥耦合效应的分类及其在西瓜栽培中的应用效果进行了综述，以期为今后西瓜科学、合理的水肥管理提供理论支撑。

1 概述

1.1 水肥耦合

灌水和施肥是调控作物生长发育的重要途径，但两者对其产生的影响并不是孤立的[10-11]。水分可以溶解肥料，促进根系对养分的吸收，但也能使土壤中养分含量降低、流失，而合理施肥可以调整作物营养供给，提高土壤蓄水保墒能力，从而促使作物增产、提高水分利用效率[12]。16 世纪关于水肥的研究就有相关试验记载，但人们认识的营养物质主要是水分，而肥料的作用17 世纪后才被关注。1911 年MONTGOMERY E G[13]研究土壤肥力对玉米水肥需求的影响成为水肥耦合研究的开端，直至1975 年ARNON I[14]在旱地农业中提出“在水分受限条件下，植物营养的基本问题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视并开展研究。近年来，随着试验由单因素逐渐向多因素综合过渡，水肥耦合效应研究在因素影响植物生长理论方面取得重大进展[15]。

水肥耦合指农业生产过程中，土壤矿物元素和水这两个体系相互作用、相互影响，所产生的结果称为水肥耦合效应，其核心在于 “以水促肥、以肥调水”，通过水肥间的协同补偿作用对水肥与作物进行一体化管理，以此提高作物生产力和水肥利用效率[16]。研究发现，作物生长过程中水肥耦合效应具体表现为3 种结果，分别是水肥两个要素或多个要素耦合效应为正向促进作用的协同效应、水肥两个体系或一个体系中各因素耦合结果为负效应的拮抗效应和水肥要素之间无明显促进或抑制作用的叠加效应[17-19]。

1.2 水肥耦合灌溉技术

水肥耦合灌溉技术，又称“水肥一体化”“灌溉施肥”等，是利用节水灌溉设备将水、肥定时、定量、定点按照特定比例，根据作物需水需肥特性，及时输送至作物根系实现平衡施肥、优化灌溉的一项高效现代农业技术[20]。自我国1974 年从墨西哥引进滴灌设备开始至1980 年自主研发的第1 代滴灌设备生产，随后逐渐形成了以发展滴灌技术为主的灌溉设备生产模式[21]。目前，滴灌施肥技术已在全国大部分地区推广应用，同时在很多区域都取得了成功，随着可持续农业目标的逐步实现，该技术的应用将越趋广泛[22]。滴灌施肥技术的特点主要有4 个方面。第一，水分、养分可直接输送至作物根系有助于作物吸收利用，同时节约水肥资源。第二，滴灌施肥可有效发挥水肥的协同作用和激励机制。第三，按照土壤环境状况和作物营养需求，滴灌施肥可灵活控制养分种类、数量。第四，滴灌施肥的少量多次施用方式使根系水分、养分空间分布均衡、水肥环境相对稳定[23]。

2 水肥耦合对西瓜生长发育的影响

作物生长过程中各个器官之间相互依存、相互促进[24]。水肥一体化技术条件下，土壤通透性良好、孔隙度增加，作物根系水分状况、营养状况都得到改善，从而加强了作物对水肥的同化吸收，作物生长发育良好。马骏等[25]通过进行不同的有机肥比例与不同灌水定额耦合处理的试验表明，灌水定额和施肥量对株高产生直接影响，相比开花坐果期、膨瓜期，西瓜幼苗期、伸蔓期的茎粗变化明显，这与王力[23]的研究结果相一致。该研究还显示，相比施肥处理，西瓜的株高和茎粗对灌水定额的响应更为显著，灌水定额大的处理下其株高、茎粗值均大于灌水定额小的处理；在相同灌水定额条件下，60%常规施肥+40%有机−无机水溶肥处理的西瓜株高、茎粗最佳。水肥交互作用存在阈值，适宜的范围内施肥量越足，根系发育、吸收能力越好，而过高或过低的肥水施用量则效果不明显[26]。宋修超等[27]的研究显示，基质栽培条件下，西瓜地上部、地下部生物量和产量在中水、N-P2O5-K2O （20 g-10 g-30 g）处理下达到最高，超过此阈值，若继续增加水肥用量，则西瓜产量不再增加，甚至开始下降。

3 水肥耦合对西瓜光合生理特征的影响

光合作用是影响植物生长发育和产量效益的重要生理过程[28]。水、肥通过影响叶绿素、酶活性及气孔开度等多种因素，对植株的光合作用产生影响，进而影响其生物量积累和水分利用效率[29]。欧阳赞[30]对温室西瓜进行水肥气热耦合研究表明，灌溉定额对西瓜净光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及胞间CO2浓度的影响极显著，但施肥量对其影响效果则未达显著水平，这与周振江等[31]对番茄的研究结论类似。适宜的灌溉条件下，西瓜形态指标良好、叶片光合能力提高[32]。卢成等[33]通过田间试验发现，适当范围内控制土壤水分和施肥西瓜光合效率有效提高。杨小振等[34]研究表明，西瓜叶片光合特性与不同水肥处理响应显著，中水中肥处理下西瓜营养生长旺盛，叶片叶绿素含量、净光合速率和蒸腾速率都较高，有利于更多光合产物积累。

4 水肥耦合对西瓜产量及品质性状的影响

氮、磷、钾作为肥料的3 个要素，对西瓜产量、品质有重要作用，但不同生长阶段西瓜对氮、磷、钾的吸收比例不同。适量的氮肥用量不仅促进西瓜生长，使产量、品质也有提高。增施磷肥，西瓜的单株瓜数及单瓜质量均有提高，从而增加产量，但过量施磷会造成西瓜品质下降。西瓜的风味和营养品质与钾肥用量存在一定程度的相关关系，施钾量越大西瓜可溶性糖含量越高，但当钾肥用量达到一定值后其增加趋势渐缓[35]。合理的水肥配比有助于西瓜营养生长，增加产量、改善品质。研究表明，适度改善作物营养状况可提高其产量和品质，滴灌施肥条件下西瓜产量、品质变化随施肥量、灌水量的增加呈“抛物线”态势[36]。结合水肥一体化技术，按照西瓜需肥特点在其全生育期施肥，当N、P2O5施用量均减少56.25%～68.75%，K2O减少34.37%～53.12%时可提高其开花坐果能力，产量提高10.24%～15.87%，售价增加16.88%～27.45%[37]。

5 结束语

农业生产是一个复杂体系，但就灌水和施肥而言，水分和养分为可控因素，两者间的协同补偿作用是作物得以实现优化灌溉和平衡施肥的基础。水肥耦合效应是西瓜优质高效生产的有效途径，对西瓜生长发育、生理特性、产量及品质均有正向促进作用，但受品种、自然环境、土壤特性及栽培模式等因素制约，西瓜不同生育期对水肥耦合的响应存在差异。综合考虑作物系统生产效益和农田水土环境保护，需进一步探索水肥耦合机理，研究建立以提高肥水利用效率、作物增产调质为核心的水肥耦合灌溉技术体系，合理灌溉，科学施肥，进而建立高效的农田水肥管理信息系统，对稳定提高农业综合生产力和助力农业可持续发展具有重要现实意义。