水肥一體化對大棚土壤生態及黃瓜生長、產量和品質的影響

張紅梅，金海軍，丁小濤，余紀柱

(上海市農業科學院設施園藝研究所，上海市設施園藝技術重點實驗室，上海 201403)

傳統的灌溉施肥方式往往造成水肥資源大量浪費，并導致土壤養分失衡[1]、C/N比失調[2]、次生鹽漬化[3]、酸化[4]等一系列問題，因此要改善設施土壤環境必須要改變灌溉施肥方式。水肥一體化技術是利用噴滴灌設施及吸肥器等專用設備，借助于水壓將可溶性肥料按作物的生長需求吸入灌溉管網，通過田間管網系統供給作物根系，以滿足作物不同生長期的水肥需要[5-6]。水肥一體化可以降低土壤硝態氮淋洗，提高其利用效率[7-8]，促進土壤團粒結構的形成[9-10]，還可以根據土壤特性、作物根系特征及需水需肥規律精確調控土壤水分和養分，在很多作物上得到了應用，表現出較好的效果[11]。本試驗以黃瓜為研究對象，以常規水肥管理技術為對照，通過研究使用水肥一體化技術種植黃瓜的土壤理化性狀、土壤酶活性以及黃瓜生長、產量和品質的變化，分析水肥一體化技術在黃瓜栽培生產上的使用效果，以期為該項技術的推廣提供可靠依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗在上海市農業科學院莊行綜合試驗站的五連棟大棚A3內進行。

1.2 試驗材料

選用上海市農業科學院設施園藝研究所選育的荷蘭型黃瓜品種‘春秋王2號’，定植時間為2017年3月29日。

1.3 試驗處理

設置常規水肥管理技術(CK)和水肥一體化技術(文丘里施肥器+滴灌設備)2個處理，每個處理3次重復，小區面積160m2，每個小區有10畦，畦寬1.60m，畦長10m。具體肥料施用情況：基肥為有機肥15 000kg/hm2(“裕欣”牌生物有機肥，上海綠色環保設備有限公司，N+P2O5+K2O≥6%，有機質≥45%)和硫酸鉀型復合肥450kg/hm2(“超富”牌復合肥，安徽寶豐復合肥有限公司，N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15)。2個處理的基肥相同，追肥和灌溉方案見表1。對照的總灌溉量為6 450m3/hm2，尿素追肥總量為1 260kg/hm2，KH2PO4追肥總量為945kg/hm2，純養分量分別為N 579kg/hm2、P2O5493.5 kg/hm2、K2O 327 kg/hm2；水肥一體化技術的灌溉量為4 920 m3/hm2，追肥使用“芳甸”牌大量元素水溶肥(上海芳甸生物技術有限公司)，N∶P2O5∶K2O為20∶20∶20，總追肥量為1 860kg/hm2，純養分量分別為N 372kg/hm2、P2O5372 kg/hm2、K2O 372 kg/hm2。黃瓜生長過程中其他管理措施相同。

表12種水肥管理技術下的灌水與追肥情況

Table1Theirrigationandadditionalfertilizeroftwowaterandfertilizermanagementtechnologies

1.4 測定項目及方法

在黃瓜苗期、開花結果期、盛果期、拉秧后4個時期，每小區取5個點采集0—20cm土層的土壤樣品，混合均勻，一部分土樣風干保存，用于測定土壤理化性狀，另一部分土樣于4℃條件下保存，用于測定土壤酶活性。土壤理化性狀的測定參照鮑士旦[12]的方法。土壤 pH和EC值按水土比為5∶1浸提，采用酸度計和電導率儀測定；可溶性總鹽含量采用質量烘干法測定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度計法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。土壤纖維素酶活性采用蒽酮比色法測定；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定[13]。

黃瓜定植后每隔7d測定植株生長指標(株高、莖粗、葉片數、葉面積)，每次每個處理測定5株，共測定5次。在盛果期對黃瓜果實中VC、可溶性蛋白、可溶性糖和硝酸鹽含量進行測定。黃瓜的株高為子葉到生長點的高度(卷尺測量)，莖粗為子葉和第一片真葉間莖的直徑(游標卡尺測量)，葉片數計展開面積達到完全葉1/3以上的葉片，葉面積采用黃瓜群體葉面積無破壞性速測方法進行測定[14]。每次采收的黃瓜稱量質量并記錄，最后統計小區產量，折算成每公頃產量。在黃瓜盛果期，采用二甲苯萃取比色法測定黃瓜果實中VC含量；采用考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用紫外分光光度法測定硝酸鹽含量[15]。

1.5 數據分析

所有試驗數據采用Excel 2010軟件進行處理和作圖，采用SPSS 20.0統計軟件對平均數進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 水肥一體化技術處理對大棚土壤養分及總鹽、EC值和pH的影響

從表1可以看出，在黃瓜生長的4個時期，水肥一體化技術處理土壤中的養分含量均高于對照。苗期水肥一體化技術處理土壤中有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀的含量分別比對照高29.22%、15.19%、12.07%、31.68%，均差異顯著。開花結果期2個處理土壤中只有堿解氮含量差異顯著，其他養分含量差異不明顯。盛果期2個處理土壤中的有機質、堿解氮、有效磷含量差異顯著，拉秧后水肥一體化技術處理土壤中的有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別比對照高1.42%、17.4%、4.96%、25.67%。在黃瓜生長的4個時期中，拉秧后的土壤養分除了有效磷含量有所增加外，有機質、堿解氮和速效鉀的含量均比前面3個時期有所下降。對照的土壤可溶性總鹽含量在開花結果期和盛果期明顯高于水肥一體化技術處理，特別是盛果期，比水肥一體化技術處理高 110.71%。水肥一體化技術處理土壤EC值小于對照，盛果期2個處理的土壤EC值差異顯著。2個處理不同時期的土壤pH變化不大，在苗期和拉秧后水肥一體化技術處理土壤pH稍高于對照。

表2 水肥一體化技術對大棚土壤養分、EC值和pH的影響

注：表中數據為平均值，同一指標后字母不同表示在相同時期差異達5%顯著水平

2.2 水肥一體化技術處理對大棚土壤纖維素酶和過氧化氫酶活性的影響

從圖1可知，在黃瓜的整個生長期，土壤纖維素酶的活性呈逐漸增加的趨勢，水肥一體化技術處理的土壤纖維素酶活性高于對照，在黃瓜生長的4個時期分別比對照高10.41%、47.55%、28.51%、40.58%。2個處理的土壤過氧化氫酶活性呈波浪型變化，盛果期過氧化氫酶活性最高，整個生育期水肥一體化技術處理的土壤過氧化氫酶活性略高于對照。

圖1 水肥一體化技術對大棚土壤纖維素酶和過氧化氫酶活性的影響Fig.1 Effects of water and fertilizer integration technology on the activities of soil cellulase and catalase in greenhouse

2.3 水肥一體化技術處理對大棚黃瓜生長的影響

從圖2可以看出，隨著黃瓜的生長，其株高、莖粗、葉片數和總葉面積逐漸增加。水肥一體化技術處理的黃瓜生長指標均大于對照。在開花結果期(5月9日)，水肥一體化技術處理的黃瓜株高、莖粗、葉片數和總葉面積分別比對照增加16.67%、12.5%、16.64%和25.82%，水肥一體化技術可以明顯促進黃瓜葉面積的增加。

圖2 水肥一體化技術對大棚黃瓜生長的影響Fig.2 Effects of water and fertilizer integration technology on cucumber growth in greenhouse

2.4 水肥一體化技術對大棚黃瓜產量和品質的影響

由表2可知，水肥一體化技術處理的黃瓜產量顯著高于對照，增產17.12%。水肥一體化技術也提高了黃瓜的品質，黃瓜果實中的VC、可溶性蛋白和可溶性糖含量分別比對照增加了22.44%、7.82%和9.06%，其中VC和可溶性蛋白含量與對照差異顯著。2個處理黃瓜果實的硝酸鹽含量均在標準允許范圍內，但水肥一體化技術處理的黃瓜果實中硝酸鹽含量大幅下降，比對照降低55.57%。

表3 水肥一體化技術對大棚黃瓜產量和品質的影響

注：表中數據為平均值，同一指標后字母不同表示差異達5%顯著水平

2.5 大棚黃瓜使用水肥一體化技術的節水節肥效果和經濟效益分析

從表4可以看出，水肥一體化技術處理的大棚黃瓜節水率達23.72%，如果水電費按0.6元(人民幣，下同)/m3計算，可以節約水電918元/hm2；水肥一體化技術還可以節約追肥用量，節肥345kg/hm2，對照使用的追肥費用為10 836元(尿素2.6元/kg，KH2PO48元/kg)，水肥一體化技術追肥費用為11 160元(“芳甸”牌大量元素水溶肥價格為6元/kg)，雖然肥料用量節省，但由于水溶肥價格較高，水肥一體化肥料支出比對照多324元/hm2。但是利用水肥一體化技術處理的黃瓜產量比對照增加8 020.5kg/hm2，增加產值24 063元(按3元/kg計算)；如果水肥一體化技術一次性投資約37 500元/hm2，毛管使用壽命一般可達3年以上，支管和其他設備壽命以10年計算，每年投入8 700元。計算得出：增收節支合計為15 957元/hm2，當年一茬果菜類即可收回成本。

表4 大棚黃瓜使用水肥一體化技術的節水和節肥效果

3 結論與討論

采用先進的技術合理管理水肥，有效提高水肥利用效率，是保障設施蔬菜可持續發展的關鍵[16]。水肥一體化技術是實現水肥同步管理且高效精準的節水農業技術措施，灌溉時間、灌溉量及灌溉定額等技術參數對土壤理化性狀有一定的影響。王立革等[9]研究表明，高壟覆膜水肥一體化技術明顯改善了設施土壤的溫度、硬度和入滲能力，降低了硝態氮的淋洗。尤秀娜等[17]在鹽堿地種植黃瓜時采用高壟栽培結合水肥一體化技術，鹽分得到一定程度的淋洗，使鹽堿土EC值降低了52%。鄭育鎖等[18]研究認為，水肥一體化技術有助于土壤理化性狀的改善。宋卓琴等[16]研究認為，水肥一體化技術降低了土壤的EC值，有利于減緩土壤pH的下降。本研究表明：在黃瓜的整個生育期，水肥一體化技術處理的土壤養分含量均高于常規水肥管理，土壤總鹽含量和EC值均明顯降低，但pH變化不大。

土壤酶是土壤生物活性的綜合表現，與土壤類型、栽培制度和管理措施等有著密切的關系，在一定程度上反映了土壤肥力、營養物質轉化以及環境條件等的變化[19]。土壤纖維素酶主要來源于土壤微生物；土壤過氧化氫酶能促進過氧化氫對各種化合物的氧化，它與土壤呼吸強度和土壤微生物活動有關，在一定程度上反映了土壤微生物活動的強度[13]。宋卓琴等[16]研究認為，在番茄緩苗期，水肥一體化技術可以提高土壤過氧化氫酶的活性。周德平等[4]研究認為，土壤過氧化氫酶活性隨種植年限延長逐漸下降。楊鳳娟等[20]研究顯示，鹽度高的土壤中過氧化氫酶活性較低。本研究表明：在黃瓜的整個生育期，土壤纖維素酶活性逐漸增加，水肥一體化技術處理的土壤纖維素酶和過氧化氫酶活性均高于對照，這可能與土壤中鹽分減少、EC值降低有關。

水肥一體化是提高水分、養分利用效率，促進作物增產的重要手段，對改善果實品質也有一定的作用[17]。梁海玲等[6]研究得出，70%水肥一體化施肥的玉米鮮苞產量、產值分別提高6.73%、6.72%。金明弟等[21]研究認為，采用水肥一體化技術栽培的青菜產量和品質均優于采用常規水肥栽培的青菜。邢英英等[22]研究了水肥耦合對溫室番茄水氮利用效率的影響，發現水肥一體化技術使番茄產量提高了 31.04 t/hm2。本研究表明：水肥一體化技術處理的黃瓜比對照增產17.12%，果實品質也有所改善，果實中的VC、可溶性蛋白和可溶性糖含量增加，而硝酸鹽含量明顯低于常規水肥管理。

綜上，在黃瓜栽培管理中，相比于常規水肥管理，水肥一體化技術可以提高土壤養分和土壤酶活性，改善土壤生態結構，提高黃瓜果實產量和品質。此外，水肥一體化技術還具有省水、省肥等優點，具有更好的生態和經濟效益。