不同灌溉量和水分利用效率对西瓜产量和品质的影响

不同灌溉量和水分利用效率对西瓜产量和品质的影响

0灌溉与控水原理随着现代农业产业的结构调整，中国的设施园艺发展迅速，尤其是设施蔬菜种植面积从20世纪80年代的0.7万h2m发展到2008年的334.7万hlm，增长了近500倍。在设施蔬菜生产中,水、肥是2个最重要的物质投入,其利用情况直接影响着农产品的产量、品质和生产效益,并且直接或间接的影响着生态环境。由于缺乏水肥的定量化使用,为追求产量盲目进行大水大肥管理,在设施环境条件下导致施肥量超过作物的实际吸收量,对土壤和水体造成严重污染;不合理灌溉导致肥料流失、病虫害发生,致使作物产量低、品质劣;另外,营养元素失衡使土壤理化性质改变亦是造成土壤连作障碍的主要原因之一。因此,节水灌溉技术尚未达到广泛应用、过量施用化肥带来的环境与蔬菜产品安全性问题已成为中国设施蔬菜产业发展和科研中面临的突出问题。西瓜(Citrulluslanatus(Thunb.)Matsum.&Nakai)作为一种重要的经济作物,它在中国主产区的播种总面积达到181.25万hm2,总产量达到6818.1万t,其产值已占蔬菜产业总产值的10%以上。滴灌施肥(Fertigation)是将施肥(Fertilization)与灌溉(Irrigation)结合在一起的一项精准农业技术,其根据作物不同生长阶段所需肥水量,利用精确滴灌系统并结合地膜覆盖分阶段把肥料输送到作物根部土壤的一种方法,因能定量供给作物水分和养分及维持适宜水分和养分浓度,显著提高作物的产量和水肥利用效率,使该技术的应用越趋广泛。西瓜是对水分敏感且需水量较大的蔬菜作物,生产中在施肥方面也还存在很大盲目性。以往的研究多集中在从灌溉方式、灌溉时间及灌溉量或者不同的氮、磷、钾水平等单方面的因素来寻找最佳处理,而没有综合考虑水肥协同效应,而且对西瓜在不同生育期的水肥耦合灌溉最优模式的量化指标也没有提出,特别是适合西北地区早春设施栽培条件下的西瓜水肥调控技术。目前,滴灌条件下大棚西瓜灌溉施肥研究尚未见公开报道。本研究采用田间小区作物栽培试验,对西瓜水肥高效利用技术进行深入研究,充分发挥水肥协同效应和激励机制,提高抗旱能力和水分利用效率,以期为设施栽培条件下西瓜灌溉施肥一体化技术的应用提供一定的理论依据,为西瓜优质高效生产的水肥综合管理提供可借鉴的技术与方法。1材料和方法1.1试验1:杨凌西甜瓜试验简称试验2供试西瓜品种:农科大5号,为早熟一代杂种,陕西省及同类生态区早春设施西瓜种植区主栽品种,杨凌千鼎种苗有限公司提供。试验所用有机肥采自附近养殖场牛粪(全氮质量分数1.04%,全磷质量分数0.47%,全钾质量分数0.84%),经腐熟发酵、风干,整地前均匀撒施45000kg/hm2。化肥有渭河尿素(N46%),云河磷酸一铵(N11%,P2O544%),德国红牛硫酸钾(K2O50%),均购自杨凌丰源化肥经销部。试验基地概况:试验于2013年3-7月在西北农林科技大学园艺学院杨凌西甜瓜试验示范基地的塑料大棚内进行。试验地处关中平原,位于108°20′E,34°25′N,属暖温带半湿润气候带,年平均气温12~14℃,年均降水量620~630mm之间,主要集中在7-9月,年均蒸发量约1400mm,年均无霜期200~250d。试验大棚的长度、跨度、高度分别为140、9、2.8m,土壤类型为关中塿土,pH值为7.0~8.5,土壤容重0.929g/cm3,耕层0~20cm土壤养分状况为有机质质量分数9.96g/kg,全氮质量分数1.28g/kg,速效磷质量分数50.0mg/kg,速效钾质量分数179.24mg/kg。滴灌施肥设备:采用文丘里注肥装置,设备主要由水源、水泵、旋翼式水表、奥特普ATP800流量可调式文丘里施肥器、施肥罐、输配水管道系统等组成。滴灌管为内镶式圆柱滴头滴灌管,由杨凌秦川节水灌溉设备有限公司提供,直径9.6mm,壁厚1.0mm,额定流量3L/h,滴头间距30cm,额定工作压力100kPa。整套滴灌施肥系统由杨凌丰源农业科技工程有限公司提供。1.2小区f调查试验设3种总灌溉量水平:450m3/hm2(W1),900m3/hm2(W2),1350m3/hm2(W3);3种总施肥量水平:N81.53kg/hm2+P2O533.43kg/hm2+K2O101.09kg/hm2(F1),N163.05kg/hm2+P2O566.85kg/hm2+K2O202.18kg/hm2(F2),N244.58kg/hm2+P2O5100.28kg/hm2+K2O303.27kg/hm2(F3)。其中,中水(W2)和中肥(F2)水平为前期预备试验中产量和品质综合指标最好的施肥量和灌水量水平,F1和F3分别为F2向下和向上浮动50%;W1和W3分别为W2向下和向上浮动50%。试验在同一个大棚内进行,试验小区采用2因素完全随机设计,共计9个不同处理,F1W1,F1W2,F1W3,F2W1,F2W2,F2W3,F3W1,F3W2,F3W3,每处理3次重复,共计27个小区。每个试验小区规格为4m宽,8m长,面积为32m2。试验小区采用当地典型的沟垄覆膜种植模式,种植垄宽50cm,高15cm,垄顶做成平顶,每小区2垄,垄间距200cm,株距40cm。2月初育苗,2叶1心时定植,缓苗一周,三蔓整枝,开花期人工授粉,每株留1个瓜,其他管理措施按当地农民习惯。为消除小区之间水肥相互影响,不同小区之间用厚塑料布埋入1m深土层,进行隔离处理。西瓜的生长发育具有明显的阶段性,根据中国西瓜甜瓜对西瓜生育周期的划分和田间试验观测,在西瓜需水需肥规律的基础上,将西瓜的灌水施肥过程划分为4个时期:幼苗期、伸蔓期、开花坐果期、膨瓜期。试验水分各处理按上述4个时期灌溉,其中幼苗期占总灌溉量的15%,伸蔓期占25%,坐果期占10%,膨瓜期占50%。试验肥料各处理N、P2O5、K2O均分为5个时期施用,其中基肥分别占总施肥量的30%、50%、30%,幼苗期分别占10%、20%、5%,伸蔓期分别占20%、20%、10%,坐果期分别占10%、10%、15%,膨瓜期分别占30%、0、40%(具体水肥施用量见表1和表2)。在每个处理首部单独安装了水表,以便准确测量每次灌水量和生育期灌水量,计算水分利用率和评价滴灌节水效果。针对文丘里注肥装置存在的缺点,为克服压力损失,使文丘里注肥装置与主管道并联。1.3小区间环境因素的影响在大棚室内利用型号为JL-18的温湿光照自动记录仪(中国邯郸生产)对小区光照、温度、湿度等环境指标进行连续测定,结果显示小区间环境数据无显著差异,故可忽略小区环境因素影响。1.3.1主幅粗测定在幼苗期、伸蔓期、坐果期、膨瓜期分别进行株高(主蔓长)和茎粗(主蔓粗)的测定,每处理3次重复,每重复取样10株,每个生育期测定2次,取平均值。株高用卷尺测定,从主茎靠近地表处起测量;茎粗使用数显游标卡尺进行测量,测量部位始终为主茎基部。1.3.2光合速率和气孔导度的测定在幼苗期、伸蔓期、坐果期、膨瓜期分别进行光合指标的测定。每处理3次重复,每重复取样3株。叶绿素含量的测定采用丙酮研磨提取法;采用Li-6400便携式光合测定仪(Li-CorInc,USA)测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。采用开放气路,CO2采自温室外3~4m高的空气中,光量子通量密度(photonfluxdensity,PFD)设定为1000μmol/(m2·s),叶室温度控制在25℃。1.3.3测定指标和方法果实成熟后按小区采摘,小区各处理单株产量总和计为该处理产量,并折算为kg/hm2。计算灌溉水分利用效率(iWUE),是农田灌溉单位体积水量所能收获的农产品的数量,其单位为kg/m3。即用每个处理的总产量比总灌溉量。每处理选取9个果实(同一授粉日期),计算平均单果重,用直尺测量果实横径和纵径并计算果形指数(纵径/横径),然后纵切果实,再用直尺测量果实的皮厚,均取平均值。纵切果实用于西瓜品质测定。果实可溶性固形物含量用TD-45手持测糖仪(浙江托普仪器有限公司)分别测定中心和边际糖含量;果实可溶性总糖含量用蒽酮比色法测定;可溶性蛋白含量采用考马斯亮兰G-250染色法测定;维生素C含量用钼蓝比色法测定;用NaOH滴定可滴定酸含量,以消耗NaOH的量表示有机酸的含量;采用分光光度法测定番茄红素含量(UV-6100紫外可见分光光度计,上海美谱达仪器有限公司)。1.3.4统计分析方法试验数据均以Excel软件处理,以PASWStatistics18.0软件进行统计分析,处理间差异显著性检验采用Duncan新复极差法。2结果与分析2.1fpse灌水量对生长的影响由表3可以看出,西瓜株高在整个生育期中持续上升,幼苗期最低,到膨瓜期最高。在F1、F2水平下灌水量对株高的影响在幼苗期为W2>W3>W1,伸蔓期、开花坐果期和膨瓜期为W3>W2>W1,而在F3水平下整个生育期皆表现为W2大于W1和W3,说明在F1、F2条件下提高灌水量有利于株高的增长,但无显著差异。在W1水平下,开花坐果期和膨瓜期均表现为F2>F3>F1,在W2、W3水平下幼苗期F2>F1>F3,伸蔓期、开花坐果期、膨瓜期为F2>F3>F1。说明灌水量高低一定的情况下F2处理较利于株高的增加。由此可知,F2W3处理更有利于株高的增长,但其与F2W2处理在整个生育期内无显著差异。2.1.2s13不同高度对西瓜生长和生长的影响各处理茎粗随生育期延长而逐渐增大,变化趋势相对一致。F3W3处理在幼苗期茎粗为4.33mm,表现最好,显著高于F1和F2水平条件下的处理。从伸蔓期开始,F2W2处理植株生长势增强,始终表现为最佳,与F3水平下的处理差异不显著。由此表明,幼苗期可以通过提高水肥用量增加西瓜茎粗;伸蔓期后,F2W2处理能够为植株输送充足的营养物质及水分。而在F3和W3处理条件下,西瓜茎粗减小,发生旺长。2.2不同的水处理对瓜叶光合指数的影响2.2.1灌施肥量对西瓜光合、叶绿素含量的影响由表4可知,在相同施肥量下,随灌水量的增加,西瓜叶片净光合速率(Pn)增加,而气孔导度(Cond)和蒸腾速率(Tr)则呈先升后降的趋势,胞间二氧化碳浓度(Ci)与气孔导度变化趋势相反,表明W2的处理可以提高幼苗期叶片的光合能力。在相同的灌水量条件下,随施肥量的增加,叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Cond)和蒸腾速率(Tr)等均逐渐升高,说明F3处理可以提高西瓜幼苗期叶片的光和能力。西瓜叶片中叶绿素含量在幼苗期较低。相同施肥量条件下,叶绿素a和叶绿素b含量随灌水量的增加呈先升后降的趋势,在F2处理条件下,W2处理显著高于W1、W3;而在相同的灌水量条件下,随施肥量的增加也呈现相同趋势。由此可见,在幼苗期,F2W2处理西瓜叶片叶绿素a和叶绿素b含量最高,叶片浓绿,植株生长旺盛。2.2.2不同施肥量对西瓜光合能力的影响在相同施肥量条件下,西瓜叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Cond)和蒸腾速率(Tr)均在W3处理水平上表现最佳,F2W3处理叶片净光合速率最高为32.10μmol·m-2·s-1,并且F1W3、F2W3处理的Pn显著高于F1W1和F2W1;但在土壤灌水量相同时,W2和W3处理,叶片净光合速率(Pn)在F2处理下最高,而W1处理则在F3处理条件下最高。表明西瓜伸蔓期在F2W3处理下光合能力较高,能形成更多的光合产物,使植株维持较好的营养生长,保证强大的营养体。与幼苗期相比,伸蔓期西瓜叶片中叶绿素含量对水肥水平的响应有所不同。叶绿素a和叶绿素b在F3W3处理条件下含量最高,表明在西瓜伸蔓期F3W3处理的西瓜叶片叶绿素含量能维持在较高水平。但只有F2W1和F3W1在叶绿素a含量上明显低于其他处理,而其他各处理之间差异不显著。进入开花坐果期后,西瓜进入由营养生长为主向生殖生长为主转变的过渡时期,与伸蔓期相比整体的光合能力有所下降。由表4看出,在相同的土壤灌水量下,随施肥量的增加,西瓜叶片净光合速率(Pn)降低,表现为F1>F2>F3,气孔导度(Cond)和蒸腾速率(Tr)表现出相同趋势,说明施肥量的增加减弱了该时期西瓜的光合能力。在相同的施肥量条件下,西瓜叶片净光合速率(Pn)在F1和F2处理下,W1、W2处理均显著高于W3处理。F3处理则表现无差异。蒸腾速率(Tr)基本表现为W3>W2>W1。在F2和F1处理下,气孔导度(Cond)随土壤灌水量的增加先升后降,但F3处理则为W1>W2>W3。在开花坐果期,西瓜叶片中叶绿素含量对水肥水平的响应与该时期光合能力表现基本一致。在相同施肥量条件下,随土壤灌水量的增加,F1、F2和F3处理,叶绿素a和叶绿素b在W1处理下最高。在相同的灌水量条件下,叶绿素a、b随施肥量的增加先升后降,均表现为F2>F1>F3。这表明在西瓜开花坐果期,F2W1处理的叶片叶绿素含量比较高。2.2.4施肥量对西瓜光合能力和叶绿素含量的影响西瓜膨瓜期以果实增长为主体,此时对肥水的需求量达到最高峰,光合能力也明显提高。由表4可以看出,在相同的施肥量条件下,随着灌溉水量的增加,对于F1和F2处理,西瓜叶片净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)升高,表现为W3>W2>W1;在F3处理下,表现为W2>W3>W1。各肥料水平条件下,W2与W3处理之间净光合速率无显著差异;而F2和F3各处理的蒸腾速率要显著高于F1处理。在相同的灌水量条件下,净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)表现一致,在W1处理下,光合能力较弱,随施肥量的增加逐渐升高;而在W2与W3条件下,均表现为F2>F1>F3。综合表明在西瓜膨瓜期,F2W2水平的处理已最大限度满足西瓜对肥料的需求,来维持茎叶生长和果实膨大,从而保证产量。与前几个时期相比,西瓜在膨瓜期的叶绿素含量有所提高。相同施肥量条件,在F1处理下,叶绿素a、b含量随土壤灌水量的增加而增加,而在F2与F3处理下,均表现为W2>W3>W1,表明W2处理的叶片叶绿素含量高;在相同的灌水量条件下,叶绿素a在W1和W3处理下表现为F3>F2>F1,在W2处理下F2处理含量最高;而叶绿素b含量随着施肥量增加而增加。说明F3W2处理更利于该时期西瓜叶片叶绿素含量的积累。2.3fw3与3gw3的比较由表5可知,整个生育期不同滴灌施肥处理对西瓜的果实形态有显著影响。这主要表现在处理之间果实的横纵径和皮厚这2项指标差异显著,而果形指数各处理并无显著差异。F3W3处理的果实纵径与横径最大,分别达到19.67、19.39cm。F3W3处理的纵径与F3W1、F2W1、F1W1、F1W2差异显著。F1W1果实纵横径最小,相比F3W3显著下降。果形是西瓜果实外观品质的重要指标之一,是影响消费者购买欲望的直接因素,通常以果形指数(纵径/横径)来表示。F3W3的果实纵横径虽然都较大,但果形指数也是最大,果形较长。果皮结构对西瓜果实的贮运性能有较大影响,而圆形西瓜比椭圆形西瓜易裂,因此适当增加圆形瓜果皮厚度能有利于西瓜运输。F2W2处理的西瓜果皮厚度达到10.72mm,为最大,显著高于F1W1和F3W1。2.3.2西瓜灌溉水分利用效率叶片光合作用的产物主要供应茎、叶和果实的生长,因此,根据“库—源”关系西瓜产量作为光合“库”容量指标能客观表现由于滴灌施肥水平供给差异产生的植株同化能力的差异。见表6,F2W3处理西瓜单瓜重最高,显著高于F1W1、F1W2、F1W3、F2W1及F3W1处理。在相同施肥量下,西瓜单瓜质量随土壤灌水量的增加基本呈上升趋势;在相同的土壤灌水量下,F2处理的西瓜单瓜质量最高,F3次之,F1最低。F2W3处理下的西瓜单瓜质量最高,F2W2次之,但2个处理间差异不显著。西瓜产量在F2W3处理时最高,达到37421kg/hm2,与F2W2、F3W2和F3W3处理差异不显著,相比差异显著的处理F3W1、F2W1、F1W3、F1W2及F1W1产量分别提高了25.22%、21.39%、22.01%、28.51%和35.95%。表6显示,西瓜灌溉水分利用效率(iWUE)最高的处理为F2W1,而且iWUE随灌水量增加而降低,随肥料增加先升后降,在F2条件下最高。F1W1、F2W1和F3W1尽管iWUE较高,但是由于此时产量过低而不为人们所期望,在生产中不可取。F2W2处理西瓜的iWUE较高,表明在保证高产的基础上,水分利用效率达到最高,这不仅有利于提高灌溉水利用的经济效益,而且能够降低保护地室内空气湿度,进而有效地控制作物病害的发生。2.3.3灌施水液对西瓜可溶性固形物的影响西瓜果实营养物质的含量决定了其口感和果实品质。表7显示了本次试验测定的西瓜果实营养物质的含量。中心总可溶性固形物质量分数(totalsolublesolid,TSS)在处理F2W2时最高,达到10.59%。在土壤灌水量一致的情况下,W1与W2处理西瓜的可溶性固形物表现为F2>F3>F1,W3处理随施肥量增加而提高。边际可溶性固形物质量分数在处理F2W2达到最高,为8.53%。在W1与W2灌水条件下,F2处理的西瓜边际可溶性固形物含量最高;而施肥量相同时,F1W1和F3W1处理的西瓜中心和边际可溶性固形物质量分数均有所提高,表明适当控制灌水量能提高总可溶性固形物质量分数。中边可溶性固形物含量差值是能够体现西瓜口感的一个指标。F2W1处理的西瓜中边差值最小为1.99%,其与处理F1W1、F1W2、F1W3和F3W2相比显著降低。而F2W2处理在保证果实甜度较高情况下有较小的可溶性固形物含量中边差,使西瓜果肉口感均一,增加可食部分。F2W1为可溶性总糖质量分数最高的处理,达到108.09g/kg。当灌水量一致情况下,F2处理的可溶性糖含量最高。在F2处理下,表现为W1>W2>W3,但F2W1和F2W2处理差异并未达到显著水平。西瓜维生素C质量分数的变化趋势和可溶性总糖的变化不同。F3W2处理维生素C质量分数最高,达到36.03mg/kg,与F2W2、F2W1和F3W3差异不显著。当灌水量处于W2和W3水平时,提高施肥量能增加维生素C的含量,而施肥量在F2和F3的情况下,W2的灌水处理更有利于维生素C的积累。不同水肥处理对西瓜可溶性蛋白质质量分数的影响表现为F2W2处理最高,为0.19mg/g,相比F2W1处理差异不显著,但明显高于其他试验处理。有机酸方面,F1W2与F2W1质量分数最低,各处理差异并未达到显著水平。西瓜番茄红素近年来颇受人们关注,因其在保健方面有显著功效。表7数据表明滴灌施肥各处理的西瓜番茄红素质量分数差异显著。F2W2处理质量分数最高,达到36.25mg/kg,与F3W1(34.63mg/kg)处理差异不显著,但与其他处理相比均为显著差异。在W2和W3灌水量处理下,随施肥量的增加,西瓜番茄红素质量分数表现为F2>F3>F1。在F1和F3施肥条件下,番茄红素随灌水量的升高而减少,但F2处理则为W2>W3>W1。这说明通过F2W2的水肥管理措施能提高西瓜番茄红素质量分数。3讨论和结论3.1双施施肥量对西瓜生长和理化性状的影响本文在前人研究基础上,区分作物不同的生育时期,从探讨滴灌条件下水肥耦合与西瓜光合作用、产量和品质等之间关系入手,对适宜的施肥量和灌水量等滴灌施肥技术参数进行评价,得出了有益结果。本试验结果表明,在膜下滴灌条件下,增加灌水或肥料用量均可以促进西瓜的营养生长、提高光合效率,从而增加西瓜产量、改善品质,这与前人的研究结果相似。但在F1和F2的条件下,提高灌水量有利于主蔓伸长,而在F2水平下,增加灌水量反而茎粗降低。说明水分对西瓜株高的生长存在正效应,供水充足,作物吸收利用好,株高显著增加,而水分过多会则使主蔓茎粗变细,造成“徒长”现象。在肥料用量方面也研究得出,低肥(F1)和高肥(F3)水平均抑制西瓜的植株生长,F2处理的西瓜能显著促进西瓜苗期生长,提高生长质量,为西瓜高产打下基础。在本试验条件下,F2W2处理的西瓜叶片叶绿素含量和净光合速率及蒸腾速率都始终维持在较高水平,保证其营养生长旺盛,制造更多光合产物。这与郑健等研究得出的适宜供水条件能够使西瓜获得最好的形态指标和叶片光合色素含量结果类似,但本文通过滴灌施肥处理进一步从水肥协同作用方面说明了问题。综合考虑产量和品质,F2W3处理产量最高,但其外观和营养品质稍显不足;而F2W2处理虽在产量和单瓜重方面与F2W3处理相比下降,但并未达到显著水