基于沼液復(fù)合微生物肥的西瓜水肥耦合效應(yīng)研究

紀立東，李 磊，劉菊蓮，王文林，司海麗

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002；2.寧夏順寶現(xiàn)代農(nóng)業(yè)股份有限公司，寧夏 吳忠 751600)

0 引 言

寧夏地處西北干旱半干旱地區(qū)，光熱資源豐富、干旱少雨、晝夜溫差大、無霜期長，是我國優(yōu)質(zhì)瓜菜的重要生產(chǎn)基地，也是全國12個商品糧基地之一。西瓜是寧夏的重要特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，一直以甘甜如蜜、營養(yǎng)豐富[1]而聞名在外，但由于長期使用化肥導(dǎo)致土壤板結(jié)，水肥利用效率不高、產(chǎn)量品質(zhì)下降等問題[2]嚴重制約著寧夏西瓜品牌的創(chuàng)建和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。沼液由于富含大、中微量營養(yǎng)元素和腐殖酸、氨基酸、酶等活性物質(zhì)，而越來越多地被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐。相關(guān)研究表明施用沼液肥可提高土壤肥力[3,4]、改良土壤物理結(jié)構(gòu)[5,6]、降低病蟲害發(fā)生[7,8]、增加產(chǎn)量[9,10]，改善作物品質(zhì)[11,12]，效果顯著。水肥是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)不可缺少的兩大主要因素，關(guān)于水肥協(xié)同耦合對于促進作物生長發(fā)育、產(chǎn)量提高、品質(zhì)提升及水肥利用效率提高的研究成果很多，但研究多側(cè)重于氮磷鉀養(yǎng)分和灌水量供應(yīng)之間的協(xié)同效應(yīng)，對于新型沼液復(fù)合微生物肥料產(chǎn)品開展水肥耦合研究的較少，且部分研究忽略了沼液中富含的中微量營養(yǎng)元素及生物活性物質(zhì)的增效作用，致使投入成本較高。本研究基于新型沼液復(fù)合微生物肥，在減氮30%的基礎(chǔ)上，研究沼液復(fù)合微生物肥的水肥耦合效應(yīng)，以期為新型肥料產(chǎn)品的推廣應(yīng)用及西瓜產(chǎn)業(yè)的提質(zhì)增效提供產(chǎn)品及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年4-9月在寧夏順寶生態(tài)園開展。該地區(qū)地處黃河中上游，寧夏平原中部，屬中溫帶大陸性氣候。冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，晝夜溫差大，年日照時數(shù)3 044 h，年均氣溫9.8 ℃左右，無霜期178 d，年降水量180～200 mm之間。

1.2 供試材料

供試西瓜品種為“金城5號”嫁接苗，露地覆膜定植。供試肥料選取寧夏順寶現(xiàn)代農(nóng)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的沼液復(fù)合微生物肥，總養(yǎng)分≥18%，有效活菌數(shù)≥0.5億/g，產(chǎn)品分為3個型號，分別為：高氮型(10-5-3)、平衡型(6-6-6)、高鉀型(6-4-8)。

1.3 供試土壤

試驗地成土母質(zhì)以洪積物為主，地貌為洪積傾斜平原，地形平坦，土壤侵蝕較重，土壤類型為灰鈣土，淡灰鈣土亞類，土質(zhì)疏松，局部土壤含有礫石；土壤容重較大，田間持水量較低，土壤呈堿性，輕度鹽漬化，肥力水平低下。見表1和表2。

表1 土壤基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physics properties of soils

表2 土壤基本化學(xué)性質(zhì)Tab.2 Basic chemistry properties of soils

1.4 試驗設(shè)計

試驗設(shè)灌水量和施肥量兩個因素，采用二因素三水平完全組合設(shè)計。灌水量以當(dāng)?shù)毓?jié)水灌溉推薦灌溉量3 150 m3/hm2為基準；施肥量以當(dāng)?shù)匚鞴蠝y土配方施肥標準減氮30%設(shè)計用量沼液復(fù)合微生物肥2 400 kg/hm2為基準，各設(shè)置3個梯度，其中灌溉定額設(shè)W1 (2 400 m3/hm2) 、W2 (3 150 m3/hm2) 、W3 (3 900 m3/hm2) 3個水平；施肥定額設(shè)F1 (1 800 kg/hm2) 、F2 (2 400 kg/hm2) 、F3 (3 000 kg/hm2) 3個水平，共9個處理 (表3) ，每個處理重復(fù)3次，每小區(qū)面積144 m2， 合計27個小區(qū)。整個生育期根據(jù)降水量與生長情況共灌水8次，間隔施肥4次；其中苗期施用高氮型(10-5-3)沼液肥1次，施肥量占總施肥量20%；伸蔓期施用平衡型(6-6-6)沼液肥1次，施肥量占總施肥量30%；膨大期施用高鉀型(6-4-8)沼液肥2次，施肥量占總施肥量50%。采用水肥一體化滴灌施肥模式，各處理安裝水表控制灌水量，其他管理同大田。

表3 試驗設(shè)計表Tab.3 Test designs table

1.5 測定項目與方法

1.5.1 土壤樣品采集與測定

在西瓜定植前和收獲后，采集耕層(0～30 cm)5點混合樣品，測定土壤理化指標。其中pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀，按國標方法測定，即用環(huán)刀法測定土壤容重、田間持水量等指標；土壤pH值在水土比例5∶1混勻靜止后直接用pH計測定；DDS-11電導(dǎo)率儀測定全鹽含量；重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)含量；堿解擴散法測定堿解氮含量；用0.5 mol/L1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；用1 mol/L1醋酸銨溶液浸提-火焰光度計法測定速效鉀含量。

1.5.2 西瓜生長發(fā)育性狀觀測

(1)生物學(xué)性狀：稱量法測定單瓜重(小區(qū)內(nèi)所有瓜單重平均數(shù))、西瓜產(chǎn)量(小區(qū)實測產(chǎn)折算)，并計算西瓜水分利用效率(WUE=總產(chǎn)量/總灌溉量)；

(2)生理指標：采用SPAD-502在西瓜關(guān)鍵生育期測定葉片葉綠素SPAD值、采用光合作用測定儀(LI-6400)在西瓜關(guān)鍵生育期測定葉片光合速率等指標；

(3)品質(zhì)指標：收獲期多點采集西瓜樣品，測定總糖、總酸、Vc含量、可溶性固形物等品質(zhì)指標，其中手持糖量計測定果實可溶性固形物含量；NaOH滴定法測定果實可滴定酸含量(以酒石酸計)；Vc含量采用2,4-二硝基苯肼法測定。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)和作圖；采用SPSS20.0軟件進行統(tǒng)計分析，并對相關(guān)性指標進行顯著性檢驗，顯著性水平為(p<0.05，n=5)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同處理對西瓜第一雌花節(jié)位的影響

第一雌花節(jié)位點出現(xiàn)位置一般標志著西瓜成熟期的早晚。由圖1可得，水肥耦合處理下西瓜的第一雌花節(jié)位一般在5～7節(jié)，中水高肥處理下即W2F3可顯著降低第一雌花節(jié)位，而低水低肥以及高水高肥情況下反而增加第一雌花節(jié)位，基本處于第8節(jié)位。由此可見，適當(dāng)?shù)乃时壤兄诖龠M西瓜提前開花，而低水低肥、高水高肥條件下由于破壞了植株水分養(yǎng)分均衡，導(dǎo)致西瓜開花延遲。

圖1 不同處理西瓜第一雌花節(jié)位比較Fig.1 Comparison of the first female node position of watermelon treated with different treatments

2.2 不同處理對西瓜葉片葉綠素SPAD值的影響

表4可得，隨著西瓜生育進程的持續(xù)推進，SPAD值總體表現(xiàn)為伸蔓期>膨果期>幼苗期的趨勢。幼苗期，葉綠素SPAD值隨著施肥量與灌水量的增加表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢，不同處理以高水高肥(W3F3)處理下葉綠素SPAD值最高，顯著高于W1F1、W1F2、W1F3。由此說明，水肥充足供應(yīng)條件下能顯著提高葉綠素含量，植株葉色濃綠。伸蔓期葉綠素SPAD值變異趨勢與幼苗期相一致，但膨果期表現(xiàn)為中水高肥處理下SPAD值最高，尤其W2F3處理下SPAD值相比W1F1、W1F2、W1F3分別增加了10.98%、7.20%、4.90%。由此說明中水高肥有利于提高西瓜膨果期葉片葉綠素含量。

表4 不同處理西瓜葉片葉綠素SPAD值比較Tab.4 Comparison of chlorophyll SPAD in watermelon leaves under different treatments

2.3 不同處理對西瓜膨果期光合特性的影響

表5可得，西瓜葉片凈光合速率隨著灌水量的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，中水供應(yīng)條件下顯著提高了葉片凈光合速率，但W2F1、W2F2、W2F3之間差異不顯著；中水、高水各處理顯著提高了葉片蒸騰速率，不同處理以W2F2處理蒸騰速率最大，W2F3顯著降低了葉片蒸騰速率；隨著施肥量的增加，葉片氣孔導(dǎo)度表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，不同處理以W2F3葉片氣孔導(dǎo)度最高，相比W1F1、W1F2、W1F3分別增加了192.96%、160.60%、110.49%，但同比W3F3差異不顯著；不同水肥供應(yīng)條件下西瓜葉片胞間CO2濃度與凈光合速率成反比關(guān)系，W1F1顯著提高了葉片胞間CO2濃度；由于W2F3顯著降低了葉片蒸騰速率，從而顯著提高了葉片水分利用效率，實現(xiàn)以肥促水的作用。

表5 不同處理西瓜光合特性比較Tab.5 Comparison of photosynthetic characteristics of watermelon under different treatments

2.4 不同處理對西瓜農(nóng)藝指標的影響

表6可得，相比低水、中水低肥處理，中水中肥、中水高肥及高水處理顯著提高了西瓜單瓜重，但彼此之間差異不顯著；低水處理顯著降低了單瓜重，主要原因為水分供應(yīng)不足導(dǎo)致西瓜果實膨大受限。低水供應(yīng)條件下，西瓜果形指數(shù)隨著施肥量的增加而增加，二中高水供應(yīng)條件下，西瓜果形指數(shù)隨著施肥量的增加表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，不同處理間以W2F2和W3F2果形指數(shù)最大，果形最優(yōu)。

表6 不同處理西瓜農(nóng)藝指標比較Tab.6 Comparison of agronomic indexes of watermelon under different treatments

2.5 不同處理對西瓜產(chǎn)量和水分利用效率的影響

圖2可得，不同水肥供應(yīng)條件下西瓜產(chǎn)量差異顯著。同一水量供應(yīng)條件下，隨著施肥量的增加，西瓜產(chǎn)量有增高的趨勢。其中，低水量供應(yīng)條件下西瓜產(chǎn)量顯著降低；中水量供應(yīng)條件下，隨著施肥量的增加，不同處理表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，但中水高肥顯著高于中水低肥，同比中水中肥差異不顯著；高水量供應(yīng)條件下，不同施肥量差異不明顯，可能是土壤本底肥力供應(yīng)導(dǎo)致施肥量差異不明顯。不同處理間以W2F3處理下西瓜產(chǎn)量最高，相比處理W1F3增產(chǎn)33.92%、同比W2F2增產(chǎn)12.77%、同比W3F2增產(chǎn)2.29%，說明中水高肥情況下增產(chǎn)效應(yīng)明顯。低水、中水條件下西瓜水分利用效率顯著升高，高水條件下雖然產(chǎn)量明顯提高，但水分利用效率明顯降低；不同處理間以處理W2F3水分利用效率最高，達到19.97 kg/m3。整體表明，低水顯著抑制了西瓜的產(chǎn)量，同時水分利用效率提升；中水供應(yīng)后，西瓜產(chǎn)量隨施肥量的增加而增加，相應(yīng)水分利用效率逐漸升高；而高水條件下，產(chǎn)量并沒有顯著升高，反而降低了水分利用效率。

2.6 不同處理對西瓜品質(zhì)的影響

在西瓜成熟度80%左右時，多點采樣測定了西瓜品質(zhì)。表7可得，高水量供應(yīng)條件下西瓜可溶性固形物顯著降低，而中低水量供應(yīng)條件下，西瓜可溶性固形物升高；同一水量供應(yīng)水平下不同施肥量之間差異不明顯；總糖表現(xiàn)出和可溶性固形物相一致的規(guī)律，不同處理間W2F3總糖含量最高，相比W2F3、W3F1、W3F2、W3F3分別增加19.97%、19.96%、19.98%、16.36%。W1F1顯著提升了總酸含量，W3F1降低了總酸含量，相比W1F1降低了41.17%，其他處理間西瓜總酸含量差異不顯著；同一水量供應(yīng)條件下，西瓜Vc含量隨施肥量增加表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，但不同處理間差異不顯著；低肥供應(yīng)水平下，隨著灌水量的增加Vc含量顯著增加；中高肥供應(yīng)條件下，高水量供應(yīng)顯著增加西瓜VC含量。說明水分供應(yīng)仍然是礫質(zhì)砂土西瓜糖類物質(zhì)形成的決定因素，不同處理間以W2F3效果表現(xiàn)最佳。

3 討論與結(jié)果

膜下滴灌條件下，肥水調(diào)控對西瓜的營養(yǎng)生長、光合效率具有顯著促進作用，從而顯著提高了西瓜產(chǎn)量并有利于西瓜風(fēng)味品質(zhì)改善。本研究結(jié)果表明，水肥供應(yīng)量不足會導(dǎo)致西瓜主蔓莖粗變細，造成“徒長”現(xiàn)象，推遲第一雌花節(jié)位，而W2F3處理有利于主蔓伸長，顯著降低第一雌花節(jié)位，促進西瓜開花結(jié)實提前，光合作用進程加快。葉片光合作用的產(chǎn)物主要供應(yīng)莖、葉和果實的生長，因此，根據(jù)“庫-源”關(guān)系，西瓜產(chǎn)量作為光合“庫”容量指標能客觀表現(xiàn)由于滴灌施肥水平供給差異產(chǎn)生的植株同化能力的差異。雖然W2F2凈光合速率最大，但同時蒸騰速率也隨之增加，而W2F3在保證凈光合速率一定的情況下降低了蒸騰速率，從而提高葉片水分利用效率，確保西瓜營養(yǎng)生長旺盛，光合產(chǎn)物豐富。

西瓜果實營養(yǎng)物質(zhì)含量高低決定了西瓜口感和品質(zhì)，其中可溶性固形物濃度是西瓜風(fēng)味品質(zhì)的重要指標之一。Erdem Y等[51]等研究發(fā)現(xiàn)土壤水分虧缺能促西瓜果實可溶性固形物濃度提高，同時含糖量會有所增加，而對酸度不會產(chǎn)生顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)中低水量供應(yīng)條件下，西瓜可溶性固形物升高，而高水量供應(yīng)條件下西瓜可溶性固形物顯著降低，西瓜酸度不同處理之間無明顯變化，結(jié)論較為一致。產(chǎn)量是水肥耦合效應(yīng)的最終體現(xiàn)。趙衛(wèi)星等[56]研究揭示灌水量225 m3/hm2配施112.5 kg/hm2復(fù)合肥能極大地提高西瓜的光合速率和產(chǎn)量，馬波等[57]對寧夏干旱半干旱區(qū)砂地西瓜研究表明西瓜產(chǎn)量與灌水量關(guān)系、施氮量關(guān)系在試驗期間均呈上凸拋線型。本研究發(fā)現(xiàn)水分仍然是礫質(zhì)淡灰鈣土西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)形成的決定因素，低水顯著抑制了西瓜的產(chǎn)量，中水供應(yīng)后西瓜產(chǎn)量隨施肥量的增加而增加，但高水明顯降低了水分生產(chǎn)效率；不同處理之間W2F3能顯著提升西瓜產(chǎn)量，說明優(yōu)化的水肥組合有助于促進西瓜營養(yǎng)物質(zhì)累積。綜合西瓜生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)等指標，寧夏青銅峽甘城子礫質(zhì)淡灰鈣土沼液復(fù)合微生物肥最佳灌溉施肥方案為：灌水量3 150 m3/hm2，施肥量3 000 kg/hm2。