水肥耦合对黄沙炉渣复合基质栽培黄瓜光合荧光特性、产量及品质的影响

马新超，周 宇，刘 青，轩正英，陈蒙蒙，张凯浩，王旭峰，谭占明

(1.塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300；2.塔里木大学南疆特色果树高效优质栽培与深加工技术国家地方联合工程实验室，新疆阿拉尔 843300；3.现代农业工程自治区重点实验室，新疆阿拉尔 843300)

0 引 言

【研究意义】黄瓜(CucumissativusL.)在设施蔬菜生产中占比较大，对水分及肥料需求量大[1]。过量的灌水与施肥[2]，会造成生产成本提高。农业生产中的绿色生产、节能减排、可持续发展等研究已经成为目前亟待解决的问题之一。分析不同水肥耦合处理对黄瓜光合荧光特性、产量及品质的影响，对研究黄沙炉渣复合基质栽培上的水肥一体化控制有实际意义。【前人研究进展】合理配置有限的水肥资源来提高作物产量与品质是农业发展面临的重要课题之一[3]。灌水或施肥过多过少都会引起叶绿体色素含量的降低，不利于提高光合速率，合理水肥调控才是提高作物生理特性的关键[4]。光合作用是植物生产力构成的最主要因素之一，对光合作用规律的充分认识，有利于采取适当栽培和管理措施，提高植物的光合生产能力[5]。叶绿素荧光动力学技术是目前无损伤测定植物光合作用能量吸收、传递、耗散、分配的重要研究内容和方法[6]。李银坤等[7]在运用负压装置和滴灌系统的供液模式中减少了水肥投入量，不仅促进温室番茄生长、确保产量，也改善了果实品质且大幅度提高了水肥利用效率。陈丽娜等[8]发现黄瓜产量受灌水量的影响不明显，主要受施肥量影响，中水高肥处理可使产量增加。【本研究切入点】研究水或氮对黄瓜光合荧光特性、产量及品质的影响已有大量报道，但针对在黄沙炉渣复合基质无土栽培模式下，研究灌溉水分、氮肥、磷肥和钾肥耦合下黄瓜光合荧光特性、产量及品质的影响鲜见报道。研究温室中水肥耦合效应对设施蔬菜生产的影响。【拟解决的关键问题】选择黄瓜新泰密刺为试材，研究不同的水肥耦合处理对黄瓜光合荧光特性、产量及品质的影响，分析水分与养分联合调控的理论与方法，以及在蔬菜生长过程中水分与养分供应上的耦合关系，优选出设施黄瓜栽培中滴灌施肥的最佳配比，为黄沙炉渣复合基质栽培上的水肥一体化控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地点设在塔里木大学水建院试验站连栋温室内(E81°30′、N40°54′)，温室南北向长40.00 m，东西向跨32.00 m，脊高5.50 m，透明覆盖材料为PVC阳光板。该试验地地处塔克拉玛干沙漠西北边缘，光热资源丰富，日照时间长且昼夜温差大，温室内空气相对湿度 49%～64%、温度10～35℃。

无土栽培基质为黄沙：炉渣=5：4[9]，炉渣和黄沙分别购置于新疆生产建设兵团第一师12团锅炉房和9团沙场，其pH值为7.19，EC值为1.01 mS/cm，容重为1.38 g/cm3，气水比为0.71，内含有效氮58.46 mg/kg，速效磷6.96 mg/kg，速效钾194.23 mg/kg，有机质含量为87.87 g/kg；黄瓜品种为新泰密刺(山东省新泰市祥云种业有限公司)，购于第一师阿拉尔市国际商贸城种子店；试验所用尿素(N：46%)购置于新疆美丰化工有限公司、硫酸钾镁肥(K2O：22%)购置于中农集团控股股份有限公司、磷酸二氢钾肥(P2O5:52%)和微量元素水溶肥均为四川国光农化股份有限公司生产。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设定不同的灌溉水分、氮肥、磷肥和钾肥这4个因素，且每个因素设定5个水平。采用四元二次通用旋转组合设计的1/2，设3次重复，每个重复共20个处理组合，每个处理20株苗。根据温室内空气蒸发量进行水分处理。于3叶1心后定植于栽培槽中，缓苗5 d后，选择长势一致的健壮植株进行水肥试验。图1，表1，表2

图1 不同时间下温室内蒸发量变化

表1 试验因素水平及编码

表2 试验设计

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 光合生理

在水肥处理20 d后选择天气晴朗的1 d(2019年8月23日)，每处理随机选定3株生长势相近的植株，每株选取生长点向下第4片完全展开的并且完好的功能叶进行光合生理指标测定。

采用美国Li-cor公司生产的Li-6400XT型便携式光合仪测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。

水分利用率(Water use effective，WUE)=净光合速率/蒸腾速率。

采用JUNIOR-PAM便携式叶绿素荧光仪测定经过暗适应20 min的叶片初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、光下最小荧光(F0')、最大荧光产量(Fm')、并计算出实际光转化效率(ΦPSⅡ)、最大光转化效率(Fv/Fm)、PSⅡ活性(Fv/Fo)光化学淬灭系数(qP)、和非光化学淬灭系数(NPQ)。ΦPSⅡ=(Fm'-Fs)/Fm'，Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo，qP=(Fm'-Fs)/(Fm-Fo)，NPQ=(Fm-Fm')/Fm'。

采用乙醇浸提法[10]进行黄瓜叶片叶绿素含量的测定。

1.2.2.2 产量和品质

从黄瓜采收期至拉秧对田间采收黄瓜的鲜果直接称重。统计每小区每次采收黄瓜的单果重和产量。于黄瓜盛果期采集植株中部黄瓜果实，用于测定黄瓜品质指标。可溶性蛋白含量使用考马斯亮蓝G-250法，可溶性糖含量使用改进的蒽酮比色法，VC含量为钼蓝比色法，可溶性固形物采用ATAGO-P32(Japan)手持折射仪测定[10-11]。

1.3 数据处理

采用Excel 2010和DPS 7.05软件对各项指标进行 Duncan 多重比较，利用Excel 2010制图表。

2 结果与分析

2.1 不同水肥耦合处理对黄瓜光合作用的影响

研究表明，不同水肥耦合处理对黄瓜叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和水分利用率(WUE)有显著影响。处理C8的净光合速率(Pn=13.04 μmol/(m2·s))显著高于其他19个处理组合(F=24.80，P=0.000 1<0.05)，处理C10的净光合速率(Pn=6.84 μmol/(m2·s))最低；处理8的气孔导度(Gs=0.19 mol/(m2·s))除与处理2(Gs=0.17 mol/(m2·s))无显著差异外，显著高于其他处理(F=10.55，P=0.000 1<0.05)，处理9(Gs=0.07 mol/(m2·s))的气孔导度值最小；处理C1的胞间CO2浓度最高，为246.28 μmol/mol，显著高于(F=9.33，P=0.000 1<0.05)处理组合C4、C5、C7、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16和C20，处理C9的胞间CO2浓度最小，为182.98 μmol/mol；处理C8的蒸腾速率(Tr=4.93 mmol/(m2·s))显著高于其他19个处理(F=10.01，P=0.000 1<0.05)，处理C9的蒸腾速率最小，为2.21 mmol/(m2·s)；处理C9的水分利用率(WUE=3.36 mmol/mol)除与处理C7、C13、C14、C15、C20无显著差异外，显著高于其他处理(F=5.56，P=0.000 1<0.05)，处理C10的水分利用率最小，为2.60 mmol/mol。表3

表3 不同水肥耦合处理下黄瓜光合作用变化

2.2 不同水肥耦合处理对黄瓜叶片叶绿素荧光参数的影响

2.2.1 不同水肥耦合处理对黄瓜叶片荧光参数的影响

研究表明，各荧光指标的各处理间均存在着显著差异。处理C6的实际光转化效率ΦPSⅡ为0.44，除与处理C1、C7、C13和C19无显著差异外，显著高于(F=8.57，P=0.0.000 1<0.05)其余处理，其次是C1和C3，为0.43，最小的是处理C10(0.31)；处理C12的最大光转化效率Fv/Fm为0.60，除与C2、C7、C13、C14、C15、C18和C19无显著差异外，显著高于(F=2.24，P=0.015 8<0.05)其余处理，其次是C14和C18(0.57)，最小的是处理C20(0.45)处理C12的PSⅡ活性Fv/Fo为1.51，除与C2、C14和C18无显著差异外，显著高于(F=2.30，P=0.013 2<0.05)其余处理，最小的是处理C20(0.81)；处理C20的光化学淬灭系数(qP=0.95)，除与处理C1、C4、C6、C7、C17和C19无显著差异外，显著高于其余处理(F=3.45，P=0.000 5<0.05)，其次是C1，为0.93，最小的是处理C10，为0.73；处理C12的非光化学淬灭系数NPQ为0.64，显著高于(F=2.62，P=0.005 1<0.05)其余19个处理，其次是C7和C19(0.38)，最小的是处理C6(0.05)。表4

表4 不同水肥耦合处理对黄瓜荧光特性变化

2.2.2 不同水肥耦合处理对黄瓜叶片叶绿体色素含量的影响

研究表明，各处理的叶绿体色素之间存在着显著差异，处理C15的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量最高，分别为3.86、2.34和6.20 mg/g，其次是处理C2，分别为3.65、2.15和5.80 mg/g，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量最低的是处理C1，含量分别为，2.14、1.07和3.21 mg/g；处理C2的类胡萝卜素含量最高，为0.62 mg/g，显著高于其他19个处理组合，其次是处理C15，为0.61 mg/g，含量最低的是处理C1，为0.43 mg/g，其次是处理C7，为0.44 mg/g；处理C12的叶绿素a/b值(2.18)显著高于其他19个处理，其次是处理C1，为2.01，值最小的是处理C15，为1.65，其次是C14，为1.68。表5

表5 不同水肥耦合处理下黄瓜叶片叶绿体色素含量变化

2.3 不同水肥耦合处理对黄瓜产量和品质影响

2.3.1 不同水肥耦合处理对黄瓜单果重和产量的影响

研究表明，各处理的单果重之间存在着显著差异，处理C4的单果重最大，为270.62 g，与处理C3和处理C16无显著差异，显著高于其它处理；处理C8的单果重最小，为133.60 g，与处理C1、C5、C7和处理C9无显著差异，显著低于其它处理。

处理C16折合单产最大，为1 833.35 kg/667m2，与其他处理呈显著性差异；其次为处理C4，为1 487.92 kg/667m2；处理C1的产量最低，为459.42 kg/667m2。图2，图3

图2 不同水肥耦合处理条件下黄瓜单果重变化

图3 不同水肥耦合处理下黄瓜产量变化

2.3.2 不同水肥耦合处理对黄瓜品质的影响

研究表明，不同处理间，黄瓜品质存在显著差异。处理C12的可溶性固形物含量(5.4%)显著高于处理C5、C6、C7、C8、C11、C13、C17、C18和C20，与其余处理差异不显著，其次是处理C9，为5.37%，含量最低的是处理C8，为3.77%，其次是处理C6，为3.83%；处理C16的可溶性糖含量(4.73%)除与C2、C3和C14无显著差异外，显著高于其他C16个处理组合，处理C1的可溶性糖含量最低，为2.90%；处理C9的可溶性蛋白含量(0.98 mg/g)除与C3、C11、C13和C16无显著差异外，显著高于其他处理，其次是处理C16，为0.96 mg/g，处理C1的可溶性蛋白含量最低，为0.63 mg/g，其次是处理C7，为0.65 mg/g；处理C8的VC含量(3.15 mg/100g)显著高于其他处理，其次是处理C9，为2.31 mg/100g，处理C6的VC含量最低，为0.81 mg/100g，其次是处理C11和处理C12，为0.97 mg/100g。表6

表6 不同水肥耦合处理下黄瓜品质变化

2.4 不同水肥耦合处理对黄瓜产量及品质影响的综合评价

研究表明，黄瓜产量和品质表现最好的处理是C16，即90%Ep的水分供给、中等的氮肥和磷肥以及高的钾肥即90%Ep和N 540 kg/hm2+P2O5270 kg/hm2+K2O 1 043 kg/hm2。表7

表7 不同水肥耦合处理下黄瓜产量及品质综合评价

3 讨 论

3.1 不同水肥耦合处理对黄瓜光合作用的影响

研究结果表明，75%Ep的水分和施肥量可以提高黄瓜植株的光合作用能力，处理C9的净光合速率最低，且黄瓜植株在水分胁迫的条件下，即便是在中等的氮肥、磷肥和钾肥条件下，也不能增强其光合作用，与蒋静静等[12]的研究结果一致。水分的减少，会导致气孔关闭，蒸腾减弱，光合速率降低，在此基础上，适当的肥料供给可以改变叶片的光合性能[13]。试验结果与其一致，黄瓜叶片气孔导度在75%Ep和较低的水肥条件下值最大。在105%Ep水和氮较高的条件下，黄瓜叶片的胞间CO2浓度最高，在105%Ep的水分供给下，黄瓜叶片的蒸腾速率保持在较高的水平，在90%Ep水平的水分供给下，高水平的钾肥，加速了植株叶片的蒸腾，中等的肥料供给使植株的蒸腾作用处在一个较高的水平上。65%Ep水分供给处理组合的水分利用效率最高，115%Ep水平灌水处理的水分利用效率最低，灌水量可以直接影响植物对水分的利用效率，这与王鹏勃[14]的研究结果一致，并且在90%Ep水平的水肥供给下，水分利用处在较高水平，在75%Ep水分供给下，较低氮肥和较高磷钾肥，有助于提高植株水分利用效率，在115%Ep水平的水分供给下，降低氮肥和磷肥的施用量，有助于提高植株的水分利用效率，与李建明[15]研究结果相近，水肥耦合对黄瓜的水分利用率有显著影响。

3.2 水肥耦合对黄瓜叶绿素荧光参数的影响

植物的荧光特性是植物光合潜能的表现[16]，试验研究结果表明，在115%Ep的水分供应下，较高的氮肥和较低的磷钾肥，可以有效增加黄瓜的最大光转化效率Fv/Fm，75%Ep的水分和氮肥供应下，较高的磷钾肥可以有效增加黄瓜的最大光转化效率Fv/Fm，90%Ep水分供应下的最大光转化效率最高，随着水分供应的降低或者升高而降低。在105%Ep的水分供应水平下，较高的氮肥供应，可以有效增加实际光转效率Y(II)，在中等的水分条件下，实际光转效率Y(II)随着施氮量的增加而降低，较高的施氮量和较高的水分供给是峰值，而磷钾肥对其的影响不显著，与李晓等[17]的研究结果不太一致，可能是由于栽培基质和温室内病虫害较为严重引起。90%Ep的水肥供应可以有效的增加光化学淬灭系数qP值，75%Ep水分可以通过较高的施氮量来提高光化学淬灭系数qP值；在75%Ep的水分状态下，可以通过增加施氮量来降低非光化学淬灭系数NPQ，在105%Ep的水分条件下，提高施肥量来降低非光化学淬灭系数NPQ，这与林兴军[18]的研究结果相似。

光合色素是植物进行光合作用的基础[19]，也是植物产量形成因素的最重要的潜在因子之一[20]。试验研究结果表明，在90%Ep水分供给下，黄瓜植株叶片的叶绿体色素含量处在较高的水平，在中等氮肥、磷肥和低的钾肥施入有助于提高叶片的叶绿体色素；并且在105%Ep的水分和氮肥供给下，较低的磷钾肥有助于黄瓜叶绿素的合成，较高的磷肥不利于叶绿素的合成，在75%Ep的水分供应下，较高的氮肥，有助于叶绿素的合成，这与李邵[21]的研究结果相似。设施条件下较露地光照弱，105%Ep的水分和氮肥条件下，较低的磷肥和钾肥能提高黄瓜植株对光的利用，适当减少灌水量至75%Ep，在较高的氮钾肥和较低的磷肥条件下，更能提高植株对温室中光资源的利用，此结果与王虎兵等[22]的研究结果不一致，可能是由于研究的种类和当地的光照条件不同所引起的。

3.3 水肥耦合对黄瓜产量和品质的影响

高产和优质是很多研究者的最终研究目标[23-26]。在试验中，105%Ep的水分供应下，较低的氮肥和磷肥，再施以较高的钾肥可以有效增加黄瓜的单果重，这与ZHAO等[27]在番茄上的研究类似。单果重最高的水肥处理的黄瓜产量有所降低，这与ZHAO等[27]的部分研究结果有所不同，此水肥耦合处理对黄瓜坐果有消极影响，使坐果数不足以满足栽培的需要。在75%Ep的水分供应下，较高的氮肥和钾肥，再施以较低的磷肥有助于提高黄瓜的单果重；在90%Ep的水分、中等氮肥和磷肥下，再施以高的钾肥，此时黄瓜单果重处在整个处理排列第2，这与RECEP ÇAKIR等的研究结果相似[28]，并且在此条件下，黄瓜产量在所有处理中排列为第2，适当的减少灌水量有助于提高黄瓜的产量，这与Nangare[29]和Zegbe30]的研究结论相似。

试验结果发现，不同水肥处理对黄瓜品质的影响差异显著。陈秀香等[31]研究表明，适量增加灌水与施肥量有利于提高番茄品质，而灌水量和施肥量过高或过低都会导致果实可溶性固形物含量快速降低，这与试验的研究结果相同。黄瓜VC含量在较高的灌水量和钾肥耦合下最高，随着灌水量和施肥量的减少，黄瓜VC含量逐渐减少。磷肥的施用可以影响植株对可溶性糖的合成，钾肥的施用能够影响细胞液渗透调节，从而影响可溶性糖由叶片向果实的转移，较高的钾肥对黄瓜可溶性糖含量的增加有促进作用。氮是蛋白质合成的要素之一，在不同的氮肥施用水平下，不同处理的黄瓜可溶性蛋白含量差异显著，黄瓜可溶性蛋白在施氮量一样的情况下，随着灌水量的增加，可溶性蛋白含量减少。试验研究结果中黄瓜可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白、随着灌水量的增加其含量减少，表现为“稀释效应”，与夏秀波等[32]的研究结果是一致的。

4 结 论

4.1水肥耦合条件下，处理C8的净光合速率最高，随着水分的增加，黄瓜的净光合速率也增加。黄瓜叶片气孔导度在75%Ep和较低的水肥条件下值最大；115%Ep水平的水分供给，利于降低黄瓜叶片的蒸腾速率；65%Ep水分供给处理组合的水分利用效率最高，115%Ep水平灌水处理的水分利用效率最低。

4.2在105%Ep的水分和氮肥供给下，较低的磷钾肥有助于黄瓜叶绿素的合成。90%Ep水分供给下，黄瓜植株叶片的叶绿体色素含量处在较高的水平，最大光转化效率值Fv/Fm最大。

4.3在75%Ep的水分供应下，较高的氮肥和钾肥，再施以较低的磷肥有助于提高黄瓜的单果重，适当的减少灌水量有助于提高黄瓜的产量和品质。运用隶属函数法对黄瓜产量和品质综合评价，得分最高的处理组合为处理C16，即90%Ep和N 540 kg/hm2+P2O5270 kg/hm2+K2O 1 043 kg/hm2。

处理C16有利于提高黄瓜植株叶片中的叶绿素色素含量和净光合速率，一定程度上提高了光能的利用效率，促进光合作用的顺利进行，并且有效提高了黄瓜果实的产量和品质。在黄沙炉渣复合基质栽培模式下，适用于设施黄瓜生产的最优水肥配比是处理C16，即90%Ep和N 540 kg/hm2+P2O5270 kg/hm2+K2O 1 043 kg/hm2。