减量施肥耦合调亏灌溉对干热区芒果产量和品质的影响

彭有亮，费良军，刘小刚，孙光照，王秀康

（1 西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048；2 昆明理工大学农业与食品学院，云南昆明 650500；3 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；4 延安大学生命科学学院，陕西延安 716000）

截止2018年，中国的芒果(Mangifera indica. L.)种植面积达27.8万hm2，年产量226.8万t，种植面积和产量均位列世界第二。我国干热河谷区主要分布于金沙江、元江、怒江、南盘江等沿江的四川攀枝花、云南和贵州等地区，其特殊的地理位置和峡谷地貌十分有利于芒果树生长。位于云南省玉溪市的元江干热河谷是我国著名的干热河谷之一，芒果产业是该地区的主要经济来源之一，已成为当地果农增收致富的支柱产业。但由于该区降水量少且分配不均，蒸发量大，且当地果农采取的灌溉方式大都为漫灌或者不灌溉，同时果农为了追求产量而盲目施肥，导致土壤养分失调、芒果肥料利用率低和品质低劣等问题。因此，为促进干热河谷区芒果的优质生产，科学的灌溉施肥制度迫在眉睫。

研究表明，在作物某些生长阶段进行亏缺灌溉，可节约灌水量和改善果实品质，同时产量变化不明显[1–3]。与充分灌溉相比，坐果期调亏灌溉会导致芒果产量降低，而成熟期调亏灌溉则能保证产量和水分利用效率不降低[4]。适度亏缺灌溉能改善芒果品质[5–6]。减少灌水量能加速芒果中淀粉分解和提高果糖含量[7]，同时改变果实大小分布[5]。与充分灌溉相比，调亏灌溉对芒果果实的生长和采后质量无不利影响[5]。目前有关干热区如何通过调亏灌溉实现芒果提质稳产和提高水分利用效率尚不清楚。

在芒果果实发育成熟过程中需要大量的矿质元素[8]，因此平衡施肥是保证芒果优质高产的必要条件。张鹏等[9]等研究发现，减量施肥20.0%～30.0%会显著增加芒果果实的可溶性固形物，同时果实品质综合评价得分也最高。这与Albadawy等[10]的研究结果不一致。适量配施氮、磷、钾肥能有效提高芒果果实的口感[11–12]。研究表明增施钾肥可提高芒果果实含糖量、降低总酸含量[11]，增施氮肥可提高产量和果实酸糖比[13]，而Ali[14]发现增加施肥量后芒果产量无显著变化。目前，干热区减量施肥对芒果产量和品质的影响尚不清楚，值得进一步研究。

灌溉施肥技术将水肥供应通过灌溉结合起来，可实现作物产量的最大化。与常规畦灌相比，滴灌施肥显著增加芒果鲜果产量12.2%～47.9%，增加水分利用效率42.3%～169.4%，节约灌水量21.1%～45.2%[15]。与沟施肥料和传统漫灌组合相比，滴灌施肥方式提供了最佳的水肥耦合条件，增加芒果产量23.5%～31.6%，同时显著改善芒果品质。滴灌施肥氮钾用量为沟施量的70.0%效果最好[16]。微润灌溉是一种利用半透膜材料的地下连续灌溉技术[17–18]，具有减少地表蒸发、节水高效和改善土壤环境等特点[19–20]，同时为农业水肥一体化提供了最佳载体。与滴灌相比，微润灌溉可显著提高番茄的水分利用效率，同时获得较高的番茄产量[19]。而微润灌溉施肥对干热区芒果的产量、品质和水分利用的影响以及适宜的施肥量尚不清楚。

如何运用微润灌溉将灌溉与施肥有效结合起来，实现芒果稳产、提质和提高水肥利用效率尚不清楚。为此，本研究目标是在不同施肥水平下，以充分灌溉为对照，研究不同调亏灌溉模式对芒果产量、水分利用效率和品质的影响，并用主成分分析法和隶属函数值法对品质指标进行综合评价，以期找到最佳调亏灌溉和减量施肥耦合模式，为干热区芒果科学灌溉和施肥管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年2—7月在云南省玉溪市元江县甘庄农场进行 (102°0′ E，23°11′ N，海拔 840.05 m)。该区域属典型的亚热带干热河谷气候，年均温度23.8℃，无霜期285天，年均降雨量788 mm，年均蒸发量2750.90 mm，年平均相对湿度67.0%。试验期间气象要素如图1。试供土壤为砂壤土、容重1.35 g/cm3、pH 6.70、有机质 10.12 g/kg、碱解氮60.22 mg/kg、有效磷 30.34 mg/kg、速效钾 118.51 mg/kg。

图1 试验期间气象要素Fig. 1 Meteorological condition during experiment

1.2 试验设计

供试芒果树品种为7年生贵妃芒(Mangifera indicaL.)，株高 3.0～3.2 m，地径 11.0～14.0 cm，行株距为7.0 m×5.0 m。2018年芒果树关键物候期：开花期(FS)为2月20日—4月1日，果实膨大期(ES)为4月2日—5月13日，果实成熟期(MS)为5月14日—7月10日。

试验设置灌水和施肥两个因素，完全随机区组设计，共12个处理。灌水处理包括在芒果开花期、果实膨大期、果实成熟期亏水灌溉(DIFS、DIES和DIMS)；调亏水平为芒果蒸发蒸腾量(ETC)的50%，和全生育期充分灌溉(IF)。芒果蒸发蒸腾量ETC采用单作物系数法计算，公式如下：

式中，KC—综合作物系数，开花期、膨大期和成熟期分别取 0.5、0.8 和 0.7[21]。

ET0采用彭曼公式计算，公式如下：

式中，ET0—参考作物蒸发蒸腾量(mm/d)；Rn—输入冠层净辐射量 [MJ/(m2·d)]；G—土壤热通量[MJ/(m2·d)]；T—2 m 高处日平均温度 (℃)；u2—2 m高的风速(m/s)；es—饱和水汽压(kPa)；ea—实际水汽压(kPa)；Δ—饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率(kPa/℃)；γ—干湿温度计常数(kPa/℃)。

根据ETC和实际有效降雨量确定充分灌水的灌水定额(表1)。

表1 试验期间灌水量和有效降雨量(mm)Table 1 Rainfall and irrigation during the experimental period

施肥设高、中、低3个水平，即0.45 kg/株(FH)、0.36 kg/株 (FM)、0.27 kg/株 (FL)，高水平为当地施肥量，供试肥料为大量元素水溶肥，其N–P2O5–K2O为12–8–40，由赛固特生物科技有限公司生产。每个处理具体灌水和施肥水平见表2，每个处理3个重复，每个重复3棵芒果树。

表2 试验设计方案Table 2 Irrigation and fertilizer rate in each experimental treatment

1.3 试验布置

微润灌溉施肥水肥一体化系统由微润管、供水箱、水表、过滤器、排气阀、减压阀、压力表和冲洗阀等组成(图2)。各处理设有单独的供水箱和水表精确控制灌水量。第3代微润管(深圳市微润灌溉技术有限公司)的内层为厚度0.06 mm的高分子半透膜，它分别在树干两侧0.50 m处埋设，每棵果树水平埋设3.00 m有效渗水长度的微润管，埋深为20.00 cm。微润管压力水头为0～2.50 m，流量约为0.01～4.70 L/(m·d)。随时检查并保证微润灌溉施肥系统正常运行。水溶肥分别于2月20日、4月2日、5月13日等量施入，进行两次稀释后随微润管施入芒果根区。

图2 微润水肥一体化示意图Fig. 2 Schematic diagram of fertigation layout

1.4 测定项目和方法

在果实成熟期(7月3日—7月10日)分批采摘芒果，采用称重法测定每棵果树产量。水分利用效率 (water use efficiency, WUE)计算公式如下[22]：

式中，WUE为水分利用效率(kg/m3)；Y为产量(kg/hm2)；I为芒果全生育期的需水量(mm)。

在果实成熟期，每棵树按东、西、南、北4个方位随机采果10个测定芒果品质。含水率采用烘干法测定；可溶性固形物采用手持式折光仪测定；可滴定酸采用指示剂滴定法测定；总糖采用分光光度法测定；维生素C采用2,6–二氯靛酚滴定法测定；类胡萝卜素参照GB/T 12291—1990测定；果形指数为果实纵径与橫径的比值；可食率为可食部分质量与果实总质量的比值；固酸比为可溶性固形物与可滴定酸的比值；糖酸比为总糖与可滴定酸的比值。

1.5 数据处理

采用Excel 2016软件进行数据统计分析和作图，用 IBM SPSS Statistics 19 软件进行主成分分析和方差分析(ANOVA)，多重比较采用Duncan法(α=0.05)。

隶属函数值法的隶属函数值计算公式如下：

式中：R(Xi)为隶属函数值；Xi为第i个指标的测量值；Xmin为第i个指标的最小值；Xmax为第i个指标的最大值。

当指标与评价性质为负相关，则用反隶属函数进行转换，计算公式为：

2 结果与分析

2.1 减量施肥耦合调亏灌溉对芒果产量和水肥利用效率的影响

由图3可知，灌溉和施肥及其交互作用对产量、水分利用效率和肥料偏生产力的影响显著(P<0.05)。全生育期充分灌溉(IF)处理下，芒果产量平均为94.33 kg/株，WUE 平均为 7.48 kg/m3，肥料偏生产力平均为273 kg/kg。与之相比，DIFS和DIES处理减少产量分别为23.4%和20.3%，减少水分利用效率分别为13.6%和1.7%，减少肥料偏生产力分别为24.0%和20.5%，而DIMS增加水分利用效率和肥料偏生产力分别为21.6%、5.0%，同时产量变化不明显。与FH处理 (产量 84.62 kg/株，水分利用效率 7.56 kg/m3)相比，FM增加产量和水分利用效率不明显，而FL处理降低产量和水分利用效率不明显。肥料偏生产力随着施肥量的减少而增加，与FH(188.05 kg/kg)相比，FM和FL处理分别增加30.4%和62.1%。与CK(IFFH处理，产量93.87 kg/株，水分利用效率7.44 kg/m3，肥料偏生产力208.64 kg/kg)相比，除DIMSFH、DIMSFM和DIMSFL处理增加水分利用效率16.7%～28.1%和DIESFH、IFFM处理增加不明显外，其余处理降低了0.8%～20.3%；除DIFSFH和DIESFH处理减少肥料偏生产力外，其余处理增加0.5%～74.4%。在所有处理中，DIMSFM处理取得最大的产量，与CK相比增加10.1%，另外除DIMSFH、DIMSFL、IFFM处理增加产量不明显外，其他处理减小产量2.1%～29.4%。

图3 调亏灌溉与减量施肥耦合对芒果产量和水分利用效率的影响Fig. 3 Effects of reduction of fertilizer on yield and water use efficiency of mango under regulated deficit irrigation

2.2 减量施肥耦合调亏灌溉对芒果品质的影响

灌溉对芒果果实含水率、可溶性固形物、可滴定酸、维生素C、可食率、固酸比和糖酸比影响显著(P<0.05) (表3)。可滴定酸和固酸比是分析芒果风味品质的重要评价指标，与IF处理相比，DIFS处理和DIES处理增加可滴定酸分别为21.4%和48.1%，减少固酸比分别为14.5%和39.3%，而DIMS处理减少可滴定酸4.7%，增加固酸比10.5%，另外DIFS减少维生素C为6.8%，DIES处理减少可溶性固形物和可食率。施肥水平对含水率、维生素C和固酸比影响显著(P<0.05)，随着施肥量的减少大部分品质指标先增后减。与FH处理相比，FM处理增加维生素C和固酸比分别为8.1%和11.3%，FL处理减少含水率、维生素C和固酸比分别为1.5%、6.7%和9.8%，可见施肥过多和过少都会不同程度上降低果实品质。灌溉模式和施肥水平的交互作用对可食率影响显著(P<0.01)。IFFL处理的可食率最大，比CK增加12.0%，是最小处理DIESFL的1.2倍。DIESFL、DIFSFM和IFFH处理的可滴定酸、总糖和果型指数分别最大。DIMSFM处理同时获得最大的可溶性固形物、维生素C、类胡萝卜素、固酸比、糖酸比。

表3 减量施肥耦合调亏灌溉对芒果品质指标的影响Table 3 Effects of reduction of fertilizer on quality indexes of mango under regulated deficit irrigation

2.3 主成分分析

对芒果果实品质进行Pearson相关性分析发现，各品质指标间存在不同程度的相关性和信息重叠，因此若要进行综合评价则需要剔除评价指标间的重复[23]。主成分分析可删去多余的变量，建立尽可能少的新变量，使得这些新变量两两不相关，并且这些新变量在反映原始信息方面尽可能保持原有的信息。

对不同处理下芒果品质的10个指标进行主成分分析，结果如表4所示，将这10个指标提取2个主成分，累计方差贡献为80.3%，可代表大部分的原始数据。第1主成分包含了原始信息的66.9%，其中主要由可滴定酸、总糖、维生素C、固酸比、糖酸比等决定，这些指标主要影响芒果果实的口感，可命名为口感因子；第2主成分由可食率和果型指数决定，这些指标都是物理指标，包含了原始信息的13.4%，可命名为物理因子。

表4 主成分分析解释的总方差Table 4 Total variance explained by the principal component analysis

为了消除不同单位和数据量纲的影响，需对各品质指标原始数据进行标准化处理。根据标准化后的数据与特征向量计算各主成分得分，公式如下:

式中：y1、y2为第1和第2主成分得分；X1为含水率(标准化值，后同)；X2为可溶性固形物；X3为可滴定酸；X4为总糖；X5为维生素C；X6为类胡萝卜素；X7为果型指数；X8为可食率；X9为固酸比；X10为糖酸比。

以2个主成分所分别对应的特征值与这两个主成分特征值之和的比例作为权重，计算主成分综合得分：

由式(8)计算的结果如表5所示，综合得分越高说明该处理的综合品质越好。结果表明，综合品质排名前3的处理是DIMSFM、DIFSFM、DIMSFH，说明这3个处理的综合品质相对其它处理要好；得分最低的3个处理分别为DIESFM、DIESFH、DIESFL。

表5 各主因子得分及综合得分Table 5 Main factors and comprehensive score

2.4 隶属函数值法

隶属函数值法是依据隶属度理论把定性评价转化为定量评价，基于模糊数学的一种综合评标方法。它具有结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。隶属函数值计算公式如式(4)和式(5)。将各个处理的各个指标的隶属函数值相加求平均值，均值越大，说明越好。并对不同处理的隶属函数值均值进行排序(表6)。由表6可知，综合隶属函数值最大的是DIMSFM，其次是DIFSFM，最小的是DIESFL。

表6 不同处理下芒果隶属函数评判表Table 6 Evaluation of membership function under different treatments

3 讨论

调亏灌溉能提高作物产量和水分利用效率，同时改善果实品质，不同生育期进行调亏灌溉对作物产量和品质的影响也不同[24]，这可能是由于不同时期水分亏缺造成植物生理激素代谢与合成的差异所致[25]。本研究表明芒果开花期调亏灌溉(DIFS)虽能改善果实品质，但产量和水分利用效率都减小，这与相关研究的结果[26]一致。而Santos等[27]发现DIFS处理不降低芒果产量，这可能是由于水分亏缺程度和气象等要素不同所致。DIFS处理主要影响作物的产量[28]，果树开花期是需水较大的一个时期，缺水会严重影响根系吸收营养物质，进而导致降低坐果率，而坐果数的减少会增加营养物质的转化吸收[29]，从而提高芒果果实的可溶性固形物、总糖、维生素C和糖酸比等，进而改善了芒果品质。果实膨大期调亏灌溉(DIES)明显降低芒果产量和果实品质。芒果果实膨大期是需水强度最大的一个阶段，这个阶段果实由细胞分裂期转变为以细胞体积增大为主，缺水会降低芒果果实细胞吸收各营养成分的能力，致使芒果产量和品质降低。果实成熟期为果树非需水关键期[30]，因此DIMS处理对芒果产量没有明显的影响。DIMS可导致果实细胞水势降低，增强了细胞从外界吸收水分和营养物质的能力[30]，进而增加了芒果果实内的可溶性固形物、维生素C和类胡萝卜素等。另外在成熟期进行一定程度的水分亏缺可使光合产物更多的分配给果实，从而更有利于芒果品质的改善。

合理施肥对提高芒果产量、改善品质起着重要的作用，是实现芒果高产高质的重要措施之一。目前大多数果农存在施肥越多产量越高的想法，但本研究发现中肥(FM)可提高果实产量和水分利用效率。这可能因为适当施肥可保证叶绿素含量和净光合速率及蒸腾速率始终维持在较高水平，保证其营养生长旺盛，制造更多光合产物[31]。而肥料供应过多会使作物“徒长”[32–33]，反而对产量不利。施肥太少则会导致养分供给不足，进而减少产量。本研究还发现中肥条件下芒果维生素C和固酸比等取得最大值。这与适当施肥提高果实的可溶性固形物、固酸比、总糖和维生素C，从而提高果实口感的结果一致[31,34]。这可能由于适量施肥有利于根系生长，同时促进根系营养物质吸收和细胞分裂素的产生，也间接促进果肉细胞的分裂和膨大。并且适当施肥有利于提高土壤微生物活力，改善土壤微环境，促进芒果树对养分的吸收，从而提高芒果品质[35]。

水肥是影响作物生长发育和提高果实产量品质的重要因素[36]，且水分和养分之间存在显著的耦合效应[37]，合理的灌水和施肥既可促进作物的生长，增加产量，还可改善果实品质[31]，达到以水促肥、以肥调水的效果。本研究发现在芒果成熟期调亏灌溉中肥处理(DIMSFM)的产量和品质的综合效益最优。在芒果果实成熟期，果实中的储藏物质发生快速的分解与转化，适度亏水可提高酸性转化酶、中性转化酶和蔗糖合成酶活性，促进可溶性糖的合成[38–39]，进而改善芒果品质。适量施肥可缓解因水分亏缺对作物产量产生的不利影响。这也表明，只有将调亏灌溉和施肥有效地结合起来，使两者相辅相成，充分发挥两者对芒果的正向调节作用，达到芒果的节水提质增产的目的。

本研究采用主成分分析和隶属函数值法对芒果的品质进行综合评价，发现主成分分析法和隶属函数值法的评价结果基本一致，两种方法均表明DIMSFM处理的综合品质最优，其次是DIFSFM处理，而DIESFL处理的最差。

4 结论

调亏灌溉时期和施肥水平对芒果产量、品质和水分利用效率(WUE)影响显著。开花期和果实膨大期缺水会降低芒果产量、品质和可食率，降低水分利用率和肥料偏生产力(PFP)；成熟期缺水可增加芒果水分利用率和肥料偏生产力，且不影响产量和品质。芒果产量和水分利用率均在中等施肥水平下最大，该施肥水平下肥料偏生产力(PFP)也高于高施肥量处理。主成分分析和隶属函数值法综合评价均表明，干热区芒果综合品质最优为中等肥料水平下成熟期亏水灌溉，其次是中等肥料下全生育期充分灌溉，而早期缺水和低施肥量对芒果的产量和品质最为不利。