袁 藝，龍榮華，陶 婧，汪 騫，李石開(kāi)

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝作物研究所，昆明 650205）

0 引 言

【研究意義】水肥供應(yīng)是影響蔬菜品質(zhì)和產(chǎn)量的重要因素之一，為追求短期效益過(guò)量供應(yīng)水肥造成水肥利用率過(guò)低已成為實(shí)際生產(chǎn)中普遍存在的問(wèn)題[1-2]。漫灌作為傳統(tǒng)灌溉方式耗水量大且易引起淋溶損失，并對(duì)地下水造成污染[2]，因此科學(xué)的水肥管理對(duì)降低農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義?！狙芯窟M(jìn)展】蔬菜作為喜肥作物，氮素在其產(chǎn)量和品質(zhì)方面起到關(guān)鍵作用。據(jù)調(diào)查，目前溫室栽培施氮量遠(yuǎn)超蔬菜實(shí)際需求量，過(guò)量施氮肥不僅無(wú)法提高產(chǎn)量，而且容易引起蔬菜硝酸鹽量過(guò)高，造成土壤鹽漬化和地下水污染等環(huán)境問(wèn)題[3-5]。水肥一體化技術(shù)是將施肥與灌溉相結(jié)合，通過(guò)提高水肥利用率達(dá)到節(jié)水省肥增收的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，能有效提高水肥利用率，被廣泛利用于蔬菜和花卉生產(chǎn)中[6-8]。目前我國(guó)水肥一體化生產(chǎn)栽培中存在控制設(shè)備自動(dòng)化程度低、精準(zhǔn)智能化水肥調(diào)控系統(tǒng)基本依賴進(jìn)口和設(shè)備成本過(guò)高且實(shí)用性低等問(wèn)題[9-10]。【切入點(diǎn)】基于太陽(yáng)輻射量和植物光合作用之間的緊密關(guān)聯(lián)，21 世紀(jì)日本千葉大學(xué)提出一種以太陽(yáng)輻射累積量為基準(zhǔn)結(jié)合水肥一體化的新型灌溉施肥模式[11]。與傳統(tǒng)水肥一體化栽培方式相比，這種新型灌溉施肥模式選擇了環(huán)境因子中對(duì)產(chǎn)量影響最大的太陽(yáng)輻射量為關(guān)鍵環(huán)境因子，以太陽(yáng)輻射量為基準(zhǔn)對(duì)植物的水肥供應(yīng)量和水肥供應(yīng)頻率進(jìn)行控制，能夠靈活應(yīng)對(duì)氣候的變化并根據(jù)植物對(duì)水肥的實(shí)際需求進(jìn)行科學(xué)的水肥供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)蔬菜栽培自動(dòng)水肥的精準(zhǔn)供應(yīng)[12-15]。該技術(shù)具有操作省力、資源節(jié)約、環(huán)境友好和高產(chǎn)高效等特點(diǎn)，符合現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求且在我國(guó)具有廣闊應(yīng)用前景，該栽培模式目前在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)報(bào)道。這種把太陽(yáng)輻射量與水肥一體化相結(jié)合的新型灌溉施肥技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是確定太陽(yáng)輻射累積量與植物水肥需求之間的關(guān)系。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究擬在溫室土壤栽培環(huán)境下，以菠菜為材料，研究太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀進(jìn)行水肥管理時(shí)，不同水肥供應(yīng)量對(duì)菠菜品質(zhì)及產(chǎn)量的影響，以期為高效生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)葉菜類蔬菜的水肥供應(yīng)方式及供應(yīng)量提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試菠菜品種為四季大葉菠菜，營(yíng)養(yǎng)液配方選用日本園試營(yíng)養(yǎng)液，大量元素配方：590 mg/L Ca(NO3)2·4H2O，505 mg/L KNO3，95 mg/L NH4H2PO4，307.5 mg/L MgSO4·7H2O；微量元素配方：23.6 mg/L Fe-DETA，2.86 mg/L H3BO3，2.11 mg/L MnSO4·4～5H2O，0.22 mg/L ZnSO4·7H2O，0.08 mg/L CuSO4·5H2O，0.02 mg/L Na2MoO4·2H2O。使用日本SHINKO 公司的太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀（SWCS-100）進(jìn)行水肥供應(yīng)管理，其原理如圖1 所示。控制儀以每秒為單位對(duì)太陽(yáng)輻射量進(jìn)行測(cè)量累積，當(dāng)太陽(yáng)輻射量累積值到達(dá)設(shè)定的閾值（SV）時(shí)，會(huì)按照已設(shè)定的灌水持續(xù)時(shí)間進(jìn)行1 次灌水，每次太陽(yáng)輻射量累積值到達(dá)閾值（SV）后將清零后再次累積。

圖1 太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀原理Fig.1 Principle of the solar-radiance-irrigation controller

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018 年4 月在云南省昆明市團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)試驗(yàn)基地塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。播種前將菠菜種子浸種24 h后，用潮濕紗布包裹后放入30 ℃恒溫箱催芽，每穴播種3 粒，行距和株距均為15 cm，每小區(qū)4 行共計(jì)44 株，試驗(yàn)共設(shè)5 個(gè)處理，每個(gè)處理6 次重復(fù)，共計(jì)30 個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。本試驗(yàn)將菠菜生長(zhǎng)劃分為2 個(gè)階段，0～10 d 為幼苗期，11～25 d 為生長(zhǎng)期，其中W1 處理（低水肥）、W2 處理（中水肥）、W3處理（高水肥）、W4 處理（中水無(wú)肥）使用太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀進(jìn)行水肥供應(yīng)管理，W1、W2 處理和W3 處理使用日本園試營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行灌溉，W4 處理使用井水灌溉。參考Shinohara 等[11]試驗(yàn)結(jié)果設(shè)定W1處理的水肥供應(yīng)模式，由于昆明整體空氣濕度和土壤含水率均明顯低于日本，W2 處理和W3 處理的水肥供應(yīng)量分別設(shè)定為W1 處理的1.65 倍和2.30 倍，W4處理采用與W2 處理相同的供水模式進(jìn)行栽培；W5處理為傳統(tǒng)栽培方式（人工撒施+滴灌），具體水肥供應(yīng)計(jì)劃見(jiàn)表1。

表1 菠菜栽培不同水肥處理方案Table 1 Different water and fertilizer methods for spinach cultivation

單株供水設(shè)定：W1 處理10 d 前太陽(yáng)輻射量每累積6 MJ/m2灌溉4 mL，10 d 后太陽(yáng)輻射量每累積5 MJ/m2灌溉6 mL；W2 處理10 d 前太陽(yáng)輻射量每累積5 MJ/m2灌溉5.5 mL，10 d 后太陽(yáng)輻射量每累積3 MJ/m2灌溉6 mL；W3 處理10 d 前太陽(yáng)輻射量每累積4 MJ/m2灌溉6 mL，10 d后太陽(yáng)輻射量每累積2 MJ/m2灌溉5.5 mL；W4 處理與W2 處理相同，每隔5 d 手動(dòng)調(diào)整灌溉誤差。W5 處理根據(jù)氣候及菠菜生長(zhǎng)情況分5 次使用滴灌進(jìn)行供水，總計(jì)660 mL。

施肥設(shè)定：W1、W2 處理和W3 處理采用電導(dǎo)度值（Electrical Conductivity，EC）為1.5 dS/m 的園試營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行栽培，肥料溶解于水中以滴灌方式施用；W4 處理為不施肥處理；W5 處理在處理開(kāi)始后按照750 kg/hm2的施肥量施用復(fù)合肥（ω（N）∶ω（P2O5）∶ω（K2O）=15∶15∶15）（6 個(gè)重復(fù)共計(jì)用地12 m2，施用900 g 復(fù)合肥，其中氮肥施用量為135 g）。

菠菜栽培期間太陽(yáng)輻射量累積量見(jiàn)圖2，菠菜生長(zhǎng)25 d 太陽(yáng)輻射量累積量為367.46 MJ/m2時(shí)收獲并進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)量，取樣時(shí)每小區(qū)隨機(jī)選擇10 株進(jìn)行調(diào)查。

圖2 菠菜栽培期間太陽(yáng)輻射量累積量Fig.2 Accumulation of solar radiation during spinach cultivation

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

株高：測(cè)量從莖基部到頂部之間的距離。

單株質(zhì)量：?jiǎn)沃曩|(zhì)量=小區(qū)總質(zhì)量/小區(qū)株數(shù)。

產(chǎn)量：根據(jù)單株質(zhì)量，按照每個(gè)溫室（220 m2）栽培3 168 株菠菜，每公頃搭建42 個(gè)溫室計(jì)算得出。

葉綠素量：用葉綠素計(jì)SPAD-502PLUS，Konica Minolta 測(cè)量最新一片完全展開(kāi)葉，結(jié)果取平均值。

硝酸鹽量：08:00—10:00 采樣，用RQflex plus 10（Merck，Darmstadt，Germany）進(jìn)行測(cè)量[11,16]。

維生素C 量：08:00—10:00 采樣，用RQflex plus 10（Merck，Darmstadt，Germany）進(jìn)行測(cè)量[17]。

肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率：肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率=（施肥區(qū)產(chǎn)量-不施肥區(qū)產(chǎn)量）/施肥區(qū)產(chǎn)量×100[19]。

灌溉水生產(chǎn)效率：灌溉水生產(chǎn)效率=產(chǎn)量/灌水量[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0 軟件及Excel 2003 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用Duncan 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉施肥方式對(duì)菠菜生物量的影響

表2 為不同灌溉施肥方式對(duì)菠菜生物量的影響。由表2 可知，W1 處理的單株質(zhì)量、產(chǎn)量和株高是所有處理中最低的，分別為113.58 g、15 113 kg/hm2和32.02 cm，W1 處理單株質(zhì)量、產(chǎn)量和株高與W2 處理和W3 處理均存在顯著差異，因此根據(jù)文獻(xiàn)[11]試驗(yàn)結(jié)果得出的W1 處理水肥供應(yīng)量明顯不足。W4 處理的單株質(zhì)量、產(chǎn)量和株高與W2 處理間差異顯著，表明在供水量相同的情況下，僅靠土壤自身養(yǎng)分無(wú)法滿足菠菜生長(zhǎng)。W2 處理和W3 處理的單株質(zhì)量、產(chǎn)量和株高均無(wú)顯著差異。由此可見(jiàn)，W3 處理盡管增加了水肥供應(yīng)但不能較W2 處理顯著提升產(chǎn)量。因此W2 處理是在昆明地區(qū)使用太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀獲得菠菜高產(chǎn)的最優(yōu)灌溉方案。W5 處理的常規(guī)栽培方式的單株質(zhì)量、產(chǎn)量和株高均比W2 處理低，但處理間差異不顯著。

表2 灌溉施肥方式對(duì)菠菜生物量的影響Table 2 Effect of irrigation and fertilization methods on spinach biomass

2.2 不同灌溉施肥方式對(duì)菠菜品質(zhì)的影響

表3 為不同灌溉施肥方式對(duì)菠菜品質(zhì)的影響。由表3 可知，所有處理中不施肥的W4 處理的菠菜葉片硝酸鹽量最低為458.62 mg/kg，與其他處理相比差異顯著。W1、W2 處理和W3 處理中菠菜葉片硝酸鹽量最高的是W3 處理，為735.47 mg/kg，與W2 處理硝酸鹽量差異顯著。W1 處理施肥量最低卻與W2、W3處理之間葉片硝酸鹽量差異不顯著，可能土壤含水率會(huì)限制植物體內(nèi)硝酸鹽的轉(zhuǎn)移和下降，當(dāng)植物處于水脅迫狀態(tài)下，在影響其生長(zhǎng)的同時(shí)體內(nèi)硝酸鹽量反而會(huì)增加，張金秀[21]的研究也得到了相同的結(jié)論。W5處理的菠菜葉片硝酸鹽量在所有處理中最高，約為W2 處理的2 倍，相較其他處理差異顯著。

表3 灌溉施肥方式對(duì)菠菜品質(zhì)的影響Table 3 Effect of irrigation and fertilization on spinach quality

不同水肥處理對(duì)菠菜葉片維生素C 量沒(méi)有顯著影響，最高的是W5 處理的66.31 mg/100 g，最低的是W4 處理的55.49 mg/100 g。SPAD值方面，最高的W5 處理為69.10，最低的為W2 處理的60.75，2 個(gè)處理間存在顯著差異。由表3 可知，不同灌溉施肥方式對(duì)菠菜葉片維生素C 量無(wú)影響，對(duì)葉片硝酸鹽量造成影響，在水分供應(yīng)充足的情況下，氮肥施用量和植物體內(nèi)硝酸鹽量正相關(guān)。5 種灌溉施肥方式栽培的菠菜葉片硝酸鹽量均遠(yuǎn)低于歐盟的硝酸鹽殘留限量標(biāo)準(zhǔn)（新鮮菠菜硝酸鹽量≤3 500 mg/kg，冷凍加工菠菜≤2 000 mg/kg）[22]，其中葉片硝酸鹽量最低的是W2 處理和不施用肥料栽培的W4 處理。

2.3 水肥用量對(duì)灌溉水生產(chǎn)效率和肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的影響

表4 為水肥用量對(duì)灌溉水生產(chǎn)效率和肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的影響。由表4 可知，W1、W2 處理和W3 處理的供水量分別約為W5 處理的50%、80%和110%，而W1、W2 處理和W3 處理的灌溉水生產(chǎn)效率分別約為W5 處理的1.9、1.4 倍和1.1 倍。由此可知使用太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀栽培菠菜時(shí)，增加灌水量反而會(huì)降低灌溉水生產(chǎn)效率，與傳統(tǒng)栽培方式相比，使用太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀栽培菠菜能顯著提高灌溉水生產(chǎn)效率。W1 處理和W3 處理的水肥供應(yīng)量分別為W2 處理的0.6 倍和1.4 倍，灌溉水生產(chǎn)效率隨著灌水量的增加而下降。由于W1 處理的產(chǎn)量低于W4 處理（無(wú)水肥處理）產(chǎn)量（表2），故W1 處理氮肥農(nóng)學(xué)利用率為負(fù)，依據(jù)從相似灌溉模式下W2 處理和W3處理的數(shù)據(jù)可知，供水量與肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率呈正相關(guān)，推斷W1 處理出現(xiàn)產(chǎn)量低于W4 處理是由于供水量不足引起的，因此肥料在供水量不足的情況下對(duì)產(chǎn)量無(wú)貢獻(xiàn)。W5 處理的施肥量為W2 處理的9 倍，而灌溉水生產(chǎn)效率是所有處理里最低的且肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率低于W2 處理和W3 處理，由此可見(jiàn)傳統(tǒng)的栽培方式氮肥施用量過(guò)高而貢獻(xiàn)率極低。

表4 水肥用量對(duì)灌溉水生產(chǎn)效率和肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的影響Table 4 Effect of water and fertilizer dose on the efficiency of irrigated water and the contribution of fertilizer yield

2.4 不同灌溉施肥方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

表5 為不同灌溉施肥方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響。由表5 可知，栽培后土壤量均有所降低，在5個(gè)處理中，W1 處理和W4 處理栽培后土壤中量最低，分別是48 mg/kg 和33 mg/kg，施肥量最高的W5 處理栽培后土壤量最高，達(dá)到193 mg/kg。栽培前大棚內(nèi)土壤EC值為1.0 dS/m，栽培后最高的為W5 處理的0.7 dS/m 和W3 處理的0.6 dS/m，其他處理均為0.4 dS/m。各處理栽培后的土壤量與施肥量正相關(guān)，而栽培后的土壤EC值在施肥量大于W2 處理時(shí)持續(xù)上升，小于或等于W2 處理時(shí)則穩(wěn)定在0.4 dS/m。因此采用合理的水肥供應(yīng)方式，能夠有效降低土壤量和EC值。

表5 灌溉施肥方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Table 5 Effect of irrigation and fertilization on the nutrient content of soil

3 討 論

本研究表明，使用太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀栽培菠菜時(shí)，當(dāng)水肥供應(yīng)量小于等于W2 處理時(shí)產(chǎn)量隨著水肥供應(yīng)量的增加而增加，過(guò)量供應(yīng)水肥并不能增加菠菜產(chǎn)量。張金秀[21]在菠菜上和周亞婷等[23]在結(jié)球甘藍(lán)上的研究結(jié)果均顯示產(chǎn)量與施肥量正相關(guān)，過(guò)量施肥會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，這與本研究不完全一致?？赡苁怯捎诒狙芯康视昧孔罡叩腤5 處理的56.25 kg/hm2氮肥施用量明顯低于上述研究的高肥處理區(qū)，雖然不能顯著提高菠菜產(chǎn)量但并沒(méi)有達(dá)到抑制菠菜生長(zhǎng)的施用量。低肥W1 處理的產(chǎn)量較不施肥W4 處理無(wú)顯著增加，可以考慮由于W1 處理35.42 t/hm2的低供水量造成水分虧缺影響了菠菜對(duì)肥料的吸收利用，這與周德霞[24]在萵苣上的研究一致。由于菠菜對(duì)供水量更為敏感，水分虧缺時(shí)其產(chǎn)量降低且增加氮肥供應(yīng)量對(duì)增產(chǎn)沒(méi)有效果[21]。灌水量和頻率是影響蔬菜產(chǎn)量的重要因素，大田栽培黃瓜時(shí)以6 d 為灌溉間隔能有效實(shí)現(xiàn)黃瓜節(jié)水增產(chǎn)的目的[25]。郭仁松等[26]認(rèn)為適中的灌溉頻次能有效促進(jìn)棉花生殖生長(zhǎng)，增加籽棉產(chǎn)量并提高水分利用效率。本試驗(yàn)中，相較于傳統(tǒng)水肥栽培方式W5 處理，通過(guò)太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀進(jìn)行栽培的W2 處理和W3 處理，增加了菠菜產(chǎn)量的同時(shí)減少了水肥供應(yīng)量，提高了灌溉水生產(chǎn)效率和肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率。這證明使用太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀進(jìn)行蔬菜水肥管理的栽培技術(shù)，是一種減肥節(jié)水增產(chǎn)的有效措施。

周亞婷等[23]研究表明，適度水分脅迫能增加結(jié)球甘藍(lán)的維生素C 量，張金秀[21]研究表明，供水量過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)降低菠菜的維生素C 量。本研究W1處理和W4 處理的維生素C 量較其他處理偏低，各處理間沒(méi)有顯著差異，這與上述研究不一致?？赡苁怯捎诒狙芯康墓┧可舷孪薏](méi)有造成嚴(yán)重干旱脅迫或過(guò)度灌溉的情況，此外樣品間方差較大可能也對(duì)結(jié)果造成一定影響。W5 處理葉綠素量最高，且W2 和W5 處理間差異顯著，說(shuō)明增加氮肥供應(yīng)量能夠提高菠菜葉綠素量，這與劉丹[27]與田建柯[28]在番茄和玉米中的研究結(jié)果一致，且菠菜施用過(guò)量氮肥比施用適度氮肥處理的葉綠素量提高了18.6%[21]。使用太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀栽培的處理間葉綠素量差異不顯著可能是由于各處理氮肥施用量的差異沒(méi)有大到對(duì)葉綠素量造成影響，而使用SPAD-502PLUS 測(cè)量葉綠素量時(shí)對(duì)葉片測(cè)量位置的選擇可能也對(duì)結(jié)果造成一定影響。菠菜硝酸鹽量和栽培后土壤中殘留量均隨氮肥供應(yīng)量的增加而增加，這與前人研究[21,29-31]結(jié)果一致。W2 處理與W3 處理產(chǎn)量差異不顯著，W2處理的菠菜硝酸鹽量和栽培后土壤中殘留量均顯著低于W3 處理，這表明施入土壤中的氮肥大多被植物吸收，而植物吸收的氮也大多轉(zhuǎn)化為有機(jī)物而非硝酸鹽。硝酸鹽在植物中可作為一種滲透壓調(diào)節(jié)劑儲(chǔ)存在植物液泡中，當(dāng)植物遭受滲透脅迫時(shí)明顯積累[32]。W5 處理土壤中的氮肥量和菠菜葉片中硝酸鹽量過(guò)高，產(chǎn)量卻低于W2 處理和W3 處理，表明了過(guò)量且不科學(xué)的施肥方式對(duì)產(chǎn)量沒(méi)有貢獻(xiàn)還增加硝酸鹽在植物體內(nèi)的積累，同時(shí)無(wú)法被植物吸收的養(yǎng)分則殘留于土壤中對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。本研究栽培后土壤的EC值也驗(yàn)證了這一想法，不合理的施肥方式會(huì)使土壤電導(dǎo)率增加，引起鹽分積累最終對(duì)植物生長(zhǎng)造成不利影響[21,24]。

4 結(jié) 論

1）使用太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀栽培菠菜實(shí)現(xiàn)了水肥自動(dòng)化管理，能減少水肥供應(yīng)量且有效提高灌溉水生產(chǎn)效率和肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率，是一種減肥增產(chǎn)的有效措施。

2）當(dāng)使用太陽(yáng)輻射量灌溉控制儀進(jìn)行菠菜栽培時(shí)，使用W2 處理的水肥供應(yīng)方案能夠較好滿足栽培期菠菜水肥需求且顯著降低其食用部位的硝酸鹽量。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）