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河西走廊高海拔冷凉灌区具有种植蔬菜得天独厚的自然条件，是甘肃省蔬菜产业发展的重点优势产区，也是甘肃高原夏菜主栽区域之一[1]。娃娃菜为半耐寒性蔬菜，冷凉灌区的气候条件有利于娃娃菜在夏秋生产中实现优质高产，近年来该区域娃娃菜产业发展迅速，已成为当地高原夏菜主栽蔬菜之一。“一膜两管四行式”的种植模式是河西冷凉灌区农业科技工作者和农民经过长期实践探索出的露地蔬菜膜下滴灌栽培模式，在娃娃菜生产中应用普遍，但该模式发展较晚，目前还缺乏科学合理的水肥管理模式，农户多采用大水灌溉和高肥投入的管理方式，导致娃娃菜产量下降、品质变劣，水肥资源利用率低，严重制约了河西冷凉灌区娃娃菜产业的可持续发展。研究表明，水和肥是蔬菜生产中重要的物质资源，水是肥效发挥的关键，肥是打开水土系统生产效能的钥匙[1]，只有两者合理搭配使用才能获得高产优质产品，提高水肥利用效率，节约资源。因此，开展河西冷凉灌区膜下滴灌娃娃菜水肥耦合效应研究显得尤为重要。
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水分和养分是影响蔬菜生长发育和品质的两大生态因素，也是有效调控蔬菜产量和品质的主要手段[2]。大量研究证实，与常规的灌水和施肥方式对比，水肥耦合灌溉施肥技术可提高产量，改善品质，提高水肥利用效率[3-5]。研究表明，莴笋在田间持水量的 65% 灌水下限时，可食用部分维生素 C（Vc）和可溶性固形物含量较高，硝酸盐含量则与灌水下限呈负相关，与施肥量呈正相关[6]；牛童等[7] 发现，在 80% 灌水下限和节肥 20% 处理下，露地松花菜品质最优；秦启杰等[8]指出，田间持水量的 60%+80% 当地传统施肥量处理下，紫甘蓝产量及其可溶性蛋白质含量均达到最大值；张富仓等[9]研究表明，灌水量和施肥量均对马铃薯的产量、水分利用效率、肥料偏生产力、不同块茎质量和经济效益有显著影响；赵鹏志[10]指出，高水中肥处理的西兰花产量最高，中水高肥处理的西兰花品质最优；胡云飞等[11]认为，灌水量1200 m3 /hm2 + 节肥 20% 处理下青花菜产量、水分利用效率和品质较高，且水肥互作对产量和水分利用效率有显著影响；冯鹏等[12]研究显示，合理施肥是干旱、半干旱地区提高产量及灌溉水利用效率的有效途径。
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虽然国内外学者已在蔬菜水肥耦合方面做了大量研究，但迄今关于河西冷凉灌区膜下滴灌娃娃菜的研究报道鲜见，仍缺乏与膜下滴灌水肥一体化技术相匹配的、有利于河西冷凉灌区娃娃菜高产、优质、高效的水肥耦合模式。因此，需要合理控制水分和养分的投入，寻求两者之间最佳的耦合点，使水肥产生协同作用，达到“以水促肥”和“以肥调水”的目的。通过膜下滴灌条件下露地娃娃菜不同灌水量和施肥量的耦合试验，探究不同水肥组合对膜下滴灌娃娃菜产量、品质及水肥利用效率的影响，通过各项指标的综合评价，筛选出高产优质和水肥利用效率最优的水肥组合模式，为河西冷凉灌区膜下滴灌娃娃菜水肥管理提供理论依据和技术支持。
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1 材料与方法
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1.1 试验地概况
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试验于 2021 年 4—8 月在甘肃省农业科学院永昌试验站（海拔 1998 m）进行。试验区地处河西走廊中部，祁连山北麓，阿拉善台地南缘。该区域属温带大陆性气候，区域性气候差异明显，昼夜温差大，年平均温度 5.5℃，多年平均降水量 156.2 mm，蒸发量 2067.9 mm，无霜期 121 d，日照时数 2812.2 h。试验期间的空气温度和降水量如图1 所示。试验地土壤为灌漠土，土壤基本理化性质为全氮 0.58 g/kg、全磷 2.46 g/kg、全钾 28.93 g/kg、碱解氮 101.61 mg/kg、有效磷 50.64 mg/kg、速效钾 143.97 mg/kg、容重 1.38 g/cm3、田间持水量 34.35%。
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图1 娃娃菜生育期内降水量和平均温度的变化
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1.2 试验材料
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供试娃娃菜品种选择“耐寒金皇后”；供试肥料为三宁复合肥（15-15-15）、尿素（N 46%）和硫酸钾（K2O 51%）。采用“一膜两管四行式”平畦种植模式。定植前整地、施肥、覆膜，畦宽 140 cm，畦间距 20 cm。娃娃菜于 4 月 15 日采用穴盘育苗，5 月 21 日定植，7 月 15 日采收。单株定植，株距 20 cm（图2），小区面积 10.8 m×6.8 m= 73.4 m2，定植密度为 117765 株 /hm2。
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图2 一膜两管四行式娃娃菜种植模式
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1.3 试验设计
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设灌溉和施肥 2 个因素，灌溉因素根据灌水下限控制，设定 3 个水平：W1（60%θf，低水）、W2 （70%θf，中水）、W3（80%θf，高水），灌水上限统一设定为田间持水量（θf），当土壤含水量降到灌水下限时灌水至上限；施肥因素根据当地大田施肥标准设定 3 个水平：F1（N 281-P2O5 166-K2O 383 kg/hm2，低肥）、F2（N 330-P2O5195-K2O 450 kg/hm2，中肥）、 F3（N 380-P2O5 224-K2O 518 kg/hm2，高肥）。采用两因素随机区组设计，共计 9 个处理，即 W1F1、 W1F2、W1F3、W2F1、W2F2、W2F3、W3F1、 W3F2、W3F3，每个处理设置 3 次重复。
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施肥分基肥和追肥，基肥施用量为氮肥 20%、磷肥 35%、钾肥 15%，其余肥料全部作追肥，分别在缓苗结束后（6 月 5 日）、莲座期（6 月 12 日）、结球初期（6 月 22 日）、叶球膨大期（7 月 4 日） 追施剩余肥量的 10%、30%、30%、30%。灌水方式为膜下滴灌，每畦铺设两根薄壁软管，由带阀门旁通与主管连接。定植后浇透水，缓苗结束（5 月 28 日）统一灌水一次，之后开始试验处理。试验前测定土壤饱和含水量，试验期间用 ECH2O 土壤含水量监测系统（EM50 数据采集器）逐日监测各处理的土壤含水量，并于降水后和灌水前后使用 TDR-150 便携式土壤水分速测仪（美国 spectrum 公司生产）加测 1 次土壤含水量，计算灌水量，灌水量（mm）=10× 容重（g/cm3）× 计划湿润层厚度（cm）× 土壤湿润比 ×（田间持水量-土壤含水量实测值）[13]，然后按需分区浇水。灌水量采用精确度为千分之一立方米的水表记录，叶球紧实后停止灌水，各处理不同生育期内灌水和施肥量详见表1。
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1.4 测定项目与方法
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1.4.1 娃娃菜产量的测定
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待娃娃菜产品器官达到采收标准后，去除不可食用部分并削平茎基部，采用田间称量法（精确度为 0.01 kg）测定娃娃菜单株毛重和净重；每小区选取中间畦，沿畦方向选择 4 m 长范围内（共 64 株） 的娃娃菜，测定生物产量和经济产量，重复 3 次，折算总产量，计算净菜率。
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1.4.2 娃娃菜品质的测定
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当娃娃菜达到成熟标准后，测定其可食用部分的可溶性固形物、Vc、可溶性糖、可溶性蛋白质、硝酸盐等营养品质指标，其中可溶性固形物采用 PAL-BX ACID F5 手持测糖仪测定；Vc、可溶性糖、可溶性蛋白质分别采用 2，6-二氯靛酚钠法[14]、蒽酮法[15]、考马斯亮蓝 G-250 染色法[16]测定；硝酸盐参照 NY/T1279—2007 测定。
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1.5 数据处理及统计分析
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净菜率（%）= 单株净重（kg）/ 单株毛重（kg）× 100
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灌溉水利用效率（kg/m3）= 经济产量（kg/hm2）/ 灌溉量（m3 /hm2）[17]
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肥料偏生产力（kg/kg）= 经济产量（kg/hm2）/ 施肥总量（kg/hm2）[18]
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采用隶属函数法对娃娃菜各项指标进行综合评价，隶属函数分析法采用 Excel 2007 完成。图形绘制及系统聚类分析采用 Origin Pro 9.0 和 R 3.5.0，方差及显著性分析采用 SPSS 23.0 完成，多重比较采用 Duncan 新复极差法。
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2 结果与分析
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2.1 不同水肥组合对膜下滴灌娃娃菜品质的影响
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由表2 可知，不同水肥处理对娃娃菜 Vc 含量影响的差异显著。随着施肥量的增加，Vc 在低水处理下逐渐降低，而中水和高水处理下逐渐升高；随着灌水量的增加，Vc 在低肥处理下呈先降低后升高的趋势，而中肥和高肥处理下呈先升高后下降的趋势；水肥耦合作用下，Vc 在 W2F3 处理下最高，为 4.67 mg/g，其次为 W2F2、W3F3 处理，W1F3 处理最小。不同水肥处理后，娃娃菜可溶性固形物和可溶性糖含量的变化趋势基本一致，随着施肥量的增大，低水处理下逐渐降低，而中水和高水处理下呈先升高后降低的趋势；随着灌水量的升高，可溶性固形物在低肥处理下逐渐下降，中肥处理下逐渐升高，高肥处理下先升高后下降；可溶性糖则在低肥处理下先升高后降低，中肥和高肥处理下逐渐升高；水肥交互处理后，两指标均以 W3F2 处理为最高，W2F2 处理次之。娃娃菜可溶性蛋白质含量在 W3F2 处理下最高，为 2.73 mg/g；W2F2、 W3F3 和 W2F3 处理次之，分别为 2.64、2.63 和 2.62 mg/g，三处理间差异不显著，但均与 W3F2 处理存在显著性差异。比较不同水肥处理娃娃菜硝酸盐含量的差异，同等施肥条件下，硝酸盐含量随灌水量的增多呈明显下降趋势；相同灌水条件下，硝酸盐含量随施肥量的增加而上升；水肥交互作用下，所有处理的硝酸盐含量均显著小于 W1F3 处理，W3F1 处理的硝酸盐含量最低；低肥条件下，低水与高水处理硝酸盐含量差值为 13.1 mg/kg，而高肥条件下，低水与高水处理硝酸盐含量差值为 48.9 mg/kg，表明随施肥量的增加，灌水对硝酸盐含量的影响越来越大。方差分析结果表明，灌水量、施肥量和水肥交互对娃娃菜叶球 Vc、可溶性固形物、可溶性蛋白质、可溶性糖和硝酸盐含量的影响均达到极显著差异。
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注：同列不同小写字母者表示处理间差异显著（P<0. 05），** 表示在 0. 01 水平上影响显著。下同。
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2.2 不同水肥组合对膜下滴灌娃娃菜产量及其构成因素的影响
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由表3 可知，不同水肥组合对娃娃菜单株重和产量影响显著。随着施肥量的增加，娃娃菜单株毛重、单株净重、净菜率和产量在低水处理下逐渐降低，中水处理呈先升高后降低的变化趋势，高水处理下逐渐升高；随着灌水量的增加，4 个指标在低肥和中肥处理下均呈先升高后降低的变化趋势，而高肥处理下单株毛重逐渐升高，单株净重、净菜率和产量均呈先升高后下降的趋势。水肥耦合作用下，娃娃菜单株毛重、单株净重、净菜率和产量均以 W2F2 处理为最高，W1F3 处理最小。显著性检验结果显示，施肥和灌水对单株重、净菜率和产量的影响均达到极显著水平，水肥交互对单株重和产量的影响均达到极显著水平。经方差分析可知，本试验条件下，灌水和施肥对产量均表现出极显著的影响（P<0.01）。娃娃菜产量在低肥条件下中水处理产量最高，而在高肥条件下低水处理产量显著低于中水和高水处理，表现为中水 >高水 >低水。水肥耦合条件下，W2F2 处理产量最高，达 163626 kg/hm2； W1F3 处理产量最低。
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2.3 水肥耦合对膜下滴灌娃娃菜水分利用效率和肥料偏生产力的影响
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不同水肥组合对娃娃菜水分利用效率的影响不同（图3A），相同施肥条件下，中水处理水分利用效率最高，且与各处理间差异显著。从灌水处理来看，中水处理表现最优，显著高于低水和高水处理。肥料偏生产力反映了土壤中基础养分和水溶肥滴灌量的综合效应。由图3B 可知，在相同的施肥水平下，肥料偏生产力变化趋势同水分利用效率一致，中水处理肥料偏生产力较高，随着灌水量增加，肥料偏生产力呈先上升后下降的变化趋势。仅考虑施肥因素，低肥比中肥和高肥处理分别增大了 9.93% 和 27.21%；仅考虑灌水条件，与低水处理相比，中水和高水处理肥料偏生产力分别降低 19.85% 和 14.48%，说明中水处理在很大程度上能够增加肥料偏生产力。
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图3 不同水肥处理对水分利用效率和肥料偏生产力的影响
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2.4 不同水肥处理各指标相关性分析及综合评价
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对不同水肥处理膜下滴灌娃娃菜各指标进行相关性分析，结果如图4 所示。从图4 中可以看出，硝酸盐含量与单株毛重、Vc 间呈显著负相关；除硝酸盐外，其他各指标间呈极显著正相关；产量与各品质指标间也呈极显著正相关。水肥交互作用对膜下滴灌娃娃菜产量和品质均会造成显著影响，其中产量与其他指标间平均关联度最大，说明产量的构成受到多种指标的影响，适宜的水肥施用量会促进膜下滴灌娃娃菜的生长发育。
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图4 不同水肥处理娃娃菜各指标相关性标记热图
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注：X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9 分别表示单株毛重、单株净重、净菜率、可溶性固形物、可溶性糖、可溶性蛋白质、维生素 C、硝酸盐、产量。下同。
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综上所述，同一水肥处理下膜下滴灌娃娃菜的产量和品质指标无法达到最优，因此需要对不同水肥处理各项指标进行耦合评价，以得到最优的水肥用量。不同水肥处理下各指标隶属函数值及耦合评价值见表4。从表4 中可以看出，W2F2 处理综合评价值最大，为 0.84；W2F3 处理次之，为 0.83；而评价值最小的处理为 W1F3，仅为 0.08。以各指标隶属函数值进行系统聚类分析，结果如图5 所示。由聚类热图可知，9 个水肥处理可以分为 3 类：优型水肥处理（W2F2、W3F2、W2F3、W3F3）、中型水肥处理（W2F1、W3F1、W1F1）、差型水肥处理 （W1F2、W1F3）。
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注：Di 为综合评价值。
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图5 不同水肥处理膜下滴灌娃娃菜各指标响应聚类热图
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3 讨论
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水和肥是影响蔬菜作物生长发育及其产量、品质的重要因素，且水分和养分之间存在显著的耦合效应[19]，适宜的水肥组合可有效改善蔬菜品质。牛童等[7]研究表明，适宜的水肥组合处理下，松花菜花球中的 Vc、可溶性蛋白质和可溶性糖含量均较高，硝酸盐含量较低。本研究中，水肥耦合对娃娃菜可溶性固形物、可溶性蛋白质、Vc、可溶性糖和硝酸盐含量均有显著影响，其中叶球 Vc 含量在 W2F3 处理下最大，可溶性固形物、可溶性糖和可溶性蛋白质含量均在 W3F2 处理下达最高。硝酸盐在人体内可被转化为亚硝酸盐，而亚硝酸盐有致癌作用[20]，因此硝酸盐含量是蔬菜安全品质中监控的重要指标，可作为品质代表指标进行综合评价。本试验中，在相同的灌水条件下，娃娃菜中的硝酸盐含量随施肥量上升而增加，表明硝酸盐含量与施肥量存在正向关系，这与陆军胜等[21]在辣椒上的试验结果一致，可能是由于硝酸根离子随土壤中氮素供给能力逐渐增强而引起的；而可溶性固形物、可溶性糖和可溶性蛋白质含量在中水和高水处理随着施肥量的增加呈先升高后下降的趋势，表明适度地改善土壤中的营养供给可提高娃娃菜品质，若施肥量过大反而会降低其品质。史星雲等[22]研究表明，灌水量和施肥量对作物品质影响显著，本研究也得到了相同结论，而且两因素的交互作用达到了极显著水平。
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适宜的灌水和施肥量可促进蔬菜生长、提高产量。本研究结果表明，不同水肥处理对娃娃菜产量的影响显著，中水和高水处理的娃娃菜单株毛重、单株净重和产量均高于低水处理，而净菜率中水处理显著高于其他处理；水肥耦合作用下，娃娃菜单株重、净菜率和产量均在 W2F2 处理出现峰值，说明 W2F2 处理的水肥配比有利于娃娃菜产量的形成。已有研究证实，在一定条件下番茄产量与灌水和施肥呈正相关[22]。但本研究中，随着施肥量的增加，娃娃菜的产量在低水处理下逐渐降低，中水处理呈先升高后降低的变化趋势，高水处理下逐渐升高；随着灌水量的增加，产量在低肥和中肥处理下均呈先升高后降低的趋势，而高肥处理下产量呈先升高后下降的趋势。灌水量和施肥量对娃娃菜单株重、净菜率和产量的影响均达到极显著水平，水肥交互作用对单株重和产量的影响均达到极显著水平，说明水肥表现较强的互作效应，成为影响娃娃菜产量形成的主导因子。
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合理的水肥调控有利于蔬菜对水分和养分的吸收利用，提高水肥利用效率。研究表明，施肥具有明显的调水作用，适宜的肥料施用量可提高水分利用效率[23]；增加灌水量、降低施肥量，水分利用效率逐渐下降[24]。本试验结果表明，同一灌水条件下，随着施肥量的增加，水分利用效率呈先升高后降低的趋势，W2F2 处理水分利用效率显著高于其他处理，与在甘蓝上的研究结果[1]不一致，这可能同栽培方式、试验标准及娃娃菜生长发育的水肥耦合阈值有关。肥料偏生产力是国际上常用来表征农田肥料利用效率的参数，而增加土壤基础养分含量可促进肥料偏生产力的提高[25]。本研究表明，等施肥量条件下，肥料偏生产力随灌水量增加呈先上升后降低的趋势；等灌水量条件下，肥料偏生产力随施肥量的增加而降低；水肥交互作用下，中肥处理肥料偏生产力较高，W2F1 和 W2F2 处理显著高于其他处理。由于本研究只进行了一年，娃娃菜的水肥适应性体现不连续，因此若进行长期联合试验，可为河西冷凉灌区滴灌娃娃菜水肥配比筛选提供更全面的理论依据。
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4 结论
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不同配比的水肥组合对娃娃菜产量和品质的影响与其用量密切相关，灌水量和施肥量过多都会引起娃娃菜产量和品质的下降及水肥的过度消耗。本研究中，综合考虑水肥协同、增产以及提高肥料偏生产力等多种因素，在甘肃河西冷凉灌区娃娃菜膜下滴灌模式下，水肥用量控制在 W2 （70% θf） 和 F2（N 330-P2O5 195-K2O 450 kg/hm2） 水平左右，娃娃菜产量可保持在较高水平，产量可达 163626 kg/hm2；可溶性固形物、可溶性糖、可溶性蛋白质、Vc、硝酸盐含量分别为 4.47%、 26.18%、2.64 mg/g、4.33 mg/g、287.7 mg/kg。依据本研究试验设计分别考虑水肥因素，中水处理水分利用效率最高，中肥处理在很大程度上能够增加肥料偏生产力。将隶属函数与聚类分析法相结合，将 9 个水肥处理划分为 3 个等级，最适宜的水肥处理为 W2F2。
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摘要
为探究不同水肥组合对河西冷凉灌区“一膜两管四行式”膜下滴灌娃娃菜产量和品质的影响，以“耐寒金皇后”为试验材料，研究了膜下滴灌条件下 3 个灌水水平：W1［60% 田间持水量（θf ），低水］、W2（70%θf ，中水）、W3（80%θf ，高水）和 3 个施肥水平：F1（N 281-P2O5 166-K2O 383 kg/hm2 ，低肥）、F2（N 330-P2O5195- K2O 450 kg/hm2 ，中肥）、F3（N 380-P2O5 224-K2O 518 kg/hm2 ，高肥）组合对娃娃菜产量、品质、水分利用效率及肥料偏生产力的影响。结果表明，适当水肥配比明显提高娃娃菜的产量和品质，W2F2 处理产量最高，达 163626 kg/hm2 ，W2F3 和 W3F3 处理与之无显著差异，而 W1F3 处理较其降低了 29.07%；W3F2 处理可溶性固形物、可溶性糖和可溶性蛋白质含量最高，W2F3 处理维生素 C 含量最高；相同施肥条件下，中水处理水分利用效率最高； 肥料偏生产力在相同的施肥水平下，随灌水量增加呈先上升后下降的变化趋势。相关性分析表明，娃娃菜产量和品质指标间均呈极显著性相关关系。经隶属函数和聚类分析法结合得出，9 个水肥处理可分为 3 个等级。综合考虑娃娃菜品质、产量、灌溉水分利用效率等因素，适宜河西冷凉灌区“一膜两管四行式”膜下滴灌娃娃菜的最优水肥处理为 W2F2（70%θf ，N 330-P2O5195-K2O 450 kg/hm2 ）。
Abstract
In order to explore the effects of different water-fertilizer combinations on the yield and quality of mini Chinese cabbage under drip irrigation. The test chooses“cold-resistant golden queen”as the test material，the effects of three irrigation levels：W1［60% field capacity（θf ）, low water］，W2（70%θf , medium water），W3（80%θf , high water）combined with three fertilizer levels：F1（N281-P2O5166-K2O 383 kg/hm2 ，low fertilizer），F2（N330-P2O5195-K2O 450 kg/hm2 ， medium fertilizer），F3（N380-P2O5224-K2O 518 kg/hm2 ，high fertilizer）on mini Chinese cabbage yield，quality，water use efficiency and partial fertilizer productivity were studied. The results showed that the appropriate water and fertilizer ratio greatly improved the yield and quality of mini Chinese cabbage. W2F2 treatment had the highest yield，which was 163626 kg/hm2 . There was no significant difference between W2F3 and W3F3，while W1F3 was 29.07% lower than that of W2F2. W3F2 had the highest contents of soluble solids，soluble sugars and soluble proteins，while the content of vitamin C of W2F3 was the highest. Under the same fertilization level，the water use efficiency of medium water treatment was the highest；Under the same fertilization level，the fertilizer partial productivity showed a trend of first rising and then decreasing with the increase of irrigation water. Correlation analysis showed that there was a very significant correlation between the yield and quality indicators of mini Chinese cabbage. According to the combination of membership function and cluster analysis，the 9 water and fertilizer treatments could be divided into 3 levels. Considering the factors such as the quality，yield，and irrigation water utilization efficiency of mini Chinese cabbage，the optimal water and fertilizer treatment is W2F2（70%θf ，N330-P2O5195-K2O 450 kg/hm2 ）.