灌水量和种植密度对干热河谷洋葱生物量及养分吸收利用的影响

李建查，潘志贤，李 坤，岳学文，史亮涛，张 雷，孙 毅，和润莲，王艳丹，何光熊，段琪彩，方海东*

（1.云南省农业科学院 热区生态农业研究所，云南 元谋651300；2.云南省水利水电科学研究院，昆明650228）

0 引 言

【研究意义】作物产量主要由品种、密度、微生物等生物因子和水分、养分、光照、温度、土壤类型等非生物因子决定。密度是决定作物高产的重要生物因素，并且对作物所需要的光照、水分和养分等非生物因子有明显影响。密度通过改变植物的形态结构和体内养分关系[1]，以适应环境资源竞争，对植物的生物量、产量和养分积累量等产生重要的影响。合理密植是提高作物产量的重要途径，通过改变单位面积土壤内可提供给植株水分和养分量的多少，提高作物产量和水分养分利用效率。如何实现作物水分、养分资源的高效利用是农业生产中协调经济、生态和社会效益的关键问题，同时优化水分和养分资源高效利用模式是实现农业节水减肥增产增效生产目标的重要技术途径。【研究进展】有研究表明，随着种群密度的增大，植物个体生物量下降[2]，N 利用效率的改变[3]，C/N 降低[4]。徐春丽[5]研究了种植密度对不同品种玉米生长及养分吸收的影响发现，适当增加种植密度有利于提高玉米N 吸收效率。李龙[6]研究了种植密度对玉米产量和养分积累转运的影响发现，适当降低种植密度有利于提高玉米N 利用效率。胡俊杰等[7]研究发现黄洋葱高产定植密度为15 cm×15 cm。刘静等[8]研究发现膜下滴灌适当增加灌水量可以提高黄洋葱产量和水分利用效率。邢英英等[9]研究了灌水量对番茄养分吸收的影响，方栋平等[10]研究了灌水量对黄瓜养分吸收的影响，均发现灌水量越大，作物N、P、K吸收效率越高。Watt 等[11]研究表明，作物高产、优质生产是以较高的生物量为前提的，而生物量的累积则以水分利用和养分吸收利用为基础，而养分的运转必须通过水分的运输[12]。水分和密度是影响单位面积作物产量和水分养分利用效率的2 个重要因素，而且二者之间存在密切的相互作用[13]，前人研究聚焦在水分或者密度单个因素对作物养分吸收利用研究，对水分与密度交互作用对作物养分吸收利用的研究较少。

【切入点】洋葱是世界第三大蔬菜作物，因其具有抗氧化、抗血栓、抗血小板凝集、抗糖尿病等药用和保健价值，被誉为“蔬菜皇后”[14]。目前我国洋葱有东北、西北寒冷地区春栽秋收，华北及长江流域秋栽夏收及华南地区冬栽春收等多种茬口[15]。由于环境条件的差异，洋葱生长发育规律明显不同，势必影响洋葱水分、养分吸收利用效率。近年来，洋葱在元谋干热河谷农业产业结构调整中发挥重要作用，种植规模不断扩大，与此同时，不合理灌溉和种植密度等问题导致水肥需求持续增加，水分、养分利用效率持续降低。【拟解决的关键问题】因此，研究灌水量和种植密度及其交互作用对洋葱生物量和养分吸收利用的影响，揭示水分和密度管理模式的洋葱营养策略和节水减肥增产增效机制，提高洋葱产量、养分利用效率和灌溉水利用效率，明确合理的灌水量和种植密度模式，以期为元谋干热河谷以及类似区域的洋葱种植水肥管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在位于云南元谋干热河谷的云南省农业科学院热区生态农业研究所灌溉试验基地进行。元谋干热河谷地处滇中高原北部，地理位置为25°23′—26°06′N，101°35′—102°06′E，平均海拔为1 350 m。年平均气温21.9 ℃，无霜期305～331 d，年降雨量611.3 mm，蒸发量是降水量的5～6 倍。该区域光热资源充足，年平均日照时间7.3 h/d。试验区土壤为砂壤土，土壤体积质量1.44 g/cm3，田间持水率19.42%（土壤质量含水率），pH 值6.4，有机质量6.10 g/kg，全氮量0.50 g/kg，碱解氮量39 mg/kg，全磷量0.188 g/kg，有效磷量30.38 mg/kg，全钾量7.44 g/kg，速效钾量129 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设2 个种植密度水平：高密度（D1），22.12万株/hm2；低密度（D2），11.88 万株/hm2；3 个灌水量水平：高水（I1），7 000 m3/hm2；中水（I2），4 550 m3/hm2；低水（I3），3 300 m3/hm2。

试验采用完全随机区组设计，每个处理3 个重复，共18 个小区，小区面积为15 m2（15 m×1 m），每个小区安装1 个水表计量灌溉用水量，采用膜下滴灌。供试洋葱为黄洋葱，品种为沙福；于2019年11月16日移栽，2020年4月27日收获；生育期有效降雨量为0 mm。采用大垄种植方式，垄宽为100 cm，高密度处理：每垄种植4 行，行距、株距分别为15、15 cm；低密度处理：每垄种植3 行，行距、株距分别为20、20 cm。生育期洋葱施肥量为纯氮495 kg/hm2、P2O5495 kg/hm2和K2O 495 kg/hm2，苗期、发叶期、鳞茎膨大期的施肥量分别占总施肥量的20%、50%和30%。各处理的化肥、农药及其他田间管理措施均完全一致。

1.3 样品采集与分析

1）器官生物量和经济产量

洋葱成熟期采集植株样品，每个小区随机选取5株代表性植株，按照鳞茎、叶、薹分类，然后分别装入纸袋，放入烘箱中于105 ℃下杀青30 min，然后在75 ℃条件下恒温烘干至质量恒定后，用天平测定生物量（精确到0.01 g），用洋葱鲜鳞茎质量计算经济产量。

2）含营养元素量

同一个小区的所有烘干样品称质量后放在一起，混合均匀后取一部分粉碎并过筛，用于测定样品全C、N、P、K、Ca、Mg、Na 量。样品全C、N 量采用元素分析仪（vario MACRO cube,Elementar GmbH）测定，P、K、Ca、Mg、Na 量采用ICP 电感耦合等离子体发射光谱仪测定。

3）器官生物量分配比例

器官生物量分配比例=器官生物量/地上总生物量；鳞茎比例、叶比例和薹比例分别为鳞茎生物量、叶生物量和薹生物量占地上总生物量的比例。

4）水分和养分吸收利用效率

灌溉水利用效率WUE（kg/m3）=洋葱群体经济产量（即鳞茎鲜质量）（kg/hm2）/单位面积灌水量（m3/hm2）；养分吸收效率AE（kg/hm2）=养分总积累量（kg）/种植面积（hm2）；养分利用效率UE（kg/kg）=产量（kg/hm2）/养分吸收量（kg/hm2）。

养分收获指数可反映作物生长后期养分向收获器官转移的强度，以地上部养分总累积量中收获器官的养分累积量的占比衡量，即：养分收获指数HI=收获器官中养分累积量（kg）／全植株养分总累积量（kg）[16]。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0 进行多元方差分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 灌水量和种植密度对洋葱生物量的影响

由表1 可知，灌水量对洋葱WUE有显著影响；种植密度对洋葱鳞茎生物量、叶生物量、总生物量、薹生物量、薹比例和抽薹率有显著影响；灌水量与种植密度之间存在明显互作效应，并对洋葱鳞茎生物量、总生物量、叶生物量、鳞茎比例、抽薹率和WUE有显著影响。I3 处理洋葱WUE显著高于I1 和I2 处理，I1 和I2 处理的洋葱水分利用效率差异不显著。D2 处理洋葱鳞茎生物量、叶生物量和总生物量均显著高于D1 处理，D1 处理洋葱薹生物量、薹比例和抽薹率均显著高于D2 处理，D1 处理与D2 处理的洋葱鳞茎比例、叶比例、经济产量和WUE差异均不显著。I2D2 处理的洋葱鳞茎生物量、叶生物量、总生物量和鳞茎比例均显著最高，I3D2 处理的洋葱鳞茎生物量、叶生物量、总生物量和鳞茎比例仅次于I2D2 处理，但其洋葱抽薹率最低，水分利用效率最高，并且每亩经济产量仅比I2D2 处理减少472 kg。可见，灌水量对洋葱WUE发挥主导作用，低水处理有利于提高洋葱水分利用效率；种植密度对洋葱生物量和抽薹率发挥主导作用，低密度处理有利于提高洋葱生物量，降低洋葱抽薹率。

表1 不同灌水量、种植密度下洋葱生物量Table 1 Onion biomass under different irrigation amount and planting density

2.2 灌水量和种植密度对洋葱养分吸收利用的影响

洋葱N、P、K、Ca、Mg 吸收效率的高低为：N＞Mg＞K＞Ca＞P。灌水量对洋葱P、K、Mg 吸收效率、N、K、Mg 利用效率以及K、Mg 收获指数有显著影响；种植密度对洋葱N、P、Mg 吸收效率、N 利用效率、K 收获指数有显著影响；灌水量与种植密度之间存在显著互作效应，并对P 吸收利用效率、K、Ca收获指数有显著影响（表2）。体现了灌水量是影响洋葱K 吸收利用的主导因素，种植密度是影响洋葱N吸收利用的主导因素。

表2 灌水量、种植密度及其交互作用下洋葱养分吸收利用效率Table 2 Nutrient absorption and utilization efficiency of onion under irrigation amount,planting density and their interactions

由表2 可以看出，I1 处理洋葱P、K、Mg 吸收效率、N 利用效率、Mg 收获指数显著最高，I2 处理K 利用效率显著最高，I3 处理P、Mg 利用效率、K收获指数显著最高，高灌水量处理提高养分吸收效率，低灌水量处理提高养分利用效率。D1 处理N、P、Mg 吸收效率显著高于D2 处理，D2 处理N、P、K、Ca、Mg 利用效率均高于D1 处理，高密度处理提高养分吸收效率，低密度处理提高养分利用效率。I1D1处理洋葱N、P、K、Ca、Mg 吸收效率、Mg 收获指数显著最高，I1D2 处理洋葱N、P、K、Ca、Mg 收获指数均较高，I2D2 处理P、K 利用效率显著最高，I3D1 处理N 吸收效率和Ca 收获指数显著最高，I3D2处理N、Mg 利用效率、N、P、K 收获指数利用效率显著最高，高水高密度、高水低密度和低水高密度处理提高养分吸收效率，低水低密度处理提高养分利用效率。

2.3 生物量、养分吸收利用的关系

相关性分析显示（表3），洋葱抽薹率与总生物量、鳞茎生物量、K 收获指数显著负相关。经济产量与WUE、总生物量、鳞茎生物量、N、P 利用效率、N 收获指数、K 吸收效率、Mg 收获指数显著正相关；WUE与鳞茎生物量、N 收获指数、P 利用效率、Mg利用效率显著正相关。鳞茎生物量与总生物量、N 利用效率、K 收获指数、Mg 利用效率、Mg 收获指数显著正相关；总生物量与N 利用效率显著正相关。N 吸收效率与K 吸收效率显著正相关；N 利用效率和收获指数均与K 收获指数、Mg 收获指数显著正相关。K 吸收效率和收获指数分别与Mg 吸收效率和收获指数显著正相关；P 吸收效率与Mg 吸收效率显著正相关。

表3 洋葱生物量、养分吸收效率、养分利用效率、养分收获指数相关性Table 3 Correlation of biomass,nutrient absorption efficiency,Nutrient utilization efficiency and nutrient harvest index of onion

2.4 灌水量与种植密度对生物量和养分积累量的交互作用

根据特征根大于1 的原则，提取得到7 个主成分，7 个主成分的累计方差贡献率达到92.24%，即提取的7 个主成分可以解释全部指标92.24%的信息，可认为7 个主成分基本反映了24 个指标所涵盖的大部分信息（表4），可以用来反映洋葱生物量及养分利用效率的变异性。从各主成分的载荷可以看出（表5），指标抽薹率、经济产量、WUE、鳞茎生物量、叶生物量、总生物量、N 利用效率、N 收获指数、K 收获指数、P 利用效率、Mg 利用效率、Mg 收获指数在第1成分上有较高载荷，相关性较强，第1 成分集中反映了洋葱生物量、养分利用效率及收获指数情况；指标N 吸收效率、Ca 吸收效率、K 吸收效率、P 吸收效率、Mg 吸收效率在第2 成分上有较高载荷，相关性较强，第2 成分集中反映了养分吸收效率情况；第3 成分集中反映了P 利用效率情况；第4 成分集中反映了生物量分配情况；第5 成分集中反映了Ca 收获指数情况；第6 成分集中反映了叶生物量情况；第七成分集中反映了C/N 情况。各主成分得分及综合得分显示（表6），I3D2 综合得分最高，表明I3D2 的洋葱可以获得较好生物量特征、水分利用效率和养分吸收利用效率。根据7 个主成分得分计算各组试验光合特征的综合得分Fi， 计算公式为：Fi=（0.31×F1+0.18×F2+0.12×F3+0.12×F4+0.09×F5+0.05×F6+0.04×F7）/0.92（式中F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7 为主成分1、2、3、4、5、6、7 的得分）[17]。

表4 主成分的特征根及贡献率Table 4 Eigen values and contributions of principal components

表5 生物量和养分在各主成分中的因子负荷量Table 5 The factor load of the biomass characteristics in each principal component

表6 不同处理生物量和养分积累量指标主成分得分及综合得分Table 6 The principal component score and the comprehensive score of the biomass characteristics

3 讨论

在本试验灌水量范围内，I1 处理洋葱N 利用效率、P、K、Mg 吸收效率和Mg 收获指数显著最高；I2 处理洋葱K 利用效率显著最高；I3 处理洋葱WUE、K 收获指数和P、Mg 利用效率显著最高。适宜的水分供给提高了洋葱P、K、Mg 的吸收利用及其向收获器官转移强度，较大灌水量有利于洋葱P、K、Mg吸收，而适当降低灌水量有利于提高洋葱养分利用效率和水分利用效。可见，灌水量对洋葱WUE、P、K、Mg 的吸收利用发挥主导作用，提高P、K、Mg 吸收效率是高灌水量处理洋葱的营养策略，提高P、K、Mg 利用效率是低灌水量处理洋葱节水减肥、增产增效的营养策略。

肥力较高时个体生长良好，密度效应不明显；肥力较低时密度效应显著，增加种植密度时个体生长减弱[18-19]，N 吸收效率提高[5]，适当降低种植密度有利于提高N 利用效率[6]，促进个体生长。在本研究条件下，肥力水平相对较低，密度效应显著，低密度种植促进了洋葱生长，洋葱通过提高N、P、Mg 的养分利用效率，保障洋葱产量；而高密度种植的洋葱通过提高N、P、Mg 的养分吸收效率，保障洋葱产量，因此，密度对洋葱产量没有影响。种群密度对繁殖分配无显著影响，植株繁殖分配主要受土壤养分影响，其次是土壤水分；土壤养分充足时植株倾向于营养生长，土壤养分不足时植株繁殖分配较高；土壤水分充足时繁殖分配较高，水分不足时植株倾向于营养生长[2]。本研究条件下，D1 处理洋葱薹生物量和抽薹率均显著高于D2 处理；灌水量和种植密度对洋葱经济产量均没有显著影响。这可能与D1 处理洋葱种植密度较大，导致土壤养分不足，促进洋葱繁殖分配，提高抽薹率有关，同时，D1 处理洋葱单株效应下降程度对产量的影响未超出群体效应[20]。可见，种植密度对洋葱生物量、繁殖分配、抽薹率、N、P、Mg 的吸收利用发挥主导作用，提高N、P、Mg 的吸收效率是高密度处理洋葱的营养策略，低密度处理洋葱的营养策略是提高N、P、Mg 的利用效率，进而提高洋葱生物量，降低洋葱繁殖分配和抽薹率。

水分和密度是影响单位面积作物产量和水分养分利用效率的2 个重要因素，而且二者之间存在密切的相互作用，密度影响单位面积土壤内可提供给植株的水分和养分，而水分的运输又促进养分的运转[12]。本研究发现灌水量与种植密度互作效应对洋葱N、P、K、Mg 吸收利用效率及其向收获器官转移强度有影响，I1D1 处理提高了洋葱N、P、K、Ca、Mg 吸收效率，I3D2 处理提高了洋葱养分收获指数，促进N、P、K、Mg 向洋葱鳞茎转移，降低抽薹率。综合考虑洋葱个体生物量、抽薹率、群体产量、水分利用效率、养分吸收利用效率及养分收获指数等指标，运用主成分分析法得到I3D2 综合得分最高。可见，提高养分吸收效率是I1D1 处理的洋葱营养策略，I3D2 处理提高养分收获指数和水分利用效率。若以节水减肥增产增效为前提，则选择I3D2 处理模式。由于研究对象仅为黄洋葱品种，低水低密度模式是否适用于白洋葱和红洋葱品种还有待进一步研究。

生物量的积累与分配是作物产量形成的基础，而作物养分的吸收与利用又是其生物量的积累与分配的基础[21]。洋葱N、P、K、Ca、Mg 吸收效率的高低为：N＞Mg＞K＞Ca＞P，这与洋葱N 吸收量最高，K 次之，P 较低的研究结果一致[10]。由于磷的肥效迟缓，吸收效率较低，宜做基肥施用，以促进洋葱根系生长，保障洋葱安全越冬。相关性分析显示，洋葱抽薹率与K 收获指数显著负相关；经济产量与N 利用效率和收获指数显著正相关，WUE与N 收获指数显著正相关，鳞茎生物量、总生物量均与N 利用效率极显著正相关，这是因为氮素是蛋白质和叶绿素的主要成分，可促进植株生长，增加生物量[22]；钾素能促进碳水化合物的合成与运输，加速碳水化合物向收获器官的转运，促进收获器官膨大；含N、P、K 量与干物质积累极显著正相关[23]。可见，K 是影响洋葱抽薹率的主要营养元素，K 向鳞茎转移强度是控制洋葱抽薹的主要限制因子；N 是影响洋葱生物量、产量、WUE的主要营养元素，N 向鳞茎转移强度是影响洋葱生物量、产量、WUE的主要限制因子。有研究表明，施用一定质量浓度的镁肥可以提高茶树新梢对氮、磷、钾和镁养分的吸收量[24]，促进番茄N、P、K、Ca、Mg 的吸收[25]，促进小白菜对N、P、K、Mg的吸收[26]。本研究也发现Mg 的吸收利用效率与N、P、K、Ca 的吸收利用效率显著正相关，这表明，Mg的吸收利用明显促进洋葱N、P、K、Ca 的吸收利用，施用一定量的镁肥可以促进洋葱养分吸收利用。

4 结论

1）提高P、K、Mg 吸收效率是高灌水量处理洋葱的营养策略，而低灌水量处理洋葱通过提高P、K、Mg 利用效率，实现节水减肥增产增效目标；提高N、P、Mg 吸收效率是高密度处理洋葱的营养策略，而低密度处理洋葱通过提高N、P、Mg 的利用效率，进而提高洋葱生物量，降低洋葱抽薹率。

2）K 是影响洋葱抽薹率的主要营养元素，N 是影响洋葱生物量、产量、WUE的主要营养元素，Mg的吸收利用明显促进洋葱N、P、K、Ca 的吸收利用，N、P、K、Ca、Mg 吸收效率的高低为：N＞Mg＞K＞Ca＞P。可见，元谋干热河谷洋葱种植应适当施用P肥作为基肥，适当增加N 肥和K 肥的追施量，重视追施Mg 肥。

3）高水高密度处理洋葱通过提高养分吸收效率，保障洋葱高产高效生产，而低水低密度处理洋葱显著提高养分收获指数和水分利用效率，保障洋葱节水减肥增产增效生产。可见，在洋葱合理密植的基础上，需要科学调控灌水量，低水低密度（3 300 m3/hm2、11.88 万株/hm2）是元谋干热河谷黄洋葱实现节水减肥稳产增效种植的重要模式。