趙志華，李建明，潘銅華，張大龍，賈笑蕊，徐 菲，李 俊

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710000)

隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,設(shè)施蔬菜種植面積逐年增大[1-2]。然而，我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中普遍存在施氮過多的問題，每茬次施氮量一般成倍多于植株需求量[3-4]，過量的氮肥引起了一系列的環(huán)境問題[5-6]。同時(shí)，盲目地灌溉造成氮素的淋洗損失，是導(dǎo)致氮肥利用率降低的原因之一[7]。水肥耦合技術(shù)便是實(shí)現(xiàn)水肥調(diào)控高效化、降低環(huán)境污染的一項(xiàng)綜合技術(shù)。對(duì)水肥耦合技術(shù)進(jìn)行深入研究，可以獲得提高肥料利用率和水分利用率的科學(xué)依據(jù)，從而為實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉和施肥的高效化管理提供理論指導(dǎo)[8-9]。以往的水肥耦合研究中，試驗(yàn)對(duì)象多為小麥、玉米等糧食作物[10]，少部分是黃瓜、辣椒、番茄等蔬菜作物[8]，對(duì)甜瓜的水肥耦合研究較少，單純的以灌水下限與施氮量為耦合因子對(duì)甜瓜產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究尚未見報(bào)道。本研究采用滴灌和溝施的水肥調(diào)控方式，分析灌水下限、施氮量對(duì)甜瓜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，以期為甜瓜“兩高一優(yōu)”栽培提供優(yōu)化、量化的最佳水肥管理依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2012-03-06在西北農(nóng)林科技大學(xué)北園藝場(chǎng)3號(hào)塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地位于東經(jīng)108°04′，北緯 34°20′，該區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫12.9 ℃，無(wú)霜期220 d，日照時(shí)數(shù)2 196 h。試驗(yàn)用大棚長(zhǎng)45 m，寬7.8 m，高3.5 m，南北走向，覆蓋華盾牌無(wú)滴聚乙烯薄膜。供試土壤理化性質(zhì)為：體積質(zhì)量1.38 g/cm3，最大田間持水量24.3%，有機(jī)質(zhì)13.97 g/kg，堿解氮 85.76 mg/kg，速效磷19.42 mg/kg，速效鉀100.17 mg/kg，pH值7.5。

1.2 試驗(yàn)材料

供試甜瓜品種為厚皮甜瓜“一品天下208”，其超早熟，抗病性強(qiáng)，種子由陜西楊凌千普農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供。試驗(yàn)材料于2012-03-21定植，當(dāng)年06-11收獲。

供試肥料為昆侖牌尿素(含N 46.4%)、昆陽(yáng)牌過磷酸鈣(含P2O516%)和羅布泊牌農(nóng)業(yè)用硫酸鉀(含K2O 51%)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)以土壤灌水下限和施氮量為變量因子，采用二因素(1/2 實(shí)施)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)[11]，9個(gè)處理，5次重復(fù)，各處理隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)采用高壟栽培，壟高15 cm，壟寬80 cm，壟長(zhǎng)600 cm,小區(qū)之間埋深60 cm的塑料薄膜，以防小區(qū)間水肥相互滲透。小區(qū)面積為4.8 m2，甜瓜株距40 cm，單行定值，每小區(qū)16株。定植前施入等量的基肥(N 20 kg/hm2，P2O545 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2)；追肥P2O5135 kg/hm2和K2O 225 kg/hm2為常量，而氮肥為變量。追肥以溝施的方式分別在甜瓜伸蔓期和坐果期分2次均等施用。水肥變量水平編碼見表1，各處理的水肥編碼見表2。

表 1 甜瓜水肥試驗(yàn)因素水平編碼

1.3.2 水分因素 甜瓜緩苗7 d后開始灌水處理，當(dāng)不同處理土壤水分降至其對(duì)應(yīng)灌水下限時(shí)，通過公式(1)計(jì)算其灌溉飽和時(shí)所需灌水量，以此定量灌溉，周而復(fù)始，直到甜瓜成熟。灌水采用滴灌方式，并記錄灌水日期、灌水量和灌水次數(shù)。計(jì)劃濕潤(rùn)層深度：苗期10 cm，伸蔓期25 cm，膨瓜期35 cm。土壤含水量用自動(dòng)土壤水分監(jiān)測(cè)儀器EASYAG測(cè)定。

V=rs×S×h×Q×(1-q)×η。

(1)

式中：V為灌水量，L；rs為土壤體積質(zhì)量，g/cm3；S為小區(qū)面積，m2；h為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，cm；Q為田間持水量(質(zhì)量含水量)；q為土壤水分下限，以田間持水量的百分比表示；η為灌溉效率，取100%。

1.4 甜瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的測(cè)定

每株甜瓜于第12～16節(jié)位留2個(gè)瓜，待甜瓜長(zhǎng)至雞蛋大小時(shí)，疏除1個(gè)。果實(shí)成熟后，分別統(tǒng)計(jì)各小區(qū)的產(chǎn)量。果實(shí)全部用于品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定，先測(cè)定果肉厚度，然后取果肉研磨、離心，得到果肉上清液，用手持糖量計(jì)測(cè)定果實(shí)可溶性固形物含量；用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量，用考馬斯-G250染色法測(cè)定可溶性蛋白含量，用鉬藍(lán)比色法測(cè)定維生素C含量。

表 2 甜瓜水肥試驗(yàn)中各處理的水肥處理方案

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007和SAS 8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析并做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜瓜水氮耦合模型的建立與檢驗(yàn)

本試驗(yàn)甜瓜產(chǎn)量和可溶性固形物含量測(cè)定結(jié)果見表3。由表3可知，各處理的果實(shí)產(chǎn)量和可溶性固形物含量差異性均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。試驗(yàn)表明，氮肥充足、水分虧缺，氮肥虧缺、水分充足，以及二者同時(shí)過量或虧缺時(shí)，甜瓜產(chǎn)量和可溶性固形物含量都呈顯著降低趨勢(shì)。因此，合理的水氮管理是甜瓜高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的保障。

以灌水下限、施氮量為自變量，甜瓜產(chǎn)量和可溶性固形物含量為目標(biāo)函數(shù)，利用SAS 8.0軟件進(jìn)行回歸，分別配置水氮耦合效應(yīng)函數(shù)。

甜瓜產(chǎn)量模型見公式(2)：

(2)

式中：y為產(chǎn)量，kg/hm2；x1為灌水下限編碼值；x2為追施氮肥量編碼值。

對(duì)回歸模型(2)進(jìn)行F檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算得F1=3.123F0.05(6，5)=4.95，擬合較好，且R2為0.979 5。說明水氮耦合處理與產(chǎn)量間的回歸關(guān)系達(dá)到極顯著水平，用此水氮耦合回歸模型進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測(cè)，具有較高的可靠性。對(duì)模型各項(xiàng)回歸系數(shù)檢驗(yàn)得知，灌水下限與施氮量2個(gè)因素均對(duì)甜瓜產(chǎn)量有一定的影響，其中灌水下限與施氮量的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及交叉項(xiàng)對(duì)甜瓜產(chǎn)量的影響均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

甜瓜果實(shí)可溶性固形物含量模型見公式(3)：

(3)

式中：y為可溶性固形物含量，%。

對(duì)回歸模型(3)進(jìn)行F檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算得F1=1.946F0.05(6，5)=4.95，擬合較好，且R2為0.975 2。說明水氮耦合處理與可溶性固形物含量間的回歸關(guān)系達(dá)到極顯著水平，用此水氮耦合回歸模型進(jìn)行可溶性固形物含量預(yù)測(cè)，具有較高的可靠性。對(duì)模型各項(xiàng)回歸系數(shù)檢驗(yàn)得知，灌水下限與施氮量的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及交叉項(xiàng)對(duì)甜瓜果實(shí)可溶性固形物含量的影響均達(dá)到顯著水平 (P<0.05)。

表 3 不同水氮耦合處理的甜瓜產(chǎn)量及可溶性固形物含量

2.2 甜瓜水氮耦合模型的分析

2.2.1 主效應(yīng) 由式(2)、(3)中灌水下限(x1)和施氮量(x2)的回歸系數(shù)絕對(duì)值的大小可知，灌水下限對(duì)甜瓜產(chǎn)量的影響大于施氮量，而對(duì)甜瓜可溶性固形物含量的影響小于施氮量，并且水分為正效應(yīng)，氮為負(fù)效應(yīng)。

2.2.2 單因子效應(yīng) 將回歸模型中的2個(gè)因素之一固定在0水平，即可獲得單因素對(duì)產(chǎn)量和可溶性固形物含量的偏回歸子模型，分別為式(4)、(5)，其曲線見圖1和圖2。

產(chǎn)量：

(4)

由式(4)可知，y1、y2都有最大值，此時(shí)x1為0.994，x2為-0.064。

可溶性固形物含量：

(5)

由式(5)可知，y1、y2都有最大值，此時(shí)x1為0.222，x2為-0.179。

由圖1可知，甜瓜產(chǎn)量與灌水下限的關(guān)系是開口向下的拋物線，當(dāng)灌水下限編碼值在-1.414～-0.5時(shí)，即灌水下限為46%～55%時(shí)，其變化對(duì)甜瓜產(chǎn)量影響極為顯著；水分編碼值在-0.5～0.5時(shí)，即灌水下限為55%～65%時(shí)，其變化對(duì)產(chǎn)量的影響較顯著；水分編碼值在0.5～1.414時(shí)，即灌水下限為65%～74%時(shí)，其變化對(duì)產(chǎn)量的影響較小；水分編碼值為0.994時(shí)，即灌水下限為69.9%，甜瓜產(chǎn)量有最大值37 026 kg/hm2。說明灌水下限過高、過低都會(huì)導(dǎo)致甜瓜產(chǎn)量的下降。甜瓜產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系也是開口向下的拋物線，氮素編碼值在-1.414～-0.5和0.5～1.414時(shí)，即追施氮肥(N)量為0～72.8和152.4～225 kg/hm2時(shí)，其變化對(duì)甜瓜產(chǎn)量影響極為顯著；施氮量編碼值在-0.5～0.5時(shí)，即追施氮肥(N)量為72.8～152.4 kg/hm2時(shí)，其變化對(duì)產(chǎn)量影響較??；施氮量編碼值為-0.064時(shí)，即追施氮肥(N)量為107.4 kg/hm2時(shí)，甜瓜產(chǎn)量有最大值35 826 kg/hm2。說明氮肥用量過高或過低都會(huì)導(dǎo)致甜瓜產(chǎn)量降低。

由圖2可知，甜瓜可溶性固形物含量與灌水下限的關(guān)系是開口向下的拋物線，水分編碼值在-1.414～-0.5和1～1.414時(shí)，即灌水下限為46%～55%和70%～74%時(shí)，其變化對(duì)可溶性固形物含量影響極為顯著；水分編碼值在-0.5～1時(shí)，即灌水下限為55%～70%時(shí)，其變化對(duì)可溶性固形物含量影響較??；水分編碼值為0.222時(shí)，即灌水下限為62.2%，甜瓜可溶性固形物含量有最大值15.13%。灌水下限過高過低都會(huì)導(dǎo)致可溶性固形物含量下降。甜瓜可溶性固形物含量與施氮量的關(guān)系也是開口向下的拋物線，施氮量編碼值在-1.414～-0.5和0.1～1.414時(shí)，即追施氮肥(N)量為0～72.8和120.5～225 kg/hm2時(shí)，其變化對(duì)可溶性固形物含量影響極顯著；施氮量編碼值在-0.5～0.1時(shí)，即追施氮肥(N)量為72.8～120.5 kg/hm2時(shí)，其變化對(duì)可溶性固形物含量影響較小；施氮量編碼值為-0.179時(shí)，即追施氮肥(N)量為98.2 kg/hm2時(shí)，甜瓜可溶性固形物含量有最大值15.15%。施氮量過高或過低都會(huì)導(dǎo)致果實(shí)可溶性固形物含量降低。

圖 1 水肥單因素對(duì)甜瓜產(chǎn)量的影響

2.2.3 灌水下限、施氮量的交互作用 由式(2)和(3)可以看出，灌水下限和施氮量交互項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，說明二者對(duì)甜瓜產(chǎn)量和可溶性固形物含量的影響存在一定的負(fù)交互作用，其交互項(xiàng)系數(shù)經(jīng)檢驗(yàn)均達(dá)到顯著水平。因此，充分利用二因子間的交互耦合效應(yīng)，才能保證甜瓜的高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)。

2.2.4 甜瓜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的水氮優(yōu)化組合預(yù)測(cè) 對(duì)式(2)進(jìn)行處理得到甜瓜高產(chǎn)的水氮耦合方案，即x1=0.8～1.2，x2=-0.16～0.16。即在原土壤肥力水平下，甜瓜在基肥量相等的情況下達(dá)到高產(chǎn)時(shí)，采用滴灌，灌水下限為60%～65%，需要追施氮肥(N) 100～125 kg/hm2、磷肥(P2O5)135 kg/hm2和鉀肥(K2O)225 kg/hm2。以此優(yōu)化的水氮耦合調(diào)控方案種植甜瓜，產(chǎn)量約為37 200 kg/hm2。同理，在原土壤肥力水平下，甜瓜在基肥量相等的情況下達(dá)到優(yōu)質(zhì)時(shí)，采用滴灌，灌水下限為60%～65%，需要追施氮肥(N)90～120 kg/hm2、磷肥(P2O5)135 kg/hm2和鉀肥(K2O)225 kg/hm2，以此優(yōu)化的水氮耦合調(diào)控方案種植甜瓜，可溶性固形物含量約為15.2%。綜合分析產(chǎn)量模型和可溶性固形物含量模型，可得到甜瓜高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的水肥組合，即灌水下限為60%～65%，追施氮肥(N)100～120 kg/hm2；在此優(yōu)化的水氮調(diào)控方案下，甜瓜產(chǎn)量和可溶性固形物含量分別可達(dá)37 200 kg/hm2和15.2%。

2.3 水氮耦合對(duì)甜瓜品質(zhì)的影響

本試驗(yàn)中土壤含水量與灌溉下限成正比。由表4可知，土壤灌溉下限在高水平和低水平時(shí)，適當(dāng)提高施氮量都會(huì)顯著提高甜瓜果肉厚度，但是氮素過高反而導(dǎo)致果肉厚度減??；當(dāng)施氮量相同時(shí)，水分虧缺會(huì)導(dǎo)致甜瓜果肉厚度顯著減小。灌溉下限對(duì)甜瓜果實(shí)可溶性糖和維生素C含量的影響存在極值，可溶性糖和維生素C含量隨著灌溉下限的提高而先增加后降低。灌溉下限適宜時(shí)，適當(dāng)提高氮肥用量可以提高果實(shí)可溶性糖和維生素C含量，然而，氮肥施用量過高會(huì)導(dǎo)致果實(shí)可溶性糖和維生素C含量下降。在一定灌溉下限范圍內(nèi)，甜瓜果實(shí)可溶性蛋白含量隨著灌溉下限的增加而降低，增施氮肥可提高果肉可溶性蛋白含量。因此，只有進(jìn)行科學(xué)合理的水氮耦合調(diào)控，綜合調(diào)節(jié)水氮用量，才能獲得甜瓜生產(chǎn)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效。

表 4 不同水氮耦合處理對(duì)甜瓜品質(zhì)的影響

3 討 論

設(shè)施種植投入較大，所以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效一直都是種植者的追求[12]，合理的水肥調(diào)控是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的必要條件。許多研究表明，灌水量過高、過低與施氮量過高、過低，都會(huì)導(dǎo)致甜瓜產(chǎn)量的降低[8,13-16]，這與本試驗(yàn)結(jié)果相似，當(dāng)灌水下限小于55%、追施N量低于72.8 kg/hm2或高于152.4 kg/hm2，都會(huì)導(dǎo)致甜瓜產(chǎn)量顯著降低。其原因可能是，水分虧缺或缺氮情況下，植株養(yǎng)分吸收受阻，進(jìn)而營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)受阻、植株弱小、光合干物質(zhì)積累量少，從而直接影響其生殖生長(zhǎng)[9-10]；然而，水分過多導(dǎo)致澇害，植株根系受損，氮肥過多植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)過旺，導(dǎo)致徒長(zhǎng)，抑制生殖生長(zhǎng)，同時(shí)葉面積指數(shù)過大，導(dǎo)致凈光合產(chǎn)值較低[9-10]。因此，把握水、氮之間的協(xié)調(diào)機(jī)制，充分利用二者協(xié)同效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)甜瓜生產(chǎn)高產(chǎn)、高效的重要保障。

可溶性固形物含量直接反映甜瓜果實(shí)總營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，是評(píng)價(jià)果實(shí)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和品質(zhì)的重要指標(biāo)，其多少?zèng)Q定了果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)的優(yōu)劣[17]。許多研究表明，適量增加灌水量與施肥量有利于提高番茄的品質(zhì)，而灌水和施肥量過高或過低都會(huì)導(dǎo)致果實(shí)可溶性固形物含量快速降低[13,17-20]，這與本試驗(yàn)結(jié)果相似，當(dāng)灌水下限小于55%或大于70%、追施N量低于72.8 kg/hm2或高于120.5 kg/hm2，都會(huì)導(dǎo)致甜瓜可溶性固形物含量顯著降低。其原因可能是，首先從水分因素方面而言，適當(dāng)水分脅迫可提高細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶與可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶的活性，增加了轉(zhuǎn)化酶含量，提高了己糖和蔗糖等可溶性糖含量，而過多的水分對(duì)果實(shí)可溶性固形物含量具有稀釋作用，從而導(dǎo)致可溶性固形物含量隨灌水量的增加而減少[21]；其次從氮肥方面考慮，供氮的多少直接影響植物體內(nèi)相關(guān)物質(zhì)的合成、轉(zhuǎn)化、代謝及其調(diào)控[22]，由于蔗糖等可溶性糖是可溶性固形物的重要組成部分[23-24]，而氮素過高對(duì)糖代謝相關(guān)酶如蔗糖合成酶的活性具有抑制作用，同時(shí)會(huì)促使蔗糖分解的酸性蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性大大提高，從而降低果實(shí)中可溶性固形物的含量[25-26]。

本試驗(yàn)結(jié)果與姚靜等[8]的研究相似，以水、氮編碼為參考，灌水下限對(duì)甜瓜產(chǎn)量的影響大于施氮量，而對(duì)甜瓜可溶性固形物含量的影響小于施氮量，并且水分為正效應(yīng)，氮為負(fù)效應(yīng)。水氮耦合對(duì)甜瓜產(chǎn)量和可溶性固形物含量的影響均存在顯著的負(fù)交互耦合效應(yīng)，這種負(fù)交互作用導(dǎo)致產(chǎn)量和可溶性固形物含量均降低。所以，只有合理的水肥調(diào)控，充分利用其交互耦合效應(yīng)，才能保證甜瓜生產(chǎn)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究了塑料大棚滴灌條件下水氮耦合效應(yīng)對(duì)厚皮甜瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，分別得到了甜瓜產(chǎn)量和可溶固形物含量的水氮耦合模型，經(jīng)檢驗(yàn)2個(gè)模型均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，可用于預(yù)測(cè)與指導(dǎo)大棚甜瓜的實(shí)際生產(chǎn)。

在本試驗(yàn)條件下，獲得甜瓜高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的水氮耦合方案為：在原土壤肥力下，采用滴灌，灌水下限為60%～65%，施基肥N 20 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，追施N肥100～120 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2。此方案下的甜瓜產(chǎn)量和可溶性固形物含量分別可達(dá)37 200 kg/hm2和15.2%?？芍扇『侠淼乃詈洗胧┦翘鸸汐@得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的重要保障。

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