华北平原温室黄瓜水氮耦合调控对产量品质及资源利用效率的综合优化研究

《Scientia Horticulturae》：Effects of water and nitrogen regulation on greenhouse cucumbers in North China plain

本研究针对华北平原设施蔬菜生产普遍存在的过量灌溉施肥、产量与品质失衡等问题，通过两年三季的温室黄瓜试验，探究不同水氮组合对黄瓜生长、产量、品质及水氮利用效率的影响。采用基于博弈论组合赋权的TOPSIS法进行综合评价，明确了灌溉蒸发皿蒸发量（Ep-20）的100%灌水配合360 kg·ha?1施氮量为最优处理，并提出了春、秋两季的适宜水氮管理范围。该研究为华北平原温室黄瓜生产实现高产、优质、高效协同提升提供了精准管理策略。

　　

在人口增长和气候变化双重压力下，全球粮食安全面临严峻挑战。作为农业大国，中国通过扩大灌溉面积和增加肥料投入来保障粮食生产，但这在主要农区之一的华北平原引发了新的问题。该地区水资源极度匮乏，仅占全国总量的约3.1%，而农业过度依赖地下水灌溉已导致地下水位严重下降。与此同时，为保障粮食安全，耕地资源优先用于粮食生产，蔬菜种植空间受限，促使保护地农业（如温室大棚）在这一地区快速发展。

温室栽培虽然能够克服季节限制，保证蔬菜周年供应，但在实际生产中，农民为了追求高产和高经济效益，往往采取大水大肥的管理方式。这种过度灌溉和盲目施肥不仅浪费了宝贵的水资源和肥料，还降低了作物品质，增加了环境污染风险。黄瓜作为设施蔬菜栽培的主要作物之一，对水分和氮肥变化高度敏感，如何通过精准的水氮管理，在保证产量和品质的同时，提高资源利用效率，实现可持续发展，成为华北平原设施蔬菜生产亟待解决的关键问题。

为解决上述问题，中国农业科学院农田灌溉研究所的研究团队在《Scientia Horticulturae》上发表了最新研究成果。他们在2024年至2025年间，于河南新乡的日光温室内开展了三个栽培季节的试验，系统研究了不同水氮组合对黄瓜生长、产量、品质及水氮利用效率的影响，并构建了综合评估体系来筛选最优管理方案。

研究人员采用了几个关键技术方法：首先，试验设计采用完全区组设计，设置了3个灌溉水平（基于20cm蒸发皿蒸发量E_p-20的50%、75%和100%）和4个氮肥水平（216、288、360和432 kg·ha^?1），共12个处理；其次，通过滴灌带实现水肥一体化精准施用；第三，测定指标涵盖总地上部生物量（TAB）、产量、品质指标（如总可溶性固形物TSS、可溶性糖含量SSC等）、水分利用效率（WUE）和氮素偏生产力（PFP_n）等10个关键参数；第四，创新性地采用博弈论将主观赋权的层次分析法（AHP）和客观赋权的熵权法相结合确定权重，再运用逼近理想解排序法（TOPSIS）进行多指标综合评价。

3.1. 日均温和蒸发量

研究表明，温室内日均温和标准蒸发皿蒸发量的变化趋势基本一致。春季栽培期内温度呈波动上升趋势，而秋季则呈波动下降。值得注意的是，秋季栽培后期当日均温低于20℃时，蒸发量极小，热量不足，可能抑制黄瓜生长和果实发育，导致产量降低。

3.2. 水氮处理对总地上部生物量的影响

灌溉量和施氮量对所有三个生长季节的黄瓜总地上部生物量（TAB）均有极显著影响。TAB随灌水量的减少而降低。在W1（100% E_p-20）灌溉水平下，TAB随施氮量减少呈先增后降趋势，而在其他灌溉水平下则多呈下降趋势。两年三季试验中，W1N2处理的TAB均达到最大值。

3.3. 水氮处理对产量及水氮利用效率的影响

产量随灌水量减少而显著降低。与水氮处理相似，产量对氮肥的响应因灌溉水平而异：在W1条件下，产量随施氮量减少呈先增后降；而在W2和W3条件下，产量多随施氮量减少而下降。水分利用效率（WUE）随灌水量增加而显著降低，表现为W3 > W2 > W1。氮素偏生产力（PFP_n）则随施氮量减少而显著提高。

3.4. 水氮处理对果实品质的影响

水氮处理对黄瓜果实品质各指标影响各异。总可溶性固形物（TSS）和可溶性糖含量（SSC）均随灌水量减少而显著增加，且二者呈显著正相关，是评价果实品质的关键指标。总体而言，果实品质表现为低灌溉处理优于中、高灌溉处理。

3.5. 水氮处理对植株氮素积累与分配的影响

总地上部植株氮积累量（TNA）随灌水量减少而显著降低。在器官分配上，果实贡献了总氮积累量的50%–60%，是氮素分配的主要器官。

3.6. 基于TOPSIS的水氮策略综合评价

通过Spearman相关性分析、熵权法客观赋权、AHP主观赋权，再经博弈论综合赋权后，TOPSIS综合评价显示，W1N2处理（100% E_p-20灌水量配合360 kg·ha^?1施氮量）在三个季节的综合评价指数（Ci）均最高，表明该水氮组合能最佳平衡黄瓜产量、品质和资源利用效率。通过响应面分析进一步明确，春季温室黄瓜的适宜灌水量为E_p-20的75%～100%，施氮量为320～370 kg·ha^?1；秋季适宜灌水量为E_p-20的94%～110%，施氮量为300～370 kg·ha^?1。

该研究的讨论部分深入分析了水氮调控对黄瓜各评价指标的影响机制。减少灌溉虽降低产量但提升品质和WUE，可能与水分胁迫增强果实物质合成能力有关。氮肥效应受灌溉水平调制，表明水氮协同作用显著。研究采用的博弈论组合赋权TOPSIS法有效整合了主客观信息，使评价结果更为科学可靠。最终推荐的水氮管理范围既考虑了作物需求，又兼顾了华北平原水资源紧缺的现实，为该地区温室黄瓜生产的可持续集约化提供了重要实践指导。

这项研究的意义在于，它不仅揭示了水氮耦合对温室黄瓜综合生长效应的内在规律，更重要的是提出了一套可操作的水氮精准管理方案。该方案有助于在保证黄瓜产量和品质的前提下，显著提高水肥利用效率，减少资源浪费和环境污染，对于推动华北平原乃至类似生态区设施蔬菜产业的可持续发展具有重要参考价值。未来研究可进一步拓展到不同温室类型和土壤条件下进行验证，并纳入经济效益分析，使模型更加完善。