补灌时期对砂田西瓜产量、品质及水氮利用的影响

2020-05-28杜少平马忠明

节水灌溉 2020年4期

杜少平，马忠明，薛亮

(1.甘肃省农业科学院蔬菜研究所，甘肃兰州 730070；2.甘肃省农业科学院，甘肃兰州 730070；3.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃兰州 730070)

砂田是我国西北干旱半干旱区经过长期生产实践形成的一种保护性耕作模式，具有明显的蓄水保墒、增温和压碱作用[1-3]，主要分布在我国降水偏少的甘肃中部以及宁夏、青海和新疆的部分地区，其中以甘肃和宁夏砂田面积最大，占全国砂田总面积的90%以上[4]。“压砂瓜”是砂田最具代表的一张名片，由于口感好、品质优、营养丰富、天然无污染等特点，深受市场和消费者青睐。2018年仅宁夏中卫市压砂西瓜面积就达到了6.67 万hm2，甘肃省压砂西瓜面积稳定在1.33 万hm2左右[5]，近年来已成为西北干旱半干旱地区带动农民脱贫致富、增收减灾的新兴绿色产业。

砂田由于土壤表面砂石覆盖切断了土壤毛细管蒸发途径，因此显著减少了土壤水分的蒸发损失。但由于砂田分布区极端干旱的气候条件，年蒸发量是年降雨量的数十倍，且季节分布不均，降雨期与瓜类生育期不吻合[6]。因此，干旱胁迫仍是限制砂田西瓜稳定发展的一项主要因素，怎样有效提高雨水资源利用率成为砂田西瓜持续发展的核心问题。目前迅速发展的旱区集雨技术，为砂田西瓜补灌水源的解决提供了一条行之有效的途径。关于砂田西瓜补灌技术前人已进行了大量研究，谢忠奎等[7]采用滴灌方式研究表明，砂田西瓜只有补灌量控制在45 mm 左右, 才能既提高产量和水分利用率, 又不降低西瓜品质；本文作者采用注水补灌施肥方式研究表明[8]，砂田西瓜全生育期补灌量105 m3/hm2、施氮量120 kg/hm2为产量和效益兼优的最佳水氮组合；顾淑琴[9]研究表明，砂田西瓜以注水4次产量最高；马波等[10]研究认为灌水定额和补水方式对砂田西瓜产量影响显著，灌水定额较之补水方式更为显著，而灌水次数无显著影响。

以往研究多集中在砂田西瓜不同补灌模式和灌水量方面，对关键补灌时期研究较少。旱区集雨工程在保障人畜饮水的条件下，对农业灌溉用水是极其有限的，而在作物关键需水期进行适量补灌，既能实现增产又可以达到节水的目的[11]。因此，本研究在前期研究基础上，进一步探索不同补灌时期对砂田西瓜产量、品质及水氮利用率的影响，以期为砂田西瓜节水高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验2018年在甘肃省皋兰县西南端的中心乡三坪村(36°13′N，103°42′E)进行，平均海拔1 830 m左右。土壤质地为砂土。属温带半干旱气候区，多年平均降水量260 mm，多集中在7-9月份，占全年降水的60%以上。年平均气温7.0 ℃，极端最高气温37 ℃，极端最低气温-25.4 ℃，≥10 ℃的活动积温为2 798 ℃，平均太阳辐射总量为129.80 J/cm2，日照时数2 768 h，无霜期142 d。试验地为15年砂田，播前土壤基础养分含量(0～20 cm土层)：有机质3.48 g/kg、碱解氮44.59 mg/kg、速效磷7.24 mg/kg、速效钾76.35 mg/kg、pH 8.26，西瓜全生育期降雨量为154.8 mm。

1.2 试验设计

供试西瓜品种为甘肃武威新金城种业有限公司培育的“金城5号”。在西瓜关键生育时期设置4个补灌处理，即CK：西瓜生育期不补灌、W1：西瓜伸蔓期补灌、W2：西瓜坐果期补灌、W3：西瓜膨果期补灌。所有处理补灌量均一致，即45 m3/hm2。每处理设3次重复，随机区组排列，小区面积为32 m2。利用甘肃三力现代农业有限公司生产的SLZG-600注射机进行补灌，补灌时在距西瓜根系20 cm处的砂层下注射。试验所用氮肥为尿素(N 46%)、磷肥为普过磷酸钙(P2O512%)、钾肥为硫酸钾(K2O 50%)，各处理氮、磷、钾肥施用量均一致，即N：200 kg/hm2、P2O5：170 kg/hm2、K2O：220 kg/hm2。其中30%氮肥、100%磷肥和40%钾肥作为基肥于播前在西瓜种植行条施，剩余70%氮肥和60%钾肥于坐果期穴施。砂田西瓜播种采用宽窄行“品”字形穴播，宽行90 cm、窄行60 cm，播种密度为12 750 株/hm2，播后种植行采用地膜覆盖。4月10日播种，7月22日收获，其他管理措施按常规方法。

1.3 指标测定及计算方法

1.3.1 产量与品质

西瓜成熟期，每小区随机选10个具有代表性、长势一致的西瓜测定单瓜重，并统计坐果率计算产量。采用手持式折光仪测定可溶性固形物含量，比色法测定维生素C含量[12]。

1.3.2 氮素测定及计算方法

分别于西瓜坐果期和成熟期，每小区选取具有代表性的植株5株，将叶、茎、果实分开，105 ℃杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，称重。采用浓硫酸消煮，半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量[13]。

植株氮素积累转运与利用的相关计算公式[14]：

各器官氮素积累量(kg/hm2)=氮素含量×干物质质量；

营养器官氮素转运量(kg/hm2)=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；

营养器官氮素转运率(%)=营养器官氮素转运量/开花期营养器官氮素积累量×100；

营养器官转运氮素贡献率(花后果实积累氮素贡献率)(%)=营养器官氮素转运量/成熟期果实氮素积累量×100；

氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮区产量/施氮量；

1.3.3 水分利用效率[15]

水分利用效率(WUE)= 西瓜产量(kg/hm2)/耗水量(m3/hm2)

1.4 数据处理与分析

采用SPSS16.0软件进行数据统计分析，用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同补灌时期对砂田西瓜产量的影响

由图1、2可知，不同补灌时期对砂田西瓜单瓜重和产量影响显著，其中伸蔓期与坐果期进行补灌处理的西瓜单瓜重和产量提高幅度最大，W1和W2处理的西瓜单瓜重较CK分别显著提高了19.93%和35.31%；西瓜产量分别提高了17.57%和32.74%。

图1 不同处理的西瓜单瓜重

图2 不同处理的西瓜产量

2.2 不同补灌时期对砂田西瓜品质的影响

含糖量是西瓜品质的一项重要指标，从图3可以看出，适量补灌均提高了砂田西瓜的含糖量，而不同补灌时期对西瓜含糖量的提高幅度有所不同，其中以W2处理的西瓜中糖和边糖含量最高，较CK分别显著提高了5.58%和9.80%，且糖分梯度最低，仅1.85。与含糖量变化相似，适量补灌也提高了西瓜的Vc含量，其中W1和W2处理的西瓜Vc含量较CK分别显著提高了17.13%和21.25%。

2.3 不同补灌时期对砂田西瓜氮素吸收及运转的影响

图3 不同处理的西瓜含糖量

图4 不同处理的西瓜Vc含量

从表1可以看出，至西瓜坐果期，已进行过补灌处理的W1和W2处理西瓜植株氮素积累量显著高于没进行补灌的CK和W3处理，其中W1和W2处理植株氮素积累量较CK分别显著提高了23.99%和17.86%。坐果后，西瓜由营养生长开始转入到生殖生长阶段，氮素养分也发生了从“源”到“库”的迁移，因此，成熟期不同处理西瓜营养器官氮素积累量均有不同程度的较少，果实氮素积累量急剧增加，W1、W2、W3处理的西瓜果实氮素积累量较CK分别显著提高了31.70%、41.62%和16.56%。从各处理西瓜营养器官的氮素转运情况来看，W2处理即坐果期进行补灌的西瓜营养器官氮素转运量、转运率和转运氮素贡献率最高，分别达到了15.78 kg/hm2、49.93%和21.69%，其次为W1处理，即伸蔓期补灌，而W3即在膨果期进行补灌处理，由于前期“源”积累不足，因此，西瓜营养器官氮素转运量和转运率均较低，与CK差异不显著。氮肥偏生产力是用来衡量氮肥利用率的常用定量指标，在相同施氮量的情况下，西瓜伸蔓期和坐果期进行补灌有助于提高氮肥偏生产力，其中以坐果期补灌效果最好，其氮肥偏生产力较对照CK显著提高了35.48%。

表1 不同补灌时期的西瓜氮素积累与转运

注：不同小写字母表示不同处理之间差异在p<0.05水平下差异显著。

2.4 不同补灌时期对砂田西瓜水分利用效率的影响

由表2可知，西瓜成熟期受产量形成影响，除W2处理0～120 cm土壤贮水量下降外，其他处理基本差异不大，因此少量补灌对土壤贮水量无显著影响。西瓜生育期耗水量则随产量的增加而升高，补灌处理的西瓜水分利用效率较对照均有所提高，其中以W2处理的西瓜水分利用效率最高，达到了31.72 kg/m3，较CK显著提高了25.13%。

表2 不同补灌时期的西瓜水分利用效率

注：不同小写字母表示不同处理之间差异在p<0.05水平下差异显著。

3 讨论

黄土高原半干旱地区在中国旱作农业生产中占有重要地位，农业生产主要依靠天然降水，干旱缺水已成为当地农业及经济发展最重要的限制因素，提高有效降水资源的综合利用技术是实现当地生态健康和农村经济持续高效发展的根本所在[16,17]。传统砂田虽具有蓄水保墒和水土保持的作用[5]，但对天然降水调控利用能力低下，难于实现农业生产的优质、高产、高效。集雨补灌生态农业是指经过一定的人工措施，对降雨径流进行科学调控汇集，使其蓄存在各种存贮设施中(水窖、蓄水池)，以在作物需水关键时期进行补充灌溉，从时间和空间上对正常水文循环的干预，能充分发挥环境资源与水肥光热因子的协同增效作用，使作物不完全依赖于降水，从而提高了雨水利用的可控性[18]。

砂田依据有无灌溉条件分为旱砂田和水砂田。水砂田多分布在距引黄灌区较近的区域，且集中连片、地势平坦，目前主要以发展滴灌为主。旱砂田多分布在山峦沟壑地带，分布零散，且在砂田面积中居绝对优势地位，其水源多为集雨水窖，水容量有限，且集中分布在居民居住区，主要用来维持日常生活用水。因此，在旱砂田区域发展规模化喷灌、滴灌工程困难很大[5]。而注水补灌具有简便灵活，不受地形、水源限制，投资少、见效快等优点，可以通过移动式注射枪将水肥直接注入作物根部，用水量少，集节水补灌与根部追肥于一体，从而提高作物的水肥利用率。本研究结果表明，砂田西瓜关键生育时期进行适量注水补灌，较传统种植西瓜增产、提质、增效作用显著，这与前期研究结果一致[8,9]。

集雨补灌主要作用在于使作物在需水关键时期渡过缺水难关，这也正是集雨补灌生态农业以极少量的供水使作物获得较高增产效果的原理所在[18]。在黄土高原半干旱区，由于集雨水量的有限，需水关键期一般只选择 1～2个。武荣等[19]研究表明，拔节期补灌有利于提高冬小麦叶绿素含量，促进冬小麦叶片伸展和干物质积累；张开乾等[20]研究表明，大喇叭口期是陇中半干旱地区玉米进行集雨补灌的关键时期，产量较对照增加4 732.73 kg/hm2，经济系数提高120.26%；杨昕宇等[21]研究表明，薯块膨大期是半干旱区全膜垄播马铃薯的最佳限量补灌期；张好新等[22]确定出籽瓜的最佳注水时期为苗期至伸蔓期。本研究结果表明，砂田西瓜坐果期进行注水补灌其单瓜重、产量、氮肥偏生产力及水分利用效率均显著高于或高于其他时期补灌。这主要与西瓜的水肥需求规律和砂田西瓜养分管理模式有关，坐果期是西瓜从营养生长为主向生殖发育为主过渡的转折期，也是西瓜“源-库”关系形成的关键时期，西瓜产量的高低取决于同化产物源与库的及时形成及其物质合成、调配等关系，物质库中同化产物的输入和积累受源所控制，源的多少和大小对库贮起调节作用，此期营养生长与生殖发育对养分竞争较为激烈，是水肥调控的关键时期[23]。另外，砂田由于追肥难度大，仅在西瓜坐果期追一次肥。因此，此时进行注水补灌既缓解了干旱胁迫对西瓜产量形成的影响，又通过水肥耦合提高了西瓜根系对养分的吸收，达到了增产提质与水肥高效利用的协同增效。