2019-果树水肥一体化高效利用技术研究进展_刘思汝.pdf

果 树学报 2019 36 3 366 384 Journal of Fruit Science DOI 10 13925 ki gsxb 20180212 果树水肥一体化高效利用技术研究进展 刘思汝 石伟琦 S马海洋 王国安 2 陈清 S徐明岗 海南省热带作物营养重点实验室 中国热带农业科学院南亚热带作物研究所 广东湛江 524091 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193 摘要 中国是果树产业第一大国 如何提质增效 己是果树产业实现可持续发展亟待解决的问题 水肥一体化是将 节水灌溉与按需供肥相结合的高效水肥利用技术 是解决该问题的有效途径 笔者简要介绍了果树水肥方面存在的 问题 并比较了不同灌溉施肥方式的优缺点 同时阐述了水肥一体化条件下水分和养分在土壤中分布运移规律 详细 剖析了氮磷钾主要养分的迁移转化规律 分别从根系 叶片 新梢及叶面积指数等方面综述了水肥一体化技术对果树 生长发育的影响 并重点探讨了其对果树增产 提质增效等方面的应用效果 进而揭示了肥水一体化技术的稳定性和 通用性 最后提出了果树水肥一体化技术目前存在的问题 进而探索了未来可能的研究热点和发展重点 以土壤有机 质为核心的水肥资源高效利用机制的研究 水溶性肥料配方目标多样化和功能综合化同步推进 研究不同果树生育期 的营养需求 生长环境的养分状况 建立通用的施肥模型 并制定合理的水肥调控方案 建立完善技术服务体系 提供 果树完全解决方案 关键词 果树 水肥一体化 增产增效 迁移转化 中图分类号 S66 文献标志码 A 文章编号 1009 9980 2019 03 0366 19 Advances in research on efficient utilization of fertigation in fruit trees LIU Siru1 SHI Weiqi MA Haiyang1 WANG Guo an2 CHEN Qing2 XU Minggang1 Hainan Tropical Crops Nutrition Key Laboratory South Subtropical Crops Research Institute CATAS Zhanjiang 524091 Guangdong China 2 College of Resources and Environmental Sciences China Agricultural University Beijing 100193 China Abstract China is the world s largest producer of fruits It is an urgent issue for the sustainable devel opment of the fruit tree industry on how to improve the efficiency of resource use to realize ecodevelop ment to improve the quality of fruits to increase the income of farmers to rejuvenate the countryside The technology of fertigation replenish fertilizer and water to the soil of crop roots uniformly and accu rately with a small flow so that the nearby soil often maintains appropriate moisture and nutrients so that the crop nutrients are maximally absorbed This new technology can reduce the resistance of diffu sion and mass flow and create a stable root environment for crops It can also realize the interaction be tween water and fertilizer and effectively control the quantity and frequency of irrigation water Mea while according to the soil nutrient content crop nutrition characteristics and fertilizer requirements regulate the mode of fertilization so that the soil around the roots always maintain the best supply and demand status and can improve the efficiency of water and fertilizer use Fertigation may be an effec tive way to solve this problem This paper briefly introduces the problems of water and fertilizer in fruit trees and compares the advantages and disadvantages of diflbrent fertigation methods The drip irriga tion can not only significantly increase crop yields and promote crop growth improve crop quality in crease water and fertilizer use efficiency but also inhibit soil degradation and ensure that soil microbial 收稿日期 2018 06 24 接受日期 2018 12 11 基金项目 国家科技支撑计划 2014BAD16B06 耕地培育技术国家工程实验室开放基金 201706 热区耕地土壤改良科技创新团队 1630062017019 中国热带农业科学院基本科研业务费专项资金 1630062018012 作者简介 刘思汝 女 硕士 主要研究方向为果树营养与施肥 Tel 18022638173 E mail liusiruru 通信作者 Author for correspondence Tel 0759 2859142 E mail weiqishi 第 3期 刘思汝 等 果树水肥 体化高效利用技术研究进展 367 activity is at a high level Therefore drip irrigation fertilization mode is currently the most widely used and most water saving irrigation fertilization mode and has received much attention in the development of modem intensive agriculture It analyzed the application effects of fertigation technology on fruit trees production fertilizer efficiency fruit quality water and fertilizer saving and labor productivity etc The conclusion revealed that the fertigation technology is stable and versatile And it is concluded that although the investment cost of fertigation technology is high in the initial period its economic ben efits are much higher than that of conventional irrigation and fertilization and there is still much room for improvement It is important to reduce the labor intensity and save water and fertilizer resources At the same time the distribution and transfer of water and nutrients in soil under fertigation technology conditions were expounded and the transfer and transformation laws of N P and K nutrients under the conditions of water and fertilizer integration was also analyzed in detail From the article we can under stand that the laws of nutrient element migration and transformation in soil and effective utilization of fruit trees have influenced the effective application of water and fertilizer control technologies and the exertion of effects Therefore accurately grasp and understand migration and transformation of the nu trient elements under the conditions of fertigation technology is of great significance Through literature review and analysis the effects of water and fertilizer integration techniques on fruit tree growth and de velopment were reviewed from the aspects of roots leaves new shoots and leaf area index and the crease of fruit yield water and fertilizer utilization rate and fruit quality improvement were emphasized The application effect of the other aspects reveals the stability and versatility of the fertilizer water inte gration technology Then it also proposed that fertigation had its own limitations in terms of lack of specificity of water soluble products lack of professional management personnel and imperfect sup porting measures At present this technology is lacking in combination with soil water and fertilizer sta tus and crop characteristics and scarcely be comprehensive considerations from the perspective of farm land ecology Finally potential research hotspots and development priorities in the future were ex plored The research on the efficient utilization mechanism of water and fertilizer resources with the core of soil organic matter will become a key breakthrough point for further increasing the crop yield and the efficiency of water and fertilizer utilization It is a major scientific issue that needs to be solved urgently to achieve sustainable development of agriculture and ecological environment Then the diver sification of the objectives of the water soluble fertilizer formula and the integration of functions are promoted simultaneously The focus of this study is on the nutrient requirements of different fruit tree growth periods and the nutrient status of the growing environment At the same time the rules for the transfer and transformation of nutrient elements in different soil conditions are further explored The amount of fertilizer needed for fruit trees and their growth period are accurately calculated based on the research results For the allocation establish a general fertilization model and based on the field experi ment find suitable irrigation levels and fertilization levels for different regions and different fruit trees and establish the most important irrigation volume irrigation period and optimal level that affect yield and fruit quality Water and fertilizer coupling model formulate a reasonable water and fertilizer regula tion program In the future it is also necessary to establish a complete technical service system and pro vide a complete solution for fruit trees Therefore adopting new technologies for fertigation improving the efficiency of the use of fertilizer resources improving the quality of fruits increasing the income of farmers developing green and revitalizing the countryside are the only way for the development of fruit trees in China Key words Fruit tree Fertigation Increase production and efficiency Transformation 368 果 树 学 报 第 36卷 水分和养分 肥料 是作物生长的最基础条件 是人为调控频繁 影响最大的生长环境因子叫也是 制约我国农业可持续发展的主要因素叭我国水资 源短缺 且时空分布不均 污染及浪费严重 水资源 供需矛盾日益加剧删 我国又是农业大国 农业用 水比例高达 62 4 且农业灌溉水的利用系数仅为 0 54 远低于发达国家 0 70 0 80叫因此实施高效节 水农业对缓解我国水资源紧张具有重大的意义 肥 料在我国农业生产上对于维持地力 提高土壤肥力 作用重大些但目前国内不合理施肥问题严重破坏 了 土壤肥力结构 造成土壤酸化板结 污染环境 而 且肥料利用率极低叫研究发现 我国 N P K的当 季利用率分别为 30 35 10 20 35 50 而发达国家为 50 60 叫且谷类当季平均肥料利 用效率比欧美低 15 30 叫因此 研究作物需水 需肥规律 实施高效合理灌溉施肥技术 对于实现我 国农业可持续发展意义重大 水与肥是联因互补 互相作用的因子 充分利用 水肥之间的交互作用 是提高我国农业增产 农民增 收的重要手段 因此 以 以肥调水 以水促肥 为核 心内容 并将节水灌溉及按需供肥相结合的水肥一 体化技术是我国现代农业和植物营养学科研究的热 点和重要的发展方向卩 目前 国外在水肥一体化 技术方面的研究 推广及应用较为突出 以色列早在 上世纪 60年代末 在经历了大水漫灌 沟灌 喷灌和 滴灌几次革命后凹 便开始开展水肥一体化技术的 研究 如今以色列 90 以上的农业均实现了水肥一 体化技术 且为欧洲提供 40 的水果和蔬菜 拥有 欧洲果篮 的称号 澳大利亚 美国 南非 新西兰 等国家开始推广和应用水肥一体化技术也较早 目 前美国的灌溉农业大约有 25 的玉米 60 的马铃 薯和 32 8 的果树均采用水肥一体化技术种植何 近年来 全球气候变暖和季节性干旱现象等环境问 题日益严重 日本 意大利等发达国家和印度 墨西 哥等发展中国家也开始重视节水灌溉 z叫而反观 我国水肥一体化技术 虽然推广速度快 应用面积超 过 666 7亿 m 但占总灌溉面积之比仍不足 10 与 美国 22 及以色列 90 相比较仍有较大的差 距 w叫因此 广泛推广和应用水肥一体化技术是提 高我国现代节水农业生产效率的核心内容 中国是果树产业第一大国 2016年我国水果面 积和产量均居世界首位 果树产业在我国种植业排 名第三位 是农业增效 农民增收和农村经济发展的 支柱产业之一 在拓展农业生产 生活 生态等功能 中发挥着重要的作用 目前已经成为满足人民生活 需求 提升农村生产生活及收入水平的新兴产 业冋 相对于粮食作物 果树经济价值高 果品含有 丰富的营养物质 是人体生长发育和营养所必需的 物质 深受人们的喜爱 但近年来为了追求更高的 产量和经济收益 农户对果园进行大量灌溉与施肥 造成果实品质较差 生产成本增加 水肥利用率明显 降低 尽管有部分果园农户应用水肥一体化技术 增产 节水节肥及提高水肥利用率也初见成效 但由 于其推广速度较快 导致果园农户相关设备配套性 差 缺乏科学合理的技术支撑 并且其智能化较差 不能按照果树需肥规律进行精准施肥 果树养分元 素快速诊断和土壤养分原位监测技术装备研发也滞 后 更重要的是果园农户按照漫灌或者畦灌条件下 的用水用肥量进行滴灌施肥沿用传统的灌溉施肥经 验 造成水肥浪费 果实品质降低等现象也时有发 生问 尽管如此 随着水肥一体化技术的进一步的 推广及果园设备等进一步的完善 水肥一体化技术 在果树行业也显现出良好的应用前景咲 嘉 1水肥一体化技术简介 水肥一体化技术将肥水以小流量 均匀准确地 补充给作物根系的土壤 使其附近的土壤经常保持 适宜的水分和养分 从而使作物营养得到最大化的 吸收皿创 其主要作用机理是以水为载体使有效养 分通过扩散和质流两个过程迁移到作物根系 增强 可溶性营养物质的运输 并在适宜灌水量的条件下 促进根系生长 增强根系吸收能力 加快根系对土壤 中有效养分的吸收 I5 24 O水肥一体化技术能够减少 扩散和质流的阻力 给作物创造稳定的根层环境 实 现水肥互作效应冋 同时还可以有效地控制灌溉水 的数量和频率 并根据土壤养分含量 作物的营养特 性和需肥规律 调控施肥模式 使其根系周边土壤始 终保持最佳供需状态 提高水肥利用效率 22 26 这 种定时定量供给作物水分和养分且维持土壤环境的 有效技术具有节水节肥 增产增收 省工省时 提高 水肥利用率 便于自动化管理 保护环境等优点 0创 目前已广泛应用在蔬菜 花卉 果树 设施栽培以及 经济价值高的作物上映呵 水肥一体化技术主要的灌溉方式有喷灌 微灌 第 3期 刘思汝 等 果树水肥一体化高效利用技术研究进展 369 滴灌和微喷灌 渗灌 将传统灌溉方式与现代灌 溉方式优缺点比较汇总 表 1 从中可以看岀传统灌 溉方式成本低 灌水充分 但易造成水资源浪费 水 分利用效率较低 4种传统灌溉方式中 畦灌比其 他灌溉方式略微省水但易破坏土壤结构 造成土壤 板结等问题 沟灌蒸发损失较少且不易破坏土壤结 构 但水资源浪费严重且消耗劳动力大 淹灌和漫灌 均对土壤湿润充分 其中漫灌的均匀性较差 水资源 表 1传统灌溉方式与水肥一体化设施灌溉方式的比较 Table 1 Comparison of traditional irrigation methods and irrigation methods of fertilization 灌溉类型 Irrigation type 灌溉方式 Irrigation method 概念 s Concept 优点 Advantages 缺点 Disadvantages 传统灌溉方式 Traditional irrigation methods 漫灌 Flood irrigation 灌水时在地面上漫流 借助重力作用渗入土壤 When flooding it flows on the ground and penetrates the soil by gravity 湿润充分 Full of moisture 均匀性差 耗水量大 Poor uniformity large water consumption 淹灌 Flooding 土地划分为格田 灌水时 格田内保持一定深度水层 借助重力作用湿润土壤 The land is divided into grid fields When flooded a cer tain depth of water layer is maintained within the grid and the soil is wetted by gravity 湿润充分 Full of moisture 耗水量大 易造成养 分淋溶 Large water consump tion easy to cause nu trient leaching 畦灌 Rectangle irrigation 土地分割成长方形小畦 灌水时 在畦田上形成薄水 层 借助重力作用湿润土壤 The land is divided into rectangles When flooded a thin layer of water is formed on the paddy field and the soil is wetted by gravity 略微省水 Slightly save water 费工 破坏土壤结构 Waste labor destruc tion of soil structure 沟灌 Furrow irrigation 作物行间开挖灌水沟 水从引水渠进入灌水沟 借助毛 细管作用湿润 1 壤 The irrigation ditch is excavated between rows of crops and the water enters the irrigation ditch from the diversion channel and the soil is wetted by capillary force 减少蒸发损失 Reduce evaporation loss 费工 耗水量大 Waste labor large wa ter consumption 现代灌溉方式 Modem irrigation methods 喷灌 Sprinkler irrigation 由管道将水输送到喷头中喷出 借助毛细管力和重力作 用渗入土壤 Water is sent from the pipe to the sprinkler and penetrated into the soil by capillary force and gravity 节水 肥 增产 增收 省 工 时 易于机械化 Save water fertilizer in crease production increase income save labor and time easy to mechanize 易受风影响 均匀性 Susceptible to wind poor uniformity 微喷灌 Micro sprinkler irrigation 利用折射 旋转或者辐射式微型喷头将水喷洒到作物枝 叶等区域的灌水形式 The use of refraction rotation or radiation micro sprin klers can spray water to the crop leaves and other areas of the irrigation form 节水 肥 增产 增收 省 工 Save water fertilizer in crease production increase income save labor 易发生病虫害 Prone to pests and diseases 滴灌 Drip irrigation 通过滴灌管道输送到毛管 并通过安装在毛管上不同灌 水器将水滴入作物根区附近土壤中的灌水形式 Through the drip irrigation pipeline to the capillary tube and through the installation of different irrigation devices installed on the capillary will be drip into the water in the soil near the root zone of the crop form 节水 节肥 增产 增收 省 工 易自动化 Save water save fertilizer increase production in crease income save labor and facilitate automation 前期投资成本高 易 堵塞滴头 High initial invest ment costs easily cause clogged drip pers 渗灌 Percolation 低压条件下 通过埋于作物根系活动层的渗灌系统 直 接渗水供给作物根部 Under low pressure conditions direct infiltration is provid ed to the roots of the crop through the infiltration system buried in the active layer of the root system of the crop 节水 节肥 增产 增收 省 工 Save water save fertilizer increase production in crease income save labor 易造成滴头堵塞 Easily cause clogged drippers 和肥料浪费较为严重 其利用效率极低 与传统灌溉方式相比 现代灌溉方式具有节约 资源 提高效率等优点 但自身也有局限性 例如 喷灌和微喷灌均易受风影响 蒸发损失大 易造成杂 草丛生和病虫害 其中喷灌不利于喜水植物 渗灌能 够直接将水肥供给作物根部 但由于渗灌系统等设 备埋于作物根部附近的土壤下 易造成灌水系统堵 塞 后期管理较为困难 滴灌虽然首期设备投资较 高 但相对经济效益而言 依然有很大的利润空间 严程明等的和马海洋等 在对喷灌和滴灌方式下菠 萝产量和效益的研究中发现滴灌施肥模式是最优的 水肥耦合方式 这与侯延杰等网 颜克发 在研究不 同灌溉方式中发现滴灌施肥模式为最佳模式的结果 相一致 与其他灌溉方式相比 滴灌不仅能够显著 提高果树产量和促进果树生长发育 改善果实品质 提高水肥利用效率叶叫又能抑制土壤退化閃 保证 370 果 树 学 报 第 36卷 土壤微生物活性处于较高水平阿 因此 滴灌施肥 模式是目前应用最广泛 最节水的灌溉施肥模式 在 现代集约化农业的发展中备受关注 2水肥一体化对土壤水分和养分时空 变化的影响 2 1水肥一体化技术条件下水分在土壤中的迁移 规律 水分在土壤中的迁移规律主要受土壤性质和灌 水特征 灌水量 滴头流量等 因素的影响 土壤类 型不同 水分在土壤中迁移规律也有所差异 在灌水 特征相同的情况下 偏砂性土壤水分水平湿润距离 小于垂直湿润距离网 因此充分了解不同条件下的 水分的迁移规律 对于指导水肥一体化制定合理的 灌溉施肥制度意义重大 近年来 国内很多学者通过研究滴头流量和灌 水量等因素来了解水分在土壤中的运移分布规律 通过测定土壤湿润锋运移规律 分析不同灌水量和 滴头流量下的最大横向 纵向湿润直径与其关系模 型 进而确定滴灌设计的基本参数 张振华等的 认为初始含水率和容重对土壤湿润体特征值有较明 显的影响 土壤湿润体形状和大小受灌水量的影响 较大 杨直毅等的对山地红枣滴灌水分运移规律试 验研究结果表明土壤湿润体的水平和垂直扩散距离 与灌水量存在显著的幕函数关系 张计峰等阳研究 滴灌对枣园土壤水分运移和红枣叶片的影响中发现 土壤垂直湿润峰与灌水量呈线性关系 而水平湿润 峰随时间的变化呈显著的二项式函数关系 吴卫熊 等剧在分析广西山区三种类型土壤在滴灌条件下土 壤水分运移规律中发现 水分运移形状不同 且运移 速率以沙土最大 并提出沙土 壤土和黏土滴灌管在 广西山区较为适宜的掩埋深度及滴孔间距的分别为 10 15和 20 cm 而适宜的滴孔间距分别为 25 30 和 35 cm 另外 由于水分在土壤中的迁移过程较为复杂 田间试验只能了解特定条件下的迁移规律 因此 国 内外学者还提出了大量的适用于不同条件的土壤溶 质运移的数学模型来模拟土壤中的水分及养分运动 迁移过程 斗勺 同时还开发了水分和溶质运移模拟软 件 目前常用的模型软件包括 HYDRUS系列模型 VS2DT系列模型 SHAW模型等仲切 其中 HY DRUS系列模型在土壤水盐运移研究领域应用较 多 且效果较好 如 Cote等网利用 HYDRUS 2D 模 型模拟了在地下滴灌条件下土壤水分及溶质运移规 律 李显激等 切应用 HYDRUS软件 模拟了淋洗压 盐条件下暗管排水区域内的土壤水盐运移过程 李 久生等初利用 HYDRUS 2D模拟了地表滴灌施肥条 件下土壤水 氮的分布 近几年来 我国学者还提出 了可用于地表和地下滴灌条件下的土壤水分 盐分 运动模拟的数值模型 TIVS模型网 能够在膜下滴灌 等条件下取得较好的模拟效果 除此之外 还有其 他土壤水盐运移模型 WAV ES模型 PROFLOW模 型和 2DFATMIC模型以及土壤水分及氮素运移模 型 SOILD模型 WHNSIM模型和 ANIM0模型等 虽然关于土壤水分迁移的数学模型很多 但不同模 型的侧重点不同 且数学模型的构建也不可能将所 有影响因素考虑全面 因此在应用上不一定完全适 合拟合 还需进一步根据实际情况进行调整和验证 2 2水肥一体化技术条件下养分元素的迁移转化 规律 氮 磷 钾等主要营养元素在果树营养和生殖阶 段发挥着重要的作用 一般通过土壤供应将氮 磷 钾营养元素维持在最佳水平 才能获得果树的高产 量和好品质 而水肥一体化技术能根据果树品种按 需施肥并直接施于根区 进而减少养分的淋失冋 有效利用养分元素的迁移转化规律在很大程度上影 响了水肥调控技术的应用效果 因此准确掌握和了 解水肥一体化技术条件下养分元素的迁移转化规律 意义重大 2 2 1水肥一体化条件下氮素在土壤中迁移转化规 律氮素是果树生长发育必不可少的元素之一 能 够促进果树生长发育和养分吸收目前水肥一体 化技术应用中较为常见的氮肥主要有尿素 鞍态氮 和硝态氮肥等 明确氮肥在进入土壤后的迁移转化 规律 才能减少氮素淋溶损失 采取有效措施调控植 物生长阶段氮素的供应 Alva等何发现滴灌施肥能 够显著减少硝态氮的流失 Clothier等冋提出了滴 头周围土壤非饱和尿素溶液的非稳定水和氮三维运 输近似理论 成功定位了由尿素衍生的惰性硝酸盐 和活性钱的渗透 为水氮耦合高效利用提供了理论 依据 习金根等飽采用室内土柱模拟方法研究了滴 灌施肥条件下不同种类氮肥在土壤中的迁移转化特 性 结果显示 3种氮肥在 2种土壤类型中的淋失量均 是硝态氮 尿素态氮 鞍态氮 黄吴进等 研究发 第 3期 刘思汝 等 果树水肥一体化高效利用技术研究进展 371 现温室滴灌施肥条件下土壤硝态氮量随灌水量和施 肥量的增加而增加 随土层深度的增加而逐渐减少 目前 水氮平衡管理是水肥一体化技术的难点 关系到生态安全 在相同灌溉条件下 氮素淋洗量 随着施氮量的增加而增加阿 需频繁使用低浓度氮 才能最大限度的减少硝态氮的淋溶损失 提高氮素 利用率 这样也能使土壤中 N的残留达到最小化列 但是耦合频率过于频繁 将降低水的利用效率 当施氮量为 234 kg hm 2 平均每年的淋洗量为 71 kghm2 当施氮量增加 4 72倍时 淋洗量也增加 3 09倍叫在田间试验中 施氮量为 189 kg hm 的 条件下 每年的氮素淋洗量仅为 25 kg hm2 超过正 常灌溉量 1 13倍时 淋洗量增至 47 kg hm 21621o研究 表明历经 30 a 年 后 施用于农作物的合成氮肥约 15 仍然残留在土壤的有机物之中 且约 10 的氮 肥已从土壤向地下水渗透 且将持续保持至少 50 a的低量泄漏冋 Ju冋进一步指出 Sebilo等冋文章 报道的情况只适合于对体系低量