補灌時期對砂田西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用的影響

杜少平，馬忠明， 薛 亮

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070)

砂田是我國西北干旱半干旱區(qū)經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐形成的一種保護性耕作模式，具有明顯的蓄水保墑、增溫和壓堿作用[1-3]，主要分布在我國降水偏少的甘肅中部以及寧夏、青海和新疆的部分地區(qū)，其中以甘肅和寧夏砂田面積最大，占全國砂田總面積的90%以上[4]。“壓砂瓜”是砂田最具代表的一張名片，由于口感好、品質(zhì)優(yōu)、營養(yǎng)豐富、天然無污染等特點，深受市場和消費者青睞。2018年僅寧夏中衛(wèi)市壓砂西瓜面積就達到了6.67 萬hm2，甘肅省壓砂西瓜面積穩(wěn)定在1.33 萬hm2左右[5]，近年來已成為西北干旱半干旱地區(qū)帶動農(nóng)民脫貧致富、增收減災(zāi)的新興綠色產(chǎn)業(yè)。

砂田由于土壤表面砂石覆蓋切斷了土壤毛細管蒸發(fā)途徑，因此顯著減少了土壤水分的蒸發(fā)損失。但由于砂田分布區(qū)極端干旱的氣候條件，年蒸發(fā)量是年降雨量的數(shù)十倍，且季節(jié)分布不均，降雨期與瓜類生育期不吻合[6]。因此，干旱脅迫仍是限制砂田西瓜穩(wěn)定發(fā)展的一項主要因素，怎樣有效提高雨水資源利用率成為砂田西瓜持續(xù)發(fā)展的核心問題。目前迅速發(fā)展的旱區(qū)集雨技術(shù)，為砂田西瓜補灌水源的解決提供了一條行之有效的途徑。關(guān)于砂田西瓜補灌技術(shù)前人已進行了大量研究，謝忠奎等[7]采用滴灌方式研究表明，砂田西瓜只有補灌量控制在45 mm 左右, 才能既提高產(chǎn)量和水分利用率, 又不降低西瓜品質(zhì)；本文作者采用注水補灌施肥方式研究表明[8]，砂田西瓜全生育期補灌量105 m3/hm2、施氮量120 kg/hm2為產(chǎn)量和效益兼優(yōu)的最佳水氮組合；顧淑琴[9]研究表明，砂田西瓜以注水4次產(chǎn)量最高；馬波等[10]研究認為灌水定額和補水方式對砂田西瓜產(chǎn)量影響顯著，灌水定額較之補水方式更為顯著，而灌水次數(shù)無顯著影響。

以往研究多集中在砂田西瓜不同補灌模式和灌水量方面，對關(guān)鍵補灌時期研究較少。旱區(qū)集雨工程在保障人畜飲水的條件下，對農(nóng)業(yè)灌溉用水是極其有限的，而在作物關(guān)鍵需水期進行適量補灌，既能實現(xiàn)增產(chǎn)又可以達到節(jié)水的目的[11]。因此，本研究在前期研究基礎(chǔ)上，進一步探索不同補灌時期對砂田西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用率的影響，以期為砂田西瓜節(jié)水高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗2018年在甘肅省皋蘭縣西南端的中心鄉(xiāng)三坪村(36°13′N，103°42′E)進行，平均海拔1 830 m左右。土壤質(zhì)地為砂土。屬溫帶半干旱氣候區(qū)，多年平均降水量260 mm，多集中在7-9月份，占全年降水的60%以上。年平均氣溫7.0 ℃，極端最高氣溫37 ℃，極端最低氣溫-25.4 ℃，≥10 ℃的活動積溫為2 798 ℃，平均太陽輻射總量為129.80 J/cm2，日照時數(shù)2 768 h，無霜期142 d。試驗地為15年砂田，播前土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量(0～20 cm土層)：有機質(zhì)3.48 g/kg、堿解氮44.59 mg/kg、速效磷7.24 mg/kg、速效鉀76.35 mg/kg、pH 8.26，西瓜全生育期降雨量為154.8 mm。

1.2 試驗設(shè)計

供試西瓜品種為甘肅武威新金城種業(yè)有限公司培育的“金城5號”。在西瓜關(guān)鍵生育時期設(shè)置4個補灌處理，即CK：西瓜生育期不補灌、W1：西瓜伸蔓期補灌、W2：西瓜坐果期補灌、W3：西瓜膨果期補灌。所有處理補灌量均一致，即45 m3/hm2。每處理設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為32 m2。利用甘肅三力現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn)的SLZG-600注射機進行補灌，補灌時在距西瓜根系20 cm處的砂層下注射。試驗所用氮肥為尿素(N 46%)、磷肥為普過磷酸鈣(P2O512%)、鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)，各處理氮、磷、鉀肥施用量均一致，即N：200 kg/hm2、P2O5：170 kg/hm2、K2O：220 kg/hm2。其中30%氮肥、100%磷肥和40%鉀肥作為基肥于播前在西瓜種植行條施，剩余70%氮肥和60%鉀肥于坐果期穴施。砂田西瓜播種采用寬窄行“品”字形穴播，寬行90 cm、窄行60 cm，播種密度為12 750 株/hm2，播后種植行采用地膜覆蓋。4月10日播種，7月22日收獲，其他管理措施按常規(guī)方法。

1.3 指標(biāo)測定及計算方法

1.3.1 產(chǎn)量與品質(zhì)

西瓜成熟期，每小區(qū)隨機選10個具有代表性、長勢一致的西瓜測定單瓜重，并統(tǒng)計坐果率計算產(chǎn)量。采用手持式折光儀測定可溶性固形物含量，比色法測定維生素C含量[12]。

1.3.2 氮素測定及計算方法

分別于西瓜坐果期和成熟期，每小區(qū)選取具有代表性的植株5株，將葉、莖、果實分開，105 ℃殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重，稱重。采用濃硫酸消煮，半微量凱氏定氮法測定植株全氮含量[13]。

植株氮素積累轉(zhuǎn)運與利用的相關(guān)計算公式[14]：

各器官氮素積累量(kg/hm2)=氮素含量×干物質(zhì)質(zhì)量；

營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量(kg/hm2)=開花期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量；

營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運率(%)=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量/開花期營養(yǎng)器官氮素積累量×100；

營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運氮素貢獻率(花后果實積累氮素貢獻率)(%)=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量/成熟期果實氮素積累量×100；

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；

1.3.3 水分利用效率[15]

水分利用效率(WUE)= 西瓜產(chǎn)量(kg/hm2)/耗水量(m3/hm2)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS16.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同補灌時期對砂田西瓜產(chǎn)量的影響

由圖1、2可知，不同補灌時期對砂田西瓜單瓜重和產(chǎn)量影響顯著，其中伸蔓期與坐果期進行補灌處理的西瓜單瓜重和產(chǎn)量提高幅度最大，W1和W2處理的西瓜單瓜重較CK分別顯著提高了19.93%和35.31%；西瓜產(chǎn)量分別提高了17.57%和32.74%。

圖1 不同處理的西瓜單瓜重

圖2 不同處理的西瓜產(chǎn)量

2.2 不同補灌時期對砂田西瓜品質(zhì)的影響

含糖量是西瓜品質(zhì)的一項重要指標(biāo)，從圖3可以看出，適量補灌均提高了砂田西瓜的含糖量，而不同補灌時期對西瓜含糖量的提高幅度有所不同，其中以W2處理的西瓜中糖和邊糖含量最高，較CK分別顯著提高了5.58%和9.80%，且糖分梯度最低，僅1.85。與含糖量變化相似，適量補灌也提高了西瓜的Vc含量，其中W1和W2處理的西瓜Vc含量較CK分別顯著提高了17.13%和21.25%。

2.3 不同補灌時期對砂田西瓜氮素吸收及運轉(zhuǎn)的影響

圖3 不同處理的西瓜含糖量

圖4 不同處理的西瓜Vc含量

從表1可以看出，至西瓜坐果期，已進行過補灌處理的W1和W2處理西瓜植株氮素積累量顯著高于沒進行補灌的CK和W3處理，其中W1和W2處理植株氮素積累量較CK分別顯著提高了23.99%和17.86%。坐果后，西瓜由營養(yǎng)生長開始轉(zhuǎn)入到生殖生長階段，氮素養(yǎng)分也發(fā)生了從“源”到“庫”的遷移，因此，成熟期不同處理西瓜營養(yǎng)器官氮素積累量均有不同程度的較少，果實氮素積累量急劇增加，W1、W2、W3處理的西瓜果實氮素積累量較CK分別顯著提高了31.70%、41.62%和16.56%。從各處理西瓜營養(yǎng)器官的氮素轉(zhuǎn)運情況來看，W2處理即坐果期進行補灌的西瓜營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率和轉(zhuǎn)運氮素貢獻率最高，分別達到了15.78 kg/hm2、49.93%和21.69%，其次為W1處理，即伸蔓期補灌，而W3即在膨果期進行補灌處理，由于前期“源”積累不足，因此，西瓜營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率均較低，與CK差異不顯著。氮肥偏生產(chǎn)力是用來衡量氮肥利用率的常用定量指標(biāo)，在相同施氮量的情況下，西瓜伸蔓期和坐果期進行補灌有助于提高氮肥偏生產(chǎn)力，其中以坐果期補灌效果最好，其氮肥偏生產(chǎn)力較對照CK顯著提高了35.48%。

表1 不同補灌時期的西瓜氮素積累與轉(zhuǎn)運

注：不同小寫字母表示不同處理之間差異在p<0.05水平下差異顯著。

2.4 不同補灌時期對砂田西瓜水分利用效率的影響

由表2可知，西瓜成熟期受產(chǎn)量形成影響，除W2處理0～120 cm土壤貯水量下降外，其他處理基本差異不大，因此少量補灌對土壤貯水量無顯著影響。西瓜生育期耗水量則隨產(chǎn)量的增加而升高，補灌處理的西瓜水分利用效率較對照均有所提高，其中以W2處理的西瓜水分利用效率最高，達到了31.72 kg/m3，較CK顯著提高了25.13%。

表2 不同補灌時期的西瓜水分利用效率

注：不同小寫字母表示不同處理之間差異在p<0.05水平下差異顯著。

3 討 論

黃土高原半干旱地區(qū)在中國旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠天然降水，干旱缺水已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展最重要的限制因素，提高有效降水資源的綜合利用技術(shù)是實現(xiàn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)健康和農(nóng)村經(jīng)濟持續(xù)高效發(fā)展的根本所在[16,17]。傳統(tǒng)砂田雖具有蓄水保墑和水土保持的作用[5]，但對天然降水調(diào)控利用能力低下，難于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效。集雨補灌生態(tài)農(nóng)業(yè)是指經(jīng)過一定的人工措施，對降雨徑流進行科學(xué)調(diào)控匯集，使其蓄存在各種存貯設(shè)施中(水窖、蓄水池)，以在作物需水關(guān)鍵時期進行補充灌溉，從時間和空間上對正常水文循環(huán)的干預(yù)，能充分發(fā)揮環(huán)境資源與水肥光熱因子的協(xié)同增效作用，使作物不完全依賴于降水，從而提高了雨水利用的可控性[18]。

砂田依據(jù)有無灌溉條件分為旱砂田和水砂田。水砂田多分布在距引黃灌區(qū)較近的區(qū)域，且集中連片、地勢平坦，目前主要以發(fā)展滴灌為主。旱砂田多分布在山巒溝壑地帶，分布零散，且在砂田面積中居絕對優(yōu)勢地位，其水源多為集雨水窖，水容量有限，且集中分布在居民居住區(qū)，主要用來維持日常生活用水。因此，在旱砂田區(qū)域發(fā)展規(guī)模化噴灌、滴灌工程困難很大[5]。而注水補灌具有簡便靈活，不受地形、水源限制，投資少、見效快等優(yōu)點，可以通過移動式注射槍將水肥直接注入作物根部，用水量少，集節(jié)水補灌與根部追肥于一體，從而提高作物的水肥利用率。本研究結(jié)果表明，砂田西瓜關(guān)鍵生育時期進行適量注水補灌，較傳統(tǒng)種植西瓜增產(chǎn)、提質(zhì)、增效作用顯著，這與前期研究結(jié)果一致[8,9]。

集雨補灌主要作用在于使作物在需水關(guān)鍵時期渡過缺水難關(guān)，這也正是集雨補灌生態(tài)農(nóng)業(yè)以極少量的供水使作物獲得較高增產(chǎn)效果的原理所在[18]。在黃土高原半干旱區(qū)，由于集雨水量的有限，需水關(guān)鍵期一般只選擇 1～2個。武榮等[19]研究表明，拔節(jié)期補灌有利于提高冬小麥葉綠素含量，促進冬小麥葉片伸展和干物質(zhì)積累；張開乾等[20]研究表明，大喇叭口期是隴中半干旱地區(qū)玉米進行集雨補灌的關(guān)鍵時期，產(chǎn)量較對照增加4 732.73 kg/hm2，經(jīng)濟系數(shù)提高120.26%；楊昕宇等[21]研究表明，薯塊膨大期是半干旱區(qū)全膜壟播馬鈴薯的最佳限量補灌期；張好新等[22]確定出籽瓜的最佳注水時期為苗期至伸蔓期。本研究結(jié)果表明，砂田西瓜坐果期進行注水補灌其單瓜重、產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力及水分利用效率均顯著高于或高于其他時期補灌。這主要與西瓜的水肥需求規(guī)律和砂田西瓜養(yǎng)分管理模式有關(guān)，坐果期是西瓜從營養(yǎng)生長為主向生殖發(fā)育為主過渡的轉(zhuǎn)折期，也是西瓜“源-庫”關(guān)系形成的關(guān)鍵時期，西瓜產(chǎn)量的高低取決于同化產(chǎn)物源與庫的及時形成及其物質(zhì)合成、調(diào)配等關(guān)系，物質(zhì)庫中同化產(chǎn)物的輸入和積累受源所控制，源的多少和大小對庫貯起調(diào)節(jié)作用，此期營養(yǎng)生長與生殖發(fā)育對養(yǎng)分競爭較為激烈，是水肥調(diào)控的關(guān)鍵時期[23]。另外，砂田由于追肥難度大，僅在西瓜坐果期追一次肥。因此，此時進行注水補灌既緩解了干旱脅迫對西瓜產(chǎn)量形成的影響，又通過水肥耦合提高了西瓜根系對養(yǎng)分的吸收，達到了增產(chǎn)提質(zhì)與水肥高效利用的協(xié)同增效。

4 結(jié) 語

坐果期是砂田西瓜進行注水補灌的最佳時期，補灌量為45 m3/hm2，此期補灌與西瓜水肥調(diào)控關(guān)鍵期和砂田追肥時間相吻合，促進了西瓜根系對土壤養(yǎng)分的吸收，增加了營養(yǎng)器官對氮素養(yǎng)分的積累和向果實的運轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)了“源”-“庫”關(guān)系，從而同步提高了砂田西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)與水、氮利用率。