水肥一体化模式下日光温室黄瓜氮磷钾优化施肥方案的研究.pdf

园艺学报， 2018， 45 4 764– 774. Acta Horticulturae Sinica 764 doi 10.16420/j.issn.0513-353x.2017-0573； http //www. ahs. ac. cn 收稿日期 2017– 11– 20； 修回日期 2018– 03– 19 基金项目 山东省农业重大应用技术创新课题[鲁财农指 〔 2016〕 36 号]； 山东省现代农业产业技术体系建设专项资金项目 （ SDAIT-05-10） ；高校“双一流”建设奖补资金项目（ SYL2017YSTD06） * 通信作者 Author for correspondence（ E-mail ） 水肥一体化模式下日光温室黄瓜氮磷钾优化施肥方案的研究 王 颀1，吴春涛2，李丹丹1，王海光1，毕焕改1，艾希珍1,*（1山东农业大学园艺科学与工程学院，作物生物学国家重点实验室，农业部黄淮地区园艺作物生物学与种质创制重点开放实验室，山东果蔬优质高效生产协同创新中心，山东泰安 271018；2东营职业学院生物与生态工程学院，山东东营 257091） 摘 要 为了探明水肥一体化模式下日光温室黄瓜氮（ N） 、磷（ P2O5） 、钾（ K2O）的适宜施用量，采用三因子 D–饱和最优设计，研究 N、 P2O5、 K2O 用量对黄瓜产量和品质的影响，建立了以 N、 P2O5、K2O 用量为变量因子， 以黄瓜产量和品质为目标函数的三元二次数学模型。 通过对模型解析表明 N、 P2O5、K2O 对黄瓜产量和品质均有显著影响；当 N、 P2O5、 K2O 用量分别达到 861.5 kg · hm-2、 306.1 kg · hm-2和 1 082.0 kg · hm-2时，边际产量效应降至 0； N、 P2O5、 K2O 用量分别达到 688.4 kg · hm-2、 320.2 kg · hm-2和 1 230.2 kg · hm-2时，边际品质效应降为 0。通过计算机模拟运算，得出本试验条件下日光温室黄瓜产量达 138 000 kg · hm-2以上， 同时品质综合评分达到 88 分以上的优化施肥方案为 N 665.5 827.6 kg · hm-2，P2O5267.9 334.3 kg · hm-2， K2O 1 043.1 1 235.0 kg · hm-2，适宜的氮磷钾配比为 1︰ 0.40︰ 1.53。 关键词 黄瓜；氮；磷；钾；日光温室；水肥一体化 中图分类号 S 642.2 文献标志码 A 文章编号 0513-353X（ 2018） 04-0764-11 Studies on the Optimized Scheme of Nitrogen， Phosphorus and Potassium Fertilizations of Cucumber in Solar-greenhouse Under Integral Control of Water and Fertilization WANG Qi1， WU Chuntao2， LI Dandan1， WANG Haiguang1， BI Huangai1， and AI Xizhen1,*（1College of Horticulture Science and Engineering， Shandong Agricultural University， State Key Laboratory of Crop Biology， Key Laboratory of Horticultural Crop Biology and germplasm Innovation of Agriculture Ministry， Collaborative Innovation Center of Shandong Province with High Quality and Efficient Production of Fruit and Vegetable， Tai’an，Shandong 271018；2College of Biological and Ecological Engineering， Dongying Vocational Institute， Dongying， Shandong 257091， China） Abstract The purpose of this paper is to elucidate the optimum amount of nitrogen（ N） ， phosphorus （ P2O5） and potassium（ K2O） in cucumber cultivated in solar-greenhouse under integral control of water and fertilization. The effects of nitrogen， phosphorus and potassium on the yield and quality of cucumber were investigated with the three factors and double saturated D-optimum design. A mathematical 王 颀，吴春涛，李丹丹，王海光，毕焕改，艾希珍 . 水肥一体化模式下日光温室黄瓜氮磷钾优化施肥方案的研究 . 园艺学报， 2018， 45 4 764– 774. 765 model for the optimization was established using nitrogen， phosphorus and potassium amounts as the independent variables， and the yield and quality of cucumber as objective function. The results showed that nitrogen， phosphorus and potassium significantly influenced the yield and quality of cucumber， but phosphorus and potassium had a higher effect than nitrogen. When the amount of N， P2O5， K2O reached to 861.5 kg · hm-2， 306.1 kg · hm-2and 1 082.0 kg · hm-2respectively， the marginal yield effect reduced to zero. Similarly， the marginal quality effect reduced to zero when the amount of N， P2O5， K2O reached to 688.4 kg · hm-2， 320.2 kg · hm-2and 1 230.2 kg · hm-2respectively. Through simulated computation， the schemes of optimized fertilization of cucumber were finally obtained. The yield of cucumber could reach to 138 000 kg · hm-2or more， and the comprehensive score of quality achieved to 88 when the fertilizer rates are N 665.5– 827.6 kg · hm-2， P2O5267.9– 334.3 kg · hm-2， K2O 1 043.1– 1 235.0 kg · hm-2. The suitable ratio of N︰ P2O5︰ K2O is 1︰ 0.40︰ 1.53. Keywords cucumber； nitrogen； phosphorus； potassium； solar greenhouse； integral control of water and fertilization 水肥一体化技术是将灌溉与施肥结合在一起的农业新技术，是通过压力系统将肥料溶液以较小流量直接、准确地施与作物根部附近的土壤表层的灌水施肥技术，它是提高设施蔬菜水分和肥料利用率的有效途径之一（于舜章， 2009；王庆革， 2015），具有节水省肥、省工省力、降低湿度、减轻病害、增产增效、改善品质等优点（ Bar-Yosef， 1999； Bhat et al.， 2007）。利用该技术不仅可以控制灌溉水量、施肥量和施肥时间等，还可以充分发挥水肥之间的相互作用，降低土壤表面水分的蒸发和肥料的消耗，减少环境污染（温变英， 2010；高祥照， 2015）。于舜章（ 2009）发现，利用水肥一体化滴灌技术可提高设施黄瓜产量和品质，且具有较好的节水、节肥效果。刘虎成等（ 2012）研究表明，水肥一体化可显著提高生姜叶片色素含量和净光合速率（ Pn），降低蒸腾速率（ Tr），提高水分利用效率（ WUE）。 当前虽然水肥一体化技术已越来越多地用于设施蔬菜生产，但水肥用量仍凭生产经验或参照沟灌冲施水肥的用量，未能充分发挥其节水省肥效果。针对以上问题，本试验中采取三因子 D–饱和最优设计，研究水肥一体化模式下日光温室黄瓜氮、磷、钾用量对产量和品质的影响，以期为优化施肥和提高设施土壤可持续生产力提供理论依据和技术指导。 1 材料与方法 1.1 供试材料与试验设计 试验于 2016 2017 年在山东农业大学园艺试验站进行。 试验田土壤为壤土， pH 7.2， 有机质 37.1 g ∙ kg-1， 碱解氮 （ 108.4 ± 13.0） mg · kg-1， P2O5（ 112.9 ± 31.3） mg · kg-1， K2O（ 193.3 ± 19.45） mg · kg-1。 以‘津绿 30’黄瓜（ Cucumis sativus L.）嫁接苗为试材，春茬于 2 月 26 日定植，秋冬茬于 9月 8 日定植，采用大小行栽培，大行距 70 cm，小行距 50 cm，株距 30 cm，小区面积 8.4 m2，每行1 条滴灌带。春茬 4 月 2 日开始采收， 7 月 5 日拉秧；秋冬茬 10 月 8 日开始采收， 2017 年 1 月 15日拉秧。常规管理。 试验用肥料为金正大生态工程集团股份有限公司生产的尿素 （ N 含量 ≥ 46.4） 、 硝酸钾 （ NO3-含量 ≥ 14.5， K2O 含量 ≥ 45.5）、磷酸二氢铵（ N 含量 ≥ 12， P2O5含量 ≥ 61）和磷酸Wang Qi， Wu Chuntao， Li Dandan， Wang Haiguang， Bi Huangai， Ai Xizhen. Studies on the optimized scheme of nitrogen， phosphorus and potassium fertilizations of cucumber in solar-greenhouse under integral control of water and fertilization. 766 Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45 4 764– 774. 二氢钾（ K2O 含量 ≥ 4， P2O5含量 ≥ 52）水溶肥。 采用 N、 P2O5、 K2O 三因子 D–饱和最优设计，各因素编码与肥料施用量见表 1。每个处理随机分布，设 3 个重复，每个处理两侧各设 1 行保护行。 肥料分别于 10 月 8 月、 10 月 23 日、 11 月 7 日、 11 月 19 日和 11 月 30 日采用水肥一体化模式分 5 次滴灌施入，每次施用总量的 1/5。另外浇水 5 次，平均每次用水量 178.5 m3· hm-2，总用水量1 786.5 m3· hm-2。 两年试验结果一致，文中数据为 2016 2017 年秋冬茬结果。 表 1 氮、磷、钾三因子 D–饱和最优设计因素编码与氮磷钾施用量 Table 1 Coding of D-saturation optimal design and application amounts of nitrogen， phosphorus and potassium 处理 Treatment 编码 Code 肥料 /（ kg · hm-2） Fertilizer X1X2X3N P2O5K2O 1 – 1 – 1 – 1 90 30 120 2 1 – 1 – 1 1 200 30 120 3 – 1 1 – 1 90 375 120 4 – 1 – 1 1 90 30 1 500 5 – 1 0.1925 0.1925 90 235.5 943.5 6 0.1925 – 1 0.1925 751.5 30 943.5 7 0.1925 0.1925 – 1 751.5 235.5 120 8 – 0.2912 1 1 483 375 1 500 9 1 – 0.2912 1 1 200 153 1 500 10 1 1 – 0.2912 1 200 375 609 1.2 测定项目与测定方法 用重铬酸钾容量法测定土壤有机质，碱解扩散法测定速效氮，碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定速效磷， 醋酸铵浸提火焰光度法 （ 6400-A 型火焰光度计） 测定速效钾 （刘春生和杨守祥， 1996） 。2016 年 10 月 8 日开始采收， 2017 年 1 月 15 日拉秧，按小区统计产量。 取 3 5 条商品成熟瓜， 去果柄后切碎混匀， 称取部分鲜样分别用蒽酮比色法 （赵世杰 等， 1998）测定可溶性糖含量，考马斯亮蓝 G-250 染色法（赵世杰 等， 1998）测定可溶性蛋白含量， 2,6–二氯靛酚滴定法（李合生， 2000）测定维生素 C 含量，普鲁士蓝法（刘春生和杨守祥， 1996）测定单宁含量，盐酸萘乙二胺法（王惠琴 等， 2009）测定亚硝酸盐含量。将剩余部分烘干，称重法测定干物质含量。 黄瓜品质综合评分标准，并参照宋春凤和徐坤（ 2004）对芋头的评分标准确定某处理品质指标实际得分 该处理指标测定值 /指标最大值 100 该指标的权重。各处理所有品质指标得分权重之和，即为该处理的品质综合评分，其中维生素 C、可溶性糖和蛋白质和干物质含量均与黄瓜品质呈正相关，亚硝酸盐和单宁含量与黄瓜品质呈负相关。亚硝酸含量以 0.15 mg · kg-1为最佳处理值，单宁含量以 40 mg · kg-1为最佳处理值， 分别以实际测定值每增加 0.01 和 1， 综合评分扣 1 分为标准。依据黄瓜各品质指标与感官鉴定的相关程度（李红丽 等， 2008） ，拟定可溶性糖、维生素 C 和蛋白质含量权重分别为 0.25、 0.25 和 0.20，干物质、单宁和亚硝酸盐含量权重均为 0.1。 1.3 数据分析 采用 DPS 统计软件对数据进行统计分析。 王 颀，吴春涛，李丹丹，王海光，毕焕改，艾希珍 . 水肥一体化模式下日光温室黄瓜氮磷钾优化施肥方案的研究 . 园艺学报， 2018， 45 4 764– 774. 767 2 结果与分析 2.1 回归模型的建立 在 DPS 系统支持下，根据试验设计方案及结果，通过二次多项式回归分析法，建立三元二次回归模型。将不同处理黄瓜小区产量折合成每 hm2产量列于表 2。以 X1（ N） 、 X2（ P2O5）和 X3（ K2O）编码值为自变量，以产量 Yy为因变量，通过三元二次多项式回归分析法，建立 N、 P2O5、 K2O 用量与黄瓜产量的三元二次回归方程 Yy 140 541.2 4 431.4X1 6 708.5X2 6 316.4X3– 5 679.2X12–5 582.6X22– 8 011.9X32– 877.9X1X2– 675.9X1X3 2145.6X2X3。 对该方程进行 F 检验， Fy 78.3 F0.01（ 5,12） 3.46，达显著水平。说明该方程与实际情况拟合极好，能反应 N、 P2O5、 K2O 用量与黄瓜产量的关系，且对实际产量有良好的预测作用。对各回归系数进行检验， Fy（ 1） 65.37， Fy（ 2） 139.37， Fy（ 3） 131.14， Fy（ 1,1） 28.7， Fy（ 2,2） 24.96，Fy（ 3,3） 56.31， Fy（ 1,2） 5.6， Fy（ 2,3） 10.32， Fy（ 1,3） 1.6。除 Fy（ 1,3） 1.6 F0.01（ 5,12） 3.46，回归关系显著，说明建立的三元二次回归方程能反应肥料对品质影响。对该方程各回归系数进行 F 检验， Fq（ 1） 46.07， Fq（ 2） 473.37，Fq（ 3） 555.02， Fq（ 1,1） 70.28， Fq（ 2,2） 66.5， Fq（ 3,3） 104.55， Fq（ 1,3） 7.38， Fq（ 2,3） 38.57， Fq（ 1,2） 3.5。除 F（ 1,2） 3.5 138 000 kg · hm-2）的互作区间为编码值 X1 – 0.06 0.475（ N 611.7 908.6 kg · hm-2） ， X2 0.1187 0.679（ P2O5222.9 319.6 kg · hm-2） ；P2O5、 K2O 互作较理想的产量（ 138 000 kg · hm-2）的互作区间为编码值 X2 0.0187 0.579（ P2O5205.7 30.2.4 kg · hm-2） ， X3– 0.061 0.475（ K2O 772.5 1 102.1 kg · hm-2） 。 图 3 N、 P2O5（左）和 P2O5、 K2O（右）对黄瓜产量的交互效应 Fig. 3 Interactive effect of N， P2O5（ left） and P2O5， K2O（ right） on the yield of cucumber 同样，黄瓜品质三元二次回归方程存在 N、 K2O 交互项和 P2O5、 K2O 交互项，且其偏回归系数均达到显著水平。将三元二次回归方程中的 P2O5、 N 因子编码值分别设为 0，得到黄瓜品质与 N、Wang Qi， Wu Chuntao， Li Dandan， Wang Haiguang， Bi Huangai， Ai Xizhen. Studies on the optimized scheme of nitrogen， phosphorus and potassium fertilizations of cucumber in solar-greenhouse under integral control of water and fertilization. 770 Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45 4 764– 774. K2O 和 P2O5、 K2O 的交互效应方程 Yq 1，3 87.79 0.54X1 4.81X3– 3.39X12– 3.95X32– 0.47X1X3；Yq 2，3 87.79 4.50X2 4.81X3– 3.30X22– 3.95X32 1.55X2X3。 分别以 N、 K2O 和 P2O5、 K2O 因子编码值为 X、 Y 轴，黄瓜品质为 Z 轴，对 N、 K2O 和 P2O5、K2O 交互效应方程绘成图 4。结果表明，随着 N、 P2O5、 K2O 用量的增加，黄瓜品质均也呈先升高后降低趋势。 根据交互效应进行计算机模拟分析， 结果表明， 黄瓜品质综合评分达到 88 分以上的 N、K2O 交互区间为 X1– 0.26 0.195（ N 500.7 753.2 kg · hm-2） ， X30.130 0.92（ K2O 889.9 1 375.8 kg · hm-2） ； 品质综合评分达到 88 分以上的 P2O5、 K2O 交互区间为 X20.058 0.836（ P2O5 212.5 346.7 kg · hm-2） ， X30.058 0.836（ K2O 845.7 1 324.1 kg · hm-2） 。 图 4 N、 K2O（左）和 P2O5、 K2O（右）对黄瓜产量的交互效应 Fig. 4 Interactive effect of N， K2O（ left） and P2O5， K2O（ right） on the quality of cucumber 2.3 优化方案分析 通过三元二次回归分析法建立二次多项式模型并得出本试验条件下黄瓜最高产量为 145 163 kg · hm-2，所对应的施 N 量为 875.3 kg · hm-2（ X1 0.415） ， P2O5为 316.9 kg · hm-2（ X2 0.663） ， K2O为 1 121.8 kg · hm-2（ X3 0.507） 。采用频率分析法对黄瓜产量的数学模型优化分析，其中次数指黄瓜产量超过 138 000 kg · hm-2时，因子变量在各因子水平的数量；频率指黄瓜产量超过 138 000 kg · hm-2时，各因子变量在各因子水平内所出现的频率。通过频率分析法得出的农艺方案看出黄瓜产量超过 138 000 kg · hm-2的施肥方案为 N 665.5 934.1 kg · hm-2， P2O5256.0 334.3 kg · hm-2，K2O 939.8 1 235.0 kg · hm-2（表 3） 。 同理，由表 4 的农艺方案看出黄瓜品质综合评分达到 88 分以上时的施肥方案为 N 6 527.78 827.59 kg · hm-2， P2O5267.90 358.20 kg · hm-2， K2O 1 043.09 1 365.35 kg · hm-2。最后经过综合分析得出本试验条件下黄瓜高产优质施肥方案为 N 665.5 827.6 kg · hm-2， P2O5267.9 334.3 kg · hm-2， K2O 1 043.1 1 235.0 kg · hm-2，氮磷钾配比为 1︰ 0.40︰ 1.53。 为了证明该方案的可靠性，以常规灌溉施肥方式为对照，分析了其对日光温室黄化产量和品质的影响。结果表明，该施肥方案栽培模式的黄瓜产量比对照增加 12.5，果实维生素 C 和可溶性蛋白质含量分别比对照高 26.4和 8.1，可溶性糖、氨基酸、单宁、亚硝酸盐等含量均与对照差异不显著（数据未列） 。 王 颀，吴春涛，李丹丹，王海光，毕焕改，艾希珍 . 水肥一体化模式下日光温室黄瓜氮磷钾优化施肥方案的研究 . 园艺学报， 2018， 45 4 764– 774. 771 表 3 黄瓜产量超过 138 000 kg · hm-2的因素取值频率分布 Table 3 Frequence distribution of factors for yield over 138 000 kg · hm-2 of cucumber 因子水平 Factor level X1（氮 N） X2（磷 P2O5） X3（钾 K2O） 次数 Count 频率 Frequency 次数 Count 频率 Frequency 次数 Count 频率 Frequency – 1.0000 0 0 0 0 0 0 – 0.2912 4 0.27 1 0.067 2 0.13 0.1925 7 0.47 7 0.47 7 0.47 1.0000 4 0.27 7 0.47 6 0.40 加权平均值 Average（ X） 0.279 0.537 0.451 标准误 Standard error（ SE） 0.124 0.116 0.123 95置信区间 95 confidence interval 0.037 0.521 0.310 0.764 0.211 0.691 农艺方案 /（ kg · hm-2）Agronomic scheme 665.53 934.05 255.98 334.29 939.75 1 234.96 表 4 黄瓜综合品质评分超过 88 分的因素取值频率分布 Table 4 Frequence distribution of factors for comprehensive quality score over 88 of cucumber 因子水平 Factor level X1（氮 N） X2（磷 P2O5） X3（钾 K2O） 次数 Count 频率 Frequency 次数 Count 频率 Frequency 次数 Count 频率 Frequency – 1.0000 0 0 0 0 0 0 – 0.2912 4 0.44 1 0.10 1 0.10 0.1925 4 0.44 3 0.35 3 0.35 1.0000 1 0.11 5 0.55 5 0.55 加权平均值 Average（ X） 0.067 0.641 0.641 标准误 Standard error（ SE） 0.142 0.141 0.141 95置信区间 95 Confidence interval – 0.195 0.329 0.379 0.903 0.379 0.903 农艺方案 /（ kg · hm-2） Agronomic scheme 527.78 827.59 249.08 329.81 1 043.09 1 365.35 3 讨论 合理施肥是植物高产优质的必要条件。前人研究指出，在偏施和多施氮素化肥的条件下，土壤交换性盐基总量及交换性 Ca2、 Mg2含量明显下降，土壤 pH 值降低，逐渐向酸性方向恶化（孙晓琦 等， 2007；王美和李书田， 2014） 。而目前生产中偏施和多施氮素化肥的现象比较严重，成为导致土壤恶化、蔬菜产量和品质降低的重要原因之一。赵锴等（ 2008）的研究表明，氮磷钾肥对植物产量和品质均有显著影响。 Liu 等（ 2010）发现，平衡施肥能够显著提高冬油菜的光合能力，促进生长和提高产量。 平衡施肥促进根系生长， 增大根系吸收面积， 从而提高番茄产量 （李荣坦 等， 2016） 。陆宁等（ 2016）发现，适宜的氮磷钾配比有利于厚朴（ Magnolia officinalis）的生长，对生长影响较大（好的方面）的 N︰ P︰ K 施入量比例为 1.00︰ 0.44︰ 2.67。本研究结果表明，在水肥一体化模式下，随着 N、 P2O5、 K2O 施用量的增加，日光温室黄瓜产量和品质均呈先升高后降低趋势，但边际效应值则随着 N、 P2O5、 K2O 施用量的增加而逐渐降低。多数研究认为，氮、钾肥对作物产量影响较大，而磷肥影响较小（舒洲 等， 2016）。钾肥对番茄维生素 C 和可溶性固形物含量影响显著，磷肥对提高可溶性糖含量起着关键作用，番茄产量受氮肥影响最为显著（张恩平 等， 2015）。但李冬梅等（ 2005）研究指出，增加磷素用量和比例可以显著提高黄瓜产量，改善果实品质；张守才等（ 2016）研究表明钾肥的增产作用大于磷肥，氮肥的作用较小。在本试验中，氮、磷、钾与黄瓜产量和品质Wang Qi， Wu Chuntao， Li Dandan， Wang Haiguang， Bi Huangai， Ai Xizhen. Studies on the optimized scheme of nitrogen， phosphorus and potassium fertilizations of cucumber in solar-greenhouse under integral control of water and fertilization. 772 Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45 4 764– 774. 回归方程 X1（ N）的偏回归系数均明显小于 X2（ P2O5）和 X3（ K2O）的偏回归系数，说明在本试验条件下磷、钾肥对黄瓜产量和品质影响较大，而氮肥的影响较小。这一方面说明黄瓜喜磷、钾肥，另一方面可能与施肥方式不同有关。常规施肥方法多随水（沟灌）冲施，由于氮肥（如尿素、碳酸二氢铵等）溶解速度较磷（过磷酸钙等）、钾肥（硫酸钾等）快，沟灌可能使氮肥的流失量多于磷、钾肥；而采用水肥一体化滴灌方式所用的氮、磷、钾肥均为水溶肥，不仅流失少，而且各种元素的流失量差异也较小。 本试验中， N 用量超过 861.5 kg · hm-2时黄瓜产量产生负报酬，超过 688.4 kg · hm-2时品质产生负报酬； K2O 用量超过 1 082.0 kg · hm-2时，黄瓜产量产生负报酬，而超过 1 230.2 kg · hm-2时黄瓜品质才产生负报酬。说明过量施用氮肥对黄瓜的品质影响较大，而钾肥用量过大时对产量的影响较大，黄瓜产量和品质产生负报酬时的 P2O5用量差异不大，说明磷肥用量过多对黄瓜产量和品质均产生显著影响。 比较氮、磷、钾用量对黄瓜产量和品质的影响，发现水肥一体化模式下，氮磷钾适宜用量配比为 1︰ 0.40︰ 1.53 时黄瓜产量最高，品质较好，这与前人（孙军利 等， 2006；诸海焘 等， 2017）报道的黄瓜需肥吸肥特点基本一致。黄瓜产量达到 138 000 kg · hm-2和综合品质得分达到 88 分以上的N、 P2O5、 K2O 需求量有较大的重叠区域， 建议施肥方案为 N 665.5 827.6 kg · hm-2， P2O5267.9 334.3 kg · hm-2， K2O 1 043.1 1 235.0 kg · hm-2，供同等肥力水平土壤水肥一体化灌溉施肥模式下种植黄瓜参考应用。 References Bar-Yosef B. 1999. 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