不同灌溉方式下施氮水平对设施春黄瓜产量及氮肥利用率的影响

蔡树美， 张中华， 徐四新， 张德闪， 曹亮亮， 顾富家， 诸海焘①

〔1.上海市农业科学院生态环境保护研究所， 上海 201403； 2.上海华维节水灌溉股份有限公司， 上海 201505； 3.上海节水灌溉工程技术研究中心， 上海 201505； 4.时科生物科技(上海)有限公司， 上海 201100； 5.申农(上海)生态农业发展有限公司， 上海 202150〕

春黄瓜是我国的主要春季蔬菜作物，由于具有产量高、连续采收能力强、经济效益好等优势，全国种植面积连续多年超过120万hm2，占蔬菜种植面积的10%以上[1]。据调查，大水大肥仍然是设施春黄瓜的主要水肥管理方式，上海地区设施黄瓜的化肥氮投入量平均为700 kg·hm-2，是推荐施氮量的2.5倍。此外，灌溉方式不当仍然是设施春黄瓜生产管理中的突出问题。据统计，截至2015年，上海地区设施菜田面积逾2万hm2，其中使用喷淋和膜下滴灌等水肥一体化设施的菜田面积约为0.2万hm2，地面灌溉、普通喷灌等传统灌溉方式仍然普遍存在，水资源浪费严重，效率低下[2]。过量施氮和不当灌溉已经成为制约设施春黄瓜生产的主要限制因子[3-4]。

滴灌水肥一体化是借助压力系统(或地形自然落差)，将可溶性固体或液体肥料配兑成肥液，与灌溉水一起通过可控滴灌管道系统将水分、养分定时定量按比例直接提供给作物的一种栽培新方法[5-6]。国内外众多研究都证实采用滴灌水肥一体化技术可以有效提高黄瓜养分利用率，达到化肥减施增效的目标。GUPTA等[7]研究表明，采用滴灌施肥能有效节水节肥，在灌溉量和施肥量均只有常规80%的情况下，黄瓜产量仍能达到最高(144 t·hm-2)，并且在滴灌施肥模式施肥量只有常规60%的情况下，黄瓜氮肥利用率达最高(32.5%)。KANISZEWSKI等[8]研究得出，滴灌施肥时，在施肥量(以N计)为200 kg·hm-2条件下，黄瓜的维生素C、可溶性糖含量均最高，果实品质最好，若施氮量超过200 kg·hm-2，黄瓜品质反而下降。尽管目前关于滴灌对黄瓜生长及生理过程的影响已开展了较多研究，但关于灌溉方式、施肥量对设施春黄瓜生长发育的耦合效应并不十分清楚，同时对于氮肥减量施用所引起的黄瓜产量和氮肥利用率改变方面的研究相对不足，限制了化肥减施增效在生产中的应用[9-11]。为此，笔者设置了不同灌溉方式和氮肥用量处理，探索水肥耦合效应对设施春黄瓜产量和氮肥利用率的影响，以期为设施春黄瓜滴灌水肥一体化生产条件下的水肥科学管理提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年12月至2016年6月在上海浦东惠南园艺场开展。该园艺场地理坐标为31°01′58″ N，121°46′44″ E，属亚热带海洋性季风气候区，年均降水量为1 100 mm。试验地土壤质地为砂壤土，容重为1.62 g·cm-3，田间持水量w=22.0%，地下水埋深为1.8 m。试验田块耕层土壤(0～20 cm)基本理化性状为pH值6.94，w(有机质)为17.8 g·kg-1，w(全氮)为1.52 g·kg-1，w(碱解氮)为108.5 mg·kg-1，w(速效磷)为285.9 mg·kg-1，w(速效钾)为360 mg·kg-1，w(总盐)为1.05 g·kg-1，电导率为755 μS·cm-1。

供试黄瓜品种为“申青一号”。滴灌处理采用注肥泵式膜下滴灌水肥一体化技术，所选注肥泵为比例注肥泵，型号为TF25-005，注肥比例为1.0%～5.5%，所选贴片式滴灌带的滴头间距为0.3 m，直径为16 mm，滴头流量为2 L·h-1，工作压力为100～200 kPa。将滴灌带安放在距黄瓜根部5～10 cm处，确保肥液直接输入根部土壤。喷灌处理采用当地常规的文丘里式普通管道喷灌技术，文丘里管型号为8020，吸入流量为935 L·h-1，管道为市售普通PE管，直径为25 mm，工作压力为400 kPa。

1.2 试验设计

试验地整成宽90 cm、高25 cm、沟宽30 cm的小高畦。采用裂区试验设计，主处理为水肥一体化膜下滴灌和常规管道喷灌2种灌溉方式，副处理设0、90、150、225和300 kg·hm-2共5个氮肥用量水平，每个处理磷肥施用量为90 kg·hm-2，钾肥施用量为300 kg·hm-2(表1)。2种灌溉方式的灌溉总量均为2 250 m3·hm-2，滴灌和喷灌的每次灌溉定额分别为90和150 m3·hm-2。肥料品种为市售尿素〔w(N)=46.6%〕、磷酸二铵〔w(N)=18%，w(P2O5)=46%〕和硝酸钾〔w(N)=13%，w(K2O)=45%〕。施肥时先将肥料按比例溶于水，然后通过施肥器和灌溉管道进行灌溉施肥。滴灌每5 d灌水1次，全生育期共计滴灌25次，肥料每20 d随滴灌系统施用1次，共计施肥6次；喷灌每8 d灌水1次，共计喷灌15次，肥料每20 d随微喷灌系统施用1次，共计施肥6次。试验设3次重复，完全随机区组排列，小区面积为24 m2，每个小区种植黄瓜66株，株距为40 cm，行距为60 cm。试验于2015年12月10日育苗，2016年2月5日移栽。

表1田间试验土壤微灌施肥处理措施

Table1Detailsoftreatmentinthefieldexperiment

处理编号灌溉方式施用量/(kg·hm-2)NP2O5K2Om(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)DN0滴灌 0903000∶1∶3.3DN90滴灌90903001∶1∶3.3DN150滴灌150903001.7∶1∶3.3DN225滴灌225903002.5∶1∶3.3DN300滴灌300903003.3∶1∶3.3SN0喷灌0903000∶1∶3.3SN90喷灌90903001∶1∶3.3SN150喷灌150903001.7∶1∶3.3SN225喷灌225903002.5∶1∶3.3SN300喷灌300903003.3∶1∶3.3

1.3 测定项目及方法

3月28日，进行黄瓜苗期考察：每个小区取20株黄瓜考察其株高、茎粗、叶片数及最大叶长等性状。于果实成熟期采收黄瓜：在初瓜期(4月16日至4月22日)每3 d采果1次，盛瓜期(4月23日至5月27日)每2 d采果1次，末瓜期(5月28日至6月26日)每5 d采果1次。采果时单果重控制在200～250 g。采收时对各小区黄瓜产量单独记录，最后累加计产。分别于4月22日、5月27日和6月26日在每小区取3株长势相近的植株地上部带回实验室，将茎、叶、果实各部分分开，分别测定鲜重、干重和干物质氮含量等指标。氮含量采用硫酸-过氧化氢消煮后凯氏定氮法测定[12]。

1.4 指标计算方法与统计分析方法

地上部氮素累积量(kg·hm-2)为地上部干物质量与地上部干物质氮含量的乘积。

产量变化趋势表达式为y=b0+b1x+b2x2。其中，y为黄瓜产量，kg·hm-2；x为施肥量，kg·hm-2；b0为不施肥时黄瓜产量，kg·hm-2；b1为主效应系数，即低施氮量时的作物增产趋势；b2表示抛物线曲率大小和方向，即作物产量随施肥量增加而达到最高前后的变化趋势[13]。

氮肥利用率(%)为施氮处理作物地上部氮素累积量与不施氮处理作物地上部氮素累积量的差值占氮肥施用量的百分比。

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 17.0软件对试验数据进行统计分析，采用LSD法检验处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 微灌施肥对黄瓜生长发育的影响

微灌施肥对设施春黄瓜形态指标的影响及其方差分析见表2。

表2微灌施肥对设施春黄瓜形态指标的影响及其方差分析

Table2Growthofgreenhousespringcucumberasaffectedbythefertigationmethod

处理编号株高/cm茎粗/cm叶片数最大叶长/cm最大叶宽/cmDN0191.6c,NS0.55c,NS10.3d,NS14.6b,NS16.4d,NSDN90223.2b,NS0.71b,NS12.6c,NS16.3b,NS21.0c,**DN150256.4a,*0.85a,NS15.2ab,*19.0a,NS24.3b,*DN225265.8a,*0.87a,*16.8a,*20.6a,NS27.1a,NSDN300243.2ab,NS0.68b,*14.5bc,NS16.5b,*20.3c,*SN0192.7c0.48c10.5b13.6c16.7cSN90198.5bc0.67b10.8b14.2c16.4cSN150224.0ab0.77a11.3b16.9b20.8bSN225234.2a0.74ab13.8a18.4ab24.3aSN300238.1a0.80a14.5a20.2a24.5a灌溉方式(I)*NSNSNSNS氮肥用量(N)**********I✕NNS*******

数据为3次重复的平均值，限于篇幅，标准差未列出。就同一灌溉方式而言，同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。*和* *分别表示相同氮肥用量水平下不同灌溉方式处理间某指标在0.05和0.01水平上差异显著，NS表示不同灌溉方式处理间差异不显著。

由表2可知，灌溉方式和氮肥用量对设施春黄瓜生长发育有显著影响。氮肥用量对设施春黄瓜生长发育的影响大于灌溉方式的影响。相同灌溉方式下，氮肥用量的增加促进了设施春黄瓜地上部的生长，但在滴灌条件下，与氮肥用量225 kg·hm-2处理相比，300 kg·hm-2施氮处理反而抑制了设施春黄瓜的生长发育。相同氮肥用量条件下，滴灌处理显著增加设施春黄瓜株高，平均增幅达8.5%；茎粗和叶片数也有所增加，平均增幅分别达5.8%和14.0%。

设施春黄瓜经济性状同样受灌溉方式和氮肥用量的双重影响(表3)。相同施氮水平下，滴灌处理单果重显著高于喷灌处理，其中，末瓜期收获的黄瓜平均单果重从201.8 g增加到225.5 g，增加11.7%。滴灌处理对黄瓜果实纵径和果实横径的影响则相对较小。不同氮肥用量处理对黄瓜各经济性状均有极显著影响。施氮使黄瓜单果重、果实纵径和果实横径极显著增加，但当滴灌处理氮肥用量超过225 kg·hm-2时，反而会使黄瓜单果重和果实纵径下降。

2.2 微灌施肥对黄瓜干物质量积累的影响

微灌施肥对设施春黄瓜干物质量的影响及其方差分析见表4。

表3微灌施肥对设施春黄瓜经济性状的影响及其方差分析

Table3Economiccharactersofgreenhousespringcucumberasaffectedbythefertigationmethod

处理编号初瓜期盛瓜期末瓜期单果重/g果实纵径/cm果实横径/cm单果重/g果实纵径/cm果实横径/cm单果重/g果实纵径/cm果实横径/cmDN0166.1c,NS20.3b,NS2.9b,NS177.9d,NS21.2c,NS2.9b,NS170.8d,NS20.3b,NS3.1b,*DN90180.4bc,NS25.9a,**3.1b,NS220.7b,**24.8b,NS3.1b,NS202.4c,*22.4b,NS4.3a,**DN150195.9ab,NS26.1a,*3.6a,*256.2a,**28.1a,NS3.8a,NS258.1b,**25.6a,NS4.5a,**DN225205.2a,*26.2a,*3.6a,NS243.6a,**27.6a,NS4.0a,*285.4a,**26.3a,NS4.3a,**DN300188.5ab,NS24.2a,NS3.5a,NS200.4c,NS26.8ab,NS3.9a,NS210.6c,*25.5a,NS4.6a,**SN0165.8b21.3b2.9b169.3c20.8c2.9b160.8d20.4b2.8bSN90177.2b22.2ab2.9b179.1bc23.4bc2.9b182.3c24.5a3.0cdSN150180.3ab23.0ab3.2ab196.2ab25.6ab3.3ab200.5b26.1a3.3bcSN225185.2ab23.7ab3.2ab200.8a25.4ab3.5a229.4a25.7a3.4bSN300198.3a24.3a3.4a210.5a27.8a3.6a235.8a25.4a3.7a灌溉方式(I)NS*NS*NSNS*NS**氮肥用量(N)******************I✕NNS*NS**NSNS**NS**

数据为3次重复的平均值，限于篇幅，标准差未列出。就同一灌溉方式而言，同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。*和* *分别表示相同氮肥用量水平下不同灌溉方式处理间某指标在0.05和0.01水平上差异显著，NS表示不同灌溉方式处理间差异不显著。

表4微灌施肥对设施春黄瓜干物质量的影响及其方差分析

Table4Drymatterofgreenhousespringcucumberasaffectedbythefertigationmethod

处理编号茎干物质量/(g·株-1)叶干物质量/(g·株-1)果实干物质量/(g·株-1)苗期初瓜期盛瓜期末瓜期苗期初瓜期盛瓜期末瓜期苗期初瓜期盛瓜期末瓜期DN00.310.4c,NS15.5c,NS16.9b,NS0.316.8c,*17.5d,NS16.5d,NS0.025.3e,**70.5d,NS108.8c,NSDN900.314.9b,*20.3b,NS21.5a,*0.324.5b,**22.6c,NS21.7c,NS0.029.4d,**102.4c,NS148.6b,NSDN1500.316.4ab,NS22.1b,NS23.7a,NS0.326.4b,NS27.1b,NS25.0bc,NS0.032.5c,*118.9b,NS154.0b,NSDN2250.318.2a,NS27.6a,*24.1a,NS0.332.5a,NS33.4a,*33.2a,*0.038.8b,**150.5a,**172.4a,NSDN3000.318.4a,NS24.5ab,NS22.3a,*0.331.8a,NS34.0a,NS26.7b,*0.035.6a,NS147.2a,NS188.5a,NSSN00.39.5d14.8c16.0b0.314.2d15.5c17.3d0.020.1d64.2c105.9dSN900.312.4c18.5bc18.3b0.318.9c19.4b19.9cd0.024.3c95.4b138.7cSN1500.314.5b20.7ab23.1a0.324.5b27.3a23.5bc0.029.5b128.9a144.1bcSN2250.316.6a22.3ab24.2a0.330.2a28.6a27.1b0.032.4ab131.1a161.5abSN3000.318.4a24.5a25.3a0.331.4a30.5a32.7a0.033.7a137.5a172.2a灌溉方式(I)—*NSNS—*NSNS—***NS氮肥用量(N)—******—******—******I✕N—NSNS*—*NS**—NS*NS

数据为3次重复的平均值，限于篇幅，标准差未列出。就同一灌溉方式而言，同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。*和* *分别表示相同氮肥用量水平下不同灌溉方式处理间某指标在0.05和0.01水平上差异显著，NS表示不同灌溉方式处理间差异不显著。“—”表示无数据。

由表4可知，灌溉方式和氮肥用量对设施春黄瓜茎、叶和果实干物质量均有显著影响。相同施氮水平下，滴灌处理对黄瓜果实干物质量的影响大于茎和叶，在初瓜期、盛瓜期和末瓜期，滴灌处理能使黄瓜果实平均干物质量分别从28.0、111.4和144.5增加到32.3、117.9和154.5 g·株-1，平均增幅为15.4%、5.8%和6.9%。氮肥用量能使黄瓜茎、叶和果实干物质量极显著提高。喷灌处理下，随着氮肥用量的提高，黄瓜茎、叶和果实中干物质量积累亦上升；滴灌处理下，当氮肥用量超过225 kg·hm-2时，黄瓜干物质量积累随施氮量的增加差异不显著。

2.3 微灌施肥对黄瓜不同生育期氮素累积量的影响

方差分析结果显示，在初瓜期、盛瓜期和末瓜期，灌溉因子和氮肥用量因子对黄瓜地上部氮素累积量的影响差异达显著水平，灌溉和施氮2个因子交互作用对其的影响差异达极显著水平。 微灌施肥对设施春黄瓜地上部氮素累积量的影响见图1。

图1 微灌施肥对设施春黄瓜地上部氮素累积量的影响Fig.1 Shoot N uptake of greenhouse spring cucumber as affected by the fertigation method

由图1可知，设施春黄瓜地上部氮素累积量随着生育进程的推进呈增加趋势。滴灌处理明显提高黄瓜对氮素的吸收，与喷灌处理相比，滴灌处理使初瓜期、盛瓜期和末瓜期氮素累积量平均提高33.1%、9.4%和16.6%。喷灌处理下，随着氮肥用量的提高，黄瓜地上部氮素累积量亦增加，但滴灌处理下，当氮肥用量超过225 kg·hm-2时，反而不利于黄瓜对氮素的积累。

2.4 微灌施肥对黄瓜产量和氮肥利用率的影响

不同灌溉条件下设施春黄瓜产量和氮肥利用率随着氮肥用量的变化情况见图2～3。

图2 不同灌溉方式下设施春黄瓜的氮肥效应方程Fig. 2 Yield response of greenhouse spring cucumber to N fertilization under different irrigation regime

由图2可知，相同施氮水平下滴灌处理明显提高设施春黄瓜产量，平均增幅达19.5%。在滴灌条件下，设施春黄瓜平均产量随施氮水平的增加呈先上升后下降的抛物线型变化；喷灌条件下，在0～300 kg·hm-2施氮范围内设施春黄瓜平均产量随施氮水平的增加呈上升趋势。

图3 氮肥用量与设施春黄瓜氮肥利用率的关系Fig. 3 Relationship between N fertilizer input and N use efficiency

从氮肥效应方程来看，滴灌条件下，y1=-0.683x2+ 334.7x+ 41 909(R2=0.993)，当施肥量(x)为245.0 kg·hm-2时，产量(y1)达最高，为82 913.4 kg·hm-2；喷灌条件下，y2=-0.149x2+ 124.8x+ 37 660(R2=0.975)，当施肥量为418.8 kg·hm-2时，产量(y2)达最高，为63 792.6 kg·hm-2。图3表明，相同施氮水平下，滴灌黄瓜氮肥利用率始终高于喷灌。不同灌溉方式下，设施春黄瓜氮肥利用率随施氮水平的增加而均呈直线下降趋势，并且滴灌条件下氮肥利用率随施氮量增加而下降的趋势略缓于喷灌。

3 讨论

3.1 灌溉方式对设施春黄瓜生长发育和产量的影响

黄瓜是需水量较多的作物，水分是黄瓜生长过程中消耗最多的物质。黄瓜果实质量的90%以上都是由水组成。加上设施栽培黄瓜的特殊生境条件，灌溉控制显得尤为重要[14-15]。研究表明，灌溉方式可以显著影响黄瓜产量，而灌溉方式是否对黄瓜产量造成影响取决于灌水量和灌溉制度[16-18]。王绍辉[19]对日光温室黄瓜栽培需水规律进行研究，得出黄瓜在不同栽培模式下需水量大致为 2 700～3 450 m3·hm-2。

目前研究一致认为，黄瓜的生长发育和产量等最优值都不是出现在同一土壤水分条件下，而是存在着一定矛盾。灌水量过低时，水分胁迫促进了根系生长，降低了干物质分配到叶冠的比例；灌水量过高则造成土壤缺氧，引起气孔关闭，严重时根系生长和生长点受到抑制。灌溉周期过短时，土壤频繁的干湿交替容易引起土壤松紧度的交替改变，抑制黄瓜根系生长；灌溉周期过长易错过灌水临界期，造成不可逆的生理性缺水损伤[20]。灌溉方式不仅直接影响黄瓜的生长发育，而且对黄瓜产量也有较大影响。与黄瓜的形态指标和经济指标不同的是，黄瓜产量并不是一直随着灌水量的增加而增加，长期渍水反而会降低黄瓜产量[21-23]。

黄瓜栽培具体采取哪种灌溉方式，须依据种植模式、土壤类型等实际情况而定。一般而言，设施春黄瓜栽培普遍采用滴灌方式[4,24]。滴灌是一种可以减少棵间蒸发，降低环境湿度，减缓排湿和灌溉带来的降温作用，使设施环境具有适宜的温、湿度条件和良好的土壤通透性的灌溉方法[7,25-26]。膜下滴灌是一种设施农业高效节水灌溉技术。侯松泽等[27]的研究表明与沟灌相比，黄瓜滴灌可节水41.4%，增产23.8%。

笔者研究表明根据黄瓜需水特性和土壤种植类型设计的滴灌控制系统，能解决常规喷灌、漫灌中由于瞬时水量大于土壤渗透力引起的水分和养分流失问题。与常规喷灌相比，设施春黄瓜膜下滴灌水肥一体化技术提高了灌溉用水效率，地上部干物质积累量平均增加9.3%，产量平均增加19.5%。

3.2 氮肥用量对设施春黄瓜产量和氮肥利用率的影响

合理施用氮肥是提高黄瓜产量和氮肥利用率的关键。但是为了片面追求黄瓜高产，化肥尤其是氮肥被盲目大量施用，过量的养分投入增加了成本，降低了收入，也造成土壤环境质量下降[28-29]。另外，肥料品种选择不合理和施肥方法不当等问题容易造成氮磷钾养分比例失衡，从而导致黄瓜生长障碍，影响黄瓜产量、品质和风味[30-31]。

张丽莹等[32]研究结果显示，施氮量对各生育期黄瓜叶片中硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)活性均存在显著或极显著交互作用，且氮代谢酶活性随着施氮量的增加而提高，黄瓜叶片中硝态氮和可溶性蛋白质含量也随着施氮量的增加而提高。ALEXIEV等[33]试验结果表明当氮、磷、钾施用量分别为800、200、200 kg·hm-2且有机肥为150 t·hm-2时，黄瓜产量最高，达112 t·hm-2。但是当施氮量超过一定范围时，增施氮肥对促进黄瓜增产的效果将逐渐降低，而且此时品质会严重下降[34]。笔者研究中，施氮显著提高了设施春黄瓜的株高、茎粗、叶片数、最大叶长、最大叶宽、单果重、果实纵径和果实横径，增加了光合物质积累，使黄瓜干物质量和氮素累积量明显增加，保证了产量的形成。此外，笔者研究还表明，随着氮肥用量的增加，黄瓜氮肥利用率下降。与滴灌处理相比，喷灌处理氮肥利用率随着施氮量的增加降幅更大。在生产中，不能只看氮肥利用率，因为通过降低氮肥施用量，氮肥利用率很容易就能得到提高，而只有在达到较高目标产量时的高氮肥利用率才具有现实意义。

4 结论

(1)滴灌促进了黄瓜生长，同等产量水平下，滴灌处理能明显节省氮肥用量。与喷灌相比，滴灌处理设施春黄瓜的茎粗、株高和叶片数均有所增加，平均增幅分别达5.8%、8.5%和14.0%；滴灌提高了黄瓜对干物质的积累，使初瓜期、盛瓜期和末瓜期氮素累积量比喷灌平均提高33.1%、9.4%和16.6%。

(2)合理的氮肥用量可以有效提高黄瓜果实经济性状，进而提高黄瓜干物质量和氮素累积量。但当滴灌处理氮肥用量超过225 kg·hm-2时，反而会使黄瓜单果重和果实纵径下降。

(3)不同灌溉方式下，设施春黄瓜氮肥利用率均随施氮水平的增加而下降，但滴灌条件下黄瓜氮肥利用率随施氮量增加而下降的趋势略缓于喷灌。