水肥耦合效應對小果型西瓜品質、產量及水分利用效率的影響

劉 璐，王林闖，李建明，許文釗，尹 蓮，羅德旭，孫玉東，范燕山，趙建鋒*

（1.徐淮地區淮陰農業科學研究所/淮安市設施蔬菜重點實驗室，江蘇 淮安 223001；2.西北農林科技大學 園藝學院/農業農村部西北設施園藝工程重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.壽光格頓農業科技有限公司，山東 壽光 262718）

0 引言

西瓜(Citrullus lanatus)是葫蘆科西瓜屬的日常水果，其果肉甜美多汁、清香爽口，富含多種維生素、糖類及氨基酸等營養物質，在全世界范圍內均有種植［1-2］。西瓜也是一種具備商業性質的經濟作物，因其具有可觀的經濟收益而受到廣大種植戶和市場的青睞［3-4］。但是，目前的西瓜生產中仍然存在缺乏定量水肥管理經驗的問題，通常采用大水灌溉、大量施肥的生產管理模式，長此以往必然會導致我國水肥資源的浪費以及肥料利用率的嚴重下降，進而造成土壤板結以及地下水污染等環境問題［5-8］。水分補充和肥料供給是保障作物良好生長發育的重要物質基礎，其中水分可以促進肥料的轉運，而肥料能夠促進水土系統的生態效能作用，兩者相互作用的結果為水肥耦合效應［9-11］。水肥的合理使用能夠直接影響水肥的利用效率，進而影響農產品的品質、產量和經濟效益［12-15］。由此可見，科學進行水肥管理已成為我國綠色農業發展和環境保護的重要途徑。

目前，國內外學者已經從水肥對作物生長、水肥利用等方面進行研究。粟麗等［16］研究表明冬小麥的水分利用效率會隨著灌水量的增加而增加，但隨著氮含量的增加，水分利用效率會呈現出先增后降的趨勢；Cabello等［17］研究了不同施肥和灌水量對甜瓜品質及產量的影響，結果表明當灌水量為90%的實際蒸發量時，果實的品質、產量最好；黃紅榮等［18］研究了設施滴灌條件不同水肥耦合組合對番茄干物質分配、光合作用及產量的影響，結果表明滴灌條件下水肥耦合處理的番茄產量、品質最佳。相比較于灌水量、肥料量等單因素而言，探討水肥耦合對植株生長的影響更具有科學性和合理性。此外，通過主成分分析方法篩選出主要因子進行品質評價，對西瓜的整體評價結果也更加客觀。前人雖然對西瓜的水肥進行過一定研究，但結果并不能夠完全滿足我國現有設施西瓜生產種植中對水分與肥料量化的實際配比［19-20］，有關江蘇省設施西瓜水肥管理的研究也鮮有報道。因此，尋找合理的西瓜水肥耦合用量組合對農業生產意義重大。本文以西瓜品種蘇夢6號為研究對象，通過比較不同施肥量、灌水量條件下西瓜的產量、品質及生長情況等指標，探索較為合理的水肥組合用量，力求達到減肥增效，以期為小果型西瓜的高效綠色栽培提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在江蘇省淮安市農業科學院科研創新基地進行，供試土壤的堿解氮、速效鉀、有機質、有效磷的含量分別為80.7、268.6、22.0、90.7 g/kg，pH值為7。

1.2 試驗材料

供試作物：江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所主推的小果型西瓜品種蘇夢6號；供試肥料：大量元素水溶肥20-20-20（養田）、46%尿素（由中國中煤能源股份有限公司提供）、12%過磷酸鈣（雅冉）、50%硫酸鉀（由山東青上化工有限公司提供）。

1.3 試驗設計

本試驗以灌水量和施肥量作為控制因子，其中施肥量設置了3個水平：F1，N、P2O5、K2O的施用量分別為607.5、387.0、13230.0 g/120株；F2，N、P2O5、K2O的施用量分別為810.0、516.0、1764.0 g/120株；F3，N、P2O5、K2O的施用量分別為1012.5、645.0、529.2 g/120株。根據西瓜不同生育時期使用不同的肥料比例，基肥N、P2O5、K2O的施用比例分別為30%、50%、30%，幼苗期的施用比例分別為10%、20%、5%，伸蔓期的施用比例分別為20%、20%、10%，坐果期的施用比例分別為10%、10%、15%，最后膨瓜期的施用比例分別為30%、0、40%，具體施肥情況見表1。

表1 西瓜不同生育期的施肥水平 g

灌水量設置3個水平，其中W1為60%Etc，W2為80%Etc，W3為100%ETc。另外，根據西瓜的不同生育時期的需水規律，在棚內設置200 mm蒸發皿，每日對蒸發皿內水分蒸發量進行記錄，利用蒸發皿的累積蒸發量（EP-20）、灌水面積以及西瓜需水系數（Kc）的乘積計算最終灌水量，苗期、開花坐果期、膨瓜期及成熟期的Kc分別為0.4、0.8、1.6和0.8，灌水量的計算公式為：

式（1）中：Ir為灌水量(mm)，ETc為西瓜蒸騰需水量(mm)，Kc為需水系數，A為灌溉水量控制面積(m2)。試驗的具體澆水情況見表2。

表2 西瓜不同生育期的灌水量水平 %

本試驗將灌水量和施肥2個因素耦合，共計9個處理，3次重復，每個處理小區內定植西瓜40株。開花后進行水肥處理，灌水周期為7 d。試驗小區長寬均為3 m，面積為9 m2，雙因素耦合試驗方案見表3。每個小區內部采用寬窄行吊蔓栽培方式，整枝方式為雙蔓整枝，寬行110 cm，窄行50 cm，株距為30 cm，表面覆蓋銀灰色地膜，膜下安裝滴灌帶。西瓜苗4葉1心定植，緩苗10 d，每株最終留1個西瓜。在每個小區四周地膜下70 cm 深安裝隔離膜，以此消除不同處理間水肥滲透的影響。

表3 試驗處理設計及對應的灌溉量

1.4 取樣和測定方法

西瓜成熟后進行采收，使用臺秤進行單果重和小區產量的測定；成熟期在每個小區內隨機選擇3個大小相近的西瓜，使用直尺測量西瓜果實的橫、縱徑及果皮厚度；西瓜果肉的中心和邊際可溶性固形物含量利用手持折光儀進行測定；利用考馬斯亮藍G-250法測定可溶性蛋白含量；分別使用solarbio微量法試劑盒(BC2505、BC2465、BC2455）并配合酶標儀測定西瓜果實的葡萄糖、蔗糖、果糖含量；通過紫外—分光光度法測定番茄紅素含量；通過水楊酸—硫酸法測定硝酸鹽含量。

1.5 數據統計與分析

試驗數據應用Microsoft Excel 2019軟件進行統計分析，采用SPSS 20.0軟件進行差異性分析及主成分分析，參考趙平等［21］的分析方法計算各指標的熵值及權重得分。

2 結果與分析

2.1 不同施肥量與灌水量對西瓜植株莖粗的影響

果實膨大期對不同處理西瓜植株的莖粗和葉片葉綠素含量進行測量，結果見表4。由表4可知，不同水肥耦合處理會影響植株的莖粗增長，以F2W2處理的植株莖粗最大，F1W2處理的莖粗最小，其他處理間無顯著差異；顯著性分析表明施肥量以及灌水量和施肥的交互項均對西瓜莖粗生長的影響達到了顯著水平，此時灌水量的作用不明顯，因此肥料的作用大于水肥耦合作用。通過比較葉片葉綠素含量可知，不同處理間無明顯差異。

表4 不同水肥耦合處理的西瓜植株莖粗及葉片葉綠素含量

2.2 不同施肥量與灌水量對西瓜品質指標的影響

在西瓜成熟期對西瓜果實進行采收和品質檢測，結果見表5。由表5可知，F2W1和F2W2處理的果實葡萄糖含量顯著高于其他處理；在同一肥料處理水平下，隨著灌水量的增多，果實果糖含量顯著下降；果實的蔗糖、可溶性蛋白及番茄紅素的含量在不同水肥耦合處理間呈現出顯著差異，但無明顯規律；果實硝酸鹽含量組間無明顯差異。顯著性檢驗結果表明，施肥量、水肥耦合作用對西瓜果實的葡萄糖含量和可溶性蛋白含量的影響達到了顯著水平，但水分的影響不顯著。水分及水肥耦合作用對果糖含量影響明顯，其中水分作用大于水肥耦合作用。除上述品質指標外，水肥耦合作用對果實蔗糖及番茄紅素含量影響顯著，但水分、肥料的作用不顯著。

表5 不同水肥耦合處理對西瓜品質的影響

2.3 西瓜多種品質指標的綜合評價

為了更全面地評價西瓜品質的綜合指標，選用多目標綜合評價法對西瓜品質進行綜合評價。選擇前述的6項品質指標為評價因子，即葡萄糖(X1)、蔗糖(X2)、果糖(X3)、硝酸鹽(X4)、可溶性蛋白(X5)、番茄紅素(X6)，對6個指標進行標準化處理，然后應用SPSS 20.0軟件對處理數據進行主成分分析，分析結果見表6。由分析可知，前3個主成分的特征值均大于1，且前3項的累積貢獻率大于85%。因此，選擇前3個主成分作為品質評價的綜合指標，置信度為86.5%。

表6 各主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率

通過計算得到各品質指標與前3個主成分的關系式：

綜合評價值：F=0.41612F1+0.28F2+0.1678F3，通過計算前3個主成分與客觀權重值的乘積，得到不同水肥耦合處理下西瓜品質的綜合評價結果（表7），其中F1W1處理的綜合評價值最高。

表7 不同水肥耦合處理西瓜品質評價結果

2.4 不同施肥量與灌水量對西瓜產量及水分利用效率的影響

在西瓜成熟期對不同水肥耦合處理進行產量測定和水分利用效率的計算，結果見表8。不同水肥耦合處理西瓜的單株產量及小區產量差異不大，產量上F3W2最高。不同處理水分利用效率整體水平較高，其中F1W1處理的最高，在同一肥料處理水平下，水分利用效率隨著灌水量增多而逐漸減小。由顯著性檢驗的結果可知，水分處理和水肥耦合作用對水分利用效率均值呈顯著影響，其中水分作用要明顯大于水肥耦合作用。

表8 不同水肥耦合處理西瓜的產量及水分利用效率

2.5 基于熵權法評價不同水肥耦合的綜合效果

綜合上述6個指標，通過熵權法計算各指標的熵值、權重及綜合得分，具體結果見表9。綜合排名依次為：F1W1＞F2W2＞F3W2＞F2W1＞F1W2＞F3W1＞F1W3＞F2W3＞F3W3。

表9 不同水肥耦合處理西瓜各指標權重、綜合得分及排名情況

3 討論

3.1 水肥耦合對設施西瓜植株莖粗的影響

水分補充和肥料供給是保障作物良好生長發育的重要物質基礎，其中水分可以促進肥料提高效能，肥料也可促進水土系統生態效能發揮作用。水肥的合理施用能夠直接影響植株的水肥利用效率，進而影響農產品的品質、產量和經濟效益［12-15］。當灌水、施肥總量一定時，肥料供給的養分、水分之間以及兩者的耦合作用與作物之間存在著順序加和、協同以及表觀拮抗等作用，存在著最佳組合點［22］。本研究中，以小果型西瓜蘇夢6號為研究對象，通過設置不同灌水與施肥量進行水肥耦合一體化處理，試驗結果表明不同水肥耦合處理會影響膨瓜期植株的莖粗，其中以F2W2水肥耦合處理的表現最好，顯著性檢驗結果表明肥料作用大于水肥耦合作用。另外對同一時期葉綠素含量測定表明，葉綠素含量無顯著差異。該試驗結果與景煒明等［23］研究結果相似，滴灌下不同水肥處理會影響西瓜植株的莖粗。

3.2 水肥耦合對設施西瓜品質的影響

農產品的品質評價和對比通常比較復雜且充滿爭議，即便在相同種植環境下，通過增減或改變土壤中微生物數量、狀態及電磁場環境，都會影響作物最終的維生素及礦物質的含量［24］。本研究中，在不同水肥耦合一體化條件下，小果型西瓜的不同品質指標變化不盡相同，其中成熟期西瓜果實中的葡萄糖含量以F2W2處理的最高；在同一肥料處理水平下，隨著灌水量的增多，果糖含量顯著下降；果實的蔗糖、可溶性蛋白及番茄紅素含量在不同水肥耦合處理間呈顯著差異，但無明顯規律。施肥量、水肥耦合作用對西瓜果實葡萄糖和可溶性蛋白含量的影響達到了顯著水平，其中肥料作用大于水肥耦合作用。水分、水肥耦合作用對果糖含量影響明顯，其中水分作用大于水肥耦合作用。水肥耦合作用對果實蔗糖及番茄紅素含量影響顯著。此外，本試驗結果與夏秀波等［25］人的研究結果有所異同，可能原因是不同物種對水肥耦合作用的響應存在一定的差異。

此外，由于通過單一指標對農作物的品質評價具有主觀和片面性，為此本試驗通過分析西瓜成熟期的6項品質指標，利用主成分分析法確定3個主成分，并得到了不同水肥耦合處理的得分及排名情況，結果為F1W1處理的效果最好。

3.3 水肥耦合對設施西瓜產量及水分利用效率的影響

農業生產系統是一個復雜的生態體系，其中水分的有效性可通過影響土壤物理化學作用或植物體自身的生理生化進程等實現，從而使得土壤的水分和養分具有緊密的聯系。農業生產系統對作物的影響往往存在明顯的協同作用，但往往因作物種類、地區差異及水肥條件等又有所區別［26-27］。本研究中，不同水肥耦合處理的水分利用率表現出很明顯的變化趨勢，同一施肥條件下隨著用水量的增多，水分利用效率表現出了稀釋效應，其中以F1W1處理的利用效率最高，灌水量W1水平下的水分利用效率整體較高，且差異性分析表明水分作用要大于水肥耦合作用，該變化規律與王鵬勃等［28］的研究結果相同。此外，與其他學者的研究結果不同的點在于本試驗中9種水肥耦合處理下西瓜產量普遍較高，雖然有所差異，但未達到顯著水平，具體原因有待進一步研究。

3.4 通過熵權法評價水肥耦合效應

區別于通過傳統分析方法對作物產量或者其他經濟指標進行分析評判，熵權法是一種非常客觀且科學的賦值方法，該方法的權重計算既能涵蓋到所有指標的影響，同時又能有效去除評價體系中對最終結果貢獻度不高的指標，在很大程度上規避了主觀權重賦值法的缺點，提高了評價的科學和客觀性［29］。本試驗通過主成分分析與熵權法進行水肥耦合效應的綜合評價，最終獲得了水肥耦合處理的優勢組合F1W1。然而，本試驗僅在設施栽培的砂質土壤中進行，對于其他類型土壤的水肥耦合效應的研究還需進一步開展試驗進行驗證，以期達到高產優質的最終目的。

4 結論

在本試驗條件下，灌溉間隔為7 d，同時灌溉水平為60%ETc，灌水量為537.78 m3/hm2，N、P2O5、K2O的施用量分別為607.5、387.0、13230.0 g/120株，其中基肥占總施肥量的30%，幼苗期占10%，伸蔓期占20%，坐果期占10%，膨瓜期占30%。在該耦合條件下，西瓜植株生長較好；該水肥耦合處理能夠顯著提高西瓜的果實品質和水分利用效率，在實際生產中具有較高的應用價值。