基质栽培黄瓜生长、产量及品质对不同灌水下限的响应

吕 剑，金 宁，郁继华，金 莉，张国斌，肖雪梅，胡琳莉

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

中国是世界上干旱灾害发生最为频繁和严重的国家之一，平均每年有667万～2 667万hm2农田因旱受灾，最高年份受灾面积达4 000万hm2，每年造成的粮食减产从数百万吨到3 000多万t[1]。中国西北大部分地区处于干旱和半干旱气候区，气候干燥，植被稀少，蒸发量大，是中国最容易发生干旱灾害的区域，每年干旱造成的经济损失高达GDP的4%～6%，远远高于中国其他地区。水资源短缺造成的干旱胁迫正严重威胁着中国粮食和生态安全，已成为制约中国社会经济可持续发展的重要因素之一[2]。戈壁农业是指在符合国家有关生态保护法律法规政策的前提下，在戈壁滩、砂石地、盐碱地等非耕地上，以高效节能日光温室为载体，发展设施基质栽培的蔬菜及瓜果等特色农产品的新型农业发展业态。它能够充分发挥可利用的戈壁沙地等闲置土地资源的比较优势，并通过现代化农业科技手段，尽最大可能地精准用水，相当于使更多戈壁荒地变为耕地[3]。

与戈壁农业相关的亏缺灌溉是应对水资源短缺的有效措施之一，它是基于根冠通信理论[4]、生长冗余理论[5]、生长补偿效应[6]、气孔调节理论[7]和作物有限水量最优分配理论[8]发展起来的生理节水技术。黄瓜是设施农业中种植面积最大的蔬菜种类之一，同时也是耗水量较大的蔬菜作物，发展黄瓜节水灌溉意义重大，而黄瓜在不同水分条件下的生长、产量及品质响应机理是其节水灌溉的理论基础[9]。国内外研究发现，黄瓜产量随着灌水量的增加而增加，但水分利用效率与品质呈抛物线变化趋势[10-12]；而在黄瓜开花期和初瓜期保持80%～90%田间持水量，盛瓜期保持90%～100%田间持水量和生育后期降至70%～80%田间持水量的土壤水分处理，能同时实现最高产量和最大水分利用效率[13]。

蔬菜的生长、产量及品质是水分管理参数中最主要的响应指标，如何根据不同水分处理的生长、产量和品质测算结果来推荐合理的灌水方案，分析评价方法尤为重要。黄瓜的品质分为外观品质和营养品质，不同品质因素间存在着密切的相关性[13]，简单的对比分析方法不能充分考虑多个指标因子间的关系，而主成分分析法可将多个具有一定相关性的观测指标转化为少数几个新的指标，再依据各处理的因子得分进行综合评价，使评价结果更加客观、合理，现已广泛运用在农作物的数量性状分析和综合评价中[14-16]，而鲜见其用于基质栽培黄瓜灌水下限的研究中。

综上，在干旱半干旱气候条件及发展戈壁农业的大背景下，探索基质栽培黄瓜生产中的节水灌溉制度，对其灌水下限进行研究，并借助主成分分析方法充分考虑多个指标间的内在联系，具有实际意义。本试验以黄瓜“博特209”为试材，研究不同灌水下限对基质栽培黄瓜生长、产量及品质的影响，并采用主成分分析法对各处理的优劣进行综合评价，以期为基质栽培黄瓜节水灌溉制度的制定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年3—7月在甘肃农业大学温室内进行。供试黄瓜品种为“博特209”，购于甘肃省农业科学院。2019年3月20日在甘肃农业大学人工气候箱育苗，2019年4月20日定植于玻璃温室中，栽培方式为基质盆栽，定植基质为“绿能瑞奇”(甘肃绿能科技股份有限公司生产)，基质∶草炭∶蛭石比为2∶1∶1，基质田间最大持水量为61.03%，容重为521.86 kg·m-3，pH 7.8，EC(电导率) 2.1 ms·cm-1，全氮1.612 g·kg-1，碱解氮498.6 mg·kg-1，速效磷136.7 mg·kg-1，速效钾346.5 mg·kg-1。定植盆高为20 cm，直径为26 cm。

1.2 试验设计

试验从缓苗8 d后开始进行水分处理，共设4个处理，每个处理3个重复，每个重复15盆。4个处理的灌水下限各为田间持水量的50%、60%、70%、80%，分别用A、B、C、D表示，灌水上限统一设定为90%田间持水量。用TDR350水分速测仪监测基质含水量，待含水量到下限时灌水至上限，单株单次每盆灌水量如表1所示，灌水量计算公式[17]如下：

M=S×r×h×Q×(q1-q2)

式中,M为每盆灌水量(m3)；S为每盆盆栽面积(0.053 m2)；r为基质容重(521.86 kg·m-3)；h为计划湿润层深度(0.2 m)；Q为最大田间持水量(61.03%)；q1、q2分别代表灌水上、下限(田间持水量百分比)。

表1 不同处理盆栽单株单次灌水量

1.3 指标测定

1.3.1 生长指标 随机标记长势一致的15株黄瓜植株，在盛果期测定如下生长指标：

(1)株高(cm)：取植株的茎基部到生长点的总长度，用钢卷尺测量。

(2)茎粗(mm)：取植株下部向上第5～6节间处的直径，用数显游标卡尺测量。

(3)叶面积(cm2)：取植株下部向上第5、6、7片叶的叶面积平均值。直尺测量植株叶片的叶长(L)和叶宽(W)，按如下公式[18]计算叶面积：

叶面积=14.61-5.00L+0.94L2+0.47W

+0.63W2-0.62LW

1.3.2 产量指标

(1)单果重(kg)、单株果数、单株产量(kg)：在黄瓜植株拉秧后分别统计每个处理45株黄瓜的果实总重量及总个数，根据其平均值计算单果重、单株果数和单株产量。

(2)单株总灌水量(m3)：记录每个处理灌水总次数，然后分别乘以对应处理的单株单次灌水量。

1.3.3 品质指标

盛果期，随机选取15个大小均匀的黄瓜果实，测定其外观及营养品质：

(1)外观品质：瓜长用直尺测量；瓜粗用游标卡尺测量；烘干法测定果实含水量。

商品瓜率=商品瓜数/总瓜数×100%

(2)营养品质：可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250溶液法测定；可溶性糖含量采用蒽酮法测定；Vc含量采用 2，6-二氯酚靛酚钠染色法测定；硝酸盐含量采用沸水浸提、紫外分光光度法测定[19]。黄瓜果实全P和全K的前处理采用H2SO4-H2O2消煮法消解，全Ca、Mg、Cu、Fe、Mn及Zn前处理采用干法灰化法，全P采用钼锑抗比色法测定，全K、Ca、Mg、Cu、Fe、Mn及Zn均采用原子吸收光谱仪测定[20]。

1.4 数据分析

运用Excel 2010对数据进行处理及作图，并用SPSS 19.0进行单因素方差分析及主成分分析，并运用Duncan’s检验法对显著性差异(P<0.05)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同灌水下限对黄瓜植株生长指标的影响

从图1可以看出，随着灌水下限的提高，黄瓜株高和叶面积呈逐渐上升趋势，黄瓜茎粗则呈先上升后下降的趋势。其中，处理D的株高显著高于处理A、B和C，增幅分别为56.50%、22.51%和11.04%；处理D的叶面积也显著高于处理A、B和C，增幅分别为92.61%、61.35%和27.87%，处理A和处理B之间无显著性差异；而处理C的茎粗最大，显著高于处理A、B和D，增幅分别为28.36%、16.91%和18.49%，处理B和处理D之间无显著性差异。

2.2 不同灌水下限对黄瓜产量及水分利用效率的影响

由表2可知，随着灌水下限的提高，单果重、单株产量及单株总灌水量均呈现逐渐上升的趋势，然而水分利用效率却呈现先上升后下降的趋势。其中，处理C、D的单果重均显著高于处理A和处理B；处理D的单株果数显著高于处理A、B及C，增幅分别为97.73%、55.96%及12.58%；处理C的单株产量也显著高于处理A和B，增幅分别为66.94%和33.95%，处理C和D之间无显著差异；处理D的灌水量显著高于处理A、B和C，增幅分别为38.03%、30.67%和10.49%；处理C的水分利用效率最高，且显著高于处理A、B和D，增幅分别为33.14%、13.23%和10.30%。

2.3 不同灌水下限对黄瓜果实外观品质的影响

由表3可知，随着灌水下限的提高，黄瓜果实的瓜长、瓜粗、含水量及商品瓜率均呈现逐渐上升的趋势。其中，处理D的瓜长显著高于处理A、B和C，处理B和处理C之间无显著差异；处理C和处理D的瓜粗、含水量及商品瓜率均显著大于处理A和处理B，处理C及处理D之间上述3个指标均无显著差异；处理C较处理A、 B的含水量增幅分别为0.98%、0.45%，处理D较处理A、 B的含水量增幅分别为1.00%、0.48%；处理C较处理A和B的商品瓜率增幅分别为66.70%和18.21%，处理D较处理A和B的商品瓜率增幅分别为66.98%和18.40%。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters in the figure indicate significant differences among treatments (P<0.05). The same below.图1 不同灌水下限对黄瓜株高(A)、茎粗(B)及叶面积(C)的影响Fig.1 Effect of different irrigation lower limits on plant height(A), stem diameter (B), and leaf area (C)of cucumber

表2 不同灌水下限对黄瓜产量及水分利用效率的影响

2.4 不同灌水下限对黄瓜果实营养品质的影响

2.4.1 不同灌水下限对黄瓜果实可溶性蛋白、可溶性糖、维生素C及硝酸盐含量的影响 如图2所示，黄瓜果实中可溶性蛋白、可溶性糖随着灌水下限的提高呈现出先上升后下降的趋势，其中，处理C的可溶性蛋白和可溶性糖含量最高，且与处理A及处理B间差异显著，处理C的可溶性蛋白是处理A的1.13倍，较处理B的增幅为52.38%；处理C的可溶性糖相较于处理A和B的增幅分别为57.09%和13.03%；黄瓜果实中的Vc含量随着灌水下限的提高呈逐渐上升的趋势，处理B、C、D均显著高于处理A，但处理B、C、D之间无显著性差异；处理C黄瓜果实中硝酸盐的含量最低，且与处理A、B、D存在显著性差异，降幅分别为20.69%、25.55%和20.08%，处理A、B、D之间的硝酸盐含量并无显著性差异。

表3 不同灌水下限对黄瓜果实形态指标的影响

2.4.2 不同灌水下限对黄瓜果实矿质元素含量的影响 为了解不同灌水下限对黄瓜矿质营养吸收的影响，本试验测定了人们关注度较高的黄瓜果实中全K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn 8种矿质元素的含量。如表4所示，随着灌水下限的提高，黄瓜果实中全K和全Ca含量呈现先上升后下降的趋势，处理C的全K和全Ca含量最高，且显著高于处理A、B和D，处理C的全K含量比处理A、B、D分别增加了35.20%、3.81%、1.06%，全Ca含量比处理A、B、D分别增加了11.19%、11.19%、6.43%；黄瓜果实中全Mg、Fe及Cu含量则随着灌水上限的提高呈现逐渐上升的趋势，其中，处理D的全Mg含量与处理A、B和C均存在显著差异，处理D的全Fe和全Cu含量与处理A和B的差异达到显著水平，但与处理C差异不显著；处理B的全P含量显著高于处理A、C和D，而处理A、C和D之间无显著差异；处理B、C和D的全Zn含量均显著高于处理A，而处理B、C和D之间差异不显著。

2.5 不同灌水下限对黄瓜产量品质影响的主成分分析及综合评价

本试验将4个处理的22个与黄瓜生长、产量及品质有关的指标作为分析指标进行主成分分析，得到主成分特征值、贡献率和累积贡献率(表5)。研究中按照特征值大于1及累计贡献率大于85%的原则，提取了3个主成分。结果如表5所示，第1主成分特征值为16.693，代表4个处理22个指标的75.875%的信息；第2主成分的特征值为2.971，代表4个处理22个指标13.503%的信息；第3主成分的特征值为2.337，代表4个处理22个指标10.622%的信息，前3个主成分累计方差贡献率为100%，说明这 3个主成分反映了原始变量100%的信息。因此提取前3个主成分代替原22个指标评价不同灌水下限对黄瓜生长、产量及品质的影响，达到了降维的目的。

图2 不同灌水下限对黄瓜果实可溶性蛋白(A)、可溶性糖(B)、Vc(C)及硝酸盐含量(D)的影响Fig.2 Effect of different irrigation lower limits on soluble protein (A), soluble sugar (B), Vc (C),and nitrate content (D) in cucumber fruits

表4 不同灌水下限对黄瓜果实矿质元素含量的影响

主成分的载荷矩阵旋转之后载荷系数若更接近1或更接近0，这样得到的主成分能够更好地解释变量。由表6结果可知，主成分1(F1)主要综合了株高(因子载荷为0.960)、叶面积(因子载荷为0.993)、单果重(因子载荷为0.886)、单株果数(因子载荷为0.954)、产量(因子载荷为0.881)、瓜长(因子载荷为0.977)、瓜粗(因子载荷为0.875)、含水量(因子载荷为0.887)、可溶性蛋白(因子载荷为0.803)、Vc(因子载荷为0.978)、全K(因子载荷为0.752)、全Mg(因子载荷为0.957)、全Cu(因子载荷为0.864)、全Fe(因子载荷为0.910)、全Mn(因子载荷为0.556)和全Zn(因子载荷为0.796)这16个指标的信息；主成分2(F2)主要综合了茎粗(因子载荷为0.928)、水分利用效率(因子载荷为0.721)、可溶性糖(因子载荷为0.689)及全Ca(因子载荷为0.866)这4个指标的信息；主成分3(F3)主要综合了全P(因子载荷为 0.991)及硝酸盐含量(因子载荷为0.337)这2个指标的信息，由于因子负荷均为正值，位于正向分布，所以因子得分越高，所对应的指标的得分越高。

如表6所示，用各指标的主成分载荷除以相对应主成分特征值的平方根，得到3个主成分中每个指标所对应的系数即特征向量，以特征向量为权重构建3个主成分的表达函数式：

Y1=0.235X1+0.076X2+0.243X3+0.217X4+0.2345+0.2166+0.149X7+0.239X8+0.214X9+0.217X10+0.126X11+0.197X12+0.239X13-0.043X14+0.184X15-0.001X16+0.234X17+0.117X18+0.212X19+0.291X20+0.556X21+0.796X22

Y2=0.115X1+0.538X2+0.039X3+0.264X4+0.17X5+0.274X6+0.418X7+0.083X8+0.279X9+0.243X10+0.4X11+0.34X12+0.095X13-0.536X14+0.227X15-0.079X16+0.144X17+0.502X18+0.256X19+0.217X20-0.359X21+0.086X22

表5 主成分分析的特征根及方差贡献率

表6 主成分分析的旋转载荷矩阵及特征向量

Y3=0.13X1+0.137X2-0.062X3+0.057X4-0.039X5+0.02X6+0.216X7+0.104X8+0.038X9+0.127X10+0.335X11+0.066X12+0.085X13+0.221X14+0.346X15+0.648X16-0.097X17-0.101X18+0.158X19-0.118X20-0.363X21+0.384X22

在以上3个表达式中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19、X20、X21及X22分别为Z-score法标准化后的22个指标的标准值，同时，在标准化的过程中对负向指标硝酸盐含量进行了取负数的正向化处理。以各个主成分对应的方差贡献率作为权重，由主成分得分和对应的权重线性加权求和得到综合评价函数如下：

综合得分=0.765Y1+0.129Y2+0.106Y3

根据主成分综合得分模型，可计算出4个处理22个指标的综合得分和排序(表7)。综合得分从高到低依次为处理C、处理D、处理B、处理A。

表7 4个处理黄瓜的综合得分

3 讨 论

黄瓜是我国重要的设施栽培作物，其对水分敏感，具有需水量大且不耐旱的特点[21]。我国温室黄瓜种植中对水分管理缺乏科学的量化指标，常根据经验来确定灌水量和灌水周期，这对温室环境、水分利用效率的提高和病虫害的防治均有不利影响[22]，因此，在设施温室蔬菜灌溉节水方面，国内外学者对非充分灌溉范畴内节水进行了较多研究，如亏缺灌溉、调亏灌溉、交替隔沟灌溉、控制上下限灌溉等[23-27]。本试验针对控制灌水下限的节水灌溉模式进行了研究，灌水下限即灌水起始点，它决定了作物的灌水次数、灌水间隔时间及灌水量[28]。试验结果表明，随着灌水下限的提高，黄瓜植株的株高、叶面积呈逐渐上升的趋势，在张宪法等[29]的研究中也表明，控制土壤含水量在田间持水量70%以下时会显著降低黄瓜植株株高、减小叶片面积，使植株营养生长受到限制；诸葛玉平[30]的研究认为番茄的茎粗与灌水下限的关系曲线呈抛物线形状，即只有当灌水下限控制在适宜的范围内，才会有利于茎粗的增加。姚磊等[31]认为，轻度水分胁迫能够增大番茄茎粗，其后会影响叶面积及叶色，最终才导致株高和叶片数的改变。在本试验中黄瓜植株的茎粗随灌水下限的提高呈现出先上升后下降的趋势，处理C即基质持水量为田间持水量的70%时，茎粗最大，这与前两者的研究相似，表明了轻度的水分胁迫有利于茎粗的增大，有利于培育壮苗。王新元等[32]研究表明黄瓜生长速率、产量与灌水量呈明显正比关系。刘军等[33]在紫花苜蓿的研究中表明轻度水分胁迫的水分利用效率 (WUE) 显著大于充分灌溉的WUE(P<0.05),表明适度水分胁迫可提高紫花苜蓿叶片的水分利用效率。本试验结果同样证明，随着灌水量的增加，黄瓜果实的单果重、单株果数及产量均逐渐上升，而黄瓜的水分利用效率呈先上升后下降的趋势，以灌水下限为田间持水量的70%时WUE最高。

本试验结果表明，处理C和D的黄瓜果实瓜粗、含水量与商品瓜率无显著性差异但显著高于处理A和B，这可能是由于基质的含水量较高，黄瓜果实充实较快，有效地降低了畸形瓜数量[34]。可溶性蛋白和可溶性糖含量随灌水下限的提高呈先上升后下降的趋势，灌水下限为田间持水量70%处理的可溶性蛋白及可溶性糖含量显著高于其他处理，可能是因为适当的水分亏缺可以提高黄瓜的果实品质，但灌水下限过低时，水分胁迫过重，造成后期植株合成碳水化合物等营养物质的功能显著降低，从而导致黄瓜果实品质的显著下降[35-37]，常莉飞[38]的研究同样表明灌水量对黄瓜品质有一定的影响，随灌水量的增加，黄瓜品质有下降的趋势，表现在含水量的增加和蛋白质、可溶性糖含量的减少。处理C的黄瓜果实中硝酸盐含量显著低于其他处理，处理A和B黄瓜果实有较高的硝酸盐累积量，这可能是由于干旱使黄瓜体内的硝酸还原酶含量下降、活性降低，从而导致硝酸盐的积累显著增加[39-40]。钾和钙是植物体生长、生活所必须摄取的营养元素，首先植物的细胞膜需要钙离子来稳定，钙离子能够调节植物细胞的渗透压，使植物的抗逆能力得到增强；其次，钾可以活化植物代谢中的大部分酶；另外，钾还能促进氨基酸、磷酸盐以及硝酸盐的吸收转移。Yang等[41]研究发现在干旱和盐碱条件下增加植物矿质元素的供应量能够在一定程度上减缓胁迫对植物生长的抑制作用。Maathuis等[42]的研究也表明水分胁迫下K和Ca的摄取、积累能降低胁迫对植物生长造成的不利影响，使植物体对水分胁迫的耐受能力增强。本试验结果同样证明，随着灌水下限的提高，黄瓜果实中K和Ca含量呈现先上升后下降的趋势，处理C的K和Ca含量显著高于其他处理，说明适度的水分胁迫有助于矿质元素含量的吸收以增强植物对胁迫环境的耐受能力。本试验初始指标测定的是不同的生长、产量及品质指标，其量纲和数量级不同，并且据报道硝酸盐含量对综合评价属于负影响[43]。因此本研究采用Z-score法对初始指标数据进行标准化，对负向指标硝酸盐含量进行了取负数的正向化处理，从黄瓜植株生长、果实产量及品质性状的角度对不同灌水下限处理进行综合评价并建立适宜的评价方法，使结果更为客观、合理。

4 结 论

综上可知，随着灌水下限的提高，灌水量逐渐增多，黄瓜株高和叶面积呈逐渐增大的趋势，灌水下限为80%田间持水量处理显著高于其他处理；茎粗则呈现先升高后下降的趋势，灌水下限为70%田间持水量的黄瓜茎粗显著高于其他处理，说明适当降低灌水下限有利于茎粗的增大；黄瓜单果重、单株产量均呈现逐渐上升的趋势，然而水分利用效率却呈现先上升后下降的趋势，以70%田间持水量灌水下限处理的水分利用效率最高；黄瓜果实的瓜长、瓜粗、含水量及商品瓜率呈现逐渐上升的趋势；黄瓜果实中可溶性蛋白、可溶性糖含量随着灌水下限的提高呈现先上升后下降的趋势，K和Ca含量呈现先上升后下降的趋势，以70%田间持水量灌水下限处理的最高。主成分分析显示不同灌水下限对黄瓜生长、产量及品质的影响评价指标由最初的22个降为3个主成分，达到了降维目的，且3个主成分代替了原指标100%的信息。综合评价结果表明，各处理的得分顺序从高到低依次为70%田间持水量、80%田间持水量、60%田间持水量、50%田间持水量的灌水下限处理。