温室沙培黄瓜生产效应的水氮耦合方案优化

马新超,轩正英,*,谭占明,周 宇,王旭峰

(1.塔里木大学 园艺与林学学院,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.塔里木大学 研究生处,新疆 阿拉尔 843300; 4.塔里木大学 机械电气化工程学院,新疆 阿拉尔 843300)

黄瓜(CucumissativusL.)因其食用价值高、增产潜力大、效益高等优势深受消费者和农业生产者的喜爱。随着新疆南疆地区沙培瓜菜面积的不断增大,限制沙培技术发展的瓶颈问题日益凸显,虽然沙子具有取材方便和价格低廉的突出优势,但是沙子的矿质营养元素匮乏、吸水保水能力差,对水肥管理技术要求高,农业生产者为了追求高产和高效存在着盲目过量灌水与施肥现象,造成严重的资源浪费和环境污染问题。

对沙培黄瓜水氮耦合效应的研究已经成为目前亟待解决的问题。前人对传统土壤栽培下黄瓜水氮耦合效应已做了大量研究,祝鹏飞等[1]研究表明,在交替灌溉下将氮肥追施在干燥一侧能够减弱土壤硝态氮淋洗并得到较好的生物量及果实产量;方荣杰等[2]研究表明,同一灌溉水平下,氮肥利用率随施氮量的增加而显著降低;同一施氮水平下,氮肥利用率随灌水量的增加而升高;在高施氮水平下,黄瓜果实品质下降。李银坤等[3]研究表明,在河北省种植黄瓜时,比当地农民减少30%的灌水量、减少25%～50%施氮量,反而能够使黄瓜的生长特性表现较好,而且不会影响黄瓜的产量。 高丽等[4]研究也表明,对当地农民经验灌溉定额和施氮量进行减额优化后,提高了日光温室黄瓜的产量,降低了氮肥及水资源的浪费。朱常安等[5]研究发现,灌水量和施氮量对黄瓜综合营养品质的效应呈凸型二次曲线;随着灌水量或施氮量的增加,综合营养品质评价值呈现先增大后减小的趋势。尽管前人对黄瓜水氮耦合效应做了大量研究,但对于沙培黄瓜的水氮耦合效应鲜有报道,国内自1979年张汉玲[6]提出沙培黄瓜的栽培技术以来,一部分学者[7-10]开始从品种筛选、滴灌形式、氮素形态、保水剂等方面开展沙培黄瓜的研究,多指标综合评价沙培黄瓜全生育期的精准化水肥管理研究未见报道。

因此,本试验进行沙培黄瓜不同水氮耦合试验,探究水氮耦合对沙培黄瓜生长、产量、品质及水氮利用率的影响,同时建立多目标优化数学模型,使用遗传算法确定最适的灌水水平和施氮量组合方案,旨在获取沙培黄瓜最适水氮耦合精细化管理模式,为沙培黄瓜高产、高效、优质生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年4月—7月在塔里木大学园艺试验站(81°17’E,40°32’N,海拔990 m)7号节能型日光温室内进行,试验期间温室内气温变化如图1所示。供试黄瓜品种为优胜美水果黄瓜,为本地农户使用品种。栽培基质为建筑用沙(粗沙),其理化性质为:有机质含量6.53 g·kg-1、全氮含量1.29 g·kg-1、全磷含量0.24 g·kg-1、全钾含量0.46 g·kg-1、碱解氮含量6.61 mg·kg-1、速效磷含量8.01 mg·kg-1、速效钾含量38.34 mg·kg-1、pH值为7.49、电导率(EC)为3.16 mS·cm-1。试验采用槽式栽培,每个小区面积0.5 m×2.6 m,深0.4 m,南北走向,设定株距为0.25 m,大行距为0.6 m,小行距0.3 m,进行双行栽培,每小区定植20株黄瓜,每公顷保苗50 000株。设7个处理,每个处理3次重复,共计21个小区和420株黄瓜,温室东西两侧各设一行保护栽培槽。

1.2 试验设计

试验设置灌水水平和施氮量二因素,采用二次饱和D-最优设计(p=2的6点设计),并加设了一个处理T7最高码值处理,该处理只作参照,不参加回归分析,以保持原方案的优良性,试验设计具体方案见表1。

表1 黄瓜水氮耦合试验设计方案Table 1 Design scheme of cucumber water nitrogen coupling test

试验方案中灌水上限最大值设为田间持水量的100%,最小值设为田间持水量的65%;灌水下限为每天早上8:00测得的各处理的实际基质含水率,基质含水率用DM-300基质水分速测仪实时测定,并每隔20 d采基质用烘干法校准,当基质含水率接近或降低至田间持水量的60%时进行灌溉,灌水量依公式(1)计算:

M滴灌=r×p×h×θf×(q1-q2)/η。

(1)

式中:r—基质容重,为1.61 g·cm-3;p—基质湿润比,取100%;h—灌水计划湿润层,取0.35 m;θf—田间持水量;q1、q2—分别为灌水上限、灌水下限(以相对田间持水量的百分比表示);η—水分利用系数,滴灌取0.9。

试验所用大量元素肥料分别为尿素(含N 46%)、磷酸二氢钾(含P2O551%)和硫酸钾(含K2O 50%),依据基质中的养分含量及养分平衡原则[11]设定磷钾肥用量分别为290 kg·hm-2和800 kg·hm-2,氮磷钾肥料均做追肥随水施入,每隔5 d施肥一次,共计追施20次,各处理氮肥每次等量施入,前7次施入磷肥的49%,钾肥的21%,剩余磷钾肥每次等量施入,并视植株生长情况适时适量喷施微量元素。

1.3 测定项目及方法

在黄瓜刚进入结果盛期时,每个处理随机选取6株生长正常的黄瓜植株并标记,进行以下生长指标的测定,株高:用卷尺从子叶节处起测量至植株顶端;株幅:植株叶片开展的最宽距离;茎粗:用游标卡尺测量子叶节上面的第一节间,节间中间直径;叶片数:目测测定,以叶长大于2 cm叶片算起;叶面积:叶面积=0.5×WL×LL+0.25×WL2,式中WL为叶片横径,LL为叶片纵径,对所选植株自下而上第5片叶子测定其纵横径;叶绿素相对含量(SPAD值)使用SPAD502 plus(日本柯尼卡美能达)手持便携式叶绿素仪对植株自上而下的第5片叶子进行测定。

产量测定:从黄瓜结果初期至拉秧,对采收的黄瓜果实使用百分之一天平直接称重,统计每小区每次采收黄瓜的质量,并折算每公顷产量。

果实品质测定:在黄瓜结果盛期采集植株中部相同节位的黄瓜果实10根,用于测定黄瓜品质指标,指标的测定参照李合生[12]和高俊凤[13]的方法。果实硬度用硬度计测定;含水率用烘干法测定;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;维生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定;可溶性固形物含量使用ATAGO-P32(Japan)手持折射仪测定;果实硝酸盐含量的测定方法为浓硫酸-水杨酸法;总酚、类黄酮含量测定参考曹健康等[14]的方法。

水分利用效率和氮肥利用率的计算公式如下:

水分利用效率(WUE)=Y/ET。

(2)

式中Y为产量,kg·hm-2;ET为全生育期每公顷作物耗水量,m3·hm-2。

氮肥利用率(NUE)=N0/N1。

(3)

式(3)为氮肥利用率的计算公式,式中N0为每小区植株吸收 N 总量,kg,植株吸N量为拉秧时使用H2SO4-H2O2法[15]测定植株各器官吸N量求和计算得出;N1为每小区全生育期施入的N总量,kg。

1.4 数据处理

于2021年11月使用DPS 7.05软件对各项指标进行数据处理, LSD法进行多重比较(P<0.05);使用Math Type进行公式编辑;用Origin2021软件制图;用Excel 2019软件制表,并进行模糊数学隶属函数法和TOPSIS法评价,具体步骤参考何晓群[16]的方法;利用MATLAB2020b对多目标优化问题数学模型进行遗传算法求其Pareto解,关于遗传算法的具体原理及详细运算过程详见文献[17-18]。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对沙培黄瓜生长的影响

水氮耦合对沙培黄瓜生长的影响如表2所示,各处理的生长指标之间存在着显著差异,低水高氮的T3各项生长指标均为最大,高水低氮的T2各项生长指标除SPAD值外均为最小,T3与T2相比,株高增加了92.71%,茎粗增加了64.52%,叶面积增加了538.98%,叶片数增加了43.48%,株幅增加了80.37%,T3的SPAD值比T1提升了112.30%。

在同一大量施氮条件下,T3与T5相比,降低灌水水平对株高、叶片数无显著影响,茎粗、叶面积、株幅、SPAD值均有显著提升;在同一少量施氮条件下,T1与T2相比,降低灌水水平对株高、茎粗、叶片数和株幅均有显著提升,对叶面积无显著影响,而SPAD值有所下降。在同一低灌水水平下,T3与T1相比,增施氮肥能够极显著地提高各项生长指标;在同一高灌水水平下,T7、T6、T2三者相比,增施氮肥对各项生长指标均有显著提升,但是过量增施氮肥,株高、茎粗和叶片数均有所下降。

2.2 模糊数学隶属函数法综合评价沙培黄瓜生长

水氮耦合下沙培黄瓜的生长状况受到多方面因素的影响,不能从单一指标的趋势来确定生长状况最好的灌水水平和施氮量组合,应对各项生长指标进行综合评价。隶属函数法综合评价结果如表3所示,各处理的生长综合评分值顺序为T3>T6>T5>T4>T7>T1>T2,低水高氮的T3生长综合评分最高,其次是T6、T5,高水低氮的T2生长综合评分最低。由排序顺序可知,植株生长综合评分随着施氮量的增加而变大,并且盲目地进行大水大肥管理的T7植株长势较弱。虽然增施氮肥可以显著提升植株生长状况,但是违背了低投入高产出的栽培宗旨,灌水上限和施氮量适中的处理T4生长综合评分处于中游水平。因此,可确定当灌水上限在65.00%～89.40%,施氮量在623～1 250 kg·hm-2时,植株的生长状况较好。

表3 基于隶属函数法的各处理生长综合评价及排序Table 3 Comprehensive evaluation and ranking of growth of each treatment based on membership function method

2.3 水氮耦合对沙培黄瓜产量的影响

水氮耦合对温室沙培黄瓜产量的影响如图2所示,各处理的产量之间存在着显著差异,T5的产量最高,为107.43 t·hm-2,高水低氮的T2产量最低,为26.34 t·hm-2,两者相差了4倍;低施氮量下,黄瓜产量均极显著低于其他处理,当施氮量在623 kg·hm-2以上时,才可得到较高的产量,在同一灌水水平下,T3较T1增产205.85%,T6和T7与T2相比分别增产273.55%、244.09%,表明过量灌水施氮会造成一定程度的减产。为了确定灌水水平和施氮量对黄瓜产量的真实影响,淘汰不显著影响,有必要进行逐步回归分析,建立最优方程。利用DPS数据处理系统软件的二次多项式逐步回归分析(T7不参加回归分析,下同),得出黄瓜产量Y与灌水水平X1和施氮量X2的回归方程,由方程(4)可知,在沙培中施氮量是决定黄瓜产量的关键因子,增施氮肥能够显著增产,而过高的施氮量和灌水水平反而会降低产量,符合报酬递减规律;以高产为目标时,推荐的最优水氮耦合方案是灌水水平为82.5%,施氮量为1 009.82 kg·hm-2,在此方案下能获得最高产量115.89 t·hm-2。

图2 水氮耦合对温室沙培黄瓜产量的影响Fig.2 Effect of water nitrogen coupling on cucumber yield in sand culture in greenhouse

(4)

2.4 水氮耦合对沙培黄瓜水分利用效率的影响

由图3可知,不同水氮处理对沙培黄瓜水分利用效率影响显著,低水高氮的T3水分利用效率最高,为38.67 kg·m-3,其次为T4和T5,高水低氮的T2水分利用效率最低,为5 kg·m-3,与T3相差了接近8倍。在同一施氮水平下,降低灌水水平可以明显地提升水分利用效率,在低灌水水平下增施氮肥也可以提升水分利用效率,在高灌水水平下,增施氮肥时水分利用效率表现出先升后降的趋势,可见盲目的灌水施氮组合会产生拮抗效应,使水分利用效率降低。通过回归分析得出水分利用效率与灌水水平和施氮量的回归方程,由方程(5)可知,水分利用效率YWUE的大小是由灌水水平和施氮量两因子的单因子效应所决定的,增施氮肥的同时降低灌水水平可获得较高的水分利用效率。

图3 水氮耦合对沙培黄瓜水分利用效率的影响Fig.3 Effect of water nitrogen coupling on water use efficiency of sand cultured cucumber

YWUE=20.21-6.32x1+9.90x2(F=31.541 4,P=0.009 7)。

(5)

2.5 水氮耦合对沙培黄瓜氮肥利用率的影响

由图4可知,各处理的氮肥利用率存在着显著差异,T2的氮肥利用率最高,达到了108.92%,是最低T5的2.5倍;在623 kg·hm-2施氮量以下时,T1、T2和T4均有较高的氮肥利用率,在大量增施氮肥后,氮肥利用率均较低,且T3、T5、T6和T7间没有显著差异,氮肥利用率都在50%以下;在同一灌水水平下,氮肥利用率随着施氮量的增加而降低。对氮肥利用率进行回归分析,由回归方程(6)可知,过多地增施氮肥会明显降低氮肥利用率YNUE,并且灌水水平过高过低都会造成氮肥利用率的下降。

(6)

2.6 水氮耦合对沙培黄瓜品质的影响

从表4可知,水氮耦合下各处理的可溶性固形物含量、类黄酮含量和含水率无显著差异,对其他品质指标均有显著影响,高施氮量处理下的可溶性糖含量均显著低于低施氮量处理,在同一灌水水平下,果实可溶性糖含量随着施氮量的增加而下降,在同一施氮量下,也表现出相同的趋势随着灌水水平的增加导致可溶性糖含量的下降;果实的总酸含量在同一施氮量下的各处理间无显著差异,而在同一灌水水平下,增加施氮量会使果实总酸含量变多。T1的糖酸比最大,为2.14,与最小的T7相比高出56.20%,其次糖酸比较大的是T4;T2的可溶性蛋白含量最高,为402.09 μg·g-1,与最低的T6相比高出123.88%;T5的维生素C含量最高,为153.2 mg·kg-1,与最低的T7相比高出78.97%;果实的硝酸盐含量是食品安全检测的关键指标,低水高氮的T3果实硝酸盐含量最高,为325.54 mg·kg-1,硝酸盐含量总体表现出随施氮量的增加而增加的趋势;T6的果实总酚含量最高,其次为T5,T1和T3的总酚含量最低,与T6相比低了37.93%;T1和T2的果实硬度显著低于其他处理,获得较高的果实硬度需要增施氮肥。

表4 水氮耦合对沙培黄瓜果实品质的影响Table 4 Effect of water and nitrogen coupling on the quality of sand cultured cucumber

2.7 黄瓜果实品质指标的TOPSIS评价

现将黄瓜各项品质指标进行平方和归一化后,利用TOPSIS法得到各处理的综合品质贴合度 Ci值(因下文将对Ci值进行回归分析,故T7不参加TOPSIS评价,以免影响回归分析的结果),结果如表5所示,各处理的果实综合品质顺序为T5>T4>T3>T2>T6>T1,T5的综合品质最好,其次是T4,最差的是T1,灌水水平中等的综合品质要高于灌水水平过大和过小的,施氮量过低的综合品质明显低于增施氮肥的各个处理,虽然T5的综合品质最高,但是其施氮量过高,中水中氮的T4在较低投入下仍可获得较好的综合品质,因此T4为本试验条件下综合品质最佳的处理。对果实综合品质贴合度Ci值(YCi)进行回归分析,由方程式(7)可知,灌水水平过大或过小都会很大程度上降低沙培黄瓜果实品质,过多地增施氮肥同样会使品质下降。

表5 基于TOPSIS法的各处理果实品质综合评价及排序Table 5 Comprehensive evaluation and ranking of fruit quality of each treatment based on TOPSIS method

(7)

2.8 基于遗传算法的产量、氮肥利用率(NUE)、水分利用效率(WUE)、果实综合品质组合寻优

本次试验结果中产量、水分利用效率、氮肥利用率和果实综合品质贴合度Ci值所构建的回归方程式(4～7),经检验后4个回归方程的决定系数分别为0.998、0.955、0.980、0.908,回归关系显著,利用它们建立多目标优化问题模型。

(8)

用遗传算法中的并列选择法计算上述多目标优化问题的 Pareto 解,设定初始个体数目为1 200,最大遗传代数为 60,变量的二进制数目取 20,交叉概率取 0.7,代沟取 0.9,分别得到Y、YWUE、YNUE、YCi以及整体模型随迭代次数的变化曲线如图5所示。

从图5可以看出,各曲线在迭代次数小于30时变幅均较小,在迭代次数大于30后,产量、水分利用效率和氮肥利用率曲线呈现出上下波动的趋势,而综合品质曲线则有较大幅度的下降;4个目标函数之和曲线在迭代初期一直保持平稳状态,在迭代次数大于30之后出现小幅度的波动,但其值一直保持在较高水平。最终得到最优化产量为114.50 t·hm-2,最优化水分利用效率为28.64 kg·m-3,最优化氮肥利用率为71.18%,最优化果实综合品质贴合度Ci为0.52,取得最优解时的灌水水平编码值为-0.193 4,施氮量编码值为0.727 8,与之对应的实际值即灌水水平为79.12%,施氮量为1 100 kg·hm-2。

图5 经过60次迭代后产量、水分利用效率、氮肥利用率、综合品质以及整体模型最优解及性能跟踪Fig.5 After 60 iterations, yield, water use efficiency, nitrogen use efficiency, comprehensive quality, optimal solution and performance tracking of the overall model

3 讨论

水分和氮肥是影响作物生长发育和生产力提高的重要因素, 水是肥效发挥的有利帮手, 肥是开启水土体系生产产能的阀门[19],故寻求最优的水氮耦合方案是取得作物高产高效优质的有效途径。

在相同灌水条件下,黄瓜株高、茎粗、叶面积指数等生长指标随施肥量的增加呈开口向下的抛物线变化趋势[20-21],本研究也得出了相似的结论,即在同一灌水水平下,增施氮肥对各项生长指标均有显著提升,但是过量施氮下株高、茎粗和叶片数却有所下降。刘学娜等[19]研究表明,在同一施氮水平下, 增大灌水量可以提高黄瓜的株高和茎粗,而本次试验中利用隶属函数法综合评价得出的长势最好的处理是低水高氮的T2,此结果不一致可能是沙培所导致的,增大灌水量会导致沙子中氮素的淋洗作用增强,植株根系所能吸收到的有效氮含量降低导致地上部长势差。

本试验通过对产量的回归分析发现,增施氮肥能够显著增产,而过高的施氮量和灌水水平反而会降低产量。李银坤等[22]研究表明,适量地增加施氮有利于黄瓜产量的提高,而当施氮量过高时对经济产量的提高效果不明显,甚至会造成减产。王颀等[23]研究表明,随着氮肥施用量的增加,日光温室黄瓜产量呈先升高后降低趋势,与本次试验结果相似,而陈修斌等[24]研究表明,水分及水氮互作效应对黄瓜单株产量呈极显著影响;与本次试验结果不一致,这可能是灌水上下限和栽培基质的不同导致结果出现差异。

水分利用效率是由单位面积耗水量除以产量所得出的,由于本试验在温室内进行,没有降雨和地下水补给等影响耗水量,因此灌水水平和产量两者就决定了水分利用率的大小,肖自添[25]研究表明,在一定范围内,施氮能提高水分利用效率,灌水反而降低了水分利用效率,这与本试验结果相似,而李静等[20]研究表明,在低水和中水处理时,WUE 随着施氮量增加表现为先增大后降低的趋势,而对于高水处理,WUE 随着施氮量的增加显著增加。这与本试验研究结果有一定出入,这可能是试验设计不同所导致的。张钧恒等[26]研究表明,在一定范围内增加灌溉量和施肥量均会提高作物的肥料利用率,而过高的水肥供应则会导致肥料利用率的降低,这与本试验结果相似。隋娟等[27]研究发现,中水中肥的水肥耦合模式下,氮肥利用率较高,而低水高肥处理氮肥利用率较低,这与本试验中氮肥利用率最低的是中水高氮处理有一定出入,这可能是由于栽培基质、环境和施氮量不同导致结果出现差异。

黄瓜果实品质指标众多且分析单个指标不能全面反映果实的综合品质,朱常安等[5]研究发现,通过 TOPSIS组合评价法构建的黄瓜果实综合营养品质评价体系,比根据单一品质指标排序的相关性好,能够较好地评价黄瓜综合营养品质。因此,本试验对果实品质指标进行TOPSIS综合评价,发现中水高氮的T5综合品质最好,其次是中水中氮的T4。潘铜华[28]研究发现,中等水平灌溉量下,施加高浓度营养液与中等浓度营养液可获得番茄最佳品质。胡晓辉等[29]研究也发现,中等灌溉量高浓度营养液耦合处理下的辣椒果实品质综合评分最高,中等灌溉量中浓度营养液耦合处理次之;与本次试验结果相似,李建明等[30]研究结果表明,水肥协同影响西瓜综合评价值,且灌水量对其影响大于施肥量;综合评价值随水肥施入量增加均呈先升后降的趋势,这与本研究中果实综合品质贴合度Ci值回归分析所得出的结论较为相似。李志军等[31]认为,在以品质最优为目标时,低水中氮处理为最优的水氮供应模式。这与本试验研究结果不一致,这可能是由黄瓜品种和品质评价指标所造成的。

在寻求最优的水氮管理方案时,不能仅仅寻求单一目标的最优化,而是全面考虑经济效益、生态环境的综合效益,因此在沙培黄瓜生产中,需建立以产量、品质、水分利用效率和氮肥利用率等目标的水氮耦合评价体系,目前多目标遗传算法用于制定最优水肥组合方案的合理性和优越性已有前人[29,32]进行了验证,本试验通过遗传算法求解多目标优化问题模型的结果表明,当灌水水平为79.12%,施氮量为1 100 kg·hm-2时,得到最优化产量为114.50 t·hm-2,最优化水分利用效率为28.64 kg·m-3,最优化氮肥利用率为71.18%,最优化果实综合品质贴合度Ci为0.52,当地相同栽培模式下(以新疆生产建设兵团第一师十团绿飘香农业合作社为例)沙培黄瓜产量为78.30 t·hm-2,水分利用效率为21.23 kg·m-3,氮肥利用率为39.24%,最优水氮方案下的产量和水氮利用效率较当地相同栽培模式的分别高出46.23%、34.90%和81.40%,达到了高产、高效、优质的农业生产目标。本试验结论与前人[33-34]研究得出的黄瓜最优水氮组合不一致,其原因可能是本试验栽培模式密度较大,并且沙子的矿质营养元素匮乏,导致需肥量增大。由于本试验未对模型结果进行验证,最优水氮耦合方案的可靠性仍需进一步的研究证实。

4 结论

(1)各处理的生长、产量、品质、水分利用效率和氮肥利用率都存在着显著差异,受到灌水水平、施氮量及其耦合效应在不同程度上的影响。当灌水上限在65.00%～89.40%,施氮量在623～1 250 kg·hm-2时,植株的生长状况较好;在沙培中施氮量是决定黄瓜产量的关键因子,增施氮肥能够显著增产,而过高的施氮量和灌水水平反而会降低产量,符合报酬递减规律;增施氮肥的同时降低灌水水平可获得较高的水分利用效率;过多地增施氮肥,并且灌水水平过高过低都会造成氮肥利用率和品质的下降。

(2)最适于沙培黄瓜生产的水氮耦合方案为:灌水水平79.12%(即基质田间持水量60.00%～79.12%的灌水上下限设置),施氮量1 100 kg·hm-2,此结果可为沙培黄瓜水氮科学精细化管理及沙培技术的推广应用提供理论依据。