不同水肥處理對蘋果品質的影響

楊 凱，郭 華，石美娟，竇彥鑫，王蕓蕓，續海紅

（山西農業大學果樹研究所，太原030031）

0 引 言

我國是世界上最大的蘋果生產國和消費國，同時也是干旱缺水較為嚴重的國家之一。山西作為蘋果栽植大省，果園仍以地面漫灌為主，不僅浪費水資源、灌溉水利用率低，而且還影響果實產量和品質。為此，節水灌溉勢在必行。

如何利用合理的灌溉技術獲得品質優的果實，成為國內外研究者關心的問題。劉小剛等[1]以4 a 生芒果樹為試材，發現輕度虧水灌溉、花芽分化期高肥、開花期低肥和果實膨大期中肥組合為干熱區芒果高效生產的最佳水肥耦合模式。毛鈞等[2]基于大田試驗數據，對APSIM-Sugar 模型進行了適應性評估，分析了云南德宏蔗區的最優播期和水氮管理耦合方案。張興國等[3]以5 a 生葡萄為研究對象，發現滴灌處理中水低肥處理下溫室葡萄果實品質最佳。由此可見，果實品質是灌溉施肥模式的直接響應，而品質評價又是判斷果實品質的直接方法。

品質評價是通過測定果實質地和風味等指標，采用數理統計方法，對果實品質的優劣進行排序，從而選取品質優的果實，進而判別最佳灌溉施肥模式。近年來，學者們利用計量統計軟件，將眾多指標納入評價體系，其中主成分分析法、灰色關聯分析法等[4-6]廣為應用。王琴等[7]對南疆地區的11 個櫻桃品種進行了主成分分析，分析結果顯示紫黑色系早大果和美早、深紅色系拉賓斯、紅色系艷陽的綜合品質最好；葉霜等[8]建立了基于組合賦權的果實品質綜合評價模型-TOPSIS模型，經過分析發現該模型適用性強且使用方便；張海英等[9]用灰色關聯度分析法對桃的品質進行了評價，經過與等權關聯度相比，灰色關聯度分析法更全面；樊保國等[10]利用相關分析和改良的因子分析對干棗品質指標進行了分析，篩選出中陽木棗系品種中適宜制干的優良品種；張彪等[11]基于BP 人工神經網絡算法，對蘋果原料制干適宜性進行評價，實現了蘋果原料制干適宜性的定量預測。

前人研究成果為果實品質評價奠定了良好的基礎[12,13]但也存在一定不足，如解釋變量具有模糊性、缺乏普適易用性等。為了更加全面、更加精準的進行合理灌溉施肥，本研究以山西省農業科學院果樹研究所栽培的蘋果樹“晉富”為試材，在不同的灌溉施肥模式下，采用GC-ITOPSIS 模型，基于博弈論思想，利用MATLAB 軟件對蘋果品質進行評價，確定最佳的灌溉施肥模式。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究在位于山西太谷的山西農科院果樹研究所蘋果園進行。試驗所在地區冬季少雪干冷、夏季炎熱多雨，年均降雨量約458 mm，年平均氣溫冬季在10 ℃以下，夏季約為22 ℃。果園土壤質地為粉砂壤土，土壤容重1.47 g/cm3，土壤中全氮、有效磷、速效鉀含量分別為0.082%、14 mg/kg、120 mg/kg，土壤有機質含量為13.6 g/kg，土壤PH 為8.32，田間持水量為30%。灌溉方式為滴灌，水源為井水。本研究試材為SH6為中間砧嫁接的7 a生“晉富”，株行距為4 m×2 m。

1.2 試驗方法

本研究挑選長勢基本一致且無明顯病蟲害的蘋果樹，于2016年10月至2017年11月進行灌溉施肥處理。滴灌帶布置采用雙行毛管平行布置，滴孔設置在冠幅下距果樹主干0.5 m處，滴頭流量1.8 L/h。灌水時間及灌水量通過定期監測土壤水分狀態確定，當土壤水分低于灌水下限時進行灌溉。施肥以滴灌水肥一體化的方式施用，氮肥用量根據處理需要確定，P2O5和K2O 用量各處理都相同。N∶L∶K 施用比例為1∶0.7∶1，其中氮肥由總N 為32%的高水溶性尿素硝酸銨溶液提供，磷肥由P2O5為52%的高水溶性肥生物磷提供，鉀肥由K2O 為60%的高水溶性生物鉀提供。

對照處理的灌水方式為溝灌，施肥方式為溝施。

各試驗處理氮肥分4 次施入：2016年10月(20%)，2017年4月初(30%)、6月上旬(30%)和7月底(20%)。磷、鉀肥按總量的25%分4次同氮肥一同施入。

試驗共設9 個處理，1 個對照(CK)，每個處理5 株樹，3 次重復。灌溉以土壤含水量達到田間持水量θc的某一比例為標準，設置3個灌水下限處理：50%θc(W1)、60%θc(W2)、80%θc(W3)，當土壤水分低于灌水下限時進行灌溉，達到田間持水量停止灌溉。施肥各處理P2O5和K2O 用量不變，施氮量設置3個處理：50 kg/hm2(F1)、100 kg/hm2(F2)、200 kg/hm2(F3)。對照組的灌水下限和施肥量與W2F2處理保持一致。

以灌水下限和施氮量為變量，進行兩因素有重復試驗，試驗處理如表1所示。

表1 試驗設計方式Tab.1 Test design method

1.3 測定項目與方法

本研究于2017年果實成熟期，在不同試驗處理下，從東、西、南、北4 個方向隨機采集20 個蘋果，進行果實品質的測定，取其平均值作為測定結果。

單果重采用電子秤進行測量；果皮穿刺強度、果皮韌性、果肉平均堅實度、果肉纖維指數(細度)利用英國產TA-XT PLUS物性測試儀進行樣品測定。可溶性固形物測定利用PAL-1糖度計測定；果形指數是通過采用游標卡尺測量果實的橫徑和縱徑，通過縱、橫徑的比值進行計算；樣品酸度利用835 N酸度計測定。

土壤體積含水率采用TDR(TRIME-PICO IPH 測量系統)測定，在降水或灌水后加測。測點垂向深度為100 cm，每20 cm 測定一次，徑向距離分別距離樹干30、60、90 cm，測點所連成的直線垂直于滴灌管。

2 GC-ITOPSIS模型

灰色關聯分析法(GC)是根據因素之間發展趨勢的相似或相異程度，作為衡量因素間關聯程度的一種方法。改進優劣解距離法(ITOPSIS)是通過賦權的TOPSIS 模型改進獲得，即根據有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的方法，是在現有的對象中進行相對優劣的評價。GC-ITOPSIS 模型是由GC 與ITOPSIS 耦合而成，耦合后的模型調節了兩種方法不一致的評價結果，為了應對兩種方法評價結果的沖突，本研究引入博弈論，分析兩種方法之間相互競爭又協調一致的關系，以確定組合系數。

設原始評價矩陣X=(xij)m×n，xij為第i個樣本中的第j個指標所屬值。

(1)數據標準化。各指標標準化后的值為Y1，Y2，…，Yk.，其中：

(2)加權決策矩陣。

式中：μ為各指標權重，采用熵權法確定。

(3)正理想解與負理想解。

式中：*代表“+”或“-”，下同。

(5)灰色關聯度。

式中：ρ取0.5。

(6)數據無量綱處理。

式中：A代表D和R；a代表d和r。

(7)距離貼近度c和灰色關聯貼近度f。

(8)利用博弈論思想確定組合系數β。

(9)計算綜合貼近度矩陣E。

式中：W1為距離貼近度矩陣；W2為灰色關聯貼近度矩陣。

3 結果與分析

3.1 不同灌溉施肥方式對蘋果品質的影響

3.1.1 滴灌灌溉施肥模式下，不同灌溉施肥量對品質的影響

本試驗在滴灌條件下設置了3 個施氮處理(F1、F2、F3)，每個施氮處理下有3 個灌水下限(W1、W2、W3)。為研究不同灌溉施肥量對果實品質的影響，本文對不同試驗處理的果實品質結果進行了顯著性差異分析，如圖1所示(圖1中不同小寫字母表示各處理間差異顯著P＜0.05)。

滴灌灌溉施肥模式下，施肥水平為F1 時，隨著灌水下限的升高，果皮脆性、果肉硬度、果形指數、單果重呈先上升后下降的趨勢，果皮硬度呈先下降后上升趨勢，果肉細度和可溶性固形物呈逐漸升高趨勢，酸度呈逐漸下降趨勢。

施肥水平為F2 時，隨著灌水下限的升高，果肉細度、果肉硬度、可溶性固形物、果形指數、單果重呈先上升后下降的趨勢，果皮脆性、酸度呈先下降后上升趨勢，果皮硬度呈逐漸升高趨勢。

施肥水平為F3 時，隨著灌水下限的升高，果皮脆性、果皮硬度、單果重呈先上升后下降的趨勢，果形指數呈先下降后上升趨勢，果肉硬度和酸度呈逐漸升高趨勢，果肉細度、可溶性固形物呈逐漸下降趨勢。

3.1.2 不同灌溉施肥方式對品質的影響

對照組CK 灌溉方式為溝灌，灌水下限為60%θc，施氮量為100 kg/hm2，與W2F2 處理中水滴灌灌溉的施氮量和灌水下限相同。為此，本研究通過對比分析CK 和W2F2 處理的果實品質和灌水量，研究不同灌溉施肥方式對果實品質的影響，從而選取合理的灌溉施肥方式。對比分析結果如圖2所示。

對比結果表明，CK 較W2F2 處理，果皮脆性和果皮硬度有所提高，其余指標均降低，而灌水量為W2F2 處理近3 倍，主要原因在于滴灌可以減少水分地面蒸發，而溝灌雖然水量滿足了果樹生長需求，但存在一定的深層滲漏，造成了大量無效灌水。由此說明，滴灌施肥不僅提高了果實品質，而且節約了灌水量，是比較科學合理的灌溉方式。

3.2 果實品質評價

3.2.1 權重的確定

本研究依據熵權法確定各指標權重，即用熵值來判斷某個指標的離散程度，其信息熵值越小，指標的離散程度越大，該指標對綜合評價的影響(即權重)就越大，結果見表2。

由表2可看出，酸度在品質評價中最為重要，其次是果形指數、單果重、果皮脆性、可溶性固形物含量、果肉硬度、果皮硬度、果肉細度。

3.2.2 正理想解與負理想解的確定

依據公式(3)和(4)，在加權決策矩陣的基礎上，確定正、負理想解如下：

表2 果實品質指標權重值Tab.2 Weight value of fruit quality index

T+=[0.066 9，0.126 2，0.075 1，0.065 7，0.109 1，0.178 5，0.136 8，0.241 5]

T-=[0，0，0，0，0，0，0，0]

3.2.3 綜合評價

由于果實品質指標較多，依據單個品質指標無法準確判斷果實品質的優劣，亦無法確定最佳灌溉施肥模式。為此，本研究采用GC-ITOPSIS 模型，對不同灌溉施肥條件下的9 個處理和1 個對照處理CK 進行果實品質評價。即通過Matlab 軟件，在確定權重和正、負理想解的基礎上，基于公式(6)～(12)確定了10個不同處理下果實品質的距離貼近度c和灰色關聯貼近度f，并通過博弈論思想，計算出貼近度的組合系數β1和β2，求得綜合貼近度E，進而判別最佳灌溉施肥模式，結果如表3所示。

本研究基于博弈論思想，對距離貼近度和灰色關聯貼近度進行耦合，進而得出綜合貼進度。由表3 綜合評價結果可知，不同灌溉施肥處理下，綜合貼近度E值越大，綜合評價結果越好。由此可見，果實品質優劣順序為：W2F2、W3F1、CK、W3F2、W1F2、W2F1、W1F3、W2F3、W3F3、W1F1 處理。研究結果表明，高水高肥和低水低肥的灌溉施肥方式均不利于果樹的生長，即灌水下限為60%θc、施氮量為100 kg/hm2的中水中肥灌溉施肥條件下，蘋果果實品質最佳。

表3 果實品質評價結果Tab.3 Fruit quality evaluation results

將GC-ITOPSIS 模型得到的不同灌溉施肥處理蘋果品質的綜合評價排序與單一品質排序進行Pearson 相關性分析，結果見表4。由表4 可知，綜合評價排序與大多數單一品質指標呈正相關，其中與果肉硬度、果肉細度、可溶性固形物含量和酸度呈極顯著正相關。因此，采用GC-ITOPSIS 模型確定的蘋果品質綜合排序與大多數單一品質排序結果基本一致，說明GC-ITOPSIS模型完全可以用于果實綜合品質的評價。

表4 綜合評價排序與單一品質排序的相關性Tab.4 Correlation between comprehensive evaluation ranking and single quality ranking

4 討 論

近年來，滴灌在果園得到普遍使用，盡管節約了灌水量，但不合理的灌溉制度和施肥量，導致果實產量減少、果實品質下降，制約了當地農業的生產和發展。基于此，本研究分析了不同灌溉施肥模式對蘋果品質的影響，建立了綜合評價模型，確定了適宜灌水量和施肥量，為滴灌模式下蘋果果園的水肥管理提供參考。灌水量和施肥量過高和過低均會抑制果實的生長發育。梁博惠等[14]通過研究不同灌水施肥條件對蘋果品質的影響，通過單一指標評判出中水中肥的果實品質最佳；賀琦琦[15]在滴灌條件下設置不同施肥量，利用多層次模糊綜合分析法發現，中肥為最佳施肥量；張鵬[16]設置了不同的灌溉水平和施肥水平，兩兩正交，經過2 a 的連續測定，利用TOPSIS 綜合評價法，發現連續兩年的最佳灌溉施肥模式均是中水中肥。由此可見，前人通過不同評價方法，在不同試驗地區，對滴灌條件下的最佳灌水施肥量的結果均為中水中肥，與本研究結果一致，主要原因在于，灌溉施肥量過多或過少均會影響果實品質，不利于最佳果實生長發育。

5 結 論

(1)相同灌水下限和施氮量條件下，通過對傳統灌溉和滴灌模式下的果實品質和灌水量進行對比分析，發現滴灌灌溉不僅提高了果實品質，而且節約了灌水量，灌水量僅為傳統灌溉的30%，是較為合理的灌溉方式。

(2)通過對9 個滴灌處理和1 個溝灌對照組的果實品質進行綜合評價，發現灌水下限為60%θc、施氮量為100 kg/hm2時，果實品質最佳。

(3)本研究提出的基于博弈論的GC-ITOPSIS 模型，綜合了GC 模型和ITOPSIS 模型的特點，克服了單一評價方法的缺陷，并采用博弈論思想進行組合系數的計算，分析了兩種方法之間相互競爭又協調一致的關系，提高了果實評價的準確性；同時減少了人為主觀因素的影響，使得評價結果更加科學、客觀。