钾是作物产量形成和品质提高的重要元素, 我国南方土壤存在缺钾现象, 因此, 钾肥的补充与施用必不可少, 而且钾肥在提高作物抗生物胁迫和非生物胁迫的能力方面具有显著效果^[1-2]。钾素参与光合作用和光合产物的形成, 合理施用钾肥可以提高作物产量和品质^[3]。张瑞富等^[4]研究表明, 施钾量在0~375 kg·hm^-2的范围内, 随着钾肥用量的增加绿芦笋产量及单株质量均呈先升高后降低的趋势, 其中产量以钾肥用量300 kg·hm^-2处理最高。然而, 钾肥施用量过高则抑制钾素向叶片运输, 影响光合效率^[5]。钾肥施入土壤后, 除直接被作物吸收以外, 大部分钾素首先被土壤吸附, 并在植物生长过程中不断解吸而供植物吸收利用^[6]。近年来, 随着农业生产水平和作物产量的提高, 作物对包括钾素在内的各种养分的需求量都有所提高, 而在生产中肥料的施用方面普遍存在重氮、磷肥而轻钾肥的现象^[7]。随着作物产量的增加和复种指数的提高, 作物从土壤中带走的钾素越来越多, 致使农田土壤钾含量下降^[8]。生产中钾肥施用还存在与作物的钾素需求规律不吻合的现象, 不合理的钾肥运筹影响了作物的产量和品质, 也降低了钾肥利用率^[9]。

西瓜是对钾需求量较大的果蔬类作物^[1], 在整个生育期中吸收钾最多, 氮次之, 磷最少^[10]。西瓜生产中存在着严重的钾肥施用不足和施用时期与生长需求不一致的状况, 生长在缺钾土壤上的西瓜容易因缺钾而影响产量和品质, 尤其是缺钾敏感的品种^[11-12]。李珊蓉等^[13]发现, 合理施用钾肥显著提高西瓜营养生长和果实产量。王西和等^[14]研究表明, 随着钾肥施用量的提高西瓜产量和品质均显著提高, 产量可提高12.1%~21.5%。目前西瓜生产存在养分投入量过大^[15]和各养分投入不平衡的误区^[16]。因此, 合适的钾肥用量以及科学的钾肥运筹是西瓜生产亟待解决的问题。本试验将从西瓜对钾素需求量和需求时期方面研究西瓜的钾肥供应, 为西瓜生产中钾肥施用提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验地点和材料

试验地在南京市江宁区横溪镇横岗村。西瓜品种为‘小兰’。土壤为黄棕壤, 土壤基本理化性质为:有机质含量16.4 g·kg^-1, 碱解氮含量94.3 mg·kg^-1, 速效磷含量11.2 mg·kg^-1, 速效钾含量73.0 mg·kg^-1, pH6.48(土和水的质量比为1:1)。试验地连续2年未种过西瓜, 前茬作物是水稻。种植方式为育苗移栽, 覆双层地膜, 行距2 m, 株距50 cm, 小区面积50 m²。

1.2 试验设计

试验设5个处理:1) K0:不施钾肥; 2) K150:施用150 kg·hm^-2 K₂O; 3) K300:施用300 kg·hm^-2 K₂O; 4) K450:施用450 kg·hm^-2 K₂O; 5) K600:施用600 kg·hm^-2 K₂O。每个处理重复3次, 共15个小区, 按照随机区组的方式排列。各处理施氮、磷肥量一致。氮肥(尿素)180 kg·hm^-2分3次施入, 基肥、开花期肥和坐果期肥分别按总氮量的40%、30%和30%施入; P₂O₅(磷酸二氢铵)120 kg·hm^-2, 作为基肥一次施入。钾肥施用硫酸钾, 根据各个处理的施用量, 分别按总施钾量的60%和40%作为基肥和坐果期肥施入。试验按照常规的方法管理。在幼苗期(seedling period, P1)、伸蔓期(elongating period, P2)、坐果期(fruit forming period, P3)、膨果期(fruit expanding period, P4)和成熟期(maturation period, P5)采集植株样品。幼苗期为移栽后15 d, 采样时间分别为2013年4月17日、5月2日、5月17日、6月1日、6月16日。每个小区采集2株样品, 做混合样品供分析测定。样品分为根、茎、叶、幼果、果皮、瓤、籽等各部分, 烘干, 称干物质量, 磨碎, 用于养分含量分析。取新鲜西瓜果实的中心部位用于分析测定可溶性糖和可滴定酸含量。

1.3 指标的分析与测定

土壤中钾含量和西瓜植株中钾含量参照文献[17]的方法分析测定。

西瓜品质分析:可溶性总糖含量采用铜还原直接滴定法, 可滴定酸含量采用酸碱滴定法^[18]。

西瓜阶段钾素吸收比例=(某时期钾素吸收量-前一时期钾素吸收量)/成熟期总钾吸收量×100%。

西瓜植株钾吸收速率(g·d^-1)=某阶段钾吸收量/该生长阶段的时间。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel和SPSS 20.0软件进行数据处理、制图、方差分析和差异显著性测验。

2 结果与分析 2.1 不同钾肥水平下西瓜各生育期干物质量

从图 1可知:随着西瓜的生长, 干物质积累量逐渐增加。坐果期不施钾时西瓜干物质量增加了34.9%, K150和K300处理西瓜生物量分别增加了37.9%和29.0%。膨果期西瓜果实快速膨大, K0处理西瓜干物质量增加36.6%, K150和K300处理西瓜干物质量分别增加了32.6%和44.5%。因此, 钾肥施用量为150 kg·hm^-2时, 西瓜植株生长最好, 300 kg·hm^-2时, 西瓜果实生长最快。不同钾肥施用量对西瓜的各生育阶段干物质量有显著影响。在幼苗期150和300 kg·hm^-2K₂O营养水平下, 西瓜的干物质量较高, 说明幼苗期西瓜对钾素营养比较敏感, 过少和过多都不利于西瓜幼苗生长。在伸蔓期和坐果期, 钾肥施用量为150和300 kg·hm^-2时, 西瓜干物质量较高, 且在150 kg·hm^-2施用条件下略显优势。在膨果期和成熟期, 钾肥施用量在150和300 kg·hm^-2时, 干物质量显著高于其他处理, 且300 kg·hm^-2时, 植株干物质量有提高趋势, 但高于300 kg·hm^-2时, 随着钾肥用量的增加, 干物质量逐渐降低。

2.2 不同钾肥水平下西瓜各生育期各器官的钾含量

图 2表明:施用钾肥显著提高西瓜伸蔓期以后的根、茎、叶中的钾含量。在幼苗期不施肥处理西瓜根、茎、叶中的钾含量均最高。幼苗期西瓜叶片中钾含量在150 kg·hm^-2钾水平下最高, 其次是不施钾处理, 150 kg·hm^-2处理基肥钾的施用量是90 kg·hm^-2, 说明基肥用量过高降低了西瓜根系中钾含量。从坐果期开始, K450和K600处理西瓜叶片中的钾含量显著升高, 其中K450处理西瓜叶片中钾含量最高。叶片中钾含量在座果后期呈上升趋势, 说明西瓜后期对钾的吸收效率升高, 供钾充足时, 冗余钾量贮存在叶器官中。西瓜茎中钾含量于幼苗期K150处理最高, K300处理次之; 从坐果期以后茎中的钾含量以K300处理最高, K150处理次之。西瓜根系中的钾含量, 在幼苗期为K150处理最好, 不施钾处理次之; 伸蔓期以后K150处理最高, K300处理次之。

从表 1可知:幼果在K600处理钾含量最高; 在膨果期, K450和K300处理西瓜皮、瓤中的钾含量均最高; 在成熟期, K600处理西瓜皮和瓤中的钾含量均最高, 说明应在果实发育后期适当提高钾肥施用量。试验过程中, 钾肥的施用是按照基肥与坐果期追肥的比例(6:4)施用的, 因此, 从提高西瓜植株钾含量的角度, 前期钾肥施用量为90 kg·hm^-2, 坐果期以后追施钾肥高于120 kg·hm^-2时, 对西瓜植株体内钾含量的提高有利。

2.3 不同钾肥水平下西瓜各生育期的钾素吸收量

在西瓜幼苗期、伸蔓期和坐果期, 钾肥施用量为150 kg·hm^-2时, 西瓜植株的钾吸收量最高; 在膨果期和成熟期, K300处理植株钾吸收量最高(图 3)。这表明西瓜生长前期需钾量低, 而且比较敏感, 高浓度的钾施用量抑制西瓜对钾的吸收, 后期钾素需求量较高。西瓜钾吸收量的规律和干物质积累量的规律呈相同的趋势。在西瓜成熟期, K300处理的总钾吸收量最大, 约是不施钾处理的1.9倍。根据追肥占钾肥施用量40%的比例, K300处理钾肥水平在坐果期的追肥量是120 kg·hm^-2。因此西瓜基肥施用90 kg·hm^-2, 坐果期追肥120 kg·hm^-2则有利于植株对钾的吸收。钾肥施用水平在450和600 kg·hm^-2时, 西瓜植株对于钾素的吸收量降低, 而且施用量越高钾素吸收量越低。

从图 4可知:在不同钾肥水平下钾素吸收量最多的时期都在膨果期, 尤其是450 kg·hm^-2的钾肥施用水平。植株在膨果期的钾素吸收量占总吸收量的67.9%;300 kg·hm^-2的钾肥水平下, 膨果期的钾素吸收量占总吸收量的51.6%;150 kg·hm^-2钾肥水平下, 钾素吸收量在膨果期与坐果期相比没有显著增加, 可能由于作为基肥施用的90 kg·hm^-2钾在坐果期之前基本被西瓜植株吸收, 到膨果期难以满足西瓜的钾素需求, 吸收量不能继续提高, 从而限制了西瓜的进一步生长。不施钾处理西瓜植株对钾的吸收从幼苗期到膨果期稳定增长, 于成熟期下降。不施钾和K150处理西瓜生长后期钾素供应不足。

从图 5可知:在幼苗期、伸蔓期和坐果期, 在150 kg·hm^-2K₂O水平下西瓜对钾素的吸收速率最高, 在膨果期, 450 kg·hm^-2K₂O水平下的钾素吸收速率最高, 在成熟期600 kg·hm^-2K₂O水平下的钾素吸收速率最高。钾素吸收速率与西瓜植株的干物质积累量、钾含量、钾吸收量的规律一致。膨果期为钾吸收量最大的时期, 坐果期之前钾素吸收速率显著低于膨果期时钾素吸收速率。坐果期时, 150 kg·hm^-2K₂O水平下钾素吸收速率最高, 达到0.173;膨果期之后, K450处理钾素吸收速率最高, 达到0.314 g。因此, 西瓜基肥施用量以90 kg·hm^-2K₂O, 追肥施用量以180 kg·hm^-1 K₂O为最佳。

2.4 不同钾肥施用水平对西瓜产量的影响

从图 6可知:西瓜产量随着钾肥水平增加呈先增加后下降的规律, K300处理的产量最高, 钾肥施用450 kg·hm^-2时, 产量与不施钾肥的对照相当, 显著低于K300处理, 当钾肥施用量为600 kg·hm^-2时, 西瓜产量显著低于对照的西瓜产量。这说明600 kg·hm^-2 K₂O施用量造成西瓜减产, 300 kg·hm^-2钾肥施用量的效果最好。

2.5 不同钾肥施用水平对西瓜可溶性糖和可滴定酸含量的影响

从图 7可知:施用钾肥150和300 kg·hm^-2均显著提高西瓜可溶性糖含量。与对照相比, 施用钾肥450和600 kg·hm^-2时, 对西瓜可溶性糖的含量无显著影响, 说明钾肥施用量低于300 kg·hm^-2可促进西瓜可溶性糖累积, 而钾肥施用量高于450 kg·hm^-2时不能提高西瓜可溶性糖含量。

从图 8可知:300 kg·hm^-2K₂O水平显著提高西瓜可滴定酸含量, 而450和600 kg·hm^-2钾肥处理的西瓜可滴定酸含量与对照无显著差异。合理施用钾肥可以有效调控西瓜可滴定酸含量。

3 讨论与结论

钾素是作物生长的三大营养元素之一, 在植物体内是多种酶的活化剂^[19]。在光合作用过程中通过调节气孔和促进叶肉阻抗力而提高叶片的光合速率, 协调光合同化物的合成、运输与转化, 最终达到改善果实品质的效果^[20]。研究表明, 增施钾肥对甘蓝、菠菜、西瓜和茄子等果实中糖的合成与积累均有促进作用^[21], 对蔬菜的糖含量、总酸度、维生素C以及氨基酸的含量也有显著的提高效果^[22-24], 而且萝卜、辣椒、番茄、白菜、豆角、甘蓝的总糖含量以及马铃薯的淀粉含量都随着钾肥的施用而提高^[24]。施用钾肥显著提高蔬菜的糖酸比, 从而使蔬菜风味更佳, 但过量施用钾肥却降低果蔬的糖酸比^[22]。钾肥施用不足或者过高均引起光合作用降低, 导致食用百合果实品质、产量和经济效益下降^[23]。已有的研究表明, 施用钾肥显著提高草莓、生菜中可溶性糖含量^[24-25], 然而, 过量施钾反而降低果实的可溶性糖含量^[21]。本研究结果表明, 西瓜钾肥施用量为300 kg·hm^-2时显著提高西瓜可溶性糖和可滴定酸含量, 钾肥施用量为450和600 kg·hm^-2时, 西瓜可溶性糖含量和可滴定酸含量与不施钾处理相当。

在生产中对钾肥的重视程度远不如氮肥和磷肥, 不仅其施用量低于氮、磷肥, 且施用时期往往是作为基肥一次施入^[26]。由于钾在土壤中以K⁺的形态存在, 土壤溶液中的K⁺容易淋失^[27], 因此, 钾肥作为基肥一次施用的方式不利于作物生长和钾肥的利用, 尤其在养分保持能力较低的轻质土壤上钾肥更难以长期保持。近年来, 有关钾肥品种、利用率、钾肥效应、品质影响、土壤肥力及环境影响等方面的报道表明, 钾肥的施用采用分次施用的方法有较好的效果^[28]。目前, 西瓜钾肥施用大多采用基肥的方式施用^[29]。也有一些研究表明, 膨果期追肥和叶面施肥的方式显著提高西瓜的产量和品质^[30], 基肥和幼果期各50%钾肥施用方式有较好的效果^[31]。本研究结果表明西瓜在整个生育期对钾素持续吸收; 钾素吸收速率以幼苗期最小, 伸蔓期和坐果期逐渐增多, 果实膨大期达高峰, 成熟期又略降低。因此, 西瓜对于钾素的吸收量前期少后期多, 在西瓜幼苗期, 施钾量过高时抑制西瓜生长和对钾素的吸收, 这可能是由于过高的钾素浓度抑制根系生长的结果^[32]。同时, 本研究结果还证实西瓜基肥钾肥施用要低于90 kg·hm^-2, 而在膨果期的追肥量需达到180 kg·hm^-2。该结果与李姗蓉等^[13]的研究结果一致。当西瓜钾肥施用量为300 kg·hm^-2时, 能较好地满足西瓜在后期的快速吸收, 促进干物质积累; 当施用量达到600 kg·hm^-2时反而抑制植株生长。

根据西瓜在各个生育期对钾素的吸收量和吸收比例, 在幼苗期和伸蔓期时, K150处理西瓜苗钾含量和钾吸收量最高, 该处理下钾肥的基肥施用量为90 kg·hm^-2, 因此, 建议西瓜基肥施用量为90 kg·hm^-2以下。在膨果期和成熟期, K450处理的西瓜叶片中的钾含量和植株钾吸收量最高, 该钾肥水平下坐果期追肥为180 kg·hm^-2K₂O, 本研究结果和魏荔等^[33]在钾肥对西瓜产量和品质影响的试验中推荐的钾肥施肥量一致。总之, 西瓜钾肥施用应根据前期少后期多的原则合理运筹。根据西瓜对钾素的吸收特征和不同钾肥施用条件下西瓜的产量和品质, 建议降低基肥钾肥的施用量, 增加西瓜膨果期追肥的钾肥施用量, 可以采用基肥与追肥的比例为1:2分配, 追肥时期可以在钾素吸收高峰之前的坐果期。