基質栽培黃瓜生長、產量及品質對不同灌水下限的響應

呂 劍，金 寧，郁繼華，金 莉，張國斌，肖雪梅，胡琳莉

(甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

中國是世界上干旱災害發生最為頻繁和嚴重的國家之一，平均每年有667萬～2 667萬hm2農田因旱受災，最高年份受災面積達4 000萬hm2，每年造成的糧食減產從數百萬噸到3 000多萬t[1]。中國西北大部分地區處于干旱和半干旱氣候區，氣候干燥，植被稀少，蒸發量大，是中國最容易發生干旱災害的區域，每年干旱造成的經濟損失高達GDP的4%～6%，遠遠高于中國其他地區。水資源短缺造成的干旱脅迫正嚴重威脅著中國糧食和生態安全，已成為制約中國社會經濟可持續發展的重要因素之一[2]。戈壁農業是指在符合國家有關生態保護法律法規政策的前提下，在戈壁灘、砂石地、鹽堿地等非耕地上，以高效節能日光溫室為載體，發展設施基質栽培的蔬菜及瓜果等特色農產品的新型農業發展業態。它能夠充分發揮可利用的戈壁沙地等閑置土地資源的比較優勢，并通過現代化農業科技手段，盡最大可能地精準用水，相當于使更多戈壁荒地變為耕地[3]。

與戈壁農業相關的虧缺灌溉是應對水資源短缺的有效措施之一，它是基于根冠通信理論[4]、生長冗余理論[5]、生長補償效應[6]、氣孔調節理論[7]和作物有限水量最優分配理論[8]發展起來的生理節水技術。黃瓜是設施農業中種植面積最大的蔬菜種類之一，同時也是耗水量較大的蔬菜作物，發展黃瓜節水灌溉意義重大，而黃瓜在不同水分條件下的生長、產量及品質響應機理是其節水灌溉的理論基礎[9]。國內外研究發現，黃瓜產量隨著灌水量的增加而增加，但水分利用效率與品質呈拋物線變化趨勢[10-12]；而在黃瓜開花期和初瓜期保持80%～90%田間持水量，盛瓜期保持90%～100%田間持水量和生育后期降至70%～80%田間持水量的土壤水分處理，能同時實現最高產量和最大水分利用效率[13]。

蔬菜的生長、產量及品質是水分管理參數中最主要的響應指標，如何根據不同水分處理的生長、產量和品質測算結果來推薦合理的灌水方案，分析評價方法尤為重要。黃瓜的品質分為外觀品質和營養品質，不同品質因素間存在著密切的相關性[13]，簡單的對比分析方法不能充分考慮多個指標因子間的關系，而主成分分析法可將多個具有一定相關性的觀測指標轉化為少數幾個新的指標，再依據各處理的因子得分進行綜合評價，使評價結果更加客觀、合理，現已廣泛運用在農作物的數量性狀分析和綜合評價中[14-16]，而鮮見其用于基質栽培黃瓜灌水下限的研究中。

綜上，在干旱半干旱氣候條件及發展戈壁農業的大背景下，探索基質栽培黃瓜生產中的節水灌溉制度，對其灌水下限進行研究，并借助主成分分析方法充分考慮多個指標間的內在聯系，具有實際意義。本試驗以黃瓜“博特209”為試材，研究不同灌水下限對基質栽培黃瓜生長、產量及品質的影響，并采用主成分分析法對各處理的優劣進行綜合評價，以期為基質栽培黃瓜節水灌溉制度的制定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年3—7月在甘肅農業大學溫室內進行。供試黃瓜品種為“博特209”，購于甘肅省農業科學院。2019年3月20日在甘肅農業大學人工氣候箱育苗，2019年4月20日定植于玻璃溫室中，栽培方式為基質盆栽，定植基質為“綠能瑞奇”(甘肅綠能科技股份有限公司生產)，基質∶草炭∶蛭石比為2∶1∶1，基質田間最大持水量為61.03%，容重為521.86 kg·m-3，pH 7.8，EC(電導率) 2.1 ms·cm-1，全氮1.612 g·kg-1，堿解氮498.6 mg·kg-1，速效磷136.7 mg·kg-1，速效鉀346.5 mg·kg-1。定植盆高為20 cm，直徑為26 cm。

1.2 試驗設計

試驗從緩苗8 d后開始進行水分處理，共設4個處理，每個處理3個重復，每個重復15盆。4個處理的灌水下限各為田間持水量的50%、60%、70%、80%，分別用A、B、C、D表示，灌水上限統一設定為90%田間持水量。用TDR350水分速測儀監測基質含水量，待含水量到下限時灌水至上限，單株單次每盆灌水量如表1所示，灌水量計算公式[17]如下：

M=S×r×h×Q×(q1-q2)

式中,M為每盆灌水量(m3)；S為每盆盆栽面積(0.053 m2)；r為基質容重(521.86 kg·m-3)；h為計劃濕潤層深度(0.2 m)；Q為最大田間持水量(61.03%)；q1、q2分別代表灌水上、下限(田間持水量百分比)。

表1 不同處理盆栽單株單次灌水量

1.3 指標測定

1.3.1 生長指標 隨機標記長勢一致的15株黃瓜植株，在盛果期測定如下生長指標：

(1)株高(cm)：取植株的莖基部到生長點的總長度，用鋼卷尺測量。

(2)莖粗(mm)：取植株下部向上第5～6節間處的直徑，用數顯游標卡尺測量。

(3)葉面積(cm2)：取植株下部向上第5、6、7片葉的葉面積平均值。直尺測量植株葉片的葉長(L)和葉寬(W)，按如下公式[18]計算葉面積：

葉面積=14.61-5.00L+0.94L2+0.47W

+0.63W2-0.62LW

1.3.2 產量指標

(1)單果重(kg)、單株果數、單株產量(kg)：在黃瓜植株拉秧后分別統計每個處理45株黃瓜的果實總重量及總個數，根據其平均值計算單果重、單株果數和單株產量。

(2)單株總灌水量(m3)：記錄每個處理灌水總次數，然后分別乘以對應處理的單株單次灌水量。

1.3.3 品質指標

盛果期，隨機選取15個大小均勻的黃瓜果實，測定其外觀及營養品質：

(1)外觀品質：瓜長用直尺測量；瓜粗用游標卡尺測量；烘干法測定果實含水量。

商品瓜率=商品瓜數/總瓜數×100%

(2)營養品質：可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250溶液法測定；可溶性糖含量采用蒽酮法測定；Vc含量采用 2，6-二氯酚靛酚鈉染色法測定；硝酸鹽含量采用沸水浸提、紫外分光光度法測定[19]。黃瓜果實全P和全K的前處理采用H2SO4-H2O2消煮法消解，全Ca、Mg、Cu、Fe、Mn及Zn前處理采用干法灰化法，全P采用鉬銻抗比色法測定，全K、Ca、Mg、Cu、Fe、Mn及Zn均采用原子吸收光譜儀測定[20]。

1.4 數據分析

運用Excel 2010對數據進行處理及作圖，并用SPSS 19.0進行單因素方差分析及主成分分析，并運用Duncan’s檢驗法對顯著性差異(P<0.05)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同灌水下限對黃瓜植株生長指標的影響

從圖1可以看出，隨著灌水下限的提高，黃瓜株高和葉面積呈逐漸上升趨勢，黃瓜莖粗則呈先上升后下降的趨勢。其中，處理D的株高顯著高于處理A、B和C，增幅分別為56.50%、22.51%和11.04%；處理D的葉面積也顯著高于處理A、B和C，增幅分別為92.61%、61.35%和27.87%，處理A和處理B之間無顯著性差異；而處理C的莖粗最大，顯著高于處理A、B和D，增幅分別為28.36%、16.91%和18.49%，處理B和處理D之間無顯著性差異。

2.2 不同灌水下限對黃瓜產量及水分利用效率的影響

由表2可知，隨著灌水下限的提高，單果重、單株產量及單株總灌水量均呈現逐漸上升的趨勢，然而水分利用效率卻呈現先上升后下降的趨勢。其中，處理C、D的單果重均顯著高于處理A和處理B；處理D的單株果數顯著高于處理A、B及C，增幅分別為97.73%、55.96%及12.58%；處理C的單株產量也顯著高于處理A和B，增幅分別為66.94%和33.95%，處理C和D之間無顯著差異；處理D的灌水量顯著高于處理A、B和C，增幅分別為38.03%、30.67%和10.49%；處理C的水分利用效率最高，且顯著高于處理A、B和D，增幅分別為33.14%、13.23%和10.30%。

2.3 不同灌水下限對黃瓜果實外觀品質的影響

由表3可知，隨著灌水下限的提高，黃瓜果實的瓜長、瓜粗、含水量及商品瓜率均呈現逐漸上升的趨勢。其中，處理D的瓜長顯著高于處理A、B和C，處理B和處理C之間無顯著差異；處理C和處理D的瓜粗、含水量及商品瓜率均顯著大于處理A和處理B，處理C及處理D之間上述3個指標均無顯著差異；處理C較處理A、 B的含水量增幅分別為0.98%、0.45%，處理D較處理A、 B的含水量增幅分別為1.00%、0.48%；處理C較處理A和B的商品瓜率增幅分別為66.70%和18.21%，處理D較處理A和B的商品瓜率增幅分別為66.98%和18.40%。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters in the figure indicate significant differences among treatments (P<0.05). The same below.圖1 不同灌水下限對黃瓜株高(A)、莖粗(B)及葉面積(C)的影響Fig.1 Effect of different irrigation lower limits on plant height(A), stem diameter (B), and leaf area (C)of cucumber

表2 不同灌水下限對黃瓜產量及水分利用效率的影響

2.4 不同灌水下限對黃瓜果實營養品質的影響

2.4.1 不同灌水下限對黃瓜果實可溶性蛋白、可溶性糖、維生素C及硝酸鹽含量的影響 如圖2所示，黃瓜果實中可溶性蛋白、可溶性糖隨著灌水下限的提高呈現出先上升后下降的趨勢，其中，處理C的可溶性蛋白和可溶性糖含量最高，且與處理A及處理B間差異顯著，處理C的可溶性蛋白是處理A的1.13倍，較處理B的增幅為52.38%；處理C的可溶性糖相較于處理A和B的增幅分別為57.09%和13.03%；黃瓜果實中的Vc含量隨著灌水下限的提高呈逐漸上升的趨勢，處理B、C、D均顯著高于處理A，但處理B、C、D之間無顯著性差異；處理C黃瓜果實中硝酸鹽的含量最低，且與處理A、B、D存在顯著性差異，降幅分別為20.69%、25.55%和20.08%，處理A、B、D之間的硝酸鹽含量并無顯著性差異。

表3 不同灌水下限對黃瓜果實形態指標的影響

2.4.2 不同灌水下限對黃瓜果實礦質元素含量的影響 為了解不同灌水下限對黃瓜礦質營養吸收的影響，本試驗測定了人們關注度較高的黃瓜果實中全K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn 8種礦質元素的含量。如表4所示，隨著灌水下限的提高，黃瓜果實中全K和全Ca含量呈現先上升后下降的趨勢，處理C的全K和全Ca含量最高，且顯著高于處理A、B和D，處理C的全K含量比處理A、B、D分別增加了35.20%、3.81%、1.06%，全Ca含量比處理A、B、D分別增加了11.19%、11.19%、6.43%；黃瓜果實中全Mg、Fe及Cu含量則隨著灌水上限的提高呈現逐漸上升的趨勢，其中，處理D的全Mg含量與處理A、B和C均存在顯著差異，處理D的全Fe和全Cu含量與處理A和B的差異達到顯著水平，但與處理C差異不顯著；處理B的全P含量顯著高于處理A、C和D，而處理A、C和D之間無顯著差異；處理B、C和D的全Zn含量均顯著高于處理A，而處理B、C和D之間差異不顯著。

2.5 不同灌水下限對黃瓜產量品質影響的主成分分析及綜合評價

本試驗將4個處理的22個與黃瓜生長、產量及品質有關的指標作為分析指標進行主成分分析，得到主成分特征值、貢獻率和累積貢獻率(表5)。研究中按照特征值大于1及累計貢獻率大于85%的原則，提取了3個主成分。結果如表5所示，第1主成分特征值為16.693，代表4個處理22個指標的75.875%的信息；第2主成分的特征值為2.971，代表4個處理22個指標13.503%的信息；第3主成分的特征值為2.337，代表4個處理22個指標10.622%的信息，前3個主成分累計方差貢獻率為100%，說明這 3個主成分反映了原始變量100%的信息。因此提取前3個主成分代替原22個指標評價不同灌水下限對黃瓜生長、產量及品質的影響，達到了降維的目的。

圖2 不同灌水下限對黃瓜果實可溶性蛋白(A)、可溶性糖(B)、Vc(C)及硝酸鹽含量(D)的影響Fig.2 Effect of different irrigation lower limits on soluble protein (A), soluble sugar (B), Vc (C),and nitrate content (D) in cucumber fruits

表4 不同灌水下限對黃瓜果實礦質元素含量的影響

主成分的載荷矩陣旋轉之后載荷系數若更接近1或更接近0，這樣得到的主成分能夠更好地解釋變量。由表6結果可知，主成分1(F1)主要綜合了株高(因子載荷為0.960)、葉面積(因子載荷為0.993)、單果重(因子載荷為0.886)、單株果數(因子載荷為0.954)、產量(因子載荷為0.881)、瓜長(因子載荷為0.977)、瓜粗(因子載荷為0.875)、含水量(因子載荷為0.887)、可溶性蛋白(因子載荷為0.803)、Vc(因子載荷為0.978)、全K(因子載荷為0.752)、全Mg(因子載荷為0.957)、全Cu(因子載荷為0.864)、全Fe(因子載荷為0.910)、全Mn(因子載荷為0.556)和全Zn(因子載荷為0.796)這16個指標的信息；主成分2(F2)主要綜合了莖粗(因子載荷為0.928)、水分利用效率(因子載荷為0.721)、可溶性糖(因子載荷為0.689)及全Ca(因子載荷為0.866)這4個指標的信息；主成分3(F3)主要綜合了全P(因子載荷為 0.991)及硝酸鹽含量(因子載荷為0.337)這2個指標的信息，由于因子負荷均為正值，位于正向分布，所以因子得分越高，所對應的指標的得分越高。

如表6所示，用各指標的主成分載荷除以相對應主成分特征值的平方根，得到3個主成分中每個指標所對應的系數即特征向量，以特征向量為權重構建3個主成分的表達函數式：

Y1=0.235X1+0.076X2+0.243X3+0.217X4+0.2345+0.2166+0.149X7+0.239X8+0.214X9+0.217X10+0.126X11+0.197X12+0.239X13-0.043X14+0.184X15-0.001X16+0.234X17+0.117X18+0.212X19+0.291X20+0.556X21+0.796X22

Y2=0.115X1+0.538X2+0.039X3+0.264X4+0.17X5+0.274X6+0.418X7+0.083X8+0.279X9+0.243X10+0.4X11+0.34X12+0.095X13-0.536X14+0.227X15-0.079X16+0.144X17+0.502X18+0.256X19+0.217X20-0.359X21+0.086X22

表5 主成分分析的特征根及方差貢獻率

表6 主成分分析的旋轉載荷矩陣及特征向量

Y3=0.13X1+0.137X2-0.062X3+0.057X4-0.039X5+0.02X6+0.216X7+0.104X8+0.038X9+0.127X10+0.335X11+0.066X12+0.085X13+0.221X14+0.346X15+0.648X16-0.097X17-0.101X18+0.158X19-0.118X20-0.363X21+0.384X22

在以上3個表達式中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19、X20、X21及X22分別為Z-score法標準化后的22個指標的標準值，同時，在標準化的過程中對負向指標硝酸鹽含量進行了取負數的正向化處理。以各個主成分對應的方差貢獻率作為權重，由主成分得分和對應的權重線性加權求和得到綜合評價函數如下：

綜合得分=0.765Y1+0.129Y2+0.106Y3

根據主成分綜合得分模型，可計算出4個處理22個指標的綜合得分和排序(表7)。綜合得分從高到低依次為處理C、處理D、處理B、處理A。

表7 4個處理黃瓜的綜合得分

3 討 論

黃瓜是我國重要的設施栽培作物，其對水分敏感，具有需水量大且不耐旱的特點[21]。我國溫室黃瓜種植中對水分管理缺乏科學的量化指標，常根據經驗來確定灌水量和灌水周期，這對溫室環境、水分利用效率的提高和病蟲害的防治均有不利影響[22]，因此，在設施溫室蔬菜灌溉節水方面，國內外學者對非充分灌溉范疇內節水進行了較多研究，如虧缺灌溉、調虧灌溉、交替隔溝灌溉、控制上下限灌溉等[23-27]。本試驗針對控制灌水下限的節水灌溉模式進行了研究，灌水下限即灌水起始點，它決定了作物的灌水次數、灌水間隔時間及灌水量[28]。試驗結果表明，隨著灌水下限的提高，黃瓜植株的株高、葉面積呈逐漸上升的趨勢，在張憲法等[29]的研究中也表明，控制土壤含水量在田間持水量70%以下時會顯著降低黃瓜植株株高、減小葉片面積，使植株營養生長受到限制；諸葛玉平[30]的研究認為番茄的莖粗與灌水下限的關系曲線呈拋物線形狀，即只有當灌水下限控制在適宜的范圍內，才會有利于莖粗的增加。姚磊等[31]認為，輕度水分脅迫能夠增大番茄莖粗，其后會影響葉面積及葉色，最終才導致株高和葉片數的改變。在本試驗中黃瓜植株的莖粗隨灌水下限的提高呈現出先上升后下降的趨勢，處理C即基質持水量為田間持水量的70%時，莖粗最大，這與前兩者的研究相似，表明了輕度的水分脅迫有利于莖粗的增大，有利于培育壯苗。王新元等[32]研究表明黃瓜生長速率、產量與灌水量呈明顯正比關系。劉軍等[33]在紫花苜蓿的研究中表明輕度水分脅迫的水分利用效率 (WUE) 顯著大于充分灌溉的WUE(P<0.05),表明適度水分脅迫可提高紫花苜蓿葉片的水分利用效率。本試驗結果同樣證明，隨著灌水量的增加，黃瓜果實的單果重、單株果數及產量均逐漸上升，而黃瓜的水分利用效率呈先上升后下降的趨勢，以灌水下限為田間持水量的70%時WUE最高。

本試驗結果表明，處理C和D的黃瓜果實瓜粗、含水量與商品瓜率無顯著性差異但顯著高于處理A和B，這可能是由于基質的含水量較高，黃瓜果實充實較快，有效地降低了畸形瓜數量[34]。可溶性蛋白和可溶性糖含量隨灌水下限的提高呈先上升后下降的趨勢，灌水下限為田間持水量70%處理的可溶性蛋白及可溶性糖含量顯著高于其他處理，可能是因為適當的水分虧缺可以提高黃瓜的果實品質，但灌水下限過低時，水分脅迫過重，造成后期植株合成碳水化合物等營養物質的功能顯著降低，從而導致黃瓜果實品質的顯著下降[35-37]，常莉飛[38]的研究同樣表明灌水量對黃瓜品質有一定的影響，隨灌水量的增加，黃瓜品質有下降的趨勢，表現在含水量的增加和蛋白質、可溶性糖含量的減少。處理C的黃瓜果實中硝酸鹽含量顯著低于其他處理，處理A和B黃瓜果實有較高的硝酸鹽累積量，這可能是由于干旱使黃瓜體內的硝酸還原酶含量下降、活性降低，從而導致硝酸鹽的積累顯著增加[39-40]。鉀和鈣是植物體生長、生活所必須攝取的營養元素，首先植物的細胞膜需要鈣離子來穩定，鈣離子能夠調節植物細胞的滲透壓，使植物的抗逆能力得到增強；其次，鉀可以活化植物代謝中的大部分酶；另外，鉀還能促進氨基酸、磷酸鹽以及硝酸鹽的吸收轉移。Yang等[41]研究發現在干旱和鹽堿條件下增加植物礦質元素的供應量能夠在一定程度上減緩脅迫對植物生長的抑制作用。Maathuis等[42]的研究也表明水分脅迫下K和Ca的攝取、積累能降低脅迫對植物生長造成的不利影響，使植物體對水分脅迫的耐受能力增強。本試驗結果同樣證明，隨著灌水下限的提高，黃瓜果實中K和Ca含量呈現先上升后下降的趨勢，處理C的K和Ca含量顯著高于其他處理，說明適度的水分脅迫有助于礦質元素含量的吸收以增強植物對脅迫環境的耐受能力。本試驗初始指標測定的是不同的生長、產量及品質指標，其量綱和數量級不同，并且據報道硝酸鹽含量對綜合評價屬于負影響[43]。因此本研究采用Z-score法對初始指標數據進行標準化，對負向指標硝酸鹽含量進行了取負數的正向化處理，從黃瓜植株生長、果實產量及品質性狀的角度對不同灌水下限處理進行綜合評價并建立適宜的評價方法，使結果更為客觀、合理。

4 結 論

綜上可知，隨著灌水下限的提高，灌水量逐漸增多，黃瓜株高和葉面積呈逐漸增大的趨勢，灌水下限為80%田間持水量處理顯著高于其他處理；莖粗則呈現先升高后下降的趨勢，灌水下限為70%田間持水量的黃瓜莖粗顯著高于其他處理，說明適當降低灌水下限有利于莖粗的增大；黃瓜單果重、單株產量均呈現逐漸上升的趨勢，然而水分利用效率卻呈現先上升后下降的趨勢，以70%田間持水量灌水下限處理的水分利用效率最高；黃瓜果實的瓜長、瓜粗、含水量及商品瓜率呈現逐漸上升的趨勢；黃瓜果實中可溶性蛋白、可溶性糖含量隨著灌水下限的提高呈現先上升后下降的趨勢，K和Ca含量呈現先上升后下降的趨勢，以70%田間持水量灌水下限處理的最高。主成分分析顯示不同灌水下限對黃瓜生長、產量及品質的影響評價指標由最初的22個降為3個主成分，達到了降維目的，且3個主成分代替了原指標100%的信息。綜合評價結果表明，各處理的得分順序從高到低依次為70%田間持水量、80%田間持水量、60%田間持水量、50%田間持水量的灌水下限處理。