根系分区交替灌溉不同灌水上限对西瓜和甜瓜生长及水分利用效率的影响

侯东颖　苏东涛　郝科星　张曼　张涛　侯富恩

摘    要：為了探究设施西瓜和甜瓜膜下根系分区交替灌溉效应，选取西瓜品种‘早佳8424’、甜瓜品种‘青甜脆’为试验材料，以土壤田间持水量的60%为灌水下限，田间持水量的70%、80%、90%、100% 为灌水上限，研究不同灌水上限处理对设施西瓜和甜瓜生长、产量、品质、养分吸收、水分利用效率的影响。结果表明：根系分区交替灌溉条件下，西瓜、甜瓜最佳灌水上限处理是90%田间持水量，该处理下西瓜、甜瓜中心可溶性固形物含量、维生素C含量、果实中含氮、钾量均显著高于其他处理，灌溉水分利用效率较100%田间持水量灌溉上限处理分别显著提高40.56%、33.35%，且产量下降不明显，有助于西瓜和甜瓜生长、养分积累和品质提升，同时达到节水的目的。综上，本研究可作为山西晋中地区设施节水提质增效的一种灌溉模式推广应用。

关键词：西瓜；甜瓜；根系分区交替灌溉；水分利用效率

中图分类号：S627；S651；S652        文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.09.011

Effects of Different Alternate Partial Root-zone Drip Irrigation Upper Limit on Growth and Water Use Efficiency of Watermelon and Melon

HOU Dongying， SU Dongtao， HAO Kexing， ZHANG Man， ZHANG Tao， HOU Fuen

（College of Agricultural Economics and Management， Shanxi Agricultural University， Taiyuan ， Shanxi 030006，China）

Abstract：  In order to investigate the effect of alternate partial root-zone drip irrigation（APRI） under plastic film of watermelon and melon cultivated in facility， watermelon varieties 'Zaojia 8424' and melon varieties 'Qingtiancui' were selected as experimental materials.  The trial was a completely randomized design with 60% of the soil field capacity set as irrigation lower limit， and 70%， 80%， 90%， 100% of field capacity set as irrigation upper limit， respectively. The effects of different irrigation upper limit treatments on the growth， quality， nutrient absorption and water use efficiency of watermelon and melon were studied. The results showed that under the condition of APDI， the optimal irrigation upper limit for watermelon and melon was 90% field water capacity. Under this treatment， the central soluble solid content， vitamin C content， nitrogen and potassium content in the fruit of watermelon and melon were significantly higher than other treatments.. The irrigation water use efficiency was significantly increased by 40.56% and 33.35% compared to the 100% field water capacity irrigation upper limit treatment， and the yield reduction was not significant， which was conducive to the growth， nutrient accumulation and quality improvement of watermelon and melon， while achieving the goal of water conservation. In conclusion， it can be promoted and applied as an irrigation model for water-saving， quality improvement， and efficiency enhancement of facilities in Jinzhong， Shanxi.

Key words： Watermelon; melon; alternate partial root- zone drip irrigation; water use efficiency

节水灌概制度是农业节水的基本措施之一，2020年我国灌溉用水3 116亿m3，灌溉用水占农业用水86%，而蔬菜生产需水量较大。因此，蔬菜节水是农业节水的重要组成部分。我国目前设施蔬菜栽培技术水平不高，缺乏量化指标，在节能增效和环境调控方面还有很长的路要走[1]。水在气候环境中极为活跃，在蔬菜的整个生产过程中至关重要。因此，研究节水灌概制度，已成为设施蔬菜生产实践中亟需解决的问题。

根系分区交替灌溉技术APRI（Alternate partial root-zone irrigation）作为一新型灌溉技术可应用于农田节水，继1997年康绍忠等[2-3]学者提出后在国内外引起广泛关注。通过在根系的不同区域或不同部位交替灌溉，利用作物短时间缺水后会产生根信号这一特点，使被胁迫的根系得到干旱锻炼，从而降低作物的蒸腾作用和总灌溉量，最终实现农作物在节水的情況下产量和品质不变。目前根系分区交替灌溉技术已应用在棉花、玉米、土豆、苹果、葡萄、番茄上[4-8]。赵志成等[9]研究表明，根系分区交替灌溉处理下，黄瓜较传统滴灌叶片净光合速率略有下降，蒸腾速率显著降低，产量下降不明显，而灌水量减少17%，水分利用效率提高18.6%，节水效果显著；陈丽楠等[10]对葡萄的研究发现，根系分区交替灌溉与氮肥耦合不仅显著提高其产量，而且可溶性糖含量、维生素C含量、糖酸比均显著提高；刘星等[11]研究不同滴灌模式对黄土高原苹果树生长、产量、根系分布的影响发现，根系分区交替灌溉（中水水平）苹果树的新梢粗度与长度，产量和水分利用效率均为最高；赵娣等[12]对膜下滴灌加工番茄研究发现，根系分区交替灌溉显著提高了根系的各项特征参数值，产量与常规灌溉相比，增产18.84%，同时提高了根系对N、P、K养分的吸收。这些研究结果都表明，根系分区交替灌溉技术不仅节水效果明显，在提质增效方面也有很好的潜力。

我国西瓜和甜瓜的生产量与消费量一直位居世界前位。目前，我国已经形成五大西瓜和甜瓜优势产区，包括长江流域、黄淮海、华南、西北、东北西瓜和甜瓜优势产区，据国家西瓜和甜瓜产业技术体系不完全统计，截至2019年，全国西瓜和甜瓜种植面积已逾200万hm2[13]。西瓜和甜瓜是我国北方早春季节设施栽培的主要瓜类作物，其生长发育和产量受土壤湿度影响较大。近年来，随着设施瓜菜的栽培面积不断扩大，许多地区采用微喷灌、渗灌、滴灌等节约型灌水技术，但实际应用中缺乏科学的水分管理；而丰水高产型的经验灌溉，由于灌水量无节制，会使叶片无效蒸腾增加，达不到农田灌溉水有效利用的目的，另外也会引起温室空气湿度增大，导致病害的发生[14]。前人涉及大田作物及蔬菜等农作物根系分区交替灌溉效应研究较多，但是对于西瓜和甜瓜的相关研究较为少见。本研究以山西晋中地区设施西瓜和甜瓜为研究对象，研究根系分区交替灌溉模式下不同灌水上限处理对西瓜和甜瓜生长指标、产量指标、品质指标、水分利用效率的影响，确定该栽培模式下适宜当地的节水灌溉上下限指标，以期为当地设施西瓜和甜瓜水分管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

本试验于2022年3—8月在山西农业大学东阳试验示范基地塑料大棚内实施。东阳镇地属晋中平原，为大陆性气候，四季分明，昼夜温差大，农业生产条件优越，是山西省蔬菜生产第一镇。土壤类型为沙壤土，土壤条件见表1。

1.2 试验材料

西瓜供试材料为‘早佳8424’，甜瓜为厚皮甜瓜品种‘青甜脆’，3月中旬进行西瓜和甜瓜穴盘育苗盘育苗，三叶一心进行定植。

1.3 试验设计

试验灌溉模式采用根系分区交替灌溉，即在距离植株约10 cm的两侧各铺设一条滴灌管，每次灌溉时只灌溉一侧，下次灌溉时，则滴灌上次未灌溉侧，交替进行。每根滴灌管前端均安装开关阀，通过人工控制其开关，并配置水表进行灌水量控制。试验灌水下限均为60%θ f（田间持水量），灌水上限分别为A1（70%θ f）、A2（80%θ f）、A3（90%θ f）、A4（100%θ f）4个处理，每个处理设3次重复，随机区组排列，每个小区长7 m，宽3 m，垄高10～15 cm，西瓜试验每小区种植2行，株行距为0.5 m×2 m；甜瓜每小区种植4行，株行距为0.45 m×1 m；每个小区用地膜覆盖，并设有不透水膜隔阻小区之间水分流动，前后均设置保护行。

根系分区交替灌溉处理的灌水量则根据公式计算[15]，每株植株灌溉量（m）=s（计划湿润土壤面积/ m）×h（计划湿润土壤深度/ m）×p（土壤湿润比）×r（土壤容重/ g·cm）×θ f（田间持水量）×（q-q（土壤相对含水量上限-下限））×10。其中，西瓜、甜瓜计划湿润面积分别为0.5 m、0.225 m，计划湿润土壤深度在伸蔓期为0.4 m，开花坐果期为0.7 m。土壤湿润比为0.8。定植后统一灌溉缓苗水，定植15 d后再进行不同的灌溉处理。土壤相对含水量下降到灌水下限时开始灌溉，至灌水上限时停止，土壤含水量根据土壤温度水分测定仪进行测定并每天记录。

施用750 kg·hm复合肥及75 m·hm腐熟的牛粪作为基肥，果实成熟期施用600 kg·hm钾肥作为追肥。西瓜采用三蔓整枝，甜瓜采用吊蔓单蔓整枝，各小区除试验处理外，其他管理措施均一致。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 西瓜和甜瓜主蔓长、粗、叶绿素含量 成熟期随机选取有代表性的5株西瓜和甜瓜，分别用卷尺和游标卡尺测量其主蔓长和主蔓茎粗，叶绿素含量用便携式叶绿素测定仪（SPAD，日本）测定。

1.4.2 西瓜和甜瓜产量、果实可溶性固形物含量、维C含量及N、P、K含量 待果实成熟采收后每个小区取成熟度一致的10个果实，用电子天平逐一称质量记录并计算平均单瓜质量，折算理论产量，可溶性固形物用手持数显折光仪（ATAGO，日本）测定，维生素C含量采用钼蓝比色法测定。

果实氮磷钾测定：氮含量的测定采用凯氏定氮仪；磷含量的测定采用钼锑抗比色法；钾含量的测定使用火焰分光光度计法[16]。

1.4.3 单位面积耗水量和产量水平灌溉水分利用效率记录水表读数计算各小区总灌水量和灌溉水分利用效率WUE。

WUE=Y/W

式中，Y表示西瓜和甜瓜公顷产量（kg·hm）；W表示单位面积灌溉定额（m·hm）。

1.5 数据处理方法

采用Excel 2019和SPSS 24.0軟件进行相关数据的统计分析和作图，Duncan's新复极差法进行多重比较（显著性差异P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 根系分区交替灌溉不同灌水上限对西瓜和甜瓜生长、叶绿素含量的影响

一般而言，植株主蔓长和主蔓茎粗会因不同的灌水方式和水分控制上下限而有所影响。由图1可知，随着灌水上限的增加，甜瓜、西瓜主蔓长也随之增加，西瓜增长趋势更加明显，且各处理间差异显著，均以A4处理主蔓长值最大，相较最低A1处理分别增加8.11%和14.94%；而A1、A2处理西瓜、甜瓜的主蔓长均显著低于A4处理，说明A1、A2处理由于土壤水分亏缺抑制了西瓜和甜瓜的茎生长。

西瓜、甜瓜根系分区交替灌溉不同灌水上限处理主蔓茎粗间均无显著性差异（图2），说明主蔓茎粗受土壤含水量的变化不敏感，其中甜瓜以A4处理最高，相较最低A1处理提高14.64%；西瓜以A3处理主蔓粗值最高，相较最低A1处理提高19.13%。

主蔓长、茎粗是植株生长情况的直接体现，而叶绿素在植物光合作用、能量吸收，以及合成有机质中不可或缺，叶绿素含量不仅指示着植物的健康状况，对后期有机物的积累也同等重要[17]。从图3可以看出，甜瓜叶绿素含量随着根系分区交替灌溉灌水上限的增加而逐渐增长，A4处理较A1、A2处理显著提高12.38%、11.50%；西瓜根系分区交替灌溉处理下叶绿素含量随着灌水上限的增加呈现先上升后下降的趋势，其中在A3处理下达到显著水平，较最低A1处理提高19.68%，说明灌溉不足极易影响作物的光合作用，从而导致叶绿素含量的降低。

2.2 根系分区交替灌溉不同灌水上限对西瓜和甜瓜果实产量、水分利用率的影响

增加灌水量可提高西瓜和甜瓜产量，但会造成水分利用效率和品质下降，而减少灌溉量可降低其产量[18]。如图4、图5所示，根系分区交替灌溉处理下西瓜、甜瓜单瓜质量和产量随着灌水上限的增加而上升，其中甜瓜试验在A3、A4处理达到显著水平，高于最低A1处理19.67%、21.56%；而西瓜根系分区交替灌溉A4处理单瓜质量和产量最高，达到了5.36 kg和48 217.5 kg·hm，较最低A1处理增幅达31.3%，说明控制灌水上限时，每次的低灌水量导致土壤含水量过低，已影响到植株的正常生长发育，植株很快因蒸腾作用而缺水、萎蔫等，生长和吸收功能受阻，进一步导致其产量降低。

设施西瓜、甜瓜栽培采用根系分区交替灌溉的最终目的是获得较高的产量和提高水分利用效率。由表2可知，根系分区交替灌溉各个处理的水分利用效率随着单位面积灌水量的增加而逐渐递减，其中西瓜根系分区交替灌溉A1、A2、A3处理之间差异不显著，相较A4处理分别提高69.66%、55.41%和40.56%；甜瓜根系分区交替灌溉各处理间差异显著，A1、A2处理虽然相较A4处理灌水量骤减，水分利用率较高，但是以牺牲产量作为条件；综合考虑，A3处理可使甜瓜在减产不明显的情况下水分利用率提高33.35%，达到高产和节水的目的。

2.3 根系分区交替灌溉不同灌水上限对西瓜和甜瓜果实品质的影响

果实品质的高低是影响作物经济效益的一项重要指标。维生素C和可溶性固形物含量是评价作物果实品质的关键指标，共同决定着西瓜和甜瓜的营养价值和口感。西瓜、甜瓜根系分区交替灌溉处理的中心、边部可溶性固形物含量均随着灌水量的增加呈现先上升后下降的趋势（图6、图7），其中甜瓜A3处理中心可溶性固形物含量最高，相较最低A1处理增加了17.05%，且差异显著；西瓜试验也以A3处理中心、边部可溶性固形物含量最高，分别达到了12.80%和9.77%，相较最低A1处理显著增加了20.75%和21.07%，说明过高或过低的水分均不易于糖分的积累。

从果实维生素C含量看（图8），甜瓜根系分区交替灌溉不同灌水上限处理之间差异显著，A3处理处理的值最高，分别比A1、A2处理显著提高30.81%、21.76%；西瓜根系分区交替灌溉不同灌水上限处理也是A3处理值最大，但与A2、A4处理差异不显著，显著高于最低A1处理32.36 %。因此，过高和过低的灌水量均不利于营养成分的积累，会导致维生素C含量下降。

2.4 根系分区交替灌溉不同灌水上限对西瓜、甜瓜果实养分吸收的影响

氮素在植物的生长发育过程中极为重要，氮素决定着植株干物质的形成和养分积累。由图9可知，甜瓜根系分区交替灌溉不同灌水上限处理下，果实中氮素的吸收量随着灌水量的增加先升后降，其中A3处理含氮量最高，显著高于最低A1处理30.9%；而西瓜根系分区交替灌溉A3处理含氮量最高，分别显著高于A1、A4处理33.98%、33.40%。

磷素在蔬菜的生长发育中也发挥着重要作用，其有助于体内碳水化合物的合成、运输，不仅影响氮的代谢，还可以提高西瓜和甜瓜对外界环境的适应性[19]。图10显示，甜瓜根系分区交替灌溉不同灌水上限处理间无显著差异，其中A2＞A3＞A4＞A1处理；而西瓜根系分区交替灌溉不同灌水上限处理下果实中磷素的吸收量随着灌水量的增加先增长后大幅降落，其中A1处理含磷量最低，较最高A3处理减少41.98%，且差异显著。

钾素可以促进西瓜体内糖的代谢，决定西瓜的品质和口感。果实含钾量方面（图11），甜瓜、西瓜根系分区交替灌溉A2、A3、A4处理差异不显著，均以A3处理最高，显著高于最低A1处理29.02%、36.07%，这与果实中心可溶物固形物含量的变化趋势基本一致，说明水分亏缺时必然影响果实中养分运转和分配。

3 讨论与结论

西瓜和甜瓜对水分的需求量较大，不同灌溉方式和灌水上下限会对其果实品质、产量，及水分利用效率产生影响。传统的充分灌溉虽然可以提高产量，但是容易导致水资源的浪费。当前，水资源紧缺，根据《国家节水行动方案》制定目标，我国2025年要使农田灌溉水有效利用系数提高到0.58以上[20]，实施灌溉不仅是为了保证作物生长和实现高产，还需兼顾品质和水分利用效率等，而根系分区交替灌溉技术正是实现这一目标的重要措施。

本研究结果表明，甜瓜、西瓜根系分区交替灌溉A3处理相较A4处理在灌水量分别降低26.17%、33.01%的情况下，产量仅下降了1.56%、5.84%，水分利用率相应提高了40.56%、33.35%；而A1、A2处理虽然水分利用效率较高，但水分长期亏缺使西瓜和甜瓜生长和吸收功能受阻，不利于西瓜和甜瓜产量的形成和品质的提高。同时，90%田间持水量灌水上限处理下，甜瓜、西瓜中心可溶性固形物含量达到18.5%、12.8%、维生素C含量达到0.207mg·g、0.089 mg·g、果实中含氮、钾量均为最高，地面上保持适宜的生长量和光合作用，植株生长健壮，该灌溉策略植株综合性状最好，保证较高产量的同时，果实品质有所改善，有效提升灌溉水分利用率，达到“两高一优”且节约用水的目的。这与前人的研究结果相似，水分利用效率提高的原因可能是根系分区交替灌溉适宜的灌水上限在干湿交替的过程中植物的光合速率并未受阻，同时受到干旱胁迫，气孔关闭，减少了叶片水分蒸发[21]。因此，甜瓜、西瓜根系分区交替灌溉条件下，灌水上下限分别为90%、60%田间持水量为当地最优灌水策略。

西瓜和甜瓜生长需要大量水分，并且在不同的生长阶段对水分的需求也有所差异。而根系分区交替灌溉的水分处理具有后效性和补偿生长的作用。因此，应根据西瓜和甜瓜不同生育期的需水特性及规律性分阶段进行田间水分管理[22-23]。本研究旨在探讨设施西瓜和甜瓜根系分区交替灌溉不同灌水上限处理的影响，重点关注成熟期的灌溉指标，而未涉及伸蔓期和开花结果期的指标。因此，下一步应研究各个时期的各项指标是否有差异，以期获得更好的结论。

综上所述，根系分区交替灌溉条件下，西瓜、甜瓜最佳灌水上下限处理分别是90%、60%田间持水量，该处理下西瓜、甜瓜中心可溶性固形物含量、维生素C含量、果实中氮、钾含量最高，设施西瓜和甜瓜产量没有显著下降的前提下，改善了品质和显著提高了水分利用效率，可作为山西晋中地区设施节水提质增效的一种灌溉模式推广应用。

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