不同水肥供應量及施用方式對菠菜產量和品質的影響

袁 藝，龍榮華，陶 婧，汪 騫，李石開

（云南省農業科學院 園藝作物研究所，昆明 650205）

0 引 言

【研究意義】水肥供應是影響蔬菜品質和產量的重要因素之一，為追求短期效益過量供應水肥造成水肥利用率過低已成為實際生產中普遍存在的問題[1-2]。漫灌作為傳統灌溉方式耗水量大且易引起淋溶損失，并對地下水造成污染[2]，因此科學的水肥管理對降低農業面源污染和農業可持續發展具有重大意義。【研究進展】蔬菜作為喜肥作物，氮素在其產量和品質方面起到關鍵作用。據調查，目前溫室栽培施氮量遠超蔬菜實際需求量，過量施氮肥不僅無法提高產量，而且容易引起蔬菜硝酸鹽量過高，造成土壤鹽漬化和地下水污染等環境問題[3-5]。水肥一體化技術是將施肥與灌溉相結合，通過提高水肥利用率達到節水省肥增收的農業新技術，能有效提高水肥利用率，被廣泛利用于蔬菜和花卉生產中[6-8]。目前我國水肥一體化生產栽培中存在控制設備自動化程度低、精準智能化水肥調控系統基本依賴進口和設備成本過高且實用性低等問題[9-10]?！厩腥朦c】基于太陽輻射量和植物光合作用之間的緊密關聯，21 世紀日本千葉大學提出一種以太陽輻射累積量為基準結合水肥一體化的新型灌溉施肥模式[11]。與傳統水肥一體化栽培方式相比，這種新型灌溉施肥模式選擇了環境因子中對產量影響最大的太陽輻射量為關鍵環境因子，以太陽輻射量為基準對植物的水肥供應量和水肥供應頻率進行控制，能夠靈活應對氣候的變化并根據植物對水肥的實際需求進行科學的水肥供應，實現蔬菜栽培自動水肥的精準供應[12-15]。該技術具有操作省力、資源節約、環境友好和高產高效等特點，符合現代設施農業的發展要求且在我國具有廣闊應用前景，該栽培模式目前在國內尚未見報道。這種把太陽輻射量與水肥一體化相結合的新型灌溉施肥技術的關鍵點是確定太陽輻射累積量與植物水肥需求之間的關系。【擬解決的關鍵問題】本研究擬在溫室土壤栽培環境下，以菠菜為材料，研究太陽輻射量灌溉控制儀進行水肥管理時，不同水肥供應量對菠菜品質及產量的影響，以期為高效生產優質葉菜類蔬菜的水肥供應方式及供應量提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試菠菜品種為四季大葉菠菜，營養液配方選用日本園試營養液，大量元素配方：590 mg/L Ca(NO3)2·4H2O，505 mg/L KNO3，95 mg/L NH4H2PO4，307.5 mg/L MgSO4·7H2O；微量元素配方：23.6 mg/L Fe-DETA，2.86 mg/L H3BO3，2.11 mg/L MnSO4·4～5H2O，0.22 mg/L ZnSO4·7H2O，0.08 mg/L CuSO4·5H2O，0.02 mg/L Na2MoO4·2H2O。使用日本SHINKO 公司的太陽輻射量灌溉控制儀（SWCS-100）進行水肥供應管理，其原理如圖1 所示?？刂苾x以每秒為單位對太陽輻射量進行測量累積，當太陽輻射量累積值到達設定的閾值（SV）時，會按照已設定的灌水持續時間進行1 次灌水，每次太陽輻射量累積值到達閾值（SV）后將清零后再次累積。

圖1 太陽輻射量灌溉控制儀原理Fig.1 Principle of the solar-radiance-irrigation controller

1.2 試驗方法

試驗于2018 年4 月在云南省昆明市團結鄉試驗基地塑料大棚內進行。播種前將菠菜種子浸種24 h后，用潮濕紗布包裹后放入30 ℃恒溫箱催芽，每穴播種3 粒，行距和株距均為15 cm，每小區4 行共計44 株，試驗共設5 個處理，每個處理6 次重復，共計30 個小區，隨機區組排列。本試驗將菠菜生長劃分為2 個階段，0～10 d 為幼苗期，11～25 d 為生長期，其中W1 處理（低水肥）、W2 處理（中水肥）、W3處理（高水肥）、W4 處理（中水無肥）使用太陽輻射量灌溉控制儀進行水肥供應管理，W1、W2 處理和W3 處理使用日本園試營養液進行灌溉，W4 處理使用井水灌溉。參考Shinohara 等[11]試驗結果設定W1處理的水肥供應模式，由于昆明整體空氣濕度和土壤含水率均明顯低于日本，W2 處理和W3 處理的水肥供應量分別設定為W1 處理的1.65 倍和2.30 倍，W4處理采用與W2 處理相同的供水模式進行栽培；W5處理為傳統栽培方式（人工撒施+滴灌），具體水肥供應計劃見表1。

表1 菠菜栽培不同水肥處理方案Table 1 Different water and fertilizer methods for spinach cultivation

單株供水設定：W1 處理10 d 前太陽輻射量每累積6 MJ/m2灌溉4 mL，10 d 后太陽輻射量每累積5 MJ/m2灌溉6 mL；W2 處理10 d 前太陽輻射量每累積5 MJ/m2灌溉5.5 mL，10 d 后太陽輻射量每累積3 MJ/m2灌溉6 mL；W3 處理10 d 前太陽輻射量每累積4 MJ/m2灌溉6 mL，10 d后太陽輻射量每累積2 MJ/m2灌溉5.5 mL；W4 處理與W2 處理相同，每隔5 d 手動調整灌溉誤差。W5 處理根據氣候及菠菜生長情況分5 次使用滴灌進行供水，總計660 mL。

施肥設定：W1、W2 處理和W3 處理采用電導度值（Electrical Conductivity，EC）為1.5 dS/m 的園試營養液進行栽培，肥料溶解于水中以滴灌方式施用；W4 處理為不施肥處理；W5 處理在處理開始后按照750 kg/hm2的施肥量施用復合肥（ω（N）∶ω（P2O5）∶ω（K2O）=15∶15∶15）（6 個重復共計用地12 m2，施用900 g 復合肥，其中氮肥施用量為135 g）。

菠菜栽培期間太陽輻射量累積量見圖2，菠菜生長25 d 太陽輻射量累積量為367.46 MJ/m2時收獲并進行生理指標測量，取樣時每小區隨機選擇10 株進行調查。

圖2 菠菜栽培期間太陽輻射量累積量Fig.2 Accumulation of solar radiation during spinach cultivation

1.3 測定項目及方法

株高：測量從莖基部到頂部之間的距離。

單株質量：單株質量=小區總質量/小區株數。

產量：根據單株質量，按照每個溫室（220 m2）栽培3 168 株菠菜，每公頃搭建42 個溫室計算得出。

葉綠素量：用葉綠素計SPAD-502PLUS，Konica Minolta 測量最新一片完全展開葉，結果取平均值。

硝酸鹽量：08:00—10:00 采樣，用RQflex plus 10（Merck，Darmstadt，Germany）進行測量[11,16]。

維生素C 量：08:00—10:00 采樣，用RQflex plus 10（Merck，Darmstadt，Germany）進行測量[17]。

肥料產量貢獻率：肥料產量貢獻率=（施肥區產量-不施肥區產量）/施肥區產量×100[19]。

灌溉水生產效率：灌溉水生產效率=產量/灌水量[20]。

1.4 數據處理

采用SPSS 19.0 軟件及Excel 2003 軟件對試驗數據進行統計分析，并利用Duncan 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉施肥方式對菠菜生物量的影響

表2 為不同灌溉施肥方式對菠菜生物量的影響。由表2 可知，W1 處理的單株質量、產量和株高是所有處理中最低的，分別為113.58 g、15 113 kg/hm2和32.02 cm，W1 處理單株質量、產量和株高與W2 處理和W3 處理均存在顯著差異，因此根據文獻[11]試驗結果得出的W1 處理水肥供應量明顯不足。W4 處理的單株質量、產量和株高與W2 處理間差異顯著，表明在供水量相同的情況下，僅靠土壤自身養分無法滿足菠菜生長。W2 處理和W3 處理的單株質量、產量和株高均無顯著差異。由此可見，W3 處理盡管增加了水肥供應但不能較W2 處理顯著提升產量。因此W2 處理是在昆明地區使用太陽輻射量灌溉控制儀獲得菠菜高產的最優灌溉方案。W5 處理的常規栽培方式的單株質量、產量和株高均比W2 處理低，但處理間差異不顯著。

表2 灌溉施肥方式對菠菜生物量的影響Table 2 Effect of irrigation and fertilization methods on spinach biomass

2.2 不同灌溉施肥方式對菠菜品質的影響

表3 為不同灌溉施肥方式對菠菜品質的影響。由表3 可知，所有處理中不施肥的W4 處理的菠菜葉片硝酸鹽量最低為458.62 mg/kg，與其他處理相比差異顯著。W1、W2 處理和W3 處理中菠菜葉片硝酸鹽量最高的是W3 處理，為735.47 mg/kg，與W2 處理硝酸鹽量差異顯著。W1 處理施肥量最低卻與W2、W3處理之間葉片硝酸鹽量差異不顯著，可能土壤含水率會限制植物體內硝酸鹽的轉移和下降，當植物處于水脅迫狀態下，在影響其生長的同時體內硝酸鹽量反而會增加，張金秀[21]的研究也得到了相同的結論。W5處理的菠菜葉片硝酸鹽量在所有處理中最高，約為W2 處理的2 倍，相較其他處理差異顯著。

表3 灌溉施肥方式對菠菜品質的影響Table 3 Effect of irrigation and fertilization on spinach quality

不同水肥處理對菠菜葉片維生素C 量沒有顯著影響，最高的是W5 處理的66.31 mg/100 g，最低的是W4 處理的55.49 mg/100 g。SPAD值方面，最高的W5 處理為69.10，最低的為W2 處理的60.75，2 個處理間存在顯著差異。由表3 可知，不同灌溉施肥方式對菠菜葉片維生素C 量無影響，對葉片硝酸鹽量造成影響，在水分供應充足的情況下，氮肥施用量和植物體內硝酸鹽量正相關。5 種灌溉施肥方式栽培的菠菜葉片硝酸鹽量均遠低于歐盟的硝酸鹽殘留限量標準（新鮮菠菜硝酸鹽量≤3 500 mg/kg，冷凍加工菠菜≤2 000 mg/kg）[22]，其中葉片硝酸鹽量最低的是W2 處理和不施用肥料栽培的W4 處理。

2.3 水肥用量對灌溉水生產效率和肥料產量貢獻率的影響

表4 為水肥用量對灌溉水生產效率和肥料產量貢獻率的影響。由表4 可知，W1、W2 處理和W3 處理的供水量分別約為W5 處理的50%、80%和110%，而W1、W2 處理和W3 處理的灌溉水生產效率分別約為W5 處理的1.9、1.4 倍和1.1 倍。由此可知使用太陽輻射量灌溉控制儀栽培菠菜時，增加灌水量反而會降低灌溉水生產效率，與傳統栽培方式相比，使用太陽輻射量灌溉控制儀栽培菠菜能顯著提高灌溉水生產效率。W1 處理和W3 處理的水肥供應量分別為W2 處理的0.6 倍和1.4 倍，灌溉水生產效率隨著灌水量的增加而下降。由于W1 處理的產量低于W4 處理（無水肥處理）產量（表2），故W1 處理氮肥農學利用率為負，依據從相似灌溉模式下W2 處理和W3處理的數據可知，供水量與肥料產量貢獻率呈正相關，推斷W1 處理出現產量低于W4 處理是由于供水量不足引起的，因此肥料在供水量不足的情況下對產量無貢獻。W5 處理的施肥量為W2 處理的9 倍，而灌溉水生產效率是所有處理里最低的且肥料產量貢獻率低于W2 處理和W3 處理，由此可見傳統的栽培方式氮肥施用量過高而貢獻率極低。

表4 水肥用量對灌溉水生產效率和肥料產量貢獻率的影響Table 4 Effect of water and fertilizer dose on the efficiency of irrigated water and the contribution of fertilizer yield

2.4 不同灌溉施肥方式對土壤養分的影響

表5 為不同灌溉施肥方式對土壤養分的影響。由表5 可知，栽培后土壤量均有所降低，在5個處理中，W1 處理和W4 處理栽培后土壤中量最低，分別是48 mg/kg 和33 mg/kg，施肥量最高的W5 處理栽培后土壤量最高，達到193 mg/kg。栽培前大棚內土壤EC值為1.0 dS/m，栽培后最高的為W5 處理的0.7 dS/m 和W3 處理的0.6 dS/m，其他處理均為0.4 dS/m。各處理栽培后的土壤量與施肥量正相關，而栽培后的土壤EC值在施肥量大于W2 處理時持續上升，小于或等于W2 處理時則穩定在0.4 dS/m。因此采用合理的水肥供應方式，能夠有效降低土壤量和EC值。

表5 灌溉施肥方式對土壤養分的影響Table 5 Effect of irrigation and fertilization on the nutrient content of soil

3 討 論

本研究表明，使用太陽輻射量灌溉控制儀栽培菠菜時，當水肥供應量小于等于W2 處理時產量隨著水肥供應量的增加而增加，過量供應水肥并不能增加菠菜產量。張金秀[21]在菠菜上和周亞婷等[23]在結球甘藍上的研究結果均顯示產量與施肥量正相關，過量施肥會抑制植物生長，這與本研究不完全一致?？赡苁怯捎诒狙芯康视昧孔罡叩腤5 處理的56.25 kg/hm2氮肥施用量明顯低于上述研究的高肥處理區，雖然不能顯著提高菠菜產量但并沒有達到抑制菠菜生長的施用量。低肥W1 處理的產量較不施肥W4 處理無顯著增加，可以考慮由于W1 處理35.42 t/hm2的低供水量造成水分虧缺影響了菠菜對肥料的吸收利用，這與周德霞[24]在萵苣上的研究一致。由于菠菜對供水量更為敏感，水分虧缺時其產量降低且增加氮肥供應量對增產沒有效果[21]。灌水量和頻率是影響蔬菜產量的重要因素，大田栽培黃瓜時以6 d 為灌溉間隔能有效實現黃瓜節水增產的目的[25]。郭仁松等[26]認為適中的灌溉頻次能有效促進棉花生殖生長，增加籽棉產量并提高水分利用效率。本試驗中，相較于傳統水肥栽培方式W5 處理，通過太陽輻射量灌溉控制儀進行栽培的W2 處理和W3 處理，增加了菠菜產量的同時減少了水肥供應量，提高了灌溉水生產效率和肥料產量貢獻率。這證明使用太陽輻射量灌溉控制儀進行蔬菜水肥管理的栽培技術，是一種減肥節水增產的有效措施。

周亞婷等[23]研究表明，適度水分脅迫能增加結球甘藍的維生素C 量，張金秀[21]研究表明，供水量過高或者過低都會降低菠菜的維生素C 量。本研究W1處理和W4 處理的維生素C 量較其他處理偏低，各處理間沒有顯著差異，這與上述研究不一致。可能是由于本研究的供水量上下限并沒有造成嚴重干旱脅迫或過度灌溉的情況，此外樣品間方差較大可能也對結果造成一定影響。W5 處理葉綠素量最高，且W2 和W5 處理間差異顯著，說明增加氮肥供應量能夠提高菠菜葉綠素量，這與劉丹[27]與田建柯[28]在番茄和玉米中的研究結果一致，且菠菜施用過量氮肥比施用適度氮肥處理的葉綠素量提高了18.6%[21]。使用太陽輻射量灌溉控制儀栽培的處理間葉綠素量差異不顯著可能是由于各處理氮肥施用量的差異沒有大到對葉綠素量造成影響，而使用SPAD-502PLUS 測量葉綠素量時對葉片測量位置的選擇可能也對結果造成一定影響。菠菜硝酸鹽量和栽培后土壤中殘留量均隨氮肥供應量的增加而增加，這與前人研究[21,29-31]結果一致。W2 處理與W3 處理產量差異不顯著，W2處理的菠菜硝酸鹽量和栽培后土壤中殘留量均顯著低于W3 處理，這表明施入土壤中的氮肥大多被植物吸收，而植物吸收的氮也大多轉化為有機物而非硝酸鹽。硝酸鹽在植物中可作為一種滲透壓調節劑儲存在植物液泡中，當植物遭受滲透脅迫時明顯積累[32]。W5 處理土壤中的氮肥量和菠菜葉片中硝酸鹽量過高，產量卻低于W2 處理和W3 處理，表明了過量且不科學的施肥方式對產量沒有貢獻還增加硝酸鹽在植物體內的積累，同時無法被植物吸收的養分則殘留于土壤中對環境造成負面影響。本研究栽培后土壤的EC值也驗證了這一想法，不合理的施肥方式會使土壤電導率增加，引起鹽分積累最終對植物生長造成不利影響[21,24]。

4 結 論

1）使用太陽輻射量灌溉控制儀栽培菠菜實現了水肥自動化管理，能減少水肥供應量且有效提高灌溉水生產效率和肥料產量貢獻率，是一種減肥增產的有效措施。

2）當使用太陽輻射量灌溉控制儀進行菠菜栽培時，使用W2 處理的水肥供應方案能夠較好滿足栽培期菠菜水肥需求且顯著降低其食用部位的硝酸鹽量。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）