基于水肥一体化的苹果减肥施肥技术优化

张天皓，陶 茹，樊淼淼，高 华

(西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100)

据FAO统计，经过多年发展，我国苹果栽培面积在2018年达到207.2万hm2，占全球栽培面积的57.7%；总产量达到了3 923.50万t，占全球产量的54.5%[1]。作为世界上苹果种植最佳优生区之一的黄土高原，具有面积大、土层厚且土质洁净的优势[2]。该地区主要栽培的苹果品种为‘富士’，其栽培面积占该区苹果总栽培面积的65%[3]，但该地区降雨少和肥料利用率低一直是限制苹果产业发展的瓶颈[4]。

影响苹果产业健康发展的关键因素之一是科学合理施肥[5]。在我国，全国耕地总面积中苹果栽培面积仅占1.7%，但在化肥和农药消费量上却分别达到了217.3万t和14.1万t，占全国的3.7%和7.7%[6]。彭福田等[7]研究表明，目前我国苹果主要栽培区用氮量高达400～600 kg/hm2，是国外施氮量的2～3倍。过度施肥不仅造成了经济效益低、浪费严重，而且还造成了水体、土壤的污染等环境问题。因此，亟需根据地域特点，减少化肥的施用，因地制宜地建立科学合理的施肥模式，为苹果根系的生长和养分的活化提供最佳环境条件[8]。

2015年1月，农业部提出“一控两减三基本”的总体目标，其中“一控”是指控制农业用水总量和农业水环境污染；“两减”是指化肥、农药减量施用，实现化肥、农药用量零增长，并且使肥料、农药利用率达到40%以上[9]；“三基本”是指畜禽粪污、农膜、农作物秸秆基本得到资源化、综合循环再利用和无害化处理。水肥一体化正是实现这一目标的主要手段之一[10]。Klein等[11]研究表明，与其他施肥方式相比，苹果园中应用滴灌施肥技术获得了良好的效果。杨素苗等[12]研究表明，微灌溉能使苹果树体维持较高的根系活力，同时保持较高的产量和品质。张林森等[13]研究也表明，采用根域注射施肥可使苹果产量、品质及肥料利用率等均有显著提升。

然而，前人对水肥一体化技术的研究主要集中在提高水肥利用效率[14]、提质增效[15]等方面，而根据地域特点确定不同区域最佳施肥条件的研究尚不多见[16]。并且水肥一体化技术对作物提质增效等的研究多以粮食和蔬菜作物为主[17]，对苹果等果树的水肥一体化技术模式研究较少。基于此，本试验选择渭北旱塬典型苹果园，初步研究了传统施肥模式及水肥一体化模式下不同化肥施用量对苹果产量、肥料利用效率及果实品质等方面的影响，以期筛选出针对渭北地区苹果园的最佳施肥模式，为苹果园精准化管理提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

供试果园位于陕西省白水县，海拔850 m，年降水量577.8 mm，年平均气温11.4 ℃，极端最低气温为-13 ℃，年均无霜期227 d，年均日照时数2 112 h。供试土壤为褐土，基本理化性状为：pH 7.57，有机质7.37 g/kg，硝态氮13.8 mg/kg，铵态氮10.6 mg/kg，有效磷41.55 mg/kg，速效钾111.98 mg/kg。

以5年生矮化结果树‘玉华早富’为试材，基砧为新疆野苹果(Malussieversii)，中间砧为M26，株距1.5 m，行距4 m。供试N肥为尿素，P2O5肥为过磷酸钙，K2O肥为农用硫酸钾，有机肥采用腐熟牛粪。

1.2 试验设计

挑选长势基本一致且健康的苹果树为试材，采用“2+X”试验设计，其中“2”为常规施肥模式(CT)和双减模式(SJ)，“X”为水肥一体化模式WF1～WF4，共6个处理。CT为当地农户主要施肥模式，全年只施用化肥1.16 kg/株，不施用有机肥且不灌水；SJ为当地主要推荐化肥减量施用模式，全年化肥施用量为0.92 kg/株，有机肥施用量为20.00 kg/株，不灌水；水肥一体化模式中包括WF1～WF4共4个处理，化肥全年施用量分别为0.92，0.78，0.66，0.56 kg/株，根据前人研究结果[18]、树龄及实际土壤地力状况等确定m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2∶1∶2.2，有机肥用量均为20 kg/株，灌水量均为0.12 m3/株(根据前期调查结果确定)。每处理设6个重复，具体的施肥量和灌水量见表1。每个处理苹果树的栽培条件和管理水平一致。

CT模式的基肥于10月6日施入(施用N 60%，P2O540%，K2O 20%，不灌水)，追肥分别于萌芽期4月7日(施用N 20%，P2O530%，K2O 20%，不灌水)和果实膨大期6月10日(施用N 20%，P2O530%，K2O 60%，不灌水)施入；SJ模式的基肥于10月6日(施用N 60%，P2O540%，K2O 20%，有机肥100%，不灌水)施入，追肥于果实膨大期6月10日(施用N 40%，P2O560%，K2O 80%，不灌水)施入。CT模式、SJ模式的基肥和追肥均采用条沟状施肥的方式，即在距离树体主干左右两侧50 cm处挖深度和宽度大约30 cm的施肥沟，施肥后覆土。

WF1～WF4模式的基肥于10月6日采用条沟状施肥方式施入(施用N 60%，P2O540%，K2O 20%，有机肥100%，不灌水)；追肥均采用根域注射施肥的方式施入，分别于萌芽期4月7日(施用N 10%，P2O510%，K2O 5%，灌水0.02 m3/株)、萌芽后5月6日(施用N 10%，P2O510%，K2O 5%，灌水0.02 m3/株)及果实膨大期6月10日(施用N 5%，P2O510%，K2O 20%，灌水0.02 m3/株)、7月5日(施用N 5%，P2O510%，K2O 20%，灌水0.02 m3/株)、7月21日(施用N 5%，P2O510%，K2O 20%，灌水0.02 m3/株)和采收前8月16日(施用N 5%，P2O510%，K2O 10%，灌水0.02 m3/株)施入，全年共追肥6次。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 苹果产量指标的测定 在果实成熟期采摘不同处理苹果果实，对果实进行分级并称质量，调查单株果实数、单株果实产量和单果质量，计算果实商品率及肥料偏生产力。果实商品率(fruit commodity rate，FCR)是指果径≥70 mm果实数占果实总数的百分比，肥料偏生产力(fertilizer partial productivity，PFP)是苹果果实产量与施肥量的比值。

1.3.2 果实品质指标的测定 从树体东、南、西、北4个方向，在树冠外围果枝中部挑选大小一致、无机械病和虫害损伤及色泽均匀的果实20个以上，组成混合样，在采收后快速运回实验室，削去果皮，将果皮、果肉分别立即置于液氮中冻存。果实Vc含量采用钼蓝比色法测定[19]，果皮花青苷含量采用紫外分光光度法测定，果实可溶性总糖含量采用蒽酮比色法测定[20]，果实可溶性固形物含量使用ATAGO(PAL-1)手持数显折光仪测定，果实可滴定酸含量使用GMK-835F型酸度计测定，果实硬度使用GS-15型水果质地分析仪测定。另外计算固酸比，即苹果果实可溶性固形物含量与可滴定酸含量的比值。

采用顶空固相微萃取法提取果实的挥发性物质，用ISQ &Trace ISQ气相色谱-质谱联用仪(美国, 赛默飞科技有限公司)测定果实挥发性物质种类及其含量。

1.4 综合评价值的计算

1.4.1 基于主观层次分析(AHP)法的单一指标权重的计算 根据所测定的各个指标的性质和关联程度，建立综合评价层次结构关系。将综合指标目标层(C)分为产量指标(C1)和品质指标(C2)2个准则层；产量指标包括单果质量(C11)、果实产量(C12)、果实商品率(C13)和肥料偏生产力(C14)4个指标层；品质指标则包括果实Vc含量(C21)、果皮花青苷含量(C22)、果实可溶性总糖含量(C23)、果实固酸比(C24)、果实硬度(C25)、果实挥发性物质总含量(C26)和果实挥发性物质种类(C27)7个指标层。评估层次结构构建后，运用比例标度法确定属性指标间的优先级并建立判断矩阵，利用Yaahp 6.0软件计算各层次相应元素的权重，具体计算方法参见文献[21]。

1.4.2 基于熵权法的单一指标权重的计算 采用Microsoft Excel 2019软件计算单一指标权重。首先将苹果单一指标实测数据进行归一化处理，消除各指标间量纲不同的影响，然后采用熵权法计算各指标的客观权重，具体计算方法参见文献[22]。

1.4.3 基于博弈论的组合赋权法对单一指标最终权重的计算 根据博弈论原理，采用上述2种方法对指标进行赋权后，得到2个指标权重向量，从而可构造一个基本的权重集约化模型，其中必包含满意度最高的权重向量，采用Matlab 6.5软件对得到的集约化模型进行运算即可得到最终权重，具体计算方法参见文献[23]。

1.4.4 基于近似理想解(TOPSIS)法的综合评价值的计算 先采用向量归一化法对苹果单一指标实测值进行无量纲化(均视为正向指标)，得到苹果单一指标的理想解(S+)和逆理想解(S-)，然后根据组合赋权法确定的苹果单一指标最终权重，采用TOPSIS法形成加权判断矩阵，得到各处理与理想解的加权距离d+和与逆理想解的加权距离d-，最终可得各处理综合指标的相对贴合度(Cj，0

1.5 水肥一体化模式下苹果综合评价值对施肥量响应的分析

1.5.1 不同施肥量处理苹果综合评价值效应的计算 根据TOPSIS分析结果，采用Microsoft Excel 2019软件对苹果综合评价值进行拟合，建立不同施肥量与综合评价值的回归方程，即可得到不同施肥量对综合评价值的效应函数。

1.5.2 不同施肥量处理苹果综合评价值边际效应的计算 就不同施肥量对综合评价值的效应函数求导，即可得到苹果综合评价值随施肥量变化的边际效应函数。

1.6 数据处理

试验数据测定取3次生物学重复，用Microsoft Excel 2019软件进行数据处理和制图，用SPSS 20.0软件采用Duncan新复极差法进行多重比较和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对苹果产量和果实商品率及肥料偏生产力的影响

图1-A，B显示，与CT相比，WF1～WF3处理苹果单果质量显著增加，WF4和SJ处理无显著变化。6个处理中，WF2处理的单果质量高达258.39 g，较CT和SJ处理分别显著提高了21.4%和20.29%。不同施肥处理的苹果产量差异明显，也以WF2处理的产量最高，显著高于其他处理。

图1-C，D显示，与CT相比，WF1～WF4处理苹果的果实商品率及肥料偏生产力均明显增加；SJ处理果实商品率与CT相比虽有增加，但二者差异不显著，但肥料偏生产力显著提高。6个处理中，WF2处理的果实商品率和肥料偏生产力均最高，分别达到了81%和29.96 kg/kg，果实商品率分别较 CT和SJ处理提高了17.9%和15.4%，肥料偏生产力分别较CT和SJ处理提高了81.25%和38.23%。在水肥一体化模式(WF1～WF4)下，随着肥料用量的增加，果实商品率和肥料偏生产力均呈先增加后下降的趋势。

柱上标不同小写字母代表不同处理间的差异达到P<0.05显著水平，下同Different lowercase letters indicate that significant difference between treatments (P<0.05).The same below图1 不同施肥处理对苹果单果质量、产量、果实商品率及肥料偏生产力的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on apple weight of single fruit,yield,fruit commodity rate and fertilizer partial productivity

2.2 不同施肥处理对苹果品质的影响

如表2所示，与CT相比， SJ处理除了可溶性总糖含量显著降低外，果实Vc、可溶性固形物、可滴定酸含量和固酸比、硬度及果皮花青苷含量均无显著变化。与CT相比，WF1～WF4处理果实Vc、可溶性总糖、可溶性固形物、可滴定酸含量和固酸比、硬度及果皮花青苷含量总体无显著变化，说明与常规施肥模式相比，水肥一体化技术模式对苹果果实品质指标影响较小。

表2 不同施肥处理对苹果品质的影响Table 2 Effects of different fertilization treatments on apple quality

2.3 不同施肥处理对苹果挥发性物质种类及其总含量的影响

如图2-A所示，不同施肥处理下检测到苹果挥发性物质种类差异显著，其中处理WF1～WF4中挥发性物质种类为22～30种，但与CT和SJ处理相比，总体无显著差异，说明水肥一体化模式对苹果果实挥发性物质种类的影响不明显。由图2-B可知，6个处理中，CT处理苹果果实挥发性物质总含量最高，达2 699.41 μg/kg，但与SJ和WF2处理无显著性差异。在水肥一体化模式下，随着肥料用量的增加，挥发性物质总含量呈先增加后减小的趋势，其中WF2处理最高，为2 525.93 μg/kg，显著高于其他处理。

图2 不同施肥处理对苹果挥发性物质种类及其总含量的影响Fig.2 Types and total content of volatile substances in apples under different fertilization treatments

2.4 不同施肥处理苹果产量和品质的综合评价

2.4.1 苹果产量和品质指标权重的确立 采用AHP法可知，果实产量(C12)的权重最高，达到0.311；其次为果实商品率(C13)，权重达0.185;然后各指标权重依次为果实固酸比(C24) 0.117，单果质量(C11) 0.107，果实挥发性物质总含量(C26) 0.080，肥料偏生产力(C14) 0.064，果实硬度(C25) 0.053，果实Vc含量(C21) 0.035，果实可溶性总糖含量(C23) 0.023，果皮花青苷含量(C22) 0.015，果实挥发性物质种类(C27) 0.010。

通过熵权法可得到肥料偏生产力(C14)权重最高，为0.301；其次为果实挥发性物质总含量(C26)，达到0.226;然后各指标权重依次为果皮花青苷含量(C22) 0.154，果实产量(C12) 0.101，果实固酸比(C24) 0.075，果实挥发性物质种类(C27) 0.058，果实可溶性总糖含量(C23) 0.058，单果质量(C11) 0.020，果实商品率(C13) 0.016，果实Vc含量(C21) 0.013，果实硬度(C25) 0.002。

由于采用AHP法与熵权法各指标得到的权重不同，因此依据博弈论原理，通过组合赋权得到各指标最终权重，其中果实产量(C12)的最终权重最高，为0.203；其次为肥料偏生产力(C14)，最终权重为0.186；然后依次为果实挥发性物质总含量(C26) 0.156，果实商品率(C13) 0.097，果实固酸比(C24) 0.095，果皮花青苷含量(C22) 0.087，单果质量(C11) 0.062，果实挥发性物质种类(C27) 0.034，果实可溶性总糖含量(C23) 0.029，果实硬度(C25) 0.026，果实Vc含量(C21)0.023。

如表3所示，根据TOPSIS法确定的不同施肥处理的苹果综合评价值排序由高到低为WF2>WF3>WF4>SJ>WF1>CT。由水肥一体化施肥模式可知，不同施肥量影响苹果综合评价值，低肥处理优于高肥处理，因此建议在生产中切勿过量施肥。

由表3中R值可知，各处理相对贴合度(Cj)排序与果实商品率(C13)排序的相关性达到了极显著水平(P<0.01)，与单果质量(C11)排序、果实产量(C12)排序、肥料偏生产力(C14)排序、果实挥发性物质种类(C27)排序达到了显著水平(P<0.05)。表明利用TOPSIS法确定不同处理下苹果的综合评价值是可靠的。

2.4.2 水肥一体化模式下不同化肥施用量处理苹果综合评价值的效应分析 为探究施肥量对苹果综合评价值的影响，对水肥一体化模式下不同化肥施用量处理苹果的产量、品质指标等进行综合分析，得到苹果综合评价值对化肥施用量的回归方程为：

Y=-7.277x2+10.676x-3.194。

(1)

式中：Y表示化肥施用量对苹果综合评价值影响的效用函数，x表示在水肥一体化模式下的化肥施用量(kg/株)。

分析水肥一体化模式下化肥施用量对苹果综合评价值的影响，结果见图3-A。由图3-A可知，随着化肥施用量的增加，苹果的综合评价值呈开口向下的抛物线，表明苹果的综合评价值随着化肥施用量的增加呈先增加后降低的趋势，说明化肥施用量对苹果综合评价指标的影响符合边际报酬递减规律。当化肥施用量为0.73 kg/株时，苹果的综合评价值最高。

表3 基于近似理想解(TOPSIS)法的不同施肥处理苹果综合评价值的排序Table 3 Ranking of apple comprehensive evaluation indexes under different water and fertilizer treatments determined by TOPSIS method

图3 水肥一体化模式下不同化肥施用量处理苹果综合评价指标的效用Fig.3 Effectiveness analysis on comprehensive evaluation indexes for apples with different fertilizer application rate

对公式(1)求导，可得到化肥施用量调控苹果综合评价值的边际效用函数为：

Y′=-14.555x+10.676。

(2)

式中：Y′表示化肥施用量对苹果综合评价值的边际效用函数，x表示在水肥一体化模式下的化肥施用量(kg/株)。

由图3-B可知，随着化肥施用量的增加，苹果边际综合评价值降低。当化肥施用量在0.56～0.73 kg/株时，可促进苹果综合评价值的提升；当化肥施用量高于0.73 kg/株时，其对苹果综合评价值均具有负面效应。

3 讨 论

在提高作物产量及肥料利用效率的措施中，水肥协同效应的作用极其重要。本试验结果表明，与CT相比，采用水肥一体化技术显著提高了苹果肥料偏生产力，这与路永莉等[16]的研究结果一致。有研究表明，水肥一体化技术在提高肥料利用率的同时可显著提高作物产量[25]。本试验结果表明，WF2处理的苹果产量和肥料偏生产力均最高，较CT和SJ处理显著增加，表明适宜的施肥量对苹果的增产效果显著，肥料利用率显著提高。可能是由于水肥协同供应可以与作物的生理需求和谐同步，通过确保作物营养代谢协调平衡，有利于养分向果实富集，从而实现增产增效[26]。

苹果提质增效的重要保证之一是科学合理的水肥管理[27]。土壤具有良好的气、水状况和丰富的矿质元素，可促进植物根系生长，进而提高根系的吸收能力，促进地上部分对碳水化合物的同化作用，有利于果实品质形成[28]。王贺等[29]研究表明，化肥减施30%对苹果果实品质无显著影响。路永莉等[16]研究表明，在关中平原地区苹果园内，与传统施肥相比，水肥一体化模式下减施50%化肥除果实固酸比提高外，其余品质无显著变化。本试验结果表明，与CT相比，在水肥一体化模式下当化肥用量减施32.76%时(WF2)，果实品质无显著性变化，可能是因为影响苹果品质形成的因素不仅与养分供应有关，还可能较大程度受气候条件[30]、管理水平[31]和品种[32]等因素的影响。说明在渭北旱塬实行化肥减施是可行的、必要的，在苹果品质无显著变化的前提下减少化肥投入，有助于保证苹果园的健康发展。

有研究表明，水肥一体化模式下化肥对作物产量影响具有阈值，化肥投入小于阈值时增加作物产量，而当化肥投入超过阈值时，则会造成作物产量下降，甚至对作物生产产生不利影响[33]。邓兰生等[34]研究指出，在水肥一体化条件下, 当氮肥用量降低至常规氮肥用量的1/2时, 甘蔗的产量和品质均处于最佳状态, 继续增加氮肥投入反而会影响甘蔗的生产。本试验结果表明，在水肥一体化模式下，随着化肥施用量的增加，苹果果实的综合评价值呈现开口向下的抛物线，即苹果综合评价值随着化肥施用量的增加呈先上升后下降的趋势，与前人研究结果一致。其可能原因是化肥施用量过低时会导致营养供应不足，而过高时则会对生理代谢产生抑制作用，最终造成苹果综合评价指标降低，由此可知适宜的化肥用量是提高综合评价值的关键。本试验结果还表明，高肥处理苹果的综合评价值低于低肥处理，说明在苹果生产中水肥一体化模式下切忌过量施用化肥，否则不仅会造成苹果产量、品质及肥料利用效率的下降，而且还增加了生产成本，破坏了土壤理化性质，造成了环境污染[35]。

侯广军等[36]的研究结果表明，在减施30%化肥的情况下，苹果产量明显提高，品质得到了改善。何流等[37]的研究表明，在施用黄腐酸类肥料的同时，化肥投入减少10%，可促进苹果叶片和新梢的生长，提高苹果产量。本试验结果表明，在渭北黄土高原地区的苹果园，与常规栽培管理模式相比，水肥一体化模式下减施化肥可以提高苹果产量，且对苹果品质指标总体无显著影响，说明在该区域实行化肥减施是必要且可行的，在减少生产投入的同时保证了苹果园的绿色发展。本试验结果表明，与常规施肥(CT)和双减模式(SJ)相比，当全年化肥施用量为0.73 kg/株(其中N 0.28 kg/株，P2O50.14 kg/株，K2O 0.31 kg/株)时，即当化肥投入量分别降低37.07%和20.65%时，苹果的综合评价值最高，为适宜渭北地区水肥一体化模式的化肥施用量，这与荣传胜等[38]的化肥推荐施用量相近。

本试验通过测定不同施肥处理苹果的肥料偏生产力、果实产量和品质等多项指标，并结合主客观权重分析，最终得到了渭北黄土高原地区苹果生产化肥最佳施用量，对实现该地区苹果的精准化管理具有指导作用。

4 结 论

在渭北黄土高原苹果生产区，通过综合评价寻优得出水肥一体化模式下苹果全年化肥施用量为0.73 kg/株，且氮、磷、钾肥按照2∶1∶2.2的质量比施用，即N 0.28 kg/株，P2O50.14 kg/株，K2O 0.31 kg/株，此条件下苹果综合表现最优，与常规施肥(CT)和双减模式(SJ)相比，分别降低化肥施用量37.07%和20.65%，为我国苹果产业健康可持续发展、为渭北旱塬地区根域注射施肥技术模式的建立及水肥的高效利用提供了科学依据。