不同灌溉施肥模式对菠萝产量及水肥利用效率的影响

马海洋 石伟琦 刘亚男 冼皑敏 王琚钢

摘 要 为了明确灌溉施肥模式在季节性干旱期对菠萝产量及水肥利用效率的影响，开展了等量灌水和施肥条件下不同灌溉施肥模式的田间小区比较试验。结果表明：滴灌灌水较传统施肥处理显著促进菠萝植株总干物质的累积，增幅达20.29%，产量提高9.33%。与传统施肥相比，滴灌肥水一体化、微喷带肥水一体化和喷灌肥水一体化处理的菠萝产量分别增加26.27%、23.11%和6.72%，肥料贡献率分别增加16.31%、14.71%和4.93%，农学效率分别增加了18.05 kg/kg、15.88 kg/kg和4.62 kg/kg。在施肥量和灌水量相同的条件下，滴灌肥水一体化处理的菠萝总干物量比微喷带和喷灌肥水一体化分别提高7.35%和21.63%，产量分别增加2.57%和18.32%，肥料贡献率分别提高了1.60%和11.38%。滴灌肥水一体化、微喷带肥水一体化和喷灌肥水一体化处理的灌溉水利用效率均达到37 kg/m3以上。经济效益分析表明，滴灌肥水一体化处理的净收益较传统施肥、微喷带和喷灌肥水一体化分别提高96.30%、5.24%和67.19%。因此，滴灌肥水一体化模式是在季节性干旱期给菠萝灌水施肥的最优水肥耦合方式。

关键词 灌溉模式；菠萝；产量；肥料利用效率；灌溉水利用效率

中图分类号 S668.3 文献标识码 A

Abstract A field experiment was conducted to explicit the effect of the yield and water and fertilizer use efficiency of pineapple in seasonal drought under different irrigation and fertilization methods with equal irrigation water and fertilizer. Compared with the traditional fertilization treatment，drip irrigation significantly promoted the accumulation of total dry matter by 20.29% of the pineapple，and the yield increased by 9.33%. The yield of pineapple increased by 26.27%，23.11% and 6.72%，and fertilizer contribution rate increased by 16.31%，14.71% and 4.93%， and agronomic efficiency increased 18.05 kg/kg，15.88 kg/kg and 4.62 kg/kg，respectively，under fertigation with drip，micro-sprinkling hose and sprinkler conditions treatments compared with traditional fertilization treatment. The total dry matter accumulation，pineapple yield and fertilizer contribution rate in drip fertigation treatments were higher than that in the micro-sprinkling hose fertigation treatments，increased by 7.35%，2.57% and 1.60%，respectively. And that also increased by 21.63%，18.32% and 11.38% compared with sprinkler fertigation treatment under equal irrigation water and fertilizer. In addition，the irrigation water use efficiency of treatments with fertigation were more than 37 kg/m3. The cost and economic returns analysis showed that the net income of drip fertigation treatment was the highest compared with the traditional fertilization， micro-sprinkling hose fertigation and sprinkler fertigation treatment，and increased by 96.30%，5.24% and 67.19%，respectively. Therefore，drip fertigation is one of the best model of water and fertilizer coupling in seasonal drought period to irrigation for pineapple.

Key words Irrigation mode；Pineapple；Yield；Fertilizer use efficiency；Productivity of irrigation

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.10.006

中国是水资源紧缺性国家，人均水资源量只有2 100 m3，仅为世界人均水平的28%，全国年平均缺水量达500多亿m3，水资源供需矛盾关系显著。同时，农业总用水量占中国总用水量的60%以上，其中，灌溉总用水量占农业总用水量的90%以上，且目前灌溉水有效利用率与世界先进水平有较大差距[1]。由于热带亚热带地区降水资源丰富，华南地区节水农业的发展一直没有得到足够的重视。虽然华南地区降水量丰富，但是时空与季节分布严重不均[2]，存在严重的季节性干旱问题[3]。该地区除灌溉指数较高外，总水分生产率、灌溉水产出率和降水产出率等都处于全国中等或中等偏低水平[4]。急需通过开展合理灌溉模式研究来提高灌溉水利用效率。

菠萝[Ananas comosus（L.）.Merr]属凤梨科凤梨属，多年生单子叶草本植物，是重要的热带水果。中国是世界菠萝十大生产国之一，主要分布在华南热带地区。2011年末实有面积达6万hm2，总产量达到112万t，总产值达到19亿元[5]。菠萝生产已成为华南地区农村经济的一大支柱产业，为促进农民增收、农业增效和扩大城乡居民就业做出了积极贡献[6]。施肥和灌水是农业生产中极为重要的栽培措施，但在菠萝种植中农户却只重视施肥而忽视灌水[7]。而华南地区降水季节与时空分布严重不均[3，7]，存在严重的季节性干旱问题[3]，干旱胁迫严重影响菠萝植株的生长[8-9]和果实发育。传统菠萝种植中，菠萝果实生长发育期及当季菠萝的旺盛生长期均处于季节性干旱期，仅靠降雨无法满足菠萝生长所需[7]。传统施肥中农户给菠萝追肥主要依靠降雨完成，季节性干旱也导致施肥时间的不确定性以及肥料利用率偏低[7]。季节性干旱已成为菠萝单产低下的主要原因之一[10]，已严重影响菠萝产业的发展。因此，在季节性干旱期给菠萝灌溉以缓解干旱胁迫十分必要。

灌溉施肥技术是将灌水与施肥相结合起来，先把肥料溶解在一定的灌溉水中，然后借助农用机械和管道将肥料和水分一同供应到田间的实用技术，可以实现水分和养分在时间上的同步[11-12]，大大提高水和肥的利用效率[13-14]，节省用工成本[15-16]，显著提高作物产量[15-19]。灌溉施肥技术可能是解决菠萝产业发展中季节性干旱的有效技术措施。以微喷带灌溉、喷灌和滴灌等为主的灌溉施肥技术模式在菠萝上已经有一定的应用[20]。但在灌溉施肥模式下，灌水和施肥对菠萝增产效应的贡献率大小以及水分和肥料哪个因素起主要作用目前尚不清楚。在肥料和水分投入量一定的条件下，不同灌溉施肥模式对菠萝生长和产量的调节作用亦不明确。因此，本研究在菠萝生长的季节性干旱期，以空白、滴灌灌水和传统施肥为对照，开展了等量灌水和施肥条件下不同灌溉施肥模式的田间小区对比试验，研究其对菠萝产量、品质和水肥利用效率的影响，旨在为不同种植条件下合理选择灌溉施肥方式提供理论依据，以促进菠萝产业健康发展。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验地点和品种 试验地点在广东省湛江市中国热带农业科学院南亚热带作物研究所植物营养学科基地，地处雷州半岛，位于东经110°17′，北纬21°12′，海拔高度9 m，属热带季风气候和海洋气候。有效积温为8 309～8 519 ℃，年均降雨量为1 417～1 802 mm，且时空分布不均，雨、旱季交替明显，5月中旬至10月上旬为雨季，降雨量占全年77.3%；10月中旬至翌年5月上旬为旱季，降雨量占全年的22.7%，蒸发量为1 627～2 129 mm。土壤类型为凝灰岩砖红壤，质地为砂壤土。供试土壤0～100 cm容重范围为0.77～1.15 g/cm3，质量含水量范围为17.0%～47.3%，田间持水量范围为32.2%～40.5%（质量含水量）。试验期间降雨量为177 mm，占整个菠萝生育期的11%。菠萝种植前，土壤0～20 cm土层基础理化性质为：pH值为4.4，有机质为20.3 g/kg，全氮0.84 g/kg，有效磷（P）3.2 mg/kg，速效钾（K）64.5 mg/kg，交换性钙10.2 cmol/kg，交换性镁2.5 cmol/kg。供试菠萝品种为金菠萝（MD-2）。

1.1.2 试验设备 施肥方法是利用离心泵直接将肥料溶液吸入灌溉系统，设备主要由水源、水泵、旋翼式水表、施肥泵和输水管道系统等组成。滴灌采用内嵌式圆柱滴灌管，内径8 mm，滴头间距30 cm，滴头流量2 L/h，工作压力0.3 MPa；微喷带为5孔，直径为25 mm，工作压力0.3 MPa，流量40 L/（h·m）；喷灌采用可调摇臂式喷头，进水口直径25 mm，喷水量1～1.2 m3/h，工作压力范围0.1～0.15 MPa，喷洒直径8 m。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 于2014年3月栽植菠萝，2015年7月收获。试验共设6个处理：空白对照（不施肥+不灌水，CK）、传统施肥（施肥+不灌水，FP）、纯滴灌（滴灌灌水，DI）、滴灌肥水一体化（滴灌灌水+施肥，DF）、微喷带肥水一体化（微喷带灌水+施肥，FF）和喷灌肥水一体化（喷灌灌水+施肥，SF）。每个处理重复3次。试验小区面积31.5 m2（21 m×1.5 m），小区间设置隔离带宽1 m。每小区种植3列，株行距33 cm×50 cm，中间行为取样区，每小区种植菠萝苗190株，种植密度为60 600株/hm2。本试验动态监测了试验点降雨量和土壤含水量变化，将肥水一体化处理（DF、FF、SF）与纯滴灌（DI）处理灌水量保持一致，具体用量是根据试验地土壤含水量与土壤田间持水量确定，各小区每次灌水量保持在1.5 m3（32 m3/667 m2），共灌水4次，分别为菠萝生长期（2014年11月5日和2014年12月22日）、催花期（2015年1月22日）和果实发育期（2015年3月20日）。各施肥处理肥料用量保持一致，采用菠萝“3414”试验推荐用量，纯N、P2O5、K2O用量分别为450 kg/hm2、100 kg/hm2、420 kg/hm2，试验所用肥料为高水溶性金正大硝基复合肥（15-6-20）、尿素（N 46%）和氯化钾（K2O 60%）。传统施肥处理肥料平均分2次施入，施肥时期为菠萝生长期（2014年11月5日）和果实发育期（2015年3月20日），施肥方式为沟施后覆土。灌溉施肥处理肥料平均分3次施用，施肥方式：将肥料溶于一定体积的水中，用施肥首部吸入管道随灌水施入，施肥时期为菠萝生长期（2014年11月5日）、催花期（2015年1月22日）和果实发育期（2015年3月20日）。另外，试验地除草、病虫害防治和催花等田间管理措施均与传统施肥处理保持一致。

1.2.2 测试项目和方法 试验开始前用土钻随机采集5～10个点土壤表层的0～20 cm土样，将其混合为一个基础土样，待样品风干后，测定土壤pH值（水土比2.5 ∶ 1）、有机质（重铬酸钾外加热法）、全氮（半微量开氏法）、有效磷（盐酸-氟化铵浸提钼蓝比色法）、速效钾（乙酸铵浸提-火焰光度计法）等指标[21]。

于2015年7月菠萝成熟期采集植物样品，将植株分为根、茎、叶、果柄、果实和冠芽，先用清水将样品洗干净，再用去离子水清洗2次，后将样品在105 ℃下杀青30 min，于70 ℃烘干至恒重，测定各部位生物量，然后将各部位混匀后粉碎，过2 mm筛备用。用H2SO4-H2O2消煮植株样，用凯氏定氮法测定全氮，分光光度计法测定全磷，火焰光度计法测定全钾[21]。

产量测定：果实成熟后，按小区采收，每个处理小区随机采摘30个果实并称量，计算平均值，然后去除冠芽鲜重，即得各处理的平均单果重。产量（kg/hm2）=实际测定产量×果实占整个果（包括冠芽和果实）的比例/小区面积，实际测定的产量包括冠芽在内，科学计算产量则不包括冠芽。各处理每个小区取10个果实，称量冠芽鲜重和果实鲜重，计算果实占整个果的比例[果实占整个果的比例=果净重/（果净重+冠芽）]。

品质测定：于果实成熟期，每个小区采集成熟度一致的菠萝5个，用滴定法测定可滴定酸和Vc 含量，用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，用手持糖度计测定可溶性固形物含量[22]。

1.3 数据分析

各指标计算方法依据菠萝产量、灌水量、施肥量计算。灌溉水生产效率[14]（Irrigation water use efficiency，IWUE，kg/m3）=产量（kg/hm2）/灌溉水量（m3/hm2）；化肥偏生产力[23]（Partial factor productivity，PFP，kg/kg）=施肥后作物产量（kg/hm2）/化肥纯养分投入量（kg/hm2）；肥料贡献率[24]（Fertilizer contribution rate，FCR，%）=（施肥区经济产量-对照区经济产量）/施肥区经济产量×100；农学效率[24]（Agronomy efficiency，AE，kg/kg）=（施肥区经济产量-对照区经济产量）/施肥区施肥量；植株氮（磷、钾）吸收量（Nutrient absorption amount， NAA， kg/hm2）=植株各部分全氮（磷、钾）含量×干物质量×种植密度；氮（磷、钾）素吸收效率[25]（Nutrient uptake efficiency，UPE，%）=植株总氮（磷、钾）吸收累积量/[土壤供应氮（磷、钾）量+施用氮（磷、钾）量]×100，土壤供应氮（磷、钾）量为CK处理的植株氮（磷、钾）吸收累积量。采用SPSS19.0软件对试验数据进行统计分析，LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉施肥处理对菠萝干物质量的影响

施肥和灌水及水肥耦合显著促进菠萝地上部生长，干旱期灌水的作用要优于施肥。由表1可知，DI和DF、FF、SF处理的菠萝总干物质量显著高于CK和FP处理，其中以DF处理最高。与CK处理相比，FP处理菠萝总干物质量增加16.20%，DI处理增加39.78%，DF处理提高了69.31%。滴灌灌水较传统施肥处理显著促进菠萝植株总干物质的累积，每株平均增加118.3 g，增幅达20.29%。

不同水肥耦合方式对菠萝的生长影响不同。在等量施肥和灌水条件下，DF处理菠萝总干物质量最高，达827.87 g/株，分别比FF和SF处理提高7.35%和21.63%。这说明灌水和水肥耦合处理均能显著促进菠萝干物质累积，且以滴灌肥水一体化处理最优。

由表1和图1可知，灌溉与施肥均显著促进了菠萝植株干物质向地上部分配和累积。与CK处理相比，FP处理菠萝植株的叶、果柄、果和整株的干物质量及其累积百分比均有所提高，而根、茎和冠芽则降低；除菠萝根系外，DI处理菠萝各部位干物质量均增加，且叶片干物质累积百分比提高。灌水和传统施肥降低了菠萝根系干物质量及其累积百分比，但叶片干物质累积百分比提高，这说明灌溉和施肥措施可以调控菠萝根系和叶片的生长发育。DF处理菠萝植株总干物质量和叶片干物质量及其累积百分比例显著高于仅用单项技术措施的FP和DI处理。等量施肥和灌水条件下，不同水肥耦合灌溉施肥模式处理的菠萝植株总干物质量及其在各部位的分配规律均为叶>果>茎（冠芽）>根（果柄）。

2.2 不同灌溉施肥处理对菠萝产量和肥水利用效率的影响

由表2可知，施肥和灌水及水肥耦合显著提高了菠萝产量，其中以DF和FF的产量最高，增产率达到50%以上。与FP相比，DI、DF、FF、SF的产量分别增加9.33%、26.27%、23.11%和6.72%；DF、FF、SF的肥料贡献率分别增加16.31%、14.71%和4.93%，农学效率增加了18.05、15.88、4.62 kg/kg。不同水肥耦合方式对菠萝产量的影响不同，DF处理产量比FF和SF分别增加2.11和13.03 t/hm2，增幅为2.57%和18.32%；肥料贡献率提高了1.60%和11.38%。各处理灌溉水利用效率均达到37 kg/m3以上，但不同灌溉方式处理间差异不显著。在滴灌条件下，施肥使灌溉水利用效率提高了5.88 kg/m3，增幅达15.5%，说明水肥耦合灌溉施肥能提高灌溉水利用效率。

施肥和灌水能提高菠萝植株氮、磷和钾素的吸收量和养分吸收效率。由表3可以看出，与CK处理相比，FP处理显著提高了植株氮素吸收量，增幅为56.75%；DI处理植株氮素吸收量显著提高的同时，磷和钾素吸收量也显著提高，增幅分别为33.16%、47.86%和60.58%。由以上分析可知，施肥对植株氮素吸收量的提高幅度大于灌水，而对于磷和钾，灌水的增幅则优于施肥，说明灌水是一项十分必要的管理措施。DF处理植株氮和钾素吸收量较CK提高了131.23%和90.27%，但磷吸收量较DI处理有所降低。且DF处理植株氮和钾素吸收量均大于单施肥或纯灌水处理，说明滴灌肥水耦合可有效地提高菠萝对氮和钾的吸收。

与FP处理相比，DF和FF处理的植株氮、磷和钾吸收效率显著提高，增幅范围分别为31.76%～47.51%、32.81%～36.40%和58.61%～67.22%（表3）。

2.3 不同灌溉施肥处理对菠萝品质的影响

除果实可溶性糖含量和糖酸比外，施肥和灌水及水肥耦合对菠萝果实品质影响不显著（表4）。由表4可以看出，DI和DF处理的果实可溶性总糖和糖酸比显著高于其他处理。与CK相比，DI和DF果实可溶性糖含量分别提高了32.95%、30.55%，糖酸比分别提高了25.57%、23.91%。与FP相比，DI和DF果实可溶性糖含量分别提高了53.36%、50.60%，糖酸比分别提高了47.18%、45.23%。果实维生素C和可滴定酸含量在各处理间差异不显著，但以CK处理的维生素C含量最高。施肥和灌水措施降低菠萝果实维生素C含量，而可滴定酸含量有所增加，但差异不显著。

2.4 不同灌溉施肥处理的经济效益分析

以菠萝整个生产周期的投入、产出测算经济效益（表5）。传统施肥处理（FP）的净收益大于CK，比滴灌灌水处理（DI）低3 3414元/hm2。滴灌肥水一体化处理（DF）净收益最高，比FP和DI处理提高了51 294元/hm2和17 879元/hm2，增幅为96.30%和20.63%。不同灌溉施肥处理的净收益大小顺序为DF>FF>SF，滴灌肥水一体化处理（DF）虽然投入最大，但是产量也最高，商品果多，且收获种苗数量也最多，最终净收益分别比FF和SF处理高出5 208元/hm2和42 019元/hm2，增收5.24%和67.19%。种植菠萝的产投比也由传统施肥处理（FP）的1.77 ∶ 1上升到灌溉施肥处理的1.81～2.31 ∶ 1。

3 讨论与结论

影响作物对养分吸收利用的因素有很多，包括水分、根系、土壤理化性质和土壤微生物[26-27]。其中水的影响作用最为显著，水分是土壤中最活跃的因子，是养分能否被有效吸收和利用的前提。水分亏缺会使土壤缓效养分向速效养分的释放过程明显变慢、变少[28]，从而造成肥料养分向根区迁移的数量减少，影响作物对养分的吸收利用。Rego等[29]的研究也证实缓解高粱水分胁迫可使氮素吸收量提高约40%。也有研究结果表明，植物对磷的吸收与土壤含水量呈直线正相关[26]。Mengel等[30]指出，随土壤含水量的增加，肥料钾的有效性显著增加。本研究结果表明，滴灌灌水较空白处理的氮磷钾吸收量显著增加，增幅分别为33.16%、47.86%和60.58%；与传统施肥相比，滴灌和微喷带肥水一体化处理的植株氮、磷和钾素吸收量也增加，增幅分别为31.76%～47.51%、32.81%～36.40%和58.61%～67.22%。这说明在菠萝季节性干旱期灌水或灌溉施肥能缓解水分胁迫，显著促进植株对养分的吸收，提高植株养分吸收效率。

在灌溉的同时结合施肥可以实现水分和养分在时间上的同步[11-12]，能提高水和肥利用效率[13-14]，显著提高作物产量[15-19]。已有研究表明，在滴灌施肥条件下，生姜根茎经济产量提高17.94%[14]，巴厘菠萝增产39.04%[16]，土豆增产19.90%[31]，棉花增产32.00%[32]，葡萄增产28.71%[18]，苹果增产13%[33]。本研究结果表明，滴灌肥水一体化处理较传统施肥增产26.27%，肥料贡献率提高16.31%，农学效率提高18.05 kg/kg，净经济效益提高51 294元/hm2（增幅达96.30%）。本研究主要是针对季节性干旱期开展灌溉施肥试验，试验总灌水量和施肥量较严程明等[16]的有较大幅度降低，这可能是增产幅度稍低的原因。

不同灌溉方式的优缺点、铺设成本以及应用效果存在差异[15，17，20]。本研究表明，在等量灌水和施肥条件下，滴灌肥水一体化比微喷带和喷灌肥水一体化处理的菠萝产量分别增加2.11、13.03 t/hm2，增幅为2.57%和18.32%，滴灌与微喷带肥水一体化处理的菠萝产量相当，这与在香蕉[17]上的研究结果相同。谢盛良等[15]的研究结果也证实了采用微喷带水肥一体化能显著提高菠萝产量。而不同灌溉模式的管道铺设成本及操作管理复杂程度不同，会影响最终的经济效益。本研究结果显示，滴灌肥水一体化处理比微喷带和喷灌肥水一体化处理的净收益分别增加5 208元/hm2和42 019元/hm2，增收5.24%和67.19%，产投比提高。虽然滴灌设备投资成本最大，操作复杂，但其最终的净收益最高。而微喷带具有流量大、灌水周期短、灌溉均匀、抗堵塞、投资少、使用方便等特点，最终净收益有所下降，但也适合小面积种植户采用。本研究中喷灌肥水一体化处理的产量较低，原因可能是试验小区面积为长方形，喷头的灌溉面积大，而小区间设置有隔离带，空地上的水肥不能被菠萝吸收利用，造成喷灌水肥损失大，利用率低。

滴灌灌水对菠萝的增产作用及促进养分吸收累积的作用均大于传统施肥，在季节性干旱期给菠萝灌溉是一项重要的栽培措施。滴灌肥水一体化显著提高了菠萝的产量、经济效益和肥料利用效率，较传统施肥方式有较大的增产增效潜力。在等量灌水和施肥条件下，滴灌肥水一体化与微喷带肥水一体化灌溉施肥模式经济效益相差不大，这2种技术模式适合不同经营规模的菠萝种植户选用。在本试验条件下，滴灌灌溉施肥模式是最优的菠萝栽培管理模式。

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