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干旱条件下，施肥能提高土壤水势，从而提高土壤水分的有效性，使一部分原来对植物生长“无效”的水变得“有效”，使植物能吸收利用更多的土壤水分。施用有机肥可提高土壤总空隙度，使耕层土壤变松，增加持水能力，提高水分有效利用率。

施肥能补偿干旱条件下植物生长受抑的不良效应和改善植物的生理功能，提高水分利用。研究发现合理氮、磷酷比和用量可显著增加小麦根系总量，提高根系活力，扩大吸收水分、养分空间和动力；提高光合速率和蒸腾速率，增大T/ET比值，降低土壤水分蒸发损失，从而大幅度地提高了小麦水分利用效率。同时养分供应适当，可缓解干旱胁迫对植物造成的不良影响。植株缺氮，其气孔不能像供氮适量的植株一样开闭自如。当土壤干旱时，缺氮植株水分损失高于供氮适量的植株。氮素供应适量时，能提高叶片中叶绿素含量，提高叶片的束缚水含量，从而提高植物抗旱性。

由于施肥可明显增加植物的叶面积，从而导致植物耗水量的显著增加，这样在水分有限条件下，植物生育前期较大的耗水会导致后期更为严重的水分胁迫，虽则施肥由于对植物抗旱性的改善可以在一定程度上缓解干旱的影响，但却不能从根本上解除这种不利影响，反而会降低植物产量和水分利用效率。因此，水肥协同效应有一定范围，超过这一范围，则水肥之间会产生负的交互作用。

从热力学上看，施肥提高植物水分利用效率的机理在于增加土壤与植物间的水分热力学函数（-）偏摩尔自由能梯度，提高植株的提水作用，平抑不同土壤含水量所导致的土壤一植株间水分自由能梯度的差异。