水作为生物生存不可或缺的自然资源,是人类赖以生存的生命源泉,也是影响植物生长的关键因素。我国幅员辽阔,但水资源十分匮乏且分布不均。据统计,我国水资源总量为2.81万亿立方米,人均水资源占有量为2 200立方米,为世界平均水平的1/4,由此可见,我国水资源短缺相当严重。近年来环境污染、水肥资源浪费等问题愈发严重,制约了我国农业的可持续发展。我国果树种植面积和水果产量均居世界首位。但是水肥资源匮乏很大程度上制约了水果产业的发展,如何节约水肥资源、降低生产成本、提高水果品质成为重要的研究方向。常规灌溉、施肥方式破坏土壤结构,也造成水肥资源浪费严重。水肥一体化指的是将水肥混合液定时、定量地输送到植物根部,保证植物在吸收水分的同时也吸收养分。研究表明,果园应用水肥一体化技术可节约水肥资源、改善土壤结构,从而增加果品产量、提高果品品质。鉴于此笔者对水肥一体化技术的发展现状、主要模式、应用效果、存在问题与建议等方面进行综述。早在公元400年就有了水肥一体化的雏形,但20世纪60、70年代才开始正式而广泛的应用。随着塑料工业的发展,以色列为了提高水资源的利用率开始普遍使用水肥一体化技术。20世纪70年代,美国、法国、墨西哥、新西兰等国家滴灌和施肥技术也在迅猛发展。到目前为止,以色列在果园、花卉、温室以及园林绿化等领域广泛应用水肥一体化技术,推广面积占全国农业灌溉总面积的67.9%,居世界首位。1974年,我国从墨西哥引进滴灌设备,开始了水肥一体化技术的研究与推广。1980年我国第一代滴灌设备自主研制成功,自此开始了规模化生产,推广与应用面积迅速扩大。目前,水肥一体化技术已经在我国中、西部半干旱地区的葡萄、柑橘、苹果等果园中得到了广泛应用,并且取得了良好的效果(图1)。但是,相较于以色列、美国等发达国家,我国水肥一体化技术在果园中的推广、应用与管理仍然存在较大差距,应用面积只占全国灌溉总面积的1.25%。
水肥一体化技术又称为“水肥耦合”,是一种利用一体化系统的压力将适宜土壤墒情、作物需求、养分含量适中的水肥混合液定时、定量地输送到植物根部,保证植物在吸收水分的同时也吸收养分,可以实现水分和养分在时间上同步、空间上耦合,从而改善果树生产中水肥供应不协调和耦合效应差的弊端,大大提高了水和肥的利用效率。
2.1 喷灌施肥
喷灌施肥就是将一定量的可溶性肥料溶于水中形成水肥混合液,利用水泵等设备加压,将其送到需要灌溉的区域,再利用喷头等专业设备将其喷射到空中形成水雾或小水滴,均匀喷洒在作物和土壤上以供给作物生长所需要水分和养分的灌溉施肥方式。李慧卿等研究表明,应用水肥一体化技术与普通灌溉方式相比节肥率为25%,节水率高达50%,并能节省一半的劳动时间。水肥一体化技术对于地形要求不高,适用于山地果园等复杂地形,省时省力,成本较低。但容易受风力的影响,研究表明,当风速超过3.5米/秒时会导致喷灌不均,水分蒸发,灌溉效果减弱。
2.2 微灌施肥
微灌施肥是根据作物生长的需求和特点,通过管道系统和灌溉设备将水肥混合液以较小的流量,均匀、持续地输送到作物根系附近土壤的一种灌溉施肥方式。与地面灌溉的最大区别是可根据果树每个时期对营养、水分的需求规律制定相应的微灌制度,使果树能更加准确、快速地吸收需要的水分和养分,促进果树健康生长。其优点是能更高效的节约用水,且灌水均匀、不受风力的影响、操作方便、节省劳动力。但是前期投入成本过高,而且灌水设备的出口很小易被堵塞,故对水质以及管道过滤器要求很高,另外后期维护和修理也较繁琐。随着科技的进步,微灌技术渐渐发展出滴灌、微喷灌等多种灌溉方式。
滴灌是通过塑料管道将水运送到植物根部进行局部灌溉,在干旱地区是一种有效的灌溉方式,水的利用率高达95%。邓兰生等在滴灌对香蕉生长水肥利用影响的研究中发现,滴灌施肥较常规灌溉节水28.7%,灌溉效率提高了87.36%。严程明等研究表明,菠萝应用滴灌施肥较普通施肥方式节省氮肥42.84%,增产39.04%。
微喷灌是利用旋转或辐射式的微型喷头将水肥混合液均匀喷洒在作物根部土壤,供给作物吸收的灌溉形式,目前广泛应用于蔬菜、花卉、果树、药材种植管理中。与大水漫灌相比,微喷灌可节水80%以上,增产40%。马文涛等研究了不同灌溉方式对脐橙幼树生长及产量的影响,与传统灌溉施肥方式相比,应用微喷灌的果树(图2)单果质量增加了38.83%,产量增加了36.4%。
3.1 提高水肥利用效率
果园应用水肥一体化技术可以明显提高水肥利用率,促进果业的可持续发展。与传统的大水漫灌相比,水肥一体化技术将适量的水和可溶性肥料融合在一起,再通过灌溉设备系统精确、快速、适时地输送到果树根部附近土壤中,减少了水分的蒸发与养分的流失。
Lebese等研究表明,采用水肥一体化技术的苹果园水肥用量明显比采用普通灌溉技术的少。陆春等研究发现,采用水肥一体化技术的香蕉园较普通灌溉方式的节水49.6%,省肥22.9%。曾志等研究表明,应用水肥一体化技术的沙田柚园比普通灌溉施肥果园节本395.2元/亩,节肥15.97%,节水27.73%。综合分析表明,水肥一体化技术可以高效地节约水肥资源,尤其是在地形复杂、气候干燥、水源匮乏的地区效果更加明显,可节水约50%,节肥25%左右。
3.2 改善果园土壤环境
采用水肥一体化技术可以减少肥料的使用量,从而防止土壤中肥料过量造成土壤盐渍化,影响土壤环境。水肥耦合可以防止土壤板结,且对土壤表层破坏较小,保湿效果好,有利于土壤微生物群落的多样性,促进微生物的生命活动,加速有机质的分解,从而更利于果树对水分和养分的高效吸收。许娥研究表明,滴灌技术可以有效防止土壤酸化,在提高土壤养分含量的同时可减轻对环境的污染。杨久廷等研究了滴灌对番茄土壤理化性质的影响,发现滴灌能使土壤保持疏松状态,保护土壤的团粒结构,有利于植物的生长与吸收。
3.3 促进果树生长，提高产量和品质。
应用水肥一体化技术可以促进果树根系对土壤中水分和养分的吸收,从而促进新梢生长,提早开花结果。更可以有效调节果树的营养生长与生殖生长,提高果实的产量和品质。李全寨在对发育和品质影响的研究中发现,相较于传统的漫灌施肥,水肥一体化更能促进脐橙果实发育,防止裂果,增加产量。香蕉园采用滴灌施肥的研究表明,相较于肥料土施,滴灌施肥可使香蕉增产24%～46%。安华明等研究显示,应用水肥一体化技术不仅在一定程度上增加了椪柑果实的大小,产量也较对照增加了600千克/亩。王立飞等在水肥耦合对黄冠梨叶片光合及果实品质的影响的研究中发现,与普通灌溉方式相比,应用水肥一体化技术能明显提高果实品质,可溶性固形物含量增加16.2%(质量分数,后同),可滴定酸含量增加7.77%。韦阳峰研究发现,应用水肥一体化技术的猕猴桃单果质量和硬度增加,可溶性固形物含量和可溶性糖含量提升,果实中氮、磷、钾、钙等养分含量增加明显,营养和食用价值提高。
4.1 设备成本较高，技术研发滞后。
相较于低廉的灌溉用水,应用水肥一体化技术所需建造的灌溉施肥设备成本较高,对于小型果园和散户而言压力较大。另外,灌溉设备管道过细,易被矿物质和有机物堵塞,对于肥料的水溶性要求较高。目前,高水溶性肥料的研究尚处在起步阶段,品种少且价格高,高投入限制了水肥一体化技术的进一步推广。针对这些问题,应加强相关设备与技术的研发,以期降低前期资金投入。另外,要将灌溉施肥设备和水溶性肥有机结合,相互对接,在研发设备的同时推进水溶性肥料的多样化和功能综合化。
4.2 技术人员匮乏，普及度不高。
水肥一体化技术并不是简单的灌溉施肥技术,还涉及信息技术、植物营养、农田水利等多方面的知识。在具体实施时,安装、管理、后期维护也有严格的要求,需经过相应的培训指导才能正确应用。另外,大部分果农观念落后,对新生事物的接受能力弱,这限制了水肥一体化技术的推广。因此,需要加强相关技术人员的培训工作,建立信息共享平台,加大宣传与指导力度,改变果农落后的观念,普及水肥一体化技术。
5 展望
我国是水资源十分匮乏的国家,人均水资源只占世界平均水平的1/4。水肥一体化能显著提高水肥资源的利用率,是一项重要的节水、节肥技术,具有较好的应用前景。但由于起步较晚,我国水肥一体化技术水平、推广面积和发达国家相比还存在较大差距,故需要投入大量精力进行研究与实践,以期大面积推广与普及,在提高果农经济效益的同时促进我国农业的可持续发展。
