水、氮、钾互作对砂田嫁接西瓜产量和品质的影响

杜少平，马忠明，唐超男，薛 亮，武永陶，李振谋

（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；4 兰州新区西岔园区管理委员会, 甘肃兰州 730314；5 靖远县农业技术推广中心, 甘肃靖远 730600）

我国是西瓜生产与消费的第一大国，产量居世界第一，在世界园艺产业中始终占有重要地位。2019 年我国西瓜播种面积为153.9万hm2，总产量为6324.1万t，占全世界总产量的60.6%，人均消费量是国外平均水平的6.6倍[1]。‘压砂瓜’是指在地表覆盖5～15 cm沙砾层即“砂田”上种植的西瓜，常年种植面积约10万hm2，主要集中分布在我国降雨量偏少的西北干旱和半干旱地区，其中甘肃中部和宁夏环香山地区占全国砂田总面积的90%以上[2]。压砂西瓜已成为我国西甜瓜产业的重要组成部分，且在促进区域经济发展、脱贫攻坚、乡村振兴中发挥了重要作用。砂田西瓜在经历了从农户自发零星种植转变为政府引导规模种植的过程中，也伴随着问题“不断出现—不断解决”的循环过程，如针对集约化种植模式导致的西瓜连作障碍问题，采取了嫁接育苗栽培技术[3-4]；针对“十年九旱”气候因素导致的西瓜产量不稳定问题，采取了不同补灌技术[5-6]。然而，以上两项技术在解决了砂田西瓜连作障碍和干旱胁迫瓶颈问题的同时，又产生了由于嫁接栽培和水肥管理不当造成的西瓜品质下降问题。为此，开展补灌条件下砂田嫁接西瓜产量、品质与水肥管理的耦合效应研究，对砂田西瓜水肥资源高效利用及高效优质生产既具有理论价值又有现实意义。

适宜水分和养分条件是促进作物产量和品质形成的两个关键因素。谢忠奎等[7]研究发现，砂田西瓜补灌量控制在45 mm左右，既提高产量和水分利用率，又不降低西瓜品质。氮、磷、钾养分缺乏会抑制小白菜[8]的生长，限制番茄产量，并降低其果实含糖量[9]。而养分过量不仅造成资源浪费且导致作物产量和品质形成受限。合理的养分用量与配比能够有效提高番茄、黄瓜、西瓜等园艺作物的产量与品质[10-13]。许多研究表明，水分与养分对作物产量和品质的形成存在明显的交互效应[6,14-15]，是实现高产优质的有效措施。研究表明，西瓜单瓜质量和产量均随着补灌量和施氮量的增加而提高，其中灌水的增产效应大于氮肥，而西瓜含糖量则在一定补灌量和施氮量下最高，且氮肥对含糖量的正效应大于补灌[6]。马波等[16]提出影响西瓜产量的因素为灌水定额＞施油渣量＞施复合肥量。我们通过研究膜下滴灌条件下嫁接西瓜适宜的水肥比例，以期为砂田西瓜高产优质和水肥高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省白银市靖远县五和镇白塔村(E105°05′～105°14′，N36°90′～37°02′)，地处甘肃、宁夏两省的交界地段，属于兴电东干灌区，海拔1700～2480 m，全年平均气温7℃～8℃，日照时间为2700 h左右，年平均无霜期150天，降雨量200～300 mm，属于干旱半荒漠气候景观，是压砂西瓜重要产区之一。2020年西瓜播前0—20 cm土层有机碳4.32 g/kg、全氮0.51 g/kg、碱解氮38.1 mg/kg、速效磷8.42 mg/kg、速效钾141 mg/kg、pH 8.50。

1.2 供试材料

供试西瓜品种为当地砂田主栽品种‘金城5号’，嫁接砧木品种为‘京欣砧9号’，供试肥料氮肥为尿素(N 46%)、磷肥为普通过磷酸钙(P2O512%)、钾肥为硫酸钾(K2O 50%)。

1.3 试验设计

试验采用水(W)、氮(N)、钾(K) 3 因子5 水平二次饱和D-最优设计[17]，共设11个处理，3 次重复，随机排列，试验小区面积为90 m2(1.8 m×50 m)，西瓜种植株距120 cm，行距180 cm，密度为4650株/hm2，试验设计的码值方案见表1。

表1 试验设计水平编码及水肥用量Table 1 Horizontal encoding of experimental design and amount of water and fertilization

1.4 种植管理

试验于2020年3月15日育苗，4月18日定植，7月25日收获。西瓜全生育期采用砂田膜下滴灌种植，待西瓜嫁接苗“两叶一心”时定植于直径20 cm、深15 cm的砂田播种穴，之后进行机械铺管覆膜，膜宽90 cm，膜下距瓜苗20 cm处铺设一条滴灌带，且在每个小区各安装一个阀门和水表以精确控制灌水量。

西瓜全生育期共滴灌3次，定植期、伸蔓期、果实膨大期灌水量分别占总灌水量的5%、45%和50%。西瓜苗定植前底肥施30% N、100% P2O5、30% K2O；追肥采用滴灌施肥，其中伸蔓期施30%N、20% K2O；果实膨大期施40% N和50% K2O。砂田西瓜不整枝，且每株只留一个果实。其他田间管理与当地一致。

1.5 测定项目与方法

西瓜成熟期，每小区随机选10个具有代表性的西瓜样品称量单瓜重，并统计小区西瓜产量。用手持式折光仪测定果实中心、边缘可溶性固形物含量，以果实中心和边缘可溶性固形物含量的平均值作为函数模型的因变量。

1.6 数据处理

试验数据分析采用Excel 2003 和SPSS 19.0 数据统计软件进行。

2 结果与分析

2.1 模型的建立

不同水肥处理的西瓜产量与含糖量见表2。以表1中水、氮、钾编码值为自变量，分别以表2中西瓜产量(Y1)、平均含糖量(Y2)为因变量，进行二次多项式回归分析，分别得出西瓜产量(Y1)、平均含糖量(Y2)与水(W)、氮(N)、钾(K) 3因素之间的回归方程为：

表2 不同水肥组合西瓜产量与含糖量Table 2 Yield and sugar content of watermelon as affected by water and fertilizer combinations

Y1=62888+2786.335W+2428.068N+618.235K-383.027W2-785.417N2-282.538K2+178.715WN-317.062 WK+265.866NKR2=0.9829 (F=28.65，P=0.0298)

Y2=11.140-0.018W+0.126N+0.084K-0.048W2-0.085N2-0.063K2-0.026WN+0.057WK+0.009NKR2=0.9613 (F=34.49，P=0.0098)

对以上方程分别进行F检验，表明回归关系显著，说明该方程能够反映水、氮、钾肥与西瓜产量、果实含糖量之间的关系，故模型对西瓜产量、含糖量有良好的预测作用。

2.2 模型解析

2.2.1 主因子效应分析 由于水、氮、钾肥对西瓜产量和含糖量的回归方程已经过无量纲编码代换，故直接比较各偏回归系数绝对值的大小，可反映各因子的重要程度。从水、氮、钾与西瓜产量回归模型的一次项偏回归系数可以看出，各因素对产量影响的顺序为W＞N＞K，说明在本试验条件下，灌水的作用居于首位，其次是氮肥，钾肥作用最小；从水、氮、钾与西瓜含糖量回归模型的一次项偏回归系数可以看出，各因素对含糖量影响的顺序为N＞K＞W，说明在本试验条件下，氮肥对西瓜品质的作用居于首位，其次是钾肥和灌水。

2.2.2 单因子效应分析 分别将西瓜产量、含糖量回归模型中3个自变量中的任意两个固定在0码值，可以得到剩余自变量与目标函数的关系，即，水、氮、钾与西瓜产量、含糖量关系的单因子效应方程。分别为：

从图1a看出，水和氮的产量效应曲线比较明显，且水对西瓜产量的正效应最显著，而氮的负效应比水的明显；钾的效应曲线比较平缓，表明本试验条件下钾肥对西瓜产量影响不大。各抛物线的顶点就是各单因素的最高产量值，与其相对应的便是各因素的最适投入量。本试验中，灌水量码值为3.64，即灌溉定额1841.65 m3/hm2时西瓜产量最高为67955 kg/hm2；氮肥码值为1.55，即投入N 347.2 kg/hm2时西瓜产量最高为64764 kg/hm2；钾肥码值为1.09，即投入K2O 289 kg/hm2时西瓜产量最高为63226 kg/hm2。

由图1b可知，西瓜含糖量的水、氮、钾因素效应也均为抛物线，表明各因素都有明显的提质效应，其中氮、钾对含糖量的正效应最显著，而水的负效应比较明显。试验中，西瓜平均含糖量最高11.14%对应的灌水量码值为-0.188，即灌溉定额为614.74 m3/hm2；西瓜平均含糖量最高11.19%对应的氮肥码值为0.741，即投入N 270.37 kg/hm2；西瓜平均含糖量最高11.17%对应的钾肥码值为0.667，即投入K2O 254.45 kg/hm2。

图1 西瓜产量(a)与含糖量(b)的水、氮、钾单因素效应Fig.1 Main effects of irrigation, nitrogen, and potassium on watermelon yield (a) and sugar content (b)

2.2.3 边际效应分析 边际效应可反映各因素的最适投入量和单位水平投入量变化对西瓜产量、含糖量增减速率的影响。分别对单因素效应方程求一阶偏导，分别得到水、氮、钾各因素的产量、含糖量边际效应方程，将不同编码值代入，并令 dy/dx=0 可得到图2。图2反映了各因素边际产量、含糖量效应随着3因素投入量增加的变化情况，水、氮、钾3因素边际效应均呈递减趋势，说明当投入量较低时，产量、含糖量增加明显，但随着投入量的增加，边际效应递减，其中氮肥的边际效应递减率大于灌水量和钾肥。各因素西瓜产量边际效应[式(7)、(8)、(9)]与x轴相交之处(W为3.637、N为1.546、K为1.094)和果实含糖量边际效应[式(10)、(11)、(12)]与x轴相交之处(W为-0.375、N为1.482、K为1.333)为最适投入量，以后再增加投入量，将出现负效应。

图2 西瓜产量(a)和含糖量(b)的单因子边际效应Fig.2 Marginal benefit of each factor on watermelon yield (a) and sugar content (b)

2.2.4 耦合效应分析 在综合水肥管理条件下，作物产量、品质的变化，不单纯是各因子单独效应的线性累加，还存在因子交互效应。本试验确定的西瓜产量回归模型中水氮、水钾和氮钾的交互项偏回归系数均达显著水平，说明水氮、水钾和氮钾的交互效应对西瓜产量产生显著影响，分别将产量回归模型中的水(W)、氮(N)、钾(K)固定在0码值，可得到其交互效应方程，分别为：

对产量方程作图(图3)分析可以看出，在编码值范围内，氮对水的交互效应大于钾，钾对氮的交互效应大于水，水对钾的交互效应大于氮。由图3分析得出，本试验条件下，西瓜产量在60 t/hm2以上的水氮互作区间W为-0.9～2.1、N为0.3～2.1，即灌水量为386.54～1348.07 m3/hm2、N为228.49～399.44 kg/hm2；水钾互作区间W为-0.9～2.1、K为0～2.4，即灌水量为386.54～1348.07 m3/hm2、K2O为200.00～400.00 kg/hm2；氮钾互作区间N为-0.3～2.1、K为-1.8～2.4，即N为171.51～400.00 kg/hm2、K2O 为 53.07～400.00 kg/hm2。

图3 产量因子交互效应分析Fig.3 The interactive effect of various factors on watermelon yield

同理，对西瓜含糖量方程作图(图4)分析可以看出，钾对水的交互效应大于氮，水对氮的交互效应大于钾，氮对钾的交互效应大于水。由图4分析得出，本试验条件下，西瓜平均含糖量在11%以上的水氮互作区间W为-2.1～0.9、N为0.3～1.5，即灌水量为0～963.46 m3/hm2、N为228.49～342.46 kg/hm2；水钾互作区间W为-1.5～0.9、K为-0.6～0.6，即灌水量为194.24～963.46 m3/hm2、K2O为151.02～248.98 kg/hm2；氮钾互作区间N为-0.3～1.5、K为-0.6～1.8，即 N 为 171.51～342.45 kg/hm2、K2O 为 151.02～346.93 kg/hm2。

图4 含糖量因子交互效应分析Fig.4 The interactive effect of various factors on watermelon sugar content

2.3 利用模型进行决策

利用计算机进行模拟试验，得出了本试验条件下砂田西瓜产量超过60 t/hm2的水肥方案(表3)。从表3可知，当各因素编码值W为0.4149～1.0663、N为0.3304～0.9776、K为-0.2811～0.7129，即灌水量为807.98～1016.76 m3/hm2、N为231.38～292.84 kg/hm2、K2O为177.05～258.19 kg/hm2时可取得60 t/hm2以上的西瓜产量。

表3 西瓜产量超过60 t/hm2的因子取值频率分布Table 3 Frequency distribution of the factors for yield higher than 60 t/hm2

同理可求得本试验条件下，西瓜平均含糖量在11%以上的水肥方案(表4)，灌水量为555.48～875.96 m3/hm2、N 为 226.41～278.65 kg/hm2、K2O 为217.41～271.00 kg/hm2。通过综合分析得出砂田膜下滴灌嫁接西瓜高产优质的适宜灌水量为808～876 m3/hm2，施肥范围N为231～279 kg/hm2、K2O为217～258 kg/hm2。

表4 西瓜平均糖含量超过11%的因子取值频率分布Table 4 Frequency distribution of the factors for average sugar content higher than 11%

3 讨论

水分和养分是西北干旱半干旱地区砂田西瓜获得高产优质的关键因素。合理补灌可使砂田西瓜产量较不灌水处理提高12.52%～45.68%[7,18-19]。合理氮肥运筹可使砂田西瓜产量较传统施肥模式提高11.6%～12.5%，果实含糖量增加11.7%～16.5%[20]；适宜磷钾肥配施条件下的西瓜产量和含糖量分别较不施用磷钾肥处理增加7.54%～43.79%、5.86%～13.75%[21]。但是，水肥管理不当也给砂田西瓜品质带来了负面影响。有研究发现，在相同灌水量条件下，砂田西瓜可溶性固形物含量、可溶性糖含量、糖酸比等主要品质指标随施肥量增加而降低，在相同施肥量条件下随灌水量增加也降低[22]。因此，通过水肥耦合效应研究，探索砂田嫁接西瓜高产优质的水肥管理方案对西北压砂瓜产业高品质发展具有重要意义。

本试验在膜下滴灌条件下研究了水、氮、钾3因素不同用量对砂田嫁接西瓜产量的影响，结果发现，砂田嫁接西瓜产量在60 t/hm2以上的水氮互作区间灌水量为386.54～1348.07 m3/hm2、施氮量为228.49～399.44 kg/hm2，且灌水的效应大于氮肥。这与其他研究结果相似，马波等[23]采用管灌补水方式确定出补水定额对压砂地西瓜产量的影响大于施氮量；前期采用注水补灌方式研究发现灌水对砂田西瓜的增产效应大于氮肥[6]；张笑[22]采用膜下滴灌方式发现各因素对砂田西瓜产量影响的主次顺序为栽培方式(自根/嫁接)＞灌水定额＞施肥量。因此，在干旱半干旱区，补灌对砂田西瓜产量的影响效应大于氮肥，且西瓜产量随补灌量的增加而提高，随施氮量的增加先提高后降低，这也与王力[24]、李建明等[25]在其他栽培模式下研究的西瓜水肥效应一致。此外，在本试验条件下，水、氮及其交互效应对西瓜产量的影响最大，而钾肥效应最小，这与Flocker等[26]和姚静等[27]的研究结果基本一致。其内在机理可能由于水分是植物根系吸收、运输和利用养分的基础，因而施肥量一定的条件下，在一定范围内增加灌水量有助于提高植株的养分吸收量，增加叶绿素含量，增强光合速率，促进干物质积累，进而提高作物产量；另一方面，适宜的水分条件下，增施氮肥也有利于增加叶片叶绿素含量，改善光合作用，提高水分利用效率，从而提高作物产量[28]。但是，当肥料施用过量，即低水高肥处理，容易对植物造成伤害，严重时发生烧苗，不仅限制作物产量，而且会导致土壤的盐渍化[29-31]。因此，合理的水肥调控是西瓜增产的关键。

在西瓜品质指标中，果实中心和边缘部位可溶性固形物含量都与各种糖含量呈极显著正相关，因此，可将可溶性固形物含量作为评价西瓜甜度和品质的重要指标[32]。水肥管理是影响西瓜可溶性固形物含量及其他品质指标的主要因素。本试验结果发现，西瓜含糖量随水肥用量增加呈先升后降的趋势，这也与一些相关研究[6,18,22-25]的结果相似。其中氮、钾对西瓜糖含量的正效应显著，这可能主要归因于氮、钾在果实成熟过程中能够作为感受信号，通过感知氮素或钾素营养信号变化，调控植物体内相关基因表达及酶活性，从而影响果实的糖酸代谢与发育进程。有研究发现，坐果后适量喷施氮肥或钾肥可提高果实成熟期间ADPG 焦磷酸化酶(AGPase)、α-淀粉酶及β-淀粉酶的活性，促进淀粉的合成以及淀粉向葡萄糖的转化；同时酸性转化酶(AI)、蔗糖合酶(SS)、山梨醇脱氢酶(SDH)及蔗糖磷酸合成酶(SPS)的活性也受到氮或钾的正向调节，从而促进了果糖、葡萄糖及蔗糖在果实中的积累，进而改善果实品质[33]。适宜配比氮钾的施用可上调6-磷酸醛糖还原酶(A6PR)、中性转化酶(NINV1)、蔗糖磷酸合成酶(SPS1)及半乳糖激酶(GALK)关键编码基因的转录表达水平，从而提高成熟果实中的葡萄糖、果糖和蔗糖含量，同时上调苹果酸酶(ME)关键编码基因的转录表达，降低果实中的苹果酸含量，最终提高果实甜度[34]。另一方面，本试验结果发现，水对西瓜糖含量的负效应比较明显。这与Erdem等[35]发现适当水分亏缺可提高西瓜可溶性糖和固形物含量的结果相一致。其内在机理可能是，由于灌水量减少可以增加通过韧皮部进入果实的糖浓度，以利于果实中可溶性固形物的积累[36]；适度水分亏缺可以激活蔗糖转运蛋白，并提高其稳定性，进而促进液泡中可溶性糖的积累，同时提高酸性转化酶(AI)和胞壁转化酶活性，从而促进果糖和葡萄糖等可溶性糖的积累，改善果实品质[37-38]。反之，高水低肥则会对果实品质形成“稀释效应”，降低果实品质[39]。因此，合理的水肥调控也是西瓜优质生产的关键。

4 结论

水、氮交互作用对西瓜产量表现为正效应，对品质表现为负效应，氮、钾交互作用对西瓜产量与品质均表现为正效应。西瓜产量超过60 t/hm2的适宜灌水量为808～1017 m3/hm2、施N为231～293 kg/hm2、施K2O为177～258 kg/hm2。获得果实平均糖含量11%以上的适宜灌水量为555～876 m3/hm2、施N为 226～279 kg/hm2，施K2O为 217～271 kg/hm2。综合来看，高产优质嫁接西瓜的适宜灌水量为 808～876 m3/hm2、施 N 为 231～279 kg/hm2、施K2O 为 217～258 kg/hm2。