水肥耦合對大棚西瓜產量、品質及養分吸收的影響

金 輝，侯東穎，張 曼，郝科星，侯富恩

（山西省農業科學院農業資源與經濟研究所，山西 太原 030006）

西 瓜［Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum. &Nakai］作為一種重要的經濟作物，其可觀的經濟效益受到農戶和市場的青睞。近年來山西西瓜種植面積逐年擴大，但西瓜單產水平低，連作病害嚴重。農戶在西瓜種植上缺乏對水肥定量化管理經驗，仍以大水澆灌、高肥投入的管理方式為主［1］，導致水肥資源浪費嚴重、肥料利用率下降，造成土壤板結［2］、肥力下降［3］和地下水污染［4-5］，從而帶來嚴重的環境問題。因此科學的水肥管理成為農業生產和環境保護的必然途徑。水分和肥料是作物生長發育和提高生產力水平的重要物質基礎［6-7］。水分是肥效發揮的關鍵，肥料是打開水土系統生產效能的鑰匙［8］，其相互作用所產生的結果稱之為水肥耦合效應［9］。水肥利用效率的高低取決于水肥的合理利用，又直接影響著農產品的產量、品質和生產效益［10-11］。國內外在水肥對西瓜生長發育、水肥利用效率和對土壤環境的影響方面已經做了大量研究。已有研究表明適量氮磷鉀肥利于西瓜營養生長，增加產量和改善品質［1-3，12］，是西瓜優質、高產、增收的關鍵［5，12-14］。有研究發現，寧夏干旱區灌水定額對產量影響極顯著，并通過水肥耦合模型得到不同目標產量下的最佳水肥組合［15］。但這些研究顯然不能完全滿足設施西瓜生產中對水肥量化及配比的實際需求，而關于山西設施西瓜水肥管理的研究鮮有報道，因此在山西晉中地區開展基于西瓜水分和養分需求特點的水肥耦合技術研究，制定適宜的灌溉制度和施肥策略顯得尤為重要。為此本試驗以大棚西瓜為研究對象，通過分析不同水肥組合對西瓜產量、品質、水分利用和養分吸收利用的影響，旨在為晉中地區大棚西瓜的水肥管理提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗基地位于晉中市東陽鎮（東經112°40′、北緯37°33′），太原盆地東北部，海拔800 m，氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷少雪。該地區年平均日照時數2662 h，年平均氣溫9.7℃，無霜期158 d。年降水量418～483 mm，降雨季節分布不均，主要集中在5～10月份。試驗土壤為粘土，有機質含量20.56 g/kg，pH值8.27，全氮1.38 g/kg，有效磷74.5 mg/kg，速效鉀247 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗在同一大棚內進行，試驗設計灌水量與施肥量2個因素，每個因素3個水平3次重復9個處理，共計27個小區?；谇捌诠ぷ骱娃r戶調查，確定水肥最優處理：灌水量1200 m3/hm2（中水處理、W2）、施肥量N 81 kg/hm2+P2O533 kg/hm2+K2O 100 kg/hm2（中肥處理、F2），同時參照最優處理將水肥上下浮動50%設置2個對比水平。3種灌水水平：600 m3/hm2（低水處理、W1），1200 m3/hm2（中水處理、W2），1800 m3/hm2（高水處理、W3），3種施肥水平：N 40.5 kg/hm2+P2O516.5 kg/hm2+K2O 50 kg/hm2（低肥處理、F1），N 81 kg/hm2+P2O533 kg/hm2+K2O 100 kg/hm2（中肥處理、F2），N 121.5 kg/hm2+P2O549.5 kg/hm2+K2O 150 kg/hm2（高 肥 處 理、F3）。西瓜于4月26日定植，定植前施用牛糞和底肥，底肥N-P2O5-K2O養分用量分別為生育期總施肥量的30%、50%、30%，追肥將隨灌溉分別于伸蔓期、開花坐果期、膨瓜期進行。每生育期灌水量與施肥量詳見表1、2。

表1 不同生育期灌水量處理 （m3/hm2）

表2 不同生育期施肥量處理

供試品種為山西省農業科學院生物技術中心培育的“雙抗8號”，屬中熟品種。試驗開展前施用有機肥為腐熟發酵、風干的牛糞30000 kg/hm2（全氮質量分數0.684%，有效磷0.65 g/kg，速效鉀5.88 g/kg，有機質119.96 g/kg）。試驗用化肥為尿素（N 46%），磷酸二氫鉀（P2O552%，K2O 34%），農用硫酸鉀（K2O 50%）。大棚采用不銹鋼管架構，棚外搭載高透光防水塑料膜。試驗采用膜下滴灌的水肥模式。小區面積22 m2，種植模式采用當地主推的起壟全膜覆蓋種植、膜下滴灌，壟寬50 cm、高15 cm，每 小 區4壟，壟 間 距200 cm，株 距40 cm，壟上鋪設1條滴灌帶，滴頭間距30 cm。每小區安裝水表，以精確測量每小區灌水量，小區之間用埋深100 cm的塑料膜隔離以防止水肥相互滲透。

1.3 測定指標與方法

收獲期每小區采摘所有果實稱重計算總產量（kg/hm2），選取9個大小均一的果實，用電子天平稱取單果重（kg）；用游標卡尺測量果實縱徑、橫徑（cm），計算果形指數，將果實縱切后測量果皮厚度（cm）。用TD-45手持測糖儀分別測定中心和邊際可溶性固形物含量（%）；維生素C含量用鉬藍比色法測定（mg/kg）。土壤理化性狀按照常規方法測定；植株與果實全氮采用凱氏定氮法、全磷采用釩鉬黃比色法、全鉀采用火焰光度法測定。

灌溉水分利用效率（kg/m3）：指作物利用單位灌水量（m3）生產的作物產量（kg），計算公式為：

式中：IWUE為灌溉水分利用效率（kg/m3）；Y為產量（kg）；I為灌溉量（m3）。

1.4 數據處理

應用Excel 2007和SPSS 18.0軟件進行數據處理和分析，采用鄧肯法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同水肥處理對西瓜單瓜重及產量的影響

由表3可知，水分和養分是西瓜生長發育的重要物質資源，合理施肥與灌水是作物高產優質的基礎。不同水肥組合直接影響西瓜單瓜重和產量，F2W3處理單瓜重最高，可達6.09 kg，其次是F2W2、F3W3和F3W2處理，單瓜重分別為5.99、5.92和5.82 kg，4個處理間未表現出顯著差異。F1W1處理單瓜重4.34 kg最低，較F2W3處理降低40.4%，顯著低于其他處理。顯著性檢驗結果顯示，施肥、灌水對單瓜重的影響都達到極顯著水平，水肥交互作用也達到顯著水平，其影響大小順序為肥料作用>水分作用>水肥交互作用。從產量來看，F3W3處理產量最高，達到44039 kg/hm2，其次是F2W3、F3W2和F2W2，其產量分別為43730、43638和43566 kg/hm2，4個處理之間差異未達到顯著水平，均顯著高于除F1W3外的所有低肥低水組合處理。以F1W1處理37330 kg/hm2產 量 最 低，顯 著 低 于其他處理。從顯著性檢驗結果看，施肥、灌水因素對產量的影響同樣達到極顯著水平，水肥交互作用也達到顯著水平，作為單一因子肥料因素對產量的影響大于水分因素的影響，大于水肥交互作用影響。結果表明：在本試驗條件下，施肥量或灌水量一定，西瓜單瓜重隨另一因素的增加呈先增加后降低的趨勢，而產量則表現出逐漸增加的趨勢，但增加的趨勢漸緩。對水肥用量與西瓜產量的關系進行定量分析，對施肥量、灌水量與西瓜產量的關系做回歸分析，得（2）式：

表3 不同水肥處理對西瓜單瓜重及產量的影響

式中：Y為西瓜產量（kg/hm2）；X1為施肥量（kg/hm2）；X2為灌水量（m3/hm2）。F檢驗結果表明，（2）式達到顯著水平，即（2）式能夠很好地表達水肥用量與西瓜產量之間的關系。將（2）式繪制成施肥量、灌水量與產量之間的關系曲面圖（圖1），可知：產量與施肥量和灌水量均呈現拋物線的趨勢，對（2）式求偏導數可得出本試驗設計閾值范圍內最佳施肥量與灌水量，施肥量系數為2.61倍和1800 m3/hm2時，產量有最大值（44823.51 kg/hm2）。

圖1 施肥量、灌水量與產量之間的關系

2.2 不同水肥處理對西瓜果實形態指標的影響

不同水肥處理對西瓜縱徑、橫徑、果實指數和皮厚的影響見表4，果實縱徑以F3W3最大，達到31.23 cm，F3W2和F2W3其次，分別為30.83和30.33 cm，3個處理與F1W1和F1W2處理相比差異達到顯著水平。果實橫徑以F3W2處理最大，F3W3處理其次，分別為20.73和20.67 cm，兩處理與F3W1、F2W3和F2W2處理相比差異不顯著，但分別較F1W1處理顯著提高18.9%和18.5%。果形指數是果實外觀品質的重要指標之一，從表4可知，以F2W3和F3W1處理果形指數較好。皮厚以W1處理最薄，W3處理最厚，但方差分析結果顯示不同水肥處理間果形指數和皮厚并無顯著性差異。結果表明：本試驗條件下，不同水肥處理顯著影響西瓜果實的縱徑和橫徑，且F檢驗結果表明施肥因素對果實縱橫徑的影響大于灌水因素；不同水肥處理對果形指數的影響差異不顯著；灌水對皮厚的影響顯著，施肥對皮厚的影響不顯著。

表4 不同水肥處理對西瓜果實形態指標的影響

2.3 不同水肥處理對西瓜果實品質的影響

西瓜果實的口感與營養品質決定于西瓜中維生素C、可溶性固形物等營養物質含量［16］。由表5可知，不同水肥處理對果實中維生素C、可溶性固形物含量影響顯著，而對中邊差僅有部分處理差異達到顯著性水平。分析測試結果顯示：維生素C含量以F3W2處 理 最 高，為65.27 mg/kg，F2W3、F3W3和F2W2處理其次，分別為64.70、64.63和60.37 mg/kg，以上4個處理間差異不顯著，4個處理與F1W1處 理36.17 mg/kg和F2W1處 理47.80 mg/kg相 比 差 異達到顯著水平。中心可溶性固形物含量以F3W3處理最高，為12.30%，F2W3、F3W2和F2W2處理其次，分別為12.27%、12.20%和12.20%，分別較F1W1處理10.80%提高1.50、1.47、1.40和1.40個百分點，與F1W1處理比較差異顯著。邊際可溶性固形物含量分析表明，以F2W3和F3W3處理含量較高，分別為10.17%和10.13%，兩處理與F1W1、F1W2、F2W1和F3W1處理相比差異均達到顯著水平。從中邊差來看，F2W3、F2W2、F3W2和F3W3處理在較高可溶性固形物含量的同時，具有較低的中邊差，既保證了甜度又提高了西瓜甜度的均一性，使西瓜口感更佳。

表5 不同水肥處理對西瓜果實品質的影響

2.4 不同水肥處理對西瓜灌溉水利用效率的影響

灌溉水分利用效率是單位灌水量生產作物的產量，對灌溉水分利用效率的研究在實際生產中具有重要意義［16］。不同水肥組合對西瓜灌溉水分利用效率的影響不同（圖2），相同灌水量條件下，F3處理灌溉水分利用效率最高，F2次之，F1灌溉水分利用效率最低，其中W1和W2灌水量條件下F3和F2灌溉水分效率均顯著高于F1。在相同灌溉條件下，灌溉水分利用效率隨產量的增加呈逐漸增加的趨勢，這與西瓜產量形成的趨勢一致。

圖2 不同水肥處理對西瓜灌溉水分利用效率的影響

2.5 不同水肥處理對果實和地上部養分積累量的影響

不同水肥處理對果實及地上部養分含量影響見表6，果實中氮含量以F2W3、F3W2和F3W3處理最高，分別為2.26、2.24和2.23g/kg，較F1W1處理顯著提高16%以上；果實中磷含量以F2W3、F3W3和F2W2處理最高，分別為0.20、0.20和0.19 g/kg，顯著高于F1W1處理的0.14 g/kg，增幅達到44.9%、43.8%和38.8%；鉀含量以F3W3處理最高，為1.55 g/kg，其次是F2W3處理和F3W2處理，分別為1.45和1.36 g/kg，分別較F1W1處理0.80 g/kg顯著提高92.6%、80.5%和69.7%。低中灌水條件下，果實養分含量隨施肥量增加而增加，高灌水條件下，果實中氮含量隨施肥量增加呈先增高后降低的趨勢，磷鉀含量隨施肥量增加呈增加的趨勢，但趨勢漸緩。

由表6可知，地上部養分積累量中，氮素養分積累量以F3W3處理276.58 kg/hm2和F2W3處理276.54 kg/hm2最高，其次是F3W2處理257.42 kg/hm2和F2W2處理254.61 kg/hm2，分別較F1W1處理顯著提高48.7%、48.7%、38.4%和36.9%。磷素養分積累量以F3W3處理26.97 kg/hm2最高，F2W3處理25.76 kg/hm2和F3W2處理24.44 kg/hm2其次，較F1W1處理18.46 kg/hm2，分別顯著提高46.1%、39.5%和32.4%。鉀素養分積累量以F3W3處理159.46 kg/hm2最 高，F3W2處 理156.07 kg/hm2、F2W3處理155.55 kg/hm2和F2W2處理152.62 kg/hm2其次，分別較F1W1處理119.06 kg/hm2顯著提高33.9%、31.1%、30.7%和28.2%。地上部養分積累量中，在同等灌水條件下，氮磷鉀素養分積累量隨施肥量增加而增加，由中等施肥量向高施肥量過渡階段地上部養分積累量增加趨勢漸緩；隨灌水量的增加養分積累量亦同步增加。

表6 不同水肥處理對西瓜果實養分含量及地上部養分積累量的影響

顯著性檢驗結果顯示：本試驗條件下，施肥和灌水因素對果實養分含量和地上部養分積累量的影響顯著，但施肥因素與灌水因素交互影響并未達到顯著水平。其中施肥因素對果實氮磷養分的影響低于灌水因素，對鉀的影響高于灌水因素；施肥因素對地上部養分積累量的影響低于灌水因素。

3 討論

合理施肥和灌水是作物高產優質的基礎［17-18］。本研究結果表明，適宜的水肥組合可有效促進西瓜形態特征發育和產量的形成，改善西瓜品質［19-20］。在相同施肥水平下，灌水量的增加可明顯提高西瓜縱徑和橫徑，促進西瓜果實形態的生長發育，提高西瓜單瓜重和產量，王海藝等［21］研究發現，礦質營養隨水分同時施用具有明顯的水肥耦合效應，更能促進蔬菜的生長和增產。本研究中維生素C含量隨水肥用量的增加呈拋物線的趨勢，這進一步驗證了前人的研究結論：適宜施氮量提高西瓜產量與品質，再增加施氮量則使產量、維生素C含量和可溶性固形物含量呈下降趨勢［22-24］，王鵬勃等［7］稱之為“稀釋效應”。因此適度改善作物營養供給可提高其產量和品質。

本研究表明，相同灌溉條件下，不同處理間灌溉水分利用效率隨施肥量的增加呈逐漸增加的趨勢，杜建軍等［25］認為肥料可有效提高灌溉水分利用效率。在中低灌水量條件下，中高施肥量處理的水分效率顯著高于低施肥量處理，而高灌水量條件下不同施肥量處理間差異不顯著，王鵬勃等［7］在番茄上、楊小振［20］在西瓜上均得到相似結果。這是由于施肥促進了根系發育以提高吸水功能，改變葉片與土壤水勢差，增強了作物的提水能力［7，26］，從而提高水分利用效率。趙衛星等［17］研究表明合理灌溉能提高作物對養分吸收和肥料的利用效果，本研究也表明在等施肥量條件下，增加灌水量可顯著提高作物對養分吸收積累以及肥料利用效率。

本試驗結果表明，單產以高水高肥處理最佳，中水高肥處理單瓜重最大；通過對西瓜施肥量、灌水量和產量回歸模擬結果來看，在高灌水量和2.61倍施肥系數時，可獲得最佳模擬產量?？紤]到高水高肥勢必增加經濟成本，會提高肥料及土壤養分被淋洗至深層土壤或地下水的環境風險［2］，造成水肥資源浪費，降低其利用效率［13］。因此對水肥耦合對作物綜合效應分析，在不顯著降低西瓜產量和品質的情況下，選擇具有較高水分和肥料利用效率的中水中肥處理作為最優水肥組合。

4 結論

綜合考慮生產中節水減肥、增產優質高效等因素，在山西晉中地區大棚西瓜膜下滴灌模式下，水肥用量控制在F2（N 81 kg/hm2+P2O533 kg/hm2+K2O 100 kg/hm2）和W2（1200 m3/hm2）左 右，西 瓜 產量可保持在較高水平，單瓜重為5.99 kg，產量可達到43566 kg/hm2；維生素C、中心和邊際可溶性固形物含量分別為60.37 mg/kg、12.2%和10.03%；灌溉水分利用效率為36.30 kg/m3，同時果實養分含量和地上部養分積累量說明該水肥用量下具有較高的養分利用效率。本研究可為山西晉中地區設施西瓜的優質生產及水肥資源高效利用提供科學依據。