寧南山區設施芹菜水氮耦合效應研究

摘" " 要：針對寧南山區水資源短缺、設施芹菜生產中水肥管理粗放、水肥利用效率低等問題，采用二因素二次通用旋轉組合設計，通過田間試驗和室內分析研究了設施芹菜生長發育、產量和品質對灌水量和施氮量的水肥耦合效應，為寧南山區設施芹菜高產、優質、高效、安全生產提供科學依據。結果表明，水氮耦合能顯著促進芹菜的生長發育，增加植株的株高和莖粗，隨著芹菜生育期的延長，株高和莖粗呈明顯增加趨勢，且不同試驗組合間存在顯著差異，SPAD值生育期內整體呈現緩慢上升的趨勢，且組合間存在顯著差異；水氮耦合對提高芹菜產量和改善品質有顯著正效應，水氮組合1產量最高，為94.82 t·hm-2，比產量最低的組合5增產9.26%，且水氮組合1的品質最好。過量的施用氮肥和灌水，反而會抑制芹菜品質的提升。在本試驗條件下，經主效應分析得出水是影響芹菜產量的主要因素，由水肥耦合效應方程可得出最佳水和氮肥組合為灌水量1395 m3·hm-2+氮肥施肥量337.5 kg·hm-2，此組合可推廣成為該地區設施芹菜的水肥管理制度。

關鍵詞：寧南山區；設施芹菜；水氮耦合；綜合效應

中圖分類號：S636.3 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）12-141-08

收稿日期：2024-07-15；修回日期：2024-10-21

基金項目：固原市科技研發類計劃項目（2021GYFYF035）

作者簡介：張建國，男，高級水利工程師，主要從事農業水利工程與灌溉工作。E-mail：894061615@qq.com

通信作者：張倩男，女，助理研究員，主要從事蔬菜育種與栽培工作。E-mail：2306107420@qq.com

Study on coupling effect of water and nitrogen of celery plant in mountainous area of southern Ningxia

ZHANG Jianguo1， ZHANG Xiaojuan2， GUAN Yaobing2， ZHANG Qiannan2

（1. Water Bureau of Yuanzhou District， Guyuan 756000， Ningxia， China; 2. Guyuan Branch， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Guyuan 756000， Ningxia， China）

Abstract： In order to solve the problems of shortage of water resources， extensive management of water and fertilizer and low utilization efficiency of water and fertilizer in the production of celery. The design of two-factor quadratic universal rotation combination was adopted. Through field experiment and laboratory analysis， the effects of irrigation amount and nitrogen application amount on the growth， yield and quality of celery and the coupling effect of water and fertilizer were studied. The objective was to provide scientific basis for the high yield， high quality， high efficiency and safe production of celery in the mountainous area of southern Ningxia. The results showed that the coupling of water and nitrogen significantly promoted the growth and development of celery， and increased plant height and stem diameter. With the extension of the growth period of celery， plant height and stem diameter showed obvious increasing trend， and the difference among different experimental combinations was significant. SPAD value showed a slow rising trend during the growth period， and the difference was not significant during the growth period， but the difference between the combinations was significant. The coupling of water and nitrogen had significant positive effects on increasing the yield and improving the quality of celery. The coupling of water and nitrogen had significant positive effect on increasing the yield and improving the quality of celery. The highest yield of water-nitrogen combination 1 was 94.82 t·hm-2， which was 9.26% higher than that of combination 5 with the lowest yield. Water and nitrogen combination 1 has the best quality. Excessive application of nitrogen fertilizer and irrigation could inhibit the improvement of celery quality. Under the conditions of this experiment， the main effect analysis shows that water is the main factor affecting celery yield and plays the main effect role in the formation of celery yield. According to the coupling effect equation of water and fertilizer， the optimal combination of water and nitrogen fertilizer of celery in facilities could be obtained as follows： irrigation amount of 1395 m3·hm-2+ nitrogen fertilizer amount of 337.5 kg·hm-2， this combination can be extended to celery water and fertilizer management system for facilities in this area.

Key words： Mountainous area of south Ningxia; Facilities celery; Water and fertilizer coupling; Combined effect

蔬菜作為我國園藝第一大類農作物，是關系國計民生的重要農產品，是人們日常生活的必需品，占食物消費總量的41%[1]。冷涼蔬菜是寧夏“六特”產業之一，寧夏南部山區是典型的高寒山區，氣候冷涼，夏秋多雨，晝夜溫差大，擁有種植冷涼蔬菜的氣候資源優勢，成為冷涼蔬菜產業的主戰場，該區域冷涼蔬菜品牌在國內外具有一定的品牌優勢和產業優勢，遠銷馬來西亞、韓國及中國的港、澳、臺等多個國家或地區，被中國特產協會授予“中國冷涼蔬菜之鄉”[2-3]。蔬菜生產已成為該區域農業增效和農民增收的有效途徑。

然而，蔬菜是喜肥喜水作物，肥水是設施蔬菜生產中生產資料成本的主要構成因素，影響蔬菜的產量與品質，直接決定設施蔬菜的產出效益[4]。在設施蔬菜高投入高產出的刺激下，農民實行“糞大水勤，不用問人”、“肥隨水走，一水一肥”的水肥管理模式，施肥量遠遠高出作物的需肥量，普遍存在過量施肥灌水現象，但是高水肥的投入不僅沒有起到增產作用，反而造成水肥資源的浪費、土壤次生鹽漬化、養分失衡和蔬菜品質下降等一系列問題[5-6]。水分與肥料對作物生長的影響不是孤立的，而是相互作用的，肥料與水分之間存在著耦合效應[7-8]。因此，如何同步實現蔬菜高產優質和水肥高效利用、有效緩解蔬菜生產對環境及產品污染將成為今后我國蔬菜產業發展過程中急待解決的主要問題之一[9]。

目前，關于設施栽培水肥耦合方面的研究，主要集中在水肥對蔬菜生長發育[10-11]、產量[12-13]、品質[14-15]及水分利用效率[16-17]等方面。由于蔬菜種類的復雜性，使得不同蔬菜產量和品質對不同的水肥條件反應不同，其耦合效應也有差異，合理的水肥搭配才能促進相應的蔬菜生長發育[18]。芹菜作為寧南山區的骨干冷涼蔬菜，生產中存在過量施肥和灌水的現象，水肥利用率低，尚未形成科學合理的水肥管理制度，灌水和施肥隨意性較大。因此，開展設施芹菜對不同氮肥施肥量和灌水量的研究，探索寧南山區設施芹菜最佳氮肥施用量和灌水量，建立設施芹菜水肥協同調控的水肥管理體系，以期為保障寧南山區設施蔬菜產業可持續發展提供科學依據，從而實現設施芹菜節水節肥的高產高效和優質安全生產。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于寧夏固原市頭營鎮徐河村，該區域地勢平坦開闊，氣候冷涼，年平均氣溫6.5 ℃，晝夜溫差大。年平均降水量425 mm，且集中分布于6－9月。溫室坐北朝南，東西長80 m，跨度8 m，后墻高2.3 m，屋脊高3.5 m，墻體為土質；采光屋面采用日本進口無滴膜，夜間覆蓋保溫被。供試土壤為典型的黃綿土，土壤基本理化性質見表1，土壤有機質肥力為中等偏低的四級水平（10～20 g kg-1）；速效性堿解氮為極低的六級水平（lt;30 mg kg-1）；速效磷為三級水平（＞15 mg kg-1）；速效鉀則為較豐富的二級水平（150～200 mg kg-1）[19]，土壤肥力偏低。

1.2 材料

供試芹菜品種為文圖拉西芹，是美國培育的優良芹菜品種，由寧夏金穗農林有限公司提供，是當地主栽品種。于2023年5月28日定植，2023年10月1日收獲，全生育期120 d左右，采用覆膜平壟雙行栽培技術，壟寬0.6 m，株距20 cm，行距30 cm，每壟2行，小區面積10 m2，3次重復。使用肥料均為水溶肥，氮肥為尿素（CO（NH2）2），N含量（w，后同）46%；磷肥為重過磷酸鈣（Ca（H2PO4）2·H2O），P2O5 含量46%；鉀肥為硫酸鉀（K2SO4），K2O 含量50%，施有機肥15 t·hm-2作基肥，起壟前一次性基施，芹菜全生育期灌水7次，滴灌施肥4次，其他同一般溫室日常管理。

1.3 設計

采用二因素二次通用旋轉組合設計，小區隨機排列，3次重復。參考袁志發等[20]的方法設計灌水量和施肥量，試驗因素水平與編碼如表2所示。二次通用旋轉組合設計方案如表3所示。芹菜灌水量上限為1500 m3·hm-2，下限為750 m3·hm-2；氮肥供應上限為450 kg·hm-2，下限為225 kg·hm-2。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 樣品采集方法 在定植前采集試驗區基礎土樣，每個處理取兩個點，采0～20、20～40 cm深度的土壤樣品，裝入塑料袋、標記密封，帶回實驗室自然風干，處理后測定其物理指標、化學指標。在芹菜整個生育期內不同生育時期測量植株株高、莖粗和葉片SPAD值等生長指標。

1.4.2 土壤理化性質測定 采用SH-3精密酸度計測定pH；采用DDS-11電導率儀測定土壤全鹽含量，采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤有機質含量，采用堿解擴散法測定堿解氮含量；采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用1 mol·L-1 NH4OAc浸提，火焰光度法測定速效鉀含量[21-22]；采用環刀法測定容重和田間持水量[23]。

1.4.3 生長指標測定 于芹菜不同生育時期，每次重復選取10株長勢均一的植株，測定其株高、莖粗和葉片SPAD值。其中，采用卷尺測量株高，采用數顯游標卡尺測量莖粗，采用手持502型SPAD計測量葉綠素含量（SPAD值）。

1.4.4 產量和品質測定 采收時分別記載各小區產量、單株產量，并計算出不同組合的產量；采收時采取新鮮芹菜植株樣品測定品質指標，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，采用硫酸水楊酸比色法測定硝酸鹽含量，采用2，4-二硝基苯肼比色法測定維生素C含量[21]。

1.5 統計分析

采用Excel 2022軟件和SPSS 27.0軟件進行數據處理與統計分析，采用Origin 2024 b軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水肥組合對設施芹菜生長發育的影響

不同水肥組合對設施芹菜生長發育的影響見表4。水氮協同能顯著促進芹菜的生長發育，增加植株的株高和莖粗，隨著芹菜生育期的延長，株高和莖粗呈明顯的增加趨勢，且不同試驗組合間存在顯著差異，SPAD值生育期內整體呈現緩慢上升的趨勢，組合間存在顯著差異，水氮組合高于無水無氮組合（組合5），且在整個生長發育期間，水氮組合1的株高（幼苗期除外）、莖粗和SPAD值均最高。芹菜生長前期即幼苗期，芹菜株高在19.50～20.67 cm，莖粗在8.84～10.07 mm，SPAD值在34.80～45.70；在立心期，芹菜株高在30.80～44.10 cm，莖粗在22.02～37.71 mm，SPAD值在36.90～42.53；在心葉生長期，即芹菜生長中后期，水氮組合的株高和莖粗增加幅度大，葉綠素含量也明顯增加，芹菜株高在47.10～61.88 cm，莖粗在49.32～66.39 mm，SPAD值在36.90～51.78。

2.2 不同水肥組合對設施芹菜產量的影響

不同水肥組合對設施芹菜產量的影響見圖1。不同水氮組合對設施芹菜的產量存在顯著差異。13個試驗組合產量排序為：1gt;9gt;10gt;12gt;13gt;8gt;6gt;11gt;2gt;3gt;4gt;7gt;5，產量最高的3個組合分別為組合1、組合9和組合10，產量依次為94.82 t·hm-2、94.19 t·hm-2和94.02 t·hm-2，分別比產量最低的組合5顯著增產9.26%、8.54%和8.34%。試驗組合1對應的灌水量為1395 m3·hm-2，氮肥施用量為417.0 kg·hm-2。

2.3 產量目標函數數學模型的建立與檢驗

以芹菜產量為目標函數（y），以灌水量（x1）和氮肥（x2）兩因素為控制變量，對數據進行統計模擬，得到兩因素對設施芹菜產量的回歸模型公式為：y=92.54+1.71x1+1.23x2-1.63x12-1.40 x22+1.02x1x2，由公式可知，水和氮肥二因素中，水的影響大于肥的作用，二次項系數均為負數表明各因子對產量的影響一致呈開口向下的拋物線效應，表明在試驗處理條件下各因子對產量的貢獻均存在最大值，過量灌水施肥會對產量產生負效應，而合理的水肥配合產生正效應。

水肥耦合試驗對芹菜產量影響的方差分析見表5，p=0.033 1lt;p=0.05，表明方程回歸關系達到顯著水平，很好地反映了當地實際情況；p=0.543 3＞p=0.05，差異未呈顯著水平，表明擬合結果較好，可以進行效應分析和模型優化。

2.4 模型尋優和頻數分析

對肥效模擬方程公式中ɑ=0.05顯著水平下剔除不顯著項后，水肥對芹菜產量的肥效方程簡化為：y=92.54+1.71x1-1.63x12-1.40x22，根據試驗所得的回歸方程，每個因素取5個水平，分別為：-1.4、-1.0、0、1.0和1.4，用計算機對試驗組合進行尋優，得到設施芹菜達最高產量時，水和氮肥兩因子水平分別為1和0；在本試驗條件下，設施芹菜最高理論產量可達92.62 t·hm-2，其相應的水肥組合為灌水量1395 m3·hm-2+氮肥施用量337.5 kg·hm-2。從簡化肥效方程公式中可以看出，在本試驗條件下，灌水量是決定設施芹菜產量的最主要影響因子，這可能是因為芹菜為喜水蔬菜，生育期較短，對水分的要求較高。

試驗組合變量取值頻率分布見表6，在所有試驗組合中，芹菜產量高于90.68 t·hm-2的組合共有7個。灌水量從低水平到高水平，芹菜產量達到90.68 t·hm-2的量綱出現在0～1.414 2，即設施芹菜整個生育期灌水量應控制在1125～1500 m3·hm-2；而氮肥水平從低到高，產量達到90.68 t·hm-2的量綱出現在-1～1，即設施芹菜整個生育期施肥量適宜范圍在258～417 kg·hm-2。由此可見，水和氮肥的合理組合是實現設施芹菜高產高效的重要手段。

進一步對高產條件下水和氮肥的取值范圍進行模擬，結果見表7。在所有試驗組合中，芹菜產量高于90.68 t·hm-2的灌水量水平為0.214～1.047，施肥量水平為-0.560～0.560時，通過二者的協同配合，設施芹菜有95%的可能性產量都高于90.68 t·hm-2。

2.5 因子效應分析

將回歸模型中的1個因子固定為“0”水平時，水和氮肥不同用量對設施芹菜產量影響的單因素效應如圖2所示。在本試驗范圍內，不同灌水量與芹菜產量之間呈拋物線關系。灌水量水平由-1.414增加到0.5水平時，芹菜產量逐步升高；超過0.5水平后產量開始下降。不同施肥水平與芹菜產量之間也呈典型拋物線關系，施肥水平由-1.414增加到0水平時，芹菜產量逐步升高；超過0水平時芹菜產量下降。以上結果表明，適宜的灌水量和施肥量是芹菜高產的保證。

經無線量綱線性編碼代換，其偏回歸系數已經標準化，故可以直接從其一次項絕對值的大小來判斷各因素對目標函數的相對重要性。由肥效擬合模型反映出兩因素均與產量存在相關性，對產量影響程度為x1gt;x2，即在本試驗條件下，決定設施芹菜產量的水和氮肥因素中主效應作用順序為先水后肥。

2.6 不同水肥組合對設施芹菜品質的影響

不同水肥組合對設施芹菜品質的影響見表8。不同水氮組合對設施芹菜品質有顯著影響，維生素C含量在79.76～120.35 mg·kg-1，可溶性糖含量在0.74%～1.08%，硝酸鹽含量在615.53～778.58 mg·kg-1，水氮組合1的品質最好，過量的施用氮肥和灌水，反而會降低芹菜的品質。

3 討論與結論

民間流傳“有收沒收在于水，收多收少在于肥”的說法，可見水分和肥料是作物生長發育的兩大重要因素[24]。蔬菜汁多、細嫩，是需水量較大的作物，本身含水量也高，為79%～97%[4]。在蔬菜生產過程中，水在蔬菜的整個生長和生理活動過程中起著更為重要的作用，但是灌水方式、灌水頻率和灌水量都會影響蔬菜的生長發育[25]。氮素營養在植物整個生命活動過程中起著重要作用，是礦質元素中的核心元素，被喻為“生命元素”，缺氮使植物生長速度緩慢，植株瘦弱，莖干細小，葉片小且黃，但施氮過多時，又會使作物貪青徒長，影響其生殖生長[26]。陳碧華等[27]研究認為，番茄植株的株高、莖粗、葉寬、葉片數與施肥量和灌水量之間呈正相關，其中施肥量的影響大于灌水量，說明施肥效應大于灌水效應。這與本試驗的研究結果并非完全一致，合理的水肥管理有助于促進設施芹菜生長發育，在一定范圍內，蔬菜產量與灌溉量和施肥量呈正相關，但是過多或過少的水分和肥料都會對芹菜生長發育產生不利影響。

蔬菜對不同水肥條件的響應因蔬菜種類、品種特性和生長環境而不同。趙義濤等[28]研究發現，灌水和施肥對灌溉水利用效率的交互作用是相互拮抗的，增加灌水量會降低灌溉水利用效率，施肥能提高灌溉水利用效率。張俊威[29]研究發現，不同水肥耦合對番茄產量有顯著的影響，產量對灌溉量和施肥量的響應也隨地區和茬次而不同，這與本研究結果一致，本試驗中，水為影響芹菜產量的主效應因子。綜上所述，不同試驗研究的土壤環境、蔬菜種類、水肥梯度及管理方式不同，導致水和肥料對蔬菜產量的貢獻作用大小存在差異，甚至出現一些相反的結論。水肥耦合是以水促肥、以肥調水，最大可能地激發水肥之間的協同效應來達到提質增產及提高水肥利用效率的目的[30]。

有研究表明，肥料施用量和灌溉控水下限土壤水吸力值顯著影響番茄果實品質，而且兩者之間的交互作用達到了極顯著水平[31]。一般而言，水含量少時，植物體內的纖維素就會累積，產品組織開始硬化，苦味產生，從而影響品質；水含量過多時，糖、鹽的相對濃度降低，產品風味變淡，耐貯性、抗病性降低，產量和經濟效益降低[32]。李邵[33]研究表明，水肥耦合效應對黃瓜瓜條商品率與果實的可溶性蛋白、游離氨基酸及可溶性固形物含量均有顯著影響。祝洋[34]研究表明，水氮耦合對番茄生長、產量和品質的正效應最大，有利于提升產量和改善果實品質，而且水肥利用效率最高。大量研究認為，在水分條件充足的前提下，芹菜中維生素C和可溶性糖含量隨施氮量的增加呈現升高的趨勢，但超過一定的施氮范圍，維生素C和可溶性糖含量開始降低[4，15，25]。在本試驗中也驗證了這一結論，隨施氮量的增加，芹菜維生素C和可溶性糖含量先升高后降低。

綜上所述，合理的水氮耦合不僅有利于設施芹菜生長發育，增加單位面積產量和改善營養品質，還能緩解水肥資源浪費及其導致的土壤污染等環境問題。在本試驗條件下，對水和氮肥兩個因素與芹菜產量建立產量目標函數，模擬得到方程：y=92.54+1.71x1+1.23x2-1.63x12-1.40x22+1.02x1x2。由方程可得出其相應的水、肥組合為：灌水量1395 m3·hm-2+氮肥施用量337.5 kg·hm-2，芹菜理論最高產量可達92.62 t·hm-2。經主效應分析，水是影響芹菜產量的主要因素，在芹菜產量形成中發揮主效應作用，其次為氮肥。因此，適宜的灌水量和氮肥施用量是寧南山區設施芹菜高產優質的保證。

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