水氮耦合技术在经济作物栽培中的应用

康 海

（新疆乌鲁木齐大禹节水集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830010）

0 引言

随着社会经济的迅猛发展和人们生活水平的不断提高，农业经济的发展已略显滞后。作为农业创收的主要经济来源，经济型作物通常具有地域性强、经济价值高、技术要求高、商品率高等特点，但其不合理的灌溉、施肥技术，不仅造成作物减产和水资源浪费等现象，还严重破坏了生态环境。因此，合理分配有限的水氮资源，使得作物获得最佳经济效益，对于农业经济的发展至关重要。本文综述水氮耦合技术在经济型作物应用中的研究背景、意义、作用机理和应用效果，旨在为我国提高农业经济发展，增加农业人口创收，发展优质高产水肥高效型农业生产提供借鉴作用。

1 水氮耦合技术发展概况

1.1 水氮耦合技术的提出

20 世纪10 年代初，MONTGOMERY 等为研究土壤肥力与水分之间的关联，以玉米为试验材料对其进行了科 学研究[1]。1953 年，LEARNER 和PAINTEN 在前人的基础上，进行了更深层次的探讨，发现土壤含水量和肥料的多少与产量的高低呈正比[2-3]。20 世纪60 年代，BROWN 等对作物的水肥利用进行了探讨研究[1]。1975 年，ARNON 发现，合理施肥可有效提高水分的利用效率，这一研究为水肥耦合技术的发展奠定了坚实的基础[4]。此后，水肥耦合技术逐渐进入众多学者的研究范围，为农作物种植提供了理论基础。随着我国农业经济作物的发展，水肥耦合技术已被广泛推广，应用于农业生产实践。

1.2 水氮耦合技术的研究意义

农田生态系统中水分循环受到灌水和施氮极大影响，灌水和施氮影响作物的耗水量。合理的灌水和施氮能缓解干旱和养分胁迫，增大光合面积和光合速率，增加产量，提升品质，进而提高水分和氮素的利用效率[5]。作为生命物质，在作物生长发育过程中，水分必不可少；水分是化肥溶解不可或缺的因素；作物营养向根系表面迁移及吸收养分过程中，水分也都必不可少。贯穿于作物整个生育时期，氮素含量影响干物质的累积及营养分配，合理的水氮条件提高了作物的光合性能，是决定农产品产量、质量的关键因素[6-8]。

2 水氮耦合对经济作物栽培的影响

2.1 生长发育

保证农产品质量和品质的根本是保证作物正常生长发育，而水分是影响作物生长发育的重要因素之一。作物的高矮、茎秆的粗细、根的长短、叶片和花的形态都能反映出作物的生长发育状况。灌水量不足，则会阻碍作物生长发育，导致叶片变小，叶绿素含量降低，进而降低光合作用，影响作物产量与品质。氮素同样是作物生长发育不可或缺的重要元素之一，施氮量显著影响作物的生长发育与产量。

OLIVIA H C 等[9]研究表明，作物生长对氮的响应比水更敏感。杨旸等[10]研究表明，增加施氮量或灌水量均可弥补二者缺乏造成的减产，但过量时反而引起负效应。王斌等[11]研究发现，水氮耦合存在阈值，不足和过量均会造成藜麦减产。水分和氮素在一定范围内的互作呈现明显的正相关，对藜麦的生长发育起到积极的促进作用；当施氮量超出某一范围时起到负相关的作用，抑制藜麦的生长发育，而在施氮量37.5 kg/hm2、灌溉定额为50 mm 时，藜麦产量可达到最高。马国礼等[12]研究指出，从辣椒结果盛期开始（180 d 后），同一灌水量下，随着施肥量的增加，株高和茎粗均增加；在同一施肥量下，随着灌水量的增加，辣椒的株高和茎粗呈增加趋势。当灌水量为田间持水量的80%，磷、钾肥施用量为当地施肥量，而施氮量为0.21 kg/m2时，可使辣椒株高、茎粗达到最大值。

2.2 次生代谢产物

药用植物属于经济作物的一种，其有效成分为次生代谢产物，人们针对药用植物的形态、药理、药效等进行了大量的研究，发现药用植物的品质除了受遗传特性的影响外，还受到外界环境和栽培技术的影响。相关研究表明，当改变药用植物的外界环境时，其自身的次生代谢产物合成与转化也会受到影响，适当的逆境环境可以促进其次生代谢产物的产出。氮元素是药用植物重要的生命元素之一，自然也是影响药用植物产量和品质的影响因素之一。

魏廷邦等[13]研究表明，在水分胁迫下，黄芪促进了甲苷化合物合成基因的表达，中施氮处理的黄芪甲苷含量较不施氮、低施氮和高施氮显著提高，说明在适当的水分胁迫和氮肥施用量下，可以促进黄芪有效成分的积累。赵凇仪[14]研究表明，在三七营养生长期和开花期进行水分胁迫，可以有效促进三七皂苷R1 和人参皂苷（Rg1、Re、Rb1、Rd）有效成分的积累，说明在适当的生育期进行干旱胁迫，可以提升三七的总皂苷含量。刘家煦[15]研究表明，适度干旱条件下，有利于丹参素的合成；在土壤湿润的情况下，更利于迷迭香酸和丹酚酸B 合成，且在同一施氮处理条件下，脂溶性、水溶性有效成分随灌水量的增大而降低；在同一灌水处理条件下，脂溶性、水溶性有效成分随施氮量的增大而降低。

2.3 产量

农业种植的最终目的是提高作物产量，从而获得较高的经济收益。水分亏缺严重会造成作物减产，而过度灌水会破坏作物营养生长与生殖生长间的平衡关系，不利于作物生长。氮肥用量过少会阻碍作物正常生长，施氮过多会降低作物氮肥利用效率和增产效应。故要提高作物产量及水氮利用效率，适宜的水分及肥料用量至关重要。

谈建鑫[16]研究指出，在灌水量相同的情况下，随着氮肥用量增加，油葵盘径与千粒质量也增大，产量也随之增加，当氮肥用量为360 kg/hm2时表现为最高，说明适宜的施氮量能有效促进油葵盘径的增加，从而提高油葵产量。刘学娜[17]研究表明，灌水方法与氮肥用量会显著影响黄瓜产量、品质及水肥利用效率，在一定范围内，减少施氮及水分用量能够在提高或不明显降低作物产量的同时提高水氮利用效率。李越鹏[18]研究表明，籽棉产量主要由有效铃数与单铃质量乘积表征，适宜的水氮耦合能够促进棉花对土壤中水肥的吸 收 利 用， 当 灌 水 量为 100%ETc、 施 氮 量 为300 kg/hm2时，籽棉产量较高，达到了7 421.0 kg/hm2。陈修斌等[19]研究表明，合理的灌水与施肥能促进番茄产量提高，番茄的产量与水氮用量、土壤酶活性等因素紧密相联，良好的水肥用量能优化土壤微生物生长环境，促进番茄对水肥的吸收利用，进而有效提高作物产品质量。

2.4 水氮利用率

作物的生长受到灌水量与施氮量的影响，而水氮之间存在着明显的耦合效应，灌水量的亏缺会阻碍作物吸收土壤中的氮素，而氮素过少会影响植物生长。在传统的农业种植中，为了追求高产而过度灌水与施肥，不仅降低了水氮利用效率，还造成土壤水氮流失。适量的氮肥和灌溉量不仅能够促进植物吸收土壤水分，对于氮肥利用效率的提高还有明显作用，所以提高作物水氮利用效率是发展新型农业的必然选择。

黄鑫[20]研究了水氮调控对机采棉的影响，结果表明，同一水分处理下，随着氮肥用量增加，水分利用效率表现为先增加后减小的趋势，存在一定的阈值，适宜的氮肥用量有利于水分利用效率的提高。王超[21]研究表明，灌水量减少与氮肥用量增加促进番茄水分利用效率提高，追施氮肥次数能够改善水分利用效率，灌水量与施氮量减少降低番茄氮素利用效率。张芳园[22]研究表明，灌水量增加会降低作物水分利用效率，氮肥利用效率随氮肥用量增加而降低，因此要选择适宜的灌水与施肥量。高娜等[23]研究表明，水氮耦合显著影响小油菜的水氮利用效率，随着灌水量增加，氮肥利用效率呈上升趋势，随施氮量增加，肥料利用率呈下降趋势，肥料损耗增加。

3 结束语

水分与氮肥是使经济作物高产优质的重要因素，在我国农业种植中，不合理的灌溉与施肥严重影响农业可持续发展，水氮耦合作为一种科学高效的灌水施肥方式，还应在以下几方面深入研究。

（1）大量研究集中在水氮耦合技术对作物生长动态、产量、品质及水肥利用效率等方面，而作物生理特性、体内重要酶、土壤等方面的研究较少，今后应加大研究力度。

（2）大田试验大多都是基于对水分与肥料单因素或双因素互作效应的影响研究，而气与热同样是影响作物生长重要因素，今后应开展水肥气热综合效应的影响研究，为农业提供更为科学合理的种植模式。

（3）目前农业主要依靠人工种植与管理，信息技术的高效发展可为今后农业发展提供更加有力的科技支持，在未来的农业种植中，应依靠科技的力量，加大农业信息化建设，为节水灌溉与农业持续发展提供科学依据和管理技术。