水肥耦合對大棚西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及養(yǎng)分吸收的影響

金 輝，侯東穎，張 曼，郝科星，侯富恩

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟(jì)研究所，山西 太原 030006）

西 瓜［Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum. &Nakai］作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，其可觀的經(jīng)濟(jì)效益受到農(nóng)戶和市場的青睞。近年來山西西瓜種植面積逐年擴(kuò)大，但西瓜單產(chǎn)水平低，連作病害嚴(yán)重。農(nóng)戶在西瓜種植上缺乏對水肥定量化管理經(jīng)驗，仍以大水澆灌、高肥投入的管理方式為主［1］，導(dǎo)致水肥資源浪費嚴(yán)重、肥料利用率下降，造成土壤板結(jié)［2］、肥力下降［3］和地下水污染［4-5］，從而帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此科學(xué)的水肥管理成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的必然途徑。水分和肥料是作物生長發(fā)育和提高生產(chǎn)力水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)［6-7］。水分是肥效發(fā)揮的關(guān)鍵，肥料是打開水土系統(tǒng)生產(chǎn)效能的鑰匙［8］，其相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果稱之為水肥耦合效應(yīng)［9］。水肥利用效率的高低取決于水肥的合理利用，又直接影響著農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)和生產(chǎn)效益［10-11］。國內(nèi)外在水肥對西瓜生長發(fā)育、水肥利用效率和對土壤環(huán)境的影響方面已經(jīng)做了大量研究。已有研究表明適量氮磷鉀肥利于西瓜營養(yǎng)生長，增加產(chǎn)量和改善品質(zhì)［1-3，12］，是西瓜優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、增收的關(guān)鍵［5，12-14］。有研究發(fā)現(xiàn)，寧夏干旱區(qū)灌水定額對產(chǎn)量影響極顯著，并通過水肥耦合模型得到不同目標(biāo)產(chǎn)量下的最佳水肥組合［15］。但這些研究顯然不能完全滿足設(shè)施西瓜生產(chǎn)中對水肥量化及配比的實際需求，而關(guān)于山西設(shè)施西瓜水肥管理的研究鮮有報道，因此在山西晉中地區(qū)開展基于西瓜水分和養(yǎng)分需求特點的水肥耦合技術(shù)研究，制定適宜的灌溉制度和施肥策略顯得尤為重要。為此本試驗以大棚西瓜為研究對象，通過分析不同水肥組合對西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用和養(yǎng)分吸收利用的影響，旨在為晉中地區(qū)大棚西瓜的水肥管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗基地位于晉中市東陽鎮(zhèn)（東經(jīng)112°40′、北緯37°33′），太原盆地東北部，海拔800 m，氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷少雪。該地區(qū)年平均日照時數(shù)2662 h，年平均氣溫9.7℃，無霜期158 d。年降水量418～483 mm，降雨季節(jié)分布不均，主要集中在5～10月份。試驗土壤為粘土，有機(jī)質(zhì)含量20.56 g/kg，pH值8.27，全氮1.38 g/kg，有效磷74.5 mg/kg，速效鉀247 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在同一大棚內(nèi)進(jìn)行，試驗設(shè)計灌水量與施肥量2個因素，每個因素3個水平3次重復(fù)9個處理，共計27個小區(qū)。基于前期工作和農(nóng)戶調(diào)查，確定水肥最優(yōu)處理：灌水量1200 m3/hm2（中水處理、W2）、施肥量N 81 kg/hm2+P2O533 kg/hm2+K2O 100 kg/hm2（中肥處理、F2），同時參照最優(yōu)處理將水肥上下浮動50%設(shè)置2個對比水平。3種灌水水平：600 m3/hm2（低水處理、W1），1200 m3/hm2（中水處理、W2），1800 m3/hm2（高水處理、W3），3種施肥水平：N 40.5 kg/hm2+P2O516.5 kg/hm2+K2O 50 kg/hm2（低肥處理、F1），N 81 kg/hm2+P2O533 kg/hm2+K2O 100 kg/hm2（中肥處理、F2），N 121.5 kg/hm2+P2O549.5 kg/hm2+K2O 150 kg/hm2（高 肥 處 理、F3）。西瓜于4月26日定植，定植前施用牛糞和底肥，底肥N-P2O5-K2O養(yǎng)分用量分別為生育期總施肥量的30%、50%、30%，追肥將隨灌溉分別于伸蔓期、開花坐果期、膨瓜期進(jìn)行。每生育期灌水量與施肥量詳見表1、2。

表1 不同生育期灌水量處理 （m3/hm2）

表2 不同生育期施肥量處理

供試品種為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)中心培育的“雙抗8號”，屬中熟品種。試驗開展前施用有機(jī)肥為腐熟發(fā)酵、風(fēng)干的牛糞30000 kg/hm2（全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.684%，有效磷0.65 g/kg，速效鉀5.88 g/kg，有機(jī)質(zhì)119.96 g/kg）。試驗用化肥為尿素（N 46%），磷酸二氫鉀（P2O552%，K2O 34%），農(nóng)用硫酸鉀（K2O 50%）。大棚采用不銹鋼管架構(gòu)，棚外搭載高透光防水塑料膜。試驗采用膜下滴灌的水肥模式。小區(qū)面積22 m2，種植模式采用當(dāng)?shù)刂魍频钠饓湃じ采w種植、膜下滴灌，壟寬50 cm、高15 cm，每 小 區(qū)4壟，壟 間 距200 cm，株 距40 cm，壟上鋪設(shè)1條滴灌帶，滴頭間距30 cm。每小區(qū)安裝水表，以精確測量每小區(qū)灌水量，小區(qū)之間用埋深100 cm的塑料膜隔離以防止水肥相互滲透。

1.3 測定指標(biāo)與方法

收獲期每小區(qū)采摘所有果實稱重計算總產(chǎn)量（kg/hm2），選取9個大小均一的果實，用電子天平稱取單果重（kg）；用游標(biāo)卡尺測量果實縱徑、橫徑（cm），計算果形指數(shù)，將果實縱切后測量果皮厚度（cm）。用TD-45手持測糖儀分別測定中心和邊際可溶性固形物含量（%）；維生素C含量用鉬藍(lán)比色法測定（mg/kg）。土壤理化性狀按照常規(guī)方法測定；植株與果實全氮采用凱氏定氮法、全磷采用釩鉬黃比色法、全鉀采用火焰光度法測定。

灌溉水分利用效率（kg/m3）：指作物利用單位灌水量（m3）生產(chǎn)的作物產(chǎn)量（kg），計算公式為：

式中：IWUE為灌溉水分利用效率（kg/m3）；Y為產(chǎn)量（kg）；I為灌溉量（m3）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2007和SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，采用鄧肯法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥處理對西瓜單瓜重及產(chǎn)量的影響

由表3可知，水分和養(yǎng)分是西瓜生長發(fā)育的重要物質(zhì)資源，合理施肥與灌水是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)。不同水肥組合直接影響西瓜單瓜重和產(chǎn)量，F(xiàn)2W3處理單瓜重最高，可達(dá)6.09 kg，其次是F2W2、F3W3和F3W2處理，單瓜重分別為5.99、5.92和5.82 kg，4個處理間未表現(xiàn)出顯著差異。F1W1處理單瓜重4.34 kg最低，較F2W3處理降低40.4%，顯著低于其他處理。顯著性檢驗結(jié)果顯示，施肥、灌水對單瓜重的影響都達(dá)到極顯著水平，水肥交互作用也達(dá)到顯著水平，其影響大小順序為肥料作用>水分作用>水肥交互作用。從產(chǎn)量來看，F(xiàn)3W3處理產(chǎn)量最高，達(dá)到44039 kg/hm2，其次是F2W3、F3W2和F2W2，其產(chǎn)量分別為43730、43638和43566 kg/hm2，4個處理之間差異未達(dá)到顯著水平，均顯著高于除F1W3外的所有低肥低水組合處理。以F1W1處理37330 kg/hm2產(chǎn) 量 最 低，顯 著 低 于其他處理。從顯著性檢驗結(jié)果看，施肥、灌水因素對產(chǎn)量的影響同樣達(dá)到極顯著水平，水肥交互作用也達(dá)到顯著水平，作為單一因子肥料因素對產(chǎn)量的影響大于水分因素的影響，大于水肥交互作用影響。結(jié)果表明：在本試驗條件下，施肥量或灌水量一定，西瓜單瓜重隨另一因素的增加呈先增加后降低的趨勢，而產(chǎn)量則表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，但增加的趨勢漸緩。對水肥用量與西瓜產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行定量分析，對施肥量、灌水量與西瓜產(chǎn)量的關(guān)系做回歸分析，得（2）式：

表3 不同水肥處理對西瓜單瓜重及產(chǎn)量的影響

式中：Y為西瓜產(chǎn)量（kg/hm2）；X1為施肥量（kg/hm2）；X2為灌水量（m3/hm2）。F檢驗結(jié)果表明，（2）式達(dá)到顯著水平，即（2）式能夠很好地表達(dá)水肥用量與西瓜產(chǎn)量之間的關(guān)系。將（2）式繪制成施肥量、灌水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系曲面圖（圖1），可知：產(chǎn)量與施肥量和灌水量均呈現(xiàn)拋物線的趨勢，對（2）式求偏導(dǎo)數(shù)可得出本試驗設(shè)計閾值范圍內(nèi)最佳施肥量與灌水量，施肥量系數(shù)為2.61倍和1800 m3/hm2時，產(chǎn)量有最大值（44823.51 kg/hm2）。

圖1 施肥量、灌水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系

2.2 不同水肥處理對西瓜果實形態(tài)指標(biāo)的影響

不同水肥處理對西瓜縱徑、橫徑、果實指數(shù)和皮厚的影響見表4，果實縱徑以F3W3最大，達(dá)到31.23 cm，F(xiàn)3W2和F2W3其次，分別為30.83和30.33 cm，3個處理與F1W1和F1W2處理相比差異達(dá)到顯著水平。果實橫徑以F3W2處理最大，F(xiàn)3W3處理其次，分別為20.73和20.67 cm，兩處理與F3W1、F2W3和F2W2處理相比差異不顯著，但分別較F1W1處理顯著提高18.9%和18.5%。果形指數(shù)是果實外觀品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，從表4可知，以F2W3和F3W1處理果形指數(shù)較好。皮厚以W1處理最薄，W3處理最厚，但方差分析結(jié)果顯示不同水肥處理間果形指數(shù)和皮厚并無顯著性差異。結(jié)果表明：本試驗條件下，不同水肥處理顯著影響西瓜果實的縱徑和橫徑，且F檢驗結(jié)果表明施肥因素對果實縱橫徑的影響大于灌水因素；不同水肥處理對果形指數(shù)的影響差異不顯著；灌水對皮厚的影響顯著，施肥對皮厚的影響不顯著。

表4 不同水肥處理對西瓜果實形態(tài)指標(biāo)的影響

2.3 不同水肥處理對西瓜果實品質(zhì)的影響

西瓜果實的口感與營養(yǎng)品質(zhì)決定于西瓜中維生素C、可溶性固形物等營養(yǎng)物質(zhì)含量［16］。由表5可知，不同水肥處理對果實中維生素C、可溶性固形物含量影響顯著，而對中邊差僅有部分處理差異達(dá)到顯著性水平。分析測試結(jié)果顯示：維生素C含量以F3W2處 理 最 高，為65.27 mg/kg，F(xiàn)2W3、F3W3和F2W2處理其次，分別為64.70、64.63和60.37 mg/kg，以上4個處理間差異不顯著，4個處理與F1W1處 理36.17 mg/kg和F2W1處 理47.80 mg/kg相 比 差 異達(dá)到顯著水平。中心可溶性固形物含量以F3W3處理最高，為12.30%，F(xiàn)2W3、F3W2和F2W2處理其次，分別為12.27%、12.20%和12.20%，分別較F1W1處理10.80%提高1.50、1.47、1.40和1.40個百分點，與F1W1處理比較差異顯著。邊際可溶性固形物含量分析表明，以F2W3和F3W3處理含量較高，分別為10.17%和10.13%，兩處理與F1W1、F1W2、F2W1和F3W1處理相比差異均達(dá)到顯著水平。從中邊差來看，F(xiàn)2W3、F2W2、F3W2和F3W3處理在較高可溶性固形物含量的同時，具有較低的中邊差，既保證了甜度又提高了西瓜甜度的均一性，使西瓜口感更佳。

表5 不同水肥處理對西瓜果實品質(zhì)的影響

2.4 不同水肥處理對西瓜灌溉水利用效率的影響

灌溉水分利用效率是單位灌水量生產(chǎn)作物的產(chǎn)量，對灌溉水分利用效率的研究在實際生產(chǎn)中具有重要意義［16］。不同水肥組合對西瓜灌溉水分利用效率的影響不同（圖2），相同灌水量條件下，F(xiàn)3處理灌溉水分利用效率最高，F(xiàn)2次之，F(xiàn)1灌溉水分利用效率最低，其中W1和W2灌水量條件下F3和F2灌溉水分效率均顯著高于F1。在相同灌溉條件下，灌溉水分利用效率隨產(chǎn)量的增加呈逐漸增加的趨勢，這與西瓜產(chǎn)量形成的趨勢一致。

圖2 不同水肥處理對西瓜灌溉水分利用效率的影響

2.5 不同水肥處理對果實和地上部養(yǎng)分積累量的影響

不同水肥處理對果實及地上部養(yǎng)分含量影響見表6，果實中氮含量以F2W3、F3W2和F3W3處理最高，分別為2.26、2.24和2.23g/kg，較F1W1處理顯著提高16%以上；果實中磷含量以F2W3、F3W3和F2W2處理最高，分別為0.20、0.20和0.19 g/kg，顯著高于F1W1處理的0.14 g/kg，增幅達(dá)到44.9%、43.8%和38.8%；鉀含量以F3W3處理最高，為1.55 g/kg，其次是F2W3處理和F3W2處理，分別為1.45和1.36 g/kg，分別較F1W1處理0.80 g/kg顯著提高92.6%、80.5%和69.7%。低中灌水條件下，果實養(yǎng)分含量隨施肥量增加而增加，高灌水條件下，果實中氮含量隨施肥量增加呈先增高后降低的趨勢，磷鉀含量隨施肥量增加呈增加的趨勢，但趨勢漸緩。

由表6可知，地上部養(yǎng)分積累量中，氮素養(yǎng)分積累量以F3W3處理276.58 kg/hm2和F2W3處理276.54 kg/hm2最高，其次是F3W2處理257.42 kg/hm2和F2W2處理254.61 kg/hm2，分別較F1W1處理顯著提高48.7%、48.7%、38.4%和36.9%。磷素養(yǎng)分積累量以F3W3處理26.97 kg/hm2最高，F(xiàn)2W3處理25.76 kg/hm2和F3W2處理24.44 kg/hm2其次，較F1W1處理18.46 kg/hm2，分別顯著提高46.1%、39.5%和32.4%。鉀素養(yǎng)分積累量以F3W3處理159.46 kg/hm2最 高，F(xiàn)3W2處 理156.07 kg/hm2、F2W3處理155.55 kg/hm2和F2W2處理152.62 kg/hm2其次，分別較F1W1處理119.06 kg/hm2顯著提高33.9%、31.1%、30.7%和28.2%。地上部養(yǎng)分積累量中，在同等灌水條件下，氮磷鉀素養(yǎng)分積累量隨施肥量增加而增加，由中等施肥量向高施肥量過渡階段地上部養(yǎng)分積累量增加趨勢漸緩；隨灌水量的增加養(yǎng)分積累量亦同步增加。

表6 不同水肥處理對西瓜果實養(yǎng)分含量及地上部養(yǎng)分積累量的影響

顯著性檢驗結(jié)果顯示：本試驗條件下，施肥和灌水因素對果實養(yǎng)分含量和地上部養(yǎng)分積累量的影響顯著，但施肥因素與灌水因素交互影響并未達(dá)到顯著水平。其中施肥因素對果實氮磷養(yǎng)分的影響低于灌水因素，對鉀的影響高于灌水因素；施肥因素對地上部養(yǎng)分積累量的影響低于灌水因素。

3 討論

合理施肥和灌水是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)［17-18］。本研究結(jié)果表明，適宜的水肥組合可有效促進(jìn)西瓜形態(tài)特征發(fā)育和產(chǎn)量的形成，改善西瓜品質(zhì)［19-20］。在相同施肥水平下，灌水量的增加可明顯提高西瓜縱徑和橫徑，促進(jìn)西瓜果實形態(tài)的生長發(fā)育，提高西瓜單瓜重和產(chǎn)量，王海藝等［21］研究發(fā)現(xiàn)，礦質(zhì)營養(yǎng)隨水分同時施用具有明顯的水肥耦合效應(yīng)，更能促進(jìn)蔬菜的生長和增產(chǎn)。本研究中維生素C含量隨水肥用量的增加呈拋物線的趨勢，這進(jìn)一步驗證了前人的研究結(jié)論：適宜施氮量提高西瓜產(chǎn)量與品質(zhì)，再增加施氮量則使產(chǎn)量、維生素C含量和可溶性固形物含量呈下降趨勢［22-24］，王鵬勃等［7］稱之為“稀釋效應(yīng)”。因此適度改善作物營養(yǎng)供給可提高其產(chǎn)量和品質(zhì)。

本研究表明，相同灌溉條件下，不同處理間灌溉水分利用效率隨施肥量的增加呈逐漸增加的趨勢，杜建軍等［25］認(rèn)為肥料可有效提高灌溉水分利用效率。在中低灌水量條件下，中高施肥量處理的水分效率顯著高于低施肥量處理，而高灌水量條件下不同施肥量處理間差異不顯著，王鵬勃等［7］在番茄上、楊小振［20］在西瓜上均得到相似結(jié)果。這是由于施肥促進(jìn)了根系發(fā)育以提高吸水功能，改變?nèi)~片與土壤水勢差，增強(qiáng)了作物的提水能力［7，26］，從而提高水分利用效率。趙衛(wèi)星等［17］研究表明合理灌溉能提高作物對養(yǎng)分吸收和肥料的利用效果，本研究也表明在等施肥量條件下，增加灌水量可顯著提高作物對養(yǎng)分吸收積累以及肥料利用效率。

本試驗結(jié)果表明，單產(chǎn)以高水高肥處理最佳，中水高肥處理單瓜重最大；通過對西瓜施肥量、灌水量和產(chǎn)量回歸模擬結(jié)果來看，在高灌水量和2.61倍施肥系數(shù)時，可獲得最佳模擬產(chǎn)量?？紤]到高水高肥勢必增加經(jīng)濟(jì)成本，會提高肥料及土壤養(yǎng)分被淋洗至深層土壤或地下水的環(huán)境風(fēng)險［2］，造成水肥資源浪費，降低其利用效率［13］。因此對水肥耦合對作物綜合效應(yīng)分析，在不顯著降低西瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的情況下，選擇具有較高水分和肥料利用效率的中水中肥處理作為最優(yōu)水肥組合。

4 結(jié)論

綜合考慮生產(chǎn)中節(jié)水減肥、增產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效等因素，在山西晉中地區(qū)大棚西瓜膜下滴灌模式下，水肥用量控制在F2（N 81 kg/hm2+P2O533 kg/hm2+K2O 100 kg/hm2）和W2（1200 m3/hm2）左 右，西 瓜 產(chǎn)量可保持在較高水平，單瓜重為5.99 kg，產(chǎn)量可達(dá)到43566 kg/hm2；維生素C、中心和邊際可溶性固形物含量分別為60.37 mg/kg、12.2%和10.03%；灌溉水分利用效率為36.30 kg/m3，同時果實養(yǎng)分含量和地上部養(yǎng)分積累量說明該水肥用量下具有較高的養(yǎng)分利用效率。本研究可為山西晉中地區(qū)設(shè)施西瓜的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)及水肥資源高效利用提供科學(xué)依據(jù)。