水肥耦合對娃娃菜產量和品質的影響

馬彥霞，陳靜茹，王曉巍，蒯佳琳，張俊峰

水肥耦合對娃娃菜產量和品質的影響

馬彥霞1，陳靜茹2，王曉巍1，蒯佳琳1，張俊峰1

（1.甘肅省農業科學院 蔬菜研究所，蘭州 730070；2.甘肅農業大學 園藝學院，蘭州 730070）

【目的】探究河西走廊冷涼灌區膜下滴灌條件下娃娃菜適宜的水肥耦合模式。【方法】以當地秋茬主栽品種金皇后為供試材料，設置3個灌溉水平和3個施肥水平，共計9個處理，測定不同處理下的娃娃菜葉球縱徑和橫徑、產量及品質指標。通過主成分分析篩選關鍵指標，基于隸屬函數和標準差系數權重法來評價灌水量和施肥量對娃娃菜各項指標的耦合效應。【結果】灌水量、施肥量及水肥交互效應均在不同程度上影響娃娃菜的產量和品質，水肥交互效應的影響高于灌水量和施肥量。水肥耦合模式下，H2F2處理（中水中肥）可顯著提高娃娃菜單株凈質量、凈菜率、產量、可溶性固形物量和Vc量，增加葉球緊實度，降低硝酸鹽量。基于主成分分析將生長性狀、產量、品質等12個指標轉換為3個獨立的綜合指標，其累積貢獻率高達91.87%。H2F2處理下的基于隸屬函數與標準差系數權重法取得的水肥耦合效應綜合得分最高。【結論】河西走廊冷涼灌區娃娃菜適宜的水肥耦合模式為灌水下限為田間持水率的70%、施肥量N為330 kg/hm2，P2O5為195 kg/hm2，K2O為450 kg/hm2。

河西冷涼灌區；娃娃菜；水肥耦合；主成分分析；隸屬函數法

0 引言

【研究意義】河西走廊冷涼灌區日照資源豐富、晝夜溫差較大，具有種植娃娃菜得天獨厚的自然條件；加之該區域灌溉依靠祁連山冰川和積雪融水，生產的娃娃菜品質佳、口感好。近年來，娃娃菜產業已成為當地實現鄉村振興的一大支柱性產業。然而，當地菜農仍延用“高水高肥”的管理模式，導致水肥資源浪費嚴重，生態環境遭到破壞。目前，河西走廊的膜下滴灌水肥一體化技術可通過精準控制灌水量和施肥量來提高水肥利用效率[1]，但該技術在當地起步較晚，尚缺乏可供娃娃菜應用的水肥管理制度。因此，探究冷涼灌區膜下滴灌娃娃菜的合理灌溉施肥制度已成為亟待解決的問題。【研究進展】膜下調虧灌溉是一種節水灌溉技術，適宜的調虧灌溉模式具有明顯的增產、提質效果[2]。施肥是影響植物生長發育和產量、品質的重要因素，只有協調好水肥關系才能提高產量和品質[3-4]。楊彬等[5]研究表明，采用優化的灌水定額與施氮量組合可顯著提高娃娃菜的經濟產量，水氮耦合表現出較強的互作效應。陳修斌等[6]研究表明，適宜的水氮耦合可顯著提高膜下滴灌娃娃菜的橫徑和縱徑長度；代順東等[7]研究發現，合理調節水肥用量能顯著提高白菜產量，且灌水量的影響大于施肥量。水肥耦合對甘藍葉球的農藝性狀、產量和品質影響顯著，合理的水肥調控可增大甘藍葉球縱徑、橫徑及葉球緊實度，提高產量和品質[8]。【切入點】盡管圍繞水肥耦合對蔬菜生長發育、產量和品質影響的研究較多，但針對河西冷涼灌區膜下滴灌條件下的夏秋娃娃菜的適宜水肥耦合模式研究甚少。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究以當地秋茬主栽品種金皇后為供試材料，探明不同水肥耦合模式對娃娃菜生長及產量、品質的影響，篩選出最優的水肥耦合模式，為當地娃娃菜水肥管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年7—10月在甘肅省農業科學院永昌試驗站（38°26′ N，101°92′ E）進行，該試驗站位于甘肅河西走廊中部的金昌市永昌縣。試驗區海拔1 998 m，年平均氣溫為5.5 ℃，年平均降水量為221.0 mm，年平均蒸發量為2 067.9 mm，無霜期為121 d，日照時間在2 800 h以上。試驗期間的日平均氣溫和降水量如圖1所示。試驗地土壤類型為灌漠土，作物定植前0～20 cm土層的土壤pH值為8.26，為0.517 mS/cm，有機質量為12.81 g/kg，全氮量為0.65 g/kg，堿解氮量為101.60 mg/kg，全磷量為3.02 g/kg，速效磷量為50.60 mg/kg，全鉀量為81.54 g/kg，速效鉀量為152.86 mg/kg。

圖1 娃娃菜生育期內日降水量和平均溫度變化

1.2 試驗設計

以當地秋茬娃娃菜主栽品種金皇后為供試材料，肥料選取復合肥（15-15-15）、尿素（N 46%）和硫酸鉀（K2O 51%）。娃娃菜于7月6日育苗，8月4日定植，9月29日采收。種植方式為膜下滴灌1膜2管4行，種植畦寬為1.4 m，畦間距為0.2 m，單株定植，株間距為20 cm，行間距為35 cm，定植密度為12.5萬株/hm2，目標產量為150 t/hm2。

試驗采用雙因素隨機區組設計，A因素為灌水下限，設置3個水平，分別為H1（60%f，低水）、H2（70%f，中水）、H3（80%f，高水），灌水上限統一設定為田間持水率（f），當土壤含水率下降到灌水下限時即灌水至上限；B因素為施肥量，設置3個水平，分別為F1（N為281 kg/hm2，P2O5為166 kg/hm2，K2O為383 kg/hm2，低肥）、F2（N為330 kg/hm2，P2O5為195 kg/hm2，K2O為450 kg/hm2，中肥）、F3（N為380 kg/hm2，P2O5為224 kg/hm2，K2O為518 kg/hm2，高肥），共計9個處理。每個處理設置1個小區，小區面積為73.6 m2，每個小區分為3個子區作為3個重復。在整地時施入基肥，氮、磷、鉀肥分別占總施肥量的20%、35%、15%，緩苗結束后隨水追施剩余肥量的10%，蓮座期、結球初期和葉球膨大期均追施剩余肥量的30%。緩苗結束時各處理統一灌水1次，之后開始試驗處理，娃娃菜生育期內的灌水量如圖2所示。試驗前測定土壤飽和含水率，試驗期間逐日監測各處理的田間土壤含水率，并于降水后和灌水前、后加測土壤含水率，計算每次的灌水量（）。灌水量的計算式為：

式中：為灌水量（mm）；為0～20 cm土層的土壤平均體積質量（g/cm3）；為計劃濕潤層深度（cm）；為土壤濕潤比；f為田間持水率；為土壤質量含水率。

1.3 測定項目及方法

采收時于每個小區隨機選取5個葉球測定單株毛質量，剝去外層葉片后測定單株葉球縱徑、橫徑和產量。采收時測定生物量和經濟產量，折算為總產量，計算凈菜率和葉球緊實度[8]。

圖2 娃娃菜生育期內不同灌水水平下的累積灌水量

達到采收標準后，測定娃娃菜可食用部分的可溶性固形物量、硝酸鹽量、可溶性糖量、可溶性蛋白質量和Vc量，其中可溶性固形物量采用PAL-BX|ACID F5手持測糖儀測定；硝酸鹽量參照NY/T 1279—2007標準測定；可溶性蛋白質量、可溶性糖量和Vc量分別采用考馬斯亮藍法、蒽酮法、2,6-二氯靛酚鈉法測定[9]。

1.4 數據分析

采用Microsoft Exce1 2010對試驗數據進行整理和隸屬函數分析，利用SPSS 23.0進行方差分析和主成分分析[10]，采用Origin 22.0進行相關分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對葉球生長性狀的影響

不同處理對葉球縱徑和橫徑的影響如圖3所示。隨著施肥量的增加，葉球縱徑和橫徑在H1水平下呈先升高后降低的趨勢，在H2、H3水平下逐漸升高。隨著灌水量的增加，F1水平下葉球縱徑逐漸升高，而橫徑呈先上升后降低的趨勢；在F2和F3水平下，葉球縱徑和橫徑均隨灌水量的增大呈上升趨勢。水肥交互作用下，H3F3處理下的葉球縱徑最大，達到21.93 cm，相比最小的H1F1處理高9.85%，但H3F3處理與H2F3、H3F2處理間無顯著差異；H3F3處理下的葉球橫徑最大，H2F3處理次之，但H3F3處理與H2F2、H2F3、H3F2處理間無顯著差異。

2.2 不同處理對產量的影響

不同處理對娃娃菜產量的影響如表1所示。H3F3處理下的娃娃菜毛質量最高，但與H3F2、H2F2處理間無顯著差異。水肥交互作用下，娃娃菜凈質量、凈菜率、葉球緊實度和產量均以H2F2處理為最高，H1F1處理最小。與H1F1處理相比，H2F2處理的單株毛質量、凈質量、凈菜率、葉球緊實度和產量分別提高了33.01%、61.41%、21.40%、10.77%、33.72%。隨著施肥量的增加，H1水平下的單株毛質量和葉球緊實度逐漸升高，單株凈質量、凈菜率和產量均先升高后降低；H2水平下5個指標均隨施肥量的增加呈先上升后下降的變化趨勢；H3水平下，隨著施肥量的增加，除了單株毛質量逐漸升高外，其他指標均呈先升高后降低的趨勢。隨著灌水量的增加，F1水平下的單株毛質量先上升后下降，其他指標均呈上升趨勢；F2水平下，隨著灌水量的增大，單株毛質量逐漸升高，而其他指標均呈先升高后下降的趨勢；F3水平下，隨著灌水量的增加，單株毛質量、凈質量及產量均呈上升趨勢，凈菜率先升高后降低，葉球緊實度逐漸下降。

注 圖中小寫字母表示不同處理間在5%水平上差異顯著，下同。

表1 不同處理下娃娃菜單株質量、凈菜率、葉球緊實度及產量

注 表中同列小寫字母表示不同處理間在5%水平上的差異顯著性，下同。

2.3 不同處理對娃娃菜品質的影響

不同處理下的娃娃菜品質指標見表2。可溶性固形物量和可溶性蛋白質量在H1水平下隨施肥量的增加均呈下降趨勢，可溶性糖量、硝酸鹽量和Vc量隨施肥量的增大而增大；H2、H3水平下，隨著施肥量的增大，硝酸鹽量和可溶性蛋白質量逐漸升高，可溶性固形物量、可溶性糖量和Vc量均呈先升高后降低的變化趨勢。相同施肥水平下，隨著灌水量的增大，可溶性蛋白質量逐漸升高，硝酸鹽量逐漸下降，而Vc量則先升高后降低。H2F2處理下的可溶性固形物量最大，H3F2處理次之，但二者間差異不顯著；H2F2處理下的Vc量顯著高于其他處理，H1F1處理顯著低于其他處理，H2F2較H1F1處理提高了44.24%；H3F3處理下的可溶性蛋白質量最大，但與H2F2、H2F3、H3F1、H3F2處理間無顯著差異。

表2 不同水肥處理下的娃娃菜品質指標

2.4 水肥施用量與娃娃菜生長、產量、品質指標的相關分析

水肥施用量與娃娃菜生長、產量、品質指標的相關性如圖4所示。水肥交互與葉球縱徑、橫徑、單株毛質量、凈質量、凈菜率、產量及Vc量均呈極顯著正相關，與可溶性固形物量、可溶性糖量、可溶性蛋白質量和硝酸鹽量均呈顯著正相關。水肥交互條件下單株毛質量的相關系數最大，單株凈質量次之，葉球緊實度的相關系數最小。可見，各項指標對水肥條件的敏感性存在差異，說明娃娃菜各指標對水肥響應的重要程度不同，需要進一步采用多元分析方法進行綜合評價。

注 圖中H、F、HF、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12分別表示灌水、施肥、水肥互作、葉球橫徑、葉球縱徑、單株毛質量、單株凈質量、凈菜率、葉球緊實度、產量、可溶性固形物量、可溶性糖量、可溶性蛋白量、Vc量、硝酸鹽量。

2.5 水肥耦合效應綜合評價

利用主成分分析法對不同水肥處理下的娃娃菜生長性狀、產量和品質指標進行分析，各指標主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率如表3所示。根據主成分因子累積貢獻率大于80%的準則提取3個主成分因子，從而將12個單項指標轉化為3個相互獨立的綜合指標，累積方差貢獻率為91.87%。第1主成分特征值為8.149，貢獻率為67.91%；第2主成分特征值為1.875，貢獻率為15.622%；第3主成分特征值為1.001，貢獻率為8.338%。

表3 主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率

不同處理的綜合指標得分值、隸屬函數值及綜合評價結果見表4。相同灌水量條件下，隨著施肥量的增加，綜合得分呈先升高后降低的趨勢；低肥和中肥水平下，中水處理的綜合得分高于低水和高水處理，而高肥水平下，高水處理的綜合得分最高；水肥耦合模式下，綜合得分排在前3位的分別是H2F2、H3F2、H3F3處理，排在后3位的分別是H1F2、H1F3、H1F1處理。

表4 不同處理的綜合指標得分值、隸屬函數值及綜合評價值

3 討論

水、肥是影響蔬菜產量的重要因素，水分和養分之間存在顯著的耦合效應[11]。本研究發現，灌水量和施肥量及其交互作用均對娃娃菜的葉球縱徑和橫徑、單株毛質量和凈質量、凈菜率及產量有顯著影響，且水肥交互作用的影響最大，灌水量次之，施肥量最小。以往對于番茄[12]的研究也表明，灌水量對產量的影響大于施肥量。水肥耦合存在閾值效應，在閾值范圍內，水肥交互作用的增產效應顯著，超過一定范圍，水肥施用量的增加則會降低產量[13]。本試驗中，F2水平下的娃娃菜單株凈質量、凈菜率、葉球緊實度和產量均隨灌水量的增大呈明顯的上升趨勢，超過一定范圍后開始下降；H2水平下，隨著施肥量的增大，單株毛質量和凈質量、凈菜率、葉球緊實度及產量均先上升后下降的變化趨勢，這與前人[14-15]研究結果相似。

品質是衡量蔬菜營養和商品價值的重要指標，與水肥因素關系密切。本研究發現，隨著灌水量的增大，娃娃菜的可溶性糖量、硝酸鹽量降低，可能是由于增大灌水量對可溶性糖量和硝酸鹽量產生了稀釋作用。當灌水量相同時，硝酸鹽量總體隨施肥量的增加而增大，這可能是由于硝酸根離子隨著土壤中氮素供給能力的增強而逐漸增強，以往針對大白菜[14]的研究也得出了相似的結論。當施肥量相同時，娃娃菜的硝酸鹽量隨灌水量的增大而減小，這與以往圍繞黃瓜[16]的研究結論相似。在H1水平下，Vc量隨施肥量的增大而增大，而在H2和H3水平下，Vc量隨施肥量的增加先升高后下降，這在對甘藍[8]的研究中也得到了驗證。

前人采用主成分分析法對白蘿卜的產量、品質等指標進行了綜合評價，提出了適宜的水肥耦合模式[17]；陳瀟潔等[18]通過主成分分析法和隸屬函數法綜合評價了番茄的產量和品質，篩選出適宜的水肥組合。本研究通過主成分分析篩選出3個綜合指標，再利用主成分的隸屬函數結合權重對娃娃菜各項指標響應水肥耦合的效應進行了綜合評價，結果表明，相同灌水量條件下，綜合得分隨施肥量的增加呈先升高后降低的趨勢；F1水平和F2水平下的H2處理綜合得分最高，而F3水平下的H3處理得分最高；水肥耦合模式下，中水中肥（H2F2）處理的綜合得分高于其他處理，為本試驗條件下最優的水肥組合。

4 結論

灌水量、施肥量及其交互作用均在不同程度上影響娃娃菜的生長指標、產量和品質，且水肥交互作用的影響高于灌水量和施肥量的單獨影響。

水肥耦合模式下，H2F2處理可提高娃娃菜的單株凈質量、凈菜率、產量、可溶性固形物量和Vc量，增加結球緊實度，降低硝酸鹽量。

綜合考慮娃娃菜生長性狀、產量和品質指標，灌水下限控制在田間持水率的70%、施肥量設定N為330 kg/hm2，P2O5為195 kg/hm2，K2O為450 kg/hm2為較優的娃娃菜水肥管理模式。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）

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The Combined Effect of Water and Fertilizer on Yield and Quality of Mini Chinese Cabbage in Cold-cool Irrigation Area

MA Yanxia1, CHEN Jingru2, WANG Xiaowei1, KUAI Jialin1, ZHANG Junfeng1

(1. Vegetable Research Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China; 2. College of Horticulture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

【Objective】Mini Chinese cabbage is a cash crop in Hexi Corridor in northwestern China, but its production relies on irrigation and fertilization. The objective of this paper is to investigate the combined effect of water and fertilizer on its yield and quality.【Method】The experiment was conducted in a film-mulched field, with the variety Golden Queen used as the model plant. The crop was drip irrigated. There were three irrigation treatments and three fertilization treatments, which combine making total nine treatments. In each treatment, we measure yield and quality of the cabbage. The key indexes was screened using the principal component analysis, and comprehensive evaluation of the combined effect of water and fertilizer was analyzed using the membership function and the weighted standard deviation coefficient method.【Result】Irrigation and fertilization jointly affected growth index, yield and quality of the cabbage, albeit the effect varied with their combinations. Combination of water and fertilizer affected crop growth and yield more greatly than irrigation and fertilization working independently. Moderate irrigation and fertilization increased the net weight per plant, net vegetable rate, yield, soluble solids, Vc content and heading compactness, but reduced nitrate content. Principal component analysis reduced the 12 indicators into three independent comprehensive indicators, with their cumulative contribution rate being 91.87%. The comprehensive score for the coupled effect of water and fertilizer was the highest when irrigation and fertilization were both at moderate level.【Conclusion】Comprehensive analysis showed that a suitable irrigation and fertilization for autumn mini Chinese cabbage in Hexi Corridor region is: keeping soil water content higher than 70% of the field capacity, and applying 330 kg/hm2of N, 195 kg/hm2of P2O5and 450 kg/hm2of K2O.

cold-cool irrigated areas of Hexi Corridor;; water and fertilizer coupling; principal component analysis; membership function method

1672 - 3317（2023）09 - 0040 - 06

S635

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023093

馬彥霞, 陳靜茹, 王曉巍, 等. 水肥耦合對娃娃菜產量和品質的影響[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(9): 40-45.

MA Yanxia, CHEN Jingru, WANG Xiaowei, et al. The Combined Effect of Water and Fertilizer on Yield and Quality of Mini Chinese Cabbage in Cold-cool Irrigation Area[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 40-45.

2023-03-13

2023-04-25

2023-09-14

國家自然科學基金項目（32060678）；甘肅省自然科學基金項目（22JR5RA761）；甘肅省農業科學院重點研發計劃項目（2022GAAS26）

馬彥霞（1982-），女。副研究員，博士，主要從事蔬菜輕簡化栽培與水肥高效利用技術研究。E-mail: mayx1982@126.com

@《灌溉排水學報》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協議

責任編輯：韓 洋