杜清潔 楊亞勇 張嘉欣 李娟起 肖懷娟 王吉慶

(河南農(nóng)業(yè)大學 園藝學院，鄭州 450002)

黃瓜是我國設(shè)施栽培面積較大的果菜類作物之一，具有產(chǎn)量高和需水需肥量大的特點[1]。在傳統(tǒng)生產(chǎn)栽培中，施肥多以溝灌的方式隨水沖施。傳統(tǒng)的灌水施肥方式，不但導致水肥的利用率較低，還易引起土壤次生鹽漬化，加重病害的發(fā)生[2-3]。20世紀90年代中后期，我國開始大力發(fā)展水肥一體化技術(shù)，根據(jù)農(nóng)業(yè)部2016年制定的《推進水肥一體化實施方案(2016—2020年)》，到2020年我國水肥一體化技術(shù)推廣面積要達到1 000萬hm2。研究表明，與農(nóng)戶傳統(tǒng)施肥相比，黃瓜水肥一體化施肥可節(jié)水21.0%～27.1%，節(jié)肥3.7%～49.5%，增產(chǎn)9.9%～17.6%[4]。水肥一體化雖具有節(jié)水、節(jié)肥、省工和增產(chǎn)等優(yōu)點，但在實際應用中由于專用水溶肥價格較高，大多是直接使用常用肥料進行水肥一體化滴灌，但容易引起滴灌灌水器堵塞，使得灌溉施肥均勻度下降[5]。膜孔灌溉作為一種低成本灌水施肥一體化的方式，水肥可通過膜上的灌水孔進入到土壤中，其灌水特點類似于滴灌，但由于灌水孔較大不存在堵塞的問題，可以利用渾水進行灌溉施肥，現(xiàn)已在甘肅和河南等地多種作物種植中進行了推廣應用[6-10]。

近年來，國內(nèi)開展了諸多關(guān)于膜孔灌溉條件下土壤中水肥入滲問題的研究。研究發(fā)現(xiàn)隨孔徑的增加水分入滲加快，引起土壤養(yǎng)分隨水的再分布，使得表層土壤養(yǎng)分下移[11]。目前采用膜孔灌溉時多為直徑3～5 cm的灌水孔，水肥向下運移較多，造成水肥的浪費[12-13]。因此，本研究優(yōu)化開發(fā)出了微孔膜灌溉技術(shù)，即采用直徑3 mm的打孔膜，將打孔膜鋪設(shè)于起壟的溝里，再在溝上覆蓋一層地膜，水分在地膜和打孔膜之間流動，并通過膜上的小孔滲入土壤中，進行無壓自流灌溉施肥[14]。Xiao等[15]證明采用微孔膜灌溉技術(shù)可較當?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)溝灌技術(shù)節(jié)水48%。但是，該灌溉技術(shù)條件下施肥量尚不明確。因此，本研究采用微孔膜灌溉技術(shù)，以黃瓜為試材，研究了隨水施不同肥量對黃瓜光合參數(shù)、植株營養(yǎng)元素特征、土壤養(yǎng)分特征、產(chǎn)量和果實品質(zhì)等的影響，以期揭示黃淮海地區(qū)微孔膜灌溉條件下大棚春茬黃瓜栽培的最佳施肥量，為春季大棚黃瓜水肥管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

供試黃瓜品種為‘津研4號’。試驗于2019年在河南農(nóng)業(yè)大學科教園區(qū)毛莊實習基地塑料大棚內(nèi)進行。打孔地膜采用8絲的農(nóng)膜加工而成，寬60 cm，長度比壟長40 cm，打孔直徑為3 mm，孔間距長為20 cm，寬為12.5 cm，每排并列打3個孔(圖1)。

1.2 試驗方法

于2019年3月20日，選取3葉1心期長勢一致且健壯的黃瓜幼苗進行定植，每小區(qū)定植25株，小區(qū)面積4.9 m2。定植前施曬干雞糞750.0 kg/667 m2作為基肥。黃瓜栽培方式為一壟雙行，東西壟向，株距25 cm，行距40 cm，壟中間開溝。定植后第5周開始不同施肥處理，肥料使用氮磷鉀復配混合肥(18-7-22)。試驗共設(shè)6個處理，分別為：膜下溝灌隨水施肥處理(CK)、微孔膜灌溉隨水施肥57.0 kg/667 m2(FA)、69.0 kg/667 m2(FB)、81.0 kg/667 m2(FC)、93.0 kg/667 m2(FD)和105.0 kg/667 m2(FE)。CK處理利用膜下壟中部溝進行溝灌，試驗中實際灌水量為300.0 m3/667 m2，由于灌水過程中灌水量和肥液濃度會影響土壤內(nèi)元素分布[16-17]，為防止灌水量不同的影響，每次施肥時施入肥料濃度與FC處理相同，實際總施肥量為82.9 kg/667 m2；其他各處理在壟中部溝內(nèi)鋪設(shè)微孔膜(圖1)，通過微孔膜進行灌溉施肥，灌水量統(tǒng)一為前期試驗得出的最佳灌水量為290.0 m3/667 m2，具體灌水施肥方案見表1。為防止相鄰小區(qū)水分及養(yǎng)分互相影響，各小區(qū)之間深埋50 cm的薄膜隔離，并在兩頭設(shè)保護行。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，重復3次。7月6日拉秧，取樣測定干物質(zhì)和營養(yǎng)元素含量。

表1 各試驗處理水肥管理方案Table 1 Water and fertilizer management scheme for treatments

1.3 測定項目

1.3.1光合參數(shù)測定

在定植后第63 d(2019-05-22，當日及前兩日為晴天)9:00～11:00，利用安裝有透明葉室的便攜式光合儀Li-6400測定黃瓜植株中部完全展開葉片的光合參數(shù)，設(shè)定流速為500 μmol/(m2·s)，光照、CO2濃度和溫度為自然環(huán)境條件。每個處理5次重復。

(a)微孔膜結(jié)構(gòu)示意圖；(b)微孔膜壟間鋪設(shè)示意圖。(a) Schematic diagram for microporous film structure； (b) Schematic diagram for microporous film laying between ridges.圖1 微孔膜結(jié)構(gòu)及壟間鋪設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram for microporous film structure and laying between ridges

1.3.2干重和氮磷鉀含量測定

試驗前取土壤深度0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm的基礎(chǔ)土壤樣品，試驗處理結(jié)束后，在各小區(qū)中部、沿壟走向上相鄰兩株中間位置取土壤深度0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm處土壤樣品，重復3次用于測定土壤中氮磷鉀含量。此外，每個處理隨機選取5株，將根、莖和葉在105 ℃殺青15 min，85 ℃烘至恒重，稱重。采用凱氏定氮法測定全氮含量；釩鉬酸比色法測定全磷含量；火焰光度法測定全鉀含量[18]。

1.3.3產(chǎn)量和品質(zhì)測定

開始采收后及時稱重，以各小區(qū)所有果實重量為小區(qū)總產(chǎn)量(各小區(qū)均為25株)，并計算單位面積產(chǎn)量。在結(jié)果期中期，選取大小一致的商品成熟期果實，截取果實中段(長約5 cm)，直接切碎混勻后測定各品質(zhì)指標。果實可溶性固形物采用測糖儀測量;可溶性蛋白采用考馬斯亮藍G-250法測量;維生素C含量采用鉬藍比色法測量;可溶性糖含量采用蒽酮比色法[19]測量。

水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力根據(jù)以下公式計算：

水分利用效率=凈光合速率/蒸騰速率

(1)

肥料偏生產(chǎn)力=Y/F

(2)

式中：Y為產(chǎn)量，kg/667 m2；F為施入化肥中N、P2O5和K2O的總量，kg/667 m2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用LSD法對各處理間差異進行顯著性分析(P<0.05)。為消除單一指標評價最優(yōu)施肥處理中的不全面性，利用模糊隸屬函數(shù)法綜合評價得出最優(yōu)施肥量處理。選用果實品質(zhì)、產(chǎn)量和水肥利用效率為評價指標，某一處理下各指標隸屬函數(shù)值的和為該處理的綜合評價得分，各指標隸屬函數(shù)值根據(jù)以下公式計算：

Ui=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中：Ui為某一指標在處理i下的隸屬函數(shù)值；Xi為該指標在處理i下的值；Xmax為該指標在所有處理中的最大值；Xmin為該指標在所有處理中的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對黃瓜植株干物質(zhì)積累的影響

由圖2可知，微孔膜灌溉下隨水施不同肥量處理對根干重和莖干重均無影響，且與CK處理的差異也不顯著；但不同處理對葉干重影響不同，葉干重在FA處理下最小，分別較CK、FB、FC、FD和FE處理低41.6%、34.8%、27.8%、29.7%和28.9%，其中FA和CK間、FA和FB間的差異達顯著水平。

CK采用膜下溝灌隨水施肥；FA、FB、FC、FD和FE采用微孔膜灌溉隨水施肥，施肥量分別為57.0、69.0、81.0、93.0和105.0 kg/667 m2。圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。CK, fertilizer is applied with furrow irrigation under plastic film. FA、FB、FC、FD and FE, the fertilizer are respectively 57.0, 69.0, 81.0, 93.0 and 105.0 kg/667 m2 with microporous film irrigation under plastic film. Different letters indicate significant differences (P<0.05). The same below.圖2 不同處理對黃瓜植株干物質(zhì)的影響Fig.2 The effect of different treatment on the dry mass of cucumber plants

2.2 不同處理對黃瓜葉片光合參數(shù)的影響

黃瓜凈光合速率在FC處理下最高，分別較CK和FE處理顯著提高57.8%和46.8%，與其他處理差異不顯著(圖3)。與CK相比，微孔膜灌溉隨水施肥對蒸騰速率無顯著影響，但在FB和FC處理下蒸騰速率均顯著高于FD處理。胞間CO2濃度在FB和FC處理下較CK處理顯著降低了20.4%和19.1%，在其他處理下與CK無顯著差異。氣孔導度在各處理間均無顯著變化。

圖3 不同處理對黃瓜葉片光合參數(shù)的影響Fig.3 The effect of different treatment on photosynthetic parameters of cucumber leaves

2.3 不同處理對黃瓜植株養(yǎng)分特征的影響

黃瓜葉中N含量在FB處理下最低，在FD和FE處理下顯著高于FB處理，但在其他處理下與FB處理差異不顯著(圖4)；黃瓜根、莖中N含量和根中K含量在各處理間均無顯著差異。根、莖和葉中P含量均為FC處理下最高，分別為CK處理的1.51、1.22和1.25倍，均達顯著水平。FA、FB、FD和FE處理下除根中P含量顯著高于CK外，莖和葉中P含量與CK差異不顯著。莖中K含量在FA處理下與CK處理無差異，但在其他處理下均顯著低于CK處理。葉中K含量在FA處理下較CK處理顯著提高了71.6%，而在FD處理下較CK處理顯著降低47.6%，在其他各處理下均與CK處理的差異不顯著。

圖4 不同處理對黃瓜根莖葉中營養(yǎng)元素含量的影響Fig.4 The effect of different treatment on nutrient elements content in cucumber root, stem and leaf

黃瓜植株中N總積累量，除FA處理下較CK處理顯著降低20.1%外，其他各處理均與CK處理無顯著差異，微孔膜灌溉隨水施肥條件下植株中N總積累量由大到小依次為：FE>FD>FB>FC>FA(圖5)。FC處理下植株中P總積累量最高，其次為FE處理、CK處理和FB處理，F(xiàn)D和FA處理最低。微孔膜灌溉條件下各處理中K總積累量均較CK處理顯著降低，其中在FC處理下最低。

圖5 不同處理對黃瓜植株中N、P和K總積累量的影響Fig.5 The effect of different treatment on the total accumulation of N, P and K in cucumber plants

2.4 不同處理在不同土壤深度下對土壤養(yǎng)分特征的影響

隨土壤深度增加，原始基礎(chǔ)土壤中N和P含量逐漸減少，原始基礎(chǔ)土壤中K含量在20～40 cm處較0～20 cm處增加了9.5%，40～60 cm處與0～20 cm處的含量基本相同(圖6)。CK處理下0～20 cm 處土壤中N和P含量較原始基礎(chǔ)土壤顯著降低，但20～40 cm處N和P含量分別增加了83.8% 和39.5%，40～60 cm處N和P含量分別增加了20.3%和68.9%。微孔膜灌溉隨水施肥條件下，0～20 cm處中N和P含量均表現(xiàn)為FE處理下最高、FA處理下最低，且在各處理下均高于原始基礎(chǔ)土壤；20～40 cm處各處理下N含量，均顯著高于原始基礎(chǔ)土壤，且除FA處理與CK無顯著差異外均較CK處理顯著增加；20～40 cm處各處理下P含量，均低于CK處理，但除FA處理較原始基礎(chǔ)土壤降低18.6%外均與原始基礎(chǔ)土壤差異不大；40～60 cm處各處理下N含量高于原始基礎(chǔ)土壤和CK處理，且均達顯著水平，而P含量均高于原始基礎(chǔ)土壤低于CK處理。與原始基礎(chǔ)土壤相比，各深度的土壤K含量在CK、FA和FB處理下均無顯著差異，F(xiàn)C處理下僅0～20 cm處土壤K含量差異顯著(提高22.0%)，在FE和FD處理下則均顯著增加且以FE處理下增加幅度最大。

圖6 不同處理在不同土壤深度下對土壤養(yǎng)分特征的影響Fig.6 The effect of different treatment on soil nutrient characteristics under different soil depth

2.5 不同處理對黃瓜果實品質(zhì)的影響

從表2可以看出，微孔膜灌溉條件下各處理的維生素C含量均與CK處理無顯著性差異，但FC和FD處理下維生素C含量分別比FE處理提高64.5%和78.5%，達顯著水平。同CK處理相比，F(xiàn)A、FB、FC和FD處理使可溶性糖含量下降，F(xiàn)E處理下無顯著變化。黃瓜果實可溶性蛋白含量在FC處理下較CK處理提高21.5%，其他處理下可溶性蛋白含量均與CK處理的差異不明顯。微孔膜灌溉條件下各處理間黃瓜果實可溶性固形物含量無顯著差異，但FA和FD處理使可溶性固形物含量較CK處理分別顯著提高了12.5%和14.6%。

表2 不同處理對黃瓜果實品質(zhì)的影響Table 2 Effects of different treatment on cucumber fruit quality

2.6 不同處理對黃瓜產(chǎn)量和水肥利用效率的影響

由表3可知，同CK處理相比，F(xiàn)B、FC和FD處理顯著提高了黃瓜產(chǎn)量，且在FC處理下最大，達到20.98 kg/m2，但微孔膜灌溉條件下隨水施不同肥量處理間差異不顯著。水分利用效率在CK處理下最低，在FB、FC和FD處理下分別為CK處理的1.88、1.53和1.58倍，均達顯著水平。肥料偏生產(chǎn)力在FA、FB和FC處理下分別較CK處理下顯著增加了60.6%、37.8%和18.6%，F(xiàn)D和FE與CK處理的差異不顯著。

表3 不同處理對黃瓜產(chǎn)量和水肥利用效率的影響Table 3 The effect of different treatment on cucumber yield, water and fertilizer use efficiency

2.7 不同處理對黃瓜品質(zhì)、產(chǎn)量和水肥利用效率影響的綜合評價

由于選用單一指標評價會得出不同的最優(yōu)施肥量處理，因此以品質(zhì)、產(chǎn)量和水肥利用效率為評價目標，采用隸屬函數(shù)法綜合評價了不同施肥量處理對黃瓜的綜合影響，得分越高施肥處理效果越好。從表4可看出，微孔膜灌溉條件下施肥以FC處理的綜合評價得分最高，其次為FD,FB和FA,FE的綜合評價得分最低，但高于CK，說明微孔膜灌溉條件下適宜黃瓜生產(chǎn)的最優(yōu)施肥量為FC處理，即81.0 kg/667 m2。

表4 不同處理對黃瓜影響的綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation of the effect of different treatment on cucumber

3 討論與結(jié)論

肥料可為作物生長發(fā)育提供必需的營養(yǎng)元素，對作物生長有重要影響。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)微孔膜灌溉條件下隨水施不同肥量對根和莖干重無顯著影響，而FA處理下葉片干物質(zhì)量較FB處理顯著減少，且較其他各處理減少28%左右，這表明低施肥量下會由于養(yǎng)分供應不足造成葉片干物質(zhì)積累的減少。葉片是進行光合作用的器官，在養(yǎng)分供應充足時，植株向葉片分配的干物質(zhì)越多，葉片生長越迅速，葉肉細胞和截獲的光能越多，有利于提高光合作用。但本研究中微孔膜灌溉條件下凈光合速率在FC處理中最大，F(xiàn)E處理下最低。前人研究證明營養(yǎng)元素富集過多會導致CO2通過氣孔和葉肉細胞間隙時的擴散阻力增加，還會影響光合作用中相關(guān)代謝酶的活性而使光合作用減弱[20-22]。FE處理中，胞間CO2濃度較大，而氣孔導度在各處理間無顯著差異，說明施肥量過高引起了非氣孔因素限制，進而使光合作用減弱。相反，F(xiàn)C處理下胞間CO2濃度最低，氣孔導度較高，非氣孔因素對光合作用的限制較小，從而改善了光合作用，其凈光合速率最高。

植物吸收的礦質(zhì)營養(yǎng)元素參與體內(nèi)的諸多生理代謝過程。本研究結(jié)果表明，同CK處理相比，微孔膜灌溉隨水施不同肥量可使黃瓜根、莖和葉中P含量及植株總P含量發(fā)生顯著的改變，且均以FC處理下含量最高，其中根和植株總P含量與其他處理差異均達顯著水平。P可參與碳水化合物的合成、轉(zhuǎn)化與運輸，對產(chǎn)量的形成有明顯的促進作用[23-24]，本研究結(jié)果也證明FC處理下黃瓜產(chǎn)量最高。微孔膜灌溉條件下中高施肥量處理的莖和葉中K含量顯著低于低施肥量處理，但根系中K含量無顯著差異。K在植物體內(nèi)主要以離子形式存在，隨蒸騰流向地上部運輸，而在中高施肥量處理下蒸騰速率也較低，蒸騰作用的減弱可能抑制了K的向上運輸，使得莖葉中K含量減少[24]。此外，由于黃瓜結(jié)果期植株體內(nèi)K會向果實中轉(zhuǎn)移，果實累積量越多產(chǎn)量越高[25]。本研究中通過分析黃瓜植株中K總積累量和產(chǎn)量間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者間呈負相關(guān)關(guān)系(R2=-0.97，P<0.01)。因此，中等施肥量下植株體K含量低于其他處理，可能是由于K向果實中轉(zhuǎn)移較多。

耕層土壤中營養(yǎng)元素含量受植物和施肥量的影響，一方面植物在生長過程會吸收大量的營養(yǎng)元素，另一方面表層土壤中營養(yǎng)元素會隨水分向下遷移[26-27]。本研究中，CK處理由于采用溝灌隨水施肥，水分下滲速度較快，從而表現(xiàn)出20～40 cm和40～60 cm處元素含量高于原始基礎(chǔ)土壤。微孔膜灌溉條件下水分入滲較慢，在表層土壤富集較多，且隨施肥量越大富集越多。同時，微孔膜灌溉條件下不同施肥量處理中20～40 cm和40～60 cm處元素含量也多高于原始基礎(chǔ)土壤，說明本試驗中所用土壤肥力可能較高，而植物對肥料吸收利用有限，從而造成富集。

施肥過多或過少都不利于產(chǎn)量的提高[28-29]。本研究發(fā)現(xiàn)微孔膜灌溉條件下FC處理黃瓜產(chǎn)量達到最高值為20.98 kg/m2，較CK處理顯著提高15.7%，但不同隨水施肥量處理間差異不顯著，這可能是由于試驗所用土壤肥力較高，造成了不同處理間差異減小。維生素C含量作為評價黃瓜果實品質(zhì)的一個重要指標，微孔膜灌溉條件下FC和FD處理達最大值，而FE處理下最小，且差異顯著，表明適量施肥有利于維生素C的形成。肥料偏生產(chǎn)力受肥料供應水平的影響較大，研究發(fā)現(xiàn)施肥量和產(chǎn)量間存在二次函數(shù)的關(guān)系，施肥量超過一定量時肥料的增產(chǎn)效應降低，故最大肥料利用率多出現(xiàn)在肥料供應量較低的情況下[30-31]。本研究結(jié)果也表明微孔膜灌溉條件下隨水施肥量越低肥料偏生產(chǎn)力越高，高施肥量處理FD和FE間肥料偏生產(chǎn)力無顯著差異。

本研究采用隸屬函數(shù)法，通過綜合評價得出微孔膜灌溉條件下適宜黃瓜的施肥量為81.0 kg/667 m2(其中N 14.58 kg/667 m2;P2O56.48 kg/667 m2;K2O 17.82 kg/667 m2)，較膜下溝灌增產(chǎn)15.7%、肥料偏生產(chǎn)力提高18.6%和水分利用效率提高50.0%，果實品質(zhì)也有所提升。蔣靜靜等[28]發(fā)現(xiàn)在滴灌條件下采用水肥一體化技術(shù)適宜黃瓜生產(chǎn)的最佳施肥為N 13.2～16.3 kg/667 m2、P2O55.5～6.8 kg/667 m2和K2O 17.3～21.5 kg/667 m2，與本研究結(jié)果類似，但其推薦的灌水量為本研究采用灌水量的70%左右，這是由于滴灌比微孔膜灌溉節(jié)水效果更好。然而，樊兆博等[32]對滴灌系統(tǒng)投入的研究表明，滴灌設(shè)備的投入為2.7萬元/hm2，使用期為5年，本研究中利用的是無破損廢舊棚膜，相較滴灌系統(tǒng)投入較低。因此，微孔膜灌溉施肥可作為一種有效的節(jié)肥增產(chǎn)技術(shù)。