不同水肥处理对苹果品质的影响

杨 凯，郭 华，石美娟，窦彦鑫，王芸芸，续海红

（山西农业大学果树研究所，太原030031）

0 引 言

我国是世界上最大的苹果生产国和消费国，同时也是干旱缺水较为严重的国家之一。山西作为苹果栽植大省，果园仍以地面漫灌为主，不仅浪费水资源、灌溉水利用率低，而且还影响果实产量和品质。为此，节水灌溉势在必行。

如何利用合理的灌溉技术获得品质优的果实，成为国内外研究者关心的问题。刘小刚等[1]以4 a 生芒果树为试材，发现轻度亏水灌溉、花芽分化期高肥、开花期低肥和果实膨大期中肥组合为干热区芒果高效生产的最佳水肥耦合模式。毛钧等[2]基于大田试验数据，对APSIM-Sugar 模型进行了适应性评估，分析了云南德宏蔗区的最优播期和水氮管理耦合方案。张兴国等[3]以5 a 生葡萄为研究对象，发现滴灌处理中水低肥处理下温室葡萄果实品质最佳。由此可见，果实品质是灌溉施肥模式的直接响应，而品质评价又是判断果实品质的直接方法。

品质评价是通过测定果实质地和风味等指标，采用数理统计方法，对果实品质的优劣进行排序，从而选取品质优的果实，进而判别最佳灌溉施肥模式。近年来，学者们利用计量统计软件，将众多指标纳入评价体系，其中主成分分析法、灰色关联分析法等[4-6]广为应用。王琴等[7]对南疆地区的11 个樱桃品种进行了主成分分析，分析结果显示紫黑色系早大果和美早、深红色系拉宾斯、红色系艳阳的综合品质最好；叶霜等[8]建立了基于组合赋权的果实品质综合评价模型-TOPSIS模型，经过分析发现该模型适用性强且使用方便；张海英等[9]用灰色关联度分析法对桃的品质进行了评价，经过与等权关联度相比，灰色关联度分析法更全面；樊保国等[10]利用相关分析和改良的因子分析对干枣品质指标进行了分析，筛选出中阳木枣系品种中适宜制干的优良品种；张彪等[11]基于BP 人工神经网络算法，对苹果原料制干适宜性进行评价，实现了苹果原料制干适宜性的定量预测。

前人研究成果为果实品质评价奠定了良好的基础[12,13]但也存在一定不足，如解释变量具有模糊性、缺乏普适易用性等。为了更加全面、更加精准的进行合理灌溉施肥，本研究以山西省农业科学院果树研究所栽培的苹果树“晋富”为试材，在不同的灌溉施肥模式下，采用GC-ITOPSIS 模型，基于博弈论思想，利用MATLAB 软件对苹果品质进行评价，确定最佳的灌溉施肥模式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究在位于山西太谷的山西农科院果树研究所苹果园进行。试验所在地区冬季少雪干冷、夏季炎热多雨，年均降雨量约458 mm，年平均气温冬季在10 ℃以下，夏季约为22 ℃。果园土壤质地为粉砂壤土，土壤容重1.47 g/cm3，土壤中全氮、有效磷、速效钾含量分别为0.082%、14 mg/kg、120 mg/kg，土壤有机质含量为13.6 g/kg，土壤PH 为8.32，田间持水量为30%。灌溉方式为滴灌，水源为井水。本研究试材为SH6为中间砧嫁接的7 a生“晋富”，株行距为4 m×2 m。

1.2 试验方法

本研究挑选长势基本一致且无明显病虫害的苹果树，于2016年10月至2017年11月进行灌溉施肥处理。滴灌带布置采用双行毛管平行布置，滴孔设置在冠幅下距果树主干0.5 m处，滴头流量1.8 L/h。灌水时间及灌水量通过定期监测土壤水分状态确定，当土壤水分低于灌水下限时进行灌溉。施肥以滴灌水肥一体化的方式施用，氮肥用量根据处理需要确定，P2O5和K2O 用量各处理都相同。N∶L∶K 施用比例为1∶0.7∶1，其中氮肥由总N 为32%的高水溶性尿素硝酸铵溶液提供，磷肥由P2O5为52%的高水溶性肥生物磷提供，钾肥由K2O 为60%的高水溶性生物钾提供。

对照处理的灌水方式为沟灌，施肥方式为沟施。

各试验处理氮肥分4 次施入：2016年10月(20%)，2017年4月初(30%)、6月上旬(30%)和7月底(20%)。磷、钾肥按总量的25%分4次同氮肥一同施入。

试验共设9 个处理，1 个对照(CK)，每个处理5 株树，3 次重复。灌溉以土壤含水量达到田间持水量θc的某一比例为标准，设置3个灌水下限处理：50%θc(W1)、60%θc(W2)、80%θc(W3)，当土壤水分低于灌水下限时进行灌溉，达到田间持水量停止灌溉。施肥各处理P2O5和K2O 用量不变，施氮量设置3个处理：50 kg/hm2(F1)、100 kg/hm2(F2)、200 kg/hm2(F3)。对照组的灌水下限和施肥量与W2F2处理保持一致。

以灌水下限和施氮量为变量，进行两因素有重复试验，试验处理如表1所示。

表1 试验设计方式Tab.1 Test design method

1.3 测定项目与方法

本研究于2017年果实成熟期，在不同试验处理下，从东、西、南、北4 个方向随机采集20 个苹果，进行果实品质的测定，取其平均值作为测定结果。

单果重采用电子秤进行测量；果皮穿刺强度、果皮韧性、果肉平均坚实度、果肉纤维指数(细度)利用英国产TA-XT PLUS物性测试仪进行样品测定。可溶性固形物测定利用PAL-1糖度计测定；果形指数是通过采用游标卡尺测量果实的横径和纵径，通过纵、横径的比值进行计算；样品酸度利用835 N酸度计测定。

土壤体积含水率采用TDR(TRIME-PICO IPH 测量系统)测定，在降水或灌水后加测。测点垂向深度为100 cm，每20 cm 测定一次，径向距离分别距离树干30、60、90 cm，测点所连成的直线垂直于滴灌管。

2 GC-ITOPSIS模型

灰色关联分析法(GC)是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，作为衡量因素间关联程度的一种方法。改进优劣解距离法(ITOPSIS)是通过赋权的TOPSIS 模型改进获得，即根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的方法，是在现有的对象中进行相对优劣的评价。GC-ITOPSIS 模型是由GC 与ITOPSIS 耦合而成，耦合后的模型调节了两种方法不一致的评价结果，为了应对两种方法评价结果的冲突，本研究引入博弈论，分析两种方法之间相互竞争又协调一致的关系，以确定组合系数。

设原始评价矩阵X=(xij)m×n，xij为第i个样本中的第j个指标所属值。

(1)数据标准化。各指标标准化后的值为Y1，Y2，…，Yk.，其中：

(2)加权决策矩阵。

式中：μ为各指标权重，采用熵权法确定。

(3)正理想解与负理想解。

式中：*代表“+”或“-”，下同。

(5)灰色关联度。

式中：ρ取0.5。

(6)数据无量纲处理。

式中：A代表D和R；a代表d和r。

(7)距离贴近度c和灰色关联贴近度f。

(8)利用博弈论思想确定组合系数β。

(9)计算综合贴近度矩阵E。

式中：W1为距离贴近度矩阵；W2为灰色关联贴近度矩阵。

3 结果与分析

3.1 不同灌溉施肥方式对苹果品质的影响

3.1.1 滴灌灌溉施肥模式下，不同灌溉施肥量对品质的影响

本试验在滴灌条件下设置了3 个施氮处理(F1、F2、F3)，每个施氮处理下有3 个灌水下限(W1、W2、W3)。为研究不同灌溉施肥量对果实品质的影响，本文对不同试验处理的果实品质结果进行了显著性差异分析，如图1所示(图1中不同小写字母表示各处理间差异显著P＜0.05)。

滴灌灌溉施肥模式下，施肥水平为F1 时，随着灌水下限的升高，果皮脆性、果肉硬度、果形指数、单果重呈先上升后下降的趋势，果皮硬度呈先下降后上升趋势，果肉细度和可溶性固形物呈逐渐升高趋势，酸度呈逐渐下降趋势。

施肥水平为F2 时，随着灌水下限的升高，果肉细度、果肉硬度、可溶性固形物、果形指数、单果重呈先上升后下降的趋势，果皮脆性、酸度呈先下降后上升趋势，果皮硬度呈逐渐升高趋势。

施肥水平为F3 时，随着灌水下限的升高，果皮脆性、果皮硬度、单果重呈先上升后下降的趋势，果形指数呈先下降后上升趋势，果肉硬度和酸度呈逐渐升高趋势，果肉细度、可溶性固形物呈逐渐下降趋势。

3.1.2 不同灌溉施肥方式对品质的影响

对照组CK 灌溉方式为沟灌，灌水下限为60%θc，施氮量为100 kg/hm2，与W2F2 处理中水滴灌灌溉的施氮量和灌水下限相同。为此，本研究通过对比分析CK 和W2F2 处理的果实品质和灌水量，研究不同灌溉施肥方式对果实品质的影响，从而选取合理的灌溉施肥方式。对比分析结果如图2所示。

对比结果表明，CK 较W2F2 处理，果皮脆性和果皮硬度有所提高，其余指标均降低，而灌水量为W2F2 处理近3 倍，主要原因在于滴灌可以减少水分地面蒸发，而沟灌虽然水量满足了果树生长需求，但存在一定的深层渗漏，造成了大量无效灌水。由此说明，滴灌施肥不仅提高了果实品质，而且节约了灌水量，是比较科学合理的灌溉方式。

3.2 果实品质评价

3.2.1 权重的确定

本研究依据熵权法确定各指标权重，即用熵值来判断某个指标的离散程度，其信息熵值越小，指标的离散程度越大，该指标对综合评价的影响(即权重)就越大，结果见表2。

由表2可看出，酸度在品质评价中最为重要，其次是果形指数、单果重、果皮脆性、可溶性固形物含量、果肉硬度、果皮硬度、果肉细度。

3.2.2 正理想解与负理想解的确定

依据公式(3)和(4)，在加权决策矩阵的基础上，确定正、负理想解如下：

表2 果实品质指标权重值Tab.2 Weight value of fruit quality index

T+=[0.066 9，0.126 2，0.075 1，0.065 7，0.109 1，0.178 5，0.136 8，0.241 5]

T-=[0，0，0，0，0，0，0，0]

3.2.3 综合评价

由于果实品质指标较多，依据单个品质指标无法准确判断果实品质的优劣，亦无法确定最佳灌溉施肥模式。为此，本研究采用GC-ITOPSIS 模型，对不同灌溉施肥条件下的9 个处理和1 个对照处理CK 进行果实品质评价。即通过Matlab 软件，在确定权重和正、负理想解的基础上，基于公式(6)～(12)确定了10个不同处理下果实品质的距离贴近度c和灰色关联贴近度f，并通过博弈论思想，计算出贴近度的组合系数β1和β2，求得综合贴近度E，进而判别最佳灌溉施肥模式，结果如表3所示。

本研究基于博弈论思想，对距离贴近度和灰色关联贴近度进行耦合，进而得出综合贴进度。由表3 综合评价结果可知，不同灌溉施肥处理下，综合贴近度E值越大，综合评价结果越好。由此可见，果实品质优劣顺序为：W2F2、W3F1、CK、W3F2、W1F2、W2F1、W1F3、W2F3、W3F3、W1F1 处理。研究结果表明，高水高肥和低水低肥的灌溉施肥方式均不利于果树的生长，即灌水下限为60%θc、施氮量为100 kg/hm2的中水中肥灌溉施肥条件下，苹果果实品质最佳。

表3 果实品质评价结果Tab.3 Fruit quality evaluation results

将GC-ITOPSIS 模型得到的不同灌溉施肥处理苹果品质的综合评价排序与单一品质排序进行Pearson 相关性分析，结果见表4。由表4 可知，综合评价排序与大多数单一品质指标呈正相关，其中与果肉硬度、果肉细度、可溶性固形物含量和酸度呈极显著正相关。因此，采用GC-ITOPSIS 模型确定的苹果品质综合排序与大多数单一品质排序结果基本一致，说明GC-ITOPSIS模型完全可以用于果实综合品质的评价。

表4 综合评价排序与单一品质排序的相关性Tab.4 Correlation between comprehensive evaluation ranking and single quality ranking

4 讨 论

近年来，滴灌在果园得到普遍使用，尽管节约了灌水量，但不合理的灌溉制度和施肥量，导致果实产量减少、果实品质下降，制约了当地农业的生产和发展。基于此，本研究分析了不同灌溉施肥模式对苹果品质的影响，建立了综合评价模型，确定了适宜灌水量和施肥量，为滴灌模式下苹果果园的水肥管理提供参考。灌水量和施肥量过高和过低均会抑制果实的生长发育。梁博惠等[14]通过研究不同灌水施肥条件对苹果品质的影响，通过单一指标评判出中水中肥的果实品质最佳；贺琦琦[15]在滴灌条件下设置不同施肥量，利用多层次模糊综合分析法发现，中肥为最佳施肥量；张鹏[16]设置了不同的灌溉水平和施肥水平，两两正交，经过2 a 的连续测定，利用TOPSIS 综合评价法，发现连续两年的最佳灌溉施肥模式均是中水中肥。由此可见，前人通过不同评价方法，在不同试验地区，对滴灌条件下的最佳灌水施肥量的结果均为中水中肥，与本研究结果一致，主要原因在于，灌溉施肥量过多或过少均会影响果实品质，不利于最佳果实生长发育。

5 结 论

(1)相同灌水下限和施氮量条件下，通过对传统灌溉和滴灌模式下的果实品质和灌水量进行对比分析，发现滴灌灌溉不仅提高了果实品质，而且节约了灌水量，灌水量仅为传统灌溉的30%，是较为合理的灌溉方式。

(2)通过对9 个滴灌处理和1 个沟灌对照组的果实品质进行综合评价，发现灌水下限为60%θc、施氮量为100 kg/hm2时，果实品质最佳。

(3)本研究提出的基于博弈论的GC-ITOPSIS 模型，综合了GC 模型和ITOPSIS 模型的特点，克服了单一评价方法的缺陷，并采用博弈论思想进行组合系数的计算，分析了两种方法之间相互竞争又协调一致的关系，提高了果实评价的准确性；同时减少了人为主观因素的影响，使得评价结果更加科学、客观。