水氮耦合对大棚甜瓜产量和品质的影响

赵志华，李建明，潘铜华，张大龙，贾笑蕊，徐 菲，李 俊

(1 西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100；2 西安石油大学 计算机学院，陕西 西安 710000)

随着种植业结构的调整,设施蔬菜种植面积逐年增大[1-2]。然而，我国设施蔬菜生产中普遍存在施氮过多的问题，每茬次施氮量一般成倍多于植株需求量[3-4]，过量的氮肥引起了一系列的环境问题[5-6]。同时，盲目地灌溉造成氮素的淋洗损失，是导致氮肥利用率降低的原因之一[7]。水肥耦合技术便是实现水肥调控高效化、降低环境污染的一项综合技术。对水肥耦合技术进行深入研究，可以获得提高肥料利用率和水分利用率的科学依据，从而为实现科学灌溉和施肥的高效化管理提供理论指导[8-9]。以往的水肥耦合研究中，试验对象多为小麦、玉米等粮食作物[10]，少部分是黄瓜、辣椒、番茄等蔬菜作物[8]，对甜瓜的水肥耦合研究较少，单纯的以灌水下限与施氮量为耦合因子对甜瓜产量和品质影响的研究尚未见报道。本研究采用滴灌和沟施的水肥调控方式，分析灌水下限、施氮量对甜瓜产量及品质的影响，以期为甜瓜“两高一优”栽培提供优化、量化的最佳水肥管理依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012-03-06在西北农林科技大学北园艺场3号塑料大棚内进行。试验地位于东经108°04′，北纬 34°20′，该区属暖温带季风半湿润气候，年平均气温12.9 ℃，无霜期220 d，日照时数2 196 h。试验用大棚长45 m，宽7.8 m，高3.5 m，南北走向，覆盖华盾牌无滴聚乙烯薄膜。供试土壤理化性质为：体积质量1.38 g/cm3，最大田间持水量24.3%，有机质13.97 g/kg，碱解氮 85.76 mg/kg，速效磷19.42 mg/kg，速效钾100.17 mg/kg，pH值7.5。

1.2 试验材料

供试甜瓜品种为厚皮甜瓜“一品天下208”，其超早熟，抗病性强，种子由陕西杨凌千普农业开发有限公司提供。试验材料于2012-03-21定植，当年06-11收获。

供试肥料为昆仑牌尿素(含N 46.4%)、昆阳牌过磷酸钙(含P2O516%)和罗布泊牌农业用硫酸钾(含K2O 51%)。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 本试验以土壤灌水下限和施氮量为变量因子，采用二因素(1/2 实施)二次回归通用旋转组合设计[11]，9个处理，5次重复，各处理随机区组排列。试验采用高垄栽培，垄高15 cm，垄宽80 cm，垄长600 cm,小区之间埋深60 cm的塑料薄膜，以防小区间水肥相互渗透。小区面积为4.8 m2，甜瓜株距40 cm，单行定值，每小区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为常量，而氮肥为变量。追肥以沟施的方式分别在甜瓜伸蔓期和坐果期分2次均等施用。水肥变量水平编码见表1，各处理的水肥编码见表2。

表 1 甜瓜水肥试验因素水平编码

1.3.2 水分因素 甜瓜缓苗7 d后开始灌水处理，当不同处理土壤水分降至其对应灌水下限时，通过公式(1)计算其灌溉饱和时所需灌水量，以此定量灌溉，周而复始，直到甜瓜成熟。灌水采用滴灌方式，并记录灌水日期、灌水量和灌水次数。计划湿润层深度：苗期10 cm，伸蔓期25 cm，膨瓜期35 cm。土壤含水量用自动土壤水分监测仪器EASYAG测定。

V=rs×S×h×Q×(1-q)×η。

(1)

式中：V为灌水量，L；rs为土壤体积质量，g/cm3；S为小区面积，m2；h为计划湿润层深度，cm；Q为田间持水量(质量含水量)；q为土壤水分下限，以田间持水量的百分比表示；η为灌溉效率，取100%。

1.4 甜瓜产量和品质的测定

每株甜瓜于第12～16节位留2个瓜，待甜瓜长至鸡蛋大小时，疏除1个。果实成熟后，分别统计各小区的产量。果实全部用于品质指标测定，先测定果肉厚度，然后取果肉研磨、离心，得到果肉上清液，用手持糖量计测定果实可溶性固形物含量；用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，用考马斯-G250染色法测定可溶性蛋白含量，用钼蓝比色法测定维生素C含量。

表 2 甜瓜水肥试验中各处理的水肥处理方案

1.5 数据处理

利用Excel 2007和SAS 8.0软件对试验数据进行处理、分析并做图。

2 结果与分析

2.1 甜瓜水氮耦合模型的建立与检验

本试验甜瓜产量和可溶性固形物含量测定结果见表3。由表3可知，各处理的果实产量和可溶性固形物含量差异性均达到显著水平(P<0.05)。试验表明，氮肥充足、水分亏缺，氮肥亏缺、水分充足，以及二者同时过量或亏缺时，甜瓜产量和可溶性固形物含量都呈显著降低趋势。因此，合理的水氮管理是甜瓜高产、优质的保障。

以灌水下限、施氮量为自变量，甜瓜产量和可溶性固形物含量为目标函数，利用SAS 8.0软件进行回归，分别配置水氮耦合效应函数。

甜瓜产量模型见公式(2)：

(2)

式中：y为产量，kg/hm2；x1为灌水下限编码值；x2为追施氮肥量编码值。

对回归模型(2)进行F检验，经计算得F1=3.123F0.05(6，5)=4.95，拟合较好，且R2为0.979 5。说明水氮耦合处理与产量间的回归关系达到极显著水平，用此水氮耦合回归模型进行产量预测，具有较高的可靠性。对模型各项回归系数检验得知，灌水下限与施氮量2个因素均对甜瓜产量有一定的影响，其中灌水下限与施氮量的一次项、二次项及交叉项对甜瓜产量的影响均达到显著水平(P<0.05)。

甜瓜果实可溶性固形物含量模型见公式(3)：

(3)

式中：y为可溶性固形物含量，%。

对回归模型(3)进行F检验，经计算得F1=1.946F0.05(6，5)=4.95，拟合较好，且R2为0.975 2。说明水氮耦合处理与可溶性固形物含量间的回归关系达到极显著水平，用此水氮耦合回归模型进行可溶性固形物含量预测，具有较高的可靠性。对模型各项回归系数检验得知，灌水下限与施氮量的一次项、二次项及交叉项对甜瓜果实可溶性固形物含量的影响均达到显著水平 (P<0.05)。

表 3 不同水氮耦合处理的甜瓜产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 主效应 由式(2)、(3)中灌水下限(x1)和施氮量(x2)的回归系数绝对值的大小可知，灌水下限对甜瓜产量的影响大于施氮量，而对甜瓜可溶性固形物含量的影响小于施氮量，并且水分为正效应，氮为负效应。

2.2.2 单因子效应 将回归模型中的2个因素之一固定在0水平，即可获得单因素对产量和可溶性固形物含量的偏回归子模型，分别为式(4)、(5)，其曲线见图1和图2。

产量：

(4)

由式(4)可知，y1、y2都有最大值，此时x1为0.994，x2为-0.064。

可溶性固形物含量：

(5)

由式(5)可知，y1、y2都有最大值，此时x1为0.222，x2为-0.179。

由图1可知，甜瓜产量与灌水下限的关系是开口向下的抛物线，当灌水下限编码值在-1.414～-0.5时，即灌水下限为46%～55%时，其变化对甜瓜产量影响极为显著；水分编码值在-0.5～0.5时，即灌水下限为55%～65%时，其变化对产量的影响较显著；水分编码值在0.5～1.414时，即灌水下限为65%～74%时，其变化对产量的影响较小；水分编码值为0.994时，即灌水下限为69.9%，甜瓜产量有最大值37 026 kg/hm2。说明灌水下限过高、过低都会导致甜瓜产量的下降。甜瓜产量与施氮量的关系也是开口向下的抛物线，氮素编码值在-1.414～-0.5和0.5～1.414时，即追施氮肥(N)量为0～72.8和152.4～225 kg/hm2时，其变化对甜瓜产量影响极为显著；施氮量编码值在-0.5～0.5时，即追施氮肥(N)量为72.8～152.4 kg/hm2时，其变化对产量影响较小；施氮量编码值为-0.064时，即追施氮肥(N)量为107.4 kg/hm2时，甜瓜产量有最大值35 826 kg/hm2。说明氮肥用量过高或过低都会导致甜瓜产量降低。

由图2可知，甜瓜可溶性固形物含量与灌水下限的关系是开口向下的抛物线，水分编码值在-1.414～-0.5和1～1.414时，即灌水下限为46%～55%和70%～74%时，其变化对可溶性固形物含量影响极为显著；水分编码值在-0.5～1时，即灌水下限为55%～70%时，其变化对可溶性固形物含量影响较小；水分编码值为0.222时，即灌水下限为62.2%，甜瓜可溶性固形物含量有最大值15.13%。灌水下限过高过低都会导致可溶性固形物含量下降。甜瓜可溶性固形物含量与施氮量的关系也是开口向下的抛物线，施氮量编码值在-1.414～-0.5和0.1～1.414时，即追施氮肥(N)量为0～72.8和120.5～225 kg/hm2时，其变化对可溶性固形物含量影响极显著；施氮量编码值在-0.5～0.1时，即追施氮肥(N)量为72.8～120.5 kg/hm2时，其变化对可溶性固形物含量影响较小；施氮量编码值为-0.179时，即追施氮肥(N)量为98.2 kg/hm2时，甜瓜可溶性固形物含量有最大值15.15%。施氮量过高或过低都会导致果实可溶性固形物含量降低。

图 1 水肥单因素对甜瓜产量的影响

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项系数均为负值，说明二者对甜瓜产量和可溶性固形物含量的影响存在一定的负交互作用，其交互项系数经检验均达到显著水平。因此，充分利用二因子间的交互耦合效应，才能保证甜瓜的高产和优质。

2.2.4 甜瓜高产优质的水氮优化组合预测 对式(2)进行处理得到甜瓜高产的水氮耦合方案，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况下达到高产时，采用滴灌，灌水下限为60%～65%，需要追施氮肥(N) 100～125 kg/hm2、磷肥(P2O5)135 kg/hm2和钾肥(K2O)225 kg/hm2。以此优化的水氮耦合调控方案种植甜瓜，产量约为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况下达到优质时，采用滴灌，灌水下限为60%～65%，需要追施氮肥(N)90～120 kg/hm2、磷肥(P2O5)135 kg/hm2和钾肥(K2O)225 kg/hm2，以此优化的水氮耦合调控方案种植甜瓜，可溶性固形物含量约为15.2%。综合分析产量模型和可溶性固形物含量模型，可得到甜瓜高产、优质的水肥组合，即灌水下限为60%～65%，追施氮肥(N)100～120 kg/hm2；在此优化的水氮调控方案下，甜瓜产量和可溶性固形物含量分别可达37 200 kg/hm2和15.2%。

2.3 水氮耦合对甜瓜品质的影响

本试验中土壤含水量与灌溉下限成正比。由表4可知，土壤灌溉下限在高水平和低水平时，适当提高施氮量都会显著提高甜瓜果肉厚度，但是氮素过高反而导致果肉厚度减小；当施氮量相同时，水分亏缺会导致甜瓜果肉厚度显著减小。灌溉下限对甜瓜果实可溶性糖和维生素C含量的影响存在极值，可溶性糖和维生素C含量随着灌溉下限的提高而先增加后降低。灌溉下限适宜时，适当提高氮肥用量可以提高果实可溶性糖和维生素C含量，然而，氮肥施用量过高会导致果实可溶性糖和维生素C含量下降。在一定灌溉下限范围内，甜瓜果实可溶性蛋白含量随着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，只有进行科学合理的水氮耦合调控，综合调节水氮用量，才能获得甜瓜生产的高产、优质、高效。

表 4 不同水氮耦合处理对甜瓜品质的影响

3 讨 论

设施种植投入较大，所以高产、优质、高效一直都是种植者的追求[12]，合理的水肥调控是实现此目标的必要条件。许多研究表明，灌水量过高、过低与施氮量过高、过低，都会导致甜瓜产量的降低[8,13-16]，这与本试验结果相似，当灌水下限小于55%、追施N量低于72.8 kg/hm2或高于152.4 kg/hm2，都会导致甜瓜产量显著降低。其原因可能是，水分亏缺或缺氮情况下，植株养分吸收受阻，进而营养生长受阻、植株弱小、光合干物质积累量少，从而直接影响其生殖生长[9-10]；然而，水分过多导致涝害，植株根系受损，氮肥过多植株营养生长过旺，导致徒长，抑制生殖生长，同时叶面积指数过大，导致净光合产值较低[9-10]。因此，把握水、氮之间的协调机制，充分利用二者协同效应是实现甜瓜生产高产、高效的重要保障。

可溶性固形物含量直接反映甜瓜果实总营养物质的含量，是评价果实营养价值和品质的重要指标，其多少决定了果实风味品质的优劣[17]。许多研究表明，适量增加灌水量与施肥量有利于提高番茄的品质，而灌水和施肥量过高或过低都会导致果实可溶性固形物含量快速降低[13,17-20]，这与本试验结果相似，当灌水下限小于55%或大于70%、追施N量低于72.8 kg/hm2或高于120.5 kg/hm2，都会导致甜瓜可溶性固形物含量显著降低。其原因可能是，首先从水分因素方面而言，适当水分胁迫可提高细胞壁转化酶与可溶性酸性转化酶的活性，增加了转化酶含量，提高了己糖和蔗糖等可溶性糖含量，而过多的水分对果实可溶性固形物含量具有稀释作用，从而导致可溶性固形物含量随灌水量的增加而减少[21]；其次从氮肥方面考虑，供氮的多少直接影响植物体内相关物质的合成、转化、代谢及其调控[22]，由于蔗糖等可溶性糖是可溶性固形物的重要组成部分[23-24]，而氮素过高对糖代谢相关酶如蔗糖合成酶的活性具有抑制作用，同时会促使蔗糖分解的酸性蔗糖转化酶活性大大提高，从而降低果实中可溶性固形物的含量[25-26]。

本试验结果与姚静等[8]的研究相似，以水、氮编码为参考，灌水下限对甜瓜产量的影响大于施氮量，而对甜瓜可溶性固形物含量的影响小于施氮量，并且水分为正效应，氮为负效应。水氮耦合对甜瓜产量和可溶性固形物含量的影响均存在显著的负交互耦合效应，这种负交互作用导致产量和可溶性固形物含量均降低。所以，只有合理的水肥调控，充分利用其交互耦合效应，才能保证甜瓜生产的高产、优质和高效。

4 结 论

本试验研究了塑料大棚滴灌条件下水氮耦合效应对厚皮甜瓜产量和品质的影响，分别得到了甜瓜产量和可溶固形物含量的水氮耦合模型，经检验2个模型均达到显著水平(P<0.05)，可用于预测与指导大棚甜瓜的实际生产。

在本试验条件下，获得甜瓜高产、优质的水氮耦合方案为：在原土壤肥力下，采用滴灌，灌水下限为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。此方案下的甜瓜产量和可溶性固形物含量分别可达37 200 kg/hm2和15.2%。可知采取合理的水氮耦合措施是甜瓜获得高产、优质、高效的重要保障。

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