基于沼液復合微生物肥的西瓜水肥耦合效應研究

紀立東，李 磊，劉菊蓮，王文林，司海麗

(1.寧夏農林科學院 農業資源與環境研究所，銀川 750002；2.寧夏順寶現代農業股份有限公司，寧夏 吳忠 751600)

0 引 言

寧夏地處西北干旱半干旱地區，光熱資源豐富、干旱少雨、晝夜溫差大、無霜期長，是我國優質瓜菜的重要生產基地，也是全國12個商品糧基地之一。西瓜是寧夏的重要特色優勢產業之一，一直以甘甜如蜜、營養豐富[1]而聞名在外，但由于長期使用化肥導致土壤板結，水肥利用效率不高、產量品質下降等問題[2]嚴重制約著寧夏西瓜品牌的創建和產業可持續發展。沼液由于富含大、中微量營養元素和腐殖酸、氨基酸、酶等活性物質，而越來越多地被用于農業生產實踐。相關研究表明施用沼液肥可提高土壤肥力[3,4]、改良土壤物理結構[5,6]、降低病蟲害發生[7,8]、增加產量[9,10]，改善作物品質[11,12]，效果顯著。水肥是作物高產優質不可缺少的兩大主要因素，關于水肥協同耦合對于促進作物生長發育、產量提高、品質提升及水肥利用效率提高的研究成果很多，但研究多側重于氮磷鉀養分和灌水量供應之間的協同效應，對于新型沼液復合微生物肥料產品開展水肥耦合研究的較少，且部分研究忽略了沼液中富含的中微量營養元素及生物活性物質的增效作用，致使投入成本較高。本研究基于新型沼液復合微生物肥，在減氮30%的基礎上，研究沼液復合微生物肥的水肥耦合效應，以期為新型肥料產品的推廣應用及西瓜產業的提質增效提供產品及技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年4-9月在寧夏順寶生態園開展。該地區地處黃河中上游，寧夏平原中部，屬中溫帶大陸性氣候。冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，晝夜溫差大，年日照時數3 044 h，年均氣溫9.8 ℃左右，無霜期178 d，年降水量180～200 mm之間。

1.2 供試材料

供試西瓜品種為“金城5號”嫁接苗，露地覆膜定植。供試肥料選取寧夏順寶現代農業股份有限公司生產的沼液復合微生物肥，總養分≥18%，有效活菌數≥0.5億/g，產品分為3個型號，分別為：高氮型(10-5-3)、平衡型(6-6-6)、高鉀型(6-4-8)。

1.3 供試土壤

試驗地成土母質以洪積物為主，地貌為洪積傾斜平原，地形平坦，土壤侵蝕較重，土壤類型為灰鈣土，淡灰鈣土亞類，土質疏松，局部土壤含有礫石；土壤容重較大，田間持水量較低，土壤呈堿性，輕度鹽漬化，肥力水平低下。見表1和表2。

表1 土壤基本物理性質Tab.1 Basic physics properties of soils

表2 土壤基本化學性質Tab.2 Basic chemistry properties of soils

1.4 試驗設計

試驗設灌水量和施肥量兩個因素，采用二因素三水平完全組合設計。灌水量以當地節水灌溉推薦灌溉量3 150 m3/hm2為基準；施肥量以當地西瓜測土配方施肥標準減氮30%設計用量沼液復合微生物肥2 400 kg/hm2為基準，各設置3個梯度，其中灌溉定額設W1 (2 400 m3/hm2) 、W2 (3 150 m3/hm2) 、W3 (3 900 m3/hm2) 3個水平；施肥定額設F1 (1 800 kg/hm2) 、F2 (2 400 kg/hm2) 、F3 (3 000 kg/hm2) 3個水平，共9個處理 (表3) ，每個處理重復3次，每小區面積144 m2， 合計27個小區。整個生育期根據降水量與生長情況共灌水8次，間隔施肥4次；其中苗期施用高氮型(10-5-3)沼液肥1次，施肥量占總施肥量20%；伸蔓期施用平衡型(6-6-6)沼液肥1次，施肥量占總施肥量30%；膨大期施用高鉀型(6-4-8)沼液肥2次，施肥量占總施肥量50%。采用水肥一體化滴灌施肥模式，各處理安裝水表控制灌水量，其他管理同大田。

表3 試驗設計表Tab.3 Test designs table

1.5 測定項目與方法

1.5.1 土壤樣品采集與測定

在西瓜定植前和收獲后，采集耕層(0～30 cm)5點混合樣品，測定土壤理化指標。其中pH、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀，按國標方法測定，即用環刀法測定土壤容重、田間持水量等指標；土壤pH值在水土比例5∶1混勻靜止后直接用pH計測定；DDS-11電導率儀測定全鹽含量；重鉻酸鉀容量法測定有機質含量；堿解擴散法測定堿解氮含量；用0.5 mol/L1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；用1 mol/L1醋酸銨溶液浸提-火焰光度計法測定速效鉀含量。

1.5.2 西瓜生長發育性狀觀測

(1)生物學性狀：稱量法測定單瓜重(小區內所有瓜單重平均數)、西瓜產量(小區實測產折算)，并計算西瓜水分利用效率(WUE=總產量/總灌溉量)；

(2)生理指標：采用SPAD-502在西瓜關鍵生育期測定葉片葉綠素SPAD值、采用光合作用測定儀(LI-6400)在西瓜關鍵生育期測定葉片光合速率等指標；

(3)品質指標：收獲期多點采集西瓜樣品，測定總糖、總酸、Vc含量、可溶性固形物等品質指標，其中手持糖量計測定果實可溶性固形物含量；NaOH滴定法測定果實可滴定酸含量(以酒石酸計)；Vc含量采用2,4-二硝基苯肼法測定。

1.6 數據分析方法

試驗數據采用Excel 2010軟件整理數據和作圖；采用SPSS20.0軟件進行統計分析，并對相關性指標進行顯著性檢驗，顯著性水平為(p<0.05，n=5)。

2 結果分析

2.1 不同處理對西瓜第一雌花節位的影響

第一雌花節位點出現位置一般標志著西瓜成熟期的早晚。由圖1可得，水肥耦合處理下西瓜的第一雌花節位一般在5～7節，中水高肥處理下即W2F3可顯著降低第一雌花節位，而低水低肥以及高水高肥情況下反而增加第一雌花節位，基本處于第8節位。由此可見，適當的水肥比例有助于促進西瓜提前開花，而低水低肥、高水高肥條件下由于破壞了植株水分養分均衡，導致西瓜開花延遲。

圖1 不同處理西瓜第一雌花節位比較Fig.1 Comparison of the first female node position of watermelon treated with different treatments

2.2 不同處理對西瓜葉片葉綠素SPAD值的影響

表4可得，隨著西瓜生育進程的持續推進，SPAD值總體表現為伸蔓期>膨果期>幼苗期的趨勢。幼苗期，葉綠素SPAD值隨著施肥量與灌水量的增加表現為逐漸增加的趨勢，不同處理以高水高肥(W3F3)處理下葉綠素SPAD值最高，顯著高于W1F1、W1F2、W1F3。由此說明，水肥充足供應條件下能顯著提高葉綠素含量，植株葉色濃綠。伸蔓期葉綠素SPAD值變異趨勢與幼苗期相一致，但膨果期表現為中水高肥處理下SPAD值最高，尤其W2F3處理下SPAD值相比W1F1、W1F2、W1F3分別增加了10.98%、7.20%、4.90%。由此說明中水高肥有利于提高西瓜膨果期葉片葉綠素含量。

表4 不同處理西瓜葉片葉綠素SPAD值比較Tab.4 Comparison of chlorophyll SPAD in watermelon leaves under different treatments

2.3 不同處理對西瓜膨果期光合特性的影響

表5可得，西瓜葉片凈光合速率隨著灌水量的增加表現出先增加后降低的趨勢，中水供應條件下顯著提高了葉片凈光合速率，但W2F1、W2F2、W2F3之間差異不顯著；中水、高水各處理顯著提高了葉片蒸騰速率，不同處理以W2F2處理蒸騰速率最大，W2F3顯著降低了葉片蒸騰速率；隨著施肥量的增加，葉片氣孔導度表現出逐漸增加的趨勢，不同處理以W2F3葉片氣孔導度最高，相比W1F1、W1F2、W1F3分別增加了192.96%、160.60%、110.49%，但同比W3F3差異不顯著；不同水肥供應條件下西瓜葉片胞間CO2濃度與凈光合速率成反比關系，W1F1顯著提高了葉片胞間CO2濃度；由于W2F3顯著降低了葉片蒸騰速率，從而顯著提高了葉片水分利用效率，實現以肥促水的作用。

表5 不同處理西瓜光合特性比較Tab.5 Comparison of photosynthetic characteristics of watermelon under different treatments

2.4 不同處理對西瓜農藝指標的影響

表6可得，相比低水、中水低肥處理，中水中肥、中水高肥及高水處理顯著提高了西瓜單瓜重，但彼此之間差異不顯著；低水處理顯著降低了單瓜重，主要原因為水分供應不足導致西瓜果實膨大受限。低水供應條件下，西瓜果形指數隨著施肥量的增加而增加，二中高水供應條件下，西瓜果形指數隨著施肥量的增加表現出先升高后降低的趨勢，不同處理間以W2F2和W3F2果形指數最大，果形最優。

表6 不同處理西瓜農藝指標比較Tab.6 Comparison of agronomic indexes of watermelon under different treatments

2.5 不同處理對西瓜產量和水分利用效率的影響

圖2可得，不同水肥供應條件下西瓜產量差異顯著。同一水量供應條件下，隨著施肥量的增加，西瓜產量有增高的趨勢。其中，低水量供應條件下西瓜產量顯著降低；中水量供應條件下，隨著施肥量的增加，不同處理表現出逐漸升高的趨勢，但中水高肥顯著高于中水低肥，同比中水中肥差異不顯著；高水量供應條件下，不同施肥量差異不明顯，可能是土壤本底肥力供應導致施肥量差異不明顯。不同處理間以W2F3處理下西瓜產量最高，相比處理W1F3增產33.92%、同比W2F2增產12.77%、同比W3F2增產2.29%，說明中水高肥情況下增產效應明顯。低水、中水條件下西瓜水分利用效率顯著升高，高水條件下雖然產量明顯提高，但水分利用效率明顯降低；不同處理間以處理W2F3水分利用效率最高，達到19.97 kg/m3。整體表明，低水顯著抑制了西瓜的產量，同時水分利用效率提升；中水供應后，西瓜產量隨施肥量的增加而增加，相應水分利用效率逐漸升高；而高水條件下，產量并沒有顯著升高，反而降低了水分利用效率。

2.6 不同處理對西瓜品質的影響

在西瓜成熟度80%左右時，多點采樣測定了西瓜品質。表7可得，高水量供應條件下西瓜可溶性固形物顯著降低，而中低水量供應條件下，西瓜可溶性固形物升高；同一水量供應水平下不同施肥量之間差異不明顯；總糖表現出和可溶性固形物相一致的規律，不同處理間W2F3總糖含量最高，相比W2F3、W3F1、W3F2、W3F3分別增加19.97%、19.96%、19.98%、16.36%。W1F1顯著提升了總酸含量，W3F1降低了總酸含量，相比W1F1降低了41.17%，其他處理間西瓜總酸含量差異不顯著；同一水量供應條件下，西瓜Vc含量隨施肥量增加表現出逐漸增加的趨勢，但不同處理間差異不顯著；低肥供應水平下，隨著灌水量的增加Vc含量顯著增加；中高肥供應條件下，高水量供應顯著增加西瓜VC含量。說明水分供應仍然是礫質砂土西瓜糖類物質形成的決定因素，不同處理間以W2F3效果表現最佳。

3 討論與結果

膜下滴灌條件下，肥水調控對西瓜的營養生長、光合效率具有顯著促進作用，從而顯著提高了西瓜產量并有利于西瓜風味品質改善。本研究結果表明，水肥供應量不足會導致西瓜主蔓莖粗變細，造成“徒長”現象，推遲第一雌花節位，而W2F3處理有利于主蔓伸長，顯著降低第一雌花節位，促進西瓜開花結實提前，光合作用進程加快。葉片光合作用的產物主要供應莖、葉和果實的生長，因此，根據“庫-源”關系，西瓜產量作為光合“庫”容量指標能客觀表現由于滴灌施肥水平供給差異產生的植株同化能力的差異。雖然W2F2凈光合速率最大，但同時蒸騰速率也隨之增加，而W2F3在保證凈光合速率一定的情況下降低了蒸騰速率，從而提高葉片水分利用效率，確保西瓜營養生長旺盛，光合產物豐富。

西瓜果實營養物質含量高低決定了西瓜口感和品質，其中可溶性固形物濃度是西瓜風味品質的重要指標之一。Erdem Y等[51]等研究發現土壤水分虧缺能促西瓜果實可溶性固形物濃度提高，同時含糖量會有所增加，而對酸度不會產生顯著影響。本研究發現中低水量供應條件下，西瓜可溶性固形物升高，而高水量供應條件下西瓜可溶性固形物顯著降低，西瓜酸度不同處理之間無明顯變化，結論較為一致。產量是水肥耦合效應的最終體現。趙衛星等[56]研究揭示灌水量225 m3/hm2配施112.5 kg/hm2復合肥能極大地提高西瓜的光合速率和產量，馬波等[57]對寧夏干旱半干旱區砂地西瓜研究表明西瓜產量與灌水量關系、施氮量關系在試驗期間均呈上凸拋線型。本研究發現水分仍然是礫質淡灰鈣土西瓜產量、品質形成的決定因素，低水顯著抑制了西瓜的產量，中水供應后西瓜產量隨施肥量的增加而增加，但高水明顯降低了水分生產效率；不同處理之間W2F3能顯著提升西瓜產量，說明優化的水肥組合有助于促進西瓜營養物質累積。綜合西瓜生長發育、產量、品質等指標，寧夏青銅峽甘城子礫質淡灰鈣土沼液復合微生物肥最佳灌溉施肥方案為：灌水量3 150 m3/hm2，施肥量3 000 kg/hm2。