不同灌溉定额及施氮量对西瓜产量及水分利用效率的影响

王 力，孙兆军,2,3，焦炳忠，韩 磊,3，李骏奇，任秋实

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏大学资源与环境学院，银川 750021；3.宁夏大学环境工程研究院，银川 750021)

0 引 言

我国水资源丰富但分布不均，农业用水量约占全国总用水量的70%,因此，发展节水农业迫在眉睫。为缓解农业用水不足的问题，应该积极从传统的灌溉农业向节水农业转变[1]。节水农业不仅是经济和社会可持续发展的要求，也是我国水资源短缺、水土资源配置失衡等严峻形势所决定的。农业可持续发展中最主要的问题是灌水和施肥的问题。大量研究表明，肥料和水分的使用是影响农作物品质的主要因素，肥料和水分为作物生长提供必要的营养物质和水分，它们之间存在复杂的相互作用和相互依存的关系。陈光等[2]研究表明：滴灌、微喷灌在保证产量的同时比沟灌更加节水、节肥，节水率和节肥率分别达38.7% 和28.9%。赵卫星、徐小丽[3]等人对不同肥水耦合方式在西瓜上的应用效果进行了研究，主要研究不同灌水频率对西瓜的影响，结果表明：每次灌水量为225 m3/hm2配施112.5 kg/hm2复合肥的耦合方式，能显著提高西瓜的光合速率和产量。Basel G A等[4]和Phene C J等[5]对番茄水肥优化进行了研究，结果表明：适量的水肥能够提高番茄产量。西瓜生长过程中对水肥需求量较大。氮肥是形成西瓜植株和果实中的蛋白质、核酸、叶绿素、多种酶和多种维生素的主要成分，氮素营养水平直接影响西瓜的产量和品质[6]。合理的氮肥施用量能使作物获得优质高产，也能提高氮肥的利用效率，获得较高的经济效益[7]。合理的水肥有利于作物高产，水肥管理不当会对作物生长发育产生不利影响，造成资源浪费和环境污染等问题[8]。滴灌灌水和施肥是一项比较精准的农业技术，利用滴灌系统能够将肥料及水分输送到作物根部土壤[9]，为作物精准的提供养分和水分，提高水肥利用效率。宁夏地处干旱地区，提高西瓜的水肥利用率是该地区西瓜生产面临的主要问题。因此，研究干旱区西瓜膜下滴灌灌水施肥有实际的指导意义。

综上所述，国内外学者主要对不同植物的水肥优化管理进行了研究，但针对干旱区膜下滴灌对西瓜生长和产量方面的影响研究较少。因此，本文采用膜下滴灌的方式在宁夏干旱地区种植西瓜，研究不同的灌溉定额和施氮量对西瓜的生长、产量及水分利用效率的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年4-9月在宁夏南部山区同心县王团镇宁夏旱作节水科技园区进行。该地区属于中温带半干旱大陆性气候，多年平均气温8.6 ℃，干旱少雨，年平均降水量272.6 mm，年蒸发量大于2 000 mm，无霜期120～218 d，年平均日照3 024 h。试验区土壤的机械组成为：砂粒占53.6%，粉粒占30.2%，黏粒占16.2%，根据土壤质地划分标准可知试验区土壤为砂壤土，田间持水率 24.11 %，土壤容重1.36 g/cm3，全盐 0.27 g/kg，全氮0.38 g/kg，全磷0.87 g/kg，速效磷15.30 mg/kg，速效钾440.93 mg/kg，有机质7.91 g/kg，土壤pH值为7.90。

1.2 试验设计及过程

本试验采用二因素三水平的试验方法。试验设计：因素A分为600 m3/hm2(A1)、900 m3/hm2(A2)、1 200 m3/hm2(A3)3个灌溉定额水平，因素B分为150 kg/hm2(B1)、225 kg/hm2(B2)、300 kg/hm2(B3)3个施氮量水平，共9个处理，每个处理重复3次。

每个试验小区的长15 m，宽4 m，面积均为60 m2。试验小区采用沟垄覆膜种植模式，垄宽1.0 m，高0.2 m，垄顶做成平顶，每小区两垄，株行距1.0 m×1.0 m，每小区定株60株。小区间保护行为1.0 m宽，外围保护行宽为2.5 m。9个小区随机组合排列，每个小区种植4行西瓜，铺设4条外径为16 mm，滴头间距为1 m，滴头流量为2 L/h的贴片式滴灌带，灌水量由水表读取。种植西瓜苗前每个小区表层人工均匀撒施相同质量的过磷酸钙(150 kg/hm2)、磷酸钾复合肥(225 kg/hm2)和羊粪作为底肥，追肥采用滴灌施肥，在不同的生育期内各处理的施氮量不同，其余肥料施用量都相同。供试作物品种为金诚五号，于2015年5月1日育苗，5月17日种植，8月5日收获，整个生育期为95 d。

表1 试验设计Tab.1 Experimental design

1.3 测定项目与方法

西瓜整个生育期分为4个阶段：幼苗期(5月1日-5月25日)、伸蔓期(5月26日-6月15日)、开花坐果期(6月16日-7月1日)和膨瓜期(7月2日-8月5日)。每个小区标记5株西瓜，分别在西瓜幼苗期、伸蔓期、膨大期、成熟期测量其生长、生理指标，每个生育期测定2次，取平均值。西瓜的测量指标有茎粗、株高、单瓜重、产量、植株的鲜、干重和水分利用效率。茎粗的测量部位为主茎根部，使用游标卡尺进行测量。株高使用卷尺进行测量，从主茎靠近地面起至生长点。西瓜成熟后分小区采摘，各处理单株产量总和计为该处理产量，并折算为kg/hm2，计为西瓜产量。根据水量平衡方程计算西瓜的耗水量ET：

ET=P+I+K-R-D-(Wt-W0)

(1)

式中：P为保存在土壤计划湿润层内的有效降雨量，mm；I为灌水量，mm；K为时间段t内的地下水补给量，mm；R为径流量，mm；D为深层渗漏量，mm；Wt，W0为时段初和任一时间t时的土壤计划湿润层内的储水量，mm。

试验区地下水位在50 m以下，并且采用滴灌灌水，每次灌水量较少，故K、R、D忽略不计。上式简化为：

ET=P+I-(Wt-W0)

(2)

水分利用效率(WUE)按照下列公式计算：

WUE=Y/ET

(3)

式中：Y为西瓜的经济产量，kg/hm2。

在西瓜生育阶段末期用电子天平测量西瓜植株的鲜、干重。鲜重在取样后立即测定，干重采用烘干法，在105 ℃下杀青30 min，然后将温度调至75 ℃进行烘干至恒重，待冷却后用电子天平进行称重并记录。

1.4 试验数据处理

采用Microsoft Excel、DPS软件对试验数据进行整理、分析并作图。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理对西瓜形态指标的影响

2.1.1 不同水肥处理对西瓜茎粗的影响

茎粗是衡量植株是否健壮的重要指标，一定程度上反映了植株运输养分和水分的能力[10]。方差分析表明，不同水肥处理对西瓜茎粗的影响显著(P<0.05)。不同处理对西瓜茎粗的影响如图1所示。

图1 不同水肥处理对西瓜茎粗的影响Fig.1 Effects of stem diameter of watermelon in different fertigation treatments at different stages

由图1可以看出，随着西瓜生育期的延长茎粗不断增大。在西瓜的幼苗期，处理T9的茎粗最大，达4.03 mm，高于其他处理。从西瓜的伸蔓期开始，西瓜的茎粗始终表现最好的是处理T5，其次是处理T9。因此，在西瓜幼苗期提高灌水量和施肥量对增加西瓜茎粗有着显著的作用，但是从伸蔓期以后，处理 T5长势最好，说明该处理的灌溉和施肥水平能够为植株生长输送充足的水分和养分。其他各处理西瓜的茎粗增长比较缓慢。

2.1.2 不同水肥处理对西瓜株高的影响

图2 不同水肥处理对西瓜株高的影响Fig.2 Effects of plant height of watermelon in different fertigation treatments at different stages

不同处理对西瓜株高的影响如图2所示。由图2可以看出，随着西瓜生育期的延长，西瓜的株高从幼苗期到膨瓜期持续上升。不同水肥处理对西瓜幼苗时期的株高影响不大，这个生育期西瓜株高基本在14.8～15.6 cm范围内。方差分析表明，不同水肥处理对西瓜株高的影响显著(P<0.05)。由表2可以看出，在A1、A2灌溉定额水平下，提高施氮量有利于西瓜株高的增长，在A3灌溉定额水平下，适当的提高施氮量有利于西瓜株高的增长，过量的施氮则会抑制西瓜株高的增长。在同一施氮水平下，西瓜株高表现为处理A3>处理A2>处理A1，说明提高灌溉定额有利于西瓜株高的增长。处理T5、处理T6和处理T8对西瓜株高影响的显著性高于其他处理，其中T6处理下的株高最大，最大值为254.7 cm，为最优处理。

表2 不同水肥处理下西瓜株高的生长量Tab.2 Effects of plant height growth of watermelon in different fertigation treatments

注：同列不同小写字母表示同一生长时期不同处理之间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 不同水肥处理对西瓜产量、植株的鲜重、干重和水分利用效率的影响

不同水肥处理对西瓜产量、植株的鲜重、干重和水分利用效率的影响如表3所示。

表3 不同水肥处理对西瓜产量、植株的鲜重、干重及水分利用效率的影响Tab.3 Effect of different fertigation treatments on yield,plant fresh weight, plant dry weight and water use efficiency of watermelon

由表3可以看出，不同处理条件下西瓜的产量有所不同，在相同灌溉定额水平下，西瓜的产量表现为处理B2>处理B3>处理B1，说明在一定范围内增加西瓜的施氮量有利于西瓜产量的增加，当超过这个范围时，西瓜产量反而会下降。在相同的施氮量水平下，随着灌溉定额的增加西瓜产量先增大后减小，表现为处理A2>处理A3>处理A1。处理T5西瓜的产量最高为43.80t/hm2，与T6处理无显著差异，比处理T8、T9、T4、T7、T2、T3及T1产量分别提高了7.08%、9.82%、11.42%、16.43%、18.72%、26.48%、30.14%，差异显著。

处理T1、T2、T3的西瓜植株鲜重和干重均较低，导致这一现象的原因可能是灌水量较少，植株水分亏缺，生长较慢，西瓜产量也较低。处理T4、T5、T6的西瓜植株鲜重和干重表现为中等水平，随着施氮量的增加植株鲜重和干重均不断增加，并且西瓜产量最大，该灌溉定额水平比较适中，能为植株的营养生长和生殖生长提供足够的养分和水分。处理T7、T8、T9的西瓜鲜重和干重都比较高，但是西瓜产量并没有达到最高，导致这一现象的原因可能是由于灌水量过多，导致植株的营养生长过剩，影响了西瓜产量。西瓜植株鲜重和干重均表现为处理T8>处理T9>处理T7，说明在灌水量充足的条件下，适量的提高施氮量水平可以促进植株的生长，过高的施氮量则会抑制植株的生长。因此，适量的提高施氮水平和灌溉定额有利于西瓜植株鲜重和干重的增加。

不同水肥处理条件下西瓜的水分利用效率高低有所不同。处理T2的水分利用效率最高为28.30 kg/m3。水分利用效率随着灌溉定额的增加而降低，随着施氮量的增加先增加后降低。在A1灌溉定额水平下，水分利用效率较高，但产量较低，未取得良好的经济效益。处理T5、T6综合产量和水分利用率两个因素其差异并不显著，均可用于西瓜生产中，考虑到成本收益等经济效益因素，故最优处理为处理T5。

3 讨 论

水和肥对作物的生长和发育起着至关重要的作用。它们是影响茎粗、株高、叶面积、叶片数的重要因素[11]。吴桂林等[12]研究表明在不同的水肥处理条件下，西瓜的生长呈周期性变化，适当的水肥使西瓜的营养生长呈正相关，水肥过多或过少会抑制西瓜的营养生长。本试验连续记录了西瓜各个生育期的茎粗、株高，分析了不同灌溉定额和施氮量对西瓜生长的影响。研究结果表明，西瓜幼苗期对灌水量和施肥量比较敏感，提高灌溉定额和施肥量有利于增加西瓜的茎粗。西瓜伸蔓期以后，处理T5茎粗最大，说明该处理的茎粗能够满足植株营养生长所需的水分和养分。在西瓜伸蔓期、开花坐果期和膨瓜期，提高灌溉定额和施氮量水平对西瓜的株高有明显的影响。处理T6最有利于西瓜株高的增长，说明该灌水施肥水平下，水分充足，营养丰富，作物吸收好株高增长幅度大，过多的水肥使得株高增长幅度小，不利于植株的生长。由于T5、T6和T8处理间无显著差异，综合考虑西瓜的茎粗、产量、水分利用效率及经济效益等因素， T5为最优处理。

大量研究表明，灌水和施肥适度的处理比灌水施肥较多的处理表现出更高的产量优势[13-15]，在本试验的部分处理间这些结论得到了印证。在一定范围内，西瓜的灌水定额越大产量越高。处理T2的水分利用效率最高，为28.30 kg/m3；T7最低，为16.27 kg/m3。适量的提高施氮水平和灌溉定额有利于植株鲜重和干重的增加，但是过高的施氮量会抑制西瓜的生长。西瓜灌溉水分利用率在一定范围内与施氮量呈正比例，随着施氮量的增加而增加。但是，过量的施氮会使西瓜灌溉水分利用效率降低；西瓜灌溉水分利用率随着灌溉定额的增加逐渐减小。

4 结 语

膜下滴灌条件下，对西瓜进行灌水施肥，达到了节水、节肥、高产和减少化肥对土壤污染的目的，实现了精准灌溉和施肥。综合考虑西瓜的各项指标，处理T5为最优处理。在宁夏干旱区种植大田西瓜，滴灌施肥的灌溉定额控制在900 m3/hm2，施氮量控制在225 kg/hm2左右时西瓜产量最高达43.80 t/hm2，水分利用效率相对较高达24.01 kg/m3。

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