基于產量品質和水肥利用效率西瓜滴灌水肥制度優化

李建明，于雪梅，王雪威，張俊威，焦曉聰，黃 茜

·農業水土工程·

基于產量品質和水肥利用效率西瓜滴灌水肥制度優化

李建明，于雪梅，王雪威，張俊威，焦曉聰，黃 茜

（西北農林科技大學園藝學院，楊凌 712100）

實現大棚西瓜量化管理是實現大棚西瓜精準化管理的基礎，也是提高產量品質與水肥利用效率的重要途徑。以西瓜為試材，在以關中塿土為主的壤土地區采用膜下滴灌的灌溉方式，通過二因子五水平正交旋轉組合設計，灌水量依據西瓜蒸騰需水量（Eapotranspiration，ETc）分別設置0.49ETc、0.55ETc、0.70ETc、0.85ETc、0.91ETc 5個水平，施肥量依據目標產量（）分別設置0.50、0.65、1.00、1.35、1.505個水平，共16個處理，測定西瓜相關品質、產量、灌溉水分利用效率和肥料偏生產力；采用主觀層次分析法、客觀熵權法和基于博弈論的組合賦權法計算各指標權重，用近似理想法建立模型，分析水肥滴灌量對綜合評價值的影響。結果表明，水肥協同影響西瓜綜合評價值，且灌水量對其影響大于施肥量；綜合評價值隨水肥施入量增加均呈先升后降的趨勢，當灌水量為0.73ETc，施肥量為1.03時，西瓜綜合評價值最高，達到0.74。因此，推薦在水肥資源相對充足的關中地區按0.73倍西瓜蒸騰需水量和1.03倍目標產量對西瓜灌溉施肥；而在水資源相對虧缺地區，應適當降低施肥量來提高西瓜綜合評價值。

灌溉；肥料；模型；蒸騰蒸發量；灌溉水分利用效率；肥料偏生產力；目標產量

0 引 言

隨著生活水平提高，人們對果菜需求量增加，設施園藝產業蓬勃發展，中國設施園藝產量和數量均居世界第一，已成為優勢產業[1]。與此同時，水資源稀缺和土壤次生鹽漬化現象日趨嚴重[2]，過量施肥[3]和不合理灌溉[4]現象仍普遍存在，這不僅浪費了水肥資源，提高了裂果、壞果比例，對水肥利用效率、產量和品質產生了消極影響，還增加了病蟲害的發生幾率，降低了土壤保水保肥能力。因此，實現大棚蔬菜量化管理對蔬菜生產具有至關重要的作用。

西瓜色澤鮮艷，營養豐富，且栽培時間短，收益高，深受人們喜愛[5]。由于其水肥需求量大，過量施肥與不合理灌溉現象嚴重，加強西瓜水肥管理刻不容緩[3-5]。滴灌施肥可根據西瓜不同生育期對水肥需求不同，分階段將水肥精準輸送到西瓜根部土壤[6]，有效減少農業用水[2]和蔬菜生產體系氮淋溶[7]。Erdem等[8]發現適當降低灌水量可降低果皮厚，也提高西瓜可溶性糖和固形物含量。楊小振等[5]發現在N-P2O5-K2O分別按照163.05-66.85- 202.18 kg/hm2，灌水量按照900 m3/hm2時，西瓜水分利用效率、產量和品質均達到較高水平。鄭健等[9]發現小型西瓜在苗期、開花坐果期、膨瓜期和成熟期分別采用0.75（為蒸發皿蒸發量）、0.75、1.25、1.00作為灌水標準時，可同時獲得最高產量和最大水分利用效率。但若要同時達到優質、高產、節水、節肥，科學的評價體系必不可少。

西瓜水肥利用效率、產量和品質衡量標準各不相同，但又相互影響。僅憑單一指標無法確定西瓜的最優水肥處理，因此通過主層次分析法[10]、客觀熵權法[11]得到水肥利用效率、產量和品質權重，根據基于博弈論的組合賦權法[12]得到綜合權重，然后根據近似理想法[13]從優質、高產、節水、節肥四方面出發，確定西瓜水肥投入綜合評價值，旨在達到大棚西瓜水肥量化管理目標，從而實現以關中塿土栽培為主的西瓜精準化高效化生產。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年3—6月在楊凌示范區揉谷設施農業基地非對稱大跨度塑料大棚進行（108°07′ E，34°28′ N），年均溫約12.7℃，年均日照約2 163.8 h，年均降雨量649 mm，年均蒸發量約1 389 mm。大棚長100 m，跨度17 m，脊高4 m，東西走向。土壤類型為關中塿土，土壤質地為壤土，pH值為7.89，硝態氮84.19 mg/kg，有效磷21.47 mg/kg，有效鉀183.96 mg/kg。0～100 cm土壤田間持水率為22%～25%，凋萎含水率為8.3%。棚內光照均勻，光照強度和空氣溫濕度均用物格（ZDR-20 j，Instruments Co.，Ltd.，中國）檢測記錄。

供試西瓜品種為早佳8424，基肥為活性有機肥（硝態氮451.23 mg/kg，有效磷25.82 mg/kg，有效鉀5.86 mg/kg，佳果多，臺灣佳果多實業有限公司），整地前均勻撒施48 000 kg/hm2。滴灌追施復合肥為新型高濃度三元素水溶肥，N、P、K有效質量分數均為19%（優果多，臺灣共享農業生技股份有限公司）。

采用多功能底吸泵裝置滴灌施肥，由輸水管道、水源、施肥罐、多功能底吸泵、水表等組成。滴灌帶直徑16.0 mm，壁厚0.2 mm，滴水口間隔30 cm，滴水口流量1.5 L/h。

1.2 試驗設計及對應灌溉施肥量

本試驗水、肥2因子各設置5水平，其正交旋轉組合設計方案見表1，各重復3次。T9～T16是同一處理的重復，重復間差異體現棚內位置不同環境差異產生的誤差。試驗小區位于棚中央偏南，與棚南端相距2 m，東西側各設有2行保護行，棚四周無遮擋。將西瓜生育期劃分4個階段[2]：苗期（3月25日—4月3日）、開花坐果期（4月4日—4月22日）、膨瓜期（4月23日—5月16日）、成熟期（5月17日—6月5日）。根據西瓜不同生育階段需水規律，采用西瓜需水系數（）和200 mm蒸發皿累計蒸發量（E-20）的乘積計算西瓜蒸騰需水量（Evapotranspiration，ETc），苗期=0.4、開花坐果期=0.8、膨瓜期=1.6、成熟期=0.8[2]。依據式（1）確定灌水量[14]：

=ETc··（1）

式中為灌水量，mm；ETc為西瓜蒸騰需水量，mm；為西瓜—皿系數；為灌溉水量控制面積，m2。

表1 西瓜試驗方案設計

注：ETc為西瓜蒸騰需水量（mm）；為目標產量法確定的施肥量（kg·hm-2）。

Note: ETc is the evapotranspiration of watermelon (mm).is the fertilization level determined by the target yield method (kg·hm-2).

依據式（2）確定施肥量：

=K·（2）

式中為施肥量，kg/hm2；K為施肥系數，為目標產量法[15]確定的施肥量，kg/hm2。

分別于4月20日（開花后17 d）、4月27日（開花后24 d）、5月4日（開花后31 d）、5月11日（開花后38 d）進行滴灌追肥。每個處理滴灌管分支處單獨安裝水表，以便準確觀測每次灌水量。將型號為HY.AM3（200 mm）的蒸發皿水平懸掛于植株冠層，每天08:00測定日蒸發量。

試驗小區10 m長，1.6 m寬，面積為16 m2。寬窄行吊蔓栽培，單行種植，雙蔓整枝，寬行110 cm，覆白色地膜，窄行50 cm，覆黑色底膜，株距40 cm，膜下安裝滴灌帶。在窄行中起壟，壟頂為平頂，壟高15 cm。2月10日育苗，4葉1心定植，緩苗10 d，每株留1個瓜。為消除處理間水肥滲透的影響，將塑料膜埋70 cm深進行隔離。

1.3 檢測指標及方法

將同一授粉日期的西瓜成熟后按處理采摘，每處理選9個瓜，分別計算單株產量和平均單瓜質量。

灌溉水分利用效率（Irrigation Water Use Efficiency，IWUE）（kg/m3）是西瓜產量與灌水量的比值。

IWUE=/（3）

式中為產量，kg/hm2；為灌水量，m3/hm2。

肥料偏生產力（Fertilizer Partial Productivity，PFP）（kg/kg）是西瓜產量與施肥量的比值。

PFP=/（4）

式中為施肥量，kg/hm2。

西瓜縱、橫徑用游標卡尺測量，其比值為果形指數；將西瓜縱切測皮厚；并分別將中心和邊際果實榨汁測品質。

可溶性固形物按照阿貝折光儀（Reichert Technologies，USA）測定，可溶性總糖按照蒽酮比色法[16]，總維生素C按照鉬藍比色法[17]，還原糖按照3，5—二硝基水楊酸法[17]，番茄紅素按照分光光度計（Thermo Fisher，USA）法[18-19]，可溶性蛋白按照考馬斯亮藍法[17]測定。

由于水肥利用效率、產量和品質評價指標各不相同，無法直接比較，因此需要進行綜合分析。為消除量綱不同所造成的影響，先將西瓜各指標實測值歸一化處理，再通過Yaahp 6.0進行對主觀權重分析[10]；通過熵權法[11]進行客觀權重分析；依據博弈論原理，通過Matlab 6.5求得最終權重[12]；最后根據近似理想法[13]確定西瓜水肥投入綜合評價指標，建立西瓜水肥投入綜合評價的數學模型，并分析水肥用量對綜合評價指標的影響。

1.4 水肥用量分析

統計分析數據運用SPSS 21，顯著性檢驗和方差分析用Tukey法和LSD法（=0.05），運用Excel 2016分析數據，并將分析結果繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同水肥用量影響西瓜產量和水肥利用效率

2.1.1 不同水肥用量影響西瓜果實形態指標

水肥用量不同，西瓜果實形態差異顯著，如表2所示。西瓜縱徑在T10處理達到最大，為18.50 cm；其橫徑在T15和T10處理分別達到17.80和17.73 cm。T2處理西瓜縱、橫徑均最小，僅為15.14、15.29 cm，與T1、T4、T5、T9、T10、T12、T13、T14、T15、T16處理差異顯著（<0.05）。說明水肥協同調控果實縱橫徑，同時增加或降低水肥投入不會顯著影響西瓜果實大小，但增加灌水量的同時減少施肥量，會顯著降低果實縱橫徑。西瓜果形影響西瓜外觀品質和消費者的購買欲[5]，但其受栽培品種影響較大，水肥用量對其影響較小。T10處理果形指數最大，果實較長。圓形瓜比橢圓瓜易裂，適當增加圓形西瓜瓜皮厚可延長西瓜貯運時間。T1處理瓜皮最厚，達到9.17 mm，顯著高于T6、T7、T8、T9處理（<0.05），便于運輸。

2.1.2 不同水肥用量影響西瓜產量和水肥利用效率

西瓜產量高低直接影響農民收入，也調控著水肥利用效率的高低，如表3所示。T10處理西瓜產量最高，達到48 901.04 kg/hm2；T1、T5、T12～T16處理與T10處理產量上差異不顯著（＞0.05）。T8處理產量最低，僅為30 171.88 kg/hm2。

西瓜灌溉水分利用效率（IWUE）最高的處理為T6處理，由T5、T6、T9～T16處理可以看出，在施肥量一致的情況下，灌溉越多，IWUE越低。水肥協同調控IWUE，在灌水量一致的情況下，由T1、T2處理可以看出，若采用高水處理，則在施肥量高時，IWUE更高；由T3、T4處理可以看出，若采用低水處理，則在施肥量低時，IWUE更高。T6、T4處理盡管IWUE較高，但此時產量較低，在實際生產中不受人們青睞。T9～T16處理在高產的同時，IWUE保持在較高水平，這不僅使灌溉水得以高效利用，還使棚內空氣濕度和病蟲害得到有效防治。

表2 不同水肥用量對西瓜果實形態指標的影響

注：同列不同字母為差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Different letters in the same column are significant differences (<0.05). Same below.

表3 不同水肥處理對西瓜灌溉水分利用效率、產量和肥料偏生產力的影響

西瓜肥料偏生產力（PFP）最高的為T4處理。由T7、T8、T9～T16處理可以看出，PFP隨施肥量增加而降低。水肥協同調控PFP，在施肥量相同的情況下，由T1、T3處理可以看出，若采用高肥處理，則在澆水量高時，PFP更高；由T2、T4處理可以看出，若采用低肥處理，則在澆水量低時，PFP更高。T4、T8處理盡管PFP較高，但此時產量較低，在實際生產中往往不被采納。T9～T16處理在保證高產的同時，PFP保持在較高水平，這不僅有利于提高肥料利用的經濟效益，還能改善土壤狀態，有效減少土壤次生鹽漬化現象的發生。

2.2 不同水肥用量影響西瓜品質指標

2.2.1 不同水肥用量影響西瓜單一品質指標

西瓜口感受多項品質指標影響，各指標間差異如表 4所示?？扇苄钥偺窃赥1處理高達132.02 g/kg，在T6處理低至38.82 g/kg。還原糖質量分數在T11、T13、T15處理中最高，達到1.18%，而在T4處理中僅達到0.63%?？扇苄怨绦挝锞赥1處理達到最高，其邊際和中心值分別為11.53%和12.70%，且西瓜甜度均勻，中邊差最小?，F如今，大眾對西瓜的要求不僅局限在其風味指標，越來越關注其營養價值?？偩S生素C質量分數在T15處理中達到最高，為12.56 mg/g，而在T4處理中僅為5.14 mg/g。可溶性蛋白質量分數在T5和T7處理中高達2.35 mg/g，而在T1處理中僅為1.39 mg/g。番茄紅素質量分數在T5處理最高，達到48.45 mg/kg，但在T4處理中僅有28.60 mg/kg。現如今，大眾對于品質的要求日益提升，但西瓜果實單一品質指標的最優水肥用量不盡相同，因此，西瓜綜合評價指標的建立至關重要。

表4 不同水肥處理對西瓜品質的影響

2.3 不同水肥用量影響西瓜產量、水肥利用效率和品質指標

2.3.1 綜合評價值確立

由于水肥利用效率、產量和品質的最優水肥用量各不相同，因此需要綜合分析。

通過主層次分析法[10]得到產量占最高權重，達到0.319；其次為番茄紅素權重，達到0.153；可溶性總糖權重占0.129；中心總可溶性固形物權重占0.090；總維生素C權重占0.071；PFP和IWUE權重相同，均為0.064；可溶性蛋白與邊際總可溶性固形物權重相似，均為0.040；還原糖權重最低，僅為0.030。

通過熵權法[11]得到可溶性總糖權重高達0.229；其次為總維生素C權重，達到0.207；肥料偏生產力權重為0.167；還原糖權重0.134；可溶性蛋白權重占0.090；灌溉水分利用效率權重占0.076；產量權重占0.050；番茄紅素權重占0.041；可溶性固形物權重最低，其邊際和中心值僅為0.004和0.002。

由于權重在主層次分析法[10]與熵權法[11]截然不同，依據博弈論原理，通過組合賦權[12]得到綜合權重。產量所占權重最高，達到0.188；可溶性總糖權重可達0.178；總維生素C權重占0.137；肥料偏生產力權重為0.114；番茄紅素權重占0.099；還原糖權重達0.081；灌溉水分利用效率權重占0.070；可溶性蛋白權重為0.064；而可溶性固形物權重較低，其中心和邊際值僅達到0.047和0.023。

根據近似理想法[13]從優質、高產、節水、節肥四方面出發，確定西瓜綜合評價值排序由高到低為：T9～T16、T1、T5、T4、T7、T8、T3、T2、T6，如表5所示。水肥編碼值為（0，0）時，西瓜綜合評價值最高，綜合水肥利用效率、產量和品質最好；水肥編碼值為（1，1）次之；水肥編碼值為（-1.414，0）時，西瓜綜合評價值最低，綜合水肥利用效率、產量和品質最差。由T1、T4、T3、T2可知，水肥協同調控西瓜綜合評價值，高水高肥優于低水低肥，低水低肥優于低水高肥和高水低肥；因此，在水資源短缺地區，建議采用降低施肥量的方式來提高西瓜綜合評價值。表5各處理貼合度（C）排序與可溶性總糖（13）排序、還原糖（14）排序、總維生素C（16）排序、可溶性蛋白（17）排序和產量（21）排序的相關性均達到極顯著水平（<0.01），與邊際總可溶性固形物（12）排序達到顯著水平（<0.05），表明利用TOPSIS法確定水肥用量對西瓜綜合評價指標的影響是可靠的。

2.3.2 回歸模型建立

通過對不同水肥用量下西瓜水肥利用效率、產量和品質綜合分析，得到西瓜綜合評價指標對水肥用量的回歸方程為

1=0.728+0.0611+0.0252-0.13012-0.15622+0.07312（5）

式中1表示水肥用量對水肥利用效率、產量和品質的綜合評價值；1、2分別表示水、肥用量編碼值。

顯著性檢驗表明回歸極顯著，模型=78.61>0.01（5,3）=28.24；決定系數2=0.975；（模型）=0.0001<0.01，模型極顯著；（1）=0.0001<0.01，（2）=0.0387<0.05，1、2項系數顯著，說明水肥二因素對綜合評價指標十分重要；（12）=0.0001<0.01，（22）=0.0001<0.01，12、22項系數極顯著；（12）=0.0005<0.01，12項系數極顯著，說明水肥二因素交互影響西瓜綜合評價指標。

注：11表示中心總可溶性固形物，12表示邊際總可溶性固形物，13表示可溶性總糖，14表示還原糖，15表示番茄紅素，16表示總維生素C，17表示可溶性蛋白；21表示產量，22表示灌溉水分利用效率，23表示肥料偏生產力；-代表逆理想解，+代表理想解；-代表逆理想解和處理間距離，+代表理想解和處理間距離；C是貼合度；2是各指標與綜合指標的決定系數；*為5%的顯著水平，* *為1%的極顯著水平。

Note:11is the central total soluble solids,12is the marginal total soluble solids,13is the total soluble sugar,14is the reducing sugar,15is the lycopene,16is the total vitamin C,17is the soluble protein.21is the yield,22is the irrigation water use efficiency,23is the fertilizer partial productivity.-is the inverse ideal solution,+is the ideal solution.-is the distance between the inverse ideal solution and the treatment,+is the distance between the ideal solution and the treatment.Cis the degree of fit.2is the decisive coefficient between each index and the comprehensive evaluation indexes. * is significant at 5 %, ** is significant at 1%.

式（5）中1、2項系數大小反映灌水量、施肥量對西瓜綜合評價指標影響的大小，其正負反映灌水量、施肥量對西瓜綜合評價指標影響的正負[20]，由此可知，水肥二因子對西瓜綜合評價指標具有顯著促進效應，并且水的促進效應大于肥。交互項系數為正值，說明水肥二因子協同促進西瓜綜合評價指標。

2.3.3 水肥用量對西瓜綜合評價指標的單因素效應分析

為探究水肥單因子對西瓜綜合評價指標的影響，對上述模型降維[21-22]，得到灌水量和施肥量對西瓜綜合評價指標的單因素效應函數式，分別為

1=0.728+0.0611-0.13012（6）

2=0.728+0.0252-0.15622（7）

式中1、2分別表示水、肥用量對西瓜綜合評價指標影響的單因素效應函數。

分別將灌水量與施肥量對西瓜綜合評價指標的影響作圖如圖1，西瓜綜合評價指標均為開口向下的拋物線，隨水肥施入量增加，綜合評價指標呈現先升后降的趨勢，說明水肥二因素符合報酬遞減規律，當水分編碼值1為0.23、肥料編碼值2為0.08時，西瓜綜合評價值最高；若水肥用量超過此范圍，西瓜綜合評價值降低。

2.3.4 水肥用量對西瓜綜合評價指標的邊際效應分析

通過對灌水量、施肥量影響西瓜綜合評價指標的單因素效應函數求導，得到灌水量、施肥量調控西瓜綜合評價指標的邊際效應函數為

1′=0.061-0.2601（8）

2′=0.025-0.3122（9）

式中1′、2′分別表示西瓜綜合指標評價值對水、肥用量的邊際效應函數。

由圖2可知，西瓜邊際綜合評價指標隨水肥用量的增加而降低。當水分編碼值為-1.414～0.23，肥料編碼值為-1.414～0.08時，可促進西瓜綜合評價指標提升；水肥編碼值超過該范圍后對西瓜綜合評價指標均具有抑制效果。

圖2 水肥用量對西瓜綜合評價指標的邊際效應

2.4 不同水肥用量對西瓜水肥利用效率、產量和相關品質的模擬尋優

西瓜綜合評價指標隨水肥施入量呈開口向下的拋物面，如圖3所示。當灌水量不變時，隨施肥量增加，西瓜綜合評價指標先升后降；當施肥量不變時，隨灌水量增加，西瓜綜合評價指標先升后降。中水中肥處理使綜合評價指標維持在較高水平，說明水肥用量過高或過低均不利于綜合評價西瓜水肥利用效率、產量和品質指標。水肥協同影響西瓜綜合評價指標，高水高肥、低水低肥處理所形成的綜合評價值高于高水低肥、低水高肥處理所形成的綜合評價值；因此，在水資源短缺地區，建議采用適當降低施肥量的方式來提高西瓜綜合評價值。通過上述模型綜合評價尋優，得出水肥二因素對西瓜水肥利用效率、產量和品質的影響，在水分編碼值為0.23，肥料編碼值為0.08時，即灌水量按0.73倍西瓜蒸騰需水量（ETc），施肥量按1.03倍目標產量（）法算得的施肥量時，西瓜綜合評價值最高，達到0.74。

圖3 水肥指標對西瓜綜合評價指標的耦合效應

3 討 論

灌水量與施肥量是作物生長發育中至關重要的兩大因素，合理的水肥調控有利于西瓜健康生長，從而實現大棚西瓜量化管理；不合理的水肥調控嚴重阻礙西瓜生長，導致低產、劣質，甚至致其死亡[23]。本文通過不同水肥用量，確定水肥利用效率、產量和品質綜合評價值對水肥用量的響應。

試驗結果表明，不同水肥用量下西瓜水肥利用效率、產量和品質不同。西瓜綜合評價指標隨水肥用量增加呈先升后降的趨勢，這與多人研究結果相似，李建明等[20]發現番茄產量隨水肥施入量增加呈現開口向下的拋物線函數；張爽等[24]發現西瓜產量隨有機肥施入量先增后減。水肥投入過高或過低均降低綜合評價值，可能由于水肥對葉綠素含量增加有拮抗作用[25]，因而導致光合速率降低[20]，西瓜生長減弱，果實產量品質降低，綜合評價值下降。合理的水肥調控是提高綜合評價值的關鍵[26]。水肥協同影響西瓜綜合評價指標，高水高肥、低水低肥處理所形成的綜合評價值高于高水低肥、低水高肥處理所形成的綜合評價值。高水低肥的灌溉施肥模式對果實品質形成“稀釋效應”[27]；低水高肥的灌溉施肥模式嚴重降低果實產量[28-30]。適當水分虧缺有利于西瓜綜合評價值提高，Pérez-Pastor等[31]表明適當水分虧缺能增加根長和根面積；Erdem等[8]發現適當降低灌水量可降低果皮厚，也提高西瓜可溶性糖和固形物含量；Abdelkhalik等[32]表明西瓜成熟期減少灌水量可提高果實色度。但灌水量過低會影響植株生長，從而降低產量[31-33]；土壤虧水誘導植物根部產生脫落酸，伴隨水分運移將此信號傳至葉片，植物為自我保護降低氣孔開度和蒸騰速率；同時光合底物減少，光合速率也隨之降低，植株生長減慢，果實產量降低[31-33]。高水則對果實形成“稀釋效應”，從而降低品質[27]。因此，合理調控灌水量至關重要。

土壤持水能力和其理化性質是植物生長發育和產量形成的重要保證[34]。植物吸收、轉運、利用養分取決于土壤和植物水分狀況，因而肥料的吸收和利用離不開土壤水分狀況[35]，這在一定程度上解釋了本研究結果水分對綜合評價值的影響大于肥料。土壤結構和質地影響比水容量、土壤飽和含水量和田間持水量等土壤持水能力[36-38]。本試驗發現灌水量為0.73ETc時，西瓜綜合評價值最高，這與龔雪文等[14]得到的華北地區最佳灌水量為0.75E-20（20 cm蒸發皿蒸發量）相似，可能由于兩地區土壤結構和土壤質地相似且田間持水率均在21%～25%之間，因而灌水量大致相同。當栽培土壤為黏質土壤時，模型使用過程中應適當降低灌溉量；而面對砂質土壤時，模型使用過程中應適當增加灌溉量。本模型主要適用于關中塿土栽培下大棚西瓜水肥滴灌量化管理，由于植物需水量受土壤質地影響較大[36-38]，對不同土質下植株的需水研究有待加強。本試驗通過測定水肥利用效率、產量和品質等多項指標，并結合主客觀分析，最終求得最佳水肥用量，對實現以關中塿土栽培為主的大棚西瓜量化管理和精準化管理具有指導作用。

4 結 論

1）通過主層次分析法、客觀熵權法得到水肥利用效率、產量和品質各指標權重，然后根據基于博弈論的組合賦權法得到綜合權重。產量所占權重最高，達到0.188；可溶性總糖權重可達0.178；總維生素C權重占0.137；肥料偏生產力權重為0.114；番茄紅素權重占0.099；還原糖權重達0.081；灌溉水分利用效率權重占0.070；可溶性蛋白權重為0.064；而可溶性固形物權重較低，其中心和邊際值僅達到0.047和0.023。

2）通過TOPSIS法建立水肥量化指標對西瓜綜合評價指標的回歸模型，對實現以關中塿土栽培為主的大棚西瓜量化管理具有指導作用。水肥用量顯著影響西瓜綜合評價指標，且灌水量對綜合評價指標的影響大于施肥量。

3）通過綜合評價尋優，得出水肥量化指標對西瓜水肥利用效率、產量和品質的綜合調控，在水分編碼值為0.23，肥料編碼值為0.08時，即灌水量按0.73倍西瓜蒸騰需水量，施肥量按1.03倍目標產量法算得的施肥量時，西瓜綜合評價值最高，達到0.74。因此，推薦在水肥資源相對充足的關中地區按0.73倍西瓜蒸騰需水量和1.03倍目標產量對西瓜灌溉施肥。

4）水肥協同影響西瓜綜合評價指標，高水高肥、低水低肥處理下綜合評價值優于高水低肥、低水高肥處理下的綜合評價值；因此，在水資源短缺地區，建議適當降低施肥量來提高西瓜綜合評價值。

[1] 劉霓紅，蔣先平，程俊峰，等. 國外有機設施園藝現狀及對中國設施農業可持續發展的啟示[J]. 農業工程學報，2018，34(15)：1-9. Liu Nihong, Jiang Xianping, Cheng Junfeng, et al. Current situation of foreign organic greenhouse horticulture and its inspiration for sustainable development of Chinese protected agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(15): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[2] 劉煉紅，莫言玲，楊小振，等. 調虧灌溉合理滴灌頻率提高大棚西瓜產量及品質[J]. 農業工程學報，2014，30(24)：95-104. Liu Lianhong, Mo Yanling, Yang Xiaozhen, et al. Reasonable drip irrigation frequency improving watermelon yield and quality under regulated deficit irrigation in plastic greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(24): 95-104. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉欽普. 中國化肥施用強度及環境安全閾值時空變化[J]. 農業工程學報，2017，33(6)：214-221. Liu Qinpu. Spatio-temporal changes of fertilization intensity and environmental safety threshold in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(6): 214-221. (in Chinese with English abstract)

[4] 徐昭，史海濱，李仙岳，等. 不同程度鹽漬化農田下玉米產量對水氮調控的響應[J]. 農業機械學報，2019，50(5)：334-343. Xu Zhao, Shi Haibin, Li Xianyue, et al. Response of maize yield to irrigation and nitrogen rate in different salinization farmlands[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(5): 334-343. (in Chinese with English abstract)

[5] 楊小振，張顯，馬建祥，等. 滴灌施肥對大棚西瓜生長、產量及品質的影響[J]. 農業工程學報，2014，30(7)：109-118. Yang Xiaozhen, Zhang Xian, Ma Jianxiang, et al. Effects of drip fertigation on growth, yield and quality of watermelon in plastic greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(7): 109-118. (in Chinese with English abstract)

[6] 黃麗華，沈根祥，錢曉雍，等. 滴灌施肥對農田土壤氮素利用和流失的影響[J]. 農業工程學報，2008，24(7)：49-53. Huang Lihua, Shen Genxiang, Qian Xiaoyong, et al. Impacts of drip fertilizer irrigation on nitrogen use efficiency and total nitrogen loss load[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(7): 49-53. (in Chinese with English abstract)

[7] Lv Haofeng, Lin Shan, Wang Yafang, et al. Drip fertigation significantly reduces nitrogen leaching in solar greenhouse vegetable production system[J]. Environmental Pollution, 2019, 245: 694-701.

[8] Erdem Y, Yuksel A N. Yield response of watermelon to irrigation shortage[J]. Scientia Horticulturae, 2003, 98(4): 365-383.

[9] 鄭健，蔡煥杰，王健，等. 溫室小型西瓜調虧灌溉綜合效益評價模型[J]. 農業機械學報，2011，42(7)：124-129. Zheng Jian, Cai Huanjie, Wang Jian, et al. Fuzzy evaluation to integration benefit of regulated deficit irrigation of mini-watermelon based on information entropy[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(7): 124-129. (in Chinese with English abstract)

[10] Albayrak E, Erensal Y C. Using analytic hierarchy process (AHP) to improve human performance: An application of multiple criteria decision making problem[J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2004, 15(4): 491-503.

[11] Zou Zhihong, Yun Yi, Sun Jingnan. Entropy method for determination of weight of evaluating indicators in fuzzy synthetic evaluation for water quality assessment[J]. Journal of Environmental Sciences, 2006, 18(5): 1020-1023.

[12] 趙奎，劉維發，曾鵬，等. 基于博弈論組合賦權TOPSIS法的深部進路參數優選[J]. 有色金屬科學與工程，2018，9(2)：70-74. Zhao Kui, Liu Weifa, Zeng Peng, et al. Optimization of structural parameters of deep stope based on combination weighting game theory[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2018, 9(2): 70-74. (in Chinese with English abstract)

[13] Wang Feng, Kang Shaozhong, Du Taisheng, et al. Determination of comprehensive quality index for tomato and its response to different irrigation treatments[J]. Agricultural Water Management, 2011, 98(8): 1228-1238.

[14] 龔雪文，孫景生，劉浩，等. 基于20 cm蒸發皿蒸發量制定的華北地區溫室黃瓜滴灌灌水制度[J]. 應用生態學報，2015，26(11)：3381-3388. Gong Xuewen, Sun Jingsheng, Liu Hao, et al. Irrigation scheduling with a 20 cm standard pan for drip-irrigated cucumber grown in solar greenhouse in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(11): 3381-3388. (in Chinese with English abstract)

[15] 王麗英，張彥才，翟彩霞，等. 平衡施肥對連作日光溫室黃瓜產量、品質及土壤理化性狀的影響[J]. 中國生態農業學報，2008，16(6)：1375-1383. Wang Liying, Zhang Yancai, Zhai Caixia, et al. Effect of balanced fertilization on yield and quality of sunlight greenhouse cucumber and soil characteristics under continuous cropping[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2008, 16(6): 1375-1383. (in Chinese with English abstract)

[16] 李合生. 植物生理生化實驗原理和技術[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[17] 高俊鳳. 植物生理學實驗指導[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[18] Davis A R, Fish W W, Perkins-Veazie P. A rapid spectrophotometric method for analyzing lycopene content in tomato and tomato products[J]. Postharvest Biology and Technology, 2003, 28(3): 425-430.

[19] 徐保國，周天楚，魏本喜，等. 催化式紅外輻照改善櫻桃番茄去皮效果及品質[J]. 農業工程學報，2018，34(24)：299-305. Xu Baoguo, Zhou Tianchu, Wei Benxi, et al. Catalytic infrared radiation improving peeling effect and quality of cherry tomatoes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 299-305. (in Chinese with English abstract)

[20] 李建明，潘銅華，王玲慧，等. 水肥耦合對番茄光合、產量及水分利用效率的影響[J]. 農業工程學報，2014，30(10)：82-90. Li Jianming, Pan Tonghua, Wang Linghui, et al. Effects of water-fertilizer coupling on tomato photosynthesis, yield and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(10): 82-90. (in Chinese with English abstract)

[21] 張大龍，張中典，李建明. 環境因子對溫室甜瓜蒸騰的驅動和調控效應研究[J]. 農業機械學報，2015，46(11)：137-144. Zhang Dalong, Zhang Zhongdian, Li Jianming. Co-ordination of environmental factors in driving and regulating transpiration rate of greenhouse grown muskmelo[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(11): 137-144. (in Chinese with English abstract)

[22] 張中典，張大龍，李建明，等. 黃瓜氣孔導度、水力導度的環境響應及其調控蒸騰效應[J]. 農業機械學報，2016，47(6)：139-147. Zhang Zhongdian, Zhang Dalong, Li Jianming, et al. Environmental response of stomatal and hydraulic conductances and their effects on regulating transpiration of cucumber[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(6): 139-147. (in Chinese with English abstract)

[23] 邢英英，張富倉，吳立峰，等. 基于番茄產量品質水肥利用效率確定適宜滴灌灌水施肥量[J]. 農業工程學報，2015，31(增刊 1)：110-121. Xing Yingying, Zhang Fucang, Wu Lifeng, et al. Determination of optimal amount of irrigation and fertilizer under drip fertigated system based on tomato yield, quality, water and fertilizer use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp. 1): 110-121. (in Chinese with English abstract)

[24] 張爽，石燕楠，王碩，等. 江蘇省西瓜施肥現狀及高產潛力[J]. 應用生態學報，2016，27(9)：3000-3008. Zhang Shuang, Shi Yannan, Wang Shuo, et al. Present fertilization and the potential of high yield on watermelon in Jiangsu Province, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(9): 3000-3008. (in Chinese with English abstract)

[25] 任華中. 水氮供應對日光溫室番茄生育、品質及土壤環境的影響[D]. 北京：中國農業大學，2003. Ren Huazhong. Impact of Different Irrigation and Nitrogen Levels on Growth, Development, Quality and Soil Environment of Solar-greenhouse Tomato[D]. Beijing: China Agricultural University, 2003. (in Chinese with English abstract)

[26] 范兵華，馬樂樂，任瑞丹，等. 有機營養液灌溉頻次和灌水量對設施甜瓜產量、品質及肥水利用效率的影響[J]. 應用生態學報，2019，30(4)：1261-1268. Fan Binghua, Ma Lele, Ren Ruidan, et al. Effects of irrigation frequency of organic nutrient solution and irrigation amount on yield, quality, fertilizer and water use efficiency of melon in facility[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(4): 1261-1268. (in Chinese with English abstract)

[27] 張鈞恒，馬樂樂，李建明. 全有機營養肥水耦合對番茄品質、產量及水分利用效率的影響[J]. 中國農業科學，2018，51(14)：2788-2798. Zhang Junheng, Ma Lele, Li Jianming. Effects of all-organic nutrient solution and water coupling on quality, yield and water use efficiency of tomato[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(14): 2788-2798. (in Chinese with English abstract)

[28] 張效星，樊毅，賈悅，等. 水分虧缺對滴灌柑橘光合和產量及水分利用效率的影響[J]. 農業工程學報，2018，34(3)：143-150. Zhang Xiaoxing, Fan Yi, Jia Yue, et al. Effect of water deficit on photosynthetic characteristics, yield and water use efficiency in Shiranui citrus under drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 143-150. (in Chinese with English abstract)

[29] Davies W J, Zhang J. Root signals and the regulation of growth and development of plants in drying soil[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 2003, 42(1): 55-76.

[30] dos Santos M R, Neves B R, da Silva B L, et al. Yield, water use efficiency and physiological characteristic of “Tommy Atkins” mango under partial rootzone drying irrigation system[J]. Journal of Water Resource and Protection, 2015, 7(13): 1029-1037.

[31] Pérez-Pastor A, Ruiz-Sánchez M C, Domingo R. Effects of timing and intensity of deficit irrigation on vegetative and fruit growth of apricot trees[J]. Agricultural Water Management, 2014, 134: 110-118.

[32] Abdelkhalik A, Pascual-Seva N, Nájera I, et al. Yield response of seedless watermelon to different drip irrigation strategies under Mediterranean conditions[J]. Agricultural Water Management, 2019, 212: 99-110.

[33] Sun Qing, Wang Yaosheng, Chen Geng, et al. Water use efficiency was improved at leaf and yield levels of tomato plants by continuous irrigation using semipermeable membrane[J]. Agricultural Water Management, 2018, 203: 430-437.

[34] Liebig M A, Tanaka D L, Wienhold B J. Tillage and cropping effects on soil quality indicators in the northern Great Plains[J]. Soil & Tillage Research, 2004, 78(2): 131-141.

[35] 杜清潔，李建明，潘銅華，等. 滴灌條件下水肥耦合對番茄產量及綜合品質的影響[J]. 干旱地區農業研究，2015，33(3)：10-17. Du Qingjie, Li Jianming, Pan Tonghua, et al. The compound effects of water and fertilizer on yield and quality of tomato under drip irrigation[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2015, 33(3): 10-17. (in Chinese with English abstract)

[36] Haverkamp R, Leij F J, Fuentes C, et al. Soil water retention[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(69): 95-104.

[37] Tang Liansheng, Chen Haokun, Song Jing. Process of pore pressure diffusion in saturated clay soil and impact of adsorbed water[J]. Geosciences Journal, 2016, 20(5): 649-665.

[38] Zhao Ying, Peth S, Reszkowska A, et al. Response of soil moisture and temperature to grazing intensity in a Leymus chinensis, steppe, Inner Mongolia[J]. Plant & Soil, 2011, 340(1/2): 89-102.

Optimization of fertigation scheduling for drip-irrigated watermelon based on its yield, quality and fertilizer and water use efficiency

Li Jianming, Yu Xuemei, Wang Xuewei, Zhang Junwei, Jiao Xiaocong, Huang Qian

(,,712100,)

In order to improve yield, quality, irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity of watermelon, a precise management of water and fertilizer is necessary to enhance its production under greenhouse. In this experiment, drip irrigation method was used in loam soil of Guanzhong, China. The experiment was designed as a two-factor factorial with orthogonal rotation combination. The irrigation amount consisted of 0.49, 0.55, 0.70, 0.85, and 0.91 times the watermelon evapotranspiration, and the fertilizer application rate was 0.50, 0.65, 1.00, 1.35, and 1.50 times the fertilizer application rate calculated by target yield method. There were a total of 16 treatments and each replicated three times. The weight of each index was calculated by subjective analytic hierarchy process, objective entropy weight method and combined weighting method based on game theory. A comprehensive evaluation model was established by analyzing the effect of drip fertilization on the comprehensive evaluation value through approximate ideal method. The results showed that the largest fruit cross and longitudinal section diameter (17.80 and 18.50 cm), the lower sugar content and total vitamin C content (1.18% and 12.56 mg/g) and yield (48 901.04 kg/hm2) were observed in the treatment with irrigation level of 0.70 times the evapotranspiration of watermelon and the fertilization level of 1.00 times the target yield. The smallest fruit cross and longitudinal sections diameter (15.29 and 15.14 cm) were obtained in the treatment of irrigation with 0.85 times the evapotranspiration and fertilization with 0.65 times the target yield. The lowest yield (30 171.88 kg/hm2) was observed in the treatment of irrigation with 0.70 times evapotranspiration and fertilization with 0.50 times the target yield. Irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity showed a downward trend with the increase of irrigation and fertilizer levels. The highest irrigation water use efficiency was in the treatment of irrigation with 0.49 times evapotranspiration and fertilization with 1.00 times the target yield. The highest fertilizer partial productivity was in the treatment of irrigation with 0.55 times evapotranspiration and fertilization with 0.65 times the target yield. The comprehensive evaluation indexes of watermelon revealed a downward parabolic graph in relation to irrigation and fertilization levels. When the irrigation amount was constant, the comprehensive evaluation indexes increased and then decreased with the increase of fertilization level. Moreover, a similar trend was observed with changing irrigation level under constant fertilization level The highest comprehensive evaluation indexes of watermelon (0.74) were obtained in the irrigation level at 0.73 times the evapotranspiration of watermelon and the fertilization level at 1.03 times the target yield. In addition, the irrigation and fertilization levels synergistically affected the comprehensive evaluation indexes of watermelon. The comprehensive evaluation indexes were high for the treatment of higher irrigation with higher fertilization level and lower irrigation level with lower fertilization level. The effect of irrigation level on the comprehensive evaluation indexes of watermelon was larger than that of fertilization. Thus, irrigation level at 0.73 times the evapotranspiration of watermelon and fertilization at 1.03 times the target yield were recommend for the drip fertilization of watermelons in Guanzhong soil where the water and fertilizer resources are relatively abundant. In areas where water resources are relatively scarce, the fertilization level should be appropriately decreased.

irrigation; fertilizers; models; evapotranspiration; irrigation water use efficiency; fertilizer partial productivity; target yield

李建明，于雪梅，王雪威，等. 基于產量品質和水肥利用效率西瓜滴灌水肥制度優化[J]. 農業工程學報，2020，36(9)：75-83. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.009 http://www.tcsae.org

Li Jianming, Yu Xuemei, Wang Xuewei, et al. Optimization of fertigation scheduling for drip-irrigated watermelon based on its yield, quality and fertilizer and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 75-83. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.009 http://www.tcsae.org

2019-10-18

2020-02-10

國家大宗蔬菜產業技術體系崗位專家項目（CARS-23-C05）；陜西省設施瓜菜水肥精準管理技術研究與示范項目（LMZD201802）；陜西省不同地區農業設施結構設計標準及栽培模式研究項目（SNXY002）

李建明，教授，博士，博士生導師，主要從事設施作物生理生態研究。Email：lijianming66@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.009

S275.6；S627；S651；S365

A

1002-6819(2020)-09-0075-09