水肥耦合对滴灌骏枣产量及果品等级的影响研究

周小杰，吕廷波*，邢 猛，宋仁友，付鑫法

（1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000）

0 引 言

【研究意义】南疆红枣种植区土壤主要为沙土或沙壤土，保水保肥能力差。由于施肥不合理，导致肥料利用率低下、枣树产量下降和果实品质差等问题，其中二级果及以上等级比例的降低极大影响骏枣的经济价值。研究滴灌条件下骏枣节水节肥、提质增效的水肥管理技术，为南疆地区骏枣生产提供节水节肥优质的水肥配比模式，提高骏枣经济价值，具有良好的现实意义。【研究进展】枣原产于中国，为我国特有的经济树种,国外很多国家都从中国引种栽培，中国骏枣主要为山西骏枣和新疆骏枣[1]。近年来，国内外学者进行了诸多红枣相关研究[2-4]，Li 等[5]研究了枣树根系分布对灌溉水有效利用系数的影响；Ye 等[6]研究了有机肥对梨枣水分利用、光合特性及果实品质的影响；水分亏缺胁迫对枣果实品质的影响[7]。其中在滴灌条件下对红枣的研究取得了大量成果，关于灌水量对红枣影响方面，有不同灌水下限、调亏灌溉及不同灌溉定额等对红枣产量的影响[8-13]。胡家帅等[12]在新疆阿拉尔研究得出灌水量为1 050 mm 时，红枣产量、水分利用效率最优。在施肥量对红枣影响方面，主要侧重于施氮量和全生育期施肥量研究[14-15]，滴灌条件下矮化密植枣树试验中得出适宜施肥区间：N（271.36～374.88 kg/hm2）、P2O5（128.36～217.94 kg/hm2）、K2O（124.44～228.58 kg/hm2）[16]。胡安焱等[17]在新疆阿克苏地区研究认为，灌水对红枣产量的影响效应大于施肥，水肥耦合显著增加红枣产量。宋亚伟等[18]对骏枣商品果率、外观品质、制干品质和果实品级进行相关研究。此外，学者[19-20]通过红枣水肥试验得出其最优水肥配比与灌水施肥制度。王振华等[21]通过运用二元回归分析及归一化方法，建立水肥关系模型并获得南疆沙区成龄红枣适宜水肥投入范围。【切入点】目前大部分研究在建立水肥投入为自变量、红枣果实指标为因变量时，虽然研究的指标较多，但关于水肥供应对骏枣优劣果率的影响研究较少。本研究以骏枣等级比例为突破点，将探究骏枣产量与果实等级之间的关系作为重点。【拟解决的关键问题】以南疆和田地区矮化密植骏枣为研究对象，针对南疆骏枣水肥管理模式粗放问题，研究南疆滴灌不同水肥管理对红枣产量及等级品质的影响，建立不同水肥管理方法与产量、等级的数学模型，探索该地区骏枣生产的最佳水肥管理模式，以期为矮化密植骏枣生产的适宜水肥管理提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2021 年4—10 月在新疆生产建设兵团第十四师昆玉市224 团7 连（79°29'N，37°35'E）进行。该地区海拔1 263.2 m，为典型的温带大陆性气候，年均气温为12.3 ℃，年均降水量为33.4 mm，年均蒸发量为2 825 mm，年均无霜期为214 d，最大冻土深度0.7 m。该地土壤质地为沙壤土，1.5 m 土层内平均土壤干体积质量1.55 g/cm3、pH 值为8.16，平均地下水埋深3 m。每次灌水前检测灌溉用水，pH 值平均为6.91。土壤理化性质如下，有机质量为6.83 g/kg，铵态氮量为0.45 mg/kg，硝态氮量为29.32 mg/kg，速效磷量为13.76 mg/kg，有效钾量为39.81 mg/kg。试验区主要气象要素见图1。

图1 2021 年试验区气象要素Fig.1 Meteorological elements of the test site in 2021

1.2 田间试验设置

研究对象为10 a 成龄骏枣，2010 年种植，次年嫁接，枣树株行距1 m×4 m。枣树平均株高2 m、干周（离地面20 cm 处）40 cm、冠幅1.82 m。滴灌施肥由小型施肥罐和水表精确控制，滴灌带采用1 行2管布置模式，分别位于枣树两侧，距树干60 cm。滴头为单翼迷宫式，滴灌带外径16 mm，壁厚0.30 mm，滴头间距30 cm，流量3.2 L/h。

1.3 试验设计

通过文献[13]和参考农户经验，按照当地农艺管理措施，以常规滴灌施肥为对照组，其灌水量为770 mm，施肥量为1 125 kg/hm2。采用水、肥双因素三水平处理方法，灌溉定额分别为：540 mm（W1）、630 mm（W2）、720 mm（W3）。使用肥料为尿素（含N 46%），磷酸一铵（含P2O560.85%，N 12.17%），硫酸钾（含K2O 52%）。施肥量采用N∶P2O5∶K2O=4∶2∶3 的比例，分别为562.5 kg/hm2（F1）、810 kg/hm2（F2）、1 080 kg/hm2（F3）。具体水肥处理方案如表1所示，共10 个处理，3 次重复，30 个小区，小区长70 m，宽4 m。各小区之间保留一行枣树作为保护行。

表1 试验方案Table 1 Experimental design

灌水开始后0.5 h 施肥，灌水停止前0.5 h 施肥结束。骏枣全生育期灌水和施肥情况如表2 所示。

表2 骏枣全生育期灌水施肥量Table 2 The amount of irrigation and fertilization in the whole growth period of Junzao

1.4 试验测定项目与方法

1.4.1 产量、果品等级及外观品质

产量：在枣树进入收获期后，按照小区取样，各处理随机选取9 棵树，分别称量每棵树的红枣产量，将9 棵树产量的平均值作为每个处理枣树的产量。

果品等级：红枣果品样本依据前人[22]研究将收集的样本热风干燥（湿基含水率〔25±6〕%）处理后，根据骏枣长径分为5 个品级：特级（36 mm 以上）、一级（32～36 mm）、二级（28～32 mm)、三级（24～28 mm）、四级（20～24 mm）。将每个处理的红枣使用分级机器进行果品分级。

单果质量：将骏枣称质量分级后，按照每一棵枣树随机选取15 颗的标准采用称质量法测出不同处理平均单果质量。

骏枣纵横径：将骏枣称质量分级后，按照每一棵枣树随机选取15 颗的标准采用游标卡尺测出不同处理平均骏枣纵横径。

1.4.2 灌溉水分利用效率与肥料偏生产力

灌溉水分利用效率（IWUE，kg/m3）[23]计算式为：

式中：Y为骏枣产量（kg/hm2）；W为骏枣灌水量（mm）。灌水量：1 mm=10.005 m3/hm2。

肥料偏生产力（PFP，kg/kg）[23]计算式为：

式中：F为投入的N、P2O5和K2O 总质量（kg/hm2）。

1.4.3 相关性分析

将灌水施肥的数学模型计算得出的产量、等级预测值与实测值进行相关性分析，指标包括显著性差异（P）、决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）、归一化均方误差（NRMSE），RMSE和NRMSE按式（1）—式（2）计算。

式中：Ya为实测值；Yb为预测值；Yc为实测值平均值；RMSE大小代表偏差程度，RMSE越小，精确程度越高；NRMSE＜10%为极好，10%～20%为良好，20%～30%为中等，≥30%为差[21]。

1.5 数据处理

数据采用Excel 2018，Matlab 2019 和SPSS 25 进行处理（双因素分析和Duncan 法（P=0.05）进行多重比较），图表分别采用Excel 2018 和Origin 2018绘制。

2 结果与分析

2.1 水肥配比对滴灌骏枣产量和品质的影响

如表3 所示，灌水量对骏枣产量、单果质量、骏枣纵横径影响达到显著水平（P＜0.05），对IWUE达到极显著水平（P＜0.01），施肥量对PFP、单果质量、骏枣纵横径达到极显著水平（P＜0.01）。水肥交互作用对骏枣产量、IWUE和PFP的影响均达到极显著水平（P＜0.01）。W1F1 处理产量、骏枣纵横径值最低，其W1F1 处理产量和横径与CK 均具有显著性差异（P＜0.05），较CK 产量和横径分别减少25.29%、8.1%。W3F1 处理单果质量最低，与CK 具有显著性差异（P＜0.05），较CK 减少24.09%。W2F3 处理的骏枣产量和IWUE最高，与CK具有显著性差异（P＜0.05），较CK 产量和IWUE分别提高13.92%、39.13%。W3F1处理PFP最高，与CK 具有显著性差异（P＜0.05），较CK 提高91.53%。W2F2 处理单果质量、骏枣纵横径最高，其中单果质量、纵径与CK 均具有显著性差异（P＜0.05），较CK 分别提高10.3%、10.54%。

表3 不同水肥配比滴灌骏枣产量和品质Table 3 Yield and quality of Junzao under drip irrigation with different water and fertilizer ratios

W2、W3 处理下产量与IWUE均表现为F3 处理＞F2 处理＞F1 处理；W1 处理下产量与IWUE表现为F2 处理＞F3 处理＞F1 处理；单果质量、骏枣纵横径在同一灌水处理下，均表现为F2 处理＞F3 处理＞F1处理。产量在F1 处理下表现为W3 处理＞W2 处理＞W1 处理；在F2、F3 处理下表现为W2 处理＞W3 处理＞W1 处理。IWUE在F1、F2 处理下表现为W2 处理＞W1 处理＞W3 处理；在F3 处理下表现为W2 处理＞W3 处理＞W1 处理。单果质量、骏枣纵横径在F2 处理下均表现为W2 处理＞W3 处理＞W1 处理，单果质量在F1、F3 处理下表现为W2 处理＞W1 处理＞W3 处理。以上结果表明，灌水量是作物产量的基本保证，在W2、W3 水平下，作物产量随施肥量的提高而增加，在同一施肥水平下，过高或过低的灌水量抑制骏枣产量、单果质量和骏枣纵横径，W1 处理与F1 处理产量、单果质量和骏枣纵横径相比其他处理极大减少，适宜的水肥配比能进一步提高产量和品质。PFP除W1F3 处理略低于CK 外，其余处理与IWUE所有处理皆大于CK。在同一灌水水平下，PFP表现为随施肥量提高而递减。

2.2 水肥配比对滴灌骏枣等级比例的影响

将骏枣根据长径分成5 个等级，其中优级果包括特级果、一级果，劣级果包括三级、四级果[20]。由表4 可知，灌水和施肥对骏枣等级比例的影响均达到显著水平（P＜0.05），水肥交互作用对骏枣等级比例除四级果率外均达到极显著水平（P＜0.01）；对四级果率达到显著水平（P＜0.05）。W2F2 处理优级果率（38.19%）最高；劣级果率（14.22%）最低，其特级果率、一级果率与CK 均具有显著性差异，较CK分别增加95.58%、59.58%；其三级果率和四级果率与CK 均具有显著性差异，较CK 分别减少65.65%、71.09%。W3F1 处理劣级果率（60.82%）最高；优级果率（11.11%）最低，其三级果率和四级果率与CK均具有显著性差异，较CK分别增加56.45%、36.43.%；其特级果率、一级果率与CK 均具有显著性差异，较CK 分别减少55.37%、50.36%。W1F2 处理二级果率最高，与W2F2 处理和CK 均具有显著性差异，较W2F2 处理、CK 分别增加6.14%、37.82%。

表4 不同水肥配比骏枣等级比例Table 4 Different water and fertilizer ratios drip irrigation Junzao grade ratio

对于灌溉量水平，除W1 处理的一级果率和W3处理二级果率外，其他处理的特级果率、一级果率、二级果率在同一灌水水平中均表现为F2 处理＞F3 处理＞F1 处理；在同一灌水水平中，劣级果率除W1处理的三级果率外，均呈F1处理＞F3处理＞F2处理。对于施肥量水平，在同一施肥水平中，劣级果率呈现为W3 处理＞W1 处理＞W2 处理。优级果率在F1 处理中，呈现为W1 处理＞W2 处理＞W3 处理；在F2、F3 处理中，呈现为W2 处理＞W3 处理＞W1 处理。W1 特级果率均小于CK。

2.3 滴灌骏枣水肥配比模型优化

如表5 所示，建立的二元二次回归方程以不同水肥配比作为自变量，以骏枣指标作为因变量。通过MATLAB 软件运算，其中灌水量、施肥量的下限分别为W1、F1 处理，灌水施肥的上限为CK 的灌水、施肥量，得出回归方程的极值，及其所对应的灌水、施肥量。通过分析可知，不同水肥配比对各骏枣指标达到极显著水平（P＜0.01），决定系数大于0.80。其中在满足Y1～4方程最大值时对应的灌水、施肥量接近，而其他方程满足最大值对应的灌水、施肥量与上述方程相差较大。即不同指标无法同时达到最大，PFP、二～四级果率、单果质量、骏枣纵横径与其他指标适宜的水肥区间具有一定差异，因此不单独列出回归方程，在综合评价中只考虑产量、IWUE、特级果率和一级果率。

表5 不同水肥配比投入与产量，等级指标的回归模型Table 5 Regression model of input and yield and grade index of different water and fertilizer ratios

通过将本试验实际骏枣水肥数据与骏枣产量、骏枣等级比例建立的数学模型，求得预测值并进行相关性分析，对比实测值与预测值的拟合程度（表6）。从表6 可以看出，产量和等级比例的实测值与预测值相关性良好，NRMSE值在20%之内（良好），决定系数R2在0.889 以上。相对水分利用效率和果品率。图中白色区域为最大值，灰色区域为最小值，在相对值0.9 以上可接受区域骏枣指标出现重合区域，本试验进行数据分析时将该重合区域作为合理的可接受范围。

表6 模型预测值与实测的骏枣产量及等级比例对比Table 6 Comparison of the predicted value of the model with the measured yield and grade ratio of Junzao

根据参数估计的似然函数组合方法，共有加法组合方式C1、乘法组合方式C2和均方组合方式C3，用3 种组合方式对产量、灌溉水分利用效率、特级果率和一级果率重合区域进行计算，求出3 种组合最优灌水施肥值，以C1、C2、C3中灌水施肥值的极值作为最优灌水施肥区间。

为了进行直接比较，将骏枣指标归一化处理，即各处理值与其极值之比，得出灌水施肥量与相对产量、相对灌溉水分利用效率、相对特级果率和相对一级果率的关系图。图2 为不同水肥处理的骏枣相对产量、

图2 不同水肥处理的骏枣相对产量、相对水分利用效率和果品率Fig.2 Relative yield, relative water use efficiency and fruit rate of Junzao under different water and fertilizer treatments

表7 不同组合及其所需灌水量和施肥量Table 7 Different combinations and their corresponding irrigation and fertilizer amounts

式中：Yi为相对产量、相对灌溉水分利用效率、相对特级果率和相对一级果率；K为目标个数。

3 讨 论

滴灌下的施肥方法关键在于“以水促肥、以肥调水”，合理的灌水施肥量能在提高作物产量的同时有利于品质的提高，达到节水节肥的作用，使作物经济效益更高[21,24]。本试验条件下，不同灌水施肥量对骏枣的产量和品质影响不同，适宜的水肥配比能进一步提高产量和品质。胡安焱等[17]认为，适宜水肥配比情况下，红枣产量受水肥交互作用影响明显增加，这与本研究结论相同。在骏枣生长前期，适宜的水分起到充分运移氮素至骏枣根部合理位置作用，而氮素可以促进骏枣对水分的吸收。扁青永等[19]在常年漫灌枣地改滴灌条件下的试验得出，改用滴灌方式下灌水为820 mm，氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥施肥量分别为200、100、150 kg/hm2时红枣产量最高，本文在W2F2 处理下产量更高，滴灌与漫灌相比，能让水肥集中在枣树根部，提高枣树对养分的吸收，采取漫灌改为滴灌的枣树与滴灌枣树需水需肥量存在差异。南疆骏枣种植区域多为沙壤土，高灌水量会导致氮素淋失，影响骏枣吸收养分[25]。本试验结果认为，在灌水量一致情况下，施肥量的增加在提高产量的同时PFP显著降低。高施氮量导致骏枣果树新梢和枣吊徒长，导致坐果率降低，最终影响产量、单果质量和纵横径[26]。在本试验中，灌水对骏枣产量的影响达到差异显著性水平，水肥耦合作用对骏枣产量的影响达到极显著水平，这与扁青永等[20]的研究结果相同。不同水肥条件对红枣的产量表现不同，适当增加灌水量有利提高红枣产量、单果质量和纵横径，但过高的水肥使用量会减少红枣产量、单果质量和纵横径[27-28]。本试验中水肥交互作用对骏枣产量、IWUE、PFP影响具有极显著差异，这与多位学者研究结果一致[17-19]。

低水低肥，高水高肥等不合理的水肥供应策略皆容易出现骏枣低等级果占比过高，导致骏枣商品性过低，最终影响骏枣的品质。胡家帅等[12]研究得出，灌水量的增加使红枣等级果率呈波动性变化，可能是不同试验地点和处理（灌水单因素）的差异性导致对骏枣各等级果率的影响不同。在骏枣幼果膨大期前灌水充足，施肥量不足情况下会导致贪青，骏枣生长前期缺少钾、钙等元素，果皮厚度和韧性差；施肥量过高情况下，生长后期过量的钾肥会导致骏枣裂果情况的出现。本试验中W2F3 处理和W3F3 处理产量分别高于W2F2 处理与W3F2 处理，但整体等级比例却相反，这与付诗宁等[29]研究相似。当灌水量和施肥量不断增加情况下，骏枣出现徒长情况[21]，造成大量开花结果，导致生育后期果实养分跟不上，果实不饱满，从而等级比例降低。在满足高产的条件下，高施肥不利于果品等级的进一步提高，合理的水肥配比是提高骏枣商品性的关键因素，在追求产量的同时，提高骏枣商品性对骏枣产品竞争力起到关键作用。

水肥耦合在滴灌条件下存在阈值反应，达到阈值之前，增加水肥投入具有增产，提质增效的作用；高于阈值，将导致作物减产，品质降低[30]。多位学者[31-33]通过建立灌水肥料投入与作物指标回归方程，将目标函数进行归一化处理，运用空间方法，分别在80%、85%和95%的重叠区域寻求最佳灌水施肥区间，对提高作物水肥管理水平具有很好的作用。王振华等[18]通过数学模型分析认为滴灌红枣适宜的水肥投入范围分别为651～806 mm 和708～810 kg/hm2，其中N（311～345 kg/hm2），P2O5（156～178 kg/hm2），K2O（233～267 kg/hm2），与本试验在90%的重合区域得出最佳灌水施肥区间研究结论相似，表明适宜的灌水施肥区间，在达到高产高效的同时，能够起到节水节肥的作用。本试验研究结论能为和田地区滴灌骏枣的适宜水肥配比提供借鉴。本研究只进行了1 a 的试验，在后续的研究中可结合其他品质指标，进一步完善。

4 结 论

1）本试验条件下W2F3 处理骏枣产量（10 114.12 kg/hm2）与IWUE（1.6 kg/m3）最高；W3F1 处理PFP（14.94 kg/kg）最优；W2F2 处理单果质量（14.56 g）、纵径（52.98 mm）、横径（31.94 mm）最优；W2F2处理优级果率（38.19%）最高。

2）施肥量一致，低灌水量条件下，产量、单果质量、骏枣纵横径极大程度降低。灌水量一致情况下，施肥量过低，骏枣果品等级极大程度降低。适宜的水肥投入，是提高产量、果品等级、品质的关键。

3）通过建立不同水肥配比与产量、骏枣等级的数学模型，结合骏枣提质增效目标综合考虑，得出和田滴灌骏枣适宜的水肥配比区间为639.21～642.85 mm 和842.36～864.04 kg/hm2，其中N（374.38～384.02 kg/hm2，P2O5（187.19～192.01 kg/hm2），K2O（280.79～288.02 kg/hm2）。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）