滴灌施肥研究进展及应用前景

滴灌施肥研究进展及应用前景

中国热带农业科学院南亚热带作物研究所罗文扬习金根

　　我国是一个水资源严重短缺的国家，干旱是制约我国农业发展的主要因素之一。在我国，水的有效利用率只有30%-40%，喷灌、滴灌等先进的节水灌溉占总灌溉面积的比例还很小。除水分外，养分缺乏以及水、肥二者供应的不同步性，也是制约我国农业生产发展的因素。而滴灌施肥不仅可以有效节约水资源和肥料，还可有效调节作物水分和养分的供应，在我国具有广阔的应用前景。

　　肥料虽然能较大幅度地提高农作物的产量，最大程度地满足人们对粮食的需求，但同时也带来了一系列的环境问题。随着人口的不断增长，人类一方面需要继续提高作物产量，另一方面又需防止因化肥施用量过高和施用方式不当而引起的环境污染。解决这个问题的关键技术之一是综合调控土壤一作物系统中水分、养分等的运移、贮存、转化以及相应的生态效应，以达到增加产量、节约水肥资源、提高环境质量的目的。化肥在世界农业生产所取得的巨大进步中发挥了重要作用。据估计，世界农作物增产的30%-60%来自化肥。建国以来，我国化肥工业发展迅速，据统计，从1950年至1980年平均亩产递增27.8%, 1980年我国化肥用量达1232万吨，跃居世界第一位，单位面积的施用量也高于世界平均水平。然而，普遍存在的问题是化肥利用率低，肥生产效益长期徘徊在较低水平。在施用化肥总量中，氮肥占有相当大的比重，约为60%左右。我国氮肥利用率为30%一50%，其中水稻平均为33%一38 ，麦类作物为28%一41%，国外一般氮肥利用率为50%一60%,50%左右的氮素从各个环节损失掉。因此，合理施用氮肥对于农业生产具有举足轻重的作用。为了合理有效地施用化肥，提高氮肥利用率，国内外农学工作者做了大量的工作，也取得了很多有效经验。仅从施肥来看，传统的施肥方法就有撒施、集中施(包括穴施、沟施、环状及放射施等)、分层施用、叶面施用等，以上施肥方法虽然在不同程度上有利于提高肥料的利用效率，但结果都不太理想。近年来，随着节水灌溉技术的发展，与其相结合的灌溉施肥技术的应用引起人们的关注。本文在此着重总结国内外灌溉施肥方面的研究进展，以及这一技术在我国的应用前景及存在问题等。

1 滴灌施肥技术的发展
　　以色列长期致力于开发节水新技术，以解决其水资源短缺问题。20世纪60年代，以色列人创造了滴灌技术，并建成了世界上第一个滴灌系统。这一系统由不同口径的塑料管组成，灌溉水和溶于水中的化肥从水源被直接输送到作物根部，呈点滴状缓缓而均匀地滴灌到作物根区的土壤中。滴灌使农业灌溉技术发生了根本性变化，标志着农业灌溉由粗放走向高度集约化和科学化，基本实现了按需供水、肥，成为灌溉技术的一项重大突破。20 世纪6 0年代后，滴灌技术开始在美国、澳大利亚、南非等地陆续研究和应用，并在世界其他一些国家推广应用。我国自1974年引进滴灌技术到现在经历了三个发展阶段1976年以前为第一阶段，主要学习和消化引进技术;1976一1981年为第二阶段，有了初步配套的国产滴灌设备并开始试点推广;1981年以后为第三阶段，形成了燕山滴灌技术。第三阶段标志着我国滴灌技术进入了推广阶段。滴灌施肥是在滴水灌溉技术的基础上发展起来的。滴灌施肥加入的肥料，在发展初期多是由固体肥料如(NH 4)2SOI, KCI等溶解而来。之后，一些肥料公司有针对性地开发了适合滴灌施肥的液体肥料，或溶解度高的固体肥料。在滴灌施肥技术中，肥料通过滴灌系统输送到作物的根部供作物吸收利用。

2 滴灌施肥技术的特点及应用研究
　　滴灌系统由水源、动力机、水泵、PVC塑料管道和滴头或管壁上密布的微孔组成。其微孔产生一定的阻力控制给水量，滴头有发丝管式、迷宫式等。它利用微孔隙使水缓慢流人土壤，再借助毛细管作用将水分扩散到整个根系，供作物吸收利用。由于不破坏土壤结构，保持了根系层内疏松通透的生长环境条件，且减少了土壤表面的水分蒸发损失，因而有明显的节水增产效益。滴灌施肥频繁、缓慢地施加少量的水和肥料作用于作物的根部，可以非常精确地在时间和空间上调控土壤水、肥条件。通过对滴灌系统的有效设计与管理，可以创造促进作物生长或根据作物需要控制作物生长的土壤水分和肥料条件，使作物的水肥条件始终处在最优的状态下，避免了其他灌水施肥方式产生的周期性水、肥过多或不足，为促进作物生长、提高作物产量奠定了基础。滴灌施肥的特点主要有 (1)水肥同时供应，可发挥二者的协同作用。(2)将肥料直接施人根部后，降低了肥料与土壤的接触面积，减少了土壤对肥料养分的固定，有利于根系吸收养分。Bar-yosef等研究发现，与肥料撒施相比，滴灌施肥可使土壤溶液保持较高的P浓度环境; (3)滴灌施肥持续时间长，为根系生长维持了一个相对稳定的水肥环境。Hagin等指出，滴灌施肥时土壤溶液中NO 3-N(硝态氮)的浓度稳定在60一150mgkg之间，而喷灌时NO3 N的浓度在0一300mgkg范围内变化; (4)可根据气候、土壤特性及作物不同生长发育阶段的营养特点，灵活地调节供应养分的种类、比例及数量等。如对于成年果树的施肥，在生长前期为促进生长，可增加N素的比例，在生长后期为促进果实着色，可增加P, K养分的用量，减少N的比例，以满足不同作物或同一作物不同阶段的营养需要。Bo ma n在美国佛罗里达州连续四年的柑橘试验表明，肥料灌施比撒施增产9%，可溶性固形物含量增加8 % , Dasberg等的研究表明，在沙质土壤上，施N量为160kgha时，滴灌施肥土壤0一30, 30一60, 60一90和90一120cm土层土壤溶液中N03 -N的含量分别为39, 4, 0, Omgkg;而肥料撒施处理的分别为28, 27, 21、1lm gkg，说明滴灌施肥减少了NO3- N淋失对环境的危害。郑东峰在大棚蔬菜膜下滴灌全营养供给技术研究试验中发现，无土栽培条件下，滴灌营养液与等养分化肥的效果是相近的，等养分化肥可以代替营养液，为滴灌全营养供给的化肥施用提供了依据。他同时指出，大棚蔬菜膜下滴灌全营养供给技术能够增强蔬菜抗逆能力，减少肥、水用量和施肥、浇水的劳动量，具有显著的增产作用，将会成为解决滴灌栽培水肥藕合施肥灌溉的有效途径。埃及沙漠地区的土壤试验表明，滴灌施肥柑橘增产幅度达25%一66.67%, N肥利用率由土施的9%一12%提高到53%, P肥由12%一15%提高到29 。印度的研究发现，与肥料撒施相比，香蕉滴灌施肥可节约N肥60%, N肥利用率提高一倍。Coston等通过盆栽试验比较N肥不同施用方法对桃树的效果，发现滴灌施肥量仅为土壤施肥量的14一12时，桃树叶片含N量和径粗的增加量即可达到土壤施肥效果，说明滴灌可节约N肥 25%一50%, Bachchhav在葡萄上的试验发现，滴灌施肥比对照增产28.71%，产出投人比由3.811提高到8.41。以色列实践发现，由于采用滴灌施肥技术，有效调节了肥料供应量，其香蕉产量在30年间提高了一倍。佛罗里达州的研究发现，肥料撒施每生产1吨柑橘需N2.75 kg，而滴灌施肥需N2.57kg，节约肥料7%,巴西进行的甘蓝试验表明，滴灌施肥比肥料撒施增产22.6%。墨西哥的研究发现，要达到相同的蕃茄产量，直接土施时，N, P20。和K20的需要量分别为400, 200和600kgha;而滴灌施肥需要的施肥量分别为158, 98,78kgha。习金根等研究表明滴灌施肥可不同程度地提高玉米根系活力、叶绿素含量、叶片硝酸还原酶活性和作物叶片的瞬时水分利用效率，明显地增强作物的光合作用，显著增加玉米对N素养分的吸收和干物质的积累，其中地上部总干重和籽粒干重增加幅度分别为49.55%和67.57%。滴灌施肥与浇灌施肥相比，水分利用效率增加幅度为109.20%，肥料N素利用率达73.55%，增加幅度为110.44%可见，滴灌施肥可以明显地提高水分和肥料N素的利用率。这与滴灌施肥可以合理地调控土壤水分和养分供应，为作物生长提供一个理想的生长环境有关。

3 滴灌施肥下水分和养分在土坡中的分布特点
　　近年来，我国在节水灌溉农业方面取得了不少重要的进展，提出了一些符合国情的先进节水灌溉方法，对于滴灌条件下的土壤水分运动规律也已有了一定的了解。我们研究发现，滴灌条件下水分以点源人渗土壤，水平和垂向的湿润锋均随人渗时间的增加而逐渐变大，在人渗开始阶段湿润锋的推进速率较大，随着人渗时间的延长，湿润锋的推进速率逐渐变慢。粘质土壤由于质地细小，在滴灌速率为2.6 7 Lh时，湿润锋径向移动速率远大于垂向移动速率，前者是后者的1.22倍。汪志荣研究表明实施滴灌可以形成两种人渗边界，边界一是非充分供水点源人渗边界;边界二为变边界积水点源人渗边界。吕谋超等指出可以用半椭圆形及圆形近似代表地表及地下滴灌线水源形成的饱和区和湿润区。地表滴灌的线水源流量大于其人渗速度，在地表形成积水，随着灌水历时的增加，在滴头下方形成的饱和区逐渐增大，地表积水向两侧扩展，形成水平和向下扩散的半椭圆形饱和及浸润剖面。杨苏龙认为滴(渗)灌水分在土壤中的移动分为两个阶段，第一阶段为水分等速移动阶段，水锋呈圆形扩散;第二阶段为水分不等速移动阶段，呈现立卵形移动，水分下移速度最快，上移速度最慢，前者是后者的2.2一2.55倍。地表式滴(渗)灌的土壤水分蒸发量较地埋式滴灌大33%一39.7%，如果滴(渗)灌与地膜覆盖相结合，可减少土壤水分蒸发量76%一86.8%，能进一步提高水分利用率。滴灌条件下水分从点水源进入土壤，然后向各个方向扩散。土壤类型、滴头流量和每次灌溉的水量等均会影响水分在土壤中的分布。对一种土壤来说，滴头流量的增加会引起水湿润土壤垂直深度变浅，以滴头为圆心的半径变大。如果给定灌溉水量和滴头流量，则沙土中水分湿润深度比壤土要深，但半径变小。由于灌溉施肥频率高，土壤水分含量变化不大，有利于作物吸收水分和养分，可提高肥料的利用率，特别是P的利用率。随着从滴头到湿润边缘距离的增加，不被吸附的离子，如N03一浓度也随之增加。壤土的湿润区域离子浓度梯度比沙土大，滴头流量大的比流量小的浓度梯度大。而吸附态养分在土壤中的移动性比非吸附态养分要低得多，养分在粘土比沙土易被吸附，因而养分在质地细的土壤中的移动性比质地粗的要慢。习金根等比较滴灌施肥和浇灌施肥两种施肥方式下U-N(尿素态氮)在土壤中的迁移转化规律时发现灌水量及水肥供应方式是决定U-N在土壤中迁移、转化和淋失的关键因素。N素淋溶量随灌水量的增加而增加；在淋失的N素形态中，以U-N为主，其次为硝态氮(N03--N), NH,'-N(铁态氮)的淋失量最低。与浇灌施肥相比，滴灌施肥显著地降低了N素的淋溶损失。灌水量低时，滴灌施肥NH犷-N在土壤上层明显累积;灌水量增加后，这种累积作用减弱。土壤NO3--N的变化趋势为灌溉施肥灌水量低时，上低下高，增加灌水量降低了土壤中NO3 -N含量。有研究表明，NO3 -N和水分在土壤中分布相似。同时指出，土壤中由于施人N氏十书或N03一，会引走;pH值在士1.5左右波动。灌溉水中NH,'-N比率大小影响土壤pH值，尤其是影响根一土界面处的pH值。当吸收NH犷-N为主时，根系分泌出H十酸化土壤;当吸收N03一为主时，根系排出OH一使f. PH值升高。用NH,'-N作唯一N源时，撇先液的pH值由流动培养油川接遍下降到4左右。低温时，NH ,+-Nr咖O3 -N好，由于低温降低向上部运输，减少了作物可利用的N量;而高温日fNO 3- N则是更好的N源。有研究表明，施用NH,'-N导致沙土酸化是灌溉施肥对作物的重要潜在限制因素。NH 扩- N 在通气良好的土壤上易被硝化细菌转化为N03 -N。硝化速率取决于土壤温度、pH值及含水量等。在25℃和田间持水量时，NH,'-N的一半被硝化约在两周内完成。而低温酸性土壤每日供应NH 4+-N会增加其在土壤中的累。当施N量超过作物吸收量时，应多施一些NH 4+-N肥以减少土壤如的淋溶损失。尿素也很容易随灌溉水移动，在土壤中的分布与NO3 -N类似。在25℃时尿素也可在几天内被土壤的脉酶水解为NH,'-N，导致土壤pH值升高，从而降低土壤中p对作物的有效性。我们的研究发现在滴灌加明巴条件下，3种N肥(NO,--N肥、NH 4+-N肥和U-N肥)在两种质地的土壤中的淋失量均是NO3 -N__肥U-N肥NH4十一N肥，淋失的N素主要为肥料N,砂质土壤中N素的淋失量明显高于粘质土壤。滴灌施用NH扩-N肥显著增加了土壤中NH犷-N的含量，随着硝化作用的进行，N H 4+-N含量降低，N03 -N含量增加。施用尿素后，其转化为NH 4+-N的数量在培养的第5天左右达到高峰，尔后由于转化为NO 3-N等过程的进行，含量逐渐降低。与滴灌施用NO3 -N肥相比，施用NH4+-N肥和尿素后在培养期间土壤矿质态氮(N03N+NH4+-N)的含量有降低的趋势，降低的原因可能与NH、十一N在土壤中的固定、挥发及硝化等过程有关。此外，石灰性土壤施用较多尿素时，对某些对N敏感的作物是有害的。P在土壤中的移动非常缓慢，P肥作基肥时，P被土壤吸附固定，影响作物对P的吸收。通过灌溉水连续施用p肥，p在土壤中的固定量显著减少，使土壤中有效p的浓度高于作基肥施用时的浓度，从而提高了p肥的利用率。在滴灌条件下，尽管土壤交换性K含量很高，但在作物最大K吸收时期，仍需通过灌溉水补充Ko

4 滴灌施肥技术在我国的应用前.
　　我国是一个水资源严重短缺的国家，干旱是制约我国农业发展的主要因素之一。水的有效利用率只有30%一40 ，每M3粮食生产能力只有lkg左右。喷灌、滴灌等先进的节水灌溉在我国占总灌溉面积的比例还很小，大多数地区仍沿用地面灌溉。发展节水灌溉，提高农业生产力的潜力很大。除水分外，养分缺乏以及水、肥二者供应的不同步性，是制约我国农业生产发展经常遇到的问题。滴灌施肥可有效地调节作物水分和养分的供应，在我国具有巨大的应用前景。尤其在西北和华北地区，由于这一地区占我国国土面积的52.2%,耕地面积约占全国的30%,采用滴灌施肥技术，不仅可节约该地区宝贵的水资源，而且可使原来一些采用常规灌水施肥方法不适宜种植的土地，如荒地、甚至沙漠种植变为现实。以色列对南部 Negev沙漠的开发就是一个成功的范例。另外在地势不平、水土流失严重、土壤肥力低的丘陵沟壑区，常规的灌水施肥措施难于取得满意的效果，而滴灌施肥技术则可取得显著效果。据中国农业大学在山东省蔬菜大棚的调查，肥料的利用率低于10%，而在以色列，由于采用了滴灌施肥技术，N肥的利用率可高达80%以上。在我国的热带、南亚热带地区，由于许多作物的需水、需肥量都较大，采用滴灌施肥技术将有助于这些作物的增产增效。由此可见，滴灌施肥技术在我国有广阔的应用前景。