不同灌溉定额对设施黄沙基质栽培西瓜光合特性及产量、品质的影响

陈 亮，栾倩倩，蔺 毅，杨世梅，严宗山，王翠丽，张自强

（甘肃省农业工程技术研究院 甘肃武威 733006）

西瓜[Citrullus lanatus（Thunb）Manf.]是葫芦科西瓜属一年生蔓性草本植物，原产非洲，喜光耐热[1]。瓜瓤脆嫩、味甜多汁，含有丰富的矿物盐和多种维生素，具有解热、散毒、润肺及利尿功能，是夏季主要的消暑果品。中国的西瓜栽培面积和产量均居世界第一，据联合国粮食及农业组织（FAO）统计[2-3]，2019 年我国西瓜产量为6 324.1 万t，占全球西瓜总产量的60.61%；西瓜栽培面积达147.158 万hm2，占全球西瓜总面积的47.71%。随着设施农业的迅速发展，西瓜设施栽培已成为我国农业不可或缺的重要组成部分。甘肃河西走廊地区沙漠总面积约1 217.02 万hm2，发展沙漠戈壁瓜果等特色农产品，已成为发展“沙产业”的新型道路[4]，在可耕地资源日益匮乏的背景下，充分利用河西走廊地区现有的沙漠资源和丰富的光热资源，大力发展沙漠设施西瓜种植业对西北农业产业结构调整至关重要。

甘肃河西走廊地处西北内陆极度干旱区，虽具有种植优质西瓜得天独厚的地理资源优势，但水资源严重匮乏、利用率低等问题突出，同时设施西瓜种植户凭借种植经验确定灌水量，水资源浪费严重，严重制约了河西走廊戈壁沙漠西瓜产业的发展[5]，如何充分利用有限灌水使戈壁沙漠西瓜达到高产优质，探寻一套科学合理的灌溉制度就显得尤为重要。近年来，对西瓜的研究多集中在土壤栽培条件下的品种选育[6-8]、高产栽培[9-11]、病害防治[12-13]、西瓜种植机械化[14-15]等方面，而对设施黄沙栽培条件下的西瓜节水灌溉研究却鲜见报道。为此，笔者以武威本地设施大面积主栽的美丽和4K 2 个西瓜品种为试验材料，采用黄沙作为栽培基质，打破传统的拱棚爬蔓栽培，首次采用吊蔓栽培模式，建立设施黄沙栽培西瓜水肥一体化技术体系，在灌溉次数一致的条件下，通过设定不同的灌溉定额，以常规灌溉量为对照，研究设施黄沙栽培条件下不同灌溉定额对西瓜植株叶片光合特性及果实产量和品质的影响，阐明不同西瓜品种对不同灌溉定额的光合生理响应机制，在此基础上确定最适宜设施黄沙栽培西瓜的灌溉定额，以期为设施黄沙栽培西瓜高效用水提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年3 月1 日至7 月1 日在甘肃省农业工程技术研究院试验基地日光温室（规格为长100 m×跨度8 m）内进行。试验地处于甘肃西部、河西走廊东端，地势平坦，属于典型的西北绿洲灌溉农业区，主要依靠石羊河地下水灌溉。平均海拔1776 m，年均降水量162.4 mm，主要集中在7—9月，年潜在蒸发量2114 mm，年均气温7.10 ℃，昼夜温差平均7.9 ℃，≥10 ℃的有效积温2 955.2 ℃，年均无霜期156 d。试验种植所采用的黄沙为武威当地的戈壁沙漠黄沙，成分以SiO2为主，养分含量极少，容重1.54 g·cm-3，田间持水量9%，pH 值7.87。

1.2 材料

以武威本地设施大面积主栽的美丽和4K 2 个西瓜品种为试材，均属早中熟品种，绿皮红瓤，生长势中等，果型大、产量表现较佳。嫁接苗（3 至4 叶1 心）购于甘肃省武威市古浪县绿盈盈蔬菜种苗种植专业合作社。试验用波美浓大量元素速效水溶肥购于江苏绿港现代农业发展股份有限公司，采用肥料养分N、P2O5、K2O 质量比为20∶20∶20+TE 和13∶6∶40+TE 的2 种水溶肥。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 设置西瓜品种和灌溉定额2 个因素，西瓜品种为设施主栽的美丽和4K，灌溉定额设置5 个灌溉梯度处理（灌溉量的具体数值参照武威市戈壁沙漠区全生育期平均灌水量设计[16]），以常规灌溉（CK1、CK2）为对照，其中常规灌溉（CK1、CK2）为武威市戈壁沙漠区最高灌溉量，采用随机区组试验设计（图1），共10 个处理（表1），每处理3 次重复，共30 个小区，每小区面积为6 m2（1 m×6 m）。灌溉方式为膜下滴灌，全生育期采用自主研发的YX-3 型水肥一体化智能管控设备精准控制水肥供给，为减少因水分侧渗而造成的试验误差，不同处理小区之间用垂直埋深60 cm 的薄膜隔开。在进水口加装精确度为0.001 m3的水表计量并控制各小区次灌水量。

图1 试验单区组定植示意

表1 试验灌水方案设计

1.3.2 西瓜定植及管理 西瓜育苗采用50 穴穴盘，于3 月8 日移栽定植，以黄沙为栽培基质，地下槽式吊蔓栽培，栽培槽宽50 cm，走道宽50 cm，株距40 cm，行距100 cm，嫁接苗双行错位定植，采用水肥一体化膜下滴灌，膜下滴灌的滴箭插在幼苗根际5 cm 处，先定植后覆膜，另设置2 行作为保护行。在西瓜移栽前浇足底水，移栽定植后用金根移栽灵200 mL 灌根。试验前每667 m2基肥施用商品有机肥1000 kg、油渣饼肥400 kg、硫酸钾型（N、P2O5、K2O 质量比为15∶15∶15）三元复合肥15 kg、硫酸钾10 kg，撒施于黄沙中，用小铁锹进行人工翻耕，充分混匀基肥。生长期追肥和灌水均采用笔者团队研发的智能型水肥一体化滴管系统定时定量精准供给。西瓜整枝方式采用单蔓整枝，留单瓜，病虫害防治及其他田间农事管理均与本地瓜农管理习惯一致。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 植株叶片数和坐果习性指标测定 分别于西瓜生长的苗期（3 月15 日）、伸蔓期（3 月25 日）、开花坐果期（4 月15 日）、果实膨大期（5 月7 日）和成熟期（6 月12 日）5 个生育期，每处理随机选取5株，测定西瓜植株叶片数、第1 雌花坐果节位、雌花间隔。

1.4.2 叶片光合参数测定 开花坐果期的晴天9：00—11：30 测定叶片光合参数，每处理随机选取5 株，每株选取植株主蔓中部完全展开功能叶测定，每个叶片打3 个点取值。使用SPAD 502 型叶绿素仪测定叶绿素含量（SPAD 值）；使用便携式光合作用测量系统（LI-6400XT，美国LI-COR 公司）测定净光合速率（Pn，µmol ·m-2·s-1）、气孔导度（Gs，mmol·m-2·s-1）、胞间CO2浓度（Ci，µmol·mol-1）和蒸腾速率（Tr，mmol H2O·m-2·s-1），测定光照度为800 µmol·m-2·s-1，叶温为27 ℃，外界CO2浓度为400µmol·mol-1。

1.4.3 产量及品质测定 采收期每处理随机选取5个成熟果实测定单瓜质量；用钢卷尺测量果实纵横径、果皮厚度；使用手持式DBR45 型数显糖度仪测定中心可溶性固形物含量和边部可溶性固形物含量；根据西瓜成熟度分批采收，各小区单独计产量，依据各小区面积折算成每667 m2产量。

1.5 数据统计与分析

数据采用SPSS19.0 版本进行方差分析，用Excel 2007 版本制图，用Duncan 新复极差法检验数据差异显著性，试验图表数据均为3 次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉定额对西瓜植株叶片数的影响

由表2 可知，随生育期推进，各处理下西瓜植株叶片数呈现逐渐增加趋势，在成熟期达到最大值，在同一生育时期，2 个西瓜品种的叶片数随灌溉定额的增加均呈现先增加后减少趋势，分别在中度灌溉定额T3、T7 处理下达到峰值。美丽在苗期各处理间叶片数无显著差异，伸蔓期T3 处理叶片数显著高于T1 处理和CK1，T2、T3 和T4 处理间叶片数无显著差异；在开花坐果期和果实膨大期，T3 处理叶片数均显著高于其他处理；在成熟期，T3 处理叶片数显著高于T1、T4 和CK1，较CK1 显著增加19.13%，与T2 处理间差异不显著。4 K 在苗期、伸蔓期和开花坐果期，T7 处理叶片数均显著高于T5处理，除T7 处理外，其他各处理间差异均不显著；在果实膨大期和成熟期，各个处理间叶片数差异不显著。

表2 不同灌溉定额下的西瓜植株叶片数

2.2 不同灌溉定额对西瓜第1 雌花坐果节位及雌花间隔的影响

由表3 可知，不同灌溉定额对西瓜植株第1 雌花坐果节位产生了一定影响，随灌溉定额增加，第1雌花节位逐渐升高，在最大灌溉定额CK 下第1 雌花节位最高，而不同灌溉定额对2 个西瓜品种的雌花间隔均无显著影响。美丽T1 和T2 处理第1 雌花节位分别较CK1 显著降低26.58%、20.25%，T3和T4 处理分别较CK1 显著降低12.66%、7.59%，T1 和T2 处理间、T3 和T4 处理间第1 雌花节位差异均不显著；4K 西瓜品种的T5 和T6 处理第1 雌花节位分别较CK2 显著降低23.75%、18.75%，T7处理较CK2 显著降低11.25%，T5 和T6 处理间、T7和T8 间、T8 和CK2 处理间差异均不显著。

表3 不同灌溉定额下的西瓜第1 雌花坐果节位及雌花间隔

2.3 不同灌溉定额对西瓜叶片叶绿素含量的影响

由图2 可知，不同灌溉定额对2 个西瓜品种叶片叶绿素含量（SPAD 值）产生了一定影响，随灌溉定额增加，叶片SPAD 值呈现先升后降趋势，分别在T3 和T7 处理下达到最大值，且均显著高于同一品种下其他各处理。在相同灌溉量下，美丽西瓜叶片SPAD 平均值均高于4K 品种。美丽西瓜T3 处理叶片SPAD 较CK1 显著增加37.82%，4K 西瓜T7 处理叶片SPAD 较CK2 显著增加21.90%，T5、T8 处理叶片SPAD 均与CK2 无显著差异。美丽和4K 2 个品种各处理的西瓜叶片SPAD 值分别表现为T3＞T2＞T4＞CK1＞T1 和T7＞T6＞T8＞CK2＞T5。

图2 不同灌溉定额下的西瓜叶片SPAD 值

2.4 不同灌溉定额对西瓜叶片光合参数的影响

由表4 可知，不同灌溉定额对2 个西瓜品种的叶片净光合速率Pn、气孔导度Gs、和蒸腾速率Tr等光合参数均产生了一定影响，随灌溉定额增加，2个品种西瓜叶片Pn、Gs、和Tr 均呈现先升后降趋势，分别在T3 和T7 处理下达到最大值。各灌溉处理下美丽叶片胞间CO2浓度无显著差异，各处理下4K 叶片Ci均与CK2 无显著差异。美丽T3 处理叶片Pn、Gs 和Tr 分别较CK1 显著增加19.06%、106.06%和50.43%，4K T7 处理叶片Pn、Gs 和Tr 分别较CK2 显著增加22.99%、74.29%和50.97%。

表4 不同灌溉定额下的西瓜叶片光合参数

2.5 不同灌溉定额对西瓜产量的影响

由表5 可知，不同灌溉定额对2 个西瓜品种产量产生了一定影响，随灌溉定额增加，西瓜667 m2产量呈现先升后降趋势，2 个西瓜品种果实纵径、横径及667 m2产量分别在T3 处理和T7 处理达到最大值，较低和较高灌溉定额均不利于西瓜产量的形成，同一灌溉定额下美丽平均果实纵、横径和667 m2产量均高于4K。美丽T3 处理果实纵径、横径和667 m2产量分别较CK1 显著增加10.86%、15.26%和39.78%；4K T7 处理果实纵径和667 m2产量分别较CK2 显著增加10.72%和26.10%，果实横径各处理间无显著差异。美丽和4K 2 个品种各处理的西瓜产量高低分别表现为T3＞T2＞T4＞CK1＞T1和T7＞T6＞T8＞CK2＞T5。

表5 不同灌溉定额下的西瓜产量

2.6 不同灌溉定额对西瓜果实品质的影响

由表6 可知，不同灌溉定额对2 个西瓜品种的果实中心和边部可溶性固形物含量产生一定影响，随灌溉定额增加，果实可溶性固形物含量呈现先升后降趋势，2 个西瓜品种果实中心和边部可溶性固形物含量分别在T2 处理和T6 处理下达到最大值，从果实中心和边部可溶性固形物含量来看，美丽平均中心和边部可溶性固形物含量均低于4K。美丽T3 处理中心和边部可溶性固形物含量分别较CK1显著增加17.02%和13.33%，T2 处理中心可溶性固形物含量较T3 处理和CK1 分别显著增加13.64%和32.98%，T2 处理边部可溶性固形物含量较对照CK1 显著增加了20.00%，而与T1、T3 处理间差异不显著。4K 各处理间果皮厚度差异不显著，T6 处理中心可溶性固形物含量较T7 处理和CK2 分别显著增加6.67%和16.36%，T6 处理边部可溶性固形物含量较T7 处理和CK2 分别显著增加5.26%和14.29%。

表6 不同灌溉定额下的西瓜果实品质

3 讨论与结论

叶片是衡量植株生长状况的一个重要指标，其多少与最终产量高低密切相关[17-18]。郭绍杰等[19]研究表明，在相同施肥量条件下灌溉量减少抑制了新梢及叶片的生长，低灌溉量处理的树体新梢及叶片生长低于对照。李文美等[20]研究表明，兰州百合的株高、叶绿素含量（SPAD 值）和产量随灌溉量的增加均增加。笔者的试验结果表明，美丽和4K 2 个西瓜品种随灌溉定额的增加，植株的叶片数均表现为先上升后下降，均在160 m3·667 m-2处理下达到峰值，说明在黄沙基质栽培条件下过量灌溉和亏缺灌溉均对西瓜植株的叶片生长产生了抑制作用。在沙培条件下，过量灌溉（高灌水量）一方面使黄沙基质含水量过高，透气性下降，植株根系呼吸作用减弱，影响了植株根系生长，进而影响了水肥的吸收，植株生长受到抑制；另一方面沙培条件下，长时间的过量灌溉会使得黄沙深层的盐分上移，造成黄沙表层盐渍化，抑制西瓜植株生长和叶片数的增加。适度的亏缺灌溉（低灌水量）虽促进了西瓜植株根系深扎，但不利于植株根系对所需营养元素的吸收，抑制了叶片光合生理和其他生理生化过程，致使西瓜地上部生长受到抑制，这与陈秀香等[21]、刘明池等[22]、冯腾腾等[23]在番茄上的研究结果相一致。但曹超群等[24]研究认为，高的基质含水率可以促进辣椒对养分的吸收，更有利于生殖生长，增加辣椒产量，这可能是与笔者试验中所使用的黄沙基质本身的持水特性有关，与土壤和其他栽培基质的持水特性不同，关于土壤和黄沙基质的持水特性还有待进一步研究。

叶片是光合作用的重要器官，灌溉量影响作物的叶片含水率，含水率变化直接影响叶片的光合生理，进而影响光合产物的积累[25-26]。笔者研究中美丽和4K 2 个西瓜品种随灌溉定额的增加，叶片SPAD 值、净光合速率Pn、气孔导度Gs、蒸腾速率Tr 和果实产量均呈现先升高后降低的趋势，均在160 m3·667 m-2处理下出现了峰值。这说明当西瓜灌水量过低时，对西瓜生长造成胁迫后，一方面，西瓜叶片气孔关闭，气孔导度下降，胞间CO2浓度累积，进入光合循环的可利用CO2量减少，致使净光合速率下降，光合作用减弱，西瓜生长受到抑制，果实产量下降；另一方面，在过高和过低灌水量处理下，试验中的叶片SPAD 值均显著下降，参与叶片光合作用的色素减少，致使净光合速率下降、光合减弱、生长受限、产量减少。灌水量过高时，西瓜根系透气性下降、根系呼吸作用减弱，对水肥的吸收能力下降、叶片生长不良、净光合速率下降，致使植株的形态生长指标受到影响。从笔者的试验结果可以看出，灌水量过高和过低均会影响西瓜植株的生长和叶片的光合作用，最终导致西瓜产量下降，因此，为确保西瓜高产，在西瓜全生育期内要保证适宜的灌水量，该结果与Harmanto 等[27]、May 等[28]、吕剑等[29]、季延海等[30]的研究结果基本一致。前人研究表明，适度的水分亏缺可以提高番茄果实中可溶性固形物含量和糖酸比，进而改善番茄果实品质[31-32]。周勃等[33]对设施厚皮甜瓜黄梦脆的研究表明，适度水分亏缺的160 m3·667 m-2灌溉处理甜瓜品质最好。季延海等[30]在栽培番茄上发现，减少灌溉量虽降低了番茄单株产量，但果实中葡萄糖、果糖、维生素C 含量和糖酸比明显提高。笔者的研究也发现相似的结论，随灌水量的增加，美丽和4K 果实中心和边部可溶性固形物含量表现为先升高后下降的趋势，但均在较低灌溉定额的110 m3·667 m-2处理下达到最大值，且均显著高于各自对照，这可能是由于适度的亏缺灌溉激活了西瓜植株内的相关酶活性和相关糖转运蛋白基因的表达，促进果实中可溶性糖的积累，从而提高了果实品质；而过高的灌水量可能会稀释果实中的营养物质，果实可溶性糖和有机酸含量会随着灌水量的增加而减少，进而降低了果实品质[23]，有关适度亏缺灌溉促进果实糖分积累的相关分子机制还有待进一步研究。

综上所述，美丽西瓜品种在设施黄沙基质栽培条件下的适应性更强，西瓜叶片光合特性和产量表现优于4K，而4K 西瓜品种的果实品质表现更好，160 m3·667 m-2为设施黄沙基质栽培西瓜最适宜的灌溉定额，可作为河西戈壁沙漠温室西瓜高效用水的最优选择。