李建明，于雪梅，王雪威，張俊威，焦曉聰，黃 茜

·農(nóng)業(yè)水土工程·

基于產(chǎn)量品質(zhì)和水肥利用效率西瓜滴灌水肥制度優(yōu)化

李建明，于雪梅，王雪威，張俊威，焦曉聰，黃 茜

（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，楊凌 712100）

實(shí)現(xiàn)大棚西瓜量化管理是實(shí)現(xiàn)大棚西瓜精準(zhǔn)化管理的基礎(chǔ)，也是提高產(chǎn)量品質(zhì)與水肥利用效率的重要途徑。以西瓜為試材，在以關(guān)中塿土為主的壤土地區(qū)采用膜下滴灌的灌溉方式，通過(guò)二因子五水平正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，灌水量依據(jù)西瓜蒸騰需水量（Eapotranspiration，ETc）分別設(shè)置0.49ETc、0.55ETc、0.70ETc、0.85ETc、0.91ETc 5個(gè)水平，施肥量依據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量（）分別設(shè)置0.50、0.65、1.00、1.35、1.505個(gè)水平，共16個(gè)處理，測(cè)定西瓜相關(guān)品質(zhì)、產(chǎn)量、灌溉水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力；采用主觀(guān)層次分析法、客觀(guān)熵權(quán)法和基于博弈論的組合賦權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，用近似理想法建立模型，分析水肥滴灌量對(duì)綜合評(píng)價(jià)值的影響。結(jié)果表明，水肥協(xié)同影響西瓜綜合評(píng)價(jià)值，且灌水量對(duì)其影響大于施肥量；綜合評(píng)價(jià)值隨水肥施入量增加均呈先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)灌水量為0.73ETc，施肥量為1.03時(shí)，西瓜綜合評(píng)價(jià)值最高，達(dá)到0.74。因此，推薦在水肥資源相對(duì)充足的關(guān)中地區(qū)按0.73倍西瓜蒸騰需水量和1.03倍目標(biāo)產(chǎn)量對(duì)西瓜灌溉施肥；而在水資源相對(duì)虧缺地區(qū)，應(yīng)適當(dāng)降低施肥量來(lái)提高西瓜綜合評(píng)價(jià)值。

灌溉；肥料；模型；蒸騰蒸發(fā)量；灌溉水分利用效率；肥料偏生產(chǎn)力；目標(biāo)產(chǎn)量

0 引 言

隨著生活水平提高，人們對(duì)果菜需求量增加，設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，中國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)量和數(shù)量均居世界第一，已成為優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)[1]。與此同時(shí)，水資源稀缺和土壤次生鹽漬化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重[2]，過(guò)量施肥[3]和不合理灌溉[4]現(xiàn)象仍普遍存在，這不僅浪費(fèi)了水肥資源，提高了裂果、壞果比例，對(duì)水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生了消極影響，還增加了病蟲(chóng)害的發(fā)生幾率，降低了土壤保水保肥能力。因此，實(shí)現(xiàn)大棚蔬菜量化管理對(duì)蔬菜生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用。

西瓜色澤鮮艷，營(yíng)養(yǎng)豐富，且栽培時(shí)間短，收益高，深受人們喜愛(ài)[5]。由于其水肥需求量大，過(guò)量施肥與不合理灌溉現(xiàn)象嚴(yán)重，加強(qiáng)西瓜水肥管理刻不容緩[3-5]。滴灌施肥可根據(jù)西瓜不同生育期對(duì)水肥需求不同，分階段將水肥精準(zhǔn)輸送到西瓜根部土壤[6]，有效減少農(nóng)業(yè)用水[2]和蔬菜生產(chǎn)體系氮淋溶[7]。Erdem等[8]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低灌水量可降低果皮厚，也提高西瓜可溶性糖和固形物含量。楊小振等[5]發(fā)現(xiàn)在N-P2O5-K2O分別按照163.05-66.85- 202.18 kg/hm2，灌水量按照900 m3/hm2時(shí)，西瓜水分利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)均達(dá)到較高水平。鄭健等[9]發(fā)現(xiàn)小型西瓜在苗期、開(kāi)花坐果期、膨瓜期和成熟期分別采用0.75（為蒸發(fā)皿蒸發(fā)量）、0.75、1.25、1.00作為灌水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可同時(shí)獲得最高產(chǎn)量和最大水分利用效率。但若要同時(shí)達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥，科學(xué)的評(píng)價(jià)體系必不可少。

西瓜水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)衡量標(biāo)準(zhǔn)各不相同，但又相互影響。僅憑單一指標(biāo)無(wú)法確定西瓜的最優(yōu)水肥處理，因此通過(guò)主層次分析法[10]、客觀(guān)熵權(quán)法[11]得到水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)權(quán)重，根據(jù)基于博弈論的組合賦權(quán)法[12]得到綜合權(quán)重，然后根據(jù)近似理想法[13]從優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥四方面出發(fā)，確定西瓜水肥投入綜合評(píng)價(jià)值，旨在達(dá)到大棚西瓜水肥量化管理目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)以關(guān)中塿土栽培為主的西瓜精準(zhǔn)化高效化生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年3—6月在楊凌示范區(qū)揉谷設(shè)施農(nóng)業(yè)基地非對(duì)稱(chēng)大跨度塑料大棚進(jìn)行（108°07′ E，34°28′ N），年均溫約12.7℃，年均日照約2 163.8 h，年均降雨量649 mm，年均蒸發(fā)量約1 389 mm。大棚長(zhǎng)100 m，跨度17 m，脊高4 m，東西走向。土壤類(lèi)型為關(guān)中塿土，土壤質(zhì)地為壤土，pH值為7.89，硝態(tài)氮84.19 mg/kg，有效磷21.47 mg/kg，有效鉀183.96 mg/kg。0～100 cm土壤田間持水率為22%～25%，凋萎含水率為8.3%。棚內(nèi)光照均勻，光照強(qiáng)度和空氣溫濕度均用物格（ZDR-20 j，Instruments Co.，Ltd.，中國(guó)）檢測(cè)記錄。

供試西瓜品種為早佳8424，基肥為活性有機(jī)肥（硝態(tài)氮451.23 mg/kg，有效磷25.82 mg/kg，有效鉀5.86 mg/kg，佳果多，臺(tái)灣佳果多實(shí)業(yè)有限公司），整地前均勻撒施48 000 kg/hm2。滴灌追施復(fù)合肥為新型高濃度三元素水溶肥，N、P、K有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為19%（優(yōu)果多，臺(tái)灣共享農(nóng)業(yè)生技股份有限公司）。

采用多功能底吸泵裝置滴灌施肥，由輸水管道、水源、施肥罐、多功能底吸泵、水表等組成。滴灌帶直徑16.0 mm，壁厚0.2 mm，滴水口間隔30 cm，滴水口流量1.5 L/h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)灌溉施肥量

本試驗(yàn)水、肥2因子各設(shè)置5水平，其正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1，各重復(fù)3次。T9～T16是同一處理的重復(fù)，重復(fù)間差異體現(xiàn)棚內(nèi)位置不同環(huán)境差異產(chǎn)生的誤差。試驗(yàn)小區(qū)位于棚中央偏南，與棚南端相距2 m，東西側(cè)各設(shè)有2行保護(hù)行，棚四周無(wú)遮擋。將西瓜生育期劃分4個(gè)階段[2]：苗期（3月25日—4月3日）、開(kāi)花坐果期（4月4日—4月22日）、膨瓜期（4月23日—5月16日）、成熟期（5月17日—6月5日）。根據(jù)西瓜不同生育階段需水規(guī)律，采用西瓜需水系數(shù)（）和200 mm蒸發(fā)皿累計(jì)蒸發(fā)量（E-20）的乘積計(jì)算西瓜蒸騰需水量（Evapotranspiration，ETc），苗期=0.4、開(kāi)花坐果期=0.8、膨瓜期=1.6、成熟期=0.8[2]。依據(jù)式（1）確定灌水量[14]：

=ETc··（1）

式中為灌水量，mm；ETc為西瓜蒸騰需水量，mm；為西瓜—皿系數(shù)；為灌溉水量控制面積，m2。

表1 西瓜試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

注：ETc為西瓜蒸騰需水量（mm）；為目標(biāo)產(chǎn)量法確定的施肥量（kg·hm-2）。

Note: ETc is the evapotranspiration of watermelon (mm).is the fertilization level determined by the target yield method (kg·hm-2).

依據(jù)式（2）確定施肥量：

=K·（2）

式中為施肥量，kg/hm2；K為施肥系數(shù)，為目標(biāo)產(chǎn)量法[15]確定的施肥量，kg/hm2。

分別于4月20日（開(kāi)花后17 d）、4月27日（開(kāi)花后24 d）、5月4日（開(kāi)花后31 d）、5月11日（開(kāi)花后38 d）進(jìn)行滴灌追肥。每個(gè)處理滴灌管分支處單獨(dú)安裝水表，以便準(zhǔn)確觀(guān)測(cè)每次灌水量。將型號(hào)為HY.AM3（200 mm）的蒸發(fā)皿水平懸掛于植株冠層，每天08:00測(cè)定日蒸發(fā)量。

試驗(yàn)小區(qū)10 m長(zhǎng)，1.6 m寬，面積為16 m2。寬窄行吊蔓栽培，單行種植，雙蔓整枝，寬行110 cm，覆白色地膜，窄行50 cm，覆黑色底膜，株距40 cm，膜下安裝滴灌帶。在窄行中起壟，壟頂為平頂，壟高15 cm。2月10日育苗，4葉1心定植，緩苗10 d，每株留1個(gè)瓜。為消除處理間水肥滲透的影響，將塑料膜埋70 cm深進(jìn)行隔離。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)及方法

將同一授粉日期的西瓜成熟后按處理采摘，每處理選9個(gè)瓜，分別計(jì)算單株產(chǎn)量和平均單瓜質(zhì)量。

灌溉水分利用效率（Irrigation Water Use Efficiency，IWUE）（kg/m3）是西瓜產(chǎn)量與灌水量的比值。

IWUE=/（3）

式中為產(chǎn)量，kg/hm2；為灌水量，m3/hm2。

肥料偏生產(chǎn)力（Fertilizer Partial Productivity，PFP）（kg/kg）是西瓜產(chǎn)量與施肥量的比值。

PFP=/（4）

式中為施肥量，kg/hm2。

西瓜縱、橫徑用游標(biāo)卡尺測(cè)量，其比值為果形指數(shù)；將西瓜縱切測(cè)皮厚；并分別將中心和邊際果實(shí)榨汁測(cè)品質(zhì)。

可溶性固形物按照阿貝折光儀（Reichert Technologies，USA）測(cè)定，可溶性總糖按照蒽酮比色法[16]，總維生素C按照鉬藍(lán)比色法[17]，還原糖按照3，5—二硝基水楊酸法[17]，番茄紅素按照分光光度計(jì)（Thermo Fisher，USA）法[18-19]，可溶性蛋白按照考馬斯亮藍(lán)法[17]測(cè)定。

由于水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)各不相同，無(wú)法直接比較，因此需要進(jìn)行綜合分析。為消除量綱不同所造成的影響，先將西瓜各指標(biāo)實(shí)測(cè)值歸一化處理，再通過(guò)Yaahp 6.0進(jìn)行對(duì)主觀(guān)權(quán)重分析[10]；通過(guò)熵權(quán)法[11]進(jìn)行客觀(guān)權(quán)重分析；依據(jù)博弈論原理，通過(guò)Matlab 6.5求得最終權(quán)重[12]；最后根據(jù)近似理想法[13]確定西瓜水肥投入綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立西瓜水肥投入綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，并分析水肥用量對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

1.4 水肥用量分析

統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 21，顯著性檢驗(yàn)和方差分析用Tukey法和LSD法（=0.05），運(yùn)用Excel 2016分析數(shù)據(jù)，并將分析結(jié)果繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥用量影響西瓜產(chǎn)量和水肥利用效率

2.1.1 不同水肥用量影響西瓜果實(shí)形態(tài)指標(biāo)

水肥用量不同，西瓜果實(shí)形態(tài)差異顯著，如表2所示。西瓜縱徑在T10處理達(dá)到最大，為18.50 cm；其橫徑在T15和T10處理分別達(dá)到17.80和17.73 cm。T2處理西瓜縱、橫徑均最小，僅為15.14、15.29 cm，與T1、T4、T5、T9、T10、T12、T13、T14、T15、T16處理差異顯著（<0.05）。說(shuō)明水肥協(xié)同調(diào)控果實(shí)縱橫徑，同時(shí)增加或降低水肥投入不會(huì)顯著影響西瓜果實(shí)大小，但增加灌水量的同時(shí)減少施肥量，會(huì)顯著降低果實(shí)縱橫徑。西瓜果形影響西瓜外觀(guān)品質(zhì)和消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)欲[5]，但其受栽培品種影響較大，水肥用量對(duì)其影響較小。T10處理果形指數(shù)最大，果實(shí)較長(zhǎng)。圓形瓜比橢圓瓜易裂，適當(dāng)增加圓形西瓜瓜皮厚可延長(zhǎng)西瓜貯運(yùn)時(shí)間。T1處理瓜皮最厚，達(dá)到9.17 mm，顯著高于T6、T7、T8、T9處理（<0.05），便于運(yùn)輸。

2.1.2 不同水肥用量影響西瓜產(chǎn)量和水肥利用效率

西瓜產(chǎn)量高低直接影響農(nóng)民收入，也調(diào)控著水肥利用效率的高低，如表3所示。T10處理西瓜產(chǎn)量最高，達(dá)到48 901.04 kg/hm2；T1、T5、T12～T16處理與T10處理產(chǎn)量上差異不顯著（＞0.05）。T8處理產(chǎn)量最低，僅為30 171.88 kg/hm2。

西瓜灌溉水分利用效率（IWUE）最高的處理為T(mén)6處理，由T5、T6、T9～T16處理可以看出，在施肥量一致的情況下，灌溉越多，IWUE越低。水肥協(xié)同調(diào)控IWUE，在灌水量一致的情況下，由T1、T2處理可以看出，若采用高水處理，則在施肥量高時(shí)，IWUE更高；由T3、T4處理可以看出，若采用低水處理，則在施肥量低時(shí)，IWUE更高。T6、T4處理盡管IWUE較高，但此時(shí)產(chǎn)量較低，在實(shí)際生產(chǎn)中不受人們青睞。T9～T16處理在高產(chǎn)的同時(shí)，IWUE保持在較高水平，這不僅使灌溉水得以高效利用，還使棚內(nèi)空氣濕度和病蟲(chóng)害得到有效防治。

表2 不同水肥用量對(duì)西瓜果實(shí)形態(tài)指標(biāo)的影響

注：同列不同字母為差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Different letters in the same column are significant differences (<0.05). Same below.

表3 不同水肥處理對(duì)西瓜灌溉水分利用效率、產(chǎn)量和肥料偏生產(chǎn)力的影響

西瓜肥料偏生產(chǎn)力（PFP）最高的為T(mén)4處理。由T7、T8、T9～T16處理可以看出，PFP隨施肥量增加而降低。水肥協(xié)同調(diào)控PFP，在施肥量相同的情況下，由T1、T3處理可以看出，若采用高肥處理，則在澆水量高時(shí)，PFP更高；由T2、T4處理可以看出，若采用低肥處理，則在澆水量低時(shí)，PFP更高。T4、T8處理盡管PFP較高，但此時(shí)產(chǎn)量較低，在實(shí)際生產(chǎn)中往往不被采納。T9～T16處理在保證高產(chǎn)的同時(shí)，PFP保持在較高水平，這不僅有利于提高肥料利用的經(jīng)濟(jì)效益，還能改善土壤狀態(tài)，有效減少土壤次生鹽漬化現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 不同水肥用量影響西瓜品質(zhì)指標(biāo)

2.2.1 不同水肥用量影響西瓜單一品質(zhì)指標(biāo)

西瓜口感受多項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)影響，各指標(biāo)間差異如表 4所示?？扇苄钥偺窃赥1處理高達(dá)132.02 g/kg，在T6處理低至38.82 g/kg。還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)在T11、T13、T15處理中最高，達(dá)到1.18%，而在T4處理中僅達(dá)到0.63%?？扇苄怨绦挝锞赥1處理達(dá)到最高，其邊際和中心值分別為11.53%和12.70%，且西瓜甜度均勻，中邊差最小?，F(xiàn)如今，大眾對(duì)西瓜的要求不僅局限在其風(fēng)味指標(biāo)，越來(lái)越關(guān)注其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值?？偩S生素C質(zhì)量分?jǐn)?shù)在T15處理中達(dá)到最高，為12.56 mg/g，而在T4處理中僅為5.14 mg/g?？扇苄缘鞍踪|(zhì)量分?jǐn)?shù)在T5和T7處理中高達(dá)2.35 mg/g，而在T1處理中僅為1.39 mg/g。番茄紅素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在T5處理最高，達(dá)到48.45 mg/kg，但在T4處理中僅有28.60 mg/kg。現(xiàn)如今，大眾對(duì)于品質(zhì)的要求日益提升，但西瓜果實(shí)單一品質(zhì)指標(biāo)的最優(yōu)水肥用量不盡相同，因此，西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立至關(guān)重要。

表4 不同水肥處理對(duì)西瓜品質(zhì)的影響

2.3 不同水肥用量影響西瓜產(chǎn)量、水肥利用效率和品質(zhì)指標(biāo)

2.3.1 綜合評(píng)價(jià)值確立

由于水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)的最優(yōu)水肥用量各不相同，因此需要綜合分析。

通過(guò)主層次分析法[10]得到產(chǎn)量占最高權(quán)重，達(dá)到0.319；其次為番茄紅素權(quán)重，達(dá)到0.153；可溶性總糖權(quán)重占0.129；中心總可溶性固形物權(quán)重占0.090；總維生素C權(quán)重占0.071；PFP和IWUE權(quán)重相同，均為0.064；可溶性蛋白與邊際總可溶性固形物權(quán)重相似，均為0.040；還原糖權(quán)重最低，僅為0.030。

通過(guò)熵權(quán)法[11]得到可溶性總糖權(quán)重高達(dá)0.229；其次為總維生素C權(quán)重，達(dá)到0.207；肥料偏生產(chǎn)力權(quán)重為0.167；還原糖權(quán)重0.134；可溶性蛋白權(quán)重占0.090；灌溉水分利用效率權(quán)重占0.076；產(chǎn)量權(quán)重占0.050；番茄紅素權(quán)重占0.041；可溶性固形物權(quán)重最低，其邊際和中心值僅為0.004和0.002。

由于權(quán)重在主層次分析法[10]與熵權(quán)法[11]截然不同，依據(jù)博弈論原理，通過(guò)組合賦權(quán)[12]得到綜合權(quán)重。產(chǎn)量所占權(quán)重最高，達(dá)到0.188；可溶性總糖權(quán)重可達(dá)0.178；總維生素C權(quán)重占0.137；肥料偏生產(chǎn)力權(quán)重為0.114；番茄紅素權(quán)重占0.099；還原糖權(quán)重達(dá)0.081；灌溉水分利用效率權(quán)重占0.070；可溶性蛋白權(quán)重為0.064；而可溶性固形物權(quán)重較低，其中心和邊際值僅達(dá)到0.047和0.023。

根據(jù)近似理想法[13]從優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥四方面出發(fā)，確定西瓜綜合評(píng)價(jià)值排序由高到低為：T9～T16、T1、T5、T4、T7、T8、T3、T2、T6，如表5所示。水肥編碼值為（0，0）時(shí)，西瓜綜合評(píng)價(jià)值最高，綜合水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)最好；水肥編碼值為（1，1）次之；水肥編碼值為（-1.414，0）時(shí)，西瓜綜合評(píng)價(jià)值最低，綜合水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)最差。由T1、T4、T3、T2可知，水肥協(xié)同調(diào)控西瓜綜合評(píng)價(jià)值，高水高肥優(yōu)于低水低肥，低水低肥優(yōu)于低水高肥和高水低肥；因此，在水資源短缺地區(qū)，建議采用降低施肥量的方式來(lái)提高西瓜綜合評(píng)價(jià)值。表5各處理貼合度（C）排序與可溶性總糖（13）排序、還原糖（14）排序、總維生素C（16）排序、可溶性蛋白（17）排序和產(chǎn)量（21）排序的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平（<0.01），與邊際總可溶性固形物（12）排序達(dá)到顯著水平（<0.05），表明利用TOPSIS法確定水肥用量對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響是可靠的。

2.3.2 回歸模型建立

通過(guò)對(duì)不同水肥用量下西瓜水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)綜合分析，得到西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水肥用量的回歸方程為

1=0.728+0.0611+0.0252-0.13012-0.15622+0.07312（5）

式中1表示水肥用量對(duì)水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)值；1、2分別表示水、肥用量編碼值。

顯著性檢驗(yàn)表明回歸極顯著，模型=78.61>0.01（5,3）=28.24；決定系數(shù)2=0.975；（模型）=0.0001<0.01，模型極顯著；（1）=0.0001<0.01，（2）=0.0387<0.05，1、2項(xiàng)系數(shù)顯著，說(shuō)明水肥二因素對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)十分重要；（12）=0.0001<0.01，（22）=0.0001<0.01，12、22項(xiàng)系數(shù)極顯著；（12）=0.0005<0.01，12項(xiàng)系數(shù)極顯著，說(shuō)明水肥二因素交互影響西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

注：11表示中心總可溶性固形物，12表示邊際總可溶性固形物，13表示可溶性總糖，14表示還原糖，15表示番茄紅素，16表示總維生素C，17表示可溶性蛋白；21表示產(chǎn)量，22表示灌溉水分利用效率，23表示肥料偏生產(chǎn)力；-代表逆理想解，+代表理想解；-代表逆理想解和處理間距離，+代表理想解和處理間距離；C是貼合度；2是各指標(biāo)與綜合指標(biāo)的決定系數(shù)；*為5%的顯著水平，* *為1%的極顯著水平。

Note:11is the central total soluble solids,12is the marginal total soluble solids,13is the total soluble sugar,14is the reducing sugar,15is the lycopene,16is the total vitamin C,17is the soluble protein.21is the yield,22is the irrigation water use efficiency,23is the fertilizer partial productivity.-is the inverse ideal solution,+is the ideal solution.-is the distance between the inverse ideal solution and the treatment,+is the distance between the ideal solution and the treatment.Cis the degree of fit.2is the decisive coefficient between each index and the comprehensive evaluation indexes. * is significant at 5 %, ** is significant at 1%.

式（5）中1、2項(xiàng)系數(shù)大小反映灌水量、施肥量對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的大小，其正負(fù)反映灌水量、施肥量對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的正負(fù)[20]，由此可知，水肥二因子對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)具有顯著促進(jìn)效應(yīng)，并且水的促進(jìn)效應(yīng)大于肥。交互項(xiàng)系數(shù)為正值，說(shuō)明水肥二因子協(xié)同促進(jìn)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.3.3 水肥用量對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素效應(yīng)分析

為探究水肥單因子對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，對(duì)上述模型降維[21-22]，得到灌水量和施肥量對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素效應(yīng)函數(shù)式，分別為

1=0.728+0.0611-0.13012（6）

2=0.728+0.0252-0.15622（7）

式中1、2分別表示水、肥用量對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的單因素效應(yīng)函數(shù)。

分別將灌水量與施肥量對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響作圖如圖1，西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)均為開(kāi)口向下的拋物線(xiàn)，隨水肥施入量增加，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，說(shuō)明水肥二因素符合報(bào)酬遞減規(guī)律，當(dāng)水分編碼值1為0.23、肥料編碼值2為0.08時(shí)，西瓜綜合評(píng)價(jià)值最高；若水肥用量超過(guò)此范圍，西瓜綜合評(píng)價(jià)值降低。

2.3.4 水肥用量對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的邊際效應(yīng)分析

通過(guò)對(duì)灌水量、施肥量影響西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素效應(yīng)函數(shù)求導(dǎo)，得到灌水量、施肥量調(diào)控西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的邊際效應(yīng)函數(shù)為

1′=0.061-0.2601（8）

2′=0.025-0.3122（9）

式中1′、2′分別表示西瓜綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)值對(duì)水、肥用量的邊際效應(yīng)函數(shù)。

由圖2可知，西瓜邊際綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)隨水肥用量的增加而降低。當(dāng)水分編碼值為-1.414～0.23，肥料編碼值為-1.414～0.08時(shí)，可促進(jìn)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)提升；水肥編碼值超過(guò)該范圍后對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)均具有抑制效果。

圖2 水肥用量對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的邊際效應(yīng)

2.4 不同水肥用量對(duì)西瓜水肥利用效率、產(chǎn)量和相關(guān)品質(zhì)的模擬尋優(yōu)

西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)隨水肥施入量呈開(kāi)口向下的拋物面，如圖3所示。當(dāng)灌水量不變時(shí)，隨施肥量增加，西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)先升后降；當(dāng)施肥量不變時(shí)，隨灌水量增加，西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)先升后降。中水中肥處理使綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)維持在較高水平，說(shuō)明水肥用量過(guò)高或過(guò)低均不利于綜合評(píng)價(jià)西瓜水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)。水肥協(xié)同影響西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，高水高肥、低水低肥處理所形成的綜合評(píng)價(jià)值高于高水低肥、低水高肥處理所形成的綜合評(píng)價(jià)值；因此，在水資源短缺地區(qū)，建議采用適當(dāng)降低施肥量的方式來(lái)提高西瓜綜合評(píng)價(jià)值。通過(guò)上述模型綜合評(píng)價(jià)尋優(yōu)，得出水肥二因素對(duì)西瓜水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，在水分編碼值為0.23，肥料編碼值為0.08時(shí)，即灌水量按0.73倍西瓜蒸騰需水量（ETc），施肥量按1.03倍目標(biāo)產(chǎn)量（）法算得的施肥量時(shí)，西瓜綜合評(píng)價(jià)值最高，達(dá)到0.74。

圖3 水肥指標(biāo)對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的耦合效應(yīng)

3 討 論

灌水量與施肥量是作物生長(zhǎng)發(fā)育中至關(guān)重要的兩大因素，合理的水肥調(diào)控有利于西瓜健康生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)大棚西瓜量化管理；不合理的水肥調(diào)控嚴(yán)重阻礙西瓜生長(zhǎng)，導(dǎo)致低產(chǎn)、劣質(zhì)，甚至致其死亡[23]。本文通過(guò)不同水肥用量，確定水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)值對(duì)水肥用量的響應(yīng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同水肥用量下西瓜水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)不同。西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)隨水肥用量增加呈先升后降的趨勢(shì)，這與多人研究結(jié)果相似，李建明等[20]發(fā)現(xiàn)番茄產(chǎn)量隨水肥施入量增加呈現(xiàn)開(kāi)口向下的拋物線(xiàn)函數(shù)；張爽等[24]發(fā)現(xiàn)西瓜產(chǎn)量隨有機(jī)肥施入量先增后減。水肥投入過(guò)高或過(guò)低均降低綜合評(píng)價(jià)值，可能由于水肥對(duì)葉綠素含量增加有拮抗作用[25]，因而導(dǎo)致光合速率降低[20]，西瓜生長(zhǎng)減弱，果實(shí)產(chǎn)量品質(zhì)降低，綜合評(píng)價(jià)值下降。合理的水肥調(diào)控是提高綜合評(píng)價(jià)值的關(guān)鍵[26]。水肥協(xié)同影響西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，高水高肥、低水低肥處理所形成的綜合評(píng)價(jià)值高于高水低肥、低水高肥處理所形成的綜合評(píng)價(jià)值。高水低肥的灌溉施肥模式對(duì)果實(shí)品質(zhì)形成“稀釋效應(yīng)”[27]；低水高肥的灌溉施肥模式嚴(yán)重降低果實(shí)產(chǎn)量[28-30]。適當(dāng)水分虧缺有利于西瓜綜合評(píng)價(jià)值提高，Pérez-Pastor等[31]表明適當(dāng)水分虧缺能增加根長(zhǎng)和根面積；Erdem等[8]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低灌水量可降低果皮厚，也提高西瓜可溶性糖和固形物含量；Abdelkhalik等[32]表明西瓜成熟期減少灌水量可提高果實(shí)色度。但灌水量過(guò)低會(huì)影響植株生長(zhǎng)，從而降低產(chǎn)量[31-33]；土壤虧水誘導(dǎo)植物根部產(chǎn)生脫落酸，伴隨水分運(yùn)移將此信號(hào)傳至葉片，植物為自我保護(hù)降低氣孔開(kāi)度和蒸騰速率；同時(shí)光合底物減少，光合速率也隨之降低，植株生長(zhǎng)減慢，果實(shí)產(chǎn)量降低[31-33]。高水則對(duì)果實(shí)形成“稀釋效應(yīng)”，從而降低品質(zhì)[27]。因此，合理調(diào)控灌水量至關(guān)重要。

土壤持水能力和其理化性質(zhì)是植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要保證[34]。植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、利用養(yǎng)分取決于土壤和植物水分狀況，因而肥料的吸收和利用離不開(kāi)土壤水分狀況[35]，這在一定程度上解釋了本研究結(jié)果水分對(duì)綜合評(píng)價(jià)值的影響大于肥料。土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地影響比水容量、土壤飽和含水量和田間持水量等土壤持水能力[36-38]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灌水量為0.73ETc時(shí)，西瓜綜合評(píng)價(jià)值最高，這與龔雪文等[14]得到的華北地區(qū)最佳灌水量為0.75E-20（20 cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量）相似，可能由于兩地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地相似且田間持水率均在21%～25%之間，因而灌水量大致相同。當(dāng)栽培土壤為黏質(zhì)土壤時(shí)，模型使用過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)降低灌溉量；而面對(duì)砂質(zhì)土壤時(shí)，模型使用過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)增加灌溉量。本模型主要適用于關(guān)中塿土栽培下大棚西瓜水肥滴灌量化管理，由于植物需水量受土壤質(zhì)地影響較大[36-38]，對(duì)不同土質(zhì)下植株的需水研究有待加強(qiáng)。本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)等多項(xiàng)指標(biāo)，并結(jié)合主客觀(guān)分析，最終求得最佳水肥用量，對(duì)實(shí)現(xiàn)以關(guān)中塿土栽培為主的大棚西瓜量化管理和精準(zhǔn)化管理具有指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)主層次分析法、客觀(guān)熵權(quán)法得到水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)各指標(biāo)權(quán)重，然后根據(jù)基于博弈論的組合賦權(quán)法得到綜合權(quán)重。產(chǎn)量所占權(quán)重最高，達(dá)到0.188；可溶性總糖權(quán)重可達(dá)0.178；總維生素C權(quán)重占0.137；肥料偏生產(chǎn)力權(quán)重為0.114；番茄紅素權(quán)重占0.099；還原糖權(quán)重達(dá)0.081；灌溉水分利用效率權(quán)重占0.070；可溶性蛋白權(quán)重為0.064；而可溶性固形物權(quán)重較低，其中心和邊際值僅達(dá)到0.047和0.023。

2）通過(guò)TOPSIS法建立水肥量化指標(biāo)對(duì)西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的回歸模型，對(duì)實(shí)現(xiàn)以關(guān)中塿土栽培為主的大棚西瓜量化管理具有指導(dǎo)作用。水肥用量顯著影響西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，且灌水量對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響大于施肥量。

3）通過(guò)綜合評(píng)價(jià)尋優(yōu)，得出水肥量化指標(biāo)對(duì)西瓜水肥利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合調(diào)控，在水分編碼值為0.23，肥料編碼值為0.08時(shí)，即灌水量按0.73倍西瓜蒸騰需水量，施肥量按1.03倍目標(biāo)產(chǎn)量法算得的施肥量時(shí)，西瓜綜合評(píng)價(jià)值最高，達(dá)到0.74。因此，推薦在水肥資源相對(duì)充足的關(guān)中地區(qū)按0.73倍西瓜蒸騰需水量和1.03倍目標(biāo)產(chǎn)量對(duì)西瓜灌溉施肥。

4）水肥協(xié)同影響西瓜綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，高水高肥、低水低肥處理下綜合評(píng)價(jià)值優(yōu)于高水低肥、低水高肥處理下的綜合評(píng)價(jià)值；因此，在水資源短缺地區(qū)，建議適當(dāng)降低施肥量來(lái)提高西瓜綜合評(píng)價(jià)值。

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Optimization of fertigation scheduling for drip-irrigated watermelon based on its yield, quality and fertilizer and water use efficiency

Li Jianming, Yu Xuemei, Wang Xuewei, Zhang Junwei, Jiao Xiaocong, Huang Qian

(,,712100,)

In order to improve yield, quality, irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity of watermelon, a precise management of water and fertilizer is necessary to enhance its production under greenhouse. In this experiment, drip irrigation method was used in loam soil of Guanzhong, China. The experiment was designed as a two-factor factorial with orthogonal rotation combination. The irrigation amount consisted of 0.49, 0.55, 0.70, 0.85, and 0.91 times the watermelon evapotranspiration, and the fertilizer application rate was 0.50, 0.65, 1.00, 1.35, and 1.50 times the fertilizer application rate calculated by target yield method. There were a total of 16 treatments and each replicated three times. The weight of each index was calculated by subjective analytic hierarchy process, objective entropy weight method and combined weighting method based on game theory. A comprehensive evaluation model was established by analyzing the effect of drip fertilization on the comprehensive evaluation value through approximate ideal method. The results showed that the largest fruit cross and longitudinal section diameter (17.80 and 18.50 cm), the lower sugar content and total vitamin C content (1.18% and 12.56 mg/g) and yield (48 901.04 kg/hm2) were observed in the treatment with irrigation level of 0.70 times the evapotranspiration of watermelon and the fertilization level of 1.00 times the target yield. The smallest fruit cross and longitudinal sections diameter (15.29 and 15.14 cm) were obtained in the treatment of irrigation with 0.85 times the evapotranspiration and fertilization with 0.65 times the target yield. The lowest yield (30 171.88 kg/hm2) was observed in the treatment of irrigation with 0.70 times evapotranspiration and fertilization with 0.50 times the target yield. Irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity showed a downward trend with the increase of irrigation and fertilizer levels. The highest irrigation water use efficiency was in the treatment of irrigation with 0.49 times evapotranspiration and fertilization with 1.00 times the target yield. The highest fertilizer partial productivity was in the treatment of irrigation with 0.55 times evapotranspiration and fertilization with 0.65 times the target yield. The comprehensive evaluation indexes of watermelon revealed a downward parabolic graph in relation to irrigation and fertilization levels. When the irrigation amount was constant, the comprehensive evaluation indexes increased and then decreased with the increase of fertilization level. Moreover, a similar trend was observed with changing irrigation level under constant fertilization level The highest comprehensive evaluation indexes of watermelon (0.74) were obtained in the irrigation level at 0.73 times the evapotranspiration of watermelon and the fertilization level at 1.03 times the target yield. In addition, the irrigation and fertilization levels synergistically affected the comprehensive evaluation indexes of watermelon. The comprehensive evaluation indexes were high for the treatment of higher irrigation with higher fertilization level and lower irrigation level with lower fertilization level. The effect of irrigation level on the comprehensive evaluation indexes of watermelon was larger than that of fertilization. Thus, irrigation level at 0.73 times the evapotranspiration of watermelon and fertilization at 1.03 times the target yield were recommend for the drip fertilization of watermelons in Guanzhong soil where the water and fertilizer resources are relatively abundant. In areas where water resources are relatively scarce, the fertilization level should be appropriately decreased.

irrigation; fertilizers; models; evapotranspiration; irrigation water use efficiency; fertilizer partial productivity; target yield

李建明，于雪梅，王雪威，等. 基于產(chǎn)量品質(zhì)和水肥利用效率西瓜滴灌水肥制度優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(9)：75-83. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.009 http://www.tcsae.org

Li Jianming, Yu Xuemei, Wang Xuewei, et al. Optimization of fertigation scheduling for drip-irrigated watermelon based on its yield, quality and fertilizer and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 75-83. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.009 http://www.tcsae.org

2019-10-18

2020-02-10

國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位專(zhuān)家項(xiàng)目（CARS-23-C05）；陜西省設(shè)施瓜菜水肥精準(zhǔn)管理技術(shù)研究與示范項(xiàng)目（LMZD201802）；陜西省不同地區(qū)農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及栽培模式研究項(xiàng)目（SNXY002）

李建明，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施作物生理生態(tài)研究。Email：lijianming66@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.009

S275.6；S627；S651；S365

A

1002-6819(2020)-09-0075-09