水肥耦合對黃沙爐渣復合基質栽培黃瓜光合熒光特性、產量及品質的影響

馬新超，周 宇，劉 青，軒正英，陳蒙蒙，張凱浩，王旭峰，譚占明

(1.塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾 843300；2.塔里木大學南疆特色果樹高效優質栽培與深加工技術國家地方聯合工程實驗室，新疆阿拉爾 843300；3.現代農業工程自治區重點實驗室，新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】黃瓜(CucumissativusL.)在設施蔬菜生產中占比較大，對水分及肥料需求量大[1]。過量的灌水與施肥[2]，會造成生產成本提高。農業生產中的綠色生產、節能減排、可持續發展等研究已經成為目前亟待解決的問題之一。分析不同水肥耦合處理對黃瓜光合熒光特性、產量及品質的影響，對研究黃沙爐渣復合基質栽培上的水肥一體化控制有實際意義。【前人研究進展】合理配置有限的水肥資源來提高作物產量與品質是農業發展面臨的重要課題之一[3]。灌水或施肥過多過少都會引起葉綠體色素含量的降低，不利于提高光合速率，合理水肥調控才是提高作物生理特性的關鍵[4]。光合作用是植物生產力構成的最主要因素之一，對光合作用規律的充分認識，有利于采取適當栽培和管理措施，提高植物的光合生產能力[5]。葉綠素熒光動力學技術是目前無損傷測定植物光合作用能量吸收、傳遞、耗散、分配的重要研究內容和方法[6]。李銀坤等[7]在運用負壓裝置和滴灌系統的供液模式中減少了水肥投入量，不僅促進溫室番茄生長、確保產量，也改善了果實品質且大幅度提高了水肥利用效率。陳麗娜等[8]發現黃瓜產量受灌水量的影響不明顯，主要受施肥量影響，中水高肥處理可使產量增加。【本研究切入點】研究水或氮對黃瓜光合熒光特性、產量及品質的影響已有大量報道，但針對在黃沙爐渣復合基質無土栽培模式下，研究灌溉水分、氮肥、磷肥和鉀肥耦合下黃瓜光合熒光特性、產量及品質的影響鮮見報道。研究溫室中水肥耦合效應對設施蔬菜生產的影響。【擬解決的關鍵問題】選擇黃瓜新泰密刺為試材，研究不同的水肥耦合處理對黃瓜光合熒光特性、產量及品質的影響，分析水分與養分聯合調控的理論與方法，以及在蔬菜生長過程中水分與養分供應上的耦合關系，優選出設施黃瓜栽培中滴灌施肥的最佳配比，為黃沙爐渣復合基質栽培上的水肥一體化控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗地點設在塔里木大學水建院試驗站連棟溫室內(E81°30′、N40°54′)，溫室南北向長40.00 m，東西向跨32.00 m，脊高5.50 m，透明覆蓋材料為PVC陽光板。該試驗地地處塔克拉瑪干沙漠西北邊緣，光熱資源豐富，日照時間長且晝夜溫差大，溫室內空氣相對濕度 49%～64%、溫度10～35℃。

無土栽培基質為黃沙：爐渣=5：4[9]，爐渣和黃沙分別購置于新疆生產建設兵團第一師12團鍋爐房和9團沙場，其pH值為7.19，EC值為1.01 mS/cm，容重為1.38 g/cm3，氣水比為0.71，內含有效氮58.46 mg/kg，速效磷6.96 mg/kg，速效鉀194.23 mg/kg，有機質含量為87.87 g/kg；黃瓜品種為新泰密刺(山東省新泰市祥云種業有限公司)，購于第一師阿拉爾市國際商貿城種子店；試驗所用尿素(N：46%)購置于新疆美豐化工有限公司、硫酸鉀鎂肥(K2O：22%)購置于中農集團控股股份有限公司、磷酸二氫鉀肥(P2O5:52%)和微量元素水溶肥均為四川國光農化股份有限公司生產。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設定不同的灌溉水分、氮肥、磷肥和鉀肥這4個因素，且每個因素設定5個水平。采用四元二次通用旋轉組合設計的1/2，設3次重復，每個重復共20個處理組合，每個處理20株苗。根據溫室內空氣蒸發量進行水分處理。于3葉1心后定植于栽培槽中，緩苗5 d后，選擇長勢一致的健壯植株進行水肥試驗。圖1，表1，表2

圖1 不同時間下溫室內蒸發量變化

表1 試驗因素水平及編碼

表2 試驗設計

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 光合生理

在水肥處理20 d后選擇天氣晴朗的1 d(2019年8月23日)，每處理隨機選定3株生長勢相近的植株，每株選取生長點向下第4片完全展開的并且完好的功能葉進行光合生理指標測定。

采用美國Li-cor公司生產的Li-6400XT型便攜式光合儀測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

水分利用率(Water use effective，WUE)=凈光合速率/蒸騰速率。

采用JUNIOR-PAM便攜式葉綠素熒光儀測定經過暗適應20 min的葉片初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、光下最小熒光(F0')、最大熒光產量(Fm')、并計算出實際光轉化效率(ΦPSⅡ)、最大光轉化效率(Fv/Fm)、PSⅡ活性(Fv/Fo)光化學淬滅系數(qP)、和非光化學淬滅系數(NPQ)。ΦPSⅡ=(Fm'-Fs)/Fm'，Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo，qP=(Fm'-Fs)/(Fm-Fo)，NPQ=(Fm-Fm')/Fm'。

采用乙醇浸提法[10]進行黃瓜葉片葉綠素含量的測定。

1.2.2.2 產量和品質

從黃瓜采收期至拉秧對田間采收黃瓜的鮮果直接稱重。統計每小區每次采收黃瓜的單果重和產量。于黃瓜盛果期采集植株中部黃瓜果實，用于測定黃瓜品質指標。可溶性蛋白含量使用考馬斯亮藍G-250法，可溶性糖含量使用改進的蒽酮比色法，VC含量為鉬藍比色法，可溶性固形物采用ATAGO-P32(Japan)手持折射儀測定[10-11]。

1.3 數據處理

采用Excel 2010和DPS 7.05軟件對各項指標進行 Duncan 多重比較，利用Excel 2010制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同水肥耦合處理對黃瓜光合作用的影響

研究表明，不同水肥耦合處理對黃瓜葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)和水分利用率(WUE)有顯著影響。處理C8的凈光合速率(Pn=13.04 μmol/(m2·s))顯著高于其他19個處理組合(F=24.80，P=0.000 1<0.05)，處理C10的凈光合速率(Pn=6.84 μmol/(m2·s))最低；處理8的氣孔導度(Gs=0.19 mol/(m2·s))除與處理2(Gs=0.17 mol/(m2·s))無顯著差異外，顯著高于其他處理(F=10.55，P=0.000 1<0.05)，處理9(Gs=0.07 mol/(m2·s))的氣孔導度值最小；處理C1的胞間CO2濃度最高，為246.28 μmol/mol，顯著高于(F=9.33，P=0.000 1<0.05)處理組合C4、C5、C7、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16和C20，處理C9的胞間CO2濃度最小，為182.98 μmol/mol；處理C8的蒸騰速率(Tr=4.93 mmol/(m2·s))顯著高于其他19個處理(F=10.01，P=0.000 1<0.05)，處理C9的蒸騰速率最小，為2.21 mmol/(m2·s)；處理C9的水分利用率(WUE=3.36 mmol/mol)除與處理C7、C13、C14、C15、C20無顯著差異外，顯著高于其他處理(F=5.56，P=0.000 1<0.05)，處理C10的水分利用率最小，為2.60 mmol/mol。表3

表3 不同水肥耦合處理下黃瓜光合作用變化

2.2 不同水肥耦合處理對黃瓜葉片葉綠素熒光參數的影響

2.2.1 不同水肥耦合處理對黃瓜葉片熒光參數的影響

研究表明，各熒光指標的各處理間均存在著顯著差異。處理C6的實際光轉化效率ΦPSⅡ為0.44，除與處理C1、C7、C13和C19無顯著差異外，顯著高于(F=8.57，P=0.0.000 1<0.05)其余處理，其次是C1和C3，為0.43，最小的是處理C10(0.31)；處理C12的最大光轉化效率Fv/Fm為0.60，除與C2、C7、C13、C14、C15、C18和C19無顯著差異外，顯著高于(F=2.24，P=0.015 8<0.05)其余處理，其次是C14和C18(0.57)，最小的是處理C20(0.45)處理C12的PSⅡ活性Fv/Fo為1.51，除與C2、C14和C18無顯著差異外，顯著高于(F=2.30，P=0.013 2<0.05)其余處理，最小的是處理C20(0.81)；處理C20的光化學淬滅系數(qP=0.95)，除與處理C1、C4、C6、C7、C17和C19無顯著差異外，顯著高于其余處理(F=3.45，P=0.000 5<0.05)，其次是C1，為0.93，最小的是處理C10，為0.73；處理C12的非光化學淬滅系數NPQ為0.64，顯著高于(F=2.62，P=0.005 1<0.05)其余19個處理，其次是C7和C19(0.38)，最小的是處理C6(0.05)。表4

表4 不同水肥耦合處理對黃瓜熒光特性變化

2.2.2 不同水肥耦合處理對黃瓜葉片葉綠體色素含量的影響

研究表明，各處理的葉綠體色素之間存在著顯著差異，處理C15的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量最高，分別為3.86、2.34和6.20 mg/g，其次是處理C2，分別為3.65、2.15和5.80 mg/g，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量最低的是處理C1，含量分別為，2.14、1.07和3.21 mg/g；處理C2的類胡蘿卜素含量最高，為0.62 mg/g，顯著高于其他19個處理組合，其次是處理C15，為0.61 mg/g，含量最低的是處理C1，為0.43 mg/g，其次是處理C7，為0.44 mg/g；處理C12的葉綠素a/b值(2.18)顯著高于其他19個處理，其次是處理C1，為2.01，值最小的是處理C15，為1.65，其次是C14，為1.68。表5

表5 不同水肥耦合處理下黃瓜葉片葉綠體色素含量變化

2.3 不同水肥耦合處理對黃瓜產量和品質影響

2.3.1 不同水肥耦合處理對黃瓜單果重和產量的影響

研究表明，各處理的單果重之間存在著顯著差異，處理C4的單果重最大，為270.62 g，與處理C3和處理C16無顯著差異，顯著高于其它處理；處理C8的單果重最小，為133.60 g，與處理C1、C5、C7和處理C9無顯著差異，顯著低于其它處理。

處理C16折合單產最大，為1 833.35 kg/667m2，與其他處理呈顯著性差異；其次為處理C4，為1 487.92 kg/667m2；處理C1的產量最低，為459.42 kg/667m2。圖2，圖3

圖2 不同水肥耦合處理條件下黃瓜單果重變化

圖3 不同水肥耦合處理下黃瓜產量變化

2.3.2 不同水肥耦合處理對黃瓜品質的影響

研究表明，不同處理間，黃瓜品質存在顯著差異。處理C12的可溶性固形物含量(5.4%)顯著高于處理C5、C6、C7、C8、C11、C13、C17、C18和C20，與其余處理差異不顯著，其次是處理C9，為5.37%，含量最低的是處理C8，為3.77%，其次是處理C6，為3.83%；處理C16的可溶性糖含量(4.73%)除與C2、C3和C14無顯著差異外，顯著高于其他C16個處理組合，處理C1的可溶性糖含量最低，為2.90%；處理C9的可溶性蛋白含量(0.98 mg/g)除與C3、C11、C13和C16無顯著差異外，顯著高于其他處理，其次是處理C16，為0.96 mg/g，處理C1的可溶性蛋白含量最低，為0.63 mg/g，其次是處理C7，為0.65 mg/g；處理C8的VC含量(3.15 mg/100g)顯著高于其他處理，其次是處理C9，為2.31 mg/100g，處理C6的VC含量最低，為0.81 mg/100g，其次是處理C11和處理C12，為0.97 mg/100g。表6

表6 不同水肥耦合處理下黃瓜品質變化

2.4 不同水肥耦合處理對黃瓜產量及品質影響的綜合評價

研究表明，黃瓜產量和品質表現最好的處理是C16，即90%Ep的水分供給、中等的氮肥和磷肥以及高的鉀肥即90%Ep和N 540 kg/hm2+P2O5270 kg/hm2+K2O 1 043 kg/hm2。表7

表7 不同水肥耦合處理下黃瓜產量及品質綜合評價

3 討 論

3.1 不同水肥耦合處理對黃瓜光合作用的影響

研究結果表明，75%Ep的水分和施肥量可以提高黃瓜植株的光合作用能力，處理C9的凈光合速率最低，且黃瓜植株在水分脅迫的條件下，即便是在中等的氮肥、磷肥和鉀肥條件下，也不能增強其光合作用，與蔣靜靜等[12]的研究結果一致。水分的減少，會導致氣孔關閉，蒸騰減弱，光合速率降低，在此基礎上，適當的肥料供給可以改變葉片的光合性能[13]。試驗結果與其一致，黃瓜葉片氣孔導度在75%Ep和較低的水肥條件下值最大。在105%Ep水和氮較高的條件下，黃瓜葉片的胞間CO2濃度最高，在105%Ep的水分供給下，黃瓜葉片的蒸騰速率保持在較高的水平，在90%Ep水平的水分供給下，高水平的鉀肥，加速了植株葉片的蒸騰，中等的肥料供給使植株的蒸騰作用處在一個較高的水平上。65%Ep水分供給處理組合的水分利用效率最高，115%Ep水平灌水處理的水分利用效率最低，灌水量可以直接影響植物對水分的利用效率，這與王鵬勃[14]的研究結果一致，并且在90%Ep水平的水肥供給下，水分利用處在較高水平，在75%Ep水分供給下，較低氮肥和較高磷鉀肥，有助于提高植株水分利用效率，在115%Ep水平的水分供給下，降低氮肥和磷肥的施用量，有助于提高植株的水分利用效率，與李建明[15]研究結果相近，水肥耦合對黃瓜的水分利用率有顯著影響。

3.2 水肥耦合對黃瓜葉綠素熒光參數的影響

植物的熒光特性是植物光合潛能的表現[16]，試驗研究結果表明，在115%Ep的水分供應下，較高的氮肥和較低的磷鉀肥，可以有效增加黃瓜的最大光轉化效率Fv/Fm，75%Ep的水分和氮肥供應下，較高的磷鉀肥可以有效增加黃瓜的最大光轉化效率Fv/Fm，90%Ep水分供應下的最大光轉化效率最高，隨著水分供應的降低或者升高而降低。在105%Ep的水分供應水平下，較高的氮肥供應，可以有效增加實際光轉效率Y(II)，在中等的水分條件下，實際光轉效率Y(II)隨著施氮量的增加而降低，較高的施氮量和較高的水分供給是峰值，而磷鉀肥對其的影響不顯著，與李曉等[17]的研究結果不太一致，可能是由于栽培基質和溫室內病蟲害較為嚴重引起。90%Ep的水肥供應可以有效的增加光化學淬滅系數qP值，75%Ep水分可以通過較高的施氮量來提高光化學淬滅系數qP值；在75%Ep的水分狀態下，可以通過增加施氮量來降低非光化學淬滅系數NPQ，在105%Ep的水分條件下，提高施肥量來降低非光化學淬滅系數NPQ，這與林興軍[18]的研究結果相似。

光合色素是植物進行光合作用的基礎[19]，也是植物產量形成因素的最重要的潛在因子之一[20]。試驗研究結果表明，在90%Ep水分供給下，黃瓜植株葉片的葉綠體色素含量處在較高的水平，在中等氮肥、磷肥和低的鉀肥施入有助于提高葉片的葉綠體色素；并且在105%Ep的水分和氮肥供給下，較低的磷鉀肥有助于黃瓜葉綠素的合成，較高的磷肥不利于葉綠素的合成，在75%Ep的水分供應下，較高的氮肥，有助于葉綠素的合成，這與李邵[21]的研究結果相似。設施條件下較露地光照弱，105%Ep的水分和氮肥條件下，較低的磷肥和鉀肥能提高黃瓜植株對光的利用，適當減少灌水量至75%Ep，在較高的氮鉀肥和較低的磷肥條件下，更能提高植株對溫室中光資源的利用，此結果與王虎兵等[22]的研究結果不一致，可能是由于研究的種類和當地的光照條件不同所引起的。

3.3 水肥耦合對黃瓜產量和品質的影響

高產和優質是很多研究者的最終研究目標[23-26]。在試驗中，105%Ep的水分供應下，較低的氮肥和磷肥，再施以較高的鉀肥可以有效增加黃瓜的單果重，這與ZHAO等[27]在番茄上的研究類似。單果重最高的水肥處理的黃瓜產量有所降低，這與ZHAO等[27]的部分研究結果有所不同，此水肥耦合處理對黃瓜坐果有消極影響，使坐果數不足以滿足栽培的需要。在75%Ep的水分供應下，較高的氮肥和鉀肥，再施以較低的磷肥有助于提高黃瓜的單果重；在90%Ep的水分、中等氮肥和磷肥下，再施以高的鉀肥，此時黃瓜單果重處在整個處理排列第2，這與RECEP ?AKIR等的研究結果相似[28]，并且在此條件下，黃瓜產量在所有處理中排列為第2，適當的減少灌水量有助于提高黃瓜的產量，這與Nangare[29]和Zegbe30]的研究結論相似。

試驗結果發現，不同水肥處理對黃瓜品質的影響差異顯著。陳秀香等[31]研究表明，適量增加灌水與施肥量有利于提高番茄品質，而灌水量和施肥量過高或過低都會導致果實可溶性固形物含量快速降低，這與試驗的研究結果相同。黃瓜VC含量在較高的灌水量和鉀肥耦合下最高，隨著灌水量和施肥量的減少，黃瓜VC含量逐漸減少。磷肥的施用可以影響植株對可溶性糖的合成，鉀肥的施用能夠影響細胞液滲透調節，從而影響可溶性糖由葉片向果實的轉移，較高的鉀肥對黃瓜可溶性糖含量的增加有促進作用。氮是蛋白質合成的要素之一，在不同的氮肥施用水平下，不同處理的黃瓜可溶性蛋白含量差異顯著，黃瓜可溶性蛋白在施氮量一樣的情況下，隨著灌水量的增加，可溶性蛋白含量減少。試驗研究結果中黃瓜可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白、隨著灌水量的增加其含量減少，表現為“稀釋效應”，與夏秀波等[32]的研究結果是一致的。

4 結 論

4.1水肥耦合條件下，處理C8的凈光合速率最高，隨著水分的增加，黃瓜的凈光合速率也增加。黃瓜葉片氣孔導度在75%Ep和較低的水肥條件下值最大；115%Ep水平的水分供給，利于降低黃瓜葉片的蒸騰速率；65%Ep水分供給處理組合的水分利用效率最高，115%Ep水平灌水處理的水分利用效率最低。

4.2在105%Ep的水分和氮肥供給下，較低的磷鉀肥有助于黃瓜葉綠素的合成。90%Ep水分供給下，黃瓜植株葉片的葉綠體色素含量處在較高的水平，最大光轉化效率值Fv/Fm最大。

4.3在75%Ep的水分供應下，較高的氮肥和鉀肥，再施以較低的磷肥有助于提高黃瓜的單果重，適當的減少灌水量有助于提高黃瓜的產量和品質。運用隸屬函數法對黃瓜產量和品質綜合評價，得分最高的處理組合為處理C16，即90%Ep和N 540 kg/hm2+P2O5270 kg/hm2+K2O 1 043 kg/hm2。

處理C16有利于提高黃瓜植株葉片中的葉綠素色素含量和凈光合速率，一定程度上提高了光能的利用效率，促進光合作用的順利進行，并且有效提高了黃瓜果實的產量和品質。在黃沙爐渣復合基質栽培模式下，適用于設施黃瓜生產的最優水肥配比是處理C16，即90%Ep和N 540 kg/hm2+P2O5270 kg/hm2+K2O 1 043 kg/hm2。