不同灌溉定額對設施黃沙基質栽培西瓜光合特性及產量、品質的影響

陳 亮，欒倩倩，藺 毅，楊世梅，嚴宗山，王翠麗，張自強

（甘肅省農業工程技術研究院 甘肅武威 733006）

西瓜[Citrullus lanatus（Thunb）Manf.]是葫蘆科西瓜屬一年生蔓性草本植物，原產非洲，喜光耐熱[1]。瓜瓤脆嫩、味甜多汁，含有豐富的礦物鹽和多種維生素，具有解熱、散毒、潤肺及利尿功能，是夏季主要的消暑果品。中國的西瓜栽培面積和產量均居世界第一，據聯合國糧食及農業組織（FAO）統計[2-3]，2019 年我國西瓜產量為6 324.1 萬t，占全球西瓜總產量的60.61%；西瓜栽培面積達147.158 萬hm2，占全球西瓜總面積的47.71%。隨著設施農業的迅速發展，西瓜設施栽培已成為我國農業不可或缺的重要組成部分。甘肅河西走廊地區沙漠總面積約1 217.02 萬hm2，發展沙漠戈壁瓜果等特色農產品，已成為發展“沙產業”的新型道路[4]，在可耕地資源日益匱乏的背景下，充分利用河西走廊地區現有的沙漠資源和豐富的光熱資源，大力發展沙漠設施西瓜種植業對西北農業產業結構調整至關重要。

甘肅河西走廊地處西北內陸極度干旱區，雖具有種植優質西瓜得天獨厚的地理資源優勢，但水資源嚴重匱乏、利用率低等問題突出，同時設施西瓜種植戶憑借種植經驗確定灌水量，水資源浪費嚴重，嚴重制約了河西走廊戈壁沙漠西瓜產業的發展[5]，如何充分利用有限灌水使戈壁沙漠西瓜達到高產優質，探尋一套科學合理的灌溉制度就顯得尤為重要。近年來，對西瓜的研究多集中在土壤栽培條件下的品種選育[6-8]、高產栽培[9-11]、病害防治[12-13]、西瓜種植機械化[14-15]等方面，而對設施黃沙栽培條件下的西瓜節水灌溉研究卻鮮見報道。為此，筆者以武威本地設施大面積主栽的美麗和4K 2 個西瓜品種為試驗材料，采用黃沙作為栽培基質，打破傳統的拱棚爬蔓栽培，首次采用吊蔓栽培模式，建立設施黃沙栽培西瓜水肥一體化技術體系，在灌溉次數一致的條件下，通過設定不同的灌溉定額，以常規灌溉量為對照，研究設施黃沙栽培條件下不同灌溉定額對西瓜植株葉片光合特性及果實產量和品質的影響，闡明不同西瓜品種對不同灌溉定額的光合生理響應機制，在此基礎上確定最適宜設施黃沙栽培西瓜的灌溉定額，以期為設施黃沙栽培西瓜高效用水提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年3 月1 日至7 月1 日在甘肅省農業工程技術研究院試驗基地日光溫室（規格為長100 m×跨度8 m）內進行。試驗地處于甘肅西部、河西走廊東端，地勢平坦，屬于典型的西北綠洲灌溉農業區，主要依靠石羊河地下水灌溉。平均海拔1776 m，年均降水量162.4 mm，主要集中在7—9月，年潛在蒸發量2114 mm，年均氣溫7.10 ℃，晝夜溫差平均7.9 ℃，≥10 ℃的有效積溫2 955.2 ℃，年均無霜期156 d。試驗種植所采用的黃沙為武威當地的戈壁沙漠黃沙，成分以SiO2為主，養分含量極少，容重1.54 g·cm-3，田間持水量9%，pH 值7.87。

1.2 材料

以武威本地設施大面積主栽的美麗和4K 2 個西瓜品種為試材，均屬早中熟品種，綠皮紅瓤，生長勢中等，果型大、產量表現較佳。嫁接苗（3 至4 葉1 心）購于甘肅省武威市古浪縣綠盈盈蔬菜種苗種植專業合作社。試驗用波美濃大量元素速效水溶肥購于江蘇綠港現代農業發展股份有限公司，采用肥料養分N、P2O5、K2O 質量比為20∶20∶20+TE 和13∶6∶40+TE 的2 種水溶肥。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 設置西瓜品種和灌溉定額2 個因素，西瓜品種為設施主栽的美麗和4K，灌溉定額設置5 個灌溉梯度處理（灌溉量的具體數值參照武威市戈壁沙漠區全生育期平均灌水量設計[16]），以常規灌溉（CK1、CK2）為對照，其中常規灌溉（CK1、CK2）為武威市戈壁沙漠區最高灌溉量，采用隨機區組試驗設計（圖1），共10 個處理（表1），每處理3 次重復，共30 個小區，每小區面積為6 m2（1 m×6 m）。灌溉方式為膜下滴灌，全生育期采用自主研發的YX-3 型水肥一體化智能管控設備精準控制水肥供給，為減少因水分側滲而造成的試驗誤差，不同處理小區之間用垂直埋深60 cm 的薄膜隔開。在進水口加裝精確度為0.001 m3的水表計量并控制各小區次灌水量。

圖1 試驗單區組定植示意

表1 試驗灌水方案設計

1.3.2 西瓜定植及管理 西瓜育苗采用50 穴穴盤，于3 月8 日移栽定植，以黃沙為栽培基質，地下槽式吊蔓栽培，栽培槽寬50 cm，走道寬50 cm，株距40 cm，行距100 cm，嫁接苗雙行錯位定植，采用水肥一體化膜下滴灌，膜下滴灌的滴箭插在幼苗根際5 cm 處，先定植后覆膜，另設置2 行作為保護行。在西瓜移栽前澆足底水，移栽定植后用金根移栽靈200 mL 灌根。試驗前每667 m2基肥施用商品有機肥1000 kg、油渣餅肥400 kg、硫酸鉀型（N、P2O5、K2O 質量比為15∶15∶15）三元復合肥15 kg、硫酸鉀10 kg，撒施于黃沙中，用小鐵鍬進行人工翻耕，充分混勻基肥。生長期追肥和灌水均采用筆者團隊研發的智能型水肥一體化滴管系統定時定量精準供給。西瓜整枝方式采用單蔓整枝，留單瓜，病蟲害防治及其他田間農事管理均與本地瓜農管理習慣一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 植株葉片數和坐果習性指標測定 分別于西瓜生長的苗期（3 月15 日）、伸蔓期（3 月25 日）、開花坐果期（4 月15 日）、果實膨大期（5 月7 日）和成熟期（6 月12 日）5 個生育期，每處理隨機選取5株，測定西瓜植株葉片數、第1 雌花坐果節位、雌花間隔。

1.4.2 葉片光合參數測定 開花坐果期的晴天9：00—11：30 測定葉片光合參數，每處理隨機選取5 株，每株選取植株主蔓中部完全展開功能葉測定，每個葉片打3 個點取值。使用SPAD 502 型葉綠素儀測定葉綠素含量（SPAD 值）；使用便攜式光合作用測量系統（LI-6400XT，美國LI-COR 公司）測定凈光合速率（Pn，μmol ·m-2·s-1）、氣孔導度（Gs，mmol·m-2·s-1）、胞間CO2濃度（Ci，μmol·mol-1）和蒸騰速率（Tr，mmol H2O·m-2·s-1），測定光照度為800 μmol·m-2·s-1，葉溫為27 ℃，外界CO2濃度為400μmol·mol-1。

1.4.3 產量及品質測定 采收期每處理隨機選取5個成熟果實測定單瓜質量；用鋼卷尺測量果實縱橫徑、果皮厚度；使用手持式DBR45 型數顯糖度儀測定中心可溶性固形物含量和邊部可溶性固形物含量；根據西瓜成熟度分批采收，各小區單獨計產量，依據各小區面積折算成每667 m2產量。

1.5 數據統計與分析

數據采用SPSS19.0 版本進行方差分析，用Excel 2007 版本制圖，用Duncan 新復極差法檢驗數據差異顯著性，試驗圖表數據均為3 次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉定額對西瓜植株葉片數的影響

由表2 可知，隨生育期推進，各處理下西瓜植株葉片數呈現逐漸增加趨勢，在成熟期達到最大值，在同一生育時期，2 個西瓜品種的葉片數隨灌溉定額的增加均呈現先增加后減少趨勢，分別在中度灌溉定額T3、T7 處理下達到峰值。美麗在苗期各處理間葉片數無顯著差異，伸蔓期T3 處理葉片數顯著高于T1 處理和CK1，T2、T3 和T4 處理間葉片數無顯著差異；在開花坐果期和果實膨大期，T3 處理葉片數均顯著高于其他處理；在成熟期，T3 處理葉片數顯著高于T1、T4 和CK1，較CK1 顯著增加19.13%，與T2 處理間差異不顯著。4 K 在苗期、伸蔓期和開花坐果期，T7 處理葉片數均顯著高于T5處理，除T7 處理外，其他各處理間差異均不顯著；在果實膨大期和成熟期，各個處理間葉片數差異不顯著。

表2 不同灌溉定額下的西瓜植株葉片數

2.2 不同灌溉定額對西瓜第1 雌花坐果節位及雌花間隔的影響

由表3 可知，不同灌溉定額對西瓜植株第1 雌花坐果節位產生了一定影響，隨灌溉定額增加，第1雌花節位逐漸升高，在最大灌溉定額CK 下第1 雌花節位最高，而不同灌溉定額對2 個西瓜品種的雌花間隔均無顯著影響。美麗T1 和T2 處理第1 雌花節位分別較CK1 顯著降低26.58%、20.25%，T3和T4 處理分別較CK1 顯著降低12.66%、7.59%，T1 和T2 處理間、T3 和T4 處理間第1 雌花節位差異均不顯著；4K 西瓜品種的T5 和T6 處理第1 雌花節位分別較CK2 顯著降低23.75%、18.75%，T7處理較CK2 顯著降低11.25%，T5 和T6 處理間、T7和T8 間、T8 和CK2 處理間差異均不顯著。

表3 不同灌溉定額下的西瓜第1 雌花坐果節位及雌花間隔

2.3 不同灌溉定額對西瓜葉片葉綠素含量的影響

由圖2 可知，不同灌溉定額對2 個西瓜品種葉片葉綠素含量（SPAD 值）產生了一定影響，隨灌溉定額增加，葉片SPAD 值呈現先升后降趨勢，分別在T3 和T7 處理下達到最大值，且均顯著高于同一品種下其他各處理。在相同灌溉量下，美麗西瓜葉片SPAD 平均值均高于4K 品種。美麗西瓜T3 處理葉片SPAD 較CK1 顯著增加37.82%，4K 西瓜T7 處理葉片SPAD 較CK2 顯著增加21.90%，T5、T8 處理葉片SPAD 均與CK2 無顯著差異。美麗和4K 2 個品種各處理的西瓜葉片SPAD 值分別表現為T3＞T2＞T4＞CK1＞T1 和T7＞T6＞T8＞CK2＞T5。

圖2 不同灌溉定額下的西瓜葉片SPAD 值

2.4 不同灌溉定額對西瓜葉片光合參數的影響

由表4 可知，不同灌溉定額對2 個西瓜品種的葉片凈光合速率Pn、氣孔導度Gs、和蒸騰速率Tr等光合參數均產生了一定影響，隨灌溉定額增加，2個品種西瓜葉片Pn、Gs、和Tr 均呈現先升后降趨勢，分別在T3 和T7 處理下達到最大值。各灌溉處理下美麗葉片胞間CO2濃度無顯著差異，各處理下4K 葉片Ci均與CK2 無顯著差異。美麗T3 處理葉片Pn、Gs 和Tr 分別較CK1 顯著增加19.06%、106.06%和50.43%，4K T7 處理葉片Pn、Gs 和Tr 分別較CK2 顯著增加22.99%、74.29%和50.97%。

表4 不同灌溉定額下的西瓜葉片光合參數

2.5 不同灌溉定額對西瓜產量的影響

由表5 可知，不同灌溉定額對2 個西瓜品種產量產生了一定影響，隨灌溉定額增加，西瓜667 m2產量呈現先升后降趨勢，2 個西瓜品種果實縱徑、橫徑及667 m2產量分別在T3 處理和T7 處理達到最大值，較低和較高灌溉定額均不利于西瓜產量的形成，同一灌溉定額下美麗平均果實縱、橫徑和667 m2產量均高于4K。美麗T3 處理果實縱徑、橫徑和667 m2產量分別較CK1 顯著增加10.86%、15.26%和39.78%；4K T7 處理果實縱徑和667 m2產量分別較CK2 顯著增加10.72%和26.10%，果實橫徑各處理間無顯著差異。美麗和4K 2 個品種各處理的西瓜產量高低分別表現為T3＞T2＞T4＞CK1＞T1和T7＞T6＞T8＞CK2＞T5。

表5 不同灌溉定額下的西瓜產量

2.6 不同灌溉定額對西瓜果實品質的影響

由表6 可知，不同灌溉定額對2 個西瓜品種的果實中心和邊部可溶性固形物含量產生一定影響，隨灌溉定額增加，果實可溶性固形物含量呈現先升后降趨勢，2 個西瓜品種果實中心和邊部可溶性固形物含量分別在T2 處理和T6 處理下達到最大值，從果實中心和邊部可溶性固形物含量來看，美麗平均中心和邊部可溶性固形物含量均低于4K。美麗T3 處理中心和邊部可溶性固形物含量分別較CK1顯著增加17.02%和13.33%，T2 處理中心可溶性固形物含量較T3 處理和CK1 分別顯著增加13.64%和32.98%，T2 處理邊部可溶性固形物含量較對照CK1 顯著增加了20.00%，而與T1、T3 處理間差異不顯著。4K 各處理間果皮厚度差異不顯著，T6 處理中心可溶性固形物含量較T7 處理和CK2 分別顯著增加6.67%和16.36%，T6 處理邊部可溶性固形物含量較T7 處理和CK2 分別顯著增加5.26%和14.29%。

表6 不同灌溉定額下的西瓜果實品質

3 討論與結論

葉片是衡量植株生長狀況的一個重要指標，其多少與最終產量高低密切相關[17-18]。郭紹杰等[19]研究表明，在相同施肥量條件下灌溉量減少抑制了新梢及葉片的生長，低灌溉量處理的樹體新梢及葉片生長低于對照。李文美等[20]研究表明，蘭州百合的株高、葉綠素含量（SPAD 值）和產量隨灌溉量的增加均增加。筆者的試驗結果表明，美麗和4K 2 個西瓜品種隨灌溉定額的增加，植株的葉片數均表現為先上升后下降，均在160 m3·667 m-2處理下達到峰值，說明在黃沙基質栽培條件下過量灌溉和虧缺灌溉均對西瓜植株的葉片生長產生了抑制作用。在沙培條件下，過量灌溉（高灌水量）一方面使黃沙基質含水量過高，透氣性下降，植株根系呼吸作用減弱，影響了植株根系生長，進而影響了水肥的吸收，植株生長受到抑制；另一方面沙培條件下，長時間的過量灌溉會使得黃沙深層的鹽分上移，造成黃沙表層鹽漬化，抑制西瓜植株生長和葉片數的增加。適度的虧缺灌溉（低灌水量）雖促進了西瓜植株根系深扎，但不利于植株根系對所需營養元素的吸收，抑制了葉片光合生理和其他生理生化過程，致使西瓜地上部生長受到抑制，這與陳秀香等[21]、劉明池等[22]、馮騰騰等[23]在番茄上的研究結果相一致。但曹超群等[24]研究認為，高的基質含水率可以促進辣椒對養分的吸收，更有利于生殖生長，增加辣椒產量，這可能是與筆者試驗中所使用的黃沙基質本身的持水特性有關，與土壤和其他栽培基質的持水特性不同，關于土壤和黃沙基質的持水特性還有待進一步研究。

葉片是光合作用的重要器官，灌溉量影響作物的葉片含水率，含水率變化直接影響葉片的光合生理，進而影響光合產物的積累[25-26]。筆者研究中美麗和4K 2 個西瓜品種隨灌溉定額的增加，葉片SPAD 值、凈光合速率Pn、氣孔導度Gs、蒸騰速率Tr 和果實產量均呈現先升高后降低的趨勢，均在160 m3·667 m-2處理下出現了峰值。這說明當西瓜灌水量過低時，對西瓜生長造成脅迫后，一方面，西瓜葉片氣孔關閉，氣孔導度下降，胞間CO2濃度累積，進入光合循環的可利用CO2量減少，致使凈光合速率下降，光合作用減弱，西瓜生長受到抑制，果實產量下降；另一方面，在過高和過低灌水量處理下，試驗中的葉片SPAD 值均顯著下降，參與葉片光合作用的色素減少，致使凈光合速率下降、光合減弱、生長受限、產量減少。灌水量過高時，西瓜根系透氣性下降、根系呼吸作用減弱，對水肥的吸收能力下降、葉片生長不良、凈光合速率下降，致使植株的形態生長指標受到影響。從筆者的試驗結果可以看出，灌水量過高和過低均會影響西瓜植株的生長和葉片的光合作用，最終導致西瓜產量下降，因此，為確保西瓜高產，在西瓜全生育期內要保證適宜的灌水量，該結果與Harmanto 等[27]、May 等[28]、呂劍等[29]、季延海等[30]的研究結果基本一致。前人研究表明，適度的水分虧缺可以提高番茄果實中可溶性固形物含量和糖酸比，進而改善番茄果實品質[31-32]。周勃等[33]對設施厚皮甜瓜黃夢脆的研究表明，適度水分虧缺的160 m3·667 m-2灌溉處理甜瓜品質最好。季延海等[30]在栽培番茄上發現，減少灌溉量雖降低了番茄單株產量，但果實中葡萄糖、果糖、維生素C 含量和糖酸比明顯提高。筆者的研究也發現相似的結論，隨灌水量的增加，美麗和4K 果實中心和邊部可溶性固形物含量表現為先升高后下降的趨勢，但均在較低灌溉定額的110 m3·667 m-2處理下達到最大值，且均顯著高于各自對照，這可能是由于適度的虧缺灌溉激活了西瓜植株內的相關酶活性和相關糖轉運蛋白基因的表達，促進果實中可溶性糖的積累，從而提高了果實品質；而過高的灌水量可能會稀釋果實中的營養物質，果實可溶性糖和有機酸含量會隨著灌水量的增加而減少，進而降低了果實品質[23]，有關適度虧缺灌溉促進果實糖分積累的相關分子機制還有待進一步研究。

綜上所述，美麗西瓜品種在設施黃沙基質栽培條件下的適應性更強，西瓜葉片光合特性和產量表現優于4K，而4K 西瓜品種的果實品質表現更好，160 m3·667 m-2為設施黃沙基質栽培西瓜最適宜的灌溉定額，可作為河西戈壁沙漠溫室西瓜高效用水的最優選擇。