河西走廊灌漠土温室黄瓜水肥优化利用模型研究

陈修斌，李翊华，许耀照，范惠玲，张文斌

(1．河西学院农业与生物技术学院，甘肃 张掖　734000； 2.张掖市经济作物技术推广站，甘肃 张掖　734000)



河西走廊灌漠土温室黄瓜水肥优化利用模型研究

陈修斌1，李翊华1，许耀照1，范惠玲1，张文斌2

(1．河西学院农业与生物技术学院，甘肃 张掖734000； 2.张掖市经济作物技术推广站，甘肃 张掖734000)

摘要：为获得在河西走廊灌漠土日光温室滴灌栽培条件下的黄瓜水肥优化利用模型，以‘津优30号’黄瓜为试验材料，采用四因素二次回归通用旋转组合设计，建立了黄瓜产量的水肥耦合模型：Y= 204.44+7.75X1+6.84X2+4.84X3+5.33X4-3.77X12-3.43X22-10.01X32-4.76X42+2.55X1X2-3.43X1X3+2.68X1X4+1.87X2X3+2.37X2X4-10.79X3X4.结果表明：在灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾优化的水肥用量分别为6 675.0 m3/hm2、525.0 kg/hm2、630.0 kg/hm2和480.0 kg/hm2时，黄瓜产量最高，可达212.58 t/hm2，同时施肥成本、施肥利润、肥料投资效率也最高，分别为0.80万元/hm2、3.63万元/hm2和4.54.

关键词：河西走廊；灌漠土；黄瓜；水肥优化模型

第一作者：陈修斌(1968-)，男，教授，硕士，主要从事园艺植物栽培与生理方面的研究.E-mail:chenxiubin2003@163.com

水是肥效发挥的关键，肥是打开水土系统生产效能的钥匙[1]，水分和养分对作物生长的作用并不是孤立的，而是相互作用相互影响[2]，水分作为作物生长过程中必不可少的因子,既可加速肥料的溶解以及有机肥料的矿化，又能促进养分的释放.近年来，很多学者对水肥优化利用模型进行了研究，刘玉涛等[3]研究发现，磷和水配合存在阈值反应，提出了半干旱区玉米不同决策目标下的水肥优化方案.贾亮等[4]研究了不同水肥优化模式对冬小麦生长发育及产量的影响，提出优化模式不仅节约大量水资源，而且显著提高了小麦产量.张东昱等[5]对河西走廊花椰菜水肥量化管理指标进行了研究，得到了花椰菜高产时的水分和肥料的最适用量.Phene C J等[6]和Basel G A等[7]对加工型番茄水肥优化利用进行了研究，得到了番茄高产时的水肥管理指标.但这些研究大多集中于大田作物方面，而对在河西走廊灌漠土温室条件下，黄瓜水肥优化利用的研究缺少系统报道.

黄瓜(CucumissativusL.)是河西地区日光温室栽培的主要蔬菜作物之一，在其生产过程中，大多依靠大水大肥的管理措施提高产量，这不仅造成水资源和肥料的浪费，而且土壤硝酸盐淋失，微量元素缺乏及环境污染，进而导致黄瓜产量品质下降、发病率高.本试验以‘津优30号’黄瓜为试验材料，在日光温室滴灌条件下，研究灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾4因素与黄瓜产量的关系，旨在寻求黄瓜高产的最适宜水肥优化利用的量化指标，以期为河西走廊温室黄瓜的节水、节肥和高产栽培提供科学依据.

1材料与方法

1.1试验材料

1.1.1试验地概况模型构建试验于2012年8月在甘肃省张掖市绿洲示范园区蔬菜日光温室进行，温室长度55 m，跨度8 m，脊高3.8 m，后坡水平投影长度1.3 m，墙体为1.5 m厚的土墙，低温季节加盖草帘保温，高温季节通风换气，设施内温度调控为白天25～30 ℃，夜间10～15 ℃，空气相对湿度保持在75%～85%.供试土壤为灌漠土，耕作层0～20 cm土层含有机质 17.2 g/kg，碱解氮65.4 mg/kg，有效磷(P)8.96 mg/kg，速效钾(K)158 mg/kg，pH值为 7.5，全盐 1.1 g/kg，容重1.35 g/cm3，总孔隙度49.1%.模型验证试验于2013年8月在原示范园区进行，供试温室长度50 m，跨度9 m，脊高4.5 m，土壤类型为灌漠土，质地为沙壤土，0～20 cm 耕层有机质含量为15.8 g/kg，碱解氮 58.0 g/kg，有效磷9.2 mg/kg，速效钾163.5 mg/kg，pH为7.2.

1.1.2试验材料尿素{N 46%，利用率40%，氮肥的利用率(%)=[(氮磷钾区植株氮吸收量-磷钾区植株氮吸收量)/肥料氮用量]×100(下同)}，过磷酸钙(P2O514%，利用率18%)，硫酸钾(K2O 50%，利用率35%).黄瓜品种为‘津优30号’，由天津科润农业科技股份有限公司黄瓜研究所选育.

1.1.3供试土壤理化性质测定试验前土壤理化状况由常规法测定[8]:土壤容重采用环刀(容积100 cm3)法测定，计算单位容积内土体质量.

总孔隙度=(1-土壤容重/土壤密度)×100%

土壤有机质、碱解氮、速效钾、有效磷分别采用重铬酸钾稀释热法、碱解扩散法、火焰光度计法、0.5 mol/L Na2CO3浸提-钼锑抗比色法测定；pH值采用水土比2.5∶1，pH电极法测定.

1.2试验方法

1.2.1试验设计模型构建试验采用四因子二次回归通用旋转组合设计[9]，以灌水量 (m3/hm2)、尿素 (kg/hm2)、过磷酸钙 (kg/hm2)、硫酸钾 (kg/hm2)4 因素为自变量，产量为因变量，构建数学模型.自变量xj与规范变量间的关系为xj=x0j+△jZj，其中x0j为4个因变量的零水平，△j为4因素不同水平的变动区间，j=1,2,3,4.Zj为4因素5水平编码值,如：当Zj=1.682，△j=525时，X1=7 200+525×1.682=8 083.1(下同).4因素水平编码值和处理水平见表1；依据这种试验方法，将试验设计为20个处理，每个处理重复3次(表2)；模型验证试验以模型寻优得到的最佳水肥组合A、最差水肥组合CK和生产上一般水肥量B为处理，各处理重复3次，随机区组排列，试验设计见表3.

1.2.2田间种植方法模型构建试验于2012年8月20日播种育苗，9月25日定植，11月8日始收，翌年5月12日拉秧，采用高畦栽培，每处理畦底宽80 cm，上口宽60 cm，水沟宽40 cm， 畦长6 m，小区面积7.2 m2(1.2 m×6 m)，小区之间深埋60 cm塑料薄膜隔开；定植株行距40 cm×50 cm， 保苗数5.0万株/hm2；黄瓜植株的管理与常规管理相同.模型验证试验于2013年8月在原示范区进行，育苗和定植时间、作畦规格、定植密度及管理同上.

表2　试验处理

表3　各处理灌水量、尿素、过磷酸钙、

1.2.3水肥用量的控制根据试验设计，严格试验过程中的水肥管理.灌水定额的控制，在垄上安装一条薄壁滴灌带，滴头间距40 cm，滴灌流量为4.65 L/(m·h)，从黄瓜定植后至根瓜座瓜前，各处理灌溉总额的1/5灌水量每5～7 d 滴灌1次，分二次灌溉；根瓜采收后，各处理灌溉总额4/5灌水量每8～10 d 滴灌1次，每次灌水量为各处理灌溉总额的平均值，用闸阀控制每处理的灌水量；肥料用量的控制为：各处理针对各小区实际用量，过磷酸钙作底肥，作畦时一次性投入，尿素和硫酸钾从黄瓜根瓜采收(2012年11月8日)开始，每14～15 d施肥一次，分13次施入，各次按不同处理尿素和硫酸钾的用量分13等份等量施入，每次将肥料溶解在施肥器内结合浇水滴灌施肥.

1.2.4数据处理每个试验小区产量分别单独收获，将小区产量折合成公顷产量.采用DPS V 13.0软件，对试验数据进行分析.

2结果与分析

2.1产量目标函数数学模型的建立与检验

根据表4试验结果，以产量为目标函数(Y)，以灌水量(X1)、尿素(X2)、过磷酸钙(X3)、硫酸钾(X4)4因素为控制变量，对数据进行计算机处理，得到黄瓜产量对4因素的回归数学模型：Y= 204.44+7.75X1+6.84X2+4.84X3+5.33X4-3.77X12-3.43X22-10.01X32-4.76X42+2.55X1X2-3.43X1X3+2.68X1X4+ 1.87X2X3+2.37X2X4-10.79X3X4.经显著性检验：F1=5.853F0.01=4.850，表明方程回归关系达到极显著水平.F检验说明产量与各因素拟合很好，方程有效，可以进行效应分析及预测.剔除α=0.10不显著项后，简化后的回归方程为:Y=204.44+7.75X1+6.84X2+4.84X3+5.33X4-3.77X12-3.43X22-10.01X32-4.76X42-3.43X1X3-10.79X3X4.

表4　各处理产量结果

表中同一处理的产量为3次重复的平均值；小写字母表示5%的差异水平，大写字母表示1%的差异水平.

2.2各因素及其交互作用与产量之间的关系

2.2.1主效应分析回归模型本身已经过无量纲形编码代换，其偏回归系数已经标准化，故可以直接从其绝对值的大小来判断各因素对目标函数的相对重要性.因此，4因素对产量的影响程度大小为X1>X2>X4>X3，即灌水量>尿素>硫酸钾>过磷酸钙.

2.2.2单因子效应分析将回归模型中的灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾4因子中的两个固定在零水平，求得单因素对产量的偏回归子模型，分别获得各因素在不同水平下的产量预测值.灌水量：Y=204.44+7.75X1-3.77X12，施尿素量：Y= 204.44+6.84X2-3.43X22，施过磷酸钙量：Y=204.44+4.84X3-10.01X32，施硫酸钾量：Y= 204.44+5.33X4-4.76X42.分别对其求导，令dYi/dXi=0，求得Yi达极大值时各要素单独施用的最适量，可得X1=1.028，X2=0.997，X3=0.242，X4=0.560.当X1、X2、X3、X4编码值分别为1.028、0.997、0.242、0.560水平时，黄瓜产量达最高；在其施用水平分别高于或低于极值点1.028、0.996、0.242、0.560时， 黄瓜产量都会降低.

2.2.34因子的交互效应分析对产量模型解析，分别得到灌水量与尿素、灌水量与过磷酸钙、灌水量与硫酸钾、尿素与过磷酸钙、尿素与硫酸钾、过磷酸钙与硫酸钾的交互效应分界点.在其施用水平分别低于1.028和0.997、0.997和0.242、1.028和0.560、0.997和0.242、0.997和0.560、0.242和0.560 时，对产量存在正相关关系，高于此水平时又会呈负相关关系[10-11].

2.2.4灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾水肥优化组合及相应产量通过对产量模型的解析，分析了灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾各因子对产量的影响程度，得出最佳组合：灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾水平分别为-1、0、-1、1时，其相对应灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾用量为6 675.0 m3/hm2、525.0 kg/hm2、630.0 kg/hm2和480.0 kg/hm2，以此量化指标栽培黄瓜，产量可达到最高，为212.58 t/hm2.

2.3模型验证试验结果

不同灌水施肥量对黄瓜产量影响很大，由表5可以看出，处理间A>B>CK.说明由模型选优所得灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾配比的产量最高，施肥成本、施肥利润、肥料投资效率分别为0.80万元/hm2、3.63万元/hm2和4.54，栽培效果明显优于其他配比.生产上普遍采用的施肥量，产量居中[12-13]，而由模型选出的较差组合产量最低，说明灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾配比失衡，影响了黄瓜生长发育.由此证明，构建的模型准确可靠.

表5　不同处理对黄瓜产量的影响

黄瓜、水肥料价格：黄瓜1 800元·t-1， 水0.8元·m-3，尿素1 350元·t-1， 过磷酸钙1 900元·t-1，硫酸钾1 750元·t-1.

3讨论与结论

张丽莹等[14]研究显示，中等灌水量处理的黄瓜植株产量和品质指标较好，过高或过低的灌水量皆会导致其下降，而随着施肥量的提高黄瓜植株的产量呈增加趋势.徐福利等[15]研究表明，氮肥、磷肥及有机肥对黄瓜生长及产量有显著影响，在一定范围内施肥能提高黄瓜产量，但施用过量会起到反作用.谢美玲等[16]研究了膜下滴灌条件下水肥耦合对红枣产量和品质的影响，得到了红枣获得最高产量时的全生育期的灌水量和施肥量的最优化用量模型.本试验研究了灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾4因素对河西走廊灌漠土日光温室滴灌栽培黄瓜产量的影响，得到了黄瓜产量达到最高值212.58 t/hm2时，其用量分别为6 675.0 m3/hm2、525.0 kg/hm2、630.0 kg/hm2和480.0 kg/hm2.各因素间存在交互作用，分别得到灌水量与尿素、灌水量与过磷酸钙、灌水量与硫酸钾、尿素与过磷酸钙、尿素与硫酸钾、过磷酸钙与硫酸钾的交互效应分界点.在其施用水平分别低于1.028和0.997、0.997和0.242、1.028和0.560、0.997和0.242、0.997和0.560、0.242和0.560时与产量存在正相关关系，高于此水平时又会呈负相关关系.这说明在作物生产中水肥耦合存在一定的阈值，低于此阈值时，增加水肥投入增产效果明显；而高于此阈值时，增产作用不大[17-18]，此结论与本试验结果一致.

水肥耦合效应可产生3种不同的结果，即协同效应、叠加效应和拮抗效应[19].其对植物的影响在合理范围内有明显的协同作用，但不同作物、不同地区适宜的水肥范围和主导因素又有所差别.本试验在对构建的模型验证试验中，由模型选出的较差组合产量最低，模型选出的最好组合产量最高，而生产上一般肥水用量产量居中，说明经模型选优得到的灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾的水肥用量配比最优，优化的水肥配比表现为水肥耦合的协同效应，可以达到“以水调肥”和“以肥促水”的效果，促进了植株的生长发育，从而提高蔬菜产量，而模型选出的较差组合产量最低这主要是水分与氮、磷、钾营养成份配比失衡，水肥耦合呈拮抗效应，因此表现为产量最低.

综合试验结果表明：黄瓜获得高产时的水肥优化组合是灌水量、尿素、过磷酸钙、硫酸钾分别为6 675.0 m3/hm2、525.0 kg/hm2、630.0 kg/hm2和480.0 kg/hm2.以此优化的水肥用量指导生产，既可以提高温室黄瓜的产量、产值和肥水利润，又能降低肥水成本，可为本区温室黄瓜实现高产优质高效及节水、节肥栽培提供理论指导.

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(责任编辑赵晓倩)

Irrigation-fertilization optimization model on cucumber

in the greenhouse with irrigated desert soil

in the Hexi Corridor

CHEN Xiu-bin1，LI Yi-hua1，XU Yao-zhao1，FAN Hui-ling1，ZHANG Wen-bin2

(1.College of Agriculture and Biotechnology,Hexi University,Zhangye 734000,China;

2.Technical Extension Station for Economical Crops,Zhangye 734000,China)

Abstract：In order to obtain the irrigation-fertilization optimization model on cucumber under drip irrigation in the greenhouse with irrigated desert soil in the Hexi Corridor,the cucumber cultivar 'Jinyou No.30'was using as tested material,and using four factors quadratic regression general rotation design,the water-fertilizer coupling model on cucumber production was established as follow：Y=204.44+7.75X1+6.84X2+4.84X3+5.33X4-3.77X12-3.43X22-10.01X32-4.76X42+ 2.55X1X2-3.43X1X3+2.68X1X4 + 1.87X2X3 + 2.37X2X4 -10.79X3X4.The results showed that when the irrigation amount,urea,superphosphate and potassium optimized water and fertilizer amounts were 6 675.0 m3/hm2,525.0 kg/hm2,630.0 kg/hm2and 480.0 kg/hm2,the cucumber yield reached to 212.58 t/hm2,at the same time,the cost of fertilizer,fertilizer profits,fertilizer investment efficiency were the highest,which were 8 000 yuan/hm2,36 300 yuan/hm2and 4.54,respectively.

Key words：Hexi corridor；cucumber；irrigated desert soil；optimization model of water-fertilization

收稿日期：2014-10-27；修回日期：2015-04-08

基金项目：甘肃省河西走廊特色资源利用省级重点实验室项目(XZ1205).

中图分类号：S 642.2

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)06-0047-05