水肥處理對基質栽培西瓜生長、水分利用效率及光合特性的影響①

宋修超，仇美華，郭德杰，馬 艷*，嚴少華

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水肥處理對基質栽培西瓜生長、水分利用效率及光合特性的影響①

宋修超1，仇美華2，郭德杰1，馬 艷1*，嚴少華1

(1 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京 210014；2 江蘇省耕地質量與農業環境保護站，南京 210036)

探討水肥耦合效應對基質栽培西瓜生長狀況與水分利用效率的影響，為基質栽培西瓜的高效生產提供科學依據。本試驗在田間溫室條件下，基質栽培西瓜“蘇蜜8號”，通過設置3個水分梯度和4個施肥梯度，研究不同水肥處理對西瓜產量、光合特性和灌溉水分利用效率的影響。試驗結果顯示，在中水處理(整季60 L)下，施肥量為N-P2O5-K2O (20g-10g-30g)的養分供應下，西瓜產量和植株生物量達最高值。水分、肥料及二者交互作用對西瓜產量和植株地下部生物量的影響都達到了顯著水平(<0.05)，且影響大小順序為肥料作用＞水分作用＞交互作用。灌溉水分利用效率隨灌溉量的增加水分利用效率降低，在同一水分條件下，適量增肥可提高灌溉水利用效率。水肥交互作用對西瓜不同生育期內葉片凈光合速率的影響均達顯著水平(<0.05)，但對葉片蒸騰速率只有在膨瓜期內影響較大，在苗期影響蒸騰速率的主要因子是灌水量。

基質栽培；水肥交互作用；灌溉水分利用效率；光合特性

西瓜是我國重要的高效園藝作物。近年來，西瓜產業規模不斷擴大，連作面積逐年增加，但西瓜本身忌連作的特征又致使集約化種植西瓜后土傳病害問題突出，這嚴重影響了西瓜的生產和市場的供應[1]。近年來，利用農業廢棄物作為無土栽培基質種植是設施園藝領域的熱點問題[2-3]。一方面無土栽培可以很好克服土壤連作障礙問題；另一方面栽培基質含有豐富的礦質養分和有機質，可提高作物產量、品質和經濟收益[4-5]。

雖然無土基質栽培使農業生產脫離了土壤環境，但考慮到無土栽培所需基質的成本問題，基質使用量也不宜太多。而如果基質用量少則會導致基質的保水、保肥及酸堿緩沖能力較差，而受水肥等外界環境影響較大[6]。因此，為提高基質生產力水平，獲得更高的生產和生態效益，實現水肥的科學合理利用成為基質栽培發展的必備配套技術[7]。

目前關于水肥耦合對作物的產量、品質、水分利用效率的影響研究主要集中在露地或者設施栽培作物。如：王景燕等[8]研究不同水肥耦合處理對漢源花椒生長的影響，表明土壤水分控制在田間持水量的35.9% ~ 46.7% 時，可獲得較高的葉片凈光合速率和水分利用效率；李翊華等[9]研究不同水肥耦合對溫室中彩椒生長影響，表明在中等土壤水分和施肥水平條件下地上部和根系干質量均明顯高于其他耦合模式，同時，葉片光合速率最大。但是，針對西甜瓜作物且在基質栽培條件下的水肥耦合效應研究則未見相關報道。此外，光合作用是植物生長發育和產量積累的重要生理基礎，而水肥通過影響葉片色素產生、酶活性以及氣孔開關等多種因素，對植株的光合作用產生影響，進而對其生物量積累和水分利用率造成影響[10-11]，因此，分析水肥管理對植物生長和代謝的影響是光合生理特征研究的重要內容。

基于此，本研究通過設置不同水分梯度和肥料供應梯度，來探討水分和肥料及兩因子的交互效應對基質栽培西瓜產量、光合生理特性及水分利用效率的影響，為西瓜基質栽培的高效生產提供科學依據，為農業廢棄物基質化利用產業鏈提供更多技術保障。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試基質：以腐熟的秸稈發酵床養豬墊料為主要原料，復配其他輔料研制而成，由江蘇省農業科學院六合動物生產基地有機肥廠生產。基本理化性質如下：容重 0.21 g/cm3，總孔隙度65.22%，pH 7.32，EC值1.45 mS/cm，全氮9.09 g/kg，全磷11.63 g/kg，全鉀6.76 g/kg。

供試西瓜：品種為蘇蜜8號，西瓜種苗由江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所提供。

供試肥料：氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。

供試基質槽：本試驗采用基質槽式栽培，基質槽為本課題組專利產品，其特征為無蓋長方箱體，采用特定模具用聚苯乙烯壓塑成型，長寬高分別為1.2 m × 0.25 m × 0.30 m。

1.2 試驗設計

試驗于2016年9—12月在江蘇省農業科學院六合動物生產基地標準塑料大棚中進行，大棚南北朝向，長40 m，寬8 m。試驗采用雙因子(水分和肥料)交互設計，分為3個水分梯度和4個施肥量梯度處理，共12個處理，3次重復。水分梯度(根據前期位于江蘇省農業科學院鹽城市新洋農業試驗站和江蘇省農業科學院宿遷農科所開展的基質栽培田間管理經驗值)為：低水處理整季大約40 L/株(W1)，中水處理約60 L/株(W2)和高水處理約80 L/株(W3)；施肥量梯度為(同樣參考前期預試驗結果，以單株西瓜施用量計，g)：F0，不施肥；F1，N-P2O5-K2O (10-5-15)；F2，N-P2O5-K2O (15-7.5-22.5 )；F3：N-P2O5-K2O (20-10- 30)，其中追施養分要減掉15 L基質中包括速效氮、有效磷和速效鉀的量(5.5-7.3-9.7)。每個處理4次重復，大棚內各處理隨機排列。

本試驗每個處理由3個基質槽組合而成，種植8棵西瓜(蘇蜜8號)，株距為0.40 m，單株西瓜的基質用量為 15 L。西瓜于2016年9月7日移栽定植，采用單株留雙蔓坐一果的管理原則。試驗中由于水分損失受環境溫度影響較大，但為保證水分梯度處理間差異，每次灌水量比例控制為2:3:4。每隔3 ~ 4 d澆水一次，用量筒精確計算。施肥處理將統共肥料量平均分成3份，分別在苗期、伸蔓期和結果期3次追施入基質中，所需氮、磷、鉀肥用商品尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀進行補充。具體施用方式為追肥與灌水同步進行，分別將小區所需肥料溶于水中，用噴壺澆入基質中。生長期間其他日常管理均采用當地統一管理。

2016年11月10日果實統一采收計產，將每個處理全部8棵植株分類收集，地上部植株和地下部根系分別稱鮮重。

1.3 測定項目與方法

光合速率的測定：分別選擇天氣晴朗的一天，西瓜苗期(2016年9月30日)、膨瓜期(2016年10月20日)早上 09:00—11:30 進行，利用 LI-6400 型光合儀(Li-6400，LI-COR 生物科學公司)在每小區隨機選取3株對其生長點下進行測量，苗期第7片功能葉，膨瓜期選擇第15片功能葉。測定項目主要包括凈光合速率( Pn, CO2μmol/(m2·s))、蒸騰速率( Tr, H2O mmol/(m2·s))等光合生理參數，測量環境：溫室溫度在 20 ~ 28 ℃之間，空氣相對濕度約為 65%，選擇 LED 光源，光照強度設定為800 mol/(m2·s)，CO2濃度等于溫室內自然濃度，為300 ~ 320。為降低環境變化帶來的誤差，采取Z字形測量法，即一次重復的每一個處理測定一個數據即進入下一處理，全部處理都測完一次后進入下一次循環，如此依次測完，最后計算各小區平均值。

灌溉水分利用效率(IWUE)即植株每消耗1 m3灌溉水所生產的果實鮮質量。IWUE =(果實產量/灌水量)×100%。

數據統計分析采用SPSS 17.0 和Excel 軟件進行雙因素方差分析。用Origin Pro 9.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水肥處理對基質栽培西瓜生長狀況及水分利用效率的影響

比較不同水肥處理下西瓜產量，地上部、地下部植株生物量的差異(表1)，所有處理中，W2F3的耦合處理下，西瓜產量，植株地上部、地下部生物量均達最高值，這說明當基質在中水處理下，單株追施N-P2O5-K2O肥為20g-10g-30g時，西瓜植株可保持較強的生長能力；而在較高和較低的基質水分條件下，施肥量過大和過小時，水肥間可能因為產生拮抗作用，表現為植株的生長較慢，產量降低。雙因素方差分析顯示(表2)，單株施肥量、灌水量及二者交互作用對西瓜產量和植株地下部生物量的影響都達到了顯著水平(<0.05)，且影響大小順序為肥料作用＞水分作用＞交互作用；而水肥交互作用對西瓜地上部植株生物量的影響未達顯著水平。

如表1所示，在相同灌水條件下，由于施肥在一定范圍內可提高西瓜果實產量，所以提高灌溉水分利用效率；但過量施肥果實產量并沒有持續增加，水分利用效率也相應并未增加。綜合分析，肥料施用量和灌水量作為單一因子及二者的交互作用對基質栽培西瓜灌溉水分利用效率的影響均是極顯著的，但二者交互作用則對灌溉水分利用效率的影響并不顯著。

表1 不同水肥處理下西瓜生長狀況及灌溉水分利用效率

注：同列數據小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)，下同。

表2 水肥交互作用對西瓜生長和水分利用效率影響的雙因素方差分析

注：* 表示影響達到顯著性水平(<0.05)。

2.2 不同水肥處理對基質栽培西瓜不同生長期內光合特性的影響

如圖1顯示，不同水肥處理下，西瓜葉片葉綠素相對含量在苗期整體差異不大，而在西瓜膨瓜期內差異較大，在一定的水分條件下(中水和高水)施肥顯著提高了葉片葉綠素的相對含量，正如W2和W3水分條件下，施肥處理(F2，F3，F4)顯著高于同水分下F1。雙因子方差分析表明(表3)，西瓜苗期葉片葉綠素相對含量對不同施肥、水分處理的響應不顯著；而膨瓜期，施肥與水分單獨因子對葉綠素含量的影響達顯著效果，二者的交互作用在兩個生長期內的影響也均不顯著。

(苗期和膨瓜期分別進行單因子方差分析，圖中小寫字母不同表示同一生育期內不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同)

表3 水肥交互作用對不同生育期內西瓜葉片光合特性影響的雙因素方差分析

注：*表示在<0.05水平影響顯著。

如圖2所示，在西瓜膨瓜期內，葉片凈光合速率受水肥影響較大，在相同灌水條件下，與不施肥(F1)處理相比，適量施肥可提高葉片凈光合速率，尤其在西瓜膨瓜期，正如F2，F3處理均顯著高于F1(< 0.05)，過量施肥光合速率反而下降，正如西瓜苗期的W1F4、W3F4處理和膨瓜期的W1F4、W2F4處理光合速率顯著低于F1處理(<0.05)，這也表明不論水分條件如何，養分脅迫均不利于葉片光合作用進行；而相同施肥條件下，各處理中幾乎均為中水處理下光合速率最高。雙因子方差分析(表3)也驗證了此結果，在西瓜的不同生育期內，水分、肥料及二者的交互作用對葉片凈光合速率的影響均達顯著水平(<0.05)。

如圖3所示，葉片蒸騰作用在整個生育期內受水分的影響遠遠大于肥料，表現為低水處理下，蒸騰速率均顯著低于中水和高水各處理(<0.05)；肥料對蒸騰作用的影響相對較小，各施肥處理間葉片蒸騰速率差異不大，但與不施肥處理相比，施肥處理蒸騰速率均顯著提高(<0.05)，尤其是在膨瓜期的中水和高水條件下。雙因子方差分析(表3)表明，水、肥及其二者交互作用對西瓜膨瓜期葉片蒸騰速率均有顯著影響，而在苗期交互作用不顯著。

圖2 不同水肥處理對西瓜葉片凈光合速率的影響

圖3 不同水肥處理對西瓜葉片蒸騰速率的影響

3 討論

基質栽培條件下，水肥耦合管理技術的關鍵在于通過調整水分與肥料間的協同作用來達到提高作物生長、產量以及水肥利用效率的效果[11]。本研究結果表明，水肥交互作用對基質栽培西瓜產量、地下部生物量的影響均達到顯著水平。王鵬勃等[12]研究發現，肥料和水肥交互作用對基質栽培番茄產量的影響均達極顯著水平，這種耦合效應主要是因為礦質營養隨水分同時施用更易被植物吸收，具有明顯的協同促進效應，從而促進蔬菜的生長和增產。同時，與大量土壤栽培試驗的結果相似，水分和肥料的交互作用存在一定的閾值，在適宜的范圍內肥料越充足，根系越發達，吸水能力越強，水分利用率越高，增產效果顯著，肥水施用量過高或者過低效果則不明顯[13-14]。而本試驗的研究結果也驗證了基質栽培條件下的效果，在中水、F3處理下的西瓜產量和地上部、地下部生物量達到最高值，超過此閾值，如果繼續增加水肥施用量，則西瓜產量不再增加，甚至下降。

灌溉水分利用效率與西瓜產量及生物量和灌溉水的總量密切相關。水分或者肥料單一因子及交互作用均對灌溉水分利用效率的影響是顯著的，且水分效應>肥料效應>交互作用。灌水量為水分利用效率計算公式中的主要限制因子，因此對其影響也是最大，并且與灌溉水分利用效率應該呈反比關系，即隨著灌溉量的增加水分利用效率降低[12]。在同一水分條件下，施肥具有明顯的調水作用，適量的增加肥料施用量可以提高果實產量，從而提高灌溉水分利用效率，過低或過高的肥料均不利于植株對水分的吸收和利用，造成產量降低，水分利用效率低[15]。本試驗水肥交互作用對灌溉水分利用效率的影響達顯著水平也驗證了這一論點。這主要是由于適宜的水肥供應可以促進植物根系發育，提高養分吸收效率，調節水分利用過程，從而提高水分與養分利用率[16]。

植物光合作用的強弱受多種因素的影響，如Gs、Evap、Ci、酶活性等，而這些因素又與水分、養分等環境條件密切相關[17-18]。水分變化可以影響葉片氣孔的閉合，水分脅迫下葉綠體超微結構受到損傷和破壞，葉綠體希爾反應減弱，光合產物積累量下降[19]。養分對植物光合作用的影響主要是通過改變葉片氣體交換參數、葉綠素含量和酶活性。當養分供應充足時，葉片養分含量增加，光合速率提高，當養分供給降低時，葉片含氮量顯著降低，并導致葉片光合能力下降[20]。因此，水肥管理措施對增加葉綠素含量、提高光合和促進植株生長具有重要的作用。本研究結果表明，在基質栽培條件下，西瓜的不同生育期內，水分、肥料及二者的交互作用對葉片光合作用的影響均達顯著水平。同時，葉片光合速率的大小是衡量植物吸收光能轉化為體內同化物質強弱的標準[21]，因此，果實產量及灌溉水分利用效率與植株光合特性有較好的正相關作用。總之，通過調控適宜的灌溉量和施肥量，促使葉片氣孔導度和蒸騰速率向有利于提高西瓜凈光合速率的方向變化，從而增加西瓜果實積累量，提高灌溉水分利用效率。

4 結論

本研究表明，施肥量、灌水量及二者交互作用對西瓜產量和植株地下部生物量的影響都達到了極顯著水平，在中水處理(整季60 L)下，N-P2O5-K2O為20g-10g-30g的養分供應條件下，產量和植株生物量達最高值。灌溉水分利用效率與灌水量呈反比關系，即隨著灌溉量的增加水分利用效率降低，在一定水分條件下，適量施肥具有調水作用，可提高灌溉水利用效率。不同水肥處理對在西瓜的不同生育期內對葉片凈光合速率的影響均達顯著水平，對西瓜葉片蒸騰速率只有在膨瓜期內影響較大，而在苗期影響蒸騰速率的主要因子是灌水量。總之，實際農業生產中需統籌水分和肥料二者關系，適宜的水肥供應可以促進西瓜養分吸收，調節水分利用過程，從而提高水分與養分利用率。

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Effects of Water and Fertilizer Coupling on Growth, Water Use Efficiency and Photosynthetic Characters of Watermelon Cultivated by Organic Substrate

SONG Xiuchao1, QIU Meihua2, GUO Dejie1, MA Yan1*, YAN Shaohua1

(1 Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2 Jiangsu Station for Protection of Arable Land Quality and Agricultural Environment, Nanjing 210036, China)

This study aims at discovering the relations of water and fertilizer coupling with the growth and water use efficiencyof watermelon cultivated by organic substrate in order to provide a theoretical basis for high-efficient production of watermelon in greenhouse. Watermelon variety ‘Sumi 8’ was used, three irrigation levels and four fertilization levels were designed. The results showed that maximum yield and plant biomass were obtained in middle irrigation level (60 L) and (20-10-30) g (N-P2O5-K2O) fertilization level. There were strongly synergistic effects between water and fertilizer on yield and plant root biomass of watermelon (<0.05), and the effects were in order of fertilization > water > interaction. Water use efficiency of watermelon was reduced with the increasing of irrigation levels, but increased with the increasing of fertilizer under the same irrigation levels. The interaction effects of water and fertilization on photosynthetic characters of watermelon leaves were significant in different growth periods (<0.05), but only significant on transpiration rate in the expansion period of watermelon.

Organic substrate; Water and fertilizer coupling; Water use efficiency; Photosynthetic characters

江蘇現代農業(蔬菜)產業技術體系廢棄資源利用創新團隊(JATS[2018]209)和江蘇省農業科技自主創新基金項目(CX(15)1003-9)資助。

(myjaas@sina.com)

宋修超(1987—)，男，山東即墨人，博士，助理研究員，主要研究方向為農業廢棄物肥料化與基質化利用。E-mail: xiuchao103@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2019.02.011

S365；X712

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