不同灌溉施肥模式對菠蘿產量及水肥利用效率的影響

馬海洋 石偉琦 劉亞男 冼皚敏 王琚鋼

摘 要 為了明確灌溉施肥模式在季節性干旱期對菠蘿產量及水肥利用效率的影響，開展了等量灌水和施肥條件下不同灌溉施肥模式的田間小區比較試驗。結果表明：滴灌灌水較傳統施肥處理顯著促進菠蘿植株總干物質的累積，增幅達20.29%，產量提高9.33%。與傳統施肥相比，滴灌肥水一體化、微噴帶肥水一體化和噴灌肥水一體化處理的菠蘿產量分別增加26.27%、23.11%和6.72%，肥料貢獻率分別增加16.31%、14.71%和4.93%，農學效率分別增加了18.05 kg/kg、15.88 kg/kg和4.62 kg/kg。在施肥量和灌水量相同的條件下，滴灌肥水一體化處理的菠蘿總干物量比微噴帶和噴灌肥水一體化分別提高7.35%和21.63%，產量分別增加2.57%和18.32%，肥料貢獻率分別提高了1.60%和11.38%。滴灌肥水一體化、微噴帶肥水一體化和噴灌肥水一體化處理的灌溉水利用效率均達到37 kg/m3以上。經濟效益分析表明，滴灌肥水一體化處理的凈收益較傳統施肥、微噴帶和噴灌肥水一體化分別提高96.30%、5.24%和67.19%。因此，滴灌肥水一體化模式是在季節性干旱期給菠蘿灌水施肥的最優水肥耦合方式。

關鍵詞 灌溉模式；菠蘿；產量；肥料利用效率；灌溉水利用效率

中圖分類號 S668.3 文獻標識碼 A

Abstract A field experiment was conducted to explicit the effect of the yield and water and fertilizer use efficiency of pineapple in seasonal drought under different irrigation and fertilization methods with equal irrigation water and fertilizer. Compared with the traditional fertilization treatment，drip irrigation significantly promoted the accumulation of total dry matter by 20.29% of the pineapple，and the yield increased by 9.33%. The yield of pineapple increased by 26.27%，23.11% and 6.72%，and fertilizer contribution rate increased by 16.31%，14.71% and 4.93%， and agronomic efficiency increased 18.05 kg/kg，15.88 kg/kg and 4.62 kg/kg，respectively，under fertigation with drip，micro-sprinkling hose and sprinkler conditions treatments compared with traditional fertilization treatment. The total dry matter accumulation，pineapple yield and fertilizer contribution rate in drip fertigation treatments were higher than that in the micro-sprinkling hose fertigation treatments，increased by 7.35%，2.57% and 1.60%，respectively. And that also increased by 21.63%，18.32% and 11.38% compared with sprinkler fertigation treatment under equal irrigation water and fertilizer. In addition，the irrigation water use efficiency of treatments with fertigation were more than 37 kg/m3. The cost and economic returns analysis showed that the net income of drip fertigation treatment was the highest compared with the traditional fertilization， micro-sprinkling hose fertigation and sprinkler fertigation treatment，and increased by 96.30%，5.24% and 67.19%，respectively. Therefore，drip fertigation is one of the best model of water and fertilizer coupling in seasonal drought period to irrigation for pineapple.

Key words Irrigation mode；Pineapple；Yield；Fertilizer use efficiency；Productivity of irrigation

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.10.006

中國是水資源緊缺性國家，人均水資源量只有2 100 m3，僅為世界人均水平的28%，全國年平均缺水量達500多億m3，水資源供需矛盾關系顯著。同時，農業總用水量占中國總用水量的60%以上，其中，灌溉總用水量占農業總用水量的90%以上，且目前灌溉水有效利用率與世界先進水平有較大差距[1]。由于熱帶亞熱帶地區降水資源豐富，華南地區節水農業的發展一直沒有得到足夠的重視。雖然華南地區降水量豐富，但是時空與季節分布嚴重不均[2]，存在嚴重的季節性干旱問題[3]。該地區除灌溉指數較高外，總水分生產率、灌溉水產出率和降水產出率等都處于全國中等或中等偏低水平[4]。急需通過開展合理灌溉模式研究來提高灌溉水利用效率。

菠蘿[Ananas comosus（L.）.Merr]屬鳳梨科鳳梨屬，多年生單子葉草本植物，是重要的熱帶水果。中國是世界菠蘿十大生產國之一，主要分布在華南熱帶地區。2011年末實有面積達6萬hm2，總產量達到112萬t，總產值達到19億元[5]。菠蘿生產已成為華南地區農村經濟的一大支柱產業，為促進農民增收、農業增效和擴大城鄉居民就業做出了積極貢獻[6]。施肥和灌水是農業生產中極為重要的栽培措施，但在菠蘿種植中農戶卻只重視施肥而忽視灌水[7]。而華南地區降水季節與時空分布嚴重不均[3，7]，存在嚴重的季節性干旱問題[3]，干旱脅迫嚴重影響菠蘿植株的生長[8-9]和果實發育。傳統菠蘿種植中，菠蘿果實生長發育期及當季菠蘿的旺盛生長期均處于季節性干旱期，僅靠降雨無法滿足菠蘿生長所需[7]。傳統施肥中農戶給菠蘿追肥主要依靠降雨完成，季節性干旱也導致施肥時間的不確定性以及肥料利用率偏低[7]。季節性干旱已成為菠蘿單產低下的主要原因之一[10]，已嚴重影響菠蘿產業的發展。因此，在季節性干旱期給菠蘿灌溉以緩解干旱脅迫十分必要。

灌溉施肥技術是將灌水與施肥相結合起來，先把肥料溶解在一定的灌溉水中，然后借助農用機械和管道將肥料和水分一同供應到田間的實用技術，可以實現水分和養分在時間上的同步[11-12]，大大提高水和肥的利用效率[13-14]，節省用工成本[15-16]，顯著提高作物產量[15-19]。灌溉施肥技術可能是解決菠蘿產業發展中季節性干旱的有效技術措施。以微噴帶灌溉、噴灌和滴灌等為主的灌溉施肥技術模式在菠蘿上已經有一定的應用[20]。但在灌溉施肥模式下，灌水和施肥對菠蘿增產效應的貢獻率大小以及水分和肥料哪個因素起主要作用目前尚不清楚。在肥料和水分投入量一定的條件下，不同灌溉施肥模式對菠蘿生長和產量的調節作用亦不明確。因此，本研究在菠蘿生長的季節性干旱期，以空白、滴灌灌水和傳統施肥為對照，開展了等量灌水和施肥條件下不同灌溉施肥模式的田間小區對比試驗，研究其對菠蘿產量、品質和水肥利用效率的影響，旨在為不同種植條件下合理選擇灌溉施肥方式提供理論依據，以促進菠蘿產業健康發展。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗地點和品種 試驗地點在廣東省湛江市中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所植物營養學科基地，地處雷州半島，位于東經110°17′，北緯21°12′，海拔高度9 m，屬熱帶季風氣候和海洋氣候。有效積溫為8 309～8 519 ℃，年均降雨量為1 417～1 802 mm，且時空分布不均，雨、旱季交替明顯，5月中旬至10月上旬為雨季，降雨量占全年77.3%；10月中旬至翌年5月上旬為旱季，降雨量占全年的22.7%，蒸發量為1 627～2 129 mm。土壤類型為凝灰巖磚紅壤，質地為砂壤土。供試土壤0～100 cm容重范圍為0.77～1.15 g/cm3，質量含水量范圍為17.0%～47.3%，田間持水量范圍為32.2%～40.5%（質量含水量）。試驗期間降雨量為177 mm，占整個菠蘿生育期的11%。菠蘿種植前，土壤0～20 cm土層基礎理化性質為：pH值為4.4，有機質為20.3 g/kg，全氮0.84 g/kg，有效磷（P）3.2 mg/kg，速效鉀（K）64.5 mg/kg，交換性鈣10.2 cmol/kg，交換性鎂2.5 cmol/kg。供試菠蘿品種為金菠蘿（MD-2）。

1.1.2 試驗設備 施肥方法是利用離心泵直接將肥料溶液吸入灌溉系統，設備主要由水源、水泵、旋翼式水表、施肥泵和輸水管道系統等組成。滴灌采用內嵌式圓柱滴灌管，內徑8 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2 L/h，工作壓力0.3 MPa；微噴帶為5孔，直徑為25 mm，工作壓力0.3 MPa，流量40 L/（h·m）；噴灌采用可調搖臂式噴頭，進水口直徑25 mm，噴水量1～1.2 m3/h，工作壓力范圍0.1～0.15 MPa，噴灑直徑8 m。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 于2014年3月栽植菠蘿，2015年7月收獲。試驗共設6個處理：空白對照（不施肥+不灌水，CK）、傳統施肥（施肥+不灌水，FP）、純滴灌（滴灌灌水，DI）、滴灌肥水一體化（滴灌灌水+施肥，DF）、微噴帶肥水一體化（微噴帶灌水+施肥，FF）和噴灌肥水一體化（噴灌灌水+施肥，SF）。每個處理重復3次。試驗小區面積31.5 m2（21 m×1.5 m），小區間設置隔離帶寬1 m。每小區種植3列，株行距33 cm×50 cm，中間行為取樣區，每小區種植菠蘿苗190株，種植密度為60 600株/hm2。本試驗動態監測了試驗點降雨量和土壤含水量變化，將肥水一體化處理（DF、FF、SF）與純滴灌（DI）處理灌水量保持一致，具體用量是根據試驗地土壤含水量與土壤田間持水量確定，各小區每次灌水量保持在1.5 m3（32 m3/667 m2），共灌水4次，分別為菠蘿生長期（2014年11月5日和2014年12月22日）、催花期（2015年1月22日）和果實發育期（2015年3月20日）。各施肥處理肥料用量保持一致，采用菠蘿“3414”試驗推薦用量，純N、P2O5、K2O用量分別為450 kg/hm2、100 kg/hm2、420 kg/hm2，試驗所用肥料為高水溶性金正大硝基復合肥（15-6-20）、尿素（N 46%）和氯化鉀（K2O 60%）。傳統施肥處理肥料平均分2次施入，施肥時期為菠蘿生長期（2014年11月5日）和果實發育期（2015年3月20日），施肥方式為溝施后覆土。灌溉施肥處理肥料平均分3次施用，施肥方式：將肥料溶于一定體積的水中，用施肥首部吸入管道隨灌水施入，施肥時期為菠蘿生長期（2014年11月5日）、催花期（2015年1月22日）和果實發育期（2015年3月20日）。另外，試驗地除草、病蟲害防治和催花等田間管理措施均與傳統施肥處理保持一致。

1.2.2 測試項目和方法 試驗開始前用土鉆隨機采集5～10個點土壤表層的0～20 cm土樣，將其混合為一個基礎土樣，待樣品風干后，測定土壤pH值（水土比2.5 ∶ 1）、有機質（重鉻酸鉀外加熱法）、全氮（半微量開氏法）、有效磷（鹽酸-氟化銨浸提鉬藍比色法）、速效鉀（乙酸銨浸提-火焰光度計法）等指標[21]。

于2015年7月菠蘿成熟期采集植物樣品，將植株分為根、莖、葉、果柄、果實和冠芽，先用清水將樣品洗干凈，再用去離子水清洗2次，后將樣品在105 ℃下殺青30 min，于70 ℃烘干至恒重，測定各部位生物量，然后將各部位混勻后粉碎，過2 mm篩備用。用H2SO4-H2O2消煮植株樣，用凱氏定氮法測定全氮，分光光度計法測定全磷，火焰光度計法測定全鉀[21]。

產量測定：果實成熟后，按小區采收，每個處理小區隨機采摘30個果實并稱量，計算平均值，然后去除冠芽鮮重，即得各處理的平均單果重。產量（kg/hm2）=實際測定產量×果實占整個果（包括冠芽和果實）的比例/小區面積，實際測定的產量包括冠芽在內，科學計算產量則不包括冠芽。各處理每個小區取10個果實，稱量冠芽鮮重和果實鮮重，計算果實占整個果的比例[果實占整個果的比例=果凈重/（果凈重+冠芽）]。

品質測定：于果實成熟期，每個小區采集成熟度一致的菠蘿5個，用滴定法測定可滴定酸和Vc 含量，用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，用手持糖度計測定可溶性固形物含量[22]。

1.3 數據分析

各指標計算方法依據菠蘿產量、灌水量、施肥量計算。灌溉水生產效率[14]（Irrigation water use efficiency，IWUE，kg/m3）=產量（kg/hm2）/灌溉水量（m3/hm2）；化肥偏生產力[23]（Partial factor productivity，PFP，kg/kg）=施肥后作物產量（kg/hm2）/化肥純養分投入量（kg/hm2）；肥料貢獻率[24]（Fertilizer contribution rate，FCR，%）=（施肥區經濟產量-對照區經濟產量）/施肥區經濟產量×100；農學效率[24]（Agronomy efficiency，AE，kg/kg）=（施肥區經濟產量-對照區經濟產量）/施肥區施肥量；植株氮（磷、鉀）吸收量（Nutrient absorption amount， NAA， kg/hm2）=植株各部分全氮（磷、鉀）含量×干物質量×種植密度；氮（磷、鉀）素吸收效率[25]（Nutrient uptake efficiency，UPE，%）=植株總氮（磷、鉀）吸收累積量/[土壤供應氮（磷、鉀）量+施用氮（磷、鉀）量]×100，土壤供應氮（磷、鉀）量為CK處理的植株氮（磷、鉀）吸收累積量。采用SPSS19.0軟件對試驗數據進行統計分析，LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉施肥處理對菠蘿干物質量的影響

施肥和灌水及水肥耦合顯著促進菠蘿地上部生長，干旱期灌水的作用要優于施肥。由表1可知，DI和DF、FF、SF處理的菠蘿總干物質量顯著高于CK和FP處理，其中以DF處理最高。與CK處理相比，FP處理菠蘿總干物質量增加16.20%，DI處理增加39.78%，DF處理提高了69.31%。滴灌灌水較傳統施肥處理顯著促進菠蘿植株總干物質的累積，每株平均增加118.3 g，增幅達20.29%。

不同水肥耦合方式對菠蘿的生長影響不同。在等量施肥和灌水條件下，DF處理菠蘿總干物質量最高，達827.87 g/株，分別比FF和SF處理提高7.35%和21.63%。這說明灌水和水肥耦合處理均能顯著促進菠蘿干物質累積，且以滴灌肥水一體化處理最優。

由表1和圖1可知，灌溉與施肥均顯著促進了菠蘿植株干物質向地上部分配和累積。與CK處理相比，FP處理菠蘿植株的葉、果柄、果和整株的干物質量及其累積百分比均有所提高，而根、莖和冠芽則降低；除菠蘿根系外，DI處理菠蘿各部位干物質量均增加，且葉片干物質累積百分比提高。灌水和傳統施肥降低了菠蘿根系干物質量及其累積百分比，但葉片干物質累積百分比提高，這說明灌溉和施肥措施可以調控菠蘿根系和葉片的生長發育。DF處理菠蘿植株總干物質量和葉片干物質量及其累積百分比例顯著高于僅用單項技術措施的FP和DI處理。等量施肥和灌水條件下，不同水肥耦合灌溉施肥模式處理的菠蘿植株總干物質量及其在各部位的分配規律均為葉>果>莖（冠芽）>根（果柄）。

2.2 不同灌溉施肥處理對菠蘿產量和肥水利用效率的影響

由表2可知，施肥和灌水及水肥耦合顯著提高了菠蘿產量，其中以DF和FF的產量最高，增產率達到50%以上。與FP相比，DI、DF、FF、SF的產量分別增加9.33%、26.27%、23.11%和6.72%；DF、FF、SF的肥料貢獻率分別增加16.31%、14.71%和4.93%，農學效率增加了18.05、15.88、4.62 kg/kg。不同水肥耦合方式對菠蘿產量的影響不同，DF處理產量比FF和SF分別增加2.11和13.03 t/hm2，增幅為2.57%和18.32%；肥料貢獻率提高了1.60%和11.38%。各處理灌溉水利用效率均達到37 kg/m3以上，但不同灌溉方式處理間差異不顯著。在滴灌條件下，施肥使灌溉水利用效率提高了5.88 kg/m3，增幅達15.5%，說明水肥耦合灌溉施肥能提高灌溉水利用效率。

施肥和灌水能提高菠蘿植株氮、磷和鉀素的吸收量和養分吸收效率。由表3可以看出，與CK處理相比，FP處理顯著提高了植株氮素吸收量，增幅為56.75%；DI處理植株氮素吸收量顯著提高的同時，磷和鉀素吸收量也顯著提高，增幅分別為33.16%、47.86%和60.58%。由以上分析可知，施肥對植株氮素吸收量的提高幅度大于灌水，而對于磷和鉀，灌水的增幅則優于施肥，說明灌水是一項十分必要的管理措施。DF處理植株氮和鉀素吸收量較CK提高了131.23%和90.27%，但磷吸收量較DI處理有所降低。且DF處理植株氮和鉀素吸收量均大于單施肥或純灌水處理，說明滴灌肥水耦合可有效地提高菠蘿對氮和鉀的吸收。

與FP處理相比，DF和FF處理的植株氮、磷和鉀吸收效率顯著提高，增幅范圍分別為31.76%～47.51%、32.81%～36.40%和58.61%～67.22%（表3）。

2.3 不同灌溉施肥處理對菠蘿品質的影響

除果實可溶性糖含量和糖酸比外，施肥和灌水及水肥耦合對菠蘿果實品質影響不顯著（表4）。由表4可以看出，DI和DF處理的果實可溶性總糖和糖酸比顯著高于其他處理。與CK相比，DI和DF果實可溶性糖含量分別提高了32.95%、30.55%，糖酸比分別提高了25.57%、23.91%。與FP相比，DI和DF果實可溶性糖含量分別提高了53.36%、50.60%，糖酸比分別提高了47.18%、45.23%。果實維生素C和可滴定酸含量在各處理間差異不顯著，但以CK處理的維生素C含量最高。施肥和灌水措施降低菠蘿果實維生素C含量，而可滴定酸含量有所增加，但差異不顯著。

2.4 不同灌溉施肥處理的經濟效益分析

以菠蘿整個生產周期的投入、產出測算經濟效益（表5）。傳統施肥處理（FP）的凈收益大于CK，比滴灌灌水處理（DI）低3 3414元/hm2。滴灌肥水一體化處理（DF）凈收益最高，比FP和DI處理提高了51 294元/hm2和17 879元/hm2，增幅為96.30%和20.63%。不同灌溉施肥處理的凈收益大小順序為DF>FF>SF，滴灌肥水一體化處理（DF）雖然投入最大，但是產量也最高，商品果多，且收獲種苗數量也最多，最終凈收益分別比FF和SF處理高出5 208元/hm2和42 019元/hm2，增收5.24%和67.19%。種植菠蘿的產投比也由傳統施肥處理（FP）的1.77 ∶ 1上升到灌溉施肥處理的1.81～2.31 ∶ 1。

3 討論與結論

影響作物對養分吸收利用的因素有很多，包括水分、根系、土壤理化性質和土壤微生物[26-27]。其中水的影響作用最為顯著，水分是土壤中最活躍的因子，是養分能否被有效吸收和利用的前提。水分虧缺會使土壤緩效養分向速效養分的釋放過程明顯變慢、變少[28]，從而造成肥料養分向根區遷移的數量減少，影響作物對養分的吸收利用。Rego等[29]的研究也證實緩解高粱水分脅迫可使氮素吸收量提高約40%。也有研究結果表明，植物對磷的吸收與土壤含水量呈直線正相關[26]。Mengel等[30]指出，隨土壤含水量的增加，肥料鉀的有效性顯著增加。本研究結果表明，滴灌灌水較空白處理的氮磷鉀吸收量顯著增加，增幅分別為33.16%、47.86%和60.58%；與傳統施肥相比，滴灌和微噴帶肥水一體化處理的植株氮、磷和鉀素吸收量也增加，增幅分別為31.76%～47.51%、32.81%～36.40%和58.61%～67.22%。這說明在菠蘿季節性干旱期灌水或灌溉施肥能緩解水分脅迫，顯著促進植株對養分的吸收，提高植株養分吸收效率。

在灌溉的同時結合施肥可以實現水分和養分在時間上的同步[11-12]，能提高水和肥利用效率[13-14]，顯著提高作物產量[15-19]。已有研究表明，在滴灌施肥條件下，生姜根莖經濟產量提高17.94%[14]，巴厘菠蘿增產39.04%[16]，土豆增產19.90%[31]，棉花增產32.00%[32]，葡萄增產28.71%[18]，蘋果增產13%[33]。本研究結果表明，滴灌肥水一體化處理較傳統施肥增產26.27%，肥料貢獻率提高16.31%，農學效率提高18.05 kg/kg，凈經濟效益提高51 294元/hm2（增幅達96.30%）。本研究主要是針對季節性干旱期開展灌溉施肥試驗，試驗總灌水量和施肥量較嚴程明等[16]的有較大幅度降低，這可能是增產幅度稍低的原因。

不同灌溉方式的優缺點、鋪設成本以及應用效果存在差異[15，17，20]。本研究表明，在等量灌水和施肥條件下，滴灌肥水一體化比微噴帶和噴灌肥水一體化處理的菠蘿產量分別增加2.11、13.03 t/hm2，增幅為2.57%和18.32%，滴灌與微噴帶肥水一體化處理的菠蘿產量相當，這與在香蕉[17]上的研究結果相同。謝盛良等[15]的研究結果也證實了采用微噴帶水肥一體化能顯著提高菠蘿產量。而不同灌溉模式的管道鋪設成本及操作管理復雜程度不同，會影響最終的經濟效益。本研究結果顯示，滴灌肥水一體化處理比微噴帶和噴灌肥水一體化處理的凈收益分別增加5 208元/hm2和42 019元/hm2，增收5.24%和67.19%，產投比提高。雖然滴灌設備投資成本最大，操作復雜，但其最終的凈收益最高。而微噴帶具有流量大、灌水周期短、灌溉均勻、抗堵塞、投資少、使用方便等特點，最終凈收益有所下降，但也適合小面積種植戶采用。本研究中噴灌肥水一體化處理的產量較低，原因可能是試驗小區面積為長方形，噴頭的灌溉面積大，而小區間設置有隔離帶，空地上的水肥不能被菠蘿吸收利用，造成噴灌水肥損失大，利用率低。

滴灌灌水對菠蘿的增產作用及促進養分吸收累積的作用均大于傳統施肥，在季節性干旱期給菠蘿灌溉是一項重要的栽培措施。滴灌肥水一體化顯著提高了菠蘿的產量、經濟效益和肥料利用效率，較傳統施肥方式有較大的增產增效潛力。在等量灌水和施肥條件下，滴灌肥水一體化與微噴帶肥水一體化灌溉施肥模式經濟效益相差不大，這2種技術模式適合不同經營規模的菠蘿種植戶選用。在本試驗條件下，滴灌灌溉施肥模式是最優的菠蘿栽培管理模式。

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