王義凡，石秀良，黃玉芳*，王慢慢，岳松華，汪洋，葉優(yōu)良

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/河南省農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450002；2.杞縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南杞縣 475200）

西瓜是我國(guó)重要的農(nóng)產(chǎn)品，作為夏季重要的水果之一，深受廣大消費(fèi)者喜愛(ài)。西瓜具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，富含人體所需要的蛋白質(zhì)、糖、鐵、維生素C 和氨基酸等，能防暑降溫、消除熱燥[1]。我國(guó)是世界西瓜生產(chǎn)與消費(fèi)第一大國(guó)，西瓜種植面積占全球總面積的58.06%，產(chǎn)量占全球的76.5%[2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，勞動(dòng)力成本迅速上升，未來(lái)西瓜生產(chǎn)一定會(huì)向著標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化、高效省工化方面發(fā)展，同時(shí)對(duì)高品質(zhì)西瓜、特色功能性西瓜、反季節(jié)西瓜、觀光采摘西瓜生產(chǎn)等提出了新的要求[3]。河南省西瓜種植面積、產(chǎn)量在我國(guó)占據(jù)重要地位，2018年河南西瓜種植面積為251 000 hm2，單位面積產(chǎn)量為54 337.57 kg[4]。河南省開(kāi)封地區(qū)種植西瓜的歷史悠久，尤以品質(zhì)上乘聞名，享有“汴梁西瓜甜到皮”的美譽(yù)，2009年被農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)為農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志產(chǎn)品[5]。

西瓜對(duì)養(yǎng)分需求量大，在一定施肥范圍內(nèi)，西瓜產(chǎn)量隨施肥量的上升而增加[6]。西瓜種植周期短、經(jīng)濟(jì)效益高，每667 m2純利潤(rùn)約為3 500 元。部分瓜農(nóng)為追求高經(jīng)濟(jì)收益，大量使用化肥、重施氮肥、盲目施肥、施肥方法不當(dāng)，造成肥料利用率低下、土壤肥力下降、環(huán)境污染等問(wèn)題[7-8]。如何根據(jù)土壤類型、土壤肥力水平和西瓜的養(yǎng)分需求規(guī)律進(jìn)行科學(xué)合理施肥顯得尤為重要。前人通過(guò)土壤養(yǎng)分測(cè)試，基于土壤養(yǎng)分狀況和目標(biāo)產(chǎn)量等進(jìn)行推薦施肥，在一定程度上提高了西瓜產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[9-10]。由于河南省當(dāng)前依然是以小農(nóng)戶為主的經(jīng)營(yíng)單位，很難做到每戶都依據(jù)土壤測(cè)試結(jié)果進(jìn)行配方施用，加之土壤取樣、測(cè)試成本高、時(shí)間長(zhǎng)，在缺乏專業(yè)指導(dǎo)的情況下很難保障配肥準(zhǔn)確性[11]。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所（IPNI）開(kāi)展了基于作物產(chǎn)量和農(nóng)學(xué)效率的養(yǎng)分管理和推薦施肥方法研究，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展為養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient expert system，NE），用于區(qū)域和田塊尺度推薦施肥[12-13]。該技術(shù)原理是把土壤養(yǎng)分供應(yīng)看作一個(gè)“黑箱”，用不施該養(yǎng)分地上部的產(chǎn)量或養(yǎng)分吸收來(lái)表征，利用已有作物養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量關(guān)系，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉h(huán)境及種植習(xí)慣等，確定施肥推薦相關(guān)參數(shù)，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量給出施肥數(shù)量和施肥方法[14]。養(yǎng)分專家系統(tǒng)只需農(nóng)戶回答一些簡(jiǎn)單的關(guān)于作物產(chǎn)量和栽培管理措施等方面的問(wèn)題，系統(tǒng)就會(huì)利用后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)給出當(dāng)前農(nóng)戶的養(yǎng)分管理措施和施肥套餐方案[15]。本研究基于NE 對(duì)開(kāi)封地區(qū)西瓜進(jìn)行推薦施肥，研究?jī)?yōu)化施肥對(duì)西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益的影響，以期為該地區(qū)西瓜科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：尿素（含N 46%）2 000 元/t、復(fù)合肥（17-17-17）3 800 元/t，河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司；過(guò)磷酸鈣（含P2O512%）1 300 元/t、硫酸鉀（含K2O 50%）3 200 元/t、硝酸鈣（含N 15%，含CaO 25%）2 800 元/t，洋豐集團(tuán)股份有限公司；硫酸鎂1 200 元/t、硼砂8 000 元/t、硫酸鋅10 000 元/t，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器：TCS 電子臺(tái)稱；百分天平，GL522-1SCN，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；手持式折光儀，WZB45，上海物光。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018 年春季布置在河南省開(kāi)封市杞縣四個(gè)不同農(nóng)戶的田塊上，試驗(yàn)前取0～30 cm 土層深度的土壤，測(cè)試土壤基本理化性狀，見(jiàn)表1。

試驗(yàn)共設(shè)置五個(gè)處理，如表2 所示。其中前4 個(gè)處理施肥方式均為氮肥基施60%，在坐果期、膨瓜期各追施25%、15%；磷肥一次性基施；鉀肥基施50%，在坐果期、膨瓜期各追施25%。農(nóng)戶習(xí)慣施肥為基肥施用三元復(fù)合肥（17-17-17），坐果期再進(jìn)行追肥。硫酸鎂30 kg/hm2，硼砂15 kg/hm2，硫酸鋅15 kg/hm2全部一次性基施。

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

表2 試驗(yàn)處理及肥料用量Table 2 Experimental treatment and fertilizer dosage

前3 個(gè)處理是在OPT 施肥基礎(chǔ)上不施氮肥、磷肥、鉀肥。每個(gè)小區(qū)面積100 m2，供試品種選擇當(dāng)?shù)刂髟云贩N黑美人，種植密度為8 400 株/hm2。4 月1 日前后播種，7月5 日左右收獲。除施肥外，處理1～4 處理的其它田間管理與農(nóng)戶習(xí)慣組一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

收獲期，各小區(qū)采收30 個(gè)西瓜（九分熟），測(cè)鮮質(zhì)量。從30 個(gè)西瓜中再選取5 個(gè)樣品，分為瓜皮和果肉（瓜中心10 cm 直徑范圍內(nèi)為果肉心，剩余部分為果肉邊）測(cè)鮮質(zhì)量，果肉與整瓜的比值為可食率。VC 含量以2,6-二氯淀粉藍(lán)滴定法測(cè)定[15]，可溶性固形物含量用手持式折光儀測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

農(nóng)學(xué)利用率和肥料偏生產(chǎn)力的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）（2）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 22.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同施肥處理間差異采用單因素方差分析，用LSD 法進(jìn)行多重比較，采用OriginPro 2016 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)西瓜產(chǎn)量的影響

不同施肥處理對(duì)西瓜產(chǎn)量的影響見(jiàn)圖1。由圖可知，4 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，均以O(shè)PT 處理的產(chǎn)量最高，且顯著高于其他處理，分別增產(chǎn)5.94、4.96、8.15、15.54 t/hm2，增幅分別為12.8%、13.8%、23.1%、39.6%。OPT 處理基礎(chǔ)上不施用氮、磷或鉀肥后產(chǎn)量都會(huì)出現(xiàn)明顯下降，以O(shè)PT-K 處理的產(chǎn)量降幅最小，4 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)（除田塊1）都以O(shè)PT-N 處理的產(chǎn)量降幅最大。田塊4 的OPT-K 處理產(chǎn)量顯著高于FP，而其它3 個(gè)田塊中OPT-K 的產(chǎn)量與FP 處理基本一致。

2.2 不同施肥處理對(duì)西瓜可食率的影響

不同施肥處理對(duì)西瓜可食率的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知，與產(chǎn)量變化趨勢(shì)一樣，4 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均以O(shè)PT 處理的西瓜可食率最大，相比FP 處理，4 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別提高了4.2%、8.5%、8.0%、3.4%，僅田塊3 增幅達(dá)顯著水平。OPT處理基礎(chǔ)上不施用氮、磷或者鉀肥都會(huì)影響西瓜可食率，4 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)OPT-N、OPT-P、OPT-K 處理的可食率都顯著低于OPT 處理，不施鉀處理在田塊2 上的可食率表現(xiàn)為與OPT 間無(wú)明顯差異。

2.3 不同施肥處理對(duì)西瓜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

表3 不同施肥處理對(duì)西瓜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on nutritional quality of watermelon

優(yōu)化施肥提高了西瓜的VC 含量，同時(shí)降低了可滴定酸的含量，但不是4 個(gè)田塊都達(dá)到顯著水平（見(jiàn)表3）。相比OPT 處理，減少氮、磷、鉀肥均會(huì)降低VC 含量，不同田塊降幅不同，其中OPT-N 處理平均下降21.4%，OPT-P 處理平均下降13.5%，OPT-K 處理平均下降19.4%。可見(jiàn)，相比OPT 處理，減少氮、磷、鉀肥均會(huì)提高可滴定酸含量，不同田塊增幅不同，其中OPT-N 處理平均上升26.3%，OPT-P 處理平均上升31.2%，OPT-K 處理平均上升15.3%。果肉中心可溶性固形物含量明顯高于邊緣，OPT 與FP 處理間在果肉中心和邊緣的可溶性固形物含量沒(méi)有明顯差異。與OPT 處理相比，不施氮肥顯著降低了果肉中心的可溶性固形物含量，而OPT-P 僅發(fā)生在田塊1 上，OPT-K 僅發(fā)生在田塊4 上。不施氮同樣顯著降低了全部試驗(yàn)點(diǎn)西瓜的果肉邊緣可溶性固形物含量，而OPT-K 僅在田塊2 和田塊4 上表現(xiàn)為顯著低于OPT，OPT-P 的固形物顯著降低也只發(fā)生在田塊4 上。

2.4 不同施肥處理對(duì)西瓜養(yǎng)分利用效率的影響

表4 優(yōu)化施肥的肥料利用效率Table 4 Fertilizer use efficiency of optimized fertilization

表4 顯示OPT 處理化肥偏生產(chǎn)力顯著高于FP 處理，優(yōu)化施肥提高了化肥效率。優(yōu)化施肥下，磷肥農(nóng)學(xué)效率最高，為136.0 kg/kg；其次是氮肥、鉀肥，分別為59.6、31.7 kg/kg。

2.5 不同施肥處理對(duì)西瓜經(jīng)濟(jì)效益的影響

表5 不同施肥處理對(duì)西瓜經(jīng)濟(jì)效益的影響Table 5 Effects of different fertilization treatments on economic benefits of watermelon

不考慮西瓜品質(zhì)的差異，且西瓜單價(jià)都按1.6 元/kg計(jì)算，4 個(gè)田塊OPT 處理的西瓜產(chǎn)值相比FP 處理分別升高12.8%、13.7%、23.2%、39.5%。除產(chǎn)值外，肥料投入方面兩種施肥處理間相差約0.11 萬(wàn)元/hm2。各處理其它投入（包含農(nóng)藥、水電、地膜、人工）一致，均為18 375 元/hm2。產(chǎn)值減去肥料和其它投入得到經(jīng)濟(jì)效益，從表5 可以看出，OPT 處理的經(jīng)濟(jì)效益明顯高于FP 處理，增收0.90～2.59 萬(wàn)元/hm2，增幅為20.9%～65.9%，平均為39.1%。

3 討論

3.1 農(nóng)戶習(xí)慣施肥存在的問(wèn)題

河南是我國(guó)重要的西瓜主產(chǎn)區(qū)，西瓜常年栽培面積達(dá)16 萬(wàn)hm2以上，但在化肥施用上仍停留在靠經(jīng)驗(yàn)施肥階段，導(dǎo)致缺素或土壤中某種營(yíng)養(yǎng)元素過(guò)剩等現(xiàn)象的發(fā)生，既影響西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益，又造成肥料浪費(fèi)和環(huán)境污染[10]。西瓜經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于常規(guī)糧油作物，受經(jīng)濟(jì)效益影響，農(nóng)戶習(xí)慣投入大量肥料以獲取高產(chǎn)[16]。本研究中，農(nóng)戶習(xí)慣氮、磷、鉀肥用量都為229.5 kg/hm2，N、P2O5、K2O 投入比例為1:1:1。前人研究發(fā)現(xiàn)，西瓜在整個(gè)生育期吸收鉀最多，氮次之，磷最少[17]。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，西瓜整個(gè)生育期投入的N:P2O5:K2O 養(yǎng)分最佳比例應(yīng)為1:(0.41～0.85):(1.28～1.3)[6,18]。在本研究中，基于養(yǎng)分專家系統(tǒng)得出的施肥量為氮肥174 kg/hm2，磷肥為63 kg/hm2，鉀肥為200 kg/hm2，其N(xiāo):P2O5:K2O 比例為1:0.36:1.15，這與本研究推薦的養(yǎng)分比例十分接近。

本研究中，農(nóng)戶習(xí)慣處理的西瓜肥料偏生產(chǎn)力顯著低于專家系統(tǒng)推薦施肥處理，過(guò)高的施肥量和不適宜的肥料配比是其化肥利用率不高的主要原因。鄧云等[19]報(bào)道，河南西瓜氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率分別為23.6、38.1、64.7 kg/kg，相較于此，本試驗(yàn)條件下的氮、磷肥農(nóng)學(xué)效率明顯提高，而鉀肥農(nóng)學(xué)效率有所下降。

3.2 優(yōu)化施肥在西瓜上的應(yīng)用效果

將前期調(diào)研得到的農(nóng)戶生產(chǎn)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)軟件中，養(yǎng)分專家系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量計(jì)算出施肥數(shù)量和施肥方法，但肥料效果仍需進(jìn)行田間驗(yàn)證。本研究，相比農(nóng)戶習(xí)慣施肥，優(yōu)化施肥處理產(chǎn)量在4 個(gè)田塊都有顯著提高，平均增產(chǎn)22.3%。此外，本研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化施肥與農(nóng)戶習(xí)慣處理間可食率差異并不明顯，這就說(shuō)明優(yōu)化施肥引起的增產(chǎn)是西瓜整體質(zhì)量的增加，并沒(méi)有增加瓜皮（非可食部位）的質(zhì)量。

西瓜作為經(jīng)濟(jì)作物，除產(chǎn)量外，品質(zhì)因素更受人們的重視。肥料用量和配比對(duì)西瓜的品質(zhì)有很大影響，本研究中，相比農(nóng)戶習(xí)慣處理，優(yōu)化施肥顯著提高了果肉的VC含量，降低了可滴定酸含量，有效改善了西瓜的口感和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。優(yōu)化施肥與農(nóng)戶習(xí)慣施肥處理間可溶性固形物含量差異不明顯，結(jié)果顯示只有氮肥不足時(shí)才會(huì)造成果肉中心和邊緣可溶性固形物的顯著降低。前人研究認(rèn)為一定范圍內(nèi)隨著施肥水平的增加而提高，但在施肥過(guò)量的條件下，果實(shí)品質(zhì)又呈下降趨勢(shì)[20]。因此，過(guò)量的肥料和不平衡的養(yǎng)分比例是農(nóng)戶習(xí)慣生產(chǎn)中產(chǎn)出西瓜品質(zhì)不高的重要原因。

西瓜產(chǎn)值高，除肥料外，其它成本投入占產(chǎn)值的22.0%～31.9%。肥料價(jià)格并不作為農(nóng)戶考慮的首要因素，他們往往更關(guān)心肥料的效果。本研究中，相比習(xí)慣處理，優(yōu)化施肥處理的肥料價(jià)格每公頃節(jié)約了1 100 元，產(chǎn)值提高了12.8%～39.5%，最終幫助農(nóng)戶提高了20.9%～65.9%的經(jīng)濟(jì)收益。本研究結(jié)果表明該優(yōu)化施肥方案在西瓜上有良好的應(yīng)用效果，可以用于開(kāi)封地區(qū)的西瓜施肥指導(dǎo)。此外，可以聯(lián)合化肥企業(yè)，將優(yōu)化施肥方案進(jìn)一步物化和簡(jiǎn)化，結(jié)合緩控釋技術(shù)生產(chǎn)出適合該區(qū)域的西瓜專用肥產(chǎn)品。

總之，優(yōu)化施肥能提高西瓜產(chǎn)量，改善西瓜口感和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，同時(shí)能夠增加農(nóng)民收入，是能夠兼顧產(chǎn)量、養(yǎng)分高效利用和環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)科學(xué)施肥方案。