基于西瓜產量的推薦施肥量及化肥減施潛力分析

包 蕾，張賽峰，秦濟民，張會梅，王培周，周建斌，陳竹君*

（1 西北農林科技大學資源環境學院 / 農業農村部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2 西北農林科技大學園藝學院，陜西楊凌 712100）

西瓜是世界范圍內產量與種植面積僅次于番茄的水果作物[1]，我國西瓜種植面積與產量自1981年以來一直居世界第一，2018年我國種植面積與產量分別為151.8萬hm2和6154萬t[2]，分別占世界總種植面積和產量的46.8%和59.2%[3]。西瓜產業的迅速發展，也伴隨著瓜農為追求高產盲目過量施肥導致的肥料利用率、生產效益降低及一系列環境風險問題[4–5]。因此，明確不同目標產量下西瓜合理施肥量及不同區域西瓜栽培減肥潛力，對化肥科學減施、維持土壤肥力、節本增效和西瓜產業可持續發展具有重要意義。

確定適宜施肥量是獲得目標產量、維持土壤肥力水平和降低環境風險的關鍵，在這一方面已開展了不少研究，提出了不同的確定適宜施肥量的方法。朱兆良[6]認為，適宜施肥量推薦從方法論和技術路線的角度可分為測試(土壤/植株)和以田間肥料試驗為基礎推薦施肥兩種類型。考慮到我國田塊小而數量大的實際情況，提出了區域土壤、氣候、生產條件、管理和產量水平相對一致時，可以采用平均施氮量來代替每個田塊的經濟最佳施氮量。區域平均適宜施氮量便于技術推廣和農戶在生產實際中應用，可將大多數地塊施氮量控制在合理范圍內。巨曉棠[7]提出，我國目前施肥技術條件下，理論施氮量相當于作物地上部氮素攜出量，且對小麥、玉米、水稻理論施氮量與區域平均適宜施氮量及推薦施氮量進行了驗證，在考慮其他來源氮素輸入情況下，確定了單位經濟產量需氮量后，推薦施氮量是目標產量的唯一函數。張福鎖[8]根據保護地和露地磷、鉀豐缺狀況，提出了推薦施肥量為作物攜出量的調整系數范圍。曹寒冰等[9]亦提出，合理施肥量=產量×養分需求量×調整系數。目前，不同區域西瓜田間肥料試驗數據有限，且不同田塊由于肥力差異，相同栽培條件下獲得的肥料效應函數可能差異巨大[10]。區域多年平均產量水平綜合反映了當地氣候、土壤性質及作物管理措施下實際生產水平，在此基礎上的目標產量養分需求成為推薦施肥容易獲得和相對可靠的參數[7,9]。與其它作物相比，西瓜單位經濟產量養分攜出量研究相對較少[11]，據已有文獻結果，每生產1000 kg西瓜需氮(N)量最高和最低相差8.5倍[11–12](0.83～7.09)、需磷 (P2O5)量相差 6.5 倍[13–14](0.43～2.78)、需鉀(K2O)量相差2.9倍[12,15](2.13～6.26)，不同文獻結果差異大[16]。

基于不同區域西瓜目標產量養分需求量，結合土壤肥力水平調整系數，田間試驗及文獻推薦施肥量驗證，然后綜合確定不同產量水平下合理施肥量，評估不同區域化肥減施潛力，分析不同區域西瓜施肥存在的主要問題及化肥減施增效關鍵技術及措施。明晰西瓜氮、磷和鉀養分需求量，查清不同區域西瓜養分供需平衡狀況，為化肥合理減施提供理論依據；針對不同區域主產區限制肥料養分利用率提高的主要因素，提出化肥減施增效的關鍵技術措施，為西瓜產業綠色健康發展提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 不同地區化肥施用現狀及產量水平調查

在全國22個省、市及自治區各西瓜主產區，選取栽培面積大的農戶且使調查農戶均勻覆蓋主產區，調查肥料施用種類及施肥量(折純N、P2O5、K2O)、施肥時期和方法、單產、灌溉方式等，共獲得施肥有效調查數據4933份，產量有效調查數據4888份(表1)。最終不同省、市、自治區西瓜單產產量為2016—2018年《中國統計年鑒》和調查數據的加權(調查面積權重)平均。

表1 各省、市及自治區施肥與產量調查樣本數Table 1 The survey number of fertilization and yields of watermelon in various provinces

1.2 西瓜單位經濟產量養分攜出量數據來源

2013—2021年在陜西楊凌示范區、蒲城縣、定邊縣、榆林市榆陽區等的多點肥料試驗數據52個，收集國內外文獻中西瓜產量和對應養分吸收數據106個。其中，產量和氮吸收量數據158個、磷吸收數據99個(文獻數據55、本研究組數據44)、鉀吸收數據88個(文獻數據40、本研究組數據48)。按照西瓜品種的單果重，將其劃分為小果型(＜3.5 kg)、中果型(3.5～7.5 kg)及大果型(＞7.5 kg) 3種類型[1]。小果型一般多為設施吊蔓栽培品種，中果型多為設施趴地栽培品種，大果型為露地栽培品種。

1.3 不同產量水平推薦施肥量確定

合理施肥量根據以下公式計算[7,9]：

式中，目標產量為實際產量乘以1.2系數，調整系數指根據區域西瓜主產區土壤養分狀況確定的調整施肥量的參數。由于西瓜種植效益較高[17]，據22個省、市施肥現狀調查結果(未發表資料)，設施栽培西瓜施用有機肥25～600 t/hm2，平均30 t/hm2，露地施用有機肥量在4.5～30 t/hm2，平均10 t/hm2；土壤養分測定表明，設施栽培和露地栽培土壤有效磷分別為30.2～601、15.0～195 mg/kg，平均分別為95.6 mg/kg、26.3 mg/kg，土壤速效鉀設施栽培和露地栽培分別為80～1250、51～310 mg/kg，平均分別為360 mg/kg、126 mg/kg。西瓜生產中農戶均投入有機肥，有機肥中養分需要礦化后才能被作物吸收利用，有機肥具有殘效并具有培肥土壤作用，因此設施栽培和露地施用氮肥均只需補足作物帶走的氮素，施氮(可被作物利用的氮)調整系數設置為1.0；依據土壤有效磷和速效鉀豐缺指標[8]，設施和露地土壤有效磷均在中等水平(設施50～120 mg/kg，露地20～60 mg/kg)，中等水平磷推薦量為作物攜出量的0.8～1.5倍，因此施磷調整系數設置為1.0；土壤速效鉀設施和露地分別在高水平(＞150 mg/kg)和中等水平(80～150 mg/kg)，高水平和中等水平下鉀推薦量分別為作物攜出量的0～0.8和0.8～1.5倍，本研究將施鉀調整系數統一設置為0.8。

1.4 不同區域西瓜化肥減施潛力估算

以省、市及自治區為評價單元，根據其西瓜平均產量水平乘以1.2系數作為目標產量，根據不同目標產量水平合理施肥量標準及調查的農戶西瓜化肥平均施用量(折純量)估算化肥減施潛力。計算公式如下[16]：

化肥減施潛力(%)=(各地區農戶平均化肥施用量–推薦施肥量)/平均化肥施用量×100 (2)以秦嶺—淮河一帶為南北方分界線對不同區域西瓜種植面積、產量、化肥投入現狀、減肥潛力與推薦施肥量進行分析[18]，南方地區省份包括：江蘇、安徽、浙江、上海、湖北、湖南、江西、福建、廣東、廣西壯族自治區、臺灣、香港、澳門、海南、四川、重慶、貴州、云南與西藏自治區；北方地區省份包括：黑龍江、吉林、遼寧、北京、天津、河北、山東、河南、山西、陜西、內蒙古自治區、寧夏回族自治區、青海、甘肅與新疆維吾爾族自治區。

1.5 數據處理

采用Excel 2010進行數據分析，采用Origin 2018及Arcgis 10.2軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同地區西瓜種植面積、產量及化肥投入現狀

2.1.1 西瓜種植面積、產量分布 我國不同省、市及自治區西瓜種植面積以河南省種植面積最大，達到25.6萬hm2，占全國西瓜總種植面積的16.9%，其次為山東、江蘇及湖南省(圖1a)。全國各省西瓜平均產量為11.9～58.8 t/hm2(圖1b)，北方地區產量平均為45.6 t/hm2，其中河北、河南、山東及遼寧產量較高(54.6～58.8 t/hm2)，寧夏、山西及青海產量較低(29.4～37.3 t/hm2)。南方地區產量平均為32.1 t/hm2，其中江蘇、上海、安徽及湖北產量相對較高(36.8～48.3 t/hm2)，貴州、江西、云南、福建、重慶、西藏等產量較低(11.9～26.7 t/hm2)。

圖1 西瓜種植面積及產量分布Fig.1 Planting areas and yields of watermelon in different provinces in China

2.1.2 西瓜化肥投入現狀 不同地區西瓜化肥氮磷鉀養分投入調查結果(圖2)表明，各省、市、自治區化肥N、P2O5、K2O投入量平均分別為190.7～380.7、162.9～349.5、62.7～492.5 kg/hm2，全國平均分別為256.6、230.7、262.1 kg/hm2，投入的N∶P2O5∶K2O質量比為1.00∶0.90∶1.02。南方省市區化肥N、P2O5、K2O投入量平均分別250.2、217.0、236.9 kg/hm2，北方省市區平均為264.1、245.8、291.9 kg/hm2。其中化肥N投入較高的地區為河北、北京、海南及江蘇，投入氮超過300.0 kg/hm2，較低的地區為甘肅、浙江、四川及寧夏，投入氮為190.7～194.1 kg/hm2(圖2a)；化肥P2O5投入較高的地區為黑龍江、甘肅、海南和四川，投入量超過300.0 kg/hm2，較低的地區為湖北、內蒙、河南和北京，投入量為162.9～187.8 kg/hm2(圖2b)；化肥K2O投入量遼寧、河北、黑龍江、吉林和陜西較高，為303.6～492.5 kg/hm2，甘肅、寧夏、新疆和內蒙較低，為 62.7～122.4 kg/hm2(圖 2c)。

圖2 各省市區西瓜化肥投入現狀Fig.2 The inputs of different chemical fertilizers for watermelon in different regions in China

2.2 西瓜單位經濟產量養分需求量

全國西瓜單位面積產量變化為9.9～93.4 t/hm2，單產較低(＜20.3 t/hm2)的主要為中果型和小果型，這些中、小果型品種主要在設施早春或秋冬茬栽培，其產量受氣候及人為管理因素影響大。單位經濟產量氮磷鉀吸收量調查結果(圖3)表明，每生產1 t西瓜N、P2O5、K2O養分吸收量分別為0.83～7.09 kg(n=158)、0.20～2.78 kg (n=99)、1.39～6.26 kg (n=88)，不同果型間均無顯著差異；此外，單位經濟產量氮、磷、鉀養分吸收量很高的點其產量均很低，隨產量增加單位經濟產量氮、磷、鉀養分吸收量趨于穩定。統計年鑒單產及本研究主產區調查我國西瓜平均產量為42.3 t/hm2，據此分析，產量偏低而養分吸收量偏高主要因營養生長正常但未形成正常產量造成。因此，本研究以西瓜產量大于平均產量(42.3 t/hm2)時生產1 t西瓜所吸收的N、P2O5、K2O養分量的平均值2.0、0.83、3.3 kg作為單位經濟產量養分需求量參數，進一步計算目標產量養分需求量。此外，西瓜單位經濟產量養分需求量表明，氮磷鉀需求比例N∶P2O5∶K2O為1.00∶0.41∶1.65。

圖3 西瓜單位經濟產量養分吸收量Fig.3 Nutrient uptakes to produce 1 t watermelon economic yield

2.3 西瓜不同產量水平推薦施肥量及區域化肥減施潛力分析

2.3.1 基于產量水平的西瓜推薦施肥量 我國西瓜種植占90%以上面積平均產量水平高于30 t/hm2，文獻最高產量為93.4 t/hm2，因此，本研究將目標產量確定為30～95 t/hm2，并依次劃分為30～40、40～50、50～60、60～70、70～95 t/hm25 個等級水平。已有文獻中田塊尺度肥料試驗獲得的推薦施肥量與產量間未表現出規律性，即使相近區域產量低推薦量卻高[13,23]，主要可能由于田塊尺度的肥料試驗結果受當季氣候、病蟲害及農事管理等因素的影響肥料未發揮應有的效應，本研究依據西瓜不同目標產量水平下養分攜出和區域調查分析獲得的土壤肥力，采用土壤肥力指標法并結合文獻資料綜合確定推薦施肥量 (表2)，提出 30～40、40～50、50～60、60～70、70～95 t/hm2產量水平下平均推薦施肥量分別為施 N 90～120、110～150、130～170、150～205、170～230 kg/hm2，施 P2O545～65、55～75、65～85、70～95、80～110 kg/hm2，施 K2O 110～150、125～170、150～205、170～230、185～250 kg/hm2。

表2 不同產量水平下推薦施肥量Table 2 Recommended fertilizer rates at different yield levels of watermelon

根據不同省、市、自治區產量水平和土壤養分狀況提出區域施肥范圍(圖4)，南方和西南地區及青海目標產量低推薦施肥量較低，北方地區產量高推薦施肥量較高。

圖4 各省市區西瓜推薦施肥量Fig.4 The recommended rates of chemical fertilizers for watermelon in different regions in China

2.3.2 不同地區化肥減施潛力 根據不同省、市、自治區推薦施肥量，估算各地農戶平均施肥量下的化肥減施潛力，結果(表3)表明，不同地區農戶平均施用氮、磷、鉀化肥量分別是推薦量的1.3～3.0、1.9～5.5、0.3～2.5倍，氮磷鉀化肥的減施潛力分別為22.7%～66.5%、47.8%～81.7%、–187.1%～59.4%，平均分別為43.0%、68.7%、12.2%，各地區平均氮磷肥施用均過量，磷肥減施潛力最大，鉀肥施用過量和不足并存。南方化肥減施潛力大于北方，其中海南、廣西、廣東、福建、江蘇、安徽、湖南氮磷減施潛力均在50%以上，寧夏、甘肅、新疆、內蒙存在鉀肥投入不足問題。

表3 不同地區西瓜化肥減施潛力 (%)Table 3 Reduction potential of chemical fertilizer input for watermelon in different regions of China

3 討論

3.1 西瓜不同產量推薦施肥及化肥減施潛力

作物的產量高養分需求量也高，依據區域某作物目標產量對應的養分需求量推薦施肥被認為具有區域代表性[6–7,40]。由于不同文獻西瓜單位經濟產量養分需求量結果差異較大且來自地區多點田間肥效試驗相對較少，本研究通過課題組研究結果結合文獻數據分析，以西瓜產量大于平均產量(42.3 t/hm2)時生產1 t西瓜所吸收的N、P2O5、K2O養分量的平均值2.0、0.83、3.3 kg作為單位經濟產量養分需求量參數，此結果與文獻數據平均取值(2.5、0.85、3.0 kg)相比[16]，氮需求量降低、磷相近、鉀增加，與QUEFTS模型得出結果(2.11、0.62、3.23)相比[11]，氮鉀需求量相近、磷增加，本研究進一步明晰了西瓜單位經濟產量養分需求量，可為計算目標產量養分需求提供理論依據。

西瓜生產中農戶重視有機肥施用，但生產中不同區域及栽培方式下施用量差異大(4.5～600 t/hm2)，市場有機肥種類繁多、質量良莠不齊，商品生物有機肥及商品有機肥價格相對高農戶施肥量少，而直接來自畜禽養殖場的不同腐熟程度的有機肥價格低農戶施用量高。有機肥提供的養分是作物吸收養分的重要來源，但有機肥中養分釋放慢并不能被當季作物全部吸收利用，我國目前推薦施肥尚缺乏有機肥可提供的有效養分量指標并將其在推薦施肥中予以充分考慮。國外研究認為[41]，有機肥中全氮含量的30%～50%、全磷含量的50%～60%、全鉀含量的90%可礦化為有效養分被當季作物吸收利用，且在推薦施肥總量中考慮施用有機肥可提供的有效養分量，推薦化肥用量等于總量減去有機肥可提供有效養分量。因此，考慮西瓜生育期相對較短，建議生產中根據推薦施肥總量(表2)，按照有機肥種類及施用量中全氮、磷、鉀的30%、50%和90%計算有效養分量，進一步減少化肥施用量。

我國西瓜產量分布表明，平均單產北方省市區高(平均45.6 t/hm2)、南方低(平均32.1 t/hm2)，施肥調查結果發現，南方省市區和北方化肥養分投入量相近，相較于其西瓜產量水平下的推薦量，南方氮、磷、鉀養分過量投入問題突出，如海南、廣西、廣東、福建、安徽、湖南、江蘇等省區農戶平均施用氮、磷、鉀分別為推薦量的2.0、3.0、1.5倍以上，因此，南方化肥減施潛力大于北方，南方化肥氮和磷減施潛力在50%以上，鉀為30%以上。西瓜適宜的N∶P2O5∶K2O為1.00∶0.41∶1.65，而農戶投入的養分比例為1.00∶0.90∶1.02，磷肥投入比例偏高，主要由于農戶基肥普遍施用N–P2O5–K2O含量相等的復合肥為主且基肥占化肥總量比例高(80%以上)，造成磷肥過量，因此磷肥減施潛力最大；甘肅、寧夏、新疆和內蒙部分區域鉀肥投入不足，這些地區西瓜種植土壤質地以砂土和砂質壤土為主，土壤速效鉀含量相對較低，存在鉀素虧缺問題。

3.2 不同地區西瓜生產主要問題及化肥減施增效措施

區域氣候、栽培季節和模式、品種等顯著影響西瓜產量和品質，也影響肥料利用率。我國西瓜栽培可劃分為五大優勢產區[17]，分別為華南冬春優勢產區(主產區有廣西壯族自治區、廣東、海南、福建)、長江流域夏季優勢產區(主產區有安徽、湖南、湖北、江蘇、江西、浙江、四川)、黃淮海春夏栽培優勢產區(主產區有河北及河南兩省的大部分地區、山東、北京、天津等)、西北夏秋優勢產區(陜西、寧夏回族自治區、甘肅、新疆維吾爾族自治區和內蒙古自治區)以及東北夏秋西瓜優勢產區(遼寧、吉林、黑龍江和內蒙古自治區呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市和錫林郭勒盟等蒙東地區)。栽培模式包括華南反季節栽培、南方中小棚設施栽培、南方露地中晚熟栽培、北方設施早熟栽培、北方露地中晚熟栽培、西北干旱半干旱區栽培等模式。由于區域光、溫、水、土資源所形成的生態環境不同，因此，應在明晰各優勢產區和栽培模式下西瓜產業鏈上影響化肥減施增效的關鍵問題基礎上，針對性集成關鍵技術，實現化肥減施增效目標。西瓜產量分布(圖1b)表明，南方單產整體低于北方地區，主要由于南方冬春季常發生持續低溫、陰雨、寡照天氣影響西瓜生產，造成反季節栽培及南方中小棚設施栽培模式下西瓜病蟲害嚴重發生，溫度變化及水肥供應不均衡影響坐果、果實膨大及發生裂果；南方露地栽培多為傳統灌水施肥，夏季多雨天氣又威脅露地中晚熟西瓜生產，肥料養分隨灌溉水或降雨流失大，因此，南方地區應根據西瓜目標產量推薦施肥量總量控制及不同生育期養分需求的基礎上，集成抗病/裂品種、設施/避雨栽培+水肥一體化精準控制、露地栽培施用緩/控釋肥等關鍵技術，提高西瓜產量和品質，進而提高養分利用效率。

北方西瓜平均產量高于南方，不同栽培方式下存在的問題及化肥減施潛力和減施措施具有較大差異性。北方設施早熟西瓜多為早春西瓜—夏秋/秋冬蔬菜模式，該設施栽培模式下農戶重視有機肥施用且化肥盲目過量施用問題突出[16,42–43]，土壤養分累積及連作障礙問題嚴重；同時，北方設施栽培水肥一體化設備擁有率高，但生產實際中亦沿用傳統的施肥灌水管理模式，化肥基施占比高[44]，養分投入比例不協調，單次灌水定額高，未實現按西瓜不同生育期養分、水分需求規律少量多次施肥和灌水，為低效率的水肥一體化，因此，北方設施栽培模式下減肥潛力大。應主要集成測土配方施肥、水肥一體化精準管理、畜禽糞+秸稈+高溫悶棚土壤修復化肥替代等關鍵技術，因缺補缺逐漸實現土壤養分的平衡及水肥高效利用。西北干旱半干旱西瓜栽培區土壤質地以砂質為主，土壤養分含量少且保水保肥能力弱，該區目前生產中可分為兩種模式，第一種為有灌溉保障且基本實現水肥一體化滴灌地區，重點應集成有機肥部分替代化肥+化肥深施(條施)及水肥一體化精準管理等關鍵技術，提高土壤肥力及水肥時空耦合；另一種為灌溉保障率低地區，特別是壓砂瓜生產區，應針對水分有限、水肥協同差、追肥困難及區域存在的嚴重重茬問題，重點集成生物有機肥+緩/控釋肥+化肥深施(條施)、水肥一體化補充施肥灌水等技術，實現西瓜關鍵需肥需水期水肥在時間和空間的耦合效應，發揮最大效率。東北露地中晚熟栽培區水肥過量供應，養分供應比例不協調，重點集成水肥一體化精準控制及協調養分比例，以協調營養生長與生殖生長的關系。

4 結論

西瓜單位經濟產量(1 t) N、P2O5、K2O需求量分別為2.0、0.83、3.3 kg；西瓜產量30～40、40～50、50～60、60～70 及 70～95 t/hm2，推薦施肥量N 為 90～120、110～150、130～170、150～205、170～230 kg/hm2，P2O5為 45～65、55～75、65～85、70～95、80～110 kg/hm2，K2O 為 110～150、125～170、150～205、170～230、185～250 kg/hm2。生產中應在推薦施肥量基礎上，考慮有機肥種類及施用量中當季可提供的有效養分量，進一步減少化肥施用量；全國西瓜主產區氮、磷、鉀化肥的減施潛力平均分別為43.0%、68.7%、12.2%，南方地區化肥減施潛力大于北方。不同區域產量水平、施肥現狀和存在的主要問題不同，生產中亟待針對性集成優化并建立與氣候、栽培季節、栽培模式相匹配的綜合技術模式，并配套技術規程，大面積規模化示范推廣，最終實現西瓜化肥減施增效及產業綠色可持續健康發展的目標。