陳修斌，李翊華，許耀照，范惠玲，張文斌

(1．河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，甘肅 張掖　734000； 2.張掖市經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站，甘肅 張掖　734000)

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河西走廊灌漠土溫室黃瓜水肥優(yōu)化利用模型研究

陳修斌1，李翊華1，許耀照1，范惠玲1，張文斌2

(1．河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，甘肅 張掖734000； 2.張掖市經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站，甘肅 張掖734000)

摘要：為獲得在河西走廊灌漠土日光溫室滴灌栽培條件下的黃瓜水肥優(yōu)化利用模型，以‘津優(yōu)30號(hào)’黃瓜為試驗(yàn)材料，采用四因素二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，建立了黃瓜產(chǎn)量的水肥耦合模型：Y= 204.44+7.75X1+6.84X2+4.84X3+5.33X4-3.77X12-3.43X22-10.01X32-4.76X42+2.55X1X2-3.43X1X3+2.68X1X4+1.87X2X3+2.37X2X4-10.79X3X4.結(jié)果表明：在灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀優(yōu)化的水肥用量分別為6 675.0 m3/hm2、525.0 kg/hm2、630.0 kg/hm2和480.0 kg/hm2時(shí)，黃瓜產(chǎn)量最高，可達(dá)212.58 t/hm2，同時(shí)施肥成本、施肥利潤(rùn)、肥料投資效率也最高，分別為0.80萬(wàn)元/hm2、3.63萬(wàn)元/hm2和4.54.

關(guān)鍵詞：河西走廊；灌漠土；黃瓜；水肥優(yōu)化模型

第一作者：陳修斌(1968-)，男，教授，碩士，主要從事園藝植物栽培與生理方面的研究.E-mail:chenxiubin2003@163.com

水是肥效發(fā)揮的關(guān)鍵，肥是打開(kāi)水土系統(tǒng)生產(chǎn)效能的鑰匙[1]，水分和養(yǎng)分對(duì)作物生長(zhǎng)的作用并不是孤立的，而是相互作用相互影響[2]，水分作為作物生長(zhǎng)過(guò)程中必不可少的因子,既可加速肥料的溶解以及有機(jī)肥料的礦化，又能促進(jìn)養(yǎng)分的釋放.近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)水肥優(yōu)化利用模型進(jìn)行了研究，劉玉濤等[3]研究發(fā)現(xiàn)，磷和水配合存在閾值反應(yīng)，提出了半干旱區(qū)玉米不同決策目標(biāo)下的水肥優(yōu)化方案.賈亮等[4]研究了不同水肥優(yōu)化模式對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響，提出優(yōu)化模式不僅節(jié)約大量水資源，而且顯著提高了小麥產(chǎn)量.張東昱等[5]對(duì)河西走廊花椰菜水肥量化管理指標(biāo)進(jìn)行了研究，得到了花椰菜高產(chǎn)時(shí)的水分和肥料的最適用量.Phene C J等[6]和Basel G A等[7]對(duì)加工型番茄水肥優(yōu)化利用進(jìn)行了研究，得到了番茄高產(chǎn)時(shí)的水肥管理指標(biāo).但這些研究大多集中于大田作物方面，而對(duì)在河西走廊灌漠土溫室條件下，黃瓜水肥優(yōu)化利用的研究缺少系統(tǒng)報(bào)道.

黃瓜(CucumissativusL.)是河西地區(qū)日光溫室栽培的主要蔬菜作物之一，在其生產(chǎn)過(guò)程中，大多依靠大水大肥的管理措施提高產(chǎn)量，這不僅造成水資源和肥料的浪費(fèi)，而且土壤硝酸鹽淋失，微量元素缺乏及環(huán)境污染，進(jìn)而導(dǎo)致黃瓜產(chǎn)量品質(zhì)下降、發(fā)病率高.本試驗(yàn)以‘津優(yōu)30號(hào)’黃瓜為試驗(yàn)材料，在日光溫室滴灌條件下，研究灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀4因素與黃瓜產(chǎn)量的關(guān)系，旨在尋求黃瓜高產(chǎn)的最適宜水肥優(yōu)化利用的量化指標(biāo)，以期為河西走廊溫室黃瓜的節(jié)水、節(jié)肥和高產(chǎn)栽培提供科學(xué)依據(jù).

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1試驗(yàn)地概況模型構(gòu)建試驗(yàn)于2012年8月在甘肅省張掖市綠洲示范園區(qū)蔬菜日光溫室進(jìn)行，溫室長(zhǎng)度55 m，跨度8 m，脊高3.8 m，后坡水平投影長(zhǎng)度1.3 m，墻體為1.5 m厚的土墻，低溫季節(jié)加蓋草簾保溫，高溫季節(jié)通風(fēng)換氣，設(shè)施內(nèi)溫度調(diào)控為白天25～30 ℃，夜間10～15 ℃，空氣相對(duì)濕度保持在75%～85%.供試土壤為灌漠土，耕作層0～20 cm土層含有機(jī)質(zhì) 17.2 g/kg，堿解氮65.4 mg/kg，有效磷(P)8.96 mg/kg，速效鉀(K)158 mg/kg，pH值為 7.5，全鹽 1.1 g/kg，容重1.35 g/cm3，總孔隙度49.1%.模型驗(yàn)證試驗(yàn)于2013年8月在原示范園區(qū)進(jìn)行，供試溫室長(zhǎng)度50 m，跨度9 m，脊高4.5 m，土壤類(lèi)型為灌漠土，質(zhì)地為沙壤土，0～20 cm 耕層有機(jī)質(zhì)含量為15.8 g/kg，堿解氮 58.0 g/kg，有效磷9.2 mg/kg，速效鉀163.5 mg/kg，pH為7.2.

1.1.2試驗(yàn)材料尿素{N 46%，利用率40%，氮肥的利用率(%)=[(氮磷鉀區(qū)植株氮吸收量-磷鉀區(qū)植株氮吸收量)/肥料氮用量]×100(下同)}，過(guò)磷酸鈣(P2O514%，利用率18%)，硫酸鉀(K2O 50%，利用率35%).黃瓜品種為‘津優(yōu)30號(hào)’，由天津科潤(rùn)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所選育.

1.1.3供試土壤理化性質(zhì)測(cè)定試驗(yàn)前土壤理化狀況由常規(guī)法測(cè)定[8]:土壤容重采用環(huán)刀(容積100 cm3)法測(cè)定，計(jì)算單位容積內(nèi)土體質(zhì)量.

總孔隙度=(1-土壤容重/土壤密度)×100%

土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷分別采用重鉻酸鉀稀釋熱法、堿解擴(kuò)散法、火焰光度計(jì)法、0.5 mol/L Na2CO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；pH值采用水土比2.5∶1，pH電極法測(cè)定.

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型構(gòu)建試驗(yàn)采用四因子二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)[9]，以灌水量 (m3/hm2)、尿素 (kg/hm2)、過(guò)磷酸鈣 (kg/hm2)、硫酸鉀 (kg/hm2)4 因素為自變量，產(chǎn)量為因變量，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型.自變量xj與規(guī)范變量間的關(guān)系為xj=x0j+△jZj，其中x0j為4個(gè)因變量的零水平，△j為4因素不同水平的變動(dòng)區(qū)間，j=1,2,3,4.Zj為4因素5水平編碼值,如：當(dāng)Zj=1.682，△j=525時(shí)，X1=7 200+525×1.682=8 083.1(下同).4因素水平編碼值和處理水平見(jiàn)表1；依據(jù)這種試驗(yàn)方法，將試驗(yàn)設(shè)計(jì)為20個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次(表2)；模型驗(yàn)證試驗(yàn)以模型尋優(yōu)得到的最佳水肥組合A、最差水肥組合CK和生產(chǎn)上一般水肥量B為處理，各處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3.

1.2.2田間種植方法模型構(gòu)建試驗(yàn)于2012年8月20日播種育苗，9月25日定植，11月8日始收，翌年5月12日拉秧，采用高畦栽培，每處理畦底寬80 cm，上口寬60 cm，水溝寬40 cm， 畦長(zhǎng)6 m，小區(qū)面積7.2 m2(1.2 m×6 m)，小區(qū)之間深埋60 cm塑料薄膜隔開(kāi)；定植株行距40 cm×50 cm， 保苗數(shù)5.0萬(wàn)株/hm2；黃瓜植株的管理與常規(guī)管理相同.模型驗(yàn)證試驗(yàn)于2013年8月在原示范區(qū)進(jìn)行，育苗和定植時(shí)間、作畦規(guī)格、定植密度及管理同上.

表2　試驗(yàn)處理

表3　各處理灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、

1.2.3水肥用量的控制根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格試驗(yàn)過(guò)程中的水肥管理.灌水定額的控制，在壟上安裝一條薄壁滴灌帶，滴頭間距40 cm，滴灌流量為4.65 L/(m·h)，從黃瓜定植后至根瓜座瓜前，各處理灌溉總額的1/5灌水量每5～7 d 滴灌1次，分二次灌溉；根瓜采收后，各處理灌溉總額4/5灌水量每8～10 d 滴灌1次，每次灌水量為各處理灌溉總額的平均值，用閘閥控制每處理的灌水量；肥料用量的控制為：各處理針對(duì)各小區(qū)實(shí)際用量，過(guò)磷酸鈣作底肥，作畦時(shí)一次性投入，尿素和硫酸鉀從黃瓜根瓜采收(2012年11月8日)開(kāi)始，每14～15 d施肥一次，分13次施入，各次按不同處理尿素和硫酸鉀的用量分13等份等量施入，每次將肥料溶解在施肥器內(nèi)結(jié)合澆水滴灌施肥.

1.2.4數(shù)據(jù)處理每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)量分別單獨(dú)收獲，將小區(qū)產(chǎn)量折合成公頃產(chǎn)量.采用DPS V 13.0軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2結(jié)果與分析

2.1產(chǎn)量目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立與檢驗(yàn)

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果，以產(chǎn)量為目標(biāo)函數(shù)(Y)，以灌水量(X1)、尿素(X2)、過(guò)磷酸鈣(X3)、硫酸鉀(X4)4因素為控制變量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，得到黃瓜產(chǎn)量對(duì)4因素的回歸數(shù)學(xué)模型：Y= 204.44+7.75X1+6.84X2+4.84X3+5.33X4-3.77X12-3.43X22-10.01X32-4.76X42+2.55X1X2-3.43X1X3+2.68X1X4+ 1.87X2X3+2.37X2X4-10.79X3X4.經(jīng)顯著性檢驗(yàn)：F1=5.853F0.01=4.850，表明方程回歸關(guān)系達(dá)到極顯著水平.F檢驗(yàn)說(shuō)明產(chǎn)量與各因素?cái)M合很好，方程有效，可以進(jìn)行效應(yīng)分析及預(yù)測(cè).剔除α=0.10不顯著項(xiàng)后，簡(jiǎn)化后的回歸方程為:Y=204.44+7.75X1+6.84X2+4.84X3+5.33X4-3.77X12-3.43X22-10.01X32-4.76X42-3.43X1X3-10.79X3X4.

表4　各處理產(chǎn)量結(jié)果

表中同一處理的產(chǎn)量為3次重復(fù)的平均值；小寫(xiě)字母表示5%的差異水平，大寫(xiě)字母表示1%的差異水平.

2.2各因素及其交互作用與產(chǎn)量之間的關(guān)系

2.2.1主效應(yīng)分析回歸模型本身已經(jīng)過(guò)無(wú)量綱形編碼代換，其偏回歸系數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，故可以直接從其絕對(duì)值的大小來(lái)判斷各因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的相對(duì)重要性.因此，4因素對(duì)產(chǎn)量的影響程度大小為X1>X2>X4>X3，即灌水量>尿素>硫酸鉀>過(guò)磷酸鈣.

2.2.2單因子效應(yīng)分析將回歸模型中的灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀4因子中的兩個(gè)固定在零水平，求得單因素對(duì)產(chǎn)量的偏回歸子模型，分別獲得各因素在不同水平下的產(chǎn)量預(yù)測(cè)值.灌水量：Y=204.44+7.75X1-3.77X12，施尿素量：Y= 204.44+6.84X2-3.43X22，施過(guò)磷酸鈣量：Y=204.44+4.84X3-10.01X32，施硫酸鉀量：Y= 204.44+5.33X4-4.76X42.分別對(duì)其求導(dǎo)，令dYi/dXi=0，求得Yi達(dá)極大值時(shí)各要素單獨(dú)施用的最適量，可得X1=1.028，X2=0.997，X3=0.242，X4=0.560.當(dāng)X1、X2、X3、X4編碼值分別為1.028、0.997、0.242、0.560水平時(shí)，黃瓜產(chǎn)量達(dá)最高；在其施用水平分別高于或低于極值點(diǎn)1.028、0.996、0.242、0.560時(shí)， 黃瓜產(chǎn)量都會(huì)降低.

2.2.34因子的交互效應(yīng)分析對(duì)產(chǎn)量模型解析，分別得到灌水量與尿素、灌水量與過(guò)磷酸鈣、灌水量與硫酸鉀、尿素與過(guò)磷酸鈣、尿素與硫酸鉀、過(guò)磷酸鈣與硫酸鉀的交互效應(yīng)分界點(diǎn).在其施用水平分別低于1.028和0.997、0.997和0.242、1.028和0.560、0.997和0.242、0.997和0.560、0.242和0.560 時(shí)，對(duì)產(chǎn)量存在正相關(guān)關(guān)系，高于此水平時(shí)又會(huì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[10-11].

2.2.4灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀水肥優(yōu)化組合及相應(yīng)產(chǎn)量通過(guò)對(duì)產(chǎn)量模型的解析，分析了灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀各因子對(duì)產(chǎn)量的影響程度，得出最佳組合：灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀水平分別為-1、0、-1、1時(shí)，其相對(duì)應(yīng)灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀用量為6 675.0 m3/hm2、525.0 kg/hm2、630.0 kg/hm2和480.0 kg/hm2，以此量化指標(biāo)栽培黃瓜，產(chǎn)量可達(dá)到最高，為212.58 t/hm2.

2.3模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

不同灌水施肥量對(duì)黃瓜產(chǎn)量影響很大，由表5可以看出，處理間A>B>CK.說(shuō)明由模型選優(yōu)所得灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀配比的產(chǎn)量最高，施肥成本、施肥利潤(rùn)、肥料投資效率分別為0.80萬(wàn)元/hm2、3.63萬(wàn)元/hm2和4.54，栽培效果明顯優(yōu)于其他配比.生產(chǎn)上普遍采用的施肥量，產(chǎn)量居中[12-13]，而由模型選出的較差組合產(chǎn)量最低，說(shuō)明灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀配比失衡，影響了黃瓜生長(zhǎng)發(fā)育.由此證明，構(gòu)建的模型準(zhǔn)確可靠.

表5　不同處理對(duì)黃瓜產(chǎn)量的影響

黃瓜、水肥料價(jià)格：黃瓜1 800元·t-1， 水0.8元·m-3，尿素1 350元·t-1， 過(guò)磷酸鈣1 900元·t-1，硫酸鉀1 750元·t-1.

3討論與結(jié)論

張麗瑩等[14]研究顯示，中等灌水量處理的黃瓜植株產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)較好，過(guò)高或過(guò)低的灌水量皆會(huì)導(dǎo)致其下降，而隨著施肥量的提高黃瓜植株的產(chǎn)量呈增加趨勢(shì).徐福利等[15]研究表明，氮肥、磷肥及有機(jī)肥對(duì)黃瓜生長(zhǎng)及產(chǎn)量有顯著影響，在一定范圍內(nèi)施肥能提高黃瓜產(chǎn)量，但施用過(guò)量會(huì)起到反作用.謝美玲等[16]研究了膜下滴灌條件下水肥耦合對(duì)紅棗產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，得到了紅棗獲得最高產(chǎn)量時(shí)的全生育期的灌水量和施肥量的最優(yōu)化用量模型.本試驗(yàn)研究了灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀4因素對(duì)河西走廊灌漠土日光溫室滴灌栽培黃瓜產(chǎn)量的影響，得到了黃瓜產(chǎn)量達(dá)到最高值212.58 t/hm2時(shí)，其用量分別為6 675.0 m3/hm2、525.0 kg/hm2、630.0 kg/hm2和480.0 kg/hm2.各因素間存在交互作用，分別得到灌水量與尿素、灌水量與過(guò)磷酸鈣、灌水量與硫酸鉀、尿素與過(guò)磷酸鈣、尿素與硫酸鉀、過(guò)磷酸鈣與硫酸鉀的交互效應(yīng)分界點(diǎn).在其施用水平分別低于1.028和0.997、0.997和0.242、1.028和0.560、0.997和0.242、0.997和0.560、0.242和0.560時(shí)與產(chǎn)量存在正相關(guān)關(guān)系，高于此水平時(shí)又會(huì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.這說(shuō)明在作物生產(chǎn)中水肥耦合存在一定的閾值，低于此閾值時(shí)，增加水肥投入增產(chǎn)效果明顯；而高于此閾值時(shí)，增產(chǎn)作用不大[17-18]，此結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果一致.

水肥耦合效應(yīng)可產(chǎn)生3種不同的結(jié)果，即協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)和拮抗效應(yīng)[19].其對(duì)植物的影響在合理范圍內(nèi)有明顯的協(xié)同作用，但不同作物、不同地區(qū)適宜的水肥范圍和主導(dǎo)因素又有所差別.本試驗(yàn)在對(duì)構(gòu)建的模型驗(yàn)證試驗(yàn)中，由模型選出的較差組合產(chǎn)量最低，模型選出的最好組合產(chǎn)量最高，而生產(chǎn)上一般肥水用量產(chǎn)量居中，說(shuō)明經(jīng)模型選優(yōu)得到的灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀的水肥用量配比最優(yōu)，優(yōu)化的水肥配比表現(xiàn)為水肥耦合的協(xié)同效應(yīng)，可以達(dá)到“以水調(diào)肥”和“以肥促水”的效果，促進(jìn)了植株的生長(zhǎng)發(fā)育，從而提高蔬菜產(chǎn)量，而模型選出的較差組合產(chǎn)量最低這主要是水分與氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)成份配比失衡，水肥耦合呈拮抗效應(yīng)，因此表現(xiàn)為產(chǎn)量最低.

綜合試驗(yàn)結(jié)果表明：黃瓜獲得高產(chǎn)時(shí)的水肥優(yōu)化組合是灌水量、尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀分別為6 675.0 m3/hm2、525.0 kg/hm2、630.0 kg/hm2和480.0 kg/hm2.以此優(yōu)化的水肥用量指導(dǎo)生產(chǎn)，既可以提高溫室黃瓜的產(chǎn)量、產(chǎn)值和肥水利潤(rùn)，又能降低肥水成本，可為本區(qū)溫室黃瓜實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效及節(jié)水、節(jié)肥栽培提供理論指導(dǎo).

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(責(zé)任編輯趙曉倩)

Irrigation-fertilization optimization model on cucumber

in the greenhouse with irrigated desert soil

in the Hexi Corridor

CHEN Xiu-bin1，LI Yi-hua1，XU Yao-zhao1，F(xiàn)AN Hui-ling1，ZHANG Wen-bin2

(1.College of Agriculture and Biotechnology,Hexi University,Zhangye 734000,China;

2.Technical Extension Station for Economical Crops,Zhangye 734000,China)

Abstract：In order to obtain the irrigation-fertilization optimization model on cucumber under drip irrigation in the greenhouse with irrigated desert soil in the Hexi Corridor,the cucumber cultivar 'Jinyou No.30'was using as tested material,and using four factors quadratic regression general rotation design,the water-fertilizer coupling model on cucumber production was established as follow：Y=204.44+7.75X1+6.84X2+4.84X3+5.33X4-3.77X12-3.43X22-10.01X32-4.76X42+ 2.55X1X2-3.43X1X3+2.68X1X4 + 1.87X2X3 + 2.37X2X4 -10.79X3X4.The results showed that when the irrigation amount,urea,superphosphate and potassium optimized water and fertilizer amounts were 6 675.0 m3/hm2,525.0 kg/hm2,630.0 kg/hm2and 480.0 kg/hm2,the cucumber yield reached to 212.58 t/hm2,at the same time,the cost of fertilizer,fertilizer profits,fertilizer investment efficiency were the highest,which were 8 000 yuan/hm2,36 300 yuan/hm2and 4.54,respectively.

Key words：Hexi corridor；cucumber；irrigated desert soil；optimization model of water-fertilization

收稿日期：2014-10-27；修回日期：2015-04-08

基金項(xiàng)目：甘肅省河西走廊特色資源利用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(XZ1205).

中圖分類(lèi)號(hào)：S 642.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2015)06-0047-05