滴灌施肥对不同类型蔬菜和果树产量、水氮利用效率和品质的影响

程艳莉，张 芬，刘发波，方林发，孙 铭，梁 涛，刘敦一，陈新平，王孝忠*

（1 西南大学资源环境学院 / 长江经济带农业绿色发展研究中心，重庆 400715；2 西南大学农业科学研究院，重庆 400715；3 重庆市农业科学院，重庆 401329）

蔬菜和水果是人类健康饮食的重要组成部分，也是人类各种维生素、矿物质和膳食纤维的主要来源[1]。目前我国是全球最大的蔬菜和水果生产国，超过全球50%的蔬菜和23%的水果产自中国[2-3]。但是，由于蔬菜和果树养分和水分投入量过大，导致产量和品质下降、氮肥利用效率低、环境代价高等问题日益突出[4-5]。因此，为了实现蔬菜和果树稳产增产和品质提升，亟需采取有效措施提高水肥利用率，推动我国蔬菜和果树绿色生产。

滴灌施肥是提高作物肥水协同高效利用的重要举措[6]。近年来滴灌施肥已受到广泛的关注，大量研究结果表明，滴灌施肥能够显著提高作物产量、肥水利用效率、改善作物品质，同时降低环境成本[7-9]。Li 等[10]和Yangjin 等[11]通过全球数据整合分析表明，滴灌施肥能够提高作物产量6.0%～40.3%、水分利用效率18.2%～100%和氮肥利用率17.1%～68.2%，同时减少8.0%～21.1%的N2O 和NO 排放。先前这些研究主要集中于粮食系统[12]，而对蔬菜和果树作物系统影响效果有待于深入探究。近年来滴灌施肥在蔬菜和果树的应用效果受到越来越多的关注[13-14]，这为系统揭示灌溉施肥对蔬菜和果树影响提供可能。Lv 等[6]在番茄田间试验中发现，滴灌施肥相较于常规灌溉可分别提高番茄水分利用率和氮肥偏生产力(PFPN) 73.0%和262%。然而，对产量方面的影响并不显著。Samui 等[15]的研究则显示，滴灌施肥可显著提高番茄产量22.2%～30.3%，提高水分生产效率29.9%～31.7%，并且增加Vc 含量19.2%～26.3%，增加可溶性固形物12.5%～21.5%和增加总糖含量13.3%～18.7%。因此，定量化分析滴灌施肥对果树和蔬菜产量、水肥利用率和品质的影响具有重要的指导意义。

受不同氮肥用量、灌溉量、作物类型、栽培类型等影响，滴灌施肥对不同作物体系的作用效果存在着很大的差异[16-18]。Zhang 等[16]的Meta 分析表明，随着灌溉量的增加，滴灌施肥对产量和水分利用效率的作用效果逐渐减小。Wang 等[17]的研究结果表明，当施氮量为100～200 kg/hm2时，滴灌施肥对产量提升效果最为显著；对粮食作物、蔬菜和果树在露地栽培、干旱地区(＜200 mm)条件下增产作用表现最佳。虽然现有研究越来越注重探究滴灌施肥在蔬菜和果树生产中的影响，然而先前的研究主要着重于对单一指标如产量、水氮利用率或品质等方面的影响，并基于独立的田间试验，尚未探究对蔬菜和果树产量、水肥利用率和品质的综合影响，及在不同田间管理条件下的滴灌施肥应用效果。因此，本研究采用数据整合分析的方法，定量分析滴灌施肥对我国蔬菜和果树产量、水肥利用率和品质的影响，并阐明不同作物类型、栽培类型、施氮水平和灌溉水平条件下滴灌施肥效果差异，以期为蔬菜和果树的水肥高效利用与管理提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 数据来源

在知网、万方数据和Web of Science 数据库中检索以滴灌施肥与产量、水肥利用率、品质等为主题的文献，中英文主要搜索词包括“蔬菜(vegetable)”、“果树(fruit trees)”、“滴灌(drip irrigation)”、“产量(yield)”、“水分利用率(water use efficiency，WUE)”、“氮肥偏生产力(partial productivity of nitrogen fertilizer，PFPN)”、“品质(quality)”等。检索了截至2022 年3 月之前公开发布的滴灌施肥对蔬菜和果树生长相关的文献，并对检索到的文献数据进行二次筛选，具体筛选标准如下：1)研究条件为中国大田试验，盆栽试验或土柱试验不考虑；2)研究处理同时包括滴灌施肥和对照处理(常规、畦灌、沟灌、漫灌和喷灌等)，且至少有施氮量和灌溉量其中一项指标；3)研究数据中至少包含产量、水分利用效率、氮肥偏生产力和品质其中一项。

由于品质的样本数据量较少，将可溶性(总)糖、总糖、还原糖等重新定义为糖含量。基于以上筛选标准总共收集77 篇(果树31 篇，蔬菜46 篇)相关文献，累积获得357 组有效试验数据。数据收集时，文字和表格可以直接提取，而图形需要使用GetData Graph Digitizer 2.24 软件进行提取。收集的内容包括：作者、试验时间、施氮量、灌溉量、作物类型、产量、氮肥偏生产力、水分利用率、Vc 含量、可溶性固形物含量、糖含量等，及所涉及指标的均值、重复数、标准差或标准误等。如果文献中未明确给出重复次数，则将其视为1，直接提取文献中的平均值、标准差或标准误差，或根据现有数据计算。

1.2 数据分类

为明确影响滴灌施肥应用效果的主要影响因素，本研究将这些影响因素划分为施氮水平、灌溉水平、作物类型、栽培类型，具体分类见表1。其中蔬菜类型主要分为叶菜类、瓜果类、茄果类和根茎类；叶菜类蔬菜主要包括甘蓝、芹菜和生菜等，瓜果类主要包括黄瓜、西瓜、甜瓜和哈密瓜等，茄果类主要包括番茄和辣椒，根茎类主要包括生姜和大蒜。果树类型主要分为落叶果树和常绿果树；落叶果树主要包括苹果、梨、枣、油桃、杏、樱桃、猕猴桃和葡萄，常绿果树主要是柑橘类、荔枝、菠萝、香蕉、草莓和红毛丹。

表1 数据分类Table 1 Classification of data

1.3 数据处理

1.3.1 水分利用效率和氮肥偏生产力计算

式中，WUE 为水分利用效率(kg/m3)，Y 为作物产量(kg/hm2)，I 为生育期内耗水量(m3/hm2)。

式中，PFPN为氮肥偏生产力(kg/kg)，Y 为作物产量(kg/hm2)，N 为施氮总量(包括化肥氮、有机肥氮，N kg/hm2)。

1.3.2 效应值计算 本研究采用Meta 分析的方法研究了滴灌施肥对蔬菜和果树产量、水分利用效率、PFPN和品质的影响。采用Hedges 等[19]方法，计算每一组数据的效应值(RR)，通过自然对数的转化以量化滴灌施肥条件下各变量的响应程度，计算公式如下：

式中，Xt表示滴灌施肥处理(处理组) 的平均值，Xc表示农民习惯处理(对照组)的平均值。

本研究中，由于大多数文献没有标准差和标准误，因此用公式(4)计算权重[20]：

式中，nt和nc分别表示处理组和对照组的试验重复次数。

权重响应比(mean RR)、mean RR 的标准差、95%的置信区间(CI)和由滴灌施肥引起既定变量的变化率(C)可通过以下公式计算：

式中，RRi为i的对数效应值，j为统计研究的总数量。

1.3.3 异质性检验和发表偏倚检验 本研究采用卡方检验(K-S test)来确定不同变量的RR 是否存在异质性，对每一项变量的效应值进行正态分布检验，发现并非所有变量都符合正态分布(图1)。对不符合正态分布的变量的效应值进行非参数bootstrap 分析(重取样过程，n=10000 次迭代)，运用OpenMEE 软件采用随机效应模型的最大似然法来计算每个类别变量的效应值、权重效应比及其95% CI。

图1 滴灌施肥条件下蔬菜和果树产量、水分利用效率和氮肥偏生产力(PFPN)的样本分布频率Fig.1 Frequency of sample distribution of yield, water use efficiency and partial productivity of nitrogen fertilizer (PFPN) in vegetables and fruit trees under drip fertigation

若C的95% CI＞0，表明该变量中处理组与对照组有显著正效应；若C的95% CI＜0，表明该变量中处理组与对照组有显著负效应；若C的95% CI 包含0 则说明该变量中处理组与对照组无显著差异。同时，采用SPSS V20.0 (IBM, Chicago, USA)对处理组和对照组的产量、水分利用效率、PFPN以及品质进行单因素方差分析，采用LSD 检验计算显著性(P＜0.05 为差异显著)。另外，本研究采用Origin 2022、GraphPad Prism 9 和R 语言(4.30 版本，corplot 包)软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 滴灌施肥对蔬菜和果树产量、水氮利用率和品质的影响

由图2 可知，相比于农民习惯，滴灌施肥分别增加蔬菜和果树产量7.99% (95% CI：-2.2%～20.1%)和6.71% (95% CI：-8.0%～23.8%)；同时显著提高水分利用效率和氮肥偏生产力，蔬菜分别提高了50.6% (95% CI：35.3%～67.6%) 和48.9%(95% CI：33.0%～66.7%)，果树分别提高了 119.0%(95% CI：83.5%～160%)和63.1% (95% CI：40.5%～89.2%)。滴灌施肥提升了蔬菜和果树的品质，Vc 含量分别增加了27.2% (95% CI：-0.1%～61.9%) 和9.9% (95% CI：-9.2%～32.99%)，蔬菜较果树增幅高17.3%；可溶性固形物分别增加了1.89% (95%CI：-28.1%～44.5%)和8.94% (95% CI：-12.6%～35.8%)，蔬菜较果树低7.05%；糖含量分别提高了9.87% (95% CI：-21.3%～53.4%)和9.31% (95% CI：-9.6%～32.2%)。

图2 滴灌施肥对蔬菜和果树产量、水分利用效率、氮肥偏生产力(PFPN)和品质的影响Fig.2 Effects of drip fertigation on yield, water use efficiency, partial productivity of nitrogen fertilizer (PFPN)and quality of vegetable and fruit trees

2.2 滴灌施肥在不同田间管理措施下对蔬菜和果树产量的影响

图3(a)所示，滴灌施肥在不同施氮水平下对蔬菜产量有不同程度的提升，其中在施氮水平为0～200 和 200～400 kg/hm2时，蔬菜的增产率分别为12.6%和6.80%。此外，滴灌施肥也受不同灌溉水平的影响而效果有所差异。其中灌溉水平为200～400 mm 时，蔬菜产量提高率最高(10.4%)。在不同蔬菜类型中，滴灌施肥对瓜果类蔬菜的产量提升效果最为明显，达到9.55%，高于其他蔬菜类型。同时，滴灌施肥对露地蔬菜的产量增幅(11.7%)也高于设施蔬菜(7.49%)。

图3 滴灌施肥在露地和设施栽培条件下对蔬菜(a)和果树(b)产量的影响Fig.3 Effects of drip fertigation on the yield of vegetable (a) and fruit trees (b) in open and green house fields

滴灌施肥对果树产量的影响结果(图3b)表明，随着施氮水平和灌溉水平的提高，滴灌施肥对果树的增产幅度呈先上升后下降的趋势，当施氮水平为150～300 kg/hm2和灌溉水平为250～500 mm 时，果树的增产率达到最高值，分别为11.7%和12.0%。同时，滴灌施肥对常绿果树和落叶果树的增产率分别为7.64%和6.40%。此外，露地栽培和设施栽培方式均能提高果树产量，分别提高5.94%和10.0%，但两种栽培方式的影响效果差异不明显。

2.3 滴灌施肥在不同田间管理措施下对蔬菜和果树水分利用效率的影响

与常规施肥相比，滴灌施肥在不同施氮水平下均能显著提高蔬菜水分利用效率(图4a)，在200～400 和＞400 kg/hm2施氮水平下，水分利用效率增幅分别为54.5%和61.3%。在不同灌溉水平下，滴灌施肥对蔬菜水分利用效率产生显著影响，其中在灌溉水平为200～400 mm 时增幅最高，达54.5%。相比露地栽培，设施栽培中滴灌施肥能提高水分利用效率32.3%。在不同蔬菜类型中，滴灌施肥对水分利用效率提升幅度由高到低分别为茄果类(60.0%)＞瓜果类(48.1%)＞叶菜类(29.6%)。

图4 滴灌施肥在露地和设施栽培条件下对蔬菜(a)和果树(b)水分利用效率的影响Fig.4 Effects of drip fertigation on water use efficiency of vegetable (a) and fruit trees (b) in open and green house fields

图4b 显示，随着施氮水平的提高，滴灌施肥对果树水分利用效率的影响呈先升高后降低的趋势，当施氮水平为150～300 kg/hm2时，水分利用效率达到最高值(198%)。当灌溉水平为0～250、250～500、＞500 mm 时，果树的水分利用效率分别为157%、110% 和65.6%。滴灌施肥在设施栽培方式下的水分利用效率提高幅度(305%) 明显高于露地栽培(76.2%)。同时，滴灌施肥下落叶果树和常绿果树的水分利用效率分别提高了123%和67.7%。

2.4 滴灌施肥在不同田间管理措施下对蔬菜和果树氮肥偏生产力(PFPN)的影响

滴灌施肥对蔬菜PFPN的影响效果受到多种因素的影响，如施氮水平、灌溉水平、栽培类型等(图5a)。相较于常规施肥，滴灌施肥在不同施氮水平下均能显著提高蔬菜PFPN，其中，当施氮水平为0～200、200～400、＞400 kg/hm2时，蔬菜PFPN增幅分别为62.0%、55.8%和39.2%。随着灌溉量的增加，滴灌施肥对蔬菜PFPN的提高率呈先增加后降低的趋势，当灌溉水平为200～400 mm 时，蔬菜PFPN提高率最高，达到76.4%。滴灌施肥在设施栽培和露地栽培下均能提高蔬菜PFPN，分别增加了54.1%和35.8%。在不同的蔬菜类型中，茄果类和瓜果类蔬菜PFPN分别提高了69.3%和37.0%

图5 滴灌施肥在露地和设施栽培条件下对蔬菜(a)和果树(b)氮肥偏生产力(PFPN)的影响Fig.5 Effects of drip fertigation on partial productivity of nitrogen fertilizer (PFPN) of vegetable (a) and fruit trees (b)in open and green house fields

在不同的施氮水平下，果树PFPN的提高率随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势(图5b)，当施氮水平为150～300 kg/hm2时，果树PFPN提高率最高(108%)。在不同灌溉水平条件下，滴灌施肥对果树PFPN的影响效果为0～250 mm (246%)＞250～500 mm(101%)。在设施栽培和露地栽培方式下，滴灌施肥分别提高果树PFPN64.5%和62.7%。与常规施肥相比，滴灌施肥下落叶果树和常绿果树的PFPN分别提高了68.4%和49.9%。

2.5 滴灌施肥在不同田间管理措施下对果蔬品质的影响

2.5.1 滴灌施肥对不同田间管理措施下蔬菜品质的影响 与传统施肥相比，滴灌施肥对蔬菜品质的影响受田间管理条件不同的影响而存在差异(图6a、b、c)。增加施氮量可以在一定程度上提高蔬菜体系中Vc 含量。其中施氮水平为0～200 和200～400 kg/hm2时，Vc 含量增幅效应分别为38.6%和38.6%。此外，在不同灌溉水平条件下，滴灌施肥对蔬菜品质均有不同程度的提升，尤其在200～400 mm 灌溉水平下，对蔬菜Vc 含量、可溶性固形物和糖含量的提升效果较好，分别提高了20.6%、4.04%和9.45%。滴灌施肥对不同种类的蔬菜类型品质的影响效果也有所差异，其中茄果类蔬菜Vc 含量增加了44.6%，瓜果类蔬菜可溶性固形物和糖含量分别提高了10.4%和12.3%。在栽培类型方面，滴灌施肥在设施栽培方式下可以提高蔬菜的Vc 含量和糖含量，提高幅度分别为25.6%和9.87%。

图6 滴灌施肥在露地和设施栽培条件下对蔬菜(a, b, c)和果树(d, e, f)品质的影响Fig.6 Effects of drip fertigation on the quality of vegetable (a, b, c) and fruit trees (d, e, f) in open and green house fields

2.5.2 滴灌施肥对不同田间管理措施下果树果实品质的影响 受到不同田间管理措施下滴灌施肥的影响，果树果实品质有所不同(图6d、e、f)。在不同施氮水平下，滴灌施肥对果实品质有明显的提升效果，施氮量为150～300 kg/hm2时，果实Vc 含量、可溶性固形物和糖含量分别提高了12.4%、12.1%和11.8%，显著高于其他施氮水平。就不同灌溉水平而言，250～500 mm 灌溉量能够使果实Vc 含量增加8.05%，高于其他灌溉水平。与常规施肥相比，滴灌施肥在设施栽培和露地栽培方式下均能提高果实品质，尤其在设施栽培下果实的品质增幅效果更佳。在设施栽培方式下，可溶性固形物和糖含量分别提高了16.2%和22.2%。此外，滴灌施肥下落叶果树分别提高了Vc 含量(10.5%)、可溶性固形物(12.6%)和糖含量(11.3%)。

3 讨论

3.1 滴灌施肥对蔬菜和果树产量、水肥利用率和品质影响的综合分析

与农民习惯施肥相比，滴灌施肥分别增加了蔬菜和果树产量8.0%和6.7%，并显著提高了水分利用效率和PFPN，同时，提升了蔬菜和果树的品质(图2)。这可能是因为滴灌施肥采用少量多次的施肥方式[14,21]，能够适时满足作物不同生长阶段对水分和养分的需求，促进根系的生长和营养吸收，进而提高产量和品质[22-24]。滴灌施肥对蔬菜和果树的增产效应低于对粮食作物系统(玉米增产23%；小麦增产31%)[25]，但对水分利用效率和氮肥偏生产力的影响效果却高于对粮食作物系统(小麦-玉米轮作分别为102%和49.3%)[26]。这与先前的研究结果一致，或许是因为不同作物根系的分布和吸收养分能力的差异，导致其对滴灌施肥的反应略有差异[17,27-28]。另外，滴灌施肥在蔬菜、果树和粮食作物系统中提高水氮利用率的效果存在差异，这主要是因为当前我国蔬菜和果树的氮肥和水分投入量较大，导致滴灌施肥的影响效果受到不同作物系统水肥投入差异的影响，其中滴灌施肥对果树的节水减氮效果(49.2%，34.4%)和蔬菜的节水减氮效果(32.0%，28.5%)较为明显。

3.2 滴灌施肥对蔬菜和果树产量、水肥利用率和品质的影响因素分析

为盲目追求产量和高的经济效益，当前集约化蔬菜和果树氮肥用量普遍过量，导致肥料利用率低和环境代价突出[29-30]。氮肥用量是影响滴灌施肥对蔬菜和果树作用效果的重要因素。基于Pearson 相关性分析表明，氮肥用量与水分利用率表现为显著正相关关系(R=0.849，P＜0.05)，但与氮肥偏生产力、Vc 含量和可溶性固形物含量呈显著负相关(P＜0.05，图7)。本研究结果显示，与其它氮肥用量相比，蔬菜和果树氮肥用量分别为200～400 和150～300 kg/hm2时，滴灌施肥对蔬菜和果树产量、水肥利用效率提升效果最好，并且能改善果蔬品质。这与先前的研究结果相似，周燕等[31]的研究表明，施入300～450 kg/hm2的氮肥能够提高和维持棉花高产。主要原因是适宜的施氮量可以促进作物根系的生长和冠层发育，从而增加作物对土壤水分和养分的吸收利用，减少地面径流蒸发和地下水渗漏[32]，提高水氮肥利用率，最终提高增产率[33-34]。其次，在作物关键生长阶段，适宜的滴灌施肥补充氮含量，可以调节氮代谢强度和提高氮代谢酶活性，进而提高作物产量和品质。此外，适量施氮可以增加维生素C含量，明显改善蔬菜品质[35]。

图7 产量、水氮利用率、品质与氮肥用量和灌溉量之间的相关关系（Pearson 检验）Fig.7 The relationship among yield, water and nitrogen use efficiency, quality and the amount of nitrogen fertilizer and irrigation application (Pearson test)

灌溉量是影响滴灌施肥对蔬菜和果树作用效果的重要因素之一。当前在我国蔬菜和果树灌溉量普遍过量，水分利用效率低现象普遍存在[36-37]，灌溉不足会导致光合作用抑制，从而降低作物的生长速度，产量和品质降低[38-39]。常规或过量灌溉会使作物蒸腾速率增加，从而降低了水分利用率[40]；也会加快氮肥向地下部迁移，从而影响到根对氮肥的吸收状况，进而降低氮肥利用率[41]。基于Pearson 相关性分析表明，灌溉量与水分利用率、氮肥偏生产力、Vc含量和可溶性固形物含量呈显著负相关(P＜0.05，图7)。本研究表明，适宜的灌溉量(蔬菜为200～400 mm，果树为250～500 mm)下，滴灌施肥对蔬菜和果树产量、水肥利用效率的提升效果最佳。姜言娇等[42]研究表明，灌溉量为350～450 mm 时，番茄实现高产、高水分利用率，这与本研究的结果相一致。原因在于根系形态直接影响作物对水分的吸收，从而影响到作物产量。适宜的灌溉量可以促进作物根系的发育和增加水分吸收面积，有益于提高作物产量[43]。灌溉量不仅影响作物的生长需求，还能调控细胞内的生化反应过程，进而影响果实的品质[44]。

本研究的结果表明，栽培类型是影响滴灌施肥对蔬菜和果树产量、水肥利用效率和品质提升效果的关键因素，在设施栽培条件下，滴灌施肥的效果最好，这与之前的研究[45-46]结果一致。这可能是由于设施栽培主要种植茄果类蔬菜和落叶果树，而滴灌施肥对这些作物的增产和提升水氮利用率有很好的效果。此外，设施栽培还可以调节细微的生态气候，提供适宜的生长环境，减少水肥深度渗透，并提高土壤透气性和作物根系生物量[47-48]，从而提高作物产量和水肥利用率[49]，并改善果实品质[50]。

近年来滴灌施肥在蔬菜和果树的应用效果受到越来越多的关注。本研究通过Meta 分析系统定量化揭示了滴灌施肥对我国蔬菜和果树产量、水肥利用率和品质的综合影响，弥补了单一田间试验研究的不足。区域田间管理、作物类型、气候和土壤特征对灌溉施肥的应用效果影响显著，然而当前这些影响差异尚不清楚。本研究进一步系统明确了作物类型、栽培类型、施氮水平和灌溉水平等因素，对滴灌施肥下蔬菜和果树产量、水肥利用率和品质的应用效果影响，可为我国的蔬菜和果树绿色生产提供参考和指导。

3.3 不确定分析

本研究基于Meta 分析的研究方法，综合量化了滴灌施肥在不同生产条件下对蔬菜和果树产量、灌溉水分利用效率、PFPN及品质的影响程度。然而，本研究也存在一些不确定性。首先，滴灌施肥应用于果蔬品质样本量并不均匀，且滴灌施肥对叶菜类和根茎类蔬菜的田间应用效果的研究相对较少，导致在比较滴灌施肥对不同类型蔬菜的田间效果的差异时准确性降低；其次，我们只是将作物类型、栽培类型、施氮量和灌溉量作为解释变量。但滴灌频率、肥料种类、滴灌设施、土壤理化性质等都有可能影响水肥利用率和滴灌施肥的效果。截至目前，相关研究相对比较缺乏，因此未来需对此进行更多的研究。

4 结论

相比于农民习惯，滴灌施肥分别平均提高蔬菜和果树产量7.99%、6.71%，分别提高蔬菜和果树氮肥偏生产力48.9%和63.1%，分别提高蔬菜和果树水分利用效率50.6%和119.0%。滴灌施肥在不同程度上改善果蔬品质。滴灌施肥蔬菜Vc 含量增幅较果树高17.3%，但可溶性固形物增幅低7.05%。在施氮量为200～400 kg/hm2、灌溉量为200～400 mm、设施栽培条件下，滴灌施肥有利于提高茄果类和瓜果类蔬菜产量、水分利用效率、PFPN和品质。在施氮量为150～300 kg/hm2、灌溉量为250～500 mm、设施栽培条件下，滴灌施肥对落叶果树产量、水分利用效率、PFPN和果实品质的提升效果显著。