優化施肥對西瓜產量和品質的影響

王義凡，石秀良，黃玉芳*，王慢慢，岳松華，汪洋，葉優良

（1.河南農業大學資源與環境學院/河南省農業綠色發展工程技術研究中心，河南鄭州 450002；2.杞縣農業農村局，河南杞縣 475200）

西瓜是我國重要的農產品，作為夏季重要的水果之一，深受廣大消費者喜愛。西瓜具有較高的營養價值，富含人體所需要的蛋白質、糖、鐵、維生素C 和氨基酸等，能防暑降溫、消除熱燥[1]。我國是世界西瓜生產與消費第一大國，西瓜種植面積占全球總面積的58.06%，產量占全球的76.5%[2]。隨著我國經濟的快速發展，勞動力成本迅速上升，未來西瓜生產一定會向著標準化、產業化、高效省工化方面發展，同時對高品質西瓜、特色功能性西瓜、反季節西瓜、觀光采摘西瓜生產等提出了新的要求[3]。河南省西瓜種植面積、產量在我國占據重要地位，2018年河南西瓜種植面積為251 000 hm2，單位面積產量為54 337.57 kg[4]。河南省開封地區種植西瓜的歷史悠久，尤以品質上乘聞名，享有“汴梁西瓜甜到皮”的美譽，2009年被農業部批準為農產品地理標志產品[5]。

西瓜對養分需求量大，在一定施肥范圍內，西瓜產量隨施肥量的上升而增加[6]。西瓜種植周期短、經濟效益高，每667 m2純利潤約為3 500 元。部分瓜農為追求高經濟收益，大量使用化肥、重施氮肥、盲目施肥、施肥方法不當，造成肥料利用率低下、土壤肥力下降、環境污染等問題[7-8]。如何根據土壤類型、土壤肥力水平和西瓜的養分需求規律進行科學合理施肥顯得尤為重要。前人通過土壤養分測試，基于土壤養分狀況和目標產量等進行推薦施肥，在一定程度上提高了西瓜產量和經濟效益[9-10]。由于河南省當前依然是以小農戶為主的經營單位，很難做到每戶都依據土壤測試結果進行配方施用，加之土壤取樣、測試成本高、時間長，在缺乏專業指導的情況下很難保障配肥準確性[11]。針對以上問題，國際植物營養研究所（IPNI）開展了基于作物產量和農學效率的養分管理和推薦施肥方法研究，應用計算機軟件技術發展為養分專家系統（Nutrient expert system，NE），用于區域和田塊尺度推薦施肥[12-13]。該技術原理是把土壤養分供應看作一個“黑箱”，用不施該養分地上部的產量或養分吸收來表征，利用已有作物養分吸收和產量關系，結合當地氣候、環境及種植習慣等，確定施肥推薦相關參數，根據目標產量給出施肥數量和施肥方法[14]。養分專家系統只需農戶回答一些簡單的關于作物產量和栽培管理措施等方面的問題，系統就會利用后臺的數據庫給出當前農戶的養分管理措施和施肥套餐方案[15]。本研究基于NE 對開封地區西瓜進行推薦施肥，研究優化施肥對西瓜產量、品質和經濟效益的影響，以期為該地區西瓜科學施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：尿素（含N 46%）2 000 元/t、復合肥（17-17-17）3 800 元/t，河南心連心化學工業集團股份有限公司；過磷酸鈣（含P2O512%）1 300 元/t、硫酸鉀（含K2O 50%）3 200 元/t、硝酸鈣（含N 15%，含CaO 25%）2 800 元/t，洋豐集團股份有限公司；硫酸鎂1 200 元/t、硼砂8 000 元/t、硫酸鋅10 000 元/t，國藥集團化學試劑有限公司。

儀器：TCS 電子臺稱；百分天平，GL522-1SCN，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；手持式折光儀，WZB45，上海物光。

1.2 試驗設計

試驗于2018 年春季布置在河南省開封市杞縣四個不同農戶的田塊上，試驗前取0～30 cm 土層深度的土壤，測試土壤基本理化性狀，見表1。

試驗共設置五個處理，如表2 所示。其中前4 個處理施肥方式均為氮肥基施60%，在坐果期、膨瓜期各追施25%、15%；磷肥一次性基施；鉀肥基施50%，在坐果期、膨瓜期各追施25%。農戶習慣施肥為基肥施用三元復合肥（17-17-17），坐果期再進行追肥。硫酸鎂30 kg/hm2，硼砂15 kg/hm2，硫酸鋅15 kg/hm2全部一次性基施。

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

表2 試驗處理及肥料用量Table 2 Experimental treatment and fertilizer dosage

前3 個處理是在OPT 施肥基礎上不施氮肥、磷肥、鉀肥。每個小區面積100 m2，供試品種選擇當地主栽品種黑美人，種植密度為8 400 株/hm2。4 月1 日前后播種，7月5 日左右收獲。除施肥外，處理1～4 處理的其它田間管理與農戶習慣組一致。

1.3 樣品采集與測定

收獲期，各小區采收30 個西瓜（九分熟），測鮮質量。從30 個西瓜中再選取5 個樣品，分為瓜皮和果肉（瓜中心10 cm 直徑范圍內為果肉心，剩余部分為果肉邊）測鮮質量，果肉與整瓜的比值為可食率。VC 含量以2,6-二氯淀粉藍滴定法測定[15]，可溶性固形物含量用手持式折光儀測定。

1.4 數據處理與分析

農學利用率和肥料偏生產力的計算公式見式（1）（2）。

試驗數據用SPSS 22.0 進行統計分析，不同施肥處理間差異采用單因素方差分析，用LSD 法進行多重比較，采用OriginPro 2016 繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對西瓜產量的影響

不同施肥處理對西瓜產量的影響見圖1。由圖可知，4 個試驗點，均以OPT 處理的產量最高，且顯著高于其他處理，分別增產5.94、4.96、8.15、15.54 t/hm2，增幅分別為12.8%、13.8%、23.1%、39.6%。OPT 處理基礎上不施用氮、磷或鉀肥后產量都會出現明顯下降，以OPT-K 處理的產量降幅最小，4 個試驗點（除田塊1）都以OPT-N 處理的產量降幅最大。田塊4 的OPT-K 處理產量顯著高于FP，而其它3 個田塊中OPT-K 的產量與FP 處理基本一致。

2.2 不同施肥處理對西瓜可食率的影響

不同施肥處理對西瓜可食率的影響見圖2。由圖2可知，與產量變化趨勢一樣，4 個試驗點均以OPT 處理的西瓜可食率最大，相比FP 處理，4 個試驗點分別提高了4.2%、8.5%、8.0%、3.4%，僅田塊3 增幅達顯著水平。OPT處理基礎上不施用氮、磷或者鉀肥都會影響西瓜可食率，4 個試驗點OPT-N、OPT-P、OPT-K 處理的可食率都顯著低于OPT 處理，不施鉀處理在田塊2 上的可食率表現為與OPT 間無明顯差異。

2.3 不同施肥處理對西瓜營養品質的影響

表3 不同施肥處理對西瓜營養品質的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on nutritional quality of watermelon

優化施肥提高了西瓜的VC 含量，同時降低了可滴定酸的含量，但不是4 個田塊都達到顯著水平（見表3）。相比OPT 處理，減少氮、磷、鉀肥均會降低VC 含量，不同田塊降幅不同，其中OPT-N 處理平均下降21.4%，OPT-P 處理平均下降13.5%，OPT-K 處理平均下降19.4%。可見，相比OPT 處理，減少氮、磷、鉀肥均會提高可滴定酸含量，不同田塊增幅不同，其中OPT-N 處理平均上升26.3%，OPT-P 處理平均上升31.2%，OPT-K 處理平均上升15.3%。果肉中心可溶性固形物含量明顯高于邊緣，OPT 與FP 處理間在果肉中心和邊緣的可溶性固形物含量沒有明顯差異。與OPT 處理相比，不施氮肥顯著降低了果肉中心的可溶性固形物含量，而OPT-P 僅發生在田塊1 上，OPT-K 僅發生在田塊4 上。不施氮同樣顯著降低了全部試驗點西瓜的果肉邊緣可溶性固形物含量，而OPT-K 僅在田塊2 和田塊4 上表現為顯著低于OPT，OPT-P 的固形物顯著降低也只發生在田塊4 上。

2.4 不同施肥處理對西瓜養分利用效率的影響

表4 優化施肥的肥料利用效率Table 4 Fertilizer use efficiency of optimized fertilization

表4 顯示OPT 處理化肥偏生產力顯著高于FP 處理，優化施肥提高了化肥效率。優化施肥下，磷肥農學效率最高，為136.0 kg/kg；其次是氮肥、鉀肥，分別為59.6、31.7 kg/kg。

2.5 不同施肥處理對西瓜經濟效益的影響

表5 不同施肥處理對西瓜經濟效益的影響Table 5 Effects of different fertilization treatments on economic benefits of watermelon

不考慮西瓜品質的差異，且西瓜單價都按1.6 元/kg計算，4 個田塊OPT 處理的西瓜產值相比FP 處理分別升高12.8%、13.7%、23.2%、39.5%。除產值外，肥料投入方面兩種施肥處理間相差約0.11 萬元/hm2。各處理其它投入（包含農藥、水電、地膜、人工）一致，均為18 375 元/hm2。產值減去肥料和其它投入得到經濟效益，從表5 可以看出，OPT 處理的經濟效益明顯高于FP 處理，增收0.90～2.59 萬元/hm2，增幅為20.9%～65.9%，平均為39.1%。

3 討論

3.1 農戶習慣施肥存在的問題

河南是我國重要的西瓜主產區，西瓜常年栽培面積達16 萬hm2以上，但在化肥施用上仍停留在靠經驗施肥階段，導致缺素或土壤中某種營養元素過剩等現象的發生，既影響西瓜產量、品質和經濟效益，又造成肥料浪費和環境污染[10]。西瓜經濟效益遠高于常規糧油作物，受經濟效益影響，農戶習慣投入大量肥料以獲取高產[16]。本研究中，農戶習慣氮、磷、鉀肥用量都為229.5 kg/hm2，N、P2O5、K2O 投入比例為1:1:1。前人研究發現，西瓜在整個生育期吸收鉀最多，氮次之，磷最少[17]。也有學者發現，西瓜整個生育期投入的N:P2O5:K2O 養分最佳比例應為1:(0.41～0.85):(1.28～1.3)[6,18]。在本研究中，基于養分專家系統得出的施肥量為氮肥174 kg/hm2，磷肥為63 kg/hm2，鉀肥為200 kg/hm2，其N:P2O5:K2O 比例為1:0.36:1.15，這與本研究推薦的養分比例十分接近。

本研究中，農戶習慣處理的西瓜肥料偏生產力顯著低于專家系統推薦施肥處理，過高的施肥量和不適宜的肥料配比是其化肥利用率不高的主要原因。鄧云等[19]報道，河南西瓜氮、磷、鉀肥農學效率分別為23.6、38.1、64.7 kg/kg，相較于此，本試驗條件下的氮、磷肥農學效率明顯提高，而鉀肥農學效率有所下降。

3.2 優化施肥在西瓜上的應用效果

將前期調研得到的農戶生產數據輸入計算機軟件中，養分專家系統則會根據目標產量計算出施肥數量和施肥方法，但肥料效果仍需進行田間驗證。本研究，相比農戶習慣施肥，優化施肥處理產量在4 個田塊都有顯著提高，平均增產22.3%。此外，本研究發現優化施肥與農戶習慣處理間可食率差異并不明顯，這就說明優化施肥引起的增產是西瓜整體質量的增加，并沒有增加瓜皮（非可食部位）的質量。

西瓜作為經濟作物，除產量外，品質因素更受人們的重視。肥料用量和配比對西瓜的品質有很大影響，本研究中，相比農戶習慣處理，優化施肥顯著提高了果肉的VC含量，降低了可滴定酸含量，有效改善了西瓜的口感和營養品質。優化施肥與農戶習慣施肥處理間可溶性固形物含量差異不明顯，結果顯示只有氮肥不足時才會造成果肉中心和邊緣可溶性固形物的顯著降低。前人研究認為一定范圍內隨著施肥水平的增加而提高，但在施肥過量的條件下，果實品質又呈下降趨勢[20]。因此，過量的肥料和不平衡的養分比例是農戶習慣生產中產出西瓜品質不高的重要原因。

西瓜產值高，除肥料外，其它成本投入占產值的22.0%～31.9%。肥料價格并不作為農戶考慮的首要因素，他們往往更關心肥料的效果。本研究中，相比習慣處理，優化施肥處理的肥料價格每公頃節約了1 100 元，產值提高了12.8%～39.5%，最終幫助農戶提高了20.9%～65.9%的經濟收益。本研究結果表明該優化施肥方案在西瓜上有良好的應用效果，可以用于開封地區的西瓜施肥指導。此外，可以聯合化肥企業，將優化施肥方案進一步物化和簡化，結合緩控釋技術生產出適合該區域的西瓜專用肥產品。

總之，優化施肥能提高西瓜產量，改善西瓜口感和營養品質，同時能夠增加農民收入，是能夠兼顧產量、養分高效利用和環境保護的一項科學施肥方案。