不同滴灌水肥处理对温室甜瓜养分吸收、产量和品质的影响

岳文俊，何文学，丁春梅，柏 宇，周英杰，奚 辉

(1.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

滴灌水肥一体化是将滴灌和施肥融为一体的灌溉施肥技术[1]，该技术能适时适量地满足作物对水分和养分的需求，可以最大限度地减少水肥流失，控制面源污染，提高水肥利用率。采用滴灌水肥一体化技术，研究作物在不同水肥耦合条件下的响应，确定最佳的水肥调控模式，有助于指导农业生产实践。研究发现，合理施肥能够有效提高植物体内氮磷钾吸收量及产量[2-3]，施肥过量或不足均会抑制植物对养分的吸收量，不利于提高作物产量和品质[4]。一些学者对作物生长发育，养分吸收及产量等方面进行了较多研究[5-6]。林多等[7]研究表明，在成熟期网纹甜瓜的总干物质量大约为136 g·株-1，氮磷钾养分之和大约为11.09 g·株-1。许俊香等[8]研究发现，甜瓜在成熟期总的干物质累积量大约为140 g·株-1。康利允等[9]研究发现，氮肥和钾肥施用量分别控制在200和300 kg·hm-2，在显著提高甜瓜产量的同时，可以兼顾果实品质，进而提高收益。近几年，随着节水灌溉技术大规模推广，水肥一体化技术也开始广泛应用。但是，水肥一体化的肥料用量、灌溉施肥次数和时间，均因土壤、作物和生育期不同而不同，使用方法与常规施肥有较大差异。此外广大农民为了追求经济效益，在农业生产中大量灌水和施肥，而且施肥结构不合理，容易引起农业面源污染。因此，在种植过程中，农民应该多施有机肥，尽量减少化肥用量，特别是氮肥的施用量[10]。当前，关于作物生长发育、养分吸收以及产量和品质的研究主要是在单一施氮、施磷或施钾的条件下进行的[11-13]，或者只考虑灌水量的影响[14]，由于试验材料或者管理方式的不同，结论往往也不一致。尤其在滴灌水肥一体化技术条件下，对甜瓜生长、各个组织器官中氮磷钾吸收及分配的研究甚少，同时没有综合考虑产量、品质和水氮利用效率，所以很难定量确定灌水量和施氮量，最终达到节水节肥、提质增产的目标。针对我国设施农业生产中施肥灌水不合理的现状，以甜瓜为试验材料，在膜下滴灌条件下研究不同水氮供应对温室甜瓜干物质积累量、养分吸收量、产量和品质的影响，以保证甜瓜产量为前提，同时又能减少化肥的施用量，减小农业面源污染的风险，提高水肥利用效率，为设施农业规模化、集约化管理提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年4—6月在浙江省海宁市杨渡村开展。试验区位于东经120°24′，北纬30°26′。供试土壤为沙壤土，耕作层0～20 cm土壤理化性质为：有机质质量分数17.10 g·kg-1，土壤容重1.38 g·cm-3，碱解氮、有效钾、有效磷分别为86、155.9、74.8 mg·kg-1，田间持水量23.03%(质量含水量)，土壤pH值6.51。供试甜瓜品种为一品天下208，为厚皮早熟甜瓜，果形正圆，抗逆性强，春秋季均可种植。设施为塑料大棚，钢架无柱结构，棚长60 m，宽8 m，东西向布置。种植方式为宽窄行起垄覆膜栽培，宽行120 cm、窄行40 cm，垄高20 cm，株距为40 cm，采用一管两行布置方式。

1.2 试验设计

整个方案设置水、氮两个试验因子，水处理设置3个水平，灌水量分别为60%、80%、100%的作物需水量，记作W1、W2和W3，其中作物需水量(ETc)采用彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)修正公式确定[15]，作物系数在伸蔓期、开花期、膨大期和成熟期分别取0.5、1.05、1.05和0.75，灌水周期为5 d；氮肥(选用尿素)处理设置3个水平，分别为70(N1)、105(N2)、140 kg·hm-2(N3，常规施氮量)，施氮间隔为10 d，另设传统沟灌施肥CK(ETc，140 kg·hm-2)作为对照。采用随机区组排列，总共10个处理，每个处理3次重复。小区间采用60 cm(由于在室内采用滴灌，故选60 cm)塑料膜做防渗隔离，以防小区之间水分和养分相互渗透。磷肥选用过磷酸钙(含P2O516%)，钾肥选用硫酸钾(含K2O 48%)，其中磷肥和钾肥施用量分别为60和130 kg·hm-2。磷肥和钾肥全部作为基肥，另外加入腐熟有机肥 30 000 kg·hm-2，起垄时一次性均匀撒施到试验地。

幼苗于4月1日长至3叶1心后移栽，为了顺利度过缓苗期，移栽后及时灌缓苗水30 mm。经过6 d的缓苗，于4月7日开始灌水施肥处理(图1和图2)，直到甜瓜成熟，6月17日拉秧。在进行滴灌施肥过程中，采用先灌清水，中灌肥水，再灌清水的模式；沟灌施肥处理采用传统随水冲施的方式。根据甜瓜各个生育期的生长特征，可以将整个生育期划定为5个阶段，依次为：育苗期(3月1日—3月31日)，伸蔓期(4月1日—4月30日)，开花期(5月1日—5月10日)，膨大期(5月11日—6月5日)，成熟期(6月6日—6月16日)，整个试验过程所有处理采用相同的管理措施，例如除草，打药，整枝打杈。

图1 累积灌水量及5 d内参考作物腾发量(ET0)之和

图2 累积施氮量与施氮日期

1.3 测定项目

1.3.1 气象资料监测

塑料大棚中央放置一个环境监测仪，用来记录棚内环境参数，包括温度(θ，℃)、相对湿度(RH，%)、气压(P，Pa)、太阳辐射(M，W·m-2)。

1.3.2 光合特性、干物质、氮磷钾养分含量的测定

光合特性：甜瓜的净光合速率(Pn)用便携式光合仪(Li-6400，美国LI-COR公司)测定，在甜瓜进入膨大期后，选择晴天9:00 AM—11:00AM，测定时选择从顶部向下数第四片无病虫害的功能叶，每个处理测定3株，取平均值作为最终结果。

叶绿素含量：测定光合特性后，在功能叶的相同部位使用SPAD-502Plus 便携式叶绿素仪测定，同样每个处理测定3株，取其平均值。

干物质：在伸蔓期、开花期和成熟期对各个处理进行地上部破坏性取样，每个处理选3株，分别将茎、叶片、叶柄和果实剪下，分装入纸袋中。在105 ℃下杀青20 min，然后75 ℃恒温继续烘3～7 d至质量基本无变化，干燥冷却后测定各个处理样品的干物质量。

氮磷钾养分测定：烘干后的干物质样品用不锈钢高速粉碎机粉碎成粉，过筛用于氮、磷、钾的测定[16]。

1.3.3 氮肥偏生产力、灌溉水生产率、产量和品质的测定

氮肥偏生产力是甜瓜产量与施氮量之比，灌溉水生产率是甜瓜产量与灌溉定额之比。

产量测定：果实成熟后按小区进行采摘，将各个小区产量求和后再取平均值，每个处理的产量为对应3个小区的平均值，折算为t·hm-2。

品质测定：甜瓜成熟后在各个处理中选取相同节位(第十二节位)、同一授粉日期的3个甜瓜，根据文献[17]分别测定果实的可溶性固形物、可溶性糖、氨基酸、可溶性蛋白、维生素C，取其平均值作为最终结果。综合品质计算采用主成分分析法[18]。

1.4 数据处理

用Excel 2016软件对数据进行初步整理，采用SPSS 18软件进行方差分析，多重比较采用LSD法(P<0.05为显著性水平)，用Origin 8.5 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量和灌水量对膨大期甜瓜叶片净光合速率和叶绿素含量的影响

图3得知，灌水和施氮肥对膨大期甜瓜叶片净光合速率影响显著(P<0.05)。在相同灌水和施氮情况下，W3N3处理的净光合速率比传统沟灌施肥(CK)增加了5.62 μmol·m-2·s-1，增幅为52.3%，两者有显著性差异。在滴灌施肥条件下，同一施氮水平下甜瓜净光合速率值随灌水量的增加而增大，W3的净光合速率较W1和W2，平均增加了56.3%和17.4%；在同一灌水水平下，甜瓜净光合速率值随施氮量的增加而增加，N3净光合速率值较N1和N2，平均增加了22.7%和9.8%。

柱状图上没有相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

SPAD值是评价植物叶绿素的一个参数，通过测定SPAD，我们可以判断植物叶片中叶绿素的相对含量。图4得知，不同水氮处理下甜瓜叶片叶绿素含量与叶片净光合速率变化规律基本一致。灌水和施氮肥对膨大期甜瓜叶片叶绿素含量影响显著(P<0.05)。与传统沟灌施肥(CK)相比较，W3N3处理的叶绿素含量增加了39.0%，并且与CK形成显著性差异。滴灌水肥一体化条件下，叶绿素含量在相同施氮水平下呈W3>W2>W1，叶绿素含量在相同灌水条件下呈N3>N2>N1，表明增加灌水和施氮都有助于提高叶片叶绿素的合成。

图4 不同水氮条件下甜瓜叶片的叶绿素

2.2 不同水氮处理对甜瓜不同生育期地上部各器官干物质累积量的影响

图5可知，不同水氮处理对甜瓜伸蔓期、开花期和成熟期各器官干物质累积量及分配情况不同。伸蔓期属于甜瓜营养生长期，单株干物质累积量为2.40～4.10 g。在相同灌水和施氮情况下，W3N3处理的植株总干物质量比传统沟灌施肥(CK)增加了1.70 g，增幅为70%。在滴灌施肥情况下，不同水氮处理对整株干物质累积量产生显著性差异(P<0.05)。甜瓜干物质分配比例说明，在伸蔓期，叶片占干物质总量的比例最大，其次为茎和叶柄，分别占干物质总量的67.05%、21.96%和10.98%。

图5 不同水氮供应对温室甜瓜不同生育期地上部干物质累积量与分配的影响

开花期是甜瓜开始从营养生长期向生殖生长期转变的初始阶段，开花期也是以营养生长为主，单株干物质累积量为12.34～33.00 g。在相同灌水和施氮情况下，W3N3处理的植株总干物质量比传统沟灌施肥(CK)增加了20.51 g，增幅为164%。不同水氮处理对整株干物质累积量产生显著性差异(P<0.05)。干物质分配比例显示，在开花期，叶片仍然是干物质累积中心，其次为茎和叶柄，分别占干物质总量的60.65%、28.92%、10.47%。

成熟期是甜瓜营养生长期向生殖期转变的结束，甜瓜果实膨大结束，营养器官生长停滞。其单株干物质累积量为100.27～144.78 g。干物质分配比例显示，在成熟期果实是干物质的累积中心，其次为叶片、茎和叶柄，分别占干物质总量的61.00%、23.47%、9.28%、6.26%。不同水氮处理对甜瓜干物质累积量都随生育期的推进呈增大趋势，不同水氮之间差异显著，表明灌水量在ETc的60%～100%，施氮量在70～140 kg·hm-2，提高灌水量和施氮量都有利于植株生长。在相同灌水和施氮情况下，W3N3处理的植株总干物质量比传统沟灌施肥(CK)增加了40.96 g，增幅为39%。在滴灌施肥条件下，和W1相比，W2和W3处理干物质量分别增加20.07%、24.34%，和N1相比，N2和N3处理的干物质量分别增加7.04%、14.86%，表明在充分供水(W3)和推荐施肥量(N3)条件下，植株可以获得最大的干物质量。

2.3 不同水氮处理对甜瓜产量以及养分吸收利用的影响

由表1可知，在相同灌水量和施氮量情况下，滴灌施肥处理(W3N3)比传统沟灌施肥处理(CK)的甜瓜产量增加了6.78 t·hm-2，增幅为35.27%。滴灌施肥条件下，同一灌水水平，提高施氮量能够提高甜瓜的产量，中氮N2产量略低于高氮N3，但是N2和N3处理的产量没有产生显著性差异。在相同施氮水平下，甜瓜产量随灌水量的增加而增加。和40%水分胁迫(W1)相比，充分供水(W3)和20%水分胁迫(W2)产量分别增加28.65%和16.59%，表明在充分供水(W1)和减量施肥(N2)的处理组合增产效果明显。

在相同灌水和施氮情况下，W3N3处理的氮肥偏生产力(PFPN)是传统沟灌施肥(CK)的1.35倍，表明滴灌施肥能够明显提高氮肥利用效率。提高灌水量可以显著增大PFPN(P<0.05)，但是提高施氮量降低了PFPN，W3N1处理下的PFPN最大。

在相同灌水和施氮情况下，W3N3处理的灌溉水分生产率(IWUE)比传统沟灌施肥(CK)增加了3.83 kg·m-3，增幅为35.27%，表明滴灌施肥能够明显提高水分利用效率。在滴灌施肥条件下，同一施氮水平，产量随灌水量的增加而增加，但是灌溉水生产率(IWUE)均随灌水量的增大而减小。同一灌水水平，灌溉水生产率随施氮量的增加而增加。在低水高氮处理(W1N3)和传统沟灌施肥处理(CK)下获得灌溉水生产率的最大值18.15 kg·m-3和最小值10.88 kg·m-3。

水分和氮肥影响作物对土壤养分的吸收及利用，从表1得知，甜瓜氮磷钾吸收量均随灌水量和施氮量的增大而增大。W3N3处理的整株氮、磷、钾累积量比传统沟灌施肥(CK)分别增加了75.40%、88.20%、67.08%。在滴灌施肥条件下，和低水处理(W1)相比较，中水处理(W2)、高水处理(W3)在低氮(N1)、中氮(N2)和高氮(N3)3种氮肥水平下，氮元素累积吸收量分别增加了30.60%、26.80%、23.04%和49.17%、41.76%、38.15%；磷元素累积吸收量分别增加了33.12%、31.75%、29.14%和58.18%、53.04%、44.37%；钾元素累积吸收量分别增加了28.15%、24.49%、19.60%和42.37%、38.36%、32.90%。

表1 不同水氮处理对甜瓜产量、氮肥偏生产力、灌溉水分生产率以及养分吸收利用的影响

2.4 不同灌水量和施氮量对甜瓜品质的影响

表2为不同施氮量和灌水量对温室甜瓜品质指标的影响。可以看出，滴灌条件下，不同果肉品质指标在不同水氮处理下变化规律一致，在相同施氮处理下，随灌水量的增大，呈先增加后减少的趋势；在相同灌水处理下，随施氮量的增大，同样出现先增加后减少的趋势，表明5个指标之间存在线性相关。以维生素C为例，在相同灌水量和施氮量情况下，W3N3处理的维生素C含量高于CK处理，增幅为3.96%，但差异不显著。在滴灌施肥条件下，中氮处理(N2)下的维生素C含量均高于低氮处理(N1)和高氮处理(N2)，平均高出6.45%和3.58%，表明适量施氮能够提高维生素C，施氮过多不利于维生素C的合成。当施氮量为N2，灌水量为W2时，维生素C含量达到最大值，为18.14 mg·kg-1。在W3处理下，维生素C含量有所下降，表明在中水处理(W2)下，有利于维生素C的合成，高灌水量不利于果肉中维生素C的形成。在同一施氮水平下，中水处理(W2)下的维生素C含量均高于低水处理(W1)和高水处理(W3)，平均高出15.51%和13.34%。

2.5 甜瓜品质主成分分析及综合评价

目前主成分分析在作物品质的评价上，应用较为广泛。甜瓜果肉营养价值很高，其品质构成指标较多。选取甜瓜果实品质的5大指标：VC(X1)、可溶性糖(X2)、可溶性固形物(X3)、可溶性蛋白(X4)和有机酸(X5)作为评价因子进行主成分分析。从表2得知，不同施氮量和灌水量对品质指标有显著性影响，而且品质指标之间存在明显的线性关系，意味着这些因子在信息上有重叠的部分，可以进行因子分析。故采用SAS软件对甜瓜的5个品质指标进行主成分分析，表3和表4为计算得出的特征值和特征向量。

表2 不同施氮量和灌水量对甜瓜品质的影响

表3 特征值与累积贡献率

表4 相关矩阵特征向量

表3中为相关矩阵的特征值、贡献率及累积贡献率。从第1到第5个主成分的贡献率分别为91.27%、6.44%、1.54%、0.62%和0.14%，从第4列累积贡献率数据可知，第一项累积贡献率就包含了5个指标91.27%的信息量。因此，只需要写出第一个主成分(P1)的表达式：

P1=0.455X1+0.453X2+0.460X3+0.437X4+0.431X5。

将5个甜瓜品质指标代入上式中得到甜瓜品质的综合评价(表5)。

由表5可知，不同施氮量和灌水量条件下甜瓜5个品质的综合得分，中水中氮W2N2处理下的甜瓜品质最佳，得分高于其他处理组合。

表5 不同施氮量和灌水量条件下甜瓜品质的综合主成分

3 讨论

叶片净光合速率是植物最基本的生理特征[19-20]，它受环境和不同水肥供应的影响。本试验表明，在滴灌施肥条件下，增加灌水和施肥均可明显提高叶片净光合速率。但不同学者研究结果却不尽相同[21]，主要因为植物进行光合作用是一个连续动态的过程，受到当时环境的干扰，另外叶片选取的位置以及作物不同生长阶段也会产生一定影响。叶绿素是植物进行光合作用的物质基础，其含量的高低意味着光合作用的强弱[22]。本试验表明，增加灌水和施肥均可提升叶绿素含量，这与Hosseinzadeh等[23]和Gu等[24]的研究结果相一致。研究发现，甜瓜叶片叶绿素随灌水量和施氮量的增大而增大，这是因为大概75%的叶片氮元素用来合成叶绿素，同时磷、钾元素也参与植物体内许多辅酶的合成，因此，提升叶片养分含量有助于叶绿素的形成[25-26]。

植物在不同生育阶段或不同水肥供应下，干物质累积量会受到影响[27-28]。宋世威[29]研究发现，伸蔓期单株干物质累积量约为26～32 g，成熟期约为220～230 g。本试验发现，在滴灌施肥条件下，干物质累积量受到灌水和施氮的影响效应一致。因为灌水和施氮能够改变土壤环境中的水分和养分情况，水分亏缺或者养分不够均会改变作物根系生长，进而影响根系对水分和养分的吸收和利用，最终影响到冠层生长、产量乃至品质。植物细胞在进行正常的新陈代谢过程中，需要根系从土壤当中获取各种矿质元素，尤其是对氮磷钾的需求。试验表明，在成熟期，单株甜瓜对氮元素的吸收量为2.03～3.91 g，磷元素为0.64～1.31 g，钾元素为2.49～4.50 g。吴海华等[30]在立架栽培条件下对甜瓜氮磷钾吸收量研究发现，在成熟期，单株甜瓜对氮元素的吸收量为18.1～23.5 g，磷元素为3.4～3.9 g，钾元素为32.3～38.1 g。Sanchez等[31]研究发现，单株甜瓜氮吸收量为40.48 g，磷吸收量为6.78 g，钾吸收量为82.62 g。本次试验结果与前者的研究结果不一致，这与甜瓜品种、种植模式、栽培方式等有关。通过研究甜瓜成熟期氮磷钾的吸收情况，表明甜瓜为喜钾类作物，在整个生长过程中，对钾的需求量最多，其次为氮和磷。

增加灌水量和施氮量均可以提高甜瓜生物量的积累，从而增加甜瓜产量，这与之前的研究结论一致[32]，在高水高氮(W3N3)处理下甜瓜产量达到最大值，为25.99 t·hm-2。在相同灌水量和施氮量情况下，滴灌施肥处理比传统沟灌施肥处理的甜瓜产量增加了6.78 t·hm-2，增幅为35.27%，表明滴灌施肥具有非常明显的节水节肥效应。设施农业投资较高，只有高产量和高品质才能保证农户收益。Al-Mefleh等[33]研究发现，灌水过量或不足均会造成产量下降。本次研究结果表明，重度水分胁迫条件下甜瓜产量明显降低，主要由于缺水使得光合作用减弱，甜瓜生长缓慢，生物量积累不够从而影响最终产量[34]。Erdem等[35]研究发现，灌水量过多会导致灌溉水生产效率偏低，而在低灌水量条件下，作物的水分利用效率较高，本次研究与Erdem等[35]的研究结果一致，在低水高氮(W1N3)处理下达到最大值。

甜瓜鲜果中含有可溶性固形物、维生素C和有机酸等营养成分，这些物质含量的高低是有效评价果实品质的重要指标[36]。研究发现，果实品质与灌水量和施氮量有一定关系，适当增加施氮量可以提高果实中维生素C和可溶性糖的含量，氮肥施用量过多的时候，品质反而会下降[37-38]。水分是影响瓜果品质的关键因素，特别在后期果实成熟期。研究表明，适当水分亏缺可以提高果实品质[39-41]，但降低了果实产量，产量和品质一直是瓜果生产中的主要矛盾。本试验结果表明，在同一灌水量条件下，中氮(N2)条件下的品质最佳。在同一施氮水平下，中水(W2)下的果肉品质高于低水(W1)和高水(W3)处理。此外，采用主成分分析法，通过综合评价比较得出中水中氮(W2N2)处理的品质最佳。

4 结论

温室甜瓜滴灌水肥一体化技术能够提高水肥利用效率，达到优质高产的目的。综合考虑节水节肥及增产优质等因素，滴灌施肥情况下，产量、干物质和氮磷钾元素吸收量都与灌水量和施氮量成正相关关系。滴灌施肥条件下，变量灌水和施肥试验表明，施氮量为N3(140 kg·hm-2)，灌水量为W3时，甜瓜干物质累积量、养分吸收量和产量均为最高。当追求产量和肥料利用效率时，高水中氮(W3N2)处理能获得较高的产量和氮肥偏生产力；当追求甜瓜品质和水分利用率时，中水中氮(W2N2)处理能获得最大的VC、可溶性糖、可溶性固形物和较高的水分利用率。