膜下滴灌水肥一体化研究进展

王 永， 张恒嘉， 李福强

（甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

农业是我国第一用水大户，水利部2020 年水资源公报显示，农业灌溉用水量3 612.4 亿m3，约占用水总量的62.1%[1]。我国干旱缺水，人均水资源占有量少，且水资源时空分配不均，农业用水供需矛盾突出，化肥投入量大。据FAO 数据统计，2019 年我国化肥平均用量350.5 kg/hm2，远超发达国家化肥施用水平上限225 kg/hm2[2-3]。这种高耗低效的水肥投入生产方式导致耕地土壤性状恶化、养分流失、土壤板结及次生盐渍化加剧，农作物品质降低，造成极大的资源浪费和生态环境破坏，影响农业可持续发展。

覆膜栽培农艺措施能显著降低植株蒸腾和棵间蒸发，调整作物耗水结构，提高基础作物系数，改善作物根际表层土壤局部水温状况，增加土壤微生物群落，提高作物水分生产力，进而达到增产增效目标[4]。滴灌系统通过灌溉设备将水分和养分以小流量、高频率、缓慢均匀、定时定量浸润土壤表层和植株根区，根据作物不同阶段需水特性，实现同步调控水分和养分的精确供给，广泛应用于干旱、半干旱地区[5]。膜下滴灌则集成了覆膜和滴灌技术的优点，能有效保护土壤团粒结构和改良土壤理化性状，既可积温保墒、节水节肥、减蒸抑盐、增产优质，亦可减少病虫草害及农药施用量，显著减少肥料淋失和营养元素奢侈消耗[6]。水利部2019 年统计数据显示，我国微灌等高效节水灌溉面积达2 200 万hm2，约占全国耕地面积的17.8%，发展潜力巨大[7]。但“大尺度、跨流域、多时空”水−肥−根−盐交互耦合机制及普适性模型构建、高效绿色水溶肥和地膜研发、智能化系统设施配套及技术推广将是亟待解决的问题。因此，通过系统科学管理和精确实施水肥动态调控的膜下滴灌水肥一体化技术对实现作物生产提质增效、化肥减施、盐碱治理、环境保护与精准农业发展具有重要意义。

1 水肥一体化发展历程

20 世纪60 年代初，以色列建成世界上首个现代滴灌系统。以色列水资源极度匮乏，60%土地处于干旱、半干旱区，极端的气候条件迫使以色列发展高效节水技术并广泛应用于大田、温室、园林、生态绿化等多元种植领域。近年来，以色列大力发展地下滴灌、地下咸水淡化灌溉、污水循环灌溉及压力补偿滴灌技术，其中滴灌面积达69.7%，灌溉水利用效率和肥料利用效率分别达95%和80%[8]。在美国、日本、澳大利亚、南非津巴布韦等国家，随着滴灌技术的推广应用，水肥一体化技术也日臻成熟。美国水资源量充沛，2018 年滴灌面积达到了201 万hm2，占有效灌溉面积的62.4%[9]。日本、澳大利亚水肥一体化应用率达90%，配备了较为先进的自动化水肥控制设备，有效提高了水资源利用效率。

我国于1974 年从墨西哥引进滴灌技术，在引进西方先进生产工艺基础上，广泛进行试验研究并建立示范区。“八五”计划将滴灌技术研究列为重点研发攻关项目。1992 年以来，我国积极同以色列等国加强了农业科技领域的深度合作，构建了中−以农业交流合作平台，如1992 年和2006 年MASHAV 农业培训、1993年国际农业培训中心与示范农场、2001 年旱作农业培训中心等，期间微灌设备配套和技术示范推广研究取得新进展[10]。1996－2006 年是我国滴灌技术高速发展时期，同时期对灌溉施肥技术也颇为重视，农业部连续5 年邀请国内外专家举办水肥一体化理论技术培训，微灌施肥技术从小范围推广应用升级为集约规模化区域发展（华北、华南、西北旱区）[11]。截至2019 年，我国微灌灌溉面积628 万hm2，其中新疆450.3 万hm2，位居全国第一[12]。滴灌水肥一体化技术节水增产30%～60%，有效减少氮素损失25%～50%，覆盖设施栽培、无土栽培、果树花卉栽培等种植模式[13]。

2 膜下滴灌对作物水分利用效率的影响

土壤−作物水分关系对探明作物生物性节水机理和对干旱逆境水分状况的响应至关重要，也是SPAC 系统研究的重点内容。WANG Yahui 等[14]对西北旱区玉米研究发现，膜下滴灌比畦灌作物水利用效率（water use efficiency，WUE）和灌溉水利用效率（irrigation water use efficiency，IWUE）平均提高11%，WUE 平均提升15%，减少田间蒸散发7%，且土壤含水量在整个生育期内波动幅度较小。BAI Shanshan 等[15]研究了华北平原冬小麦滴灌施肥对作物生长和WUE 的响应，发现土壤水势（soil water potential，SMP）阈值为40 kPa 时滴灌较地面灌溉显著增产4.3%、节水46.6%、WUE 提高10.5%，且单位SMP 降低可使冬小麦ET、灌水量分别降低0.12%、0.92%，IWUE增加1.22%。WEI Zhenhua 等[16]借助13C 同位素示踪法研究了西北旱区番茄沟灌、分根交替滴灌（APRI）对WUE 的影响，结果表明APRI 使植株叶片通过介质根源信号ABA（Abscisic acid）与水分胁迫建立反馈机制调节气孔开度，降低蒸腾损失，减少灌水33.3%，WUE 提高19.6%。刘小刚等[17]通过灌水水平与肥料分期追施对光合特性、WUE、产量的响应研究发现，干热区芒果滴灌施肥对叶面积指数、消光系数、羧化效率等光合特性影响显著，适度水分亏缺（75% ETc）和开花期、果实膨大期、花芽分化期追肥（75、25 和50 kg/hm2）可明显提高IWUE和水分生产力。

3 膜下滴灌对作物养分利用效率的影响

3.1 氮素利用效率

硝态氮和铵态氮是可供植物吸收利用的良好氮源。土壤−植物系统中氮素的损失（氨挥发、硝酸盐淋失）不仅会降低土壤肥力和减产，还会导致酸雨、水体富营养化等一系列环境问题。SANDHU O S 等[18]通过玉米−小麦轮作滴灌覆盖试验发现，滴灌水肥一体化对土壤速效养分的空间变化有较强的适应能力，且硝态氮运移规律具有明显的表聚性，与沟灌相比，滴灌覆盖使小麦、玉米平均氮素回收效率提高了16.5% 和29%，玉米氮肥农学效率提高19.2%。SUI Juan 等[19]在东北平原连续两年的膜下滴灌试验表明，膜下滴灌有效增加了土壤总水分贮量、土壤积温及净辐射截留，促使氮素利用效率提高57%～84%。作物灌水后根区水分饱和，容易导致根系缺氧，该条件下优化施氮水平并不能持续增加作物产量，CUI Bingjing 等[20]研究发现增氧滴灌可以改善土壤通气状况和根系呼吸作用，提高光合作物基础系数和作物干物质积累，与非含氧滴灌相比，氮素偏生产力提高了28.95%，产量增加1.29 倍。

3.2 磷素利用效率

CHEN Bolang 等[21]研究表明，作物品种特性与磷素水平存在交互作用，作物根毛密度、结构形态不同，对交换态磷的吸收能力也不同，直接影响磷素的利用效率（phosphorus use rates，PUE）和偏生产力。YANG Lijuan等[22]发现不同形态磷含量随着土层深度增加呈现递减的规律，全磷、速效磷含量均表现为明显的表聚性，且20～60 cm 土层全磷、速效磷含量均高于沟灌处理，表明土壤水分管理一定程度上可以调控磷素动态。随着磷素的转化、运移和归趋，磷酸盐逐渐老化，土壤对磷专性配位基团吸附作用力减弱，土壤有效性磷浓度降低，进而需要增施磷肥以提高有效磷贮库，ZHANG Qianbing 等[23]研究发现，在灌水量相同条件下，滴灌施磷肥显著提高了紫花苜蓿产量7.43%～29.87%，一定范围苜蓿植株磷累积利用率和施磷肥量呈正相关，且滴灌施磷肥显著增加0～20 cm 土层速效磷含量，提高PUE3.76%～4.96%。作物对有机磷素的吸收也受土壤碱性磷酸酶活性影响，WANG Jingwei 等[24]通过膜下滴灌对PUE 影响研究发现覆膜、灌水下限、滴灌线密度3 因素中，土壤碱性磷酸酶活性灌水下限最敏感（最大值出现在80%田间持水量），覆膜滴灌有效提高了作物根系活力和真菌、放线菌生物群落丰度，间接提高了植株对磷的吸收能力。

3.3 钾素利用效率

外源钾素主要以游离态K+供土壤胶体吸附，经K+和铵根等离子交换成为可供植株生长发育的有效钾。王虎等[25]研究发现，点源滴灌施肥条件下，反应性溶质K＋运移规律与土壤水分入渗扩散密切相关，当水分迁移速率较大时，速效钾径向和竖向运动为对流作用主导下的溶质迁移，反之速效钾吸附固定大于对流作用，0～30 cm 土层土壤湿润锋内侧出现明显的速效钾迁移积聚。KANAI S 等[26]发现植物细胞在光合同化、蛋白质合成、酶活、有机酸代谢和离子稳态对K+需求非常高，钾素胁迫抑制了作物光合作用和13C 同化产物转运及生物量分配，对番茄来说，钾素合理施用水平是钾素高效利用的重要因素。尹彩侠等[27]通过膜下滴灌玉米钾素运筹试验发现，合理的钾素运筹可以显著提高各营养器官向生殖器官钾素的转运效率和地上部钾素累积，促进玉米开花期钾素向籽粒的转运，钾素吸收利用效率、农学效率、钾素偏生产力显著提高24%、59%、8.35%。此外氮-钾互作也会影响钾素的利用效率，ZHANG Fusuo 等[28]综述了氮素形态、施氮量对土壤钾的吸持及作物体内钾运移规律的响应，发现氮-钾的相互作用取决于氮素形态和供钾水平，过量钾素投入加剧了铵根离子和K+拮抗作用，而长期氮胁迫降低了根系对K+的亲和力，适宜钾素水平下的施用氮肥，有利于提高钾素的利用效率。

4 膜下滴灌对土壤性状的影响

4.1 水盐运移

膜下滴灌具有调控、分配水盐对作物生长影响的正向效应，同时水盐迁移受灌水方式、水质、土壤盐分时空异质性、耕作方式等多因素耦合效应影响。LI Kaiming 等[29]在新疆棉花膜下滴灌试验中发现，随着灌水量增加，0～80 cm 土层内盐分含量明显降低，且盐分峰值随土壤水分向湿润锋边缘迁移，土壤剖面形成明显的积盐区和盐分淡化区。姚宝林等[30]研究发现，灌水次数对土壤剖面盐分变异程度比灌水定额弱，增加灌水次数有利于表层土壤洗盐和抑制土壤返盐，当耕作层盐分含量＜3.0 g/kg 时，棉花全生育期灌水定额460 mm、灌水次数16 次不会出现盐分累积。SELIM T 等[31]研究微咸水滴灌对水盐分布影响机制发现，微咸水与淡水入渗特征相似，土壤累积入渗量与湿润锋呈线性关系，盐分含量分布接近正态分布，且随着灌水矿化度的增加，作物主根区盐分浓度出现明显累积。但也有研究表明，作物不同生育期对盐分胁迫敏感程度差异显著，苗期宜淡水灌溉，生长后期作物耐盐性增强，微咸水灌溉能有效减少非生物盐分胁迫[32]。

4.2 土壤理化性状

膜下滴灌通过影响土壤水盐和养分运移、耕层温度、氧化还原状况等理化生物特性，改变作物生长环境。马建辉等[33]研究发现，土壤水吸力30 kPa 灌水下限的膜下滴灌显著降低了土壤结构破坏率、不稳定团粒指数和团聚体分形维数，促进了耕层水稳性土壤团聚体结构的形成和稳定，进而保持土壤的疏松状态。GUO Shufang 等[34]研究发现膜下滴灌局部浸润土壤，使作物根际水分和温度处于适宜状态，增加了微生物熵值，促进了固相有机物质快速矿化分解和盐基离子交换演化，保持了土壤肥力和增强土壤固碳能力。赵祥等[35]探究了滴灌对土壤微生物群落及分布特征的影响，发现功能菌群的多样性促进了土壤物质循环和能量流动，滴灌苜蓿距离根系4 mm 土壤中有机质、全磷、有效磷、土壤中性磷酸酶及土壤脲酶比自然降雨灌溉苜蓿根际土壤分别增加65.6%、23.85%、48.4%、40.4%、266.7%，有效改善了土壤质量。

5 水肥耦合效应模型研究

水肥耦合模型的构建是揭示SPAC（soil plant atmosphere continuum）系统各个变量内在数学结构的等式表达，能够较好模拟水-肥运移分布及水肥交互水平寻优和综合评价。何进宇等[36]通过旋转组合试验设计，发现膜下滴灌条件下，灌水定额、氮素、磷素对水稻产量关系符合三元二次回归模型，水氮交互项回归系数均达到极显著水平，3 因素对增产效应影响从大到小依次为灌水定额＞氮素＞磷素。MOJTABA K 等[37]借助AquaCrop模型模拟了不同水氮组合对大豆冠层覆盖度、WUE、产量的影响，结果表明，模拟结果与实测结果均方根偏差较小，不同冠层演进与实测一致性指数均为0.95，模型效率分别为0.96、0.93 和0.85，吻合度高，且与实测结果具有良好的一致性。

6 结束语

膜下滴灌水肥一体化技术是一项精准高效的农业技术，不仅能促进土壤水分和养分平衡土壤水分再分布，提升灌溉质量，还可减少化肥投入，有效改善区域水资源紧缺和施肥对土壤生态环境的次生污染。然而，水肥一体化也存在提质增效机理研究不够深入，设备不配套、质量参差、技术推广不全面等问题，今后需进一步探明不同区域水分和养分元素及盐分在作物-土壤系统的迁移规律，并根据作物生理需水需肥规律构建多因素耦合水肥模型，实现水肥药并施、实时监测反馈及自动化管理，不断推进水肥一体化规范化、标准化、实用化。