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）
【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。
1.1 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。
图1 太阳辐射量灌溉控制仪原理Fig.1 Principle of the solar-radiance-irrigation controller
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。
表1 菠菜栽培不同水肥处理方案Table 1 Different water and fertilizer methods for spinach cultivation
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（ω（N）∶ω（P2O5）∶ω（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
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]。
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。
2.1 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。
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
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
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
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
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]。
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）
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