微孔膜灌溉随水施不同肥量对黄瓜光合参数、养分特征、品质及产量的影响

杜清洁 杨亚勇 张嘉欣 李娟起 肖怀娟 王吉庆

(河南农业大学 园艺学院，郑州 450002)

黄瓜是我国设施栽培面积较大的果菜类作物之一，具有产量高和需水需肥量大的特点[1]。在传统生产栽培中，施肥多以沟灌的方式随水冲施。传统的灌水施肥方式，不但导致水肥的利用率较低，还易引起土壤次生盐渍化，加重病害的发生[2-3]。20世纪90年代中后期，我国开始大力发展水肥一体化技术，根据农业部2016年制定的《推进水肥一体化实施方案(2016—2020年)》，到2020年我国水肥一体化技术推广面积要达到1 000万hm2。研究表明，与农户传统施肥相比，黄瓜水肥一体化施肥可节水21.0%～27.1%，节肥3.7%～49.5%，增产9.9%～17.6%[4]。水肥一体化虽具有节水、节肥、省工和增产等优点，但在实际应用中由于专用水溶肥价格较高，大多是直接使用常用肥料进行水肥一体化滴灌，但容易引起滴灌灌水器堵塞，使得灌溉施肥均匀度下降[5]。膜孔灌溉作为一种低成本灌水施肥一体化的方式，水肥可通过膜上的灌水孔进入到土壤中，其灌水特点类似于滴灌，但由于灌水孔较大不存在堵塞的问题，可以利用浑水进行灌溉施肥，现已在甘肃和河南等地多种作物种植中进行了推广应用[6-10]。

近年来，国内开展了诸多关于膜孔灌溉条件下土壤中水肥入渗问题的研究。研究发现随孔径的增加水分入渗加快，引起土壤养分随水的再分布，使得表层土壤养分下移[11]。目前采用膜孔灌溉时多为直径3～5 cm的灌水孔，水肥向下运移较多，造成水肥的浪费[12-13]。因此，本研究优化开发出了微孔膜灌溉技术，即采用直径3 mm的打孔膜，将打孔膜铺设于起垄的沟里，再在沟上覆盖一层地膜，水分在地膜和打孔膜之间流动，并通过膜上的小孔渗入土壤中，进行无压自流灌溉施肥[14]。Xiao等[15]证明采用微孔膜灌溉技术可较当地农民传统沟灌技术节水48%。但是，该灌溉技术条件下施肥量尚不明确。因此，本研究采用微孔膜灌溉技术，以黄瓜为试材，研究了随水施不同肥量对黄瓜光合参数、植株营养元素特征、土壤养分特征、产量和果实品质等的影响，以期揭示黄淮海地区微孔膜灌溉条件下大棚春茬黄瓜栽培的最佳施肥量，为春季大棚黄瓜水肥管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

供试黄瓜品种为‘津研4号’。试验于2019年在河南农业大学科教园区毛庄实习基地塑料大棚内进行。打孔地膜采用8丝的农膜加工而成，宽60 cm，长度比垄长40 cm，打孔直径为3 mm，孔间距长为20 cm，宽为12.5 cm，每排并列打3个孔(图1)。

1.2 试验方法

于2019年3月20日，选取3叶1心期长势一致且健壮的黄瓜幼苗进行定植，每小区定植25株，小区面积4.9 m2。定植前施晒干鸡粪750.0 kg/667 m2作为基肥。黄瓜栽培方式为一垄双行，东西垄向，株距25 cm，行距40 cm，垄中间开沟。定植后第5周开始不同施肥处理，肥料使用氮磷钾复配混合肥(18-7-22)。试验共设6个处理，分别为：膜下沟灌随水施肥处理(CK)、微孔膜灌溉随水施肥57.0 kg/667 m2(FA)、69.0 kg/667 m2(FB)、81.0 kg/667 m2(FC)、93.0 kg/667 m2(FD)和105.0 kg/667 m2(FE)。CK处理利用膜下垄中部沟进行沟灌，试验中实际灌水量为300.0 m3/667 m2，由于灌水过程中灌水量和肥液浓度会影响土壤内元素分布[16-17]，为防止灌水量不同的影响，每次施肥时施入肥料浓度与FC处理相同，实际总施肥量为82.9 kg/667 m2；其他各处理在垄中部沟内铺设微孔膜(图1)，通过微孔膜进行灌溉施肥，灌水量统一为前期试验得出的最佳灌水量为290.0 m3/667 m2，具体灌水施肥方案见表1。为防止相邻小区水分及养分互相影响，各小区之间深埋50 cm的薄膜隔离，并在两头设保护行。试验采用随机区组设计，重复3次。7月6日拉秧，取样测定干物质和营养元素含量。

表1 各试验处理水肥管理方案Table 1 Water and fertilizer management scheme for treatments

1.3 测定项目

1.3.1光合参数测定

在定植后第63 d(2019-05-22，当日及前两日为晴天)9:00～11:00，利用安装有透明叶室的便携式光合仪Li-6400测定黄瓜植株中部完全展开叶片的光合参数，设定流速为500 μmol/(m2·s)，光照、CO2浓度和温度为自然环境条件。每个处理5次重复。

(a)微孔膜结构示意图；(b)微孔膜垄间铺设示意图。(a) Schematic diagram for microporous film structure； (b) Schematic diagram for microporous film laying between ridges.图1 微孔膜结构及垄间铺设示意图Fig.1 Schematic diagram for microporous film structure and laying between ridges

1.3.2干重和氮磷钾含量测定

试验前取土壤深度0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm的基础土壤样品，试验处理结束后，在各小区中部、沿垄走向上相邻两株中间位置取土壤深度0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm处土壤样品，重复3次用于测定土壤中氮磷钾含量。此外，每个处理随机选取5株，将根、茎和叶在105 ℃杀青15 min，85 ℃烘至恒重，称重。采用凯氏定氮法测定全氮含量；钒钼酸比色法测定全磷含量；火焰光度法测定全钾含量[18]。

1.3.3产量和品质测定

开始采收后及时称重，以各小区所有果实重量为小区总产量(各小区均为25株)，并计算单位面积产量。在结果期中期，选取大小一致的商品成熟期果实，截取果实中段(长约5 cm)，直接切碎混匀后测定各品质指标。果实可溶性固形物采用测糖仪测量;可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250法测量;维生素C含量采用钼蓝比色法测量;可溶性糖含量采用蒽酮比色法[19]测量。

水分利用效率和肥料偏生产力根据以下公式计算：

水分利用效率=净光合速率/蒸腾速率

(1)

肥料偏生产力=Y/F

(2)

式中：Y为产量，kg/667 m2；F为施入化肥中N、P2O5和K2O的总量，kg/667 m2。

1.4 数据分析

用SPSS19.0软件进行数据处理，采用LSD法对各处理间差异进行显著性分析(P<0.05)。为消除单一指标评价最优施肥处理中的不全面性，利用模糊隶属函数法综合评价得出最优施肥量处理。选用果实品质、产量和水肥利用效率为评价指标，某一处理下各指标隶属函数值的和为该处理的综合评价得分，各指标隶属函数值根据以下公式计算：

Ui=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中：Ui为某一指标在处理i下的隶属函数值；Xi为该指标在处理i下的值；Xmax为该指标在所有处理中的最大值；Xmin为该指标在所有处理中的最小值。

2 结果与分析

2.1 不同处理对黄瓜植株干物质积累的影响

由图2可知，微孔膜灌溉下随水施不同肥量处理对根干重和茎干重均无影响，且与CK处理的差异也不显著；但不同处理对叶干重影响不同，叶干重在FA处理下最小，分别较CK、FB、FC、FD和FE处理低41.6%、34.8%、27.8%、29.7%和28.9%，其中FA和CK间、FA和FB间的差异达显著水平。

CK采用膜下沟灌随水施肥；FA、FB、FC、FD和FE采用微孔膜灌溉随水施肥，施肥量分别为57.0、69.0、81.0、93.0和105.0 kg/667 m2。图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。CK, fertilizer is applied with furrow irrigation under plastic film. FA、FB、FC、FD and FE, the fertilizer are respectively 57.0, 69.0, 81.0, 93.0 and 105.0 kg/667 m2 with microporous film irrigation under plastic film. Different letters indicate significant differences (P<0.05). The same below.图2 不同处理对黄瓜植株干物质的影响Fig.2 The effect of different treatment on the dry mass of cucumber plants

2.2 不同处理对黄瓜叶片光合参数的影响

黄瓜净光合速率在FC处理下最高，分别较CK和FE处理显著提高57.8%和46.8%，与其他处理差异不显著(图3)。与CK相比，微孔膜灌溉随水施肥对蒸腾速率无显著影响，但在FB和FC处理下蒸腾速率均显著高于FD处理。胞间CO2浓度在FB和FC处理下较CK处理显著降低了20.4%和19.1%，在其他处理下与CK无显著差异。气孔导度在各处理间均无显著变化。

图3 不同处理对黄瓜叶片光合参数的影响Fig.3 The effect of different treatment on photosynthetic parameters of cucumber leaves

2.3 不同处理对黄瓜植株养分特征的影响

黄瓜叶中N含量在FB处理下最低，在FD和FE处理下显著高于FB处理，但在其他处理下与FB处理差异不显著(图4)；黄瓜根、茎中N含量和根中K含量在各处理间均无显著差异。根、茎和叶中P含量均为FC处理下最高，分别为CK处理的1.51、1.22和1.25倍，均达显著水平。FA、FB、FD和FE处理下除根中P含量显著高于CK外，茎和叶中P含量与CK差异不显著。茎中K含量在FA处理下与CK处理无差异，但在其他处理下均显著低于CK处理。叶中K含量在FA处理下较CK处理显著提高了71.6%，而在FD处理下较CK处理显著降低47.6%，在其他各处理下均与CK处理的差异不显著。

图4 不同处理对黄瓜根茎叶中营养元素含量的影响Fig.4 The effect of different treatment on nutrient elements content in cucumber root, stem and leaf

黄瓜植株中N总积累量，除FA处理下较CK处理显著降低20.1%外，其他各处理均与CK处理无显著差异，微孔膜灌溉随水施肥条件下植株中N总积累量由大到小依次为：FE>FD>FB>FC>FA(图5)。FC处理下植株中P总积累量最高，其次为FE处理、CK处理和FB处理，FD和FA处理最低。微孔膜灌溉条件下各处理中K总积累量均较CK处理显著降低，其中在FC处理下最低。

图5 不同处理对黄瓜植株中N、P和K总积累量的影响Fig.5 The effect of different treatment on the total accumulation of N, P and K in cucumber plants

2.4 不同处理在不同土壤深度下对土壤养分特征的影响

随土壤深度增加，原始基础土壤中N和P含量逐渐减少，原始基础土壤中K含量在20～40 cm处较0～20 cm处增加了9.5%，40～60 cm处与0～20 cm处的含量基本相同(图6)。CK处理下0～20 cm 处土壤中N和P含量较原始基础土壤显著降低，但20～40 cm处N和P含量分别增加了83.8% 和39.5%，40～60 cm处N和P含量分别增加了20.3%和68.9%。微孔膜灌溉随水施肥条件下，0～20 cm处中N和P含量均表现为FE处理下最高、FA处理下最低，且在各处理下均高于原始基础土壤；20～40 cm处各处理下N含量，均显著高于原始基础土壤，且除FA处理与CK无显著差异外均较CK处理显著增加；20～40 cm处各处理下P含量，均低于CK处理，但除FA处理较原始基础土壤降低18.6%外均与原始基础土壤差异不大；40～60 cm处各处理下N含量高于原始基础土壤和CK处理，且均达显著水平，而P含量均高于原始基础土壤低于CK处理。与原始基础土壤相比，各深度的土壤K含量在CK、FA和FB处理下均无显著差异，FC处理下仅0～20 cm处土壤K含量差异显著(提高22.0%)，在FE和FD处理下则均显著增加且以FE处理下增加幅度最大。

图6 不同处理在不同土壤深度下对土壤养分特征的影响Fig.6 The effect of different treatment on soil nutrient characteristics under different soil depth

2.5 不同处理对黄瓜果实品质的影响

从表2可以看出，微孔膜灌溉条件下各处理的维生素C含量均与CK处理无显著性差异，但FC和FD处理下维生素C含量分别比FE处理提高64.5%和78.5%，达显著水平。同CK处理相比，FA、FB、FC和FD处理使可溶性糖含量下降，FE处理下无显著变化。黄瓜果实可溶性蛋白含量在FC处理下较CK处理提高21.5%，其他处理下可溶性蛋白含量均与CK处理的差异不明显。微孔膜灌溉条件下各处理间黄瓜果实可溶性固形物含量无显著差异，但FA和FD处理使可溶性固形物含量较CK处理分别显著提高了12.5%和14.6%。

表2 不同处理对黄瓜果实品质的影响Table 2 Effects of different treatment on cucumber fruit quality

2.6 不同处理对黄瓜产量和水肥利用效率的影响

由表3可知，同CK处理相比，FB、FC和FD处理显著提高了黄瓜产量，且在FC处理下最大，达到20.98 kg/m2，但微孔膜灌溉条件下随水施不同肥量处理间差异不显著。水分利用效率在CK处理下最低，在FB、FC和FD处理下分别为CK处理的1.88、1.53和1.58倍，均达显著水平。肥料偏生产力在FA、FB和FC处理下分别较CK处理下显著增加了60.6%、37.8%和18.6%，FD和FE与CK处理的差异不显著。

表3 不同处理对黄瓜产量和水肥利用效率的影响Table 3 The effect of different treatment on cucumber yield, water and fertilizer use efficiency

2.7 不同处理对黄瓜品质、产量和水肥利用效率影响的综合评价

由于选用单一指标评价会得出不同的最优施肥量处理，因此以品质、产量和水肥利用效率为评价目标，采用隶属函数法综合评价了不同施肥量处理对黄瓜的综合影响，得分越高施肥处理效果越好。从表4可看出，微孔膜灌溉条件下施肥以FC处理的综合评价得分最高，其次为FD,FB和FA,FE的综合评价得分最低，但高于CK，说明微孔膜灌溉条件下适宜黄瓜生产的最优施肥量为FC处理，即81.0 kg/667 m2。

表4 不同处理对黄瓜影响的综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of the effect of different treatment on cucumber

3 讨论与结论

肥料可为作物生长发育提供必需的营养元素，对作物生长有重要影响。本研究结果发现微孔膜灌溉条件下随水施不同肥量对根和茎干重无显著影响，而FA处理下叶片干物质量较FB处理显著减少，且较其他各处理减少28%左右，这表明低施肥量下会由于养分供应不足造成叶片干物质积累的减少。叶片是进行光合作用的器官，在养分供应充足时，植株向叶片分配的干物质越多，叶片生长越迅速，叶肉细胞和截获的光能越多，有利于提高光合作用。但本研究中微孔膜灌溉条件下净光合速率在FC处理中最大，FE处理下最低。前人研究证明营养元素富集过多会导致CO2通过气孔和叶肉细胞间隙时的扩散阻力增加，还会影响光合作用中相关代谢酶的活性而使光合作用减弱[20-22]。FE处理中，胞间CO2浓度较大，而气孔导度在各处理间无显著差异，说明施肥量过高引起了非气孔因素限制，进而使光合作用减弱。相反，FC处理下胞间CO2浓度最低，气孔导度较高，非气孔因素对光合作用的限制较小，从而改善了光合作用，其净光合速率最高。

植物吸收的矿质营养元素参与体内的诸多生理代谢过程。本研究结果表明，同CK处理相比，微孔膜灌溉随水施不同肥量可使黄瓜根、茎和叶中P含量及植株总P含量发生显著的改变，且均以FC处理下含量最高，其中根和植株总P含量与其他处理差异均达显著水平。P可参与碳水化合物的合成、转化与运输，对产量的形成有明显的促进作用[23-24]，本研究结果也证明FC处理下黄瓜产量最高。微孔膜灌溉条件下中高施肥量处理的茎和叶中K含量显著低于低施肥量处理，但根系中K含量无显著差异。K在植物体内主要以离子形式存在，随蒸腾流向地上部运输，而在中高施肥量处理下蒸腾速率也较低，蒸腾作用的减弱可能抑制了K的向上运输，使得茎叶中K含量减少[24]。此外，由于黄瓜结果期植株体内K会向果实中转移，果实累积量越多产量越高[25]。本研究中通过分析黄瓜植株中K总积累量和产量间关系，发现两者间呈负相关关系(R2=-0.97，P<0.01)。因此，中等施肥量下植株体K含量低于其他处理，可能是由于K向果实中转移较多。

耕层土壤中营养元素含量受植物和施肥量的影响，一方面植物在生长过程会吸收大量的营养元素，另一方面表层土壤中营养元素会随水分向下迁移[26-27]。本研究中，CK处理由于采用沟灌随水施肥，水分下渗速度较快，从而表现出20～40 cm和40～60 cm处元素含量高于原始基础土壤。微孔膜灌溉条件下水分入渗较慢，在表层土壤富集较多，且随施肥量越大富集越多。同时，微孔膜灌溉条件下不同施肥量处理中20～40 cm和40～60 cm处元素含量也多高于原始基础土壤，说明本试验中所用土壤肥力可能较高，而植物对肥料吸收利用有限，从而造成富集。

施肥过多或过少都不利于产量的提高[28-29]。本研究发现微孔膜灌溉条件下FC处理黄瓜产量达到最高值为20.98 kg/m2，较CK处理显著提高15.7%，但不同随水施肥量处理间差异不显著，这可能是由于试验所用土壤肥力较高，造成了不同处理间差异减小。维生素C含量作为评价黄瓜果实品质的一个重要指标，微孔膜灌溉条件下FC和FD处理达最大值，而FE处理下最小，且差异显著，表明适量施肥有利于维生素C的形成。肥料偏生产力受肥料供应水平的影响较大，研究发现施肥量和产量间存在二次函数的关系，施肥量超过一定量时肥料的增产效应降低，故最大肥料利用率多出现在肥料供应量较低的情况下[30-31]。本研究结果也表明微孔膜灌溉条件下随水施肥量越低肥料偏生产力越高，高施肥量处理FD和FE间肥料偏生产力无显著差异。

本研究采用隶属函数法，通过综合评价得出微孔膜灌溉条件下适宜黄瓜的施肥量为81.0 kg/667 m2(其中N 14.58 kg/667 m2;P2O56.48 kg/667 m2;K2O 17.82 kg/667 m2)，较膜下沟灌增产15.7%、肥料偏生产力提高18.6%和水分利用效率提高50.0%，果实品质也有所提升。蒋静静等[28]发现在滴灌条件下采用水肥一体化技术适宜黄瓜生产的最佳施肥为N 13.2～16.3 kg/667 m2、P2O55.5～6.8 kg/667 m2和K2O 17.3～21.5 kg/667 m2，与本研究结果类似，但其推荐的灌水量为本研究采用灌水量的70%左右，这是由于滴灌比微孔膜灌溉节水效果更好。然而，樊兆博等[32]对滴灌系统投入的研究表明，滴灌设备的投入为2.7万元/hm2，使用期为5年，本研究中利用的是无破损废旧棚膜，相较滴灌系统投入较低。因此，微孔膜灌溉施肥可作为一种有效的节肥增产技术。