水肥耦合对大棚西瓜产量、品质及养分吸收的影响

金 辉，侯东颖，张 曼，郝科星，侯富恩

（山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西 太原 030006）

西 瓜［Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum. &Nakai］作为一种重要的经济作物，其可观的经济效益受到农户和市场的青睐。近年来山西西瓜种植面积逐年扩大，但西瓜单产水平低，连作病害严重。农户在西瓜种植上缺乏对水肥定量化管理经验，仍以大水浇灌、高肥投入的管理方式为主［1］，导致水肥资源浪费严重、肥料利用率下降，造成土壤板结［2］、肥力下降［3］和地下水污染［4-5］，从而带来严重的环境问题。因此科学的水肥管理成为农业生产和环境保护的必然途径。水分和肥料是作物生长发育和提高生产力水平的重要物质基础［6-7］。水分是肥效发挥的关键，肥料是打开水土系统生产效能的钥匙［8］，其相互作用所产生的结果称之为水肥耦合效应［9］。水肥利用效率的高低取决于水肥的合理利用，又直接影响着农产品的产量、品质和生产效益［10-11］。国内外在水肥对西瓜生长发育、水肥利用效率和对土壤环境的影响方面已经做了大量研究。已有研究表明适量氮磷钾肥利于西瓜营养生长，增加产量和改善品质［1-3，12］，是西瓜优质、高产、增收的关键［5，12-14］。有研究发现，宁夏干旱区灌水定额对产量影响极显著，并通过水肥耦合模型得到不同目标产量下的最佳水肥组合［15］。但这些研究显然不能完全满足设施西瓜生产中对水肥量化及配比的实际需求，而关于山西设施西瓜水肥管理的研究鲜有报道，因此在山西晋中地区开展基于西瓜水分和养分需求特点的水肥耦合技术研究，制定适宜的灌溉制度和施肥策略显得尤为重要。为此本试验以大棚西瓜为研究对象，通过分析不同水肥组合对西瓜产量、品质、水分利用和养分吸收利用的影响，旨在为晋中地区大棚西瓜的水肥管理提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验基地位于晋中市东阳镇（东经112°40′、北纬37°33′），太原盆地东北部，海拔800 m，气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷少雪。该地区年平均日照时数2662 h，年平均气温9.7℃，无霜期158 d。年降水量418～483 mm，降雨季节分布不均，主要集中在5～10月份。试验土壤为粘土，有机质含量20.56 g/kg，pH值8.27，全氮1.38 g/kg，有效磷74.5 mg/kg，速效钾247 mg/kg。

1.2 试验设计

试验在同一大棚内进行，试验设计灌水量与施肥量2个因素，每个因素3个水平3次重复9个处理，共计27个小区。基于前期工作和农户调查，确定水肥最优处理：灌水量1200 m3/hm2（中水处理、W2）、施肥量N 81 kg/hm2+P2O533 kg/hm2+K2O 100 kg/hm2（中肥处理、F2），同时参照最优处理将水肥上下浮动50%设置2个对比水平。3种灌水水平：600 m3/hm2（低水处理、W1），1200 m3/hm2（中水处理、W2），1800 m3/hm2（高水处理、W3），3种施肥水平：N 40.5 kg/hm2+P2O516.5 kg/hm2+K2O 50 kg/hm2（低肥处理、F1），N 81 kg/hm2+P2O533 kg/hm2+K2O 100 kg/hm2（中肥处理、F2），N 121.5 kg/hm2+P2O549.5 kg/hm2+K2O 150 kg/hm2（高 肥 处 理、F3）。西瓜于4月26日定植，定植前施用牛粪和底肥，底肥N-P2O5-K2O养分用量分别为生育期总施肥量的30%、50%、30%，追肥将随灌溉分别于伸蔓期、开花坐果期、膨瓜期进行。每生育期灌水量与施肥量详见表1、2。

表1 不同生育期灌水量处理 （m3/hm2）

表2 不同生育期施肥量处理

供试品种为山西省农业科学院生物技术中心培育的“双抗8号”，属中熟品种。试验开展前施用有机肥为腐熟发酵、风干的牛粪30000 kg/hm2（全氮质量分数0.684%，有效磷0.65 g/kg，速效钾5.88 g/kg，有机质119.96 g/kg）。试验用化肥为尿素（N 46%），磷酸二氢钾（P2O552%，K2O 34%），农用硫酸钾（K2O 50%）。大棚采用不锈钢管架构，棚外搭载高透光防水塑料膜。试验采用膜下滴灌的水肥模式。小区面积22 m2，种植模式采用当地主推的起垄全膜覆盖种植、膜下滴灌，垄宽50 cm、高15 cm，每 小 区4垄，垄 间 距200 cm，株 距40 cm，垄上铺设1条滴灌带，滴头间距30 cm。每小区安装水表，以精确测量每小区灌水量，小区之间用埋深100 cm的塑料膜隔离以防止水肥相互渗透。

1.3 测定指标与方法

收获期每小区采摘所有果实称重计算总产量（kg/hm2），选取9个大小均一的果实，用电子天平称取单果重（kg）；用游标卡尺测量果实纵径、横径（cm），计算果形指数，将果实纵切后测量果皮厚度（cm）。用TD-45手持测糖仪分别测定中心和边际可溶性固形物含量（%）；维生素C含量用钼蓝比色法测定（mg/kg）。土壤理化性状按照常规方法测定；植株与果实全氮采用凯氏定氮法、全磷采用钒钼黄比色法、全钾采用火焰光度法测定。

灌溉水分利用效率（kg/m3）：指作物利用单位灌水量（m3）生产的作物产量（kg），计算公式为：

式中：IWUE为灌溉水分利用效率（kg/m3）；Y为产量（kg）；I为灌溉量（m3）。

1.4 数据处理

应用Excel 2007和SPSS 18.0软件进行数据处理和分析，采用邓肯法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理对西瓜单瓜重及产量的影响

由表3可知，水分和养分是西瓜生长发育的重要物质资源，合理施肥与灌水是作物高产优质的基础。不同水肥组合直接影响西瓜单瓜重和产量，F2W3处理单瓜重最高，可达6.09 kg，其次是F2W2、F3W3和F3W2处理，单瓜重分别为5.99、5.92和5.82 kg，4个处理间未表现出显著差异。F1W1处理单瓜重4.34 kg最低，较F2W3处理降低40.4%，显著低于其他处理。显著性检验结果显示，施肥、灌水对单瓜重的影响都达到极显著水平，水肥交互作用也达到显著水平，其影响大小顺序为肥料作用>水分作用>水肥交互作用。从产量来看，F3W3处理产量最高，达到44039 kg/hm2，其次是F2W3、F3W2和F2W2，其产量分别为43730、43638和43566 kg/hm2，4个处理之间差异未达到显著水平，均显著高于除F1W3外的所有低肥低水组合处理。以F1W1处理37330 kg/hm2产 量 最 低，显 著 低 于其他处理。从显著性检验结果看，施肥、灌水因素对产量的影响同样达到极显著水平，水肥交互作用也达到显著水平，作为单一因子肥料因素对产量的影响大于水分因素的影响，大于水肥交互作用影响。结果表明：在本试验条件下，施肥量或灌水量一定，西瓜单瓜重随另一因素的增加呈先增加后降低的趋势，而产量则表现出逐渐增加的趋势，但增加的趋势渐缓。对水肥用量与西瓜产量的关系进行定量分析，对施肥量、灌水量与西瓜产量的关系做回归分析，得（2）式：

表3 不同水肥处理对西瓜单瓜重及产量的影响

式中：Y为西瓜产量（kg/hm2）；X1为施肥量（kg/hm2）；X2为灌水量（m3/hm2）。F检验结果表明，（2）式达到显著水平，即（2）式能够很好地表达水肥用量与西瓜产量之间的关系。将（2）式绘制成施肥量、灌水量与产量之间的关系曲面图（图1），可知：产量与施肥量和灌水量均呈现抛物线的趋势，对（2）式求偏导数可得出本试验设计阈值范围内最佳施肥量与灌水量，施肥量系数为2.61倍和1800 m3/hm2时，产量有最大值（44823.51 kg/hm2）。

图1 施肥量、灌水量与产量之间的关系

2.2 不同水肥处理对西瓜果实形态指标的影响

不同水肥处理对西瓜纵径、横径、果实指数和皮厚的影响见表4，果实纵径以F3W3最大，达到31.23 cm，F3W2和F2W3其次，分别为30.83和30.33 cm，3个处理与F1W1和F1W2处理相比差异达到显著水平。果实横径以F3W2处理最大，F3W3处理其次，分别为20.73和20.67 cm，两处理与F3W1、F2W3和F2W2处理相比差异不显著，但分别较F1W1处理显著提高18.9%和18.5%。果形指数是果实外观品质的重要指标之一，从表4可知，以F2W3和F3W1处理果形指数较好。皮厚以W1处理最薄，W3处理最厚，但方差分析结果显示不同水肥处理间果形指数和皮厚并无显著性差异。结果表明：本试验条件下，不同水肥处理显著影响西瓜果实的纵径和横径，且F检验结果表明施肥因素对果实纵横径的影响大于灌水因素；不同水肥处理对果形指数的影响差异不显著；灌水对皮厚的影响显著，施肥对皮厚的影响不显著。

表4 不同水肥处理对西瓜果实形态指标的影响

2.3 不同水肥处理对西瓜果实品质的影响

西瓜果实的口感与营养品质决定于西瓜中维生素C、可溶性固形物等营养物质含量［16］。由表5可知，不同水肥处理对果实中维生素C、可溶性固形物含量影响显著，而对中边差仅有部分处理差异达到显著性水平。分析测试结果显示：维生素C含量以F3W2处 理 最 高，为65.27 mg/kg，F2W3、F3W3和F2W2处理其次，分别为64.70、64.63和60.37 mg/kg，以上4个处理间差异不显著，4个处理与F1W1处 理36.17 mg/kg和F2W1处 理47.80 mg/kg相 比 差 异达到显著水平。中心可溶性固形物含量以F3W3处理最高，为12.30%，F2W3、F3W2和F2W2处理其次，分别为12.27%、12.20%和12.20%，分别较F1W1处理10.80%提高1.50、1.47、1.40和1.40个百分点，与F1W1处理比较差异显著。边际可溶性固形物含量分析表明，以F2W3和F3W3处理含量较高，分别为10.17%和10.13%，两处理与F1W1、F1W2、F2W1和F3W1处理相比差异均达到显著水平。从中边差来看，F2W3、F2W2、F3W2和F3W3处理在较高可溶性固形物含量的同时，具有较低的中边差，既保证了甜度又提高了西瓜甜度的均一性，使西瓜口感更佳。

表5 不同水肥处理对西瓜果实品质的影响

2.4 不同水肥处理对西瓜灌溉水利用效率的影响

灌溉水分利用效率是单位灌水量生产作物的产量，对灌溉水分利用效率的研究在实际生产中具有重要意义［16］。不同水肥组合对西瓜灌溉水分利用效率的影响不同（图2），相同灌水量条件下，F3处理灌溉水分利用效率最高，F2次之，F1灌溉水分利用效率最低，其中W1和W2灌水量条件下F3和F2灌溉水分效率均显著高于F1。在相同灌溉条件下，灌溉水分利用效率随产量的增加呈逐渐增加的趋势，这与西瓜产量形成的趋势一致。

图2 不同水肥处理对西瓜灌溉水分利用效率的影响

2.5 不同水肥处理对果实和地上部养分积累量的影响

不同水肥处理对果实及地上部养分含量影响见表6，果实中氮含量以F2W3、F3W2和F3W3处理最高，分别为2.26、2.24和2.23g/kg，较F1W1处理显著提高16%以上；果实中磷含量以F2W3、F3W3和F2W2处理最高，分别为0.20、0.20和0.19 g/kg，显著高于F1W1处理的0.14 g/kg，增幅达到44.9%、43.8%和38.8%；钾含量以F3W3处理最高，为1.55 g/kg，其次是F2W3处理和F3W2处理，分别为1.45和1.36 g/kg，分别较F1W1处理0.80 g/kg显著提高92.6%、80.5%和69.7%。低中灌水条件下，果实养分含量随施肥量增加而增加，高灌水条件下，果实中氮含量随施肥量增加呈先增高后降低的趋势，磷钾含量随施肥量增加呈增加的趋势，但趋势渐缓。

由表6可知，地上部养分积累量中，氮素养分积累量以F3W3处理276.58 kg/hm2和F2W3处理276.54 kg/hm2最高，其次是F3W2处理257.42 kg/hm2和F2W2处理254.61 kg/hm2，分别较F1W1处理显著提高48.7%、48.7%、38.4%和36.9%。磷素养分积累量以F3W3处理26.97 kg/hm2最高，F2W3处理25.76 kg/hm2和F3W2处理24.44 kg/hm2其次，较F1W1处理18.46 kg/hm2，分别显著提高46.1%、39.5%和32.4%。钾素养分积累量以F3W3处理159.46 kg/hm2最 高，F3W2处 理156.07 kg/hm2、F2W3处理155.55 kg/hm2和F2W2处理152.62 kg/hm2其次，分别较F1W1处理119.06 kg/hm2显著提高33.9%、31.1%、30.7%和28.2%。地上部养分积累量中，在同等灌水条件下，氮磷钾素养分积累量随施肥量增加而增加，由中等施肥量向高施肥量过渡阶段地上部养分积累量增加趋势渐缓；随灌水量的增加养分积累量亦同步增加。

表6 不同水肥处理对西瓜果实养分含量及地上部养分积累量的影响

显著性检验结果显示：本试验条件下，施肥和灌水因素对果实养分含量和地上部养分积累量的影响显著，但施肥因素与灌水因素交互影响并未达到显著水平。其中施肥因素对果实氮磷养分的影响低于灌水因素，对钾的影响高于灌水因素；施肥因素对地上部养分积累量的影响低于灌水因素。

3 讨论

合理施肥和灌水是作物高产优质的基础［17-18］。本研究结果表明，适宜的水肥组合可有效促进西瓜形态特征发育和产量的形成，改善西瓜品质［19-20］。在相同施肥水平下，灌水量的增加可明显提高西瓜纵径和横径，促进西瓜果实形态的生长发育，提高西瓜单瓜重和产量，王海艺等［21］研究发现，矿质营养随水分同时施用具有明显的水肥耦合效应，更能促进蔬菜的生长和增产。本研究中维生素C含量随水肥用量的增加呈抛物线的趋势，这进一步验证了前人的研究结论：适宜施氮量提高西瓜产量与品质，再增加施氮量则使产量、维生素C含量和可溶性固形物含量呈下降趋势［22-24］，王鹏勃等［7］称之为“稀释效应”。因此适度改善作物营养供给可提高其产量和品质。

本研究表明，相同灌溉条件下，不同处理间灌溉水分利用效率随施肥量的增加呈逐渐增加的趋势，杜建军等［25］认为肥料可有效提高灌溉水分利用效率。在中低灌水量条件下，中高施肥量处理的水分效率显著高于低施肥量处理，而高灌水量条件下不同施肥量处理间差异不显著，王鹏勃等［7］在番茄上、杨小振［20］在西瓜上均得到相似结果。这是由于施肥促进了根系发育以提高吸水功能，改变叶片与土壤水势差，增强了作物的提水能力［7，26］，从而提高水分利用效率。赵卫星等［17］研究表明合理灌溉能提高作物对养分吸收和肥料的利用效果，本研究也表明在等施肥量条件下，增加灌水量可显著提高作物对养分吸收积累以及肥料利用效率。

本试验结果表明，单产以高水高肥处理最佳，中水高肥处理单瓜重最大；通过对西瓜施肥量、灌水量和产量回归模拟结果来看，在高灌水量和2.61倍施肥系数时，可获得最佳模拟产量。考虑到高水高肥势必增加经济成本，会提高肥料及土壤养分被淋洗至深层土壤或地下水的环境风险［2］，造成水肥资源浪费，降低其利用效率［13］。因此对水肥耦合对作物综合效应分析，在不显著降低西瓜产量和品质的情况下，选择具有较高水分和肥料利用效率的中水中肥处理作为最优水肥组合。

4 结论

综合考虑生产中节水减肥、增产优质高效等因素，在山西晋中地区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 产量可保持在较高水平，单瓜重为5.99 kg，产量可达到43566 kg/hm2；维生素C、中心和边际可溶性固形物含量分别为60.37 mg/kg、12.2%和10.03%；灌溉水分利用效率为36.30 kg/m3，同时果实养分含量和地上部养分积累量说明该水肥用量下具有较高的养分利用效率。本研究可为山西晋中地区设施西瓜的优质生产及水肥资源高效利用提供科学依据。