干旱区马铃薯膜下滴灌水肥一体化技术探讨

董 昕

（水城区水土保持站，贵州 六盘水 553600）

马铃薯营养价值高、产量大，适应能力强，在我国年均种植面积超过467×104hm2。马铃薯作为人们饮食结构的重要组成部分，与农业经济发展有着密切联系，探索其水肥需求规律，进一步改善马铃薯耕层土壤环境，是实现马铃薯高产优质的有效途径。水分和养分是马铃薯生长过程中极为重要的两大因素，掌握其需求规律及二者耦合机制有利于马铃薯高效栽培，从而提高经济产量。我国北方地区盐碱地资源广泛分布但水资源明显不足，因水资源短缺而造成的土壤贫瘠及农田次生盐渍化问题对农作物产量影响巨大。同时，部分区域因无序开垦土地、采用大水漫灌及尚未实现精准施肥等高耗低效的水肥投入方式，导致水土资源严重浪费、土地生产能力持续下降及土壤生态环境恶化等问题，制约着当地农业生态环境的发展。膜下滴灌水肥一体化技术是在覆膜条件下，利用可控灌溉管道系统，根据土壤水分、养分含量和作物需水需肥规律，将水肥溶液通过滴灌带均匀、定时、定量、定点地灌入作物根部，满足作物生长发育的同时，实现水肥药同步管理的高效农田节水技术。与其他灌溉类型相比，膜下滴灌在调节农田土壤水热、改善耕层土壤水肥、阻止土壤返盐以及提高土壤可持续生产能力方面均有一定程度的优势[1]。研究表明，覆膜滴灌整个生育期耗水强度更是明显降低，而作物产量提高23%～30%，节水37%～45%，节肥超过30%[2]。因此，研究马铃薯水肥一体化技术，既可节水省肥、减蒸抑盐、保温保墒，又可为马铃薯种植提供良好的耕层生长环境，提高马铃薯生产综合效益，对农业可持续发展具有重要意义。

1 膜下滴灌水肥一体化技术研究概况

1.1 国外膜下滴灌水肥一体化研究

为克服以色列水资源紧缺难题，20 世纪60 年代以色列学者开发出首个滴灌水肥一体化设备，将水肥混合溶液直接输送到作物根部，实现了农业灌溉施肥技术的一大突破。20世纪70 年代后，在美国、澳大利亚、墨西哥、南非等国家灌溉技术大面积推广应用，滴灌水肥一体化技术也日臻成熟。如美国水土资源充沛，有效灌溉区域不足中国灌溉总区域的50%，但滴灌区占有效灌溉面积的62.4%，有效提高了水土资源利用效率。

1.2 国内膜下滴灌水肥一体化研究

我国自1974 年前后从墨西哥引入滴灌技术设备，开始了滴灌试验研究并建立示范区，主要应用于蔬菜、果树等作物。至1985 年我国滴灌面积已经达到1.5×104hm2，且90%以上的滴灌区域分布在辽宁省果树灌溉区。20 世纪90 年代中后期，许多专家学者应用膜下滴灌技术在新疆盐碱地大面积种植棉花并取得成功，促进了我国大田膜下滴灌体系的发展。进入21 世纪后，随着我国膜下滴灌技术的日渐成熟，科研工作者对其节水节肥、保温抑盐、增产机理以及水肥耦合效应等方面进行了深入研究。如邓忠等通过棉花膜下滴灌水氮调控试验研究发现，当灌水量390 mm、施氮量300 kg/hm2时，棉花干物质积累量最高，表明水氮耦合效应显著促进棉花干物质积累[3]。在宁夏自治区对马铃薯进行试验研究发现，小量多次灌，施氮量为180 kg/hm2模式下，马铃薯的产量、商品薯率和淀粉含量均最高[4]。滴灌水肥一体化条件下，水分可加速肥料的溶解，适时适量的灌水施肥可以促进作物高效吸收水分和养分。应用滴灌技术的地区和作物也从新疆棉花扩展到我国整个干旱半干旱地区的玉米、番茄、洋葱等作物，促进了我国滴灌水肥一体化技术的全面发展。

2 膜下滴灌马铃薯水肥耦合效应研究概况

2.1 马铃薯水肥一体化关键技术研究

马铃薯膜下滴灌水肥一体化技术关键在于适时适量将水肥精准投入到作物根部，减少深层渗漏，加之覆膜可以提高耕层土壤温度，降低马铃薯生育期内耗水量，提高抗旱性，从而提高水分利用效率，增加干物质积累以提高马铃薯产量。此外，适宜的肥料投入有助于提高马铃薯对土壤储水和养分的转化利用，进而减少水肥的投入，制造更多养分不断向块茎输送，提高产量的同时达到保护环境的目的。

2.2 需水需肥规律研究

研究表明，不同生长阶段的马铃薯需水、需肥具有一定差异性，马铃薯全生育期耗水量呈先增后减趋势，生长前期（苗期）土壤水分下限最佳指标为65%，中期（块茎形成期、块茎增长期）为75%～80%、后期（淀粉积累期）为60%～65%[5]。此外，马铃薯是喜肥作物，其产量的高低与土壤养分也有很大关系，土壤养分不足，产量水平低，施肥过量或时期不当也会造成减产。梁玲玲等[6]通过马铃薯减肥增效田间试验研究表明，相比习惯施肥（51%复合肥1 500 kg/hm2），推荐施肥（40%专用肥1 500 kg/hm2）处理氮肥总施用量减少20%，马铃薯产量和氮肥利用率均增加14%。商美新等[7]认为在适宜水分处理下，施氮量150～225 kg/hm2时马铃薯增产最为显著，继续增加氮肥投入达到300 kg/hm2，产量不仅没有增加反而略有下降。

2.3 水肥耦合效应研究

水肥交互耦合是促进作物生长发育的有效措施，对作物产量、品质性状及水肥利用效率均有显著协同作用。研究表明，干旱区马铃薯在灌水和氮素的交互作用下，总产量、单薯质量和商品薯率均有显著提高，全生育期总灌水量345 mm，灌溉频率8次，施肥量为常用施氮量的70%（氮肥236 kg/hm2、磷肥236 kg/hm2、钾肥193 kg/hm2），马铃薯产量最高，商品薯率平均达到89.4%[8]。杜常亮等[9]通过陕北温室马铃薯产量对水肥耦合效应的响应模拟研究，确定了马铃薯最佳的灌溉和施肥调度，在田间持水量的60%、常规施肥量的75%时增产效果明显且品质较高，为优化温室马铃薯产量和水肥生产率的最佳模式。为探明滴灌马铃薯水肥最优管理模式，获得更高的经济效益，郭涛等[10]通过对比试验研究发现，滴灌施肥条件下，水肥耦合效应相比单独灌水或施肥对马铃薯的产量更高。总的来说，根据灌水量以及马铃薯品种来调整肥料施用量以满足作物需求，不仅提高了水肥利用效率和马铃薯产量，还降低了农业投入量。

3 膜下滴灌马铃薯对农田土壤环境的影响

3.1 土壤水热传输特性研究

农田土壤水热状况是影响作物光合作用、基础代谢、农田小气候形成及其变化机制的重要因素。因此，研究膜下滴灌农田土壤水热传输特性，有助于认知农田现状并预测未来变化趋势，是分析和评估农田生态系统生产能力和潜力的重要前提。张永强等[11]采用波文比-能量平衡法与涡度相关技术综合研究农田水、热与CO2通量，精度稳定地揭示了水、热传输的长期变化过程。毛晓敏等[12]对叶尔羌灌区农田作物水热状况进行模拟研究，建立了土壤水热迁移数学模型，模拟得到土壤贮水量、地表温湿度的变化过程。李梦露[13]为了探讨膜下滴灌提高马铃薯产量的机理，研究发现马铃薯膜下滴灌与无覆膜无滴灌相比提高土壤含水率近20%，产量提高近1.09 倍，土壤温度提高9%。此外，利用HYDRUS-2D 模型模拟不同灌水量下农田土壤水热传输特性，张友良[14]研究表明，覆膜隔绝了土壤与外界的水分交换，改变了农田系统水热平衡各分项的日内变化，在日尺度上明显降低了潜热通量，减弱了土壤与外界的显热通量，使夜间土壤温度下降缓慢，表明覆膜滴灌结合显著改变了近地面温、湿度及土壤理化性状，促进马铃薯生长发育和最终产量的形成。

3.2 土壤水盐运移规律研究

近年来国内外研究发现，与传统的漫灌、畦灌等技术相比，膜下滴灌技术以水滴形式将水分均匀、缓慢输送至作物根部，带动表层盐分向深层迁移，作物根系则被限制在滴头附近的淡盐区，为作物生长提供良好的水土环境，对生产率、产投比有着关键性作用。与天然降水相比，膜下滴灌能有效减轻土壤盐渍化现象，且滴灌过程中蒸发损耗低，还可促进土壤肥料的运移，而天然降水由于土壤水分水平运动距离和范围越广，盐分积累也越多，土壤盐渍化现象较为严重。同一灌水水平下，不同滴灌频次对土壤水盐运移也有显著影响，具体表现为：滴灌频率低，盐分淋洗深度浅，盐分聚集在表层，当增加滴灌频次时，土壤蒸发减弱，盐分向上迁移程度降低，所以作物根区始终盐分含量少[15]。也有研究表明，在轻度水盐胁迫下，作物水肥耦合效应可以缓解作物在盐碱地受到的盐分胁迫，但水肥耦合效应随着土壤盐渍化程度的增加而减弱[16]。这是因为轻度盐分胁迫使作物根系产生生理抗逆，促进作物根系对土壤中水分和养分的摄取。此外，增加灌水频率也可以有效降低土壤表层盐分，促进作物高效增产[17]。

4 问题与对策

4.1 存在的问题

马铃薯膜下滴灌水肥一体化技术在实际推广过程中，仍存在一些问题：①滴灌管道长时间暴露于外部环境中，容易受到日照、雨水等影响出现老化、部件损坏等问题；②地膜覆盖面积增加导致残膜在土壤中大量积累，破坏了土壤环境，对农田生态系统造成严重影响；③水肥管理缺乏科学性，配套农艺措施、相关设备产品及操作标准不紧密，农民无法确定合理的水肥调配比例，导致滴灌过度或滴灌不足，严重影响了膜下滴灌效益。

4.2 解决措施

一是在农村地区推广膜下滴灌技术的正确操作方式，加大对运行管理人员的培训力度，督促在运行管理阶段维修养护，及时更换损坏、锈蚀部件；二是加强对更经济实用滴灌产品的研究，如一次性使用滴灌带；三是推广使用可降解地膜，是防治地膜污染的有效途径。可降解地膜与普通塑料薄膜增温保墒和除草效果一致，但能显著降低农田地膜残留量，对农田生态系统破坏小；四是以农业生产需求和农民实际需求为依据,因地制宜研发实用型滴灌设备，建立与推广实用轻简化、适应区域性的水肥一体化综合管理制度，提高灌溉施肥精度。

5 结语

在现有单项技术基础上，进一步研究土壤水、肥、气、热及盐综合效应，因地制宜地研发低成本膜下滴灌水肥一体化精准灌溉设备、大型植保机械等智能化技术，加强对关键技术的理论研究，同时注意培养农民节水意识和加强用水管理制度,是马铃薯膜下滴灌水肥一体化技术在未来一段时间内稳定高效推进的主要方向。