沙培黄瓜生长对水氮耦合效应的响应

马新超，轩正英，李 玉，常 娇，高 源，房 健，谭占明，王旭峰

(1.塔里木大学园艺与林学学院，新疆 阿拉尔 843300; 2. 塔里木大学南疆特色果树高效优质栽培与深加工技术国家地方联合工程实验室，新疆 阿拉尔 843300; 3. 塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

新疆南疆地区由于其独特的地理气候环境及丰富的光热资源，已成为非耕地设施农业发展的主要地区，以取材方便、价格低廉的沙子作为基质的温室沙培蔬菜面积在不断扩大。但日光温室蔬菜沙培技术存在着区域性技术发展不平衡、沙培技术要求高、推广环节比较弱、技术完善程度不高等问题[1]，尤其是在南疆地区的温室沙培黄瓜栽培中长期存在着盲目大量灌水施氮的现象，粗犷的水氮管理已经严重限制当地沙培黄瓜技术的发展。

本试验设置了灌水水平和施氮量两因素，进行了不同水氮耦合下温室沙培黄瓜的田间试验，测定了生长形态指标和各时期的干物质积累量，并对黄瓜产量进行了调查，在试验条件下，明确沙培黄瓜生长对水氮耦合效应的响应规律并确定最适水氮耦合方案，以期为温室沙培黄瓜高效生产与科学水氮管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试材料

试验于2021年3—7月在塔里木大学园艺试验站(81°17′E， 40°32′N，海拔990 m)7号节能型日光温室内进行。栽培基质为建筑用沙(粗沙)，其理化性质如表1所示。

表1 黄瓜栽培基质的理化性质

本试验选用‘优胜美’水果黄瓜为试材，使用营养钵进行育苗，待黄瓜苗长至3叶1心时定植，缓苗5 d后进行水肥处理；试验采用槽式栽培，每个栽培槽面积为0.5 m×2.6 m=1.3 m2，深0.4 m，设定株距为0.25 m，大行距为0.6 m，小行距0.3 m，进行双行栽培，每小区定植20株幼苗，保苗50 000株·hm-2；设7个处理，每个处理3次重复，共计21个小区和420株黄瓜，温室东西两侧各设一行保护栽培槽。

1.2 试验设计

试验设置灌水水平和施氮量二因素，采用二次饱和D-最优设计(p=2的6点设计)，并加设了一个最高码值处理(T7)，该处理只作对照，不参加回归分析，以保持原方案的优良性，试验设计具体方案见表2。

表2 黄瓜水氮耦合试验设计方案

灌水上限最大值设为田间持水量的100%，最小值设为田间持水量的65%；土壤水分下限为每天8∶00时测得的各处理实际基质含水率，基质含水率使用DM-300土壤水分速测仪(青岛拓科)实时测定，并每隔20 d采土样用烘干法校准，当土壤含水率接近或降低至灌水下限的60%时进行灌溉。灌水水平和施氮量的0码值所对应的实际值依据文献[6-8]并结合基质理化性质设定，试验所用灌溉水为水厂供应的自来水，其EC值为0.59 uS·cm-1，所用大量元素肥料分别为尿素(含N 46%)、磷酸二氢钾(含P2O551%)和硫酸钾(含K2O 50%)，依据基质中的养分含量及养分平衡原则[8]设定磷钾肥用量分别为290 kg·hm-2和800 kg·hm-2，氮磷钾肥料均作追肥随水施入，每隔5 d施肥一次，共计追施20次，各处理氮肥每次等量施入，前7次每次施入磷肥的7%、钾肥的3%，剩余磷钾肥每次等量施入，并视植株生长情况适时适量喷施微量元素。灌水量计算公式为：

M滴灌=r×p×h×θf×(q1-q2)/η

式中，r为土壤容重，取1.61 g·cm-3；p为土壤湿润比，取100%；h为灌水计划湿润层，取0.35 m；θf为田间持水量，取14.02%；q1、q2分别为土壤水分上限和土壤水分下限(以相对田间持水量的百分比表示)；η为水分利用系数，滴灌取0.9。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标的测定 定植后，每个处理随机选取18株生长正常的黄瓜植株并标记，水氮处理后每隔7 d测定以下指标，共测10次。

株高：用卷尺从子叶节处起测量至植株顶端；

株幅：用卷尺测量植株叶片最大伸展直径；

茎粗：用游标卡尺测量子叶节上面的第一节间的中间直径；

叶片数：统计叶长大于2 cm的叶片数；

叶面积：测得叶片的纵、横茎长度后使用经验公式[9]计算得出：

S=0.5×WL×LL+0.25×WL2

式中,WL为单片叶叶片宽度，LL为单片叶叶片长度，选择植株中上部最大的叶片进行测定。

叶绿素SPAD值：使用SPAD 502 plus(柯尼卡美能达，日本)对植株自下而上第4片叶子进行测定，测定时避开叶脉选取3个点取平均值。

1.3.2 干物质量的测定 黄瓜生育期划分为：苗期(水氮处理后20 d)、花期(水氮处理后35 d)、初瓜期(水氮处理后53 d)、盛瓜期(水氮处理后78 d)、末瓜期(水氮处理后100 d)。分别于黄瓜各生育期结束时随机选取植株3株，将根、茎、叶、花、果分开，根系用清水洗净擦干，放入烘箱内于105℃下杀青15 min后置于75℃下烘干至恒重，使用ME204万分之一天平(梅特勒托利多，瑞士)称重记数，并计算根冠比和植株的干物质积累量。

1.3.3 产量的测定 从黄瓜结果初期至拉秧，对采收的黄瓜果实使用分析天平(YP30002,上海佑科)直接称重，统计每小区的产量，并折算为公顷产量。

1.4 数据处理

用DPS 7.05软件对各项指标进行数据处理；用Origin 2021软件制图；用Excel 2019制表。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对沙培黄瓜生长的影响

2.1.1 水氮耦合对沙培黄瓜株高的影响 由图1a可知，各处理的株高随着黄瓜生育期的推进逐渐增加， 5月4日前各处理株高无显著差异，5月4日后各处理的株高开始产生差异，并在6月1日后株高快速增长。在整个生育期，施氮量一致时，株高随着灌水水平的增加而降低，灌水水平一致时，株高随着施氮量的增加而增加，在低水高氮处理下株高在全生育期内均能获得较高值。

2.1.2 水氮耦合对沙培黄瓜茎粗的影响 由图1b可知，随着生育期的推进，黄瓜茎粗不断增加，苗期茎粗增长迅速，进入花期后茎粗的增幅较为一致，但增长速率却有一定程度下降，这是因为茎秆是地下养分运输至地上部的通道，黄瓜开花坐果需要吸收充足的养分供给而导致茎粗增长迅速，至试验结束时，T3处理的茎粗最大为12.75 mm，是茎粗最小T2处理的1.65倍，灌水水平和施氮量对茎粗的影响与株高的一致。

2.1.3 水氮耦合对沙培黄瓜叶面积的影响 由图1c可知，除处理T1和T2外其他处理的叶面积均随着植株生长而显著增大，由于T1和T2均为低氮处理，氮肥供应不足情况下植株叶面积扩展受到限制，虽然在苗期叶面积有所增长，但植株开始进入生殖生长后其叶面积便停止增长，且一直处于较低值；至试验结束时，叶面积最大的是处理T3，为530.80 cm2,其次是处理T5，为452.28 cm2，最小的是处理T2，仅为83.07 cm2，灌水水平和施氮量对叶面积的影响与对株高的影响趋势一致。

2.1.4 水氮耦合对沙培黄瓜叶片数的影响 由图1d可知，随着生育期的推进，黄瓜叶片数不断增加，水氮处理后30 d内各处理叶片数增长几乎一致，之后各处理的叶片数开始产生明显差异，尤其是在5月25日—6月15日各处理叶片数均匀并快速地增加，停止测量时，T3处理的叶片数最多(33片)，较最少的T2处理多10片，其次T5的叶片数也达到了31片，灌水水平和施氮量对叶片数的影响与对株高的影响趋势一致。

2.1.5 水氮耦合对沙培黄瓜株幅的影响 由图1e可知，黄瓜株幅随着生育期的推进而逐渐增加，在6月1日前即苗期和花期内株幅扩展迅速，之后扩展速率便有所下降并较为均匀，这是因为自黄瓜根瓜坐住之后，其生殖生长较营养生长相比更为旺盛，至试验结束时，T3处理的株幅最大为62.95 cm，较最小的T2处理多28.05 cm，灌水水平和施氮量对株幅的影响与对株高的影响趋势一致。

2.1.6 水氮耦合对沙培黄瓜叶片叶绿素SPAD值的影响 由图1f可知，黄瓜叶片叶绿素SPAD值的增长与叶面积的增长趋势相同，除处理T1和T2外其他处理的叶面积均随着植株生长而显著增大，这就表明在适宜水氮供应下，叶片能获得较高的叶面积从而获得较好的光截获能力，叶片的叶绿素SPAD值显著增加，光合能力有所提升，至试验结束时，处理T3的叶片叶绿素SPAD值最大，为107.38，其次是T4(107.33)，最小的T2处理为57.33，灌水水平和施氮量对叶片叶绿素SPAD值的影响与对株高的影响趋势一致。

图1 水氮耦合对沙培黄瓜生长的影响Fig.1 Effect of water and nitrogen coupling on growth of sand cultivation cucumber

2.2 水氮耦合对沙培黄瓜干物质积累的影响

2.2.1 各器官干物质的积累与分配 水氮耦合对沙培黄瓜各器官干物质积累与分配的影响如图2所示，植株的干物质积累量随着生长发育不断增长，低氮处理的T1和T2各时期干物质积累量均显著低于其他处理，表明在150 kg·hm-2的施氮量下，无论灌水水平或高或低均无法获得较好的干物质积累量，施氮量充足的其他处理在各时期均表现出较高的干物质积累量，干物质积累量随着施氮量的增加而显著增加。在不同时期下各器官干物质分配的规律各不相同，但总体上表现出叶片和果实干物质积累量较大，茎、根和花较少。

图2 水氮耦合对沙培黄瓜干物质积累与分配的影响Fig.2 Effect of water and nitrogen coupling on dry matter accumulation and distribution of sand cultivation cucumber

苗期植株的干物质积累量较少，占拉秧时干物质积累量的0.90%～2.83%，各处理器官中干物质积累量均表现为叶>茎>根，叶占植株总积累量的65.65%～69.87%，茎占15.24%～22.59%，根占9.89%～14.89%，苗期植株干物质积累量最多的是处理T3，最少的是处理T1，可见苗期低水高氮的处理有利于植株干物质的积累。花期植株干物质积累量开始快速增加，占全生育期总吸收量的11.92%～24.04%，各处理器官中干物质积累量除T5和T7外均表现为叶>茎>根>花，叶占植株总累积量的63.98%～70.33%，茎占23.68%～30.02%，根占2.24%～5.23%，花占2.39%～4.00%，T5和T7器官中干物质积累量表现为叶>茎>花>根，在相同施氮量下，花的干物质积累量表现为T7>T5>T3，花的干物质积累量随着灌水水平的增加而增加，表明在充足的氮肥供应下，提高灌水水平可以促进植株的花芽分化，增大开花量。

初瓜期占拉秧时干物质积累量的31.14%～46.28%，盛瓜期占60.26%～83.44%，进入初瓜期后黄瓜器官中干物质分配规律表现为果实和叶较多，茎、根和花较少，在初瓜期、盛瓜期、末瓜期中各器官干物质分配比例发生了变化，叶和茎中干物质分配比例明显变小，果占了植株干物质积累量的一大部分，尤其是在盛果期，果占植株总干物质累积量的比例高达29.11%～50.75%，自进入初瓜期后，T4和T5的植株干物质积累量均处于较高水平，而低水高氮的T3和高水高氮的T7低于T4、T5处理，表明虽然增施氮肥能显著增加干物质积累量，但只有在灌水水平适宜的条件下再增施氮肥才能获得最高的干物质积累量，反之会使干物质积累量有所下降。

2.2.2 干物质积累速率的Logistic方程回归分析 为了定量研究水氮耦合下沙培黄瓜干物质积累量随生育进程的动态累积变化特征及规律，采用Logistic方程进行拟合，结果如表3所示。各处理干物质最大累积速率在水氮处理后57.8～86.0 d(盛果期和末瓜期)出现，出现时间最早的是处理T1，最晚的是处理T3，在进入末瓜期后才出现，可看出低水低氮处理下干物质最大累积速率出现时间最早。处理T4的干物质最大累积速率最大，为4.03 g·株-1·d-1，是最低值T1的4.3倍，在同一灌水水平下表现为T6>T7>T2并且T3>T1，除150 kg·hm-2施氮量的T1和T2外其他处理均能获得较大的物质最大增长速率；这就表明干物质最大累积速率随着施氮量的增加呈先上升后下降趋势，而灌水水平对其无显著影响。

表3 干物质积累速率的Logistic方程回归分析

快速累积期出现时间最早的为处理T1，较最晚的T3缩短了18.5 d，快速累积期持续时间最长的为处理T3，但其结束时间为水氮处理后115.8 d，此时黄瓜已拉秧结束了16.8 d，可见低水高氮的处理T3营养生长过盛。快速累积期出现时间较早的T5能够保持相对较长的持续时间，作为对照的T7其快速累积期持续时间也较长并且开始时间也相对较早，但其干物质最大累积速率较低，为3.34 g·株-1·d-1，综合考虑干物质最大累积速率及其出现时间、快速累积期开始时间及持续时间这些因素，T4和T5为较优处理。

2.2.3 水氮耦合对沙培黄瓜根冠比、干物质及产量的影响 如表4所示，拉秧时水氮耦合对沙培黄瓜单株总干物质量和单株地上部干物质量的影响规律是一致的，可见黄瓜地下部干物质占比较小，各处理间单株总干物质量的差异是由地上部干物质量的差异所引起的，地上部干物质量在同一灌水水平下表现为T7>T6>T2并且T3>T1，表明其随着施氮量的增加而显著增加，在同一施氮量下表现为T5>T3>T7，但3个处理间无显著差异，表明地上部干物质量与灌水水平的关系呈开口向下的抛物线趋势，但是灌水水平对地上部干物质量并不显著；T1和T2的地下部干物质量显著低于其他处理，而其他处理间无显著差异，可见灌水水平对根系生长无显著影响，增施氮肥能够使根系生长良好，获得较高的地下部干物质量；根冠比最大的是T1，为2.48%，其次是T2,为1.61%，其他处理的根冠比均显著低于T1，这是因为处理T1、T2的地上部干物质量较小，而其他处理地上部和地下部干物质积累量都处于较高水平所导致的；在水氮耦合下产量最高的是处理T5，为107.43 t·hm-2，是产量最低T2处理的4.08倍，在同一施氮量下T5>T3>T7，表明产量与灌水水平的关系呈开口向下的抛物线趋势，在同一灌水水平下T6>T7>T2并且T3>T1，表明增施氮肥能显著提升黄瓜产量，但过量施氮后产量反而有所下降，符合报酬递减规律。

表4 水氮耦合对沙培黄瓜根冠比、干物质及产量的影响

2.3 水氮耦合下沙培黄瓜生长指标与产量的相关性分析

由表5可知，除快速累积期起始时间T1和根冠比外，其他指标间均呈极显著正相关关系，快速累积期起始时间T1与各指标间呈正相关关系但均不显著，根冠比与各指标间呈负相关关系，与干物质积累量、干物质最大累积速率Vmax、叶绿素SPAD值和产量间呈显著性负相关，表明根冠比增大时不利于干物质的积累，造成产量的下降。

表5 水氮耦合下沙培黄瓜生长指标与产量的相关性分析

通过各指标间与产量的相关系数可以看出，除快速累积期起始时间T1与产量间相关不显著及根冠比与产量呈显著负相关之外，其他指标与产量均呈现极显著正相关关系，干物质最大累积速率Vmax与产量的相关系数最大，为0.98，其次是干物质积累量，为0.96，表明黄瓜植株的干物质积累是产量形成的基础；株高、茎粗、叶面积、叶片数、株幅、叶片叶绿素SPAD值均与干物质积累量和产量呈极显著正相关，尤其是叶片叶绿素SPAD值与干物质积累量的相关系数达到0.95，可见，叶片叶绿素SPAD值可以作为预测植株干物质积累的关键指标，在适宜的水氮耦合方案下，植株生长健壮是获得较高干物质积累量的关键，从而提升了增产潜力，产量显著提高。

3 讨 论

水氮管理是农田管理中一个重要的理论问题，协调其关系达到最优时，就能实现低投入和高产出目标。在不同水肥调控水平下，作物不同生育阶段的生长、干物质积累、分配和产量都受到极大影响[10-11]。杨晓珍等[12]研究表明随着生育期的推进，黄瓜株高、茎粗及叶片数呈“单峰曲线”变化，这与本研究部分结果一致，其研究也指出叶面积呈“抛物线”型变化趋势，而本研究中叶面积随着生育期的推进呈“单峰曲线”变化，这是因为本研究叶面积动态测定的叶片是植株中上部最旺盛展开面积最大的叶片，这就减少了病虫害及叶片衰老这些因素对叶面积结果的干扰。本研究中苗期茎粗增长迅速，进入花期后茎粗的增幅较为一致，但增长速率却有一定程度上的下降，这与王蓉等[13]的研究结果一致。李静等[14]研究表明番茄的株高及茎粗与水肥条件的高低呈正相关；方栋平[15]研究也指出黄瓜株高受水肥影响显著，高水处理的株高显著大于低水处理，随着滴灌施肥比例的降低株高呈降低趋势，本研究中各项生长指标均随着施氮量的增加而增加的结果与其有相似之处；但本研究却发现灌水水平对生长的影响不显著，在全生育期内低灌水水平和高施氮量的组合能获得最好的各项生长指标，表明低灌水上限虽然会使土壤含水率处在较低水平，但并不会抑制作物的生长，这与褚丽丽等[16]的研究结论一致。本试验中低水高氮的处理T3能获得最好的植株生长特性，程明瀚等[17]通过研究温室青椒的水氮耦合效应得出低灌水下限时的水氮耦合作用更佳，这与本研究结果一致。

本研究表明植株干物质积累量与灌水水平的关系呈开口向下的抛物线趋势，但是灌水水平对干物质积累量的影响并不显著，植株干物质积累量随着施氮量的增加而显著增加，杨慧等[18]研究指出番茄地上部生物量理论最大值随着灌水量和施氮量的增加呈先增加后减小的趋势，这与本研究结果有相似之处，但存在一定的出入，原因可能是因为本试验选用营养元素匮乏的沙子作为基质，黄瓜对氮肥的依赖性较大所导致。王丽英等[19]的研究表明日光温室冬春茬黄瓜生育期的茎、叶、果实干物质积累呈“S”形曲线。水氮供应对植株干物质积累与分配的影响主要表现在叶片、茎和果实的积累上，对根系干物质积累没有显著影响，这与本试验结果有相似之处。本研究同时表明在充足的氮肥供应下，提高灌水水平可以促进植株的花芽分化，增大开花量，这与刘小刚等[20]的研究结果相似。产量与灌水水平和施氮量间的关系均呈开口向下的抛物线趋势，施氮量对产量的影响大于灌水因素，施氮量或灌水水平过高后产量反而有所下降，符合报酬递减规律，适宜灌水水平下增施氮肥才能获得较高的产量，这与已有研究结果[21-22]一致，但张新燕等[23]研究表明灌水因素对番茄产量的影响大于施肥因素，这可能是由于试验设计及栽培基质不同所导致的。

本研究通过对黄瓜生长发育各项指标的相关性分析发现，根冠比增大时不利于干物质的积累，造成产量的下降，这与马国礼等[24]的研究结果一致。同时本研究指出在适宜的水氮耦合方案下，植株生长健壮是获得较高干物质积累量的关键，从而提升了增产潜力，产量显著提高，这与前人的研究结果相似[14]。叶片 SPAD 值和叶片干物质积累量与追施氮肥量的相关性最高[25]，叶片叶绿素SPAD值可以作为预测植株干物质积累的关键指标。综合考虑植株生长状况、干物质积累与分配、干物质最大增长速率及其出现时间、干物质快速累积期开始时间及持续时间、根冠比和产量这些因素，T5为表现最好的处理，但其施氮量为1 250 kg·hm-2，违背了农业生产中低投入高产出的目标，反观灌水水平和施氮量较为适中的T4，其能够保持较好的植株生长特性，干物质积累量也较高，同时其产量仅次于T5，为101.93 t·hm-2，因此本研究推荐灌水水平为80.20%，施氮量为623 kg·hm-2的水氮运筹方案为最适方案。

4 结 论

1)65%的灌水水平虽然会使土壤含水率处在较低的水平，但并不会抑制黄瓜的生长，增施氮肥能显著提升各项生长指标对应值，T3处理即灌水水平为65%，施氮量为1 250 kg·hm-2的水氮运筹方案能获得最好的植株生长特性；

2)植株干物质积累量随着施氮量的增加而显著增加，植株干物质积累量与灌水水平的关系呈开口向下的抛物线趋势，但是灌水水平对干物质积累量的影响并不显著；

3)叶片叶绿素SPAD值可以作为预测植株干物质积累的关键指标，在适宜的水氮耦合方案下，植株生长健壮是获得较高干物质积累量的关键，从而提升了增产潜力，黄瓜产量显著提高；

4)综合考虑植株生长状况、干物质积累与分配、干物质最大累积速率及其出现时间、快速累积期开始时间及持续时间、根冠比和产量这些因素，T5为表现最好的处理，但其施氮量高达1 250 kg·hm-2，违背了农业生产中低投入高产出的目标，反观灌水水平和施氮量较为适中的T4，其能够保持较好的植株生长特性，干物质积累量也较高，同时其产量仅次于T5，为101.93 t·hm-2，因此本研究推荐灌水水平为80.20%，施氮量为623 kg·hm-2的水氮运筹方案为最适方案。