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2023 年 6 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 6 期 Jun 2023 Journal of Irrigation and Drainage No 6 Vol 42 19 文章编号 1672 3317 2023 06 0019 06 不同水肥供应量及施用方式对菠菜产量和品质的影响 袁 艺 龙荣华 陶 婧 汪 骞 李石开 云南省农业科学院 园艺作物研究所 昆明 650205 摘 要 目的 针对蔬菜生产中水肥过量供应造成水肥利用率过低且污染环境的问题 以菠菜为材料 研究使用 太阳辐射量灌溉控制仪进行水肥管理时 不同水肥供应量对菠菜产量及品质的影响 以期为高效生产优质叶菜类蔬 菜的水肥供应 方式 及供应量提供理论依据与技术支撑 方法 试验使用太阳辐射量灌溉控制仪进行水肥管理 当 太阳辐射量累积值达到设定阈值时会进行定量灌溉 通过该仪器设置 4 个处理 W1 处理低水肥 W2 处理中水肥 W3 处理高水肥 W4 处理中水无肥 和对照 W5 处理 传统栽培 共 5 个处理 研究不同水肥量及水肥施用方式对 菠菜产量和品质的影响 结果 W5 处理 的株高和产量都低于 W2 处理 和 W3 处理 硝酸盐量 栽培后土壤中 NO3 N 量和土壤 EC值在所有处理中最高 W1 处理 和 W4 处理 的株高及产量在所有处理中最低 其中 W4 处理 的硝酸盐量 栽培后土壤中 NO3 N量和土壤 EC值在所有处理中最低 W2 处理和 W3处理 的株高和产量都是所有处理中最高的 W2 处理和 W3 处理 之间的株高和产量差异不显著 而 W3 处理的水肥供应量是 W2 处理 的 1 4 倍 且 W3 处理 叶片 内硝酸盐量是 W2 处理 的 1 4 倍且差异显著 结论 使 用 太阳辐射量灌溉控制仪进行菠菜栽培时 水肥供应方案 以 W2 处理为宜 关 键 词 菠菜 水肥供应量 灌溉方式 水肥一体化 硝酸盐量 中图分类号 S274 2 文献标志码 A doi 10 13522 ki ggps 2022476 OSID 袁艺 龙荣华 陶婧 等 不同水肥供应量及施用方式对菠菜产量和品质的影响 J 灌溉排水学报 2023 42 6 19 24 YUAN Yi LONG Ronghua TAO Jing et al Effect of Amount and Method of Irrigation and Fertilization on Yield and Quality of Spinach J Journal of Irrigation and Drainage 2023 42 6 19 24 0 引 言 研究意义 水肥供应是影响蔬菜品质和产量的 重要因素之一 为追求短期效益过量供应水肥造成水 肥利用率过低已成为实际生产中普遍存在的问题 1 2 漫灌作为传统灌溉方式耗水量大且易引起淋溶损失 并对地下水造成污染 2 因此科学的水肥管理对降低 农业面源污染和农业可持续发展具有重大意义 研 究进展 蔬菜作为喜肥作物 氮素在其产量和品质方 面起到关键作用 据调查 目前温室栽培施氮量远超 蔬菜实际需求量 过量施氮肥不仅无法提高产量 而 且容易引起蔬菜硝酸盐量过高 造成土壤盐渍化和地 下水污染等环境问题 3 5 水肥一体化技术是将施肥 与灌溉相结合 通过提高水肥利用率达到节水省肥增 收的农业新技术 能有效提高水肥利用率 被广泛利 用于蔬菜和花卉生产中 6 8 目前我国水肥一体化生 产栽培中存在控制设备自动化程度低 精准智能化水 肥调控系统基本依赖进口和设备成本过高且实用性 低等问题 9 10 切入点 基于太阳辐射量和植物光 收稿日期 2022 08 29 修回日期 202 3 03 07 网络出版日期 2023 05 05 基金项目 云南省科技厅重大专项 202102AE90005 云南省陆良县蔬 菜科技特派团 项目 202104BI090006 作者简介 袁艺 1986 女 副研究员 硕士 主要从事设施栽培及 育种研究 E mail lareine 1213 通信作者 李石开 1968 男 研究员 本科 主要从事蔬菜栽培及 育种研究 E mail lishikai 灌溉排水学报 编辑部 开放获取 CC BY NC ND 协议 合作用之间的紧密关联 21 世纪日本千叶大学提出 一种以太阳辐射累积量为基准结合水肥一体化的新 型灌溉施肥模式 11 与传统水肥一体化栽培方式相比 这种新型灌溉施肥模式选择了环境因子中对产量影 响最大的太阳辐射量为关键环境因子 以太阳辐射量 为基准 对植物的水肥供应量和水肥供应频率进行控 制 能够灵活应对气候的变化并根据植物对水肥的实 际需求进行科学的水肥供应 实现蔬菜栽培自动水肥 的精准供应 12 15 该技术具有操作省力 资源节约 环境友好和高产高效等特点 符合现代设施农业的发 展要求且在我国具有广阔应用前景 该栽培模式目前 在国内尚未见报道 这种把太阳辐射量与水肥一体化 相结合的新型灌溉施肥技术的关键点是确定太阳辐 射累积量与植物水肥需求之间的关系 拟解决的关 键问题 本研究拟在温室土壤栽培环境下 以菠菜为 材料 研究太阳辐射量灌溉控制仪进行水肥管理时 不同水肥供应量对菠菜品质及产量的影响 以期为高 效生产优质叶菜类蔬菜的水肥供应 方式 及供应量提 供理论依据与技术支撑 1 材料与方法 1 1 试验材料 供试菠菜品种为四季大叶菠菜 营养液配方选用 灌溉排水学报 20 日本园试营养液 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 公司的太阳 辐射量灌溉控制仪 SWCS 100 进行水肥供应管理 其原理如图 1 所示 控制仪以每秒为单位对太阳辐射 量进行测量累积 当太阳辐射量累积值到达设定的阈 值 SV 时 会按照已设定的灌水持续时间进行 1 次 灌水 每次太阳辐射量累积值到达阈值 SV 后将清 零后再次累积 1 2 试验方法 试验于 2018 年 4 月在云南省昆明市团结乡试验 基地塑料大棚内进行 播种前将菠菜种子浸种 24 h 后 用潮湿纱布包裹后放入 30 恒温箱催芽 每穴 播种 3 粒 行距和株距均为 15 cm 每小区 4 行共计 44 株 试验共设 5 个处理 每个处理 6 次重复 共 计 30 个小区 随机区组排列 本试验将菠菜生长划 分为 2 个阶段 0 10 d 为幼苗期 11 25 d 为生长期 其中 W1 处理 低水肥 W2 处理 中水肥 W3 处理 高水肥 W4 处理 中水无肥 使用太阳辐 射量灌溉控制仪进行水肥供应管理 W1 W2 处理 和 W3 处理 使用日本园试营养液进行灌溉 W4 处理使 用井水灌溉 参考 Shinohara 等 11 试验结果设定 W1 处理的水肥供应模式 由于昆明整体空气湿度和土壤 含水率均明显低于日本 W2 处理 和 W3 处理的水肥 供应量分别设定为 W1 处理 的 1 65 倍和 2 30 倍 W4 处理采用与 W2 处理相同的供水模式进行栽培 W5 处理为传统栽培方式 人工撒施 滴灌 具体水肥 供应计划见表 1 图 1 太阳辐射量灌溉控制仪原理 Fig 1 Principle of the solar radiance irrigation controller 表 1 菠菜栽培不同水肥处理方案 Table 1 Different water and fertilizer methods for spinach cultivation 处理 生长 阶段 太阳辐射量 累积 MJ m 2 时间 d 单株供水 次数 次 单株单次 供水量 mL 单株供水 总 量 mL 单株氮 肥 施用次数 次 单株单次氮 肥 施用量 mg 单株氮 肥 施用 总 量 mg W1 幼苗期 0 163 10 23 4 0 320 23 12 9 45 080 生长期 164 368 15 38 6 0 38 31 9 W2 幼苗期 0 163 10 28 5 5 530 28 21 6 74 242 生长期 164 368 15 63 6 0 63 52 9 W3 幼苗期 0 163 10 35 6 0 740 35 29 4 103 404 生长期 164 368 15 97 5 5 97 74 6 W4 幼苗期 0 163 10 28 5 5 530 0 0 生长期 164 368 15 63 6 0 W5 幼苗期 0 163 10 5 132 0 660 1 511 4 511 4 生长期 164 368 15 单株 供水设定 W1 处理 10 d 前太阳辐射量每累 积 6 MJ m2灌溉 4 mL 10 d 后太阳辐射量每累积 5 MJ m2灌溉 6 mL W2 处理 10 d 前太阳辐射量每累积 5 MJ m2 灌溉 5 5 mL 10 d 后太阳辐射量每累积 3 MJ m2灌溉 6 mL W3 处理 10 d 前太阳辐射量每累积 4 MJ m2灌溉 6 mL 10 d后太阳辐射量每累积 2 MJ m2 灌溉 5 5 mL W4 处理 与 W2 处理 相同 每隔 5 d 手 动调整灌溉误差 W5 处理 根据气候及菠菜生长情况 分 5 次使用滴灌进行供水 总计 660 mL 施肥设定 W1 W2 处理 和 W3 处理采用电导度 值 Electrical Conductivity EC 为 1 5 dS m 的 园试 营养液进行栽培 肥料溶解于水中以滴灌方式施用 W4 处理 为不施肥处理 W5 处理 在处理开始后按照 750 kg hm2的施肥量施用复合肥 N P2O5 K2O 15 15 15 6 个重复共计用地 12 m2 施用 900 g 复合肥 其中氮肥施用量为 135 g 菠菜栽培期间太阳辐射量累积量见图 2 菠菜生 长 25 d 太阳辐射量累积量为 367 46 MJ m2时收获并 进行生理指标测量 取样时每小区随机选择 10 株进 行调查 图 2 菠菜栽培期间太阳辐射量累积量 Fig 2 Accumulation of solar radiation during spinach cultivation 0 50 100 150 200 250 300 350 400 04 16 04 18 04 20 04 22 04 24 04 26 04 28 04 30 05 02 05 04 05 06 05 08 05 10 太阳辐射 累积 量 M J m 2 日期 袁 艺 等 不同水肥供应量及施用方式对菠菜产量和品质的影响 21 1 3 测定项目及方法 株高 测量从茎基部到顶部之间的距离 单株 质量 单株质量 小区总质量 小区株数 产量 根据单株质量 按照每个温室 220 m2 栽培 3 168 株菠菜 每公顷搭建 42 个温室计算得出 叶绿素量 用叶绿素计 SPAD 502PLUS Konica Minolta 测量最新一片完全展开叶 结果取平均值 硝酸盐量 08 00 10 00 采样 用 RQflex plus 10 Merck Darmstadt Germany 进行测量 11 16 维生素 C量 08 00 10 00采样 用 RQflex plus 10 Merck Darmstadt Germany 进行测量 17 土壤 NO3 N 量 选取 10 cm 剖面土壤 105 烘干 24 h 将其过筛后重悬于蒸馏水中 离心取上清 液 用 RQflex plus 10 Merck Darmstadt Germany 进行测量 18 肥料产量贡献率 肥料产量贡献率 施肥区产 量 不施肥区产量 施肥区产量 100 19 灌溉水生产效率 灌溉水生产效率 产量 灌水 量 20 1 4 数据处理 采用 SPSS 19 0 软件及 Excel 2003 软件对试验数 据进行统计分析 并利用 Duncan 法进行多重比较 2 结果与分析 2 1 不同灌溉施肥方式对菠菜生物量的影响 表 2 为不同灌溉施肥方式对菠菜生物量的影响 由表 2 可知 W1 处理的单株质量 产量和株高是所 有处理中最低的 分别为 113 58 g 15 113 kg hm2和 32 02 cm W1 处理单株质量 产量和株高与 W2 处 理 和 W3 处理 均存在显著差异 因此根据文献 11 试 验结果得出的 W1 处理水肥供应量明显不足 W4 处 理 的单株 质量 产量和株高与 W2 处理间差异显著 表明在供水量相同的情况下 仅靠土壤自身养分 无法 满足菠菜生长 W2 处理和 W3 处理 的单株质量 产 量和株高均无显著 差异 由此可见 W3 处理尽管增 加了水肥供应但不能较 W2 处理显著提升产量 因此 W2 处理是在昆明地区使用太阳辐射量灌溉控制仪获 得 菠菜高产的最优灌溉方案 W5 处理的常规栽培方 式 的单株 质量 产量和株高均比 W2 处理低 但处理 间差异不显著 2 2 不同灌溉施肥方式对菠菜品质的影响 表 3 为不同灌溉施肥方式对菠菜品质的影响 由 表 3 可知 所有处理中不施肥的 W4 处理的菠菜叶片 硝酸盐量最低为 458 62 mg kg 与其他处理相比差异 显著 W1 W2 处理 和 W3 处理中菠菜叶片硝酸盐量 最高的是 W3 处理 为 735 47 mg kg 与 W2 处理硝 酸盐量差异显著 W1 处理施肥量最低却与 W2 W3 处理之间叶片硝酸盐量差异不显著 可能土壤含水率 会限制植物体内硝酸盐的转移和下降 当植物处于水 胁迫状态下 在影响其生长的同时体内硝酸盐量反而 会增加 张金秀 21 的研究也得到了相同的结论 W5 处理 的菠菜叶片硝酸盐量在所有处理中最高 约为 W2 处理的 2 倍 相较其他处理差异显著 表 2 灌溉施肥方式对菠菜生物量的影响 Table 2 Effect of irrigation and fertilization methods on spinach biomass 处理 单株 质量 g 产量 kg hm 2 株高 cm W1 113 58 18 93c 15 113 2 789c 32 02 3 07d W2 144 33 13 58ab 19 204 1 662ab 40 12 4 97ab W3 150 64 24 71a 20 043 3 264a 43 38 4 72a W4 118 42 13 43c 15 756 1 480c 34 49 1 32cd W5 126 26 20 04bc 16 800 2 285bc 36 65 2 74bc 注 按照 1 hm2的温室栽培 133 056 株计算 表 3 灌溉施肥方式对菠菜品质的影响 Table 3 Effect of irrigation and fertilization on spinach quality 处理 叶片硝酸盐量 mg kg 1 叶片维生素 C 量 mg 100g 1 SPAD值 W1 647 42 203 27bc 50 91 6 73a 67 63 11 13ab W2 519 71 129 72c 64 31 15 20a 60 75 4 47b W3 735 47 102 18b 62 37 21 24a 65 18 2 73ab W4 458 62 90 09d 55 49 8 55a 65 47 4 99ab W5 978 49 111 31a 66 31 8 03a 69 10 2 55a 不同水肥处理对菠菜叶片维生素 C 量没有显著影 响 最高的是 W5 处理 的 66 31 mg 100 g 最低的是 W4 处理 的 55 49 mg 100 g SPAD 值 方面 最高的 W5 处理 为 69 10 最低的为 W2 处理的 60 75 2 个 处理间存在显著差异 由表 3 可知 不同灌溉施肥方 式对菠菜叶片维生素 C 量无影响 对叶片硝酸盐量造 成影响 在水分供应充足的情况下 氮肥施用量和植 物体内硝酸盐量正相关 5 种灌溉施肥方式栽培的菠 菜叶片硝酸盐量均远低于欧盟的硝酸盐残留限量标 准 新鲜菠菜硝酸盐量 3 500 mg kg 冷冻加工菠 菜 2 000 mg kg 22 其中叶片硝酸盐量最低的是 W2 处理和不施用肥料栽培的 W4 处理 2 3 水肥用量对灌溉水生产效率和肥料产量贡献率 的影响 表 4 为水肥用量对灌溉水生产效率和肥料产量 贡献率的影响 由表 4 可知 W1 W2 处理和 W3 处 理的供水量分别约为 W5处理的 50 80 和 110 而 W1 W2 处理和 W3 处理的灌溉水生产效率分别 约为 W5 处理 的 1 9 1 4 倍和 1 1 倍 由此可知使用 太阳辐射量灌溉控制仪栽培菠菜时 增加灌水量反而 会降低灌溉水生产效率 与传统栽培方式相比 使用 太阳辐射量灌溉控制仪栽培菠菜能显著提高灌溉水 生产效率 W1 处理和 W3 处理 的水肥供应量分别为 灌溉排水学报 22 W2 处理 的 0 6 倍和 1 4 倍 灌溉水生产效率随着灌水 量的增加而下降 由于 W1 处理的产量低于 W4 处理 无水肥处理 产量 表 2 故 W1 处理氮肥农学 利用率为负 依据从相似灌溉模式下 W2 处理 和 W3 处理的数据可知 供水量与肥料产量贡献率呈正相关 推断 W1处理出现产量低于 W4处理是由于供水量不 足引起的 因此肥料在供水量不足的情况下对产量无 贡献 W5 处理的施肥量为 W2 处理 的 9 倍 而灌溉 水生产效率是所有处理里最低的且肥料产量贡献率 低于 W2 处理 和 W3 处理 由此可见传统的栽培 方式 氮肥施用量过高而贡献率极低 表 4 水肥用量对灌溉水生产效率和肥料产量贡献率的影响 Table 4 Effect of water and fertilizer dose on the efficiency of irrigated water and the contribution of fertilizer yield 处理 供水量 t hm 2 灌溉水生产效率 kg m 3 氮 施用量 kg hm 2 肥料产量 贡献率 W1 35 42 426 67 4 96 4 25 W2 58 33 329 22 8 17 17 95 W3 81 25 246 68 11 38 21 39 W4 58 33 270 11 W5 72 92 230 39 56 25 6 22 2 4 不同灌溉施肥方式对土壤养分的影响 表 5 为不同灌溉施肥方式对土壤养分的影响 由 表 5 可知 栽培后土壤 NO3 N 量均有所降低 在 5 个处理中 W1 处理和 W4 处理栽培后土壤中 NO3 N 量最低 分别是 48 mg kg 和 33 mg kg 施肥量最高的 W5 处理栽培后土壤 NO3 N 量最高 达到 193 mg kg 栽培前大棚内土壤 EC值为 1 0 dS m 栽培后最高的 为 W5 处理的 0 7 dS m 和 W3 处理 的 0 6 dS m 其他 处理均为 0 4 dS m 各处理栽培后的土壤 NO3 N 量 与施肥量正相关 而栽培后的土壤 EC值在施肥量大 于 W2 处理时持续上升 小于或等于 W2 处理时则稳 定在 0 4 dS m 因此采用合理的水肥供应方式 能够 有效降低土壤 NO3 N 量 和 EC值 表 5 灌溉施肥方式对土壤养分的影响 Table 5 Effect of irrigation and fertilization on the nutrient content of soil 处理 NO3 N 量 mg kg 1 EC值 dS m 1 栽培前 栽培后 减少量 栽培前 栽培后 减少量 W1 233 48 17 84d 185a 1 0 4b 0 6a W2 124 12 96c 109b 0 4b 0 6a W3 160 28 66b 73c 0 6a 0 4b W4 33 13 54d 200a 0 4b 0 6a W5 193 47 10a 40d 0 7a 0 3b 3 讨 论 本研究表明 使用太阳辐射量灌溉控制仪栽培菠 菜时 当水肥供应量小于等于 W2 处理时产量随着水 肥供应量的增加而增加 过量供应水肥并不能增加菠 菜产量 张金秀 21 在菠菜上和周亚婷等 23 在结球甘蓝 上的研究结果均显示产量与施肥量正相关 过量施肥 会抑制植物生长 这与本研究不完全一致 可能是由 于本 研究 氮肥用量最高的 W5 处理的 56 25 kg hm2氮 肥施用量明显低于上述研究的高肥处理区 虽然 不能 显著提高菠菜产量但并没有达到抑制菠菜生长的施 用量 低肥 W1 处理 的产量较不施肥 W4 处理无显著 增加 可以考虑由于 W1 处理 35 42 t hm2的 低 供水量 造成水分亏缺影响了菠菜对肥料的吸收利用 这与周 德霞 24 在莴苣上的研究一致 由于菠菜对供水量更为 敏感 水分亏缺时其产量降低且增加氮肥供应量对增 产没有效果 21 灌水量和频率是影响蔬菜产量的重要 因素 大田栽培黄瓜时以 6 d 为灌溉间隔能有效实现 黄瓜节水增产的目的 25 郭仁松等 26 认为适中的灌溉 频次能有效促进棉花生殖生长 增加籽棉产量并提高 水分利用效率 本试验中 相较于传统水肥栽培方式 W5 处理 通过太阳辐射量灌溉控制仪进行栽培的 W2 处理 和 W3 处理 增加了菠菜产量的同时减少了 水肥供应量 提高了灌溉水生产效率和肥料产量贡献 率 这证明使用太阳辐射量灌溉控制仪进行蔬菜水肥 管理的栽培技术 是一种减肥节水增产的有效措施 周亚婷等 23 研究 表明 适度水分胁迫能增加结球 甘蓝的维生素 C 量 张金秀 21 研究表明 供水量过 高或者过低都会降低菠菜的维生素 C 量 本研究 W1 处理和 W4 处理的维生素 C 量较其他处理偏低 各处 理间没有显著差异 这与上述研究不一致 可能是由 于本研究的供水量上下限并没有造成严重干旱胁迫 或过度灌溉的情况 此外样品间方差较大可能也对结 果造成一定影响 W5 处理叶绿素量最高 且 W2 和 W5 处理间差异显著 说明增加氮肥供应量能够提高 菠菜叶绿素量 这与刘丹 27 与田建柯 28 在番茄和玉米 中的研究结果一致 且菠菜施用过量氮肥比施用适度 氮肥处理的叶绿素量提高了 18 6 21 使用太阳辐射 量灌溉控制仪栽培的处理间叶绿素量差异不显著可 能是由于各处理氮肥施用量的差异没有大到对 叶绿 素量造成影响 而使用 SPAD 502PLUS 测量叶绿素 量时 对叶片测量位置 的选择 可能也对结果造成一定 影响 菠菜硝酸盐量和栽培后土壤中 NO3 N 残留量 均随氮肥供应量的增加而增加 这与前人研究 21 29 31 结果一致 W2 处理与 W3 处理产量差异不显著 W2 处理的菠菜硝酸盐量和栽培后土壤中 NO3 N 残留量 均显著低于 W3 处理 这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转化为有机物而 非硝酸盐 硝酸盐在植物中可作为一种渗透压调节 剂储存在植物液泡中 当植物遭受渗透胁迫时明显 积累 32 W5 处理土壤中的氮肥量和菠菜叶片中硝酸 盐量过高 产量却低于 W2 处理和 W3 处理 表明了 袁 艺 等 不同水肥供应量及施用方式对菠菜产量和品质的影响 23 过量且不科学的施肥方式对产量没有贡献还增加硝 酸盐在植物体内的积累 同时无法被植物吸收的养分 则残留于土壤中对环境造成负面影响 本研究栽培后 土壤的 EC值也验证了这一想法 不合理的施肥方式 会使土壤电导率增加 引起盐分积累最终对植物生长 造成不利影响 21 24 4 结 论 1 使用太阳辐射量灌溉控制仪栽培菠菜实现了 水肥自动化管理 能减少水肥供应量且有效提高灌溉 水生产效率和肥料产量贡献率 是一种减肥增产的有 效措施 2 当使用太阳辐射量灌溉控制仪进行菠菜栽培 时 使用 W2处理的水肥供应方案能够较好满足栽培 期菠菜水肥需求且显著降低其食用部位的硝酸盐量 作者声明本文无实际或潜在的利益冲突 参考文献 1 周婷 日光温室蔬菜施肥现状及减肥潜力研究 D 杨凌 西北农林 科技大学 2017 ZHOU Ting Status of fertilization and potential to reduce fertilizer surplus in solar greenhouse vegetable fields D Yangling Northwest A availability of water and fertilizer irrigation methods water and fertilizer integration nitrate content 责任编辑 赵宇龙