水肥耦合對滴灌駿棗產量及果品等級的影響研究

周小杰，呂廷波*，邢 猛，宋仁友，付鑫法

（1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000）

0 引 言

【研究意義】南疆紅棗種植區土壤主要為沙土或沙壤土，保水保肥能力差。由于施肥不合理，導致肥料利用率低下、棗樹產量下降和果實品質差等問題，其中二級果及以上等級比例的降低極大影響駿棗的經濟價值。研究滴灌條件下駿棗節水節肥、提質增效的水肥管理技術，為南疆地區駿棗生產提供節水節肥優質的水肥配比模式，提高駿棗經濟價值，具有良好的現實意義。【研究進展】棗原產于中國，為我國特有的經濟樹種,國外很多國家都從中國引種栽培，中國駿棗主要為山西駿棗和新疆駿棗[1]。近年來，國內外學者進行了諸多紅棗相關研究[2-4]，Li 等[5]研究了棗樹根系分布對灌溉水有效利用系數的影響；Ye 等[6]研究了有機肥對梨棗水分利用、光合特性及果實品質的影響；水分虧缺脅迫對棗果實品質的影響[7]。其中在滴灌條件下對紅棗的研究取得了大量成果，關于灌水量對紅棗影響方面，有不同灌水下限、調虧灌溉及不同灌溉定額等對紅棗產量的影響[8-13]。胡家帥等[12]在新疆阿拉爾研究得出灌水量為1 050 mm 時，紅棗產量、水分利用效率最優。在施肥量對紅棗影響方面，主要側重于施氮量和全生育期施肥量研究[14-15]，滴灌條件下矮化密植棗樹試驗中得出適宜施肥區間：N（271.36～374.88 kg/hm2）、P2O5（128.36～217.94 kg/hm2）、K2O（124.44～228.58 kg/hm2）[16]。胡安焱等[17]在新疆阿克蘇地區研究認為，灌水對紅棗產量的影響效應大于施肥，水肥耦合顯著增加紅棗產量。宋亞偉等[18]對駿棗商品果率、外觀品質、制干品質和果實品級進行相關研究。此外，學者[19-20]通過紅棗水肥試驗得出其最優水肥配比與灌水施肥制度。王振華等[21]通過運用二元回歸分析及歸一化方法，建立水肥關系模型并獲得南疆沙區成齡紅棗適宜水肥投入范圍?！厩腥朦c】目前大部分研究在建立水肥投入為自變量、紅棗果實指標為因變量時，雖然研究的指標較多，但關于水肥供應對駿棗優劣果率的影響研究較少。本研究以駿棗等級比例為突破點，將探究駿棗產量與果實等級之間的關系作為重點?！緮M解決的關鍵問題】以南疆和田地區矮化密植駿棗為研究對象，針對南疆駿棗水肥管理模式粗放問題，研究南疆滴灌不同水肥管理對紅棗產量及等級品質的影響，建立不同水肥管理方法與產量、等級的數學模型，探索該地區駿棗生產的最佳水肥管理模式，以期為矮化密植駿棗生產的適宜水肥管理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2021 年4—10 月在新疆生產建設兵團第十四師昆玉市224 團7 連（79°29'N，37°35'E）進行。該地區海拔1 263.2 m，為典型的溫帶大陸性氣候，年均氣溫為12.3 ℃，年均降水量為33.4 mm，年均蒸發量為2 825 mm，年均無霜期為214 d，最大凍土深度0.7 m。該地土壤質地為沙壤土，1.5 m 土層內平均土壤干體積質量1.55 g/cm3、pH 值為8.16，平均地下水埋深3 m。每次灌水前檢測灌溉用水，pH 值平均為6.91。土壤理化性質如下，有機質量為6.83 g/kg，銨態氮量為0.45 mg/kg，硝態氮量為29.32 mg/kg，速效磷量為13.76 mg/kg，有效鉀量為39.81 mg/kg。試驗區主要氣象要素見圖1。

圖1 2021 年試驗區氣象要素Fig.1 Meteorological elements of the test site in 2021

1.2 田間試驗設置

研究對象為10 a 成齡駿棗，2010 年種植，次年嫁接，棗樹株行距1 m×4 m。棗樹平均株高2 m、干周（離地面20 cm 處）40 cm、冠幅1.82 m。滴灌施肥由小型施肥罐和水表精確控制，滴灌帶采用1 行2管布置模式，分別位于棗樹兩側，距樹干60 cm。滴頭為單翼迷宮式，滴灌帶外徑16 mm，壁厚0.30 mm，滴頭間距30 cm，流量3.2 L/h。

1.3 試驗設計

通過文獻[13]和參考農戶經驗，按照當地農藝管理措施，以常規滴灌施肥為對照組，其灌水量為770 mm，施肥量為1 125 kg/hm2。采用水、肥雙因素三水平處理方法，灌溉定額分別為：540 mm（W1）、630 mm（W2）、720 mm（W3）。使用肥料為尿素（含N 46%），磷酸一銨（含P2O560.85%，N 12.17%），硫酸鉀（含K2O 52%）。施肥量采用N∶P2O5∶K2O=4∶2∶3 的比例，分別為562.5 kg/hm2（F1）、810 kg/hm2（F2）、1 080 kg/hm2（F3）。具體水肥處理方案如表1所示，共10 個處理，3 次重復，30 個小區，小區長70 m，寬4 m。各小區之間保留一行棗樹作為保護行。

表1 試驗方案Table 1 Experimental design

灌水開始后0.5 h 施肥，灌水停止前0.5 h 施肥結束。駿棗全生育期灌水和施肥情況如表2 所示。

表2 駿棗全生育期灌水施肥量Table 2 The amount of irrigation and fertilization in the whole growth period of Junzao

1.4 試驗測定項目與方法

1.4.1 產量、果品等級及外觀品質

產量：在棗樹進入收獲期后，按照小區取樣，各處理隨機選取9 棵樹，分別稱量每棵樹的紅棗產量，將9 棵樹產量的平均值作為每個處理棗樹的產量。

果品等級：紅棗果品樣本依據前人[22]研究將收集的樣本熱風干燥（濕基含水率〔25±6〕%）處理后，根據駿棗長徑分為5 個品級：特級（36 mm 以上）、一級（32～36 mm）、二級（28～32 mm)、三級（24～28 mm）、四級（20～24 mm）。將每個處理的紅棗使用分級機器進行果品分級。

單果質量：將駿棗稱質量分級后，按照每一棵棗樹隨機選取15 顆的標準采用稱質量法測出不同處理平均單果質量。

駿棗縱橫徑：將駿棗稱質量分級后，按照每一棵棗樹隨機選取15 顆的標準采用游標卡尺測出不同處理平均駿棗縱橫徑。

1.4.2 灌溉水分利用效率與肥料偏生產力

灌溉水分利用效率（IWUE，kg/m3）[23]計算式為：

式中：Y為駿棗產量（kg/hm2）；W為駿棗灌水量（mm）。灌水量：1 mm=10.005 m3/hm2。

肥料偏生產力（PFP，kg/kg）[23]計算式為：

式中：F為投入的N、P2O5和K2O 總質量（kg/hm2）。

1.4.3 相關性分析

將灌水施肥的數學模型計算得出的產量、等級預測值與實測值進行相關性分析，指標包括顯著性差異（P）、決定系數（R2）、均方根誤差（RMSE）、歸一化均方誤差（NRMSE），RMSE和NRMSE按式（1）—式（2）計算。

式中：Ya為實測值；Yb為預測值；Yc為實測值平均值；RMSE大小代表偏差程度，RMSE越小，精確程度越高；NRMSE＜10%為極好，10%～20%為良好，20%～30%為中等，≥30%為差[21]。

1.5 數據處理

數據采用Excel 2018，Matlab 2019 和SPSS 25 進行處理（雙因素分析和Duncan 法（P=0.05）進行多重比較），圖表分別采用Excel 2018 和Origin 2018繪制。

2 結果與分析

2.1 水肥配比對滴灌駿棗產量和品質的影響

如表3 所示，灌水量對駿棗產量、單果質量、駿棗縱橫徑影響達到顯著水平（P＜0.05），對IWUE達到極顯著水平（P＜0.01），施肥量對PFP、單果質量、駿棗縱橫徑達到極顯著水平（P＜0.01）。水肥交互作用對駿棗產量、IWUE和PFP的影響均達到極顯著水平（P＜0.01）。W1F1 處理產量、駿棗縱橫徑值最低，其W1F1 處理產量和橫徑與CK 均具有顯著性差異（P＜0.05），較CK 產量和橫徑分別減少25.29%、8.1%。W3F1 處理單果質量最低，與CK 具有顯著性差異（P＜0.05），較CK 減少24.09%。W2F3 處理的駿棗產量和IWUE最高，與CK具有顯著性差異（P＜0.05），較CK 產量和IWUE分別提高13.92%、39.13%。W3F1處理PFP最高，與CK 具有顯著性差異（P＜0.05），較CK 提高91.53%。W2F2 處理單果質量、駿棗縱橫徑最高，其中單果質量、縱徑與CK 均具有顯著性差異（P＜0.05），較CK 分別提高10.3%、10.54%。

表3 不同水肥配比滴灌駿棗產量和品質Table 3 Yield and quality of Junzao under drip irrigation with different water and fertilizer ratios

W2、W3 處理下產量與IWUE均表現為F3 處理＞F2 處理＞F1 處理；W1 處理下產量與IWUE表現為F2 處理＞F3 處理＞F1 處理；單果質量、駿棗縱橫徑在同一灌水處理下，均表現為F2 處理＞F3 處理＞F1處理。產量在F1 處理下表現為W3 處理＞W2 處理＞W1 處理；在F2、F3 處理下表現為W2 處理＞W3 處理＞W1 處理。IWUE在F1、F2 處理下表現為W2 處理＞W1 處理＞W3 處理；在F3 處理下表現為W2 處理＞W3 處理＞W1 處理。單果質量、駿棗縱橫徑在F2 處理下均表現為W2 處理＞W3 處理＞W1 處理，單果質量在F1、F3 處理下表現為W2 處理＞W1 處理＞W3 處理。以上結果表明，灌水量是作物產量的基本保證，在W2、W3 水平下，作物產量隨施肥量的提高而增加，在同一施肥水平下，過高或過低的灌水量抑制駿棗產量、單果質量和駿棗縱橫徑，W1 處理與F1 處理產量、單果質量和駿棗縱橫徑相比其他處理極大減少，適宜的水肥配比能進一步提高產量和品質。PFP除W1F3 處理略低于CK 外，其余處理與IWUE所有處理皆大于CK。在同一灌水水平下，PFP表現為隨施肥量提高而遞減。

2.2 水肥配比對滴灌駿棗等級比例的影響

將駿棗根據長徑分成5 個等級，其中優級果包括特級果、一級果，劣級果包括三級、四級果[20]。由表4 可知，灌水和施肥對駿棗等級比例的影響均達到顯著水平（P＜0.05），水肥交互作用對駿棗等級比例除四級果率外均達到極顯著水平（P＜0.01）；對四級果率達到顯著水平（P＜0.05）。W2F2 處理優級果率（38.19%）最高；劣級果率（14.22%）最低，其特級果率、一級果率與CK 均具有顯著性差異，較CK分別增加95.58%、59.58%；其三級果率和四級果率與CK 均具有顯著性差異，較CK 分別減少65.65%、71.09%。W3F1 處理劣級果率（60.82%）最高；優級果率（11.11%）最低，其三級果率和四級果率與CK均具有顯著性差異，較CK分別增加56.45%、36.43.%；其特級果率、一級果率與CK 均具有顯著性差異，較CK 分別減少55.37%、50.36%。W1F2 處理二級果率最高，與W2F2 處理和CK 均具有顯著性差異，較W2F2 處理、CK 分別增加6.14%、37.82%。

表4 不同水肥配比駿棗等級比例Table 4 Different water and fertilizer ratios drip irrigation Junzao grade ratio

對于灌溉量水平，除W1 處理的一級果率和W3處理二級果率外，其他處理的特級果率、一級果率、二級果率在同一灌水水平中均表現為F2 處理＞F3 處理＞F1 處理；在同一灌水水平中，劣級果率除W1處理的三級果率外，均呈F1處理＞F3處理＞F2處理。對于施肥量水平，在同一施肥水平中，劣級果率呈現為W3 處理＞W1 處理＞W2 處理。優級果率在F1 處理中，呈現為W1 處理＞W2 處理＞W3 處理；在F2、F3 處理中，呈現為W2 處理＞W3 處理＞W1 處理。W1 特級果率均小于CK。

2.3 滴灌駿棗水肥配比模型優化

如表5 所示，建立的二元二次回歸方程以不同水肥配比作為自變量，以駿棗指標作為因變量。通過MATLAB 軟件運算，其中灌水量、施肥量的下限分別為W1、F1 處理，灌水施肥的上限為CK 的灌水、施肥量，得出回歸方程的極值，及其所對應的灌水、施肥量。通過分析可知，不同水肥配比對各駿棗指標達到極顯著水平（P＜0.01），決定系數大于0.80。其中在滿足Y1～4方程最大值時對應的灌水、施肥量接近，而其他方程滿足最大值對應的灌水、施肥量與上述方程相差較大。即不同指標無法同時達到最大，PFP、二～四級果率、單果質量、駿棗縱橫徑與其他指標適宜的水肥區間具有一定差異，因此不單獨列出回歸方程，在綜合評價中只考慮產量、IWUE、特級果率和一級果率。

表5 不同水肥配比投入與產量，等級指標的回歸模型Table 5 Regression model of input and yield and grade index of different water and fertilizer ratios

通過將本試驗實際駿棗水肥數據與駿棗產量、駿棗等級比例建立的數學模型，求得預測值并進行相關性分析，對比實測值與預測值的擬合程度（表6）。從表6 可以看出，產量和等級比例的實測值與預測值相關性良好，NRMSE值在20%之內（良好），決定系數R2在0.889 以上。相對水分利用效率和果品率。圖中白色區域為最大值，灰色區域為最小值，在相對值0.9 以上可接受區域駿棗指標出現重合區域，本試驗進行數據分析時將該重合區域作為合理的可接受范圍。

表6 模型預測值與實測的駿棗產量及等級比例對比Table 6 Comparison of the predicted value of the model with the measured yield and grade ratio of Junzao

根據參數估計的似然函數組合方法，共有加法組合方式C1、乘法組合方式C2和均方組合方式C3，用3 種組合方式對產量、灌溉水分利用效率、特級果率和一級果率重合區域進行計算，求出3 種組合最優灌水施肥值，以C1、C2、C3中灌水施肥值的極值作為最優灌水施肥區間。

為了進行直接比較，將駿棗指標歸一化處理，即各處理值與其極值之比，得出灌水施肥量與相對產量、相對灌溉水分利用效率、相對特級果率和相對一級果率的關系圖。圖2 為不同水肥處理的駿棗相對產量、

圖2 不同水肥處理的駿棗相對產量、相對水分利用效率和果品率Fig.2 Relative yield, relative water use efficiency and fruit rate of Junzao under different water and fertilizer treatments

表7 不同組合及其所需灌水量和施肥量Table 7 Different combinations and their corresponding irrigation and fertilizer amounts

式中：Yi為相對產量、相對灌溉水分利用效率、相對特級果率和相對一級果率；K為目標個數。

3 討 論

滴灌下的施肥方法關鍵在于“以水促肥、以肥調水”，合理的灌水施肥量能在提高作物產量的同時有利于品質的提高，達到節水節肥的作用，使作物經濟效益更高[21,24]。本試驗條件下，不同灌水施肥量對駿棗的產量和品質影響不同，適宜的水肥配比能進一步提高產量和品質。胡安焱等[17]認為，適宜水肥配比情況下，紅棗產量受水肥交互作用影響明顯增加，這與本研究結論相同。在駿棗生長前期，適宜的水分起到充分運移氮素至駿棗根部合理位置作用，而氮素可以促進駿棗對水分的吸收。扁青永等[19]在常年漫灌棗地改滴灌條件下的試驗得出，改用滴灌方式下灌水為820 mm，氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥施肥量分別為200、100、150 kg/hm2時紅棗產量最高，本文在W2F2 處理下產量更高，滴灌與漫灌相比，能讓水肥集中在棗樹根部，提高棗樹對養分的吸收，采取漫灌改為滴灌的棗樹與滴灌棗樹需水需肥量存在差異。南疆駿棗種植區域多為沙壤土，高灌水量會導致氮素淋失，影響駿棗吸收養分[25]。本試驗結果認為，在灌水量一致情況下，施肥量的增加在提高產量的同時PFP顯著降低。高施氮量導致駿棗果樹新梢和棗吊徒長，導致坐果率降低，最終影響產量、單果質量和縱橫徑[26]。在本試驗中，灌水對駿棗產量的影響達到差異顯著性水平，水肥耦合作用對駿棗產量的影響達到極顯著水平，這與扁青永等[20]的研究結果相同。不同水肥條件對紅棗的產量表現不同，適當增加灌水量有利提高紅棗產量、單果質量和縱橫徑，但過高的水肥使用量會減少紅棗產量、單果質量和縱橫徑[27-28]。本試驗中水肥交互作用對駿棗產量、IWUE、PFP影響具有極顯著差異，這與多位學者研究結果一致[17-19]。

低水低肥，高水高肥等不合理的水肥供應策略皆容易出現駿棗低等級果占比過高，導致駿棗商品性過低，最終影響駿棗的品質。胡家帥等[12]研究得出，灌水量的增加使紅棗等級果率呈波動性變化，可能是不同試驗地點和處理（灌水單因素）的差異性導致對駿棗各等級果率的影響不同。在駿棗幼果膨大期前灌水充足，施肥量不足情況下會導致貪青，駿棗生長前期缺少鉀、鈣等元素，果皮厚度和韌性差；施肥量過高情況下，生長后期過量的鉀肥會導致駿棗裂果情況的出現。本試驗中W2F3 處理和W3F3 處理產量分別高于W2F2 處理與W3F2 處理，但整體等級比例卻相反，這與付詩寧等[29]研究相似。當灌水量和施肥量不斷增加情況下，駿棗出現徒長情況[21]，造成大量開花結果，導致生育后期果實養分跟不上，果實不飽滿，從而等級比例降低。在滿足高產的條件下，高施肥不利于果品等級的進一步提高，合理的水肥配比是提高駿棗商品性的關鍵因素，在追求產量的同時，提高駿棗商品性對駿棗產品競爭力起到關鍵作用。

水肥耦合在滴灌條件下存在閾值反應，達到閾值之前，增加水肥投入具有增產，提質增效的作用；高于閾值，將導致作物減產，品質降低[30]。多位學者[31-33]通過建立灌水肥料投入與作物指標回歸方程，將目標函數進行歸一化處理，運用空間方法，分別在80%、85%和95%的重疊區域尋求最佳灌水施肥區間，對提高作物水肥管理水平具有很好的作用。王振華等[18]通過數學模型分析認為滴灌紅棗適宜的水肥投入范圍分別為651～806 mm 和708～810 kg/hm2，其中N（311～345 kg/hm2），P2O5（156～178 kg/hm2），K2O（233～267 kg/hm2），與本試驗在90%的重合區域得出最佳灌水施肥區間研究結論相似，表明適宜的灌水施肥區間，在達到高產高效的同時，能夠起到節水節肥的作用。本試驗研究結論能為和田地區滴灌駿棗的適宜水肥配比提供借鑒。本研究只進行了1 a 的試驗，在后續的研究中可結合其他品質指標，進一步完善。

4 結 論

1）本試驗條件下W2F3 處理駿棗產量（10 114.12 kg/hm2）與IWUE（1.6 kg/m3）最高；W3F1 處理PFP（14.94 kg/kg）最優；W2F2 處理單果質量（14.56 g）、縱徑（52.98 mm）、橫徑（31.94 mm）最優；W2F2處理優級果率（38.19%）最高。

2）施肥量一致，低灌水量條件下，產量、單果質量、駿棗縱橫徑極大程度降低。灌水量一致情況下，施肥量過低，駿棗果品等級極大程度降低。適宜的水肥投入，是提高產量、果品等級、品質的關鍵。

3）通過建立不同水肥配比與產量、駿棗等級的數學模型，結合駿棗提質增效目標綜合考慮，得出和田滴灌駿棗適宜的水肥配比區間為639.21～642.85 mm 和842.36～864.04 kg/hm2，其中N（374.38～384.02 kg/hm2，P2O5（187.19～192.01 kg/hm2），K2O（280.79～288.02 kg/hm2）。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）