溫室沙培黃瓜生產(chǎn)效應(yīng)的水氮耦合方案優(yōu)化

馬新超,軒正英,*,譚占明,周 宇,王旭峰

(1.塔里木大學(xué) 園藝與林學(xué)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300; 2.塔里木大學(xué) 南疆特色果樹高效優(yōu)質(zhì)栽培與深加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,新疆 阿拉爾 843300; 3.塔里木大學(xué) 研究生處,新疆 阿拉爾 843300; 4.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)

黃瓜(CucumissativusL.)因其食用價(jià)值高、增產(chǎn)潛力大、效益高等優(yōu)勢(shì)深受消費(fèi)者和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的喜愛。隨著新疆南疆地區(qū)沙培瓜菜面積的不斷增大,限制沙培技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題日益凸顯,雖然沙子具有取材方便和價(jià)格低廉的突出優(yōu)勢(shì),但是沙子的礦質(zhì)營養(yǎng)元素匱乏、吸水保水能力差,對(duì)水肥管理技術(shù)要求高,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者為了追求高產(chǎn)和高效存在著盲目過量灌水與施肥現(xiàn)象,造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。

對(duì)沙培黃瓜水氮耦合效應(yīng)的研究已經(jīng)成為目前亟待解決的問題。前人對(duì)傳統(tǒng)土壤栽培下黃瓜水氮耦合效應(yīng)已做了大量研究,祝鵬飛等[1]研究表明,在交替灌溉下將氮肥追施在干燥一側(cè)能夠減弱土壤硝態(tài)氮淋洗并得到較好的生物量及果實(shí)產(chǎn)量;方榮杰等[2]研究表明,同一灌溉水平下,氮肥利用率隨施氮量的增加而顯著降低;同一施氮水平下,氮肥利用率隨灌水量的增加而升高;在高施氮水平下,黃瓜果實(shí)品質(zhì)下降。李銀坤等[3]研究表明,在河北省種植黃瓜時(shí),比當(dāng)?shù)剞r(nóng)民減少30%的灌水量、減少25%～50%施氮量,反而能夠使黃瓜的生長特性表現(xiàn)較好,而且不會(huì)影響黃瓜的產(chǎn)量。 高麗等[4]研究也表明,對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民經(jīng)驗(yàn)灌溉定額和施氮量進(jìn)行減額優(yōu)化后,提高了日光溫室黃瓜的產(chǎn)量,降低了氮肥及水資源的浪費(fèi)。朱常安等[5]研究發(fā)現(xiàn),灌水量和施氮量對(duì)黃瓜綜合營養(yǎng)品質(zhì)的效應(yīng)呈凸型二次曲線;隨著灌水量或施氮量的增加,綜合營養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。盡管前人對(duì)黃瓜水氮耦合效應(yīng)做了大量研究,但對(duì)于沙培黃瓜的水氮耦合效應(yīng)鮮有報(bào)道,國內(nèi)自1979年張漢玲[6]提出沙培黃瓜的栽培技術(shù)以來,一部分學(xué)者[7-10]開始從品種篩選、滴灌形式、氮素形態(tài)、保水劑等方面開展沙培黃瓜的研究,多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)沙培黃瓜全生育期的精準(zhǔn)化水肥管理研究未見報(bào)道。

因此,本試驗(yàn)進(jìn)行沙培黃瓜不同水氮耦合試驗(yàn),探究水氮耦合對(duì)沙培黃瓜生長、產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用率的影響,同時(shí)建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,使用遺傳算法確定最適的灌水水平和施氮量組合方案,旨在獲取沙培黃瓜最適水氮耦合精細(xì)化管理模式,為沙培黃瓜高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年4月—7月在塔里木大學(xué)園藝試驗(yàn)站(81°17’E,40°32’N,海拔990 m)7號(hào)節(jié)能型日光溫室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)期間溫室內(nèi)氣溫變化如圖1所示。供試黃瓜品種為優(yōu)勝美水果黃瓜,為本地農(nóng)戶使用品種。栽培基質(zhì)為建筑用沙(粗沙),其理化性質(zhì)為:有機(jī)質(zhì)含量6.53 g·kg-1、全氮含量1.29 g·kg-1、全磷含量0.24 g·kg-1、全鉀含量0.46 g·kg-1、堿解氮含量6.61 mg·kg-1、速效磷含量8.01 mg·kg-1、速效鉀含量38.34 mg·kg-1、pH值為7.49、電導(dǎo)率(EC)為3.16 mS·cm-1。試驗(yàn)采用槽式栽培,每個(gè)小區(qū)面積0.5 m×2.6 m,深0.4 m,南北走向,設(shè)定株距為0.25 m,大行距為0.6 m,小行距0.3 m,進(jìn)行雙行栽培,每小區(qū)定植20株黃瓜,每公頃保苗50 000株。設(shè)7個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),共計(jì)21個(gè)小區(qū)和420株黃瓜,溫室東西兩側(cè)各設(shè)一行保護(hù)栽培槽。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置灌水水平和施氮量二因素,采用二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)(p=2的6點(diǎn)設(shè)計(jì)),并加設(shè)了一個(gè)處理T7最高碼值處理,該處理只作參照,不參加回歸分析,以保持原方案的優(yōu)良性,試驗(yàn)設(shè)計(jì)具體方案見表1。

表1 黃瓜水氮耦合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 Design scheme of cucumber water nitrogen coupling test

試驗(yàn)方案中灌水上限最大值設(shè)為田間持水量的100%,最小值設(shè)為田間持水量的65%;灌水下限為每天早上8:00測(cè)得的各處理的實(shí)際基質(zhì)含水率,基質(zhì)含水率用DM-300基質(zhì)水分速測(cè)儀實(shí)時(shí)測(cè)定,并每隔20 d采基質(zhì)用烘干法校準(zhǔn),當(dāng)基質(zhì)含水率接近或降低至田間持水量的60%時(shí)進(jìn)行灌溉,灌水量依公式(1)計(jì)算:

M滴灌=r×p×h×θf×(q1-q2)/η。

(1)

式中:r—基質(zhì)容重,為1.61 g·cm-3;p—基質(zhì)濕潤比,取100%;h—灌水計(jì)劃濕潤層,取0.35 m;θf—田間持水量;q1、q2—分別為灌水上限、灌水下限(以相對(duì)田間持水量的百分比表示);η—水分利用系數(shù),滴灌取0.9。

試驗(yàn)所用大量元素肥料分別為尿素(含N 46%)、磷酸二氫鉀(含P2O551%)和硫酸鉀(含K2O 50%),依據(jù)基質(zhì)中的養(yǎng)分含量及養(yǎng)分平衡原則[11]設(shè)定磷鉀肥用量分別為290 kg·hm-2和800 kg·hm-2,氮磷鉀肥料均做追肥隨水施入,每隔5 d施肥一次,共計(jì)追施20次,各處理氮肥每次等量施入,前7次施入磷肥的49%,鉀肥的21%,剩余磷鉀肥每次等量施入,并視植株生長情況適時(shí)適量噴施微量元素。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

在黃瓜剛進(jìn)入結(jié)果盛期時(shí),每個(gè)處理隨機(jī)選取6株生長正常的黃瓜植株并標(biāo)記,進(jìn)行以下生長指標(biāo)的測(cè)定,株高:用卷尺從子葉節(jié)處起測(cè)量至植株頂端;株幅:植株葉片開展的最寬距離;莖粗:用游標(biāo)卡尺測(cè)量子葉節(jié)上面的第一節(jié)間,節(jié)間中間直徑;葉片數(shù):目測(cè)測(cè)定,以葉長大于2 cm葉片算起;葉面積:葉面積=0.5×WL×LL+0.25×WL2,式中WL為葉片橫徑,LL為葉片縱徑,對(duì)所選植株自下而上第5片葉子測(cè)定其縱橫徑;葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)使用SPAD502 plus(日本柯尼卡美能達(dá))手持便攜式葉綠素儀對(duì)植株自上而下的第5片葉子進(jìn)行測(cè)定。

產(chǎn)量測(cè)定:從黃瓜結(jié)果初期至拉秧,對(duì)采收的黃瓜果實(shí)使用百分之一天平直接稱重,統(tǒng)計(jì)每小區(qū)每次采收黃瓜的質(zhì)量,并折算每公頃產(chǎn)量。

果實(shí)品質(zhì)測(cè)定:在黃瓜結(jié)果盛期采集植株中部相同節(jié)位的黃瓜果實(shí)10根,用于測(cè)定黃瓜品質(zhì)指標(biāo),指標(biāo)的測(cè)定參照李合生[12]和高俊鳳[13]的方法。果實(shí)硬度用硬度計(jì)測(cè)定;含水率用烘干法測(cè)定;可溶性蛋白含量使用考馬斯亮藍(lán)G-250法;可溶性糖含量使用改進(jìn)的蒽酮比色法;維生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法測(cè)定;可溶性固形物含量使用ATAGO-P32(Japan)手持折射儀測(cè)定;果實(shí)硝酸鹽含量的測(cè)定方法為濃硫酸-水楊酸法;總酚、類黃酮含量測(cè)定參考曹健康等[14]的方法。

水分利用效率和氮肥利用率的計(jì)算公式如下:

水分利用效率(WUE)=Y/ET。

(2)

式中Y為產(chǎn)量,kg·hm-2;ET為全生育期每公頃作物耗水量,m3·hm-2。

氮肥利用率(NUE)=N0/N1。

(3)

式(3)為氮肥利用率的計(jì)算公式,式中N0為每小區(qū)植株吸收 N 總量,kg,植株吸N量為拉秧時(shí)使用H2SO4-H2O2法[15]測(cè)定植株各器官吸N量求和計(jì)算得出;N1為每小區(qū)全生育期施入的N總量,kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

于2021年11月使用DPS 7.05軟件對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, LSD法進(jìn)行多重比較(P<0.05);使用Math Type進(jìn)行公式編輯;用Origin2021軟件制圖;用Excel 2019軟件制表,并進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法和TOPSIS法評(píng)價(jià),具體步驟參考何曉群[16]的方法;利用MATLAB2020b對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型進(jìn)行遺傳算法求其Pareto解,關(guān)于遺傳算法的具體原理及詳細(xì)運(yùn)算過程詳見文獻(xiàn)[17-18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對(duì)沙培黃瓜生長的影響

水氮耦合對(duì)沙培黃瓜生長的影響如表2所示,各處理的生長指標(biāo)之間存在著顯著差異,低水高氮的T3各項(xiàng)生長指標(biāo)均為最大,高水低氮的T2各項(xiàng)生長指標(biāo)除SPAD值外均為最小,T3與T2相比,株高增加了92.71%,莖粗增加了64.52%,葉面積增加了538.98%,葉片數(shù)增加了43.48%,株幅增加了80.37%,T3的SPAD值比T1提升了112.30%。

在同一大量施氮條件下,T3與T5相比,降低灌水水平對(duì)株高、葉片數(shù)無顯著影響,莖粗、葉面積、株幅、SPAD值均有顯著提升;在同一少量施氮條件下,T1與T2相比,降低灌水水平對(duì)株高、莖粗、葉片數(shù)和株幅均有顯著提升,對(duì)葉面積無顯著影響,而SPAD值有所下降。在同一低灌水水平下,T3與T1相比,增施氮肥能夠極顯著地提高各項(xiàng)生長指標(biāo);在同一高灌水水平下,T7、T6、T2三者相比,增施氮肥對(duì)各項(xiàng)生長指標(biāo)均有顯著提升,但是過量增施氮肥,株高、莖粗和葉片數(shù)均有所下降。

2.2 模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)沙培黃瓜生長

水氮耦合下沙培黃瓜的生長狀況受到多方面因素的影響,不能從單一指標(biāo)的趨勢(shì)來確定生長狀況最好的灌水水平和施氮量組合,應(yīng)對(duì)各項(xiàng)生長指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示,各處理的生長綜合評(píng)分值順序?yàn)門3>T6>T5>T4>T7>T1>T2,低水高氮的T3生長綜合評(píng)分最高,其次是T6、T5,高水低氮的T2生長綜合評(píng)分最低。由排序順序可知,植株生長綜合評(píng)分隨著施氮量的增加而變大,并且盲目地進(jìn)行大水大肥管理的T7植株長勢(shì)較弱。雖然增施氮肥可以顯著提升植株生長狀況,但是違背了低投入高產(chǎn)出的栽培宗旨,灌水上限和施氮量適中的處理T4生長綜合評(píng)分處于中游水平。因此,可確定當(dāng)灌水上限在65.00%～89.40%,施氮量在623～1 250 kg·hm-2時(shí),植株的生長狀況較好。

表3 基于隸屬函數(shù)法的各處理生長綜合評(píng)價(jià)及排序Table 3 Comprehensive evaluation and ranking of growth of each treatment based on membership function method

2.3 水氮耦合對(duì)沙培黃瓜產(chǎn)量的影響

水氮耦合對(duì)溫室沙培黃瓜產(chǎn)量的影響如圖2所示,各處理的產(chǎn)量之間存在著顯著差異,T5的產(chǎn)量最高,為107.43 t·hm-2,高水低氮的T2產(chǎn)量最低,為26.34 t·hm-2,兩者相差了4倍;低施氮量下,黃瓜產(chǎn)量均極顯著低于其他處理,當(dāng)施氮量在623 kg·hm-2以上時(shí),才可得到較高的產(chǎn)量,在同一灌水水平下,T3較T1增產(chǎn)205.85%,T6和T7與T2相比分別增產(chǎn)273.55%、244.09%,表明過量灌水施氮會(huì)造成一定程度的減產(chǎn)。為了確定灌水水平和施氮量對(duì)黃瓜產(chǎn)量的真實(shí)影響,淘汰不顯著影響,有必要進(jìn)行逐步回歸分析,建立最優(yōu)方程。利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件的二次多項(xiàng)式逐步回歸分析(T7不參加回歸分析,下同),得出黃瓜產(chǎn)量Y與灌水水平X1和施氮量X2的回歸方程,由方程(4)可知,在沙培中施氮量是決定黃瓜產(chǎn)量的關(guān)鍵因子,增施氮肥能夠顯著增產(chǎn),而過高的施氮量和灌水水平反而會(huì)降低產(chǎn)量,符合報(bào)酬遞減規(guī)律;以高產(chǎn)為目標(biāo)時(shí),推薦的最優(yōu)水氮耦合方案是灌水水平為82.5%,施氮量為1 009.82 kg·hm-2,在此方案下能獲得最高產(chǎn)量115.89 t·hm-2。

圖2 水氮耦合對(duì)溫室沙培黃瓜產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of water nitrogen coupling on cucumber yield in sand culture in greenhouse

(4)

2.4 水氮耦合對(duì)沙培黃瓜水分利用效率的影響

由圖3可知,不同水氮處理對(duì)沙培黃瓜水分利用效率影響顯著,低水高氮的T3水分利用效率最高,為38.67 kg·m-3,其次為T4和T5,高水低氮的T2水分利用效率最低,為5 kg·m-3,與T3相差了接近8倍。在同一施氮水平下,降低灌水水平可以明顯地提升水分利用效率,在低灌水水平下增施氮肥也可以提升水分利用效率,在高灌水水平下,增施氮肥時(shí)水分利用效率表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),可見盲目的灌水施氮組合會(huì)產(chǎn)生拮抗效應(yīng),使水分利用效率降低。通過回歸分析得出水分利用效率與灌水水平和施氮量的回歸方程,由方程(5)可知,水分利用效率YWUE的大小是由灌水水平和施氮量兩因子的單因子效應(yīng)所決定的,增施氮肥的同時(shí)降低灌水水平可獲得較高的水分利用效率。

圖3 水氮耦合對(duì)沙培黃瓜水分利用效率的影響Fig.3 Effect of water nitrogen coupling on water use efficiency of sand cultured cucumber

YWUE=20.21-6.32x1+9.90x2(F=31.541 4,P=0.009 7)。

(5)

2.5 水氮耦合對(duì)沙培黃瓜氮肥利用率的影響

由圖4可知,各處理的氮肥利用率存在著顯著差異,T2的氮肥利用率最高,達(dá)到了108.92%,是最低T5的2.5倍;在623 kg·hm-2施氮量以下時(shí),T1、T2和T4均有較高的氮肥利用率,在大量增施氮肥后,氮肥利用率均較低,且T3、T5、T6和T7間沒有顯著差異,氮肥利用率都在50%以下;在同一灌水水平下,氮肥利用率隨著施氮量的增加而降低。對(duì)氮肥利用率進(jìn)行回歸分析,由回歸方程(6)可知,過多地增施氮肥會(huì)明顯降低氮肥利用率YNUE,并且灌水水平過高過低都會(huì)造成氮肥利用率的下降。

(6)

2.6 水氮耦合對(duì)沙培黃瓜品質(zhì)的影響

從表4可知,水氮耦合下各處理的可溶性固形物含量、類黃酮含量和含水率無顯著差異,對(duì)其他品質(zhì)指標(biāo)均有顯著影響,高施氮量處理下的可溶性糖含量均顯著低于低施氮量處理,在同一灌水水平下,果實(shí)可溶性糖含量隨著施氮量的增加而下降,在同一施氮量下,也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)隨著灌水水平的增加導(dǎo)致可溶性糖含量的下降;果實(shí)的總酸含量在同一施氮量下的各處理間無顯著差異,而在同一灌水水平下,增加施氮量會(huì)使果實(shí)總酸含量變多。T1的糖酸比最大,為2.14,與最小的T7相比高出56.20%,其次糖酸比較大的是T4;T2的可溶性蛋白含量最高,為402.09 μg·g-1,與最低的T6相比高出123.88%;T5的維生素C含量最高,為153.2 mg·kg-1,與最低的T7相比高出78.97%;果實(shí)的硝酸鹽含量是食品安全檢測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo),低水高氮的T3果實(shí)硝酸鹽含量最高,為325.54 mg·kg-1,硝酸鹽含量總體表現(xiàn)出隨施氮量的增加而增加的趨勢(shì);T6的果實(shí)總酚含量最高,其次為T5,T1和T3的總酚含量最低,與T6相比低了37.93%;T1和T2的果實(shí)硬度顯著低于其他處理,獲得較高的果實(shí)硬度需要增施氮肥。

表4 水氮耦合對(duì)沙培黃瓜果實(shí)品質(zhì)的影響Table 4 Effect of water and nitrogen coupling on the quality of sand cultured cucumber

2.7 黃瓜果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的TOPSIS評(píng)價(jià)

現(xiàn)將黃瓜各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行平方和歸一化后,利用TOPSIS法得到各處理的綜合品質(zhì)貼合度 Ci值(因下文將對(duì)Ci值進(jìn)行回歸分析,故T7不參加TOPSIS評(píng)價(jià),以免影響回歸分析的結(jié)果),結(jié)果如表5所示,各處理的果實(shí)綜合品質(zhì)順序?yàn)門5>T4>T3>T2>T6>T1,T5的綜合品質(zhì)最好,其次是T4,最差的是T1,灌水水平中等的綜合品質(zhì)要高于灌水水平過大和過小的,施氮量過低的綜合品質(zhì)明顯低于增施氮肥的各個(gè)處理,雖然T5的綜合品質(zhì)最高,但是其施氮量過高,中水中氮的T4在較低投入下仍可獲得較好的綜合品質(zhì),因此T4為本試驗(yàn)條件下綜合品質(zhì)最佳的處理。對(duì)果實(shí)綜合品質(zhì)貼合度Ci值(YCi)進(jìn)行回歸分析,由方程式(7)可知,灌水水平過大或過小都會(huì)很大程度上降低沙培黃瓜果實(shí)品質(zhì),過多地增施氮肥同樣會(huì)使品質(zhì)下降。

表5 基于TOPSIS法的各處理果實(shí)品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)及排序Table 5 Comprehensive evaluation and ranking of fruit quality of each treatment based on TOPSIS method

(7)

2.8 基于遺傳算法的產(chǎn)量、氮肥利用率(NUE)、水分利用效率(WUE)、果實(shí)綜合品質(zhì)組合尋優(yōu)

本次試驗(yàn)結(jié)果中產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥利用率和果實(shí)綜合品質(zhì)貼合度Ci值所構(gòu)建的回歸方程式(4～7),經(jīng)檢驗(yàn)后4個(gè)回歸方程的決定系數(shù)分別為0.998、0.955、0.980、0.908,回歸關(guān)系顯著,利用它們建立多目標(biāo)優(yōu)化問題模型。

(8)

用遺傳算法中的并列選擇法計(jì)算上述多目標(biāo)優(yōu)化問題的 Pareto 解,設(shè)定初始個(gè)體數(shù)目為1 200,最大遺傳代數(shù)為 60,變量的二進(jìn)制數(shù)目取 20,交叉概率取 0.7,代溝取 0.9,分別得到Y(jié)、YWUE、YNUE、YCi以及整體模型隨迭代次數(shù)的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出,各曲線在迭代次數(shù)小于30時(shí)變幅均較小,在迭代次數(shù)大于30后,產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥利用率曲線呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的趨勢(shì),而綜合品質(zhì)曲線則有較大幅度的下降;4個(gè)目標(biāo)函數(shù)之和曲線在迭代初期一直保持平穩(wěn)狀態(tài),在迭代次數(shù)大于30之后出現(xiàn)小幅度的波動(dòng),但其值一直保持在較高水平。最終得到最優(yōu)化產(chǎn)量為114.50 t·hm-2,最優(yōu)化水分利用效率為28.64 kg·m-3,最優(yōu)化氮肥利用率為71.18%,最優(yōu)化果實(shí)綜合品質(zhì)貼合度Ci為0.52,取得最優(yōu)解時(shí)的灌水水平編碼值為-0.193 4,施氮量編碼值為0.727 8,與之對(duì)應(yīng)的實(shí)際值即灌水水平為79.12%,施氮量為1 100 kg·hm-2。

圖5 經(jīng)過60次迭代后產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥利用率、綜合品質(zhì)以及整體模型最優(yōu)解及性能跟蹤Fig.5 After 60 iterations, yield, water use efficiency, nitrogen use efficiency, comprehensive quality, optimal solution and performance tracking of the overall model

3 討論

水分和氮肥是影響作物生長發(fā)育和生產(chǎn)力提高的重要因素, 水是肥效發(fā)揮的有利幫手, 肥是開啟水土體系生產(chǎn)產(chǎn)能的閥門[19],故尋求最優(yōu)的水氮耦合方案是取得作物高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)的有效途徑。

在相同灌水條件下,黃瓜株高、莖粗、葉面積指數(shù)等生長指標(biāo)隨施肥量的增加呈開口向下的拋物線變化趨勢(shì)[20-21],本研究也得出了相似的結(jié)論,即在同一灌水水平下,增施氮肥對(duì)各項(xiàng)生長指標(biāo)均有顯著提升,但是過量施氮下株高、莖粗和葉片數(shù)卻有所下降。劉學(xué)娜等[19]研究表明,在同一施氮水平下, 增大灌水量可以提高黃瓜的株高和莖粗,而本次試驗(yàn)中利用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)得出的長勢(shì)最好的處理是低水高氮的T2,此結(jié)果不一致可能是沙培所導(dǎo)致的,增大灌水量會(huì)導(dǎo)致沙子中氮素的淋洗作用增強(qiáng),植株根系所能吸收到的有效氮含量降低導(dǎo)致地上部長勢(shì)差。

本試驗(yàn)通過對(duì)產(chǎn)量的回歸分析發(fā)現(xiàn),增施氮肥能夠顯著增產(chǎn),而過高的施氮量和灌水水平反而會(huì)降低產(chǎn)量。李銀坤等[22]研究表明,適量地增加施氮有利于黃瓜產(chǎn)量的提高,而當(dāng)施氮量過高時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的提高效果不明顯,甚至?xí)斐蓽p產(chǎn)。王頎等[23]研究表明,隨著氮肥施用量的增加,日光溫室黃瓜產(chǎn)量呈先升高后降低趨勢(shì),與本次試驗(yàn)結(jié)果相似,而陳修斌等[24]研究表明,水分及水氮互作效應(yīng)對(duì)黃瓜單株產(chǎn)量呈極顯著影響;與本次試驗(yàn)結(jié)果不一致,這可能是灌水上下限和栽培基質(zhì)的不同導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)差異。

水分利用效率是由單位面積耗水量除以產(chǎn)量所得出的,由于本試驗(yàn)在溫室內(nèi)進(jìn)行,沒有降雨和地下水補(bǔ)給等影響耗水量,因此灌水水平和產(chǎn)量兩者就決定了水分利用率的大小,肖自添[25]研究表明,在一定范圍內(nèi),施氮能提高水分利用效率,灌水反而降低了水分利用效率,這與本試驗(yàn)結(jié)果相似,而李靜等[20]研究表明,在低水和中水處理時(shí),WUE 隨著施氮量增加表現(xiàn)為先增大后降低的趨勢(shì),而對(duì)于高水處理,WUE 隨著施氮量的增加顯著增加。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果有一定出入,這可能是試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同所導(dǎo)致的。張鈞恒等[26]研究表明,在一定范圍內(nèi)增加灌溉量和施肥量均會(huì)提高作物的肥料利用率,而過高的水肥供應(yīng)則會(huì)導(dǎo)致肥料利用率的降低,這與本試驗(yàn)結(jié)果相似。隋娟等[27]研究發(fā)現(xiàn),中水中肥的水肥耦合模式下,氮肥利用率較高,而低水高肥處理氮肥利用率較低,這與本試驗(yàn)中氮肥利用率最低的是中水高氮處理有一定出入,這可能是由于栽培基質(zhì)、環(huán)境和施氮量不同導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)差異。

黃瓜果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)眾多且分析單個(gè)指標(biāo)不能全面反映果實(shí)的綜合品質(zhì),朱常安等[5]研究發(fā)現(xiàn),通過 TOPSIS組合評(píng)價(jià)法構(gòu)建的黃瓜果實(shí)綜合營養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)體系,比根據(jù)單一品質(zhì)指標(biāo)排序的相關(guān)性好,能夠較好地評(píng)價(jià)黃瓜綜合營養(yǎng)品質(zhì)。因此,本試驗(yàn)對(duì)果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行TOPSIS綜合評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)中水高氮的T5綜合品質(zhì)最好,其次是中水中氮的T4。潘銅華[28]研究發(fā)現(xiàn),中等水平灌溉量下,施加高濃度營養(yǎng)液與中等濃度營養(yǎng)液可獲得番茄最佳品質(zhì)。胡曉輝等[29]研究也發(fā)現(xiàn),中等灌溉量高濃度營養(yǎng)液耦合處理下的辣椒果實(shí)品質(zhì)綜合評(píng)分最高,中等灌溉量中濃度營養(yǎng)液耦合處理次之;與本次試驗(yàn)結(jié)果相似,李建明等[30]研究結(jié)果表明,水肥協(xié)同影響西瓜綜合評(píng)價(jià)值,且灌水量對(duì)其影響大于施肥量;綜合評(píng)價(jià)值隨水肥施入量增加均呈先升后降的趨勢(shì),這與本研究中果實(shí)綜合品質(zhì)貼合度Ci值回歸分析所得出的結(jié)論較為相似。李志軍等[31]認(rèn)為,在以品質(zhì)最優(yōu)為目標(biāo)時(shí),低水中氮處理為最優(yōu)的水氮供應(yīng)模式。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果不一致,這可能是由黃瓜品種和品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)所造成的。

在尋求最優(yōu)的水氮管理方案時(shí),不能僅僅尋求單一目標(biāo)的最優(yōu)化,而是全面考慮經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境的綜合效益,因此在沙培黃瓜生產(chǎn)中,需建立以產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率和氮肥利用率等目標(biāo)的水氮耦合評(píng)價(jià)體系,目前多目標(biāo)遺傳算法用于制定最優(yōu)水肥組合方案的合理性和優(yōu)越性已有前人[29,32]進(jìn)行了驗(yàn)證,本試驗(yàn)通過遺傳算法求解多目標(biāo)優(yōu)化問題模型的結(jié)果表明,當(dāng)灌水水平為79.12%,施氮量為1 100 kg·hm-2時(shí),得到最優(yōu)化產(chǎn)量為114.50 t·hm-2,最優(yōu)化水分利用效率為28.64 kg·m-3,最優(yōu)化氮肥利用率為71.18%,最優(yōu)化果實(shí)綜合品質(zhì)貼合度Ci為0.52,當(dāng)?shù)叵嗤耘嗄Ｊ较?以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師十團(tuán)綠飄香農(nóng)業(yè)合作社為例)沙培黃瓜產(chǎn)量為78.30 t·hm-2,水分利用效率為21.23 kg·m-3,氮肥利用率為39.24%,最優(yōu)水氮方案下的產(chǎn)量和水氮利用效率較當(dāng)?shù)叵嗤耘嗄Ｊ降姆謩e高出46.23%、34.90%和81.40%,達(dá)到了高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。本試驗(yàn)結(jié)論與前人[33-34]研究得出的黃瓜最優(yōu)水氮組合不一致,其原因可能是本試驗(yàn)栽培模式密度較大,并且沙子的礦質(zhì)營養(yǎng)元素匱乏,導(dǎo)致需肥量增大。由于本試驗(yàn)未對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,最優(yōu)水氮耦合方案的可靠性仍需進(jìn)一步的研究證實(shí)。

4 結(jié)論

(1)各處理的生長、產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率和氮肥利用率都存在著顯著差異,受到灌水水平、施氮量及其耦合效應(yīng)在不同程度上的影響。當(dāng)灌水上限在65.00%～89.40%,施氮量在623～1 250 kg·hm-2時(shí),植株的生長狀況較好;在沙培中施氮量是決定黃瓜產(chǎn)量的關(guān)鍵因子,增施氮肥能夠顯著增產(chǎn),而過高的施氮量和灌水水平反而會(huì)降低產(chǎn)量,符合報(bào)酬遞減規(guī)律;增施氮肥的同時(shí)降低灌水水平可獲得較高的水分利用效率;過多地增施氮肥,并且灌水水平過高過低都會(huì)造成氮肥利用率和品質(zhì)的下降。

(2)最適于沙培黃瓜生產(chǎn)的水氮耦合方案為:灌水水平79.12%(即基質(zhì)田間持水量60.00%～79.12%的灌水上下限設(shè)置),施氮量1 100 kg·hm-2,此結(jié)果可為沙培黃瓜水氮科學(xué)精細(xì)化管理及沙培技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。