水、氮、鉀互作對砂田嫁接西瓜產量和品質的影響

杜少平，馬忠明，唐超男，薛 亮，武永陶，李振謀

（1 甘肅省農業科學院蔬菜研究所, 甘肅蘭州 730070；2 甘肅省農業科學院, 甘肅蘭州 730070；3 甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所, 甘肅蘭州 730070；4 蘭州新區西岔園區管理委員會, 甘肅蘭州 730314；5 靖遠縣農業技術推廣中心, 甘肅靖遠 730600）

我國是西瓜生產與消費的第一大國，產量居世界第一，在世界園藝產業中始終占有重要地位。2019 年我國西瓜播種面積為153.9萬hm2，總產量為6324.1萬t，占全世界總產量的60.6%，人均消費量是國外平均水平的6.6倍[1]。‘壓砂瓜’是指在地表覆蓋5～15 cm沙礫層即“砂田”上種植的西瓜，常年種植面積約10萬hm2，主要集中分布在我國降雨量偏少的西北干旱和半干旱地區，其中甘肅中部和寧夏環香山地區占全國砂田總面積的90%以上[2]。壓砂西瓜已成為我國西甜瓜產業的重要組成部分，且在促進區域經濟發展、脫貧攻堅、鄉村振興中發揮了重要作用。砂田西瓜在經歷了從農戶自發零星種植轉變為政府引導規模種植的過程中，也伴隨著問題“不斷出現—不斷解決”的循環過程，如針對集約化種植模式導致的西瓜連作障礙問題，采取了嫁接育苗栽培技術[3-4]；針對“十年九旱”氣候因素導致的西瓜產量不穩定問題，采取了不同補灌技術[5-6]。然而，以上兩項技術在解決了砂田西瓜連作障礙和干旱脅迫瓶頸問題的同時，又產生了由于嫁接栽培和水肥管理不當造成的西瓜品質下降問題。為此，開展補灌條件下砂田嫁接西瓜產量、品質與水肥管理的耦合效應研究，對砂田西瓜水肥資源高效利用及高效優質生產既具有理論價值又有現實意義。

適宜水分和養分條件是促進作物產量和品質形成的兩個關鍵因素。謝忠奎等[7]研究發現，砂田西瓜補灌量控制在45 mm左右，既提高產量和水分利用率，又不降低西瓜品質。氮、磷、鉀養分缺乏會抑制小白菜[8]的生長，限制番茄產量，并降低其果實含糖量[9]。而養分過量不僅造成資源浪費且導致作物產量和品質形成受限。合理的養分用量與配比能夠有效提高番茄、黃瓜、西瓜等園藝作物的產量與品質[10-13]。許多研究表明，水分與養分對作物產量和品質的形成存在明顯的交互效應[6,14-15]，是實現高產優質的有效措施。研究表明，西瓜單瓜質量和產量均隨著補灌量和施氮量的增加而提高，其中灌水的增產效應大于氮肥，而西瓜含糖量則在一定補灌量和施氮量下最高，且氮肥對含糖量的正效應大于補灌[6]。馬波等[16]提出影響西瓜產量的因素為灌水定額＞施油渣量＞施復合肥量。我們通過研究膜下滴灌條件下嫁接西瓜適宜的水肥比例，以期為砂田西瓜高產優質和水肥高效利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于甘肅省白銀市靖遠縣五和鎮白塔村(E105°05′～105°14′，N36°90′～37°02′)，地處甘肅、寧夏兩省的交界地段，屬于興電東干灌區，海拔1700～2480 m，全年平均氣溫7℃～8℃，日照時間為2700 h左右，年平均無霜期150天，降雨量200～300 mm，屬于干旱半荒漠氣候景觀，是壓砂西瓜重要產區之一。2020年西瓜播前0—20 cm土層有機碳4.32 g/kg、全氮0.51 g/kg、堿解氮38.1 mg/kg、速效磷8.42 mg/kg、速效鉀141 mg/kg、pH 8.50。

1.2 供試材料

供試西瓜品種為當地砂田主栽品種‘金城5號’，嫁接砧木品種為‘京欣砧9號’，供試肥料氮肥為尿素(N 46%)、磷肥為普通過磷酸鈣(P2O512%)、鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)。

1.3 試驗設計

試驗采用水(W)、氮(N)、鉀(K) 3 因子5 水平二次飽和D-最優設計[17]，共設11個處理，3 次重復，隨機排列，試驗小區面積為90 m2(1.8 m×50 m)，西瓜種植株距120 cm，行距180 cm，密度為4650株/hm2，試驗設計的碼值方案見表1。

表1 試驗設計水平編碼及水肥用量Table 1 Horizontal encoding of experimental design and amount of water and fertilization

1.4 種植管理

試驗于2020年3月15日育苗，4月18日定植，7月25日收獲。西瓜全生育期采用砂田膜下滴灌種植，待西瓜嫁接苗“兩葉一心”時定植于直徑20 cm、深15 cm的砂田播種穴，之后進行機械鋪管覆膜，膜寬90 cm，膜下距瓜苗20 cm處鋪設一條滴灌帶，且在每個小區各安裝一個閥門和水表以精確控制灌水量。

西瓜全生育期共滴灌3次，定植期、伸蔓期、果實膨大期灌水量分別占總灌水量的5%、45%和50%。西瓜苗定植前底肥施30% N、100% P2O5、30% K2O；追肥采用滴灌施肥，其中伸蔓期施30%N、20% K2O；果實膨大期施40% N和50% K2O。砂田西瓜不整枝，且每株只留一個果實。其他田間管理與當地一致。

1.5 測定項目與方法

西瓜成熟期，每小區隨機選10個具有代表性的西瓜樣品稱量單瓜重，并統計小區西瓜產量。用手持式折光儀測定果實中心、邊緣可溶性固形物含量，以果實中心和邊緣可溶性固形物含量的平均值作為函數模型的因變量。

1.6 數據處理

試驗數據分析采用Excel 2003 和SPSS 19.0 數據統計軟件進行。

2 結果與分析

2.1 模型的建立

不同水肥處理的西瓜產量與含糖量見表2。以表1中水、氮、鉀編碼值為自變量，分別以表2中西瓜產量(Y1)、平均含糖量(Y2)為因變量，進行二次多項式回歸分析，分別得出西瓜產量(Y1)、平均含糖量(Y2)與水(W)、氮(N)、鉀(K) 3因素之間的回歸方程為：

表2 不同水肥組合西瓜產量與含糖量Table 2 Yield and sugar content of watermelon as affected by water and fertilizer combinations

Y1=62888+2786.335W+2428.068N+618.235K-383.027W2-785.417N2-282.538K2+178.715WN-317.062 WK+265.866NKR2=0.9829 (F=28.65，P=0.0298)

Y2=11.140-0.018W+0.126N+0.084K-0.048W2-0.085N2-0.063K2-0.026WN+0.057WK+0.009NKR2=0.9613 (F=34.49，P=0.0098)

對以上方程分別進行F檢驗，表明回歸關系顯著，說明該方程能夠反映水、氮、鉀肥與西瓜產量、果實含糖量之間的關系，故模型對西瓜產量、含糖量有良好的預測作用。

2.2 模型解析

2.2.1 主因子效應分析 由于水、氮、鉀肥對西瓜產量和含糖量的回歸方程已經過無量綱編碼代換，故直接比較各偏回歸系數絕對值的大小，可反映各因子的重要程度。從水、氮、鉀與西瓜產量回歸模型的一次項偏回歸系數可以看出，各因素對產量影響的順序為W＞N＞K，說明在本試驗條件下，灌水的作用居于首位，其次是氮肥，鉀肥作用最小；從水、氮、鉀與西瓜含糖量回歸模型的一次項偏回歸系數可以看出，各因素對含糖量影響的順序為N＞K＞W，說明在本試驗條件下，氮肥對西瓜品質的作用居于首位，其次是鉀肥和灌水。

2.2.2 單因子效應分析 分別將西瓜產量、含糖量回歸模型中3個自變量中的任意兩個固定在0碼值，可以得到剩余自變量與目標函數的關系，即，水、氮、鉀與西瓜產量、含糖量關系的單因子效應方程。分別為：

從圖1a看出，水和氮的產量效應曲線比較明顯，且水對西瓜產量的正效應最顯著，而氮的負效應比水的明顯；鉀的效應曲線比較平緩，表明本試驗條件下鉀肥對西瓜產量影響不大。各拋物線的頂點就是各單因素的最高產量值，與其相對應的便是各因素的最適投入量。本試驗中，灌水量碼值為3.64，即灌溉定額1841.65 m3/hm2時西瓜產量最高為67955 kg/hm2；氮肥碼值為1.55，即投入N 347.2 kg/hm2時西瓜產量最高為64764 kg/hm2；鉀肥碼值為1.09，即投入K2O 289 kg/hm2時西瓜產量最高為63226 kg/hm2。

由圖1b可知，西瓜含糖量的水、氮、鉀因素效應也均為拋物線，表明各因素都有明顯的提質效應，其中氮、鉀對含糖量的正效應最顯著，而水的負效應比較明顯。試驗中，西瓜平均含糖量最高11.14%對應的灌水量碼值為-0.188，即灌溉定額為614.74 m3/hm2；西瓜平均含糖量最高11.19%對應的氮肥碼值為0.741，即投入N 270.37 kg/hm2；西瓜平均含糖量最高11.17%對應的鉀肥碼值為0.667，即投入K2O 254.45 kg/hm2。

圖1 西瓜產量(a)與含糖量(b)的水、氮、鉀單因素效應Fig.1 Main effects of irrigation, nitrogen, and potassium on watermelon yield (a) and sugar content (b)

2.2.3 邊際效應分析 邊際效應可反映各因素的最適投入量和單位水平投入量變化對西瓜產量、含糖量增減速率的影響。分別對單因素效應方程求一階偏導，分別得到水、氮、鉀各因素的產量、含糖量邊際效應方程，將不同編碼值代入，并令 dy/dx=0 可得到圖2。圖2反映了各因素邊際產量、含糖量效應隨著3因素投入量增加的變化情況，水、氮、鉀3因素邊際效應均呈遞減趨勢，說明當投入量較低時，產量、含糖量增加明顯，但隨著投入量的增加，邊際效應遞減，其中氮肥的邊際效應遞減率大于灌水量和鉀肥。各因素西瓜產量邊際效應[式(7)、(8)、(9)]與x軸相交之處(W為3.637、N為1.546、K為1.094)和果實含糖量邊際效應[式(10)、(11)、(12)]與x軸相交之處(W為-0.375、N為1.482、K為1.333)為最適投入量，以后再增加投入量，將出現負效應。

圖2 西瓜產量(a)和含糖量(b)的單因子邊際效應Fig.2 Marginal benefit of each factor on watermelon yield (a) and sugar content (b)

2.2.4 耦合效應分析 在綜合水肥管理條件下，作物產量、品質的變化，不單純是各因子單獨效應的線性累加，還存在因子交互效應。本試驗確定的西瓜產量回歸模型中水氮、水鉀和氮鉀的交互項偏回歸系數均達顯著水平，說明水氮、水鉀和氮鉀的交互效應對西瓜產量產生顯著影響，分別將產量回歸模型中的水(W)、氮(N)、鉀(K)固定在0碼值，可得到其交互效應方程，分別為：

對產量方程作圖(圖3)分析可以看出，在編碼值范圍內，氮對水的交互效應大于鉀，鉀對氮的交互效應大于水，水對鉀的交互效應大于氮。由圖3分析得出，本試驗條件下，西瓜產量在60 t/hm2以上的水氮互作區間W為-0.9～2.1、N為0.3～2.1，即灌水量為386.54～1348.07 m3/hm2、N為228.49～399.44 kg/hm2；水鉀互作區間W為-0.9～2.1、K為0～2.4，即灌水量為386.54～1348.07 m3/hm2、K2O為200.00～400.00 kg/hm2；氮鉀互作區間N為-0.3～2.1、K為-1.8～2.4，即N為171.51～400.00 kg/hm2、K2O 為 53.07～400.00 kg/hm2。

圖3 產量因子交互效應分析Fig.3 The interactive effect of various factors on watermelon yield

同理，對西瓜含糖量方程作圖(圖4)分析可以看出，鉀對水的交互效應大于氮，水對氮的交互效應大于鉀，氮對鉀的交互效應大于水。由圖4分析得出，本試驗條件下，西瓜平均含糖量在11%以上的水氮互作區間W為-2.1～0.9、N為0.3～1.5，即灌水量為0～963.46 m3/hm2、N為228.49～342.46 kg/hm2；水鉀互作區間W為-1.5～0.9、K為-0.6～0.6，即灌水量為194.24～963.46 m3/hm2、K2O為151.02～248.98 kg/hm2；氮鉀互作區間N為-0.3～1.5、K為-0.6～1.8，即 N 為 171.51～342.45 kg/hm2、K2O 為 151.02～346.93 kg/hm2。

圖4 含糖量因子交互效應分析Fig.4 The interactive effect of various factors on watermelon sugar content

2.3 利用模型進行決策

利用計算機進行模擬試驗，得出了本試驗條件下砂田西瓜產量超過60 t/hm2的水肥方案(表3)。從表3可知，當各因素編碼值W為0.4149～1.0663、N為0.3304～0.9776、K為-0.2811～0.7129，即灌水量為807.98～1016.76 m3/hm2、N為231.38～292.84 kg/hm2、K2O為177.05～258.19 kg/hm2時可取得60 t/hm2以上的西瓜產量。

表3 西瓜產量超過60 t/hm2的因子取值頻率分布Table 3 Frequency distribution of the factors for yield higher than 60 t/hm2

同理可求得本試驗條件下，西瓜平均含糖量在11%以上的水肥方案(表4)，灌水量為555.48～875.96 m3/hm2、N 為 226.41～278.65 kg/hm2、K2O 為217.41～271.00 kg/hm2。通過綜合分析得出砂田膜下滴灌嫁接西瓜高產優質的適宜灌水量為808～876 m3/hm2，施肥范圍N為231～279 kg/hm2、K2O為217～258 kg/hm2。

表4 西瓜平均糖含量超過11%的因子取值頻率分布Table 4 Frequency distribution of the factors for average sugar content higher than 11%

3 討論

水分和養分是西北干旱半干旱地區砂田西瓜獲得高產優質的關鍵因素。合理補灌可使砂田西瓜產量較不灌水處理提高12.52%～45.68%[7,18-19]。合理氮肥運籌可使砂田西瓜產量較傳統施肥模式提高11.6%～12.5%，果實含糖量增加11.7%～16.5%[20]；適宜磷鉀肥配施條件下的西瓜產量和含糖量分別較不施用磷鉀肥處理增加7.54%～43.79%、5.86%～13.75%[21]。但是，水肥管理不當也給砂田西瓜品質帶來了負面影響。有研究發現，在相同灌水量條件下，砂田西瓜可溶性固形物含量、可溶性糖含量、糖酸比等主要品質指標隨施肥量增加而降低，在相同施肥量條件下隨灌水量增加也降低[22]。因此，通過水肥耦合效應研究，探索砂田嫁接西瓜高產優質的水肥管理方案對西北壓砂瓜產業高品質發展具有重要意義。

本試驗在膜下滴灌條件下研究了水、氮、鉀3因素不同用量對砂田嫁接西瓜產量的影響，結果發現，砂田嫁接西瓜產量在60 t/hm2以上的水氮互作區間灌水量為386.54～1348.07 m3/hm2、施氮量為228.49～399.44 kg/hm2，且灌水的效應大于氮肥。這與其他研究結果相似，馬波等[23]采用管灌補水方式確定出補水定額對壓砂地西瓜產量的影響大于施氮量；前期采用注水補灌方式研究發現灌水對砂田西瓜的增產效應大于氮肥[6]；張笑[22]采用膜下滴灌方式發現各因素對砂田西瓜產量影響的主次順序為栽培方式(自根/嫁接)＞灌水定額＞施肥量。因此，在干旱半干旱區，補灌對砂田西瓜產量的影響效應大于氮肥，且西瓜產量隨補灌量的增加而提高，隨施氮量的增加先提高后降低，這也與王力[24]、李建明等[25]在其他栽培模式下研究的西瓜水肥效應一致。此外，在本試驗條件下，水、氮及其交互效應對西瓜產量的影響最大，而鉀肥效應最小，這與Flocker等[26]和姚靜等[27]的研究結果基本一致。其內在機理可能由于水分是植物根系吸收、運輸和利用養分的基礎，因而施肥量一定的條件下，在一定范圍內增加灌水量有助于提高植株的養分吸收量，增加葉綠素含量，增強光合速率，促進干物質積累，進而提高作物產量；另一方面，適宜的水分條件下，增施氮肥也有利于增加葉片葉綠素含量，改善光合作用，提高水分利用效率，從而提高作物產量[28]。但是，當肥料施用過量，即低水高肥處理，容易對植物造成傷害，嚴重時發生燒苗，不僅限制作物產量，而且會導致土壤的鹽漬化[29-31]。因此，合理的水肥調控是西瓜增產的關鍵。

在西瓜品質指標中，果實中心和邊緣部位可溶性固形物含量都與各種糖含量呈極顯著正相關，因此，可將可溶性固形物含量作為評價西瓜甜度和品質的重要指標[32]。水肥管理是影響西瓜可溶性固形物含量及其他品質指標的主要因素。本試驗結果發現，西瓜含糖量隨水肥用量增加呈先升后降的趨勢，這也與一些相關研究[6,18,22-25]的結果相似。其中氮、鉀對西瓜糖含量的正效應顯著，這可能主要歸因于氮、鉀在果實成熟過程中能夠作為感受信號，通過感知氮素或鉀素營養信號變化，調控植物體內相關基因表達及酶活性，從而影響果實的糖酸代謝與發育進程。有研究發現，坐果后適量噴施氮肥或鉀肥可提高果實成熟期間ADPG 焦磷酸化酶(AGPase)、α-淀粉酶及β-淀粉酶的活性，促進淀粉的合成以及淀粉向葡萄糖的轉化；同時酸性轉化酶(AI)、蔗糖合酶(SS)、山梨醇脫氫酶(SDH)及蔗糖磷酸合成酶(SPS)的活性也受到氮或鉀的正向調節，從而促進了果糖、葡萄糖及蔗糖在果實中的積累，進而改善果實品質[33]。適宜配比氮鉀的施用可上調6-磷酸醛糖還原酶(A6PR)、中性轉化酶(NINV1)、蔗糖磷酸合成酶(SPS1)及半乳糖激酶(GALK)關鍵編碼基因的轉錄表達水平，從而提高成熟果實中的葡萄糖、果糖和蔗糖含量，同時上調蘋果酸酶(ME)關鍵編碼基因的轉錄表達，降低果實中的蘋果酸含量，最終提高果實甜度[34]。另一方面，本試驗結果發現，水對西瓜糖含量的負效應比較明顯。這與Erdem等[35]發現適當水分虧缺可提高西瓜可溶性糖和固形物含量的結果相一致。其內在機理可能是，由于灌水量減少可以增加通過韌皮部進入果實的糖濃度，以利于果實中可溶性固形物的積累[36]；適度水分虧缺可以激活蔗糖轉運蛋白，并提高其穩定性，進而促進液泡中可溶性糖的積累，同時提高酸性轉化酶(AI)和胞壁轉化酶活性，從而促進果糖和葡萄糖等可溶性糖的積累，改善果實品質[37-38]。反之，高水低肥則會對果實品質形成“稀釋效應”，降低果實品質[39]。因此，合理的水肥調控也是西瓜優質生產的關鍵。

4 結論

水、氮交互作用對西瓜產量表現為正效應，對品質表現為負效應，氮、鉀交互作用對西瓜產量與品質均表現為正效應。西瓜產量超過60 t/hm2的適宜灌水量為808～1017 m3/hm2、施N為231～293 kg/hm2、施K2O為177～258 kg/hm2。獲得果實平均糖含量11%以上的適宜灌水量為555～876 m3/hm2、施N為 226～279 kg/hm2，施K2O為 217～271 kg/hm2。綜合來看，高產優質嫁接西瓜的適宜灌水量為 808～876 m3/hm2、施 N 為 231～279 kg/hm2、施K2O 為 217～258 kg/hm2。