減量施肥耦合調虧灌溉對干熱區芒果產量和品質的影響

彭有亮，費良軍，劉小剛，孫光照，王秀康

（1 西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048；2 昆明理工大學農業與食品學院，云南昆明 650500；3 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；4 延安大學生命科學學院，陜西延安 716000）

截止2018年，中國的芒果(Mangifera indica. L.)種植面積達27.8萬hm2，年產量226.8萬t，種植面積和產量均位列世界第二。我國干熱河谷區主要分布于金沙江、元江、怒江、南盤江等沿江的四川攀枝花、云南和貴州等地區，其特殊的地理位置和峽谷地貌十分有利于芒果樹生長。位于云南省玉溪市的元江干熱河谷是我國著名的干熱河谷之一，芒果產業是該地區的主要經濟來源之一，已成為當地果農增收致富的支柱產業。但由于該區降水量少且分配不均，蒸發量大，且當地果農采取的灌溉方式大都為漫灌或者不灌溉，同時果農為了追求產量而盲目施肥，導致土壤養分失調、芒果肥料利用率低和品質低劣等問題。因此，為促進干熱河谷區芒果的優質生產，科學的灌溉施肥制度迫在眉睫。

研究表明，在作物某些生長階段進行虧缺灌溉，可節約灌水量和改善果實品質，同時產量變化不明顯[1–3]。與充分灌溉相比，坐果期調虧灌溉會導致芒果產量降低，而成熟期調虧灌溉則能保證產量和水分利用效率不降低[4]。適度虧缺灌溉能改善芒果品質[5–6]。減少灌水量能加速芒果中淀粉分解和提高果糖含量[7]，同時改變果實大小分布[5]。與充分灌溉相比，調虧灌溉對芒果果實的生長和采后質量無不利影響[5]。目前有關干熱區如何通過調虧灌溉實現芒果提質穩產和提高水分利用效率尚不清楚。

在芒果果實發育成熟過程中需要大量的礦質元素[8]，因此平衡施肥是保證芒果優質高產的必要條件。張鵬等[9]等研究發現，減量施肥20.0%～30.0%會顯著增加芒果果實的可溶性固形物，同時果實品質綜合評價得分也最高。這與Albadawy等[10]的研究結果不一致。適量配施氮、磷、鉀肥能有效提高芒果果實的口感[11–12]。研究表明增施鉀肥可提高芒果果實含糖量、降低總酸含量[11]，增施氮肥可提高產量和果實酸糖比[13]，而Ali[14]發現增加施肥量后芒果產量無顯著變化。目前，干熱區減量施肥對芒果產量和品質的影響尚不清楚，值得進一步研究。

灌溉施肥技術將水肥供應通過灌溉結合起來，可實現作物產量的最大化。與常規畦灌相比，滴灌施肥顯著增加芒果鮮果產量12.2%～47.9%，增加水分利用效率42.3%～169.4%，節約灌水量21.1%～45.2%[15]。與溝施肥料和傳統漫灌組合相比，滴灌施肥方式提供了最佳的水肥耦合條件，增加芒果產量23.5%～31.6%，同時顯著改善芒果品質。滴灌施肥氮鉀用量為溝施量的70.0%效果最好[16]。微潤灌溉是一種利用半透膜材料的地下連續灌溉技術[17–18]，具有減少地表蒸發、節水高效和改善土壤環境等特點[19–20]，同時為農業水肥一體化提供了最佳載體。與滴灌相比，微潤灌溉可顯著提高番茄的水分利用效率，同時獲得較高的番茄產量[19]。而微潤灌溉施肥對干熱區芒果的產量、品質和水分利用的影響以及適宜的施肥量尚不清楚。

如何運用微潤灌溉將灌溉與施肥有效結合起來，實現芒果穩產、提質和提高水肥利用效率尚不清楚。為此，本研究目標是在不同施肥水平下，以充分灌溉為對照，研究不同調虧灌溉模式對芒果產量、水分利用效率和品質的影響，并用主成分分析法和隸屬函數值法對品質指標進行綜合評價，以期找到最佳調虧灌溉和減量施肥耦合模式，為干熱區芒果科學灌溉和施肥管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年2—7月在云南省玉溪市元江縣甘莊農場進行 (102°0′ E，23°11′ N，海拔 840.05 m)。該區域屬典型的亞熱帶干熱河谷氣候，年均溫度23.8℃，無霜期285天，年均降雨量788 mm，年均蒸發量2750.90 mm，年平均相對濕度67.0%。試驗期間氣象要素如圖1。試供土壤為砂壤土、容重1.35 g/cm3、pH 6.70、有機質 10.12 g/kg、堿解氮60.22 mg/kg、有效磷 30.34 mg/kg、速效鉀 118.51 mg/kg。

圖1 試驗期間氣象要素Fig. 1 Meteorological condition during experiment

1.2 試驗設計

供試芒果樹品種為7年生貴妃芒(Mangifera indicaL.)，株高 3.0～3.2 m，地徑 11.0～14.0 cm，行株距為7.0 m×5.0 m。2018年芒果樹關鍵物候期：開花期(FS)為2月20日—4月1日，果實膨大期(ES)為4月2日—5月13日，果實成熟期(MS)為5月14日—7月10日。

試驗設置灌水和施肥兩個因素，完全隨機區組設計，共12個處理。灌水處理包括在芒果開花期、果實膨大期、果實成熟期虧水灌溉(DIFS、DIES和DIMS)；調虧水平為芒果蒸發蒸騰量(ETC)的50%，和全生育期充分灌溉(IF)。芒果蒸發蒸騰量ETC采用單作物系數法計算，公式如下：

式中，KC—綜合作物系數，開花期、膨大期和成熟期分別取 0.5、0.8 和 0.7[21]。

ET0采用彭曼公式計算，公式如下：

式中，ET0—參考作物蒸發蒸騰量(mm/d)；Rn—輸入冠層凈輻射量 [MJ/(m2·d)]；G—土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；T—2 m 高處日平均溫度 (℃)；u2—2 m高的風速(m/s)；es—飽和水汽壓(kPa)；ea—實際水汽壓(kPa)；Δ—飽和水汽壓與溫度關系曲線在某處的斜率(kPa/℃)；γ—干濕溫度計常數(kPa/℃)。

根據ETC和實際有效降雨量確定充分灌水的灌水定額(表1)。

表1 試驗期間灌水量和有效降雨量(mm)Table 1 Rainfall and irrigation during the experimental period

施肥設高、中、低3個水平，即0.45 kg/株(FH)、0.36 kg/株 (FM)、0.27 kg/株 (FL)，高水平為當地施肥量，供試肥料為大量元素水溶肥，其N–P2O5–K2O為12–8–40，由賽固特生物科技有限公司生產。每個處理具體灌水和施肥水平見表2，每個處理3個重復，每個重復3棵芒果樹。

表2 試驗設計方案Table 2 Irrigation and fertilizer rate in each experimental treatment

1.3 試驗布置

微潤灌溉施肥水肥一體化系統由微潤管、供水箱、水表、過濾器、排氣閥、減壓閥、壓力表和沖洗閥等組成(圖2)。各處理設有單獨的供水箱和水表精確控制灌水量。第3代微潤管(深圳市微潤灌溉技術有限公司)的內層為厚度0.06 mm的高分子半透膜，它分別在樹干兩側0.50 m處埋設，每棵果樹水平埋設3.00 m有效滲水長度的微潤管，埋深為20.00 cm。微潤管壓力水頭為0～2.50 m，流量約為0.01～4.70 L/(m·d)。隨時檢查并保證微潤灌溉施肥系統正常運行。水溶肥分別于2月20日、4月2日、5月13日等量施入，進行兩次稀釋后隨微潤管施入芒果根區。

圖2 微潤水肥一體化示意圖Fig. 2 Schematic diagram of fertigation layout

1.4 測定項目和方法

在果實成熟期(7月3日—7月10日)分批采摘芒果，采用稱重法測定每棵果樹產量。水分利用效率 (water use efficiency, WUE)計算公式如下[22]：

式中，WUE為水分利用效率(kg/m3)；Y為產量(kg/hm2)；I為芒果全生育期的需水量(mm)。

在果實成熟期，每棵樹按東、西、南、北4個方位隨機采果10個測定芒果品質。含水率采用烘干法測定；可溶性固形物采用手持式折光儀測定；可滴定酸采用指示劑滴定法測定；總糖采用分光光度法測定；維生素C采用2,6–二氯靛酚滴定法測定；類胡蘿卜素參照GB/T 12291—1990測定；果形指數為果實縱徑與橫徑的比值；可食率為可食部分質量與果實總質量的比值；固酸比為可溶性固形物與可滴定酸的比值；糖酸比為總糖與可滴定酸的比值。

1.5 數據處理

采用Excel 2016軟件進行數據統計分析和作圖，用 IBM SPSS Statistics 19 軟件進行主成分分析和方差分析(ANOVA)，多重比較采用Duncan法(α=0.05)。

隸屬函數值法的隸屬函數值計算公式如下：

式中：R(Xi)為隸屬函數值；Xi為第i個指標的測量值；Xmin為第i個指標的最小值；Xmax為第i個指標的最大值。

當指標與評價性質為負相關，則用反隸屬函數進行轉換，計算公式為：

2 結果與分析

2.1 減量施肥耦合調虧灌溉對芒果產量和水肥利用效率的影響

由圖3可知，灌溉和施肥及其交互作用對產量、水分利用效率和肥料偏生產力的影響顯著(P<0.05)。全生育期充分灌溉(IF)處理下，芒果產量平均為94.33 kg/株，WUE 平均為 7.48 kg/m3，肥料偏生產力平均為273 kg/kg。與之相比，DIFS和DIES處理減少產量分別為23.4%和20.3%，減少水分利用效率分別為13.6%和1.7%，減少肥料偏生產力分別為24.0%和20.5%，而DIMS增加水分利用效率和肥料偏生產力分別為21.6%、5.0%，同時產量變化不明顯。與FH處理 (產量 84.62 kg/株，水分利用效率 7.56 kg/m3)相比，FM增加產量和水分利用效率不明顯，而FL處理降低產量和水分利用效率不明顯。肥料偏生產力隨著施肥量的減少而增加，與FH(188.05 kg/kg)相比，FM和FL處理分別增加30.4%和62.1%。與CK(IFFH處理，產量93.87 kg/株，水分利用效率7.44 kg/m3，肥料偏生產力208.64 kg/kg)相比，除DIMSFH、DIMSFM和DIMSFL處理增加水分利用效率16.7%～28.1%和DIESFH、IFFM處理增加不明顯外，其余處理降低了0.8%～20.3%；除DIFSFH和DIESFH處理減少肥料偏生產力外，其余處理增加0.5%～74.4%。在所有處理中，DIMSFM處理取得最大的產量，與CK相比增加10.1%，另外除DIMSFH、DIMSFL、IFFM處理增加產量不明顯外，其他處理減小產量2.1%～29.4%。

圖3 調虧灌溉與減量施肥耦合對芒果產量和水分利用效率的影響Fig. 3 Effects of reduction of fertilizer on yield and water use efficiency of mango under regulated deficit irrigation

2.2 減量施肥耦合調虧灌溉對芒果品質的影響

灌溉對芒果果實含水率、可溶性固形物、可滴定酸、維生素C、可食率、固酸比和糖酸比影響顯著(P<0.05) (表3)。可滴定酸和固酸比是分析芒果風味品質的重要評價指標，與IF處理相比，DIFS處理和DIES處理增加可滴定酸分別為21.4%和48.1%，減少固酸比分別為14.5%和39.3%，而DIMS處理減少可滴定酸4.7%，增加固酸比10.5%，另外DIFS減少維生素C為6.8%，DIES處理減少可溶性固形物和可食率。施肥水平對含水率、維生素C和固酸比影響顯著(P<0.05)，隨著施肥量的減少大部分品質指標先增后減。與FH處理相比，FM處理增加維生素C和固酸比分別為8.1%和11.3%，FL處理減少含水率、維生素C和固酸比分別為1.5%、6.7%和9.8%，可見施肥過多和過少都會不同程度上降低果實品質。灌溉模式和施肥水平的交互作用對可食率影響顯著(P<0.01)。IFFL處理的可食率最大，比CK增加12.0%，是最小處理DIESFL的1.2倍。DIESFL、DIFSFM和IFFH處理的可滴定酸、總糖和果型指數分別最大。DIMSFM處理同時獲得最大的可溶性固形物、維生素C、類胡蘿卜素、固酸比、糖酸比。

表3 減量施肥耦合調虧灌溉對芒果品質指標的影響Table 3 Effects of reduction of fertilizer on quality indexes of mango under regulated deficit irrigation

2.3 主成分分析

對芒果果實品質進行Pearson相關性分析發現，各品質指標間存在不同程度的相關性和信息重疊，因此若要進行綜合評價則需要剔除評價指標間的重復[23]。主成分分析可刪去多余的變量，建立盡可能少的新變量，使得這些新變量兩兩不相關，并且這些新變量在反映原始信息方面盡可能保持原有的信息。

對不同處理下芒果品質的10個指標進行主成分分析，結果如表4所示，將這10個指標提取2個主成分，累計方差貢獻為80.3%，可代表大部分的原始數據。第1主成分包含了原始信息的66.9%，其中主要由可滴定酸、總糖、維生素C、固酸比、糖酸比等決定，這些指標主要影響芒果果實的口感，可命名為口感因子；第2主成分由可食率和果型指數決定，這些指標都是物理指標，包含了原始信息的13.4%，可命名為物理因子。

表4 主成分分析解釋的總方差Table 4 Total variance explained by the principal component analysis

為了消除不同單位和數據量綱的影響，需對各品質指標原始數據進行標準化處理。根據標準化后的數據與特征向量計算各主成分得分，公式如下:

式中：y1、y2為第1和第2主成分得分；X1為含水率(標準化值，后同)；X2為可溶性固形物；X3為可滴定酸；X4為總糖；X5為維生素C；X6為類胡蘿卜素；X7為果型指數；X8為可食率；X9為固酸比；X10為糖酸比。

以2個主成分所分別對應的特征值與這兩個主成分特征值之和的比例作為權重，計算主成分綜合得分：

由式(8)計算的結果如表5所示，綜合得分越高說明該處理的綜合品質越好。結果表明，綜合品質排名前3的處理是DIMSFM、DIFSFM、DIMSFH，說明這3個處理的綜合品質相對其它處理要好；得分最低的3個處理分別為DIESFM、DIESFH、DIESFL。

表5 各主因子得分及綜合得分Table 5 Main factors and comprehensive score

2.4 隸屬函數值法

隸屬函數值法是依據隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，基于模糊數學的一種綜合評標方法。它具有結果清晰、系統性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。隸屬函數值計算公式如式(4)和式(5)。將各個處理的各個指標的隸屬函數值相加求平均值，均值越大，說明越好。并對不同處理的隸屬函數值均值進行排序(表6)。由表6可知，綜合隸屬函數值最大的是DIMSFM，其次是DIFSFM，最小的是DIESFL。

表6 不同處理下芒果隸屬函數評判表Table 6 Evaluation of membership function under different treatments

3 討論

調虧灌溉能提高作物產量和水分利用效率，同時改善果實品質，不同生育期進行調虧灌溉對作物產量和品質的影響也不同[24]，這可能是由于不同時期水分虧缺造成植物生理激素代謝與合成的差異所致[25]。本研究表明芒果開花期調虧灌溉(DIFS)雖能改善果實品質，但產量和水分利用效率都減小，這與相關研究的結果[26]一致。而Santos等[27]發現DIFS處理不降低芒果產量，這可能是由于水分虧缺程度和氣象等要素不同所致。DIFS處理主要影響作物的產量[28]，果樹開花期是需水較大的一個時期，缺水會嚴重影響根系吸收營養物質，進而導致降低坐果率，而坐果數的減少會增加營養物質的轉化吸收[29]，從而提高芒果果實的可溶性固形物、總糖、維生素C和糖酸比等，進而改善了芒果品質。果實膨大期調虧灌溉(DIES)明顯降低芒果產量和果實品質。芒果果實膨大期是需水強度最大的一個階段，這個階段果實由細胞分裂期轉變為以細胞體積增大為主，缺水會降低芒果果實細胞吸收各營養成分的能力，致使芒果產量和品質降低。果實成熟期為果樹非需水關鍵期[30]，因此DIMS處理對芒果產量沒有明顯的影響。DIMS可導致果實細胞水勢降低，增強了細胞從外界吸收水分和營養物質的能力[30]，進而增加了芒果果實內的可溶性固形物、維生素C和類胡蘿卜素等。另外在成熟期進行一定程度的水分虧缺可使光合產物更多的分配給果實，從而更有利于芒果品質的改善。

合理施肥對提高芒果產量、改善品質起著重要的作用，是實現芒果高產高質的重要措施之一。目前大多數果農存在施肥越多產量越高的想法，但本研究發現中肥(FM)可提高果實產量和水分利用效率。這可能因為適當施肥可保證葉綠素含量和凈光合速率及蒸騰速率始終維持在較高水平，保證其營養生長旺盛，制造更多光合產物[31]。而肥料供應過多會使作物“徒長”[32–33]，反而對產量不利。施肥太少則會導致養分供給不足，進而減少產量。本研究還發現中肥條件下芒果維生素C和固酸比等取得最大值。這與適當施肥提高果實的可溶性固形物、固酸比、總糖和維生素C，從而提高果實口感的結果一致[31,34]。這可能由于適量施肥有利于根系生長，同時促進根系營養物質吸收和細胞分裂素的產生，也間接促進果肉細胞的分裂和膨大。并且適當施肥有利于提高土壤微生物活力，改善土壤微環境，促進芒果樹對養分的吸收，從而提高芒果品質[35]。

水肥是影響作物生長發育和提高果實產量品質的重要因素[36]，且水分和養分之間存在顯著的耦合效應[37]，合理的灌水和施肥既可促進作物的生長，增加產量，還可改善果實品質[31]，達到以水促肥、以肥調水的效果。本研究發現在芒果成熟期調虧灌溉中肥處理(DIMSFM)的產量和品質的綜合效益最優。在芒果果實成熟期，果實中的儲藏物質發生快速的分解與轉化，適度虧水可提高酸性轉化酶、中性轉化酶和蔗糖合成酶活性，促進可溶性糖的合成[38–39]，進而改善芒果品質。適量施肥可緩解因水分虧缺對作物產量產生的不利影響。這也表明，只有將調虧灌溉和施肥有效地結合起來，使兩者相輔相成，充分發揮兩者對芒果的正向調節作用，達到芒果的節水提質增產的目的。

本研究采用主成分分析和隸屬函數值法對芒果的品質進行綜合評價，發現主成分分析法和隸屬函數值法的評價結果基本一致，兩種方法均表明DIMSFM處理的綜合品質最優，其次是DIFSFM處理，而DIESFL處理的最差。

4 結論

調虧灌溉時期和施肥水平對芒果產量、品質和水分利用效率(WUE)影響顯著。開花期和果實膨大期缺水會降低芒果產量、品質和可食率，降低水分利用率和肥料偏生產力(PFP)；成熟期缺水可增加芒果水分利用率和肥料偏生產力，且不影響產量和品質。芒果產量和水分利用率均在中等施肥水平下最大，該施肥水平下肥料偏生產力(PFP)也高于高施肥量處理。主成分分析和隸屬函數值法綜合評價均表明，干熱區芒果綜合品質最優為中等肥料水平下成熟期虧水灌溉，其次是中等肥料下全生育期充分灌溉，而早期缺水和低施肥量對芒果的產量和品質最為不利。