基于西瓜产量的推荐施肥量及化肥减施潜力分析

包 蕾，张赛峰，秦济民，张会梅，王培周，周建斌，陈竹君*

（1 西北农林科技大学资源环境学院 / 农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2 西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100）

西瓜是世界范围内产量与种植面积仅次于番茄的水果作物[1]，我国西瓜种植面积与产量自1981年以来一直居世界第一，2018年我国种植面积与产量分别为151.8万hm2和6154万t[2]，分别占世界总种植面积和产量的46.8%和59.2%[3]。西瓜产业的迅速发展，也伴随着瓜农为追求高产盲目过量施肥导致的肥料利用率、生产效益降低及一系列环境风险问题[4–5]。因此，明确不同目标产量下西瓜合理施肥量及不同区域西瓜栽培减肥潜力，对化肥科学减施、维持土壤肥力、节本增效和西瓜产业可持续发展具有重要意义。

确定适宜施肥量是获得目标产量、维持土壤肥力水平和降低环境风险的关键，在这一方面已开展了不少研究，提出了不同的确定适宜施肥量的方法。朱兆良[6]认为，适宜施肥量推荐从方法论和技术路线的角度可分为测试(土壤/植株)和以田间肥料试验为基础推荐施肥两种类型。考虑到我国田块小而数量大的实际情况，提出了区域土壤、气候、生产条件、管理和产量水平相对一致时，可以采用平均施氮量来代替每个田块的经济最佳施氮量。区域平均适宜施氮量便于技术推广和农户在生产实际中应用，可将大多数地块施氮量控制在合理范围内。巨晓棠[7]提出，我国目前施肥技术条件下，理论施氮量相当于作物地上部氮素携出量，且对小麦、玉米、水稻理论施氮量与区域平均适宜施氮量及推荐施氮量进行了验证，在考虑其他来源氮素输入情况下，确定了单位经济产量需氮量后，推荐施氮量是目标产量的唯一函数。张福锁[8]根据保护地和露地磷、钾丰缺状况，提出了推荐施肥量为作物携出量的调整系数范围。曹寒冰等[9]亦提出，合理施肥量=产量×养分需求量×调整系数。目前，不同区域西瓜田间肥料试验数据有限，且不同田块由于肥力差异，相同栽培条件下获得的肥料效应函数可能差异巨大[10]。区域多年平均产量水平综合反映了当地气候、土壤性质及作物管理措施下实际生产水平，在此基础上的目标产量养分需求成为推荐施肥容易获得和相对可靠的参数[7,9]。与其它作物相比，西瓜单位经济产量养分携出量研究相对较少[11]，据已有文献结果，每生产1000 kg西瓜需氮(N)量最高和最低相差8.5倍[11–12](0.83～7.09)、需磷 (P2O5)量相差 6.5 倍[13–14](0.43～2.78)、需钾(K2O)量相差2.9倍[12,15](2.13～6.26)，不同文献结果差异大[16]。

基于不同区域西瓜目标产量养分需求量，结合土壤肥力水平调整系数，田间试验及文献推荐施肥量验证，然后综合确定不同产量水平下合理施肥量，评估不同区域化肥减施潜力，分析不同区域西瓜施肥存在的主要问题及化肥减施增效关键技术及措施。明晰西瓜氮、磷和钾养分需求量，查清不同区域西瓜养分供需平衡状况，为化肥合理减施提供理论依据；针对不同区域主产区限制肥料养分利用率提高的主要因素，提出化肥减施增效的关键技术措施，为西瓜产业绿色健康发展提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 不同地区化肥施用现状及产量水平调查

在全国22个省、市及自治区各西瓜主产区，选取栽培面积大的农户且使调查农户均匀覆盖主产区，调查肥料施用种类及施肥量(折纯N、P2O5、K2O)、施肥时期和方法、单产、灌溉方式等，共获得施肥有效调查数据4933份，产量有效调查数据4888份(表1)。最终不同省、市、自治区西瓜单产产量为2016—2018年《中国统计年鉴》和调查数据的加权(调查面积权重)平均。

表1 各省、市及自治区施肥与产量调查样本数Table 1 The survey number of fertilization and yields of watermelon in various provinces

1.2 西瓜单位经济产量养分携出量数据来源

2013—2021年在陕西杨凌示范区、蒲城县、定边县、榆林市榆阳区等的多点肥料试验数据52个，收集国内外文献中西瓜产量和对应养分吸收数据106个。其中，产量和氮吸收量数据158个、磷吸收数据99个(文献数据55、本研究组数据44)、钾吸收数据88个(文献数据40、本研究组数据48)。按照西瓜品种的单果重，将其划分为小果型(＜3.5 kg)、中果型(3.5～7.5 kg)及大果型(＞7.5 kg) 3种类型[1]。小果型一般多为设施吊蔓栽培品种，中果型多为设施趴地栽培品种，大果型为露地栽培品种。

1.3 不同产量水平推荐施肥量确定

合理施肥量根据以下公式计算[7,9]：

式中，目标产量为实际产量乘以1.2系数，调整系数指根据区域西瓜主产区土壤养分状况确定的调整施肥量的参数。由于西瓜种植效益较高[17]，据22个省、市施肥现状调查结果(未发表资料)，设施栽培西瓜施用有机肥25～600 t/hm2，平均30 t/hm2，露地施用有机肥量在4.5～30 t/hm2，平均10 t/hm2；土壤养分测定表明，设施栽培和露地栽培土壤有效磷分别为30.2～601、15.0～195 mg/kg，平均分别为95.6 mg/kg、26.3 mg/kg，土壤速效钾设施栽培和露地栽培分别为80～1250、51～310 mg/kg，平均分别为360 mg/kg、126 mg/kg。西瓜生产中农户均投入有机肥，有机肥中养分需要矿化后才能被作物吸收利用，有机肥具有残效并具有培肥土壤作用，因此设施栽培和露地施用氮肥均只需补足作物带走的氮素，施氮(可被作物利用的氮)调整系数设置为1.0；依据土壤有效磷和速效钾丰缺指标[8]，设施和露地土壤有效磷均在中等水平(设施50～120 mg/kg，露地20～60 mg/kg)，中等水平磷推荐量为作物携出量的0.8～1.5倍，因此施磷调整系数设置为1.0；土壤速效钾设施和露地分别在高水平(＞150 mg/kg)和中等水平(80～150 mg/kg)，高水平和中等水平下钾推荐量分别为作物携出量的0～0.8和0.8～1.5倍，本研究将施钾调整系数统一设置为0.8。

1.4 不同区域西瓜化肥减施潜力估算

以省、市及自治区为评价单元，根据其西瓜平均产量水平乘以1.2系数作为目标产量，根据不同目标产量水平合理施肥量标准及调查的农户西瓜化肥平均施用量(折纯量)估算化肥减施潜力。计算公式如下[16]：

化肥减施潜力(%)=(各地区农户平均化肥施用量–推荐施肥量)/平均化肥施用量×100 (2)以秦岭—淮河一带为南北方分界线对不同区域西瓜种植面积、产量、化肥投入现状、减肥潜力与推荐施肥量进行分析[18]，南方地区省份包括：江苏、安徽、浙江、上海、湖北、湖南、江西、福建、广东、广西壮族自治区、台湾、香港、澳门、海南、四川、重庆、贵州、云南与西藏自治区；北方地区省份包括：黑龙江、吉林、辽宁、北京、天津、河北、山东、河南、山西、陕西、内蒙古自治区、宁夏回族自治区、青海、甘肃与新疆维吾尔族自治区。

1.5 数据处理

采用Excel 2010进行数据分析，采用Origin 2018及Arcgis 10.2软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同地区西瓜种植面积、产量及化肥投入现状

2.1.1 西瓜种植面积、产量分布 我国不同省、市及自治区西瓜种植面积以河南省种植面积最大，达到25.6万hm2，占全国西瓜总种植面积的16.9%，其次为山东、江苏及湖南省(图1a)。全国各省西瓜平均产量为11.9～58.8 t/hm2(图1b)，北方地区产量平均为45.6 t/hm2，其中河北、河南、山东及辽宁产量较高(54.6～58.8 t/hm2)，宁夏、山西及青海产量较低(29.4～37.3 t/hm2)。南方地区产量平均为32.1 t/hm2，其中江苏、上海、安徽及湖北产量相对较高(36.8～48.3 t/hm2)，贵州、江西、云南、福建、重庆、西藏等产量较低(11.9～26.7 t/hm2)。

图1 西瓜种植面积及产量分布Fig.1 Planting areas and yields of watermelon in different provinces in China

2.1.2 西瓜化肥投入现状 不同地区西瓜化肥氮磷钾养分投入调查结果(图2)表明，各省、市、自治区化肥N、P2O5、K2O投入量平均分别为190.7～380.7、162.9～349.5、62.7～492.5 kg/hm2，全国平均分别为256.6、230.7、262.1 kg/hm2，投入的N∶P2O5∶K2O质量比为1.00∶0.90∶1.02。南方省市区化肥N、P2O5、K2O投入量平均分别250.2、217.0、236.9 kg/hm2，北方省市区平均为264.1、245.8、291.9 kg/hm2。其中化肥N投入较高的地区为河北、北京、海南及江苏，投入氮超过300.0 kg/hm2，较低的地区为甘肃、浙江、四川及宁夏，投入氮为190.7～194.1 kg/hm2(图2a)；化肥P2O5投入较高的地区为黑龙江、甘肃、海南和四川，投入量超过300.0 kg/hm2，较低的地区为湖北、内蒙、河南和北京，投入量为162.9～187.8 kg/hm2(图2b)；化肥K2O投入量辽宁、河北、黑龙江、吉林和陕西较高，为303.6～492.5 kg/hm2，甘肃、宁夏、新疆和内蒙较低，为 62.7～122.4 kg/hm2(图 2c)。

图2 各省市区西瓜化肥投入现状Fig.2 The inputs of different chemical fertilizers for watermelon in different regions in China

2.2 西瓜单位经济产量养分需求量

全国西瓜单位面积产量变化为9.9～93.4 t/hm2，单产较低(＜20.3 t/hm2)的主要为中果型和小果型，这些中、小果型品种主要在设施早春或秋冬茬栽培，其产量受气候及人为管理因素影响大。单位经济产量氮磷钾吸收量调查结果(图3)表明，每生产1 t西瓜N、P2O5、K2O养分吸收量分别为0.83～7.09 kg(n=158)、0.20～2.78 kg (n=99)、1.39～6.26 kg (n=88)，不同果型间均无显著差异；此外，单位经济产量氮、磷、钾养分吸收量很高的点其产量均很低，随产量增加单位经济产量氮、磷、钾养分吸收量趋于稳定。统计年鉴单产及本研究主产区调查我国西瓜平均产量为42.3 t/hm2，据此分析，产量偏低而养分吸收量偏高主要因营养生长正常但未形成正常产量造成。因此，本研究以西瓜产量大于平均产量(42.3 t/hm2)时生产1 t西瓜所吸收的N、P2O5、K2O养分量的平均值2.0、0.83、3.3 kg作为单位经济产量养分需求量参数，进一步计算目标产量养分需求量。此外，西瓜单位经济产量养分需求量表明，氮磷钾需求比例N∶P2O5∶K2O为1.00∶0.41∶1.65。

图3 西瓜单位经济产量养分吸收量Fig.3 Nutrient uptakes to produce 1 t watermelon economic yield

2.3 西瓜不同产量水平推荐施肥量及区域化肥减施潜力分析

2.3.1 基于产量水平的西瓜推荐施肥量 我国西瓜种植占90%以上面积平均产量水平高于30 t/hm2，文献最高产量为93.4 t/hm2，因此，本研究将目标产量确定为30～95 t/hm2，并依次划分为30～40、40～50、50～60、60～70、70～95 t/hm25 个等级水平。已有文献中田块尺度肥料试验获得的推荐施肥量与产量间未表现出规律性，即使相近区域产量低推荐量却高[13,23]，主要可能由于田块尺度的肥料试验结果受当季气候、病虫害及农事管理等因素的影响肥料未发挥应有的效应，本研究依据西瓜不同目标产量水平下养分携出和区域调查分析获得的土壤肥力，采用土壤肥力指标法并结合文献资料综合确定推荐施肥量 (表2)，提出 30～40、40～50、50～60、60～70、70～95 t/hm2产量水平下平均推荐施肥量分别为施 N 90～120、110～150、130～170、150～205、170～230 kg/hm2，施 P2O545～65、55～75、65～85、70～95、80～110 kg/hm2，施 K2O 110～150、125～170、150～205、170～230、185～250 kg/hm2。

表2 不同产量水平下推荐施肥量Table 2 Recommended fertilizer rates at different yield levels of watermelon

根据不同省、市、自治区产量水平和土壤养分状况提出区域施肥范围(图4)，南方和西南地区及青海目标产量低推荐施肥量较低，北方地区产量高推荐施肥量较高。

图4 各省市区西瓜推荐施肥量Fig.4 The recommended rates of chemical fertilizers for watermelon in different regions in China

2.3.2 不同地区化肥减施潜力 根据不同省、市、自治区推荐施肥量，估算各地农户平均施肥量下的化肥减施潜力，结果(表3)表明，不同地区农户平均施用氮、磷、钾化肥量分别是推荐量的1.3～3.0、1.9～5.5、0.3～2.5倍，氮磷钾化肥的减施潜力分别为22.7%～66.5%、47.8%～81.7%、–187.1%～59.4%，平均分别为43.0%、68.7%、12.2%，各地区平均氮磷肥施用均过量，磷肥减施潜力最大，钾肥施用过量和不足并存。南方化肥减施潜力大于北方，其中海南、广西、广东、福建、江苏、安徽、湖南氮磷减施潜力均在50%以上，宁夏、甘肃、新疆、内蒙存在钾肥投入不足问题。

表3 不同地区西瓜化肥减施潜力 (%)Table 3 Reduction potential of chemical fertilizer input for watermelon in different regions of China

3 讨论

3.1 西瓜不同产量推荐施肥及化肥减施潜力

作物的产量高养分需求量也高，依据区域某作物目标产量对应的养分需求量推荐施肥被认为具有区域代表性[6–7,40]。由于不同文献西瓜单位经济产量养分需求量结果差异较大且来自地区多点田间肥效试验相对较少，本研究通过课题组研究结果结合文献数据分析，以西瓜产量大于平均产量(42.3 t/hm2)时生产1 t西瓜所吸收的N、P2O5、K2O养分量的平均值2.0、0.83、3.3 kg作为单位经济产量养分需求量参数，此结果与文献数据平均取值(2.5、0.85、3.0 kg)相比[16]，氮需求量降低、磷相近、钾增加，与QUEFTS模型得出结果(2.11、0.62、3.23)相比[11]，氮钾需求量相近、磷增加，本研究进一步明晰了西瓜单位经济产量养分需求量，可为计算目标产量养分需求提供理论依据。

西瓜生产中农户重视有机肥施用，但生产中不同区域及栽培方式下施用量差异大(4.5～600 t/hm2)，市场有机肥种类繁多、质量良莠不齐，商品生物有机肥及商品有机肥价格相对高农户施肥量少，而直接来自畜禽养殖场的不同腐熟程度的有机肥价格低农户施用量高。有机肥提供的养分是作物吸收养分的重要来源，但有机肥中养分释放慢并不能被当季作物全部吸收利用，我国目前推荐施肥尚缺乏有机肥可提供的有效养分量指标并将其在推荐施肥中予以充分考虑。国外研究认为[41]，有机肥中全氮含量的30%～50%、全磷含量的50%～60%、全钾含量的90%可矿化为有效养分被当季作物吸收利用，且在推荐施肥总量中考虑施用有机肥可提供的有效养分量，推荐化肥用量等于总量减去有机肥可提供有效养分量。因此，考虑西瓜生育期相对较短，建议生产中根据推荐施肥总量(表2)，按照有机肥种类及施用量中全氮、磷、钾的30%、50%和90%计算有效养分量，进一步减少化肥施用量。

我国西瓜产量分布表明，平均单产北方省市区高(平均45.6 t/hm2)、南方低(平均32.1 t/hm2)，施肥调查结果发现，南方省市区和北方化肥养分投入量相近，相较于其西瓜产量水平下的推荐量，南方氮、磷、钾养分过量投入问题突出，如海南、广西、广东、福建、安徽、湖南、江苏等省区农户平均施用氮、磷、钾分别为推荐量的2.0、3.0、1.5倍以上，因此，南方化肥减施潜力大于北方，南方化肥氮和磷减施潜力在50%以上，钾为30%以上。西瓜适宜的N∶P2O5∶K2O为1.00∶0.41∶1.65，而农户投入的养分比例为1.00∶0.90∶1.02，磷肥投入比例偏高，主要由于农户基肥普遍施用N–P2O5–K2O含量相等的复合肥为主且基肥占化肥总量比例高(80%以上)，造成磷肥过量，因此磷肥减施潜力最大；甘肃、宁夏、新疆和内蒙部分区域钾肥投入不足，这些地区西瓜种植土壤质地以砂土和砂质壤土为主，土壤速效钾含量相对较低，存在钾素亏缺问题。

3.2 不同地区西瓜生产主要问题及化肥减施增效措施

区域气候、栽培季节和模式、品种等显著影响西瓜产量和品质，也影响肥料利用率。我国西瓜栽培可划分为五大优势产区[17]，分别为华南冬春优势产区(主产区有广西壮族自治区、广东、海南、福建)、长江流域夏季优势产区(主产区有安徽、湖南、湖北、江苏、江西、浙江、四川)、黄淮海春夏栽培优势产区(主产区有河北及河南两省的大部分地区、山东、北京、天津等)、西北夏秋优势产区(陕西、宁夏回族自治区、甘肃、新疆维吾尔族自治区和内蒙古自治区)以及东北夏秋西瓜优势产区(辽宁、吉林、黑龙江和内蒙古自治区呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市和锡林郭勒盟等蒙东地区)。栽培模式包括华南反季节栽培、南方中小棚设施栽培、南方露地中晚熟栽培、北方设施早熟栽培、北方露地中晚熟栽培、西北干旱半干旱区栽培等模式。由于区域光、温、水、土资源所形成的生态环境不同，因此，应在明晰各优势产区和栽培模式下西瓜产业链上影响化肥减施增效的关键问题基础上，针对性集成关键技术，实现化肥减施增效目标。西瓜产量分布(图1b)表明，南方单产整体低于北方地区，主要由于南方冬春季常发生持续低温、阴雨、寡照天气影响西瓜生产，造成反季节栽培及南方中小棚设施栽培模式下西瓜病虫害严重发生，温度变化及水肥供应不均衡影响坐果、果实膨大及发生裂果；南方露地栽培多为传统灌水施肥，夏季多雨天气又威胁露地中晚熟西瓜生产，肥料养分随灌溉水或降雨流失大，因此，南方地区应根据西瓜目标产量推荐施肥量总量控制及不同生育期养分需求的基础上，集成抗病/裂品种、设施/避雨栽培+水肥一体化精准控制、露地栽培施用缓/控释肥等关键技术，提高西瓜产量和品质，进而提高养分利用效率。

北方西瓜平均产量高于南方，不同栽培方式下存在的问题及化肥减施潜力和减施措施具有较大差异性。北方设施早熟西瓜多为早春西瓜—夏秋/秋冬蔬菜模式，该设施栽培模式下农户重视有机肥施用且化肥盲目过量施用问题突出[16,42–43]，土壤养分累积及连作障碍问题严重；同时，北方设施栽培水肥一体化设备拥有率高，但生产实际中亦沿用传统的施肥灌水管理模式，化肥基施占比高[44]，养分投入比例不协调，单次灌水定额高，未实现按西瓜不同生育期养分、水分需求规律少量多次施肥和灌水，为低效率的水肥一体化，因此，北方设施栽培模式下减肥潜力大。应主要集成测土配方施肥、水肥一体化精准管理、畜禽粪+秸秆+高温闷棚土壤修复化肥替代等关键技术，因缺补缺逐渐实现土壤养分的平衡及水肥高效利用。西北干旱半干旱西瓜栽培区土壤质地以砂质为主，土壤养分含量少且保水保肥能力弱，该区目前生产中可分为两种模式，第一种为有灌溉保障且基本实现水肥一体化滴灌地区，重点应集成有机肥部分替代化肥+化肥深施(条施)及水肥一体化精准管理等关键技术，提高土壤肥力及水肥时空耦合；另一种为灌溉保障率低地区，特别是压砂瓜生产区，应针对水分有限、水肥协同差、追肥困难及区域存在的严重重茬问题，重点集成生物有机肥+缓/控释肥+化肥深施(条施)、水肥一体化补充施肥灌水等技术，实现西瓜关键需肥需水期水肥在时间和空间的耦合效应，发挥最大效率。东北露地中晚熟栽培区水肥过量供应，养分供应比例不协调，重点集成水肥一体化精准控制及协调养分比例，以协调营养生长与生殖生长的关系。

4 结论

西瓜单位经济产量(1 t) N、P2O5、K2O需求量分别为2.0、0.83、3.3 kg；西瓜产量30～40、40～50、50～60、60～70 及 70～95 t/hm2，推荐施肥量N 为 90～120、110～150、130～170、150～205、170～230 kg/hm2，P2O5为 45～65、55～75、65～85、70～95、80～110 kg/hm2，K2O 为 110～150、125～170、150～205、170～230、185～250 kg/hm2。生产中应在推荐施肥量基础上，考虑有机肥种类及施用量中当季可提供的有效养分量，进一步减少化肥施用量；全国西瓜主产区氮、磷、钾化肥的减施潜力平均分别为43.0%、68.7%、12.2%，南方地区化肥减施潜力大于北方。不同区域产量水平、施肥现状和存在的主要问题不同，生产中亟待针对性集成优化并建立与气候、栽培季节、栽培模式相匹配的综合技术模式，并配套技术规程，大面积规模化示范推广，最终实现西瓜化肥减施增效及产业绿色可持续健康发展的目标。