水肥耦合效应对小果型西瓜品质、产量及水分利用效率的影响

刘 璐，王林闯，李建明，许文钊，尹 莲，罗德旭，孙玉东，范燕山，赵建锋*

（1.徐淮地区淮阴农业科学研究所/淮安市设施蔬菜重点实验室，江苏 淮安 223001；2.西北农林科技大学 园艺学院/农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.寿光格顿农业科技有限公司，山东 寿光 262718）

0 引言

西瓜(Citrullus lanatus)是葫芦科西瓜属的日常水果，其果肉甜美多汁、清香爽口，富含多种维生素、糖类及氨基酸等营养物质，在全世界范围内均有种植［1-2］。西瓜也是一种具备商业性质的经济作物，因其具有可观的经济收益而受到广大种植户和市场的青睐［3-4］。但是，目前的西瓜生产中仍然存在缺乏定量水肥管理经验的问题，通常采用大水灌溉、大量施肥的生产管理模式，长此以往必然会导致我国水肥资源的浪费以及肥料利用率的严重下降，进而造成土壤板结以及地下水污染等环境问题［5-8］。水分补充和肥料供给是保障作物良好生长发育的重要物质基础，其中水分可以促进肥料的转运，而肥料能够促进水土系统的生态效能作用，两者相互作用的结果为水肥耦合效应［9-11］。水肥的合理使用能够直接影响水肥的利用效率，进而影响农产品的品质、产量和经济效益［12-15］。由此可见，科学进行水肥管理已成为我国绿色农业发展和环境保护的重要途径。

目前，国内外学者已经从水肥对作物生长、水肥利用等方面进行研究。粟丽等［16］研究表明冬小麦的水分利用效率会随着灌水量的增加而增加，但随着氮含量的增加，水分利用效率会呈现出先增后降的趋势；Cabello等［17］研究了不同施肥和灌水量对甜瓜品质及产量的影响，结果表明当灌水量为90%的实际蒸发量时，果实的品质、产量最好；黄红荣等［18］研究了设施滴灌条件不同水肥耦合组合对番茄干物质分配、光合作用及产量的影响，结果表明滴灌条件下水肥耦合处理的番茄产量、品质最佳。相比较于灌水量、肥料量等单因素而言，探讨水肥耦合对植株生长的影响更具有科学性和合理性。此外，通过主成分分析方法筛选出主要因子进行品质评价，对西瓜的整体评价结果也更加客观。前人虽然对西瓜的水肥进行过一定研究，但结果并不能够完全满足我国现有设施西瓜生产种植中对水分与肥料量化的实际配比［19-20］，有关江苏省设施西瓜水肥管理的研究也鲜有报道。因此，寻找合理的西瓜水肥耦合用量组合对农业生产意义重大。本文以西瓜品种苏梦6号为研究对象，通过比较不同施肥量、灌水量条件下西瓜的产量、品质及生长情况等指标，探索较为合理的水肥组合用量，力求达到减肥增效，以期为小果型西瓜的高效绿色栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在江苏省淮安市农业科学院科研创新基地进行，供试土壤的碱解氮、速效钾、有机质、有效磷的含量分别为80.7、268.6、22.0、90.7 g/kg，pH值为7。

1.2 试验材料

供试作物：江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所主推的小果型西瓜品种苏梦6号；供试肥料：大量元素水溶肥20-20-20（养田）、46%尿素（由中国中煤能源股份有限公司提供）、12%过磷酸钙（雅冉）、50%硫酸钾（由山东青上化工有限公司提供）。

1.3 试验设计

本试验以灌水量和施肥量作为控制因子，其中施肥量设置了3个水平：F1，N、P2O5、K2O的施用量分别为607.5、387.0、13230.0 g/120株；F2，N、P2O5、K2O的施用量分别为810.0、516.0、1764.0 g/120株；F3，N、P2O5、K2O的施用量分别为1012.5、645.0、529.2 g/120株。根据西瓜不同生育时期使用不同的肥料比例，基肥N、P2O5、K2O的施用比例分别为30%、50%、30%，幼苗期的施用比例分别为10%、20%、5%，伸蔓期的施用比例分别为20%、20%、10%，坐果期的施用比例分别为10%、10%、15%，最后膨瓜期的施用比例分别为30%、0、40%，具体施肥情况见表1。

表1 西瓜不同生育期的施肥水平 g

灌水量设置3个水平，其中W1为60%Etc，W2为80%Etc，W3为100%ETc。另外，根据西瓜的不同生育时期的需水规律，在棚内设置200 mm蒸发皿，每日对蒸发皿内水分蒸发量进行记录，利用蒸发皿的累积蒸发量（EP-20）、灌水面积以及西瓜需水系数（Kc）的乘积计算最终灌水量，苗期、开花坐果期、膨瓜期及成熟期的Kc分别为0.4、0.8、1.6和0.8，灌水量的计算公式为：

式（1）中：Ir为灌水量(mm)，ETc为西瓜蒸腾需水量(mm)，Kc为需水系数，A为灌溉水量控制面积(m2)。试验的具体浇水情况见表2。

表2 西瓜不同生育期的灌水量水平 %

本试验将灌水量和施肥2个因素耦合，共计9个处理，3次重复，每个处理小区内定植西瓜40株。开花后进行水肥处理，灌水周期为7 d。试验小区长宽均为3 m，面积为9 m2，双因素耦合试验方案见表3。每个小区内部采用宽窄行吊蔓栽培方式，整枝方式为双蔓整枝，宽行110 cm，窄行50 cm，株距为30 cm，表面覆盖银灰色地膜，膜下安装滴灌带。西瓜苗4叶1心定植，缓苗10 d，每株最终留1个西瓜。在每个小区四周地膜下70 cm 深安装隔离膜，以此消除不同处理间水肥渗透的影响。

表3 试验处理设计及对应的灌溉量

1.4 取样和测定方法

西瓜成熟后进行采收，使用台秤进行单果重和小区产量的测定；成熟期在每个小区内随机选择3个大小相近的西瓜，使用直尺测量西瓜果实的横、纵径及果皮厚度；西瓜果肉的中心和边际可溶性固形物含量利用手持折光仪进行测定；利用考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白含量；分别使用solarbio微量法试剂盒(BC2505、BC2465、BC2455）并配合酶标仪测定西瓜果实的葡萄糖、蔗糖、果糖含量；通过紫外—分光光度法测定番茄红素含量；通过水杨酸—硫酸法测定硝酸盐含量。

1.5 数据统计与分析

试验数据应用Microsoft Excel 2019软件进行统计分析，采用SPSS 20.0软件进行差异性分析及主成分分析，参考赵平等［21］的分析方法计算各指标的熵值及权重得分。

2 结果与分析

2.1 不同施肥量与灌水量对西瓜植株茎粗的影响

果实膨大期对不同处理西瓜植株的茎粗和叶片叶绿素含量进行测量，结果见表4。由表4可知，不同水肥耦合处理会影响植株的茎粗增长，以F2W2处理的植株茎粗最大，F1W2处理的茎粗最小，其他处理间无显著差异；显著性分析表明施肥量以及灌水量和施肥的交互项均对西瓜茎粗生长的影响达到了显著水平，此时灌水量的作用不明显，因此肥料的作用大于水肥耦合作用。通过比较叶片叶绿素含量可知，不同处理间无明显差异。

表4 不同水肥耦合处理的西瓜植株茎粗及叶片叶绿素含量

2.2 不同施肥量与灌水量对西瓜品质指标的影响

在西瓜成熟期对西瓜果实进行采收和品质检测，结果见表5。由表5可知，F2W1和F2W2处理的果实葡萄糖含量显著高于其他处理；在同一肥料处理水平下，随着灌水量的增多，果实果糖含量显著下降；果实的蔗糖、可溶性蛋白及番茄红素的含量在不同水肥耦合处理间呈现出显著差异，但无明显规律；果实硝酸盐含量组间无明显差异。显著性检验结果表明，施肥量、水肥耦合作用对西瓜果实的葡萄糖含量和可溶性蛋白含量的影响达到了显著水平，但水分的影响不显著。水分及水肥耦合作用对果糖含量影响明显，其中水分作用大于水肥耦合作用。除上述品质指标外，水肥耦合作用对果实蔗糖及番茄红素含量影响显著，但水分、肥料的作用不显著。

表5 不同水肥耦合处理对西瓜品质的影响

2.3 西瓜多种品质指标的综合评价

为了更全面地评价西瓜品质的综合指标，选用多目标综合评价法对西瓜品质进行综合评价。选择前述的6项品质指标为评价因子，即葡萄糖(X1)、蔗糖(X2)、果糖(X3)、硝酸盐(X4)、可溶性蛋白(X5)、番茄红素(X6)，对6个指标进行标准化处理，然后应用SPSS 20.0软件对处理数据进行主成分分析，分析结果见表6。由分析可知，前3个主成分的特征值均大于1，且前3项的累积贡献率大于85%。因此，选择前3个主成分作为品质评价的综合指标，置信度为86.5%。

表6 各主成分的特征值、贡献率和累积贡献率

通过计算得到各品质指标与前3个主成分的关系式：

综合评价值：F=0.41612F1+0.28F2+0.1678F3，通过计算前3个主成分与客观权重值的乘积，得到不同水肥耦合处理下西瓜品质的综合评价结果（表7），其中F1W1处理的综合评价值最高。

表7 不同水肥耦合处理西瓜品质评价结果

2.4 不同施肥量与灌水量对西瓜产量及水分利用效率的影响

在西瓜成熟期对不同水肥耦合处理进行产量测定和水分利用效率的计算，结果见表8。不同水肥耦合处理西瓜的单株产量及小区产量差异不大，产量上F3W2最高。不同处理水分利用效率整体水平较高，其中F1W1处理的最高，在同一肥料处理水平下，水分利用效率随着灌水量增多而逐渐减小。由显著性检验的结果可知，水分处理和水肥耦合作用对水分利用效率均值呈显著影响，其中水分作用要明显大于水肥耦合作用。

表8 不同水肥耦合处理西瓜的产量及水分利用效率

2.5 基于熵权法评价不同水肥耦合的综合效果

综合上述6个指标，通过熵权法计算各指标的熵值、权重及综合得分，具体结果见表9。综合排名依次为：F1W1＞F2W2＞F3W2＞F2W1＞F1W2＞F3W1＞F1W3＞F2W3＞F3W3。

表9 不同水肥耦合处理西瓜各指标权重、综合得分及排名情况

3 讨论

3.1 水肥耦合对设施西瓜植株茎粗的影响

水分补充和肥料供给是保障作物良好生长发育的重要物质基础，其中水分可以促进肥料提高效能，肥料也可促进水土系统生态效能发挥作用。水肥的合理施用能够直接影响植株的水肥利用效率，进而影响农产品的品质、产量和经济效益［12-15］。当灌水、施肥总量一定时，肥料供给的养分、水分之间以及两者的耦合作用与作物之间存在着顺序加和、协同以及表观拮抗等作用，存在着最佳组合点［22］。本研究中，以小果型西瓜苏梦6号为研究对象，通过设置不同灌水与施肥量进行水肥耦合一体化处理，试验结果表明不同水肥耦合处理会影响膨瓜期植株的茎粗，其中以F2W2水肥耦合处理的表现最好，显著性检验结果表明肥料作用大于水肥耦合作用。另外对同一时期叶绿素含量测定表明，叶绿素含量无显著差异。该试验结果与景炜明等［23］研究结果相似，滴灌下不同水肥处理会影响西瓜植株的茎粗。

3.2 水肥耦合对设施西瓜品质的影响

农产品的品质评价和对比通常比较复杂且充满争议，即便在相同种植环境下，通过增减或改变土壤中微生物数量、状态及电磁场环境，都会影响作物最终的维生素及矿物质的含量［24］。本研究中，在不同水肥耦合一体化条件下，小果型西瓜的不同品质指标变化不尽相同，其中成熟期西瓜果实中的葡萄糖含量以F2W2处理的最高；在同一肥料处理水平下，随着灌水量的增多，果糖含量显著下降；果实的蔗糖、可溶性蛋白及番茄红素含量在不同水肥耦合处理间呈显著差异，但无明显规律。施肥量、水肥耦合作用对西瓜果实葡萄糖和可溶性蛋白含量的影响达到了显著水平，其中肥料作用大于水肥耦合作用。水分、水肥耦合作用对果糖含量影响明显，其中水分作用大于水肥耦合作用。水肥耦合作用对果实蔗糖及番茄红素含量影响显著。此外，本试验结果与夏秀波等［25］人的研究结果有所异同，可能原因是不同物种对水肥耦合作用的响应存在一定的差异。

此外，由于通过单一指标对农作物的品质评价具有主观和片面性，为此本试验通过分析西瓜成熟期的6项品质指标，利用主成分分析法确定3个主成分，并得到了不同水肥耦合处理的得分及排名情况，结果为F1W1处理的效果最好。

3.3 水肥耦合对设施西瓜产量及水分利用效率的影响

农业生产系统是一个复杂的生态体系，其中水分的有效性可通过影响土壤物理化学作用或植物体自身的生理生化进程等实现，从而使得土壤的水分和养分具有紧密的联系。农业生产系统对作物的影响往往存在明显的协同作用，但往往因作物种类、地区差异及水肥条件等又有所区别［26-27］。本研究中，不同水肥耦合处理的水分利用率表现出很明显的变化趋势，同一施肥条件下随着用水量的增多，水分利用效率表现出了稀释效应，其中以F1W1处理的利用效率最高，灌水量W1水平下的水分利用效率整体较高，且差异性分析表明水分作用要大于水肥耦合作用，该变化规律与王鹏勃等［28］的研究结果相同。此外，与其他学者的研究结果不同的点在于本试验中9种水肥耦合处理下西瓜产量普遍较高，虽然有所差异，但未达到显著水平，具体原因有待进一步研究。

3.4 通过熵权法评价水肥耦合效应

区别于通过传统分析方法对作物产量或者其他经济指标进行分析评判，熵权法是一种非常客观且科学的赋值方法，该方法的权重计算既能涵盖到所有指标的影响，同时又能有效去除评价体系中对最终结果贡献度不高的指标，在很大程度上规避了主观权重赋值法的缺点，提高了评价的科学和客观性［29］。本试验通过主成分分析与熵权法进行水肥耦合效应的综合评价，最终获得了水肥耦合处理的优势组合F1W1。然而，本试验仅在设施栽培的砂质土壤中进行，对于其他类型土壤的水肥耦合效应的研究还需进一步开展试验进行验证，以期达到高产优质的最终目的。

4 结论

在本试验条件下，灌溉间隔为7 d，同时灌溉水平为60%ETc，灌水量为537.78 m3/hm2，N、P2O5、K2O的施用量分别为607.5、387.0、13230.0 g/120株，其中基肥占总施肥量的30%，幼苗期占10%，伸蔓期占20%，坐果期占10%，膨瓜期占30%。在该耦合条件下，西瓜植株生长较好；该水肥耦合处理能够显著提高西瓜的果实品质和水分利用效率，在实际生产中具有较高的应用价值。