延安市不同日光温室土壤中有效钾分布特性及其对甜瓜品质的影响

Distribution characteristics of available potassium in soils of different solar greenhouses in Yan’an City and its impact on melon quality

摘要

为了研究日光温室土壤中有效钾含量的分布特征及其对甜瓜品质的影响，对延安市不同甜瓜日光温室土壤中有效钾含量进行了测定，分析了其分布规律，并以甜瓜‘星甜20’为试验材料，研究了5个等级的有效钾含量：Ⅰ（<50 mg/kg）；Ⅱ（50~<70 mg/kg）；Ⅲ（70~<100 mg/kg）；Ⅳ（100~<150 mg/kg）；Ⅴ（150 mg/kg）对甜瓜膨大期生理特性和成熟期果实品质的影响。结果表明：不同甜瓜日光温室中有效钾含量大于70 mg/kg占6.5%，小于50 mg/kg的占9.4%，表明大部分土壤的含钾量基本满足甜瓜种植的要求，整体处于适宜范围，但存在局部缺乏的现象。土壤中有效钾含量对甜瓜膨大期叶片钾含量、叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率的影响可以分为三个区间：低钾区（<70 mg/kg），最适区（100~<150 mg/kg），高钾区（150 mg/kg）。在低钾区，钾的吸收效率受限，光合效率受到显著抑制，水分利用率较低；在高钾区，钾的吸收效率趋于饱和，光合效率下降，水分利用率明显降低；而在最适区，钾的吸收效率最高，光合效率最高，水分利用率得到有效优化。当土壤有效钾含量维持在100~<150 mg/kg时，可实现单果重、可溶性糖、可溶性蛋白和风味酸的均衡。因此，在日光温室土壤养分管理中应该注重土壤有效钾的平衡调控，针对不同的土壤条件和甜瓜品种差异合理调整钾肥的施用量，以实现甜瓜的产量与品质达到最优。

Abstract

To investigate the distribution of available potassium content in soil of solar greenhouses for muskmelon cultivation and its impact on muskmelon quality， the available potassium content in soil from different solar greenhouses for muskmelon cultivation in Yan’an City was measured. Based on the level of soil available potassium content， its distribution pattern was studied. Using the muskmelon variety “Xingtian 20” as the experimental material， the effects of five levels of available potassium content： Ⅰ （<50 mg/kg）； Ⅱ （50~<70 mg/kg）； Ⅲ （70~<100 mg/kg）； Ⅳ （100~<150 mg/kg）； Ⅴ （150 mg/kg） on the physiological characteristics during the expansion period and fruit quality during the ripening period of muskmelon were investigated. The results showed that 6.5% of the soil samples from different solar greenhouses for muskmelon had available potassium content greater than 70 mg/kg， while 9.4% had available potassium content less than 50 mg/kg. This indicated that the potassium content of most soils met the requirements for muskmelon cultivation， but the overall level of available potassium was suitable while locally lacking. The effect of available potassium content in soil on potassium content， chlorophyll content， net photosynthetic rate， and transpiration rate of sweet melon leaves during the expansion stage can be divided into three zones： low potassium zone （<70 mg/kg）， optimal zone （100~<150 mg/kg）， and high potassium zone （150 mg/kg）. In the low potassium zone， potassium absorption efficiency is limited， photosynthetic efficiency is severely inhibited， and water use efficiency is average； In high potassium areas， potassium absorption efficiency saturates， photosynthetic efficiency is inhibited， and water use efficiency decreases significantly； Located in the optimal zone， potassium absorption efficiency is the highest， photosynthetic efficiency is the highest， and water use efficiency is well optimized. Maintaining soil available potassium content at 100~<150 mg/kg can achieve a balance between single fruit weight， soluble sugar， soluble protein， and flavor acids. Therefore， in the soil nutrient management of solar greenhouses， it is necessary to focus on the balanced regulation of available potassium in the soil. According to different soil conditions and differences in melon varieties， the application amount of potassium fertilizer should be reasonably adjusted to achieve the optimal yied and quality of melons.

Graphical abstract

关键词

甜瓜 / 有效钾 / 缓效钾 / 品质

Key words

muskmelon / available potassium / slowly available potassium / fruit quality

土壤中的钾主要分为三种形态：即相对无效钾、缓效钾以及有效钾^［1］。其中，作物可以吸收和直接利用的是土壤有效钾，主要包括离子形态的土壤溶液钾和交换性钾；而土壤缓效钾的含量则影响作物对钾的持续吸收能力与土壤中缓效钾的含量有关。在一定条件下，土壤有效钾与土壤缓效钾之间可以相互转换^［2-3］。随着国内外设施蔬菜栽培中对氮肥和磷肥施用量的增加，产量不断提高，钾肥已经成为继氮、磷肥之后的又一制约高产的关键因素之一^［4］。

目前，针对设施土壤养分的研究多聚焦于氮、磷的迁移转化、累积特征及其环境风险，对钾素，尤其是其有效态空间分布规律的关注相对不足。同时，尽管钾肥对果实品质的促进作用已被广泛认知，但在特定生态区域、特定栽培模式、特定作物上，对土壤有效钾分布特征直接影响果蔬品质及内在联系的研究还不足。这样会导致温室甜瓜生产中钾肥管理普遍存在或施用量不足影响品质潜力发挥，或过量施用增加生产成本及潜在生态风险。基于此，本研究聚焦延安市主要设施甜瓜产区，以日光温室土壤为研究对象，拟采用蛇形采样法，系统采集温室甜瓜根系分布集中土层的土壤样品，分析有效钾在温室土壤中的分布特征。同时，在对应采样点同步采集盛果期甜瓜果实，精确测定其关键品质指标（可溶性固形物、维生素C、有机酸、硬度等），旨在阐明延安黄土高原日光温室土壤有效钾的分布特性，阐明土壤有效钾含量对甜瓜品质性状的具体影响路径与程度，为该区域日光温室土壤钾元素管理提供基础科学数据；为延安市乃至生态条件相似区域日光温室甜瓜生产的精准化、差异化钾肥管理提供理论依据与技术支撑。

1 材料和方法

1.1 材料

试验材料为延安市不同温室大棚的土壤样品及其甜瓜果实样品，甜瓜品种为星甜20。

1.2 试验设计

1.2.1 土壤取样

在甜瓜7月焖棚时，在延安市宝塔区、安塞区和延长县选择种植星甜20土壤条件相似的温室大棚，采用五点取样法，在每个温室大棚交叉对角线上随机挑选5个大小为1 m×1 m的样方，用开口式土钻取耕层20 cm深土壤样本，混合均匀后用四分法保留各混合样0.5 kg左右，共采集土壤样品320份。土壤样品采集后及时风干除杂，分为两份，分别过10目和20目的筛子备用。

1.2.2 试验设计

在延安市宝塔区、安塞区和延长县选取同一大棚中钾含量存在差异的土壤作为试验土壤，参照《测土配方施肥技术规范》^［5］，可按土壤的有效钾含量将该区土壤分为5个等级区间：严重缺钾Ⅰ（<50 mg/kg）；较为缺钾Ⅱ（50~<70 mg/kg）；含量适宜Ⅲ（70~<100 mg/kg）；含量高Ⅳ（100~<150 mg/kg）；含量极高Ⅴ（150 mg/kg）。同时种植星甜20甜瓜进行试验，种植管理相同，生长期间按甜瓜生长需钾规律适量补充钾肥，待甜瓜处于膨大期时，测量土壤有效钾含量，选取与种植前土壤有效钾含量相同的植株作为生理特性和品质研究的对象，叶片生理特性指标取样部位均为顶端下第5片叶子，甜瓜处于成熟期后，每株有3~4个甜瓜成熟时，同一时间采摘2个果实进行品质指标的测量，每个处理下各生理特性指标及果实品质指标的测量重复3次，每重复取样植株6株。

1.3 测量方法

土壤中速效钾的含量测定采用张雄^［2］的方法；缓效钾的含量测定采用段雅静等^［6］的方法；叶绿素含量的测定采用分光光度法，利用分光光度计测定叶绿素提取液在最大吸收波长下的吸光值，用朗伯~比尔定律计算出提取液中各色素的含量^［7］；可溶性糖含量的测定采用分光光度法^［7］；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法^［8］；有机酸含量测定采用酸碱中和滴定法测定^［7］；净光合速率和蒸腾速率的测定使用德国WALZGFS-3000便携式光合作用－荧光测量系统测定，3次重复测定顶端下第5片叶子；维生素C含量测定采用紫外分光光度法^［8］；甜瓜平均单果重和产量的测定：利用精度为0.01 g的电子天平称量单果重。

1.4 数据处理与统计分析

采用SPSS软件（版本21.0）和Microsoft Excel 2010进行数据统计分析，试验数据表示为平均值±标准差。各处理的比较采用最小显著差数法（LSD）进行多重比较，其中，P>0.05、P<0.05分别表示无显著差异、有显著差异，P>0.01、P<0.01分别表示无极显著差异、有极显著差异。

2 结果与分析

2.1 延安市不同日光温室土壤有效钾和缓效钾含量分布特性

由表1可知，不同日光温室有效钾均值处于适宜水平（Ⅲ级），但缺钾土壤占比超30%，且缓效钾储备呈显著区域差异（P<0.05）。缺钾土壤（Ⅰ+Ⅱ级）普遍存在：合计占比33.3%~40.0%，其中宝塔区缺钾比例最高（40.0%），延长县最低（33.3%）。高钾土壤（Ⅳ+Ⅴ级）区域分异：安塞区（31.4%）>延长县（29.5%）>宝塔区（27.6%），反映钾肥施用空间不均衡。有效钾水平表现出“整体适宜、局部缺乏”的格局，宝塔区缺钾与高钾土壤并存，表明施肥管理缺乏精细化调控。缓效钾均值排序：宝塔区>延长县>安塞区，组间差异显著（F=15.8，P<0.01）。宝塔区缓效钾储量较安塞区高8.1%，表明其钾素长期供应潜力更强。

2.2 不同日光温室土壤有效钾含量对甜瓜叶片生理特性的影响

由图1可知，土壤中不同有效钾含量对甜瓜叶片中的钾含量影响较大，随着土壤中有效钾含量由Ⅰ级增加到Ⅴ级，甜瓜叶片中的钾含量也相应增加，当土壤有效钾含量<70 mg/kg（Ⅰ→Ⅱ）时，增加不显著（P>0.05），表明甜瓜对钾的吸收受限；当土壤有效钾含量为70~<100 mg/kg（Ⅱ→Ⅲ）时，土壤中有效钾含量Ⅲ级在P<0.05水平下显著高于Ⅱ级；大于100 mg/kg（Ⅳ→Ⅴ）时，甜瓜叶片中的含钾量增加不显著（P>0.05），表明有效钾的吸收机制主要是被动吸收，过量钾（150 mg/kg）不能有效增加甜瓜对钾的吸收。

土壤中不同有效钾含量对甜瓜叶片中叶绿素含量的影响，表现为土壤有效钾<50 mg/kg（Ⅰ）时，叶绿素合成严重抑制；50~<100 mg/kg（Ⅱ→Ⅲ）增加显著（P<0.05），钾显著促进了叶绿素的合成；但土壤有效钾达到100 mg/kg以上（Ⅳ→Ⅴ）时，进入平稳期，叶绿素合成达到饱和，其中，Ⅴ组叶绿素最高但光合下降，表明高钾可能引发光抑制。

土壤中不同有效钾含量对甜瓜叶片净光合速率的影响表现为土壤有效钾处于Ⅰ、Ⅱ级时，甜瓜的净光合速率较低，当土壤有效钾含量增加到70~<100 mg/kg（Ⅱ→Ⅲ）时，增加显著（P<0.05）；大于100 mg/kg（Ⅳ→Ⅴ）时，增加不显著（P>0.05）；当土壤有效钾含量大于150 mg/kg时，净光合速率还有所降低。表现出低钾（Ⅰ→Ⅱ）限制，高钾抑制（Ⅴ），最适区间（Ⅲ→Ⅳ）。

土壤中不同有效钾含量对甜瓜叶片蒸腾速率的影响（见图1），表现为随着有效钾含量增加，逐渐上升的趋势。土壤有效钾处于Ⅰ、Ⅱ级时，甜瓜的蒸腾速率较低；当土壤有效钾含量增加到70~<100 mg/kg（Ⅱ→Ⅲ）时，增长显著（P<0.05）；大于100 mg/kg（Ⅳ→Ⅴ）时，对蒸腾速率的增速显著（P<0.05），表明土壤中的有效钾含量能显著增加甜瓜的蒸腾速率，钾能显著激活气孔保卫细胞K⁺通道，引起气孔开度，显著增强蒸腾作用。

2.3 不同温室土壤有效钾含量对甜瓜果实品质的影响

单果重的变化趋势比较明显，随有效钾含量增加显著上升（Ⅰ→Ⅴ：289 g→438 g），增幅达51.6%。表现出低钾（Ⅰ）时单果重最低（289 g），中高钾（Ⅲ~Ⅴ）增长明显（408 g~438 g）；钾含量100 mg/kg（Ⅳ、Ⅴ）时增速放缓（Ⅳ→Ⅴ仅增10 g），可能接近品种生长上限。土壤有效钾70 mg/kg（Ⅲ级）是单果重显著提升的临界点。

可溶性糖是组成甜瓜果实固形物的重要元素之一，对甜瓜果实的口感有重大影响，甜瓜果实的糖含量越高，味道就越好，甜瓜果实中可溶性糖含量的高或低是评价其质量的一个重要指标。由表2可知，随着土壤中有效钾含量的增加，甜瓜果实中的可溶性糖含量持续递增（Ⅰ→Ⅴ：86 mg/g→142 mg/g），增幅达到65.1%；低钾（Ⅰ、Ⅱ）时糖分积累缓慢（86~89 mg/g），有效钾70 mg/kg（Ⅲ）后大幅跃升（130 mg/g），高钾（Ⅳ、Ⅴ）仍保持增长，但增幅趋缓（136 mg/g→142 mg/g），表明有效钾70 mg/kg显著促进糖分合成，100 mg/kg后增效减弱。可以看到，温室土壤中的有效钾含量与甜瓜果实可溶性糖含量之间存在极显著正相关（P<0.01），这说明甜瓜果实可溶性糖含量的增加与土壤中有效钾的含量有关。

可溶性蛋白含量的变化趋势表现为稳定递增（Ⅰ→Ⅴ：3.5 mg/g →6.9 mg/g），增幅97.1%。各阶段增幅较均匀，高钾（Ⅴ）提升最显著（Ⅳ→Ⅴ增1.1 mg/g）。有效钾150 mg/kg（Ⅴ）时达峰值（6.9 mg/g），表明蛋白质积累对钾响应敏感，极高钾仍具显著增效。

维生素C含量的变化趋势表现为有效钾含量达到50 mg/kg时开始快速增加；当有效钾达到70 mg/kg时，增加缓慢。土壤有效钾为Ⅲ级时达到饱和，表明VC积累需要有效钾供应达到70 mg/kg。

有机酸含量的变化趋势表现为先升后降，呈倒“V”型（Ⅰ→Ⅴ：1.5 mg/kg→1.9 mg/kg）。低至中钾（Ⅰ→Ⅲ）缓慢上升（1.5 mg/kg→1.6 mg/kg），中高钾（Ⅳ）骤增至峰值（2.3 mg/kg），极高钾（Ⅴ）回落（1.9 mg/kg），Ⅳ组有机酸显著高于其他组（较Ⅴ组高21%），可能因钾离子平衡影响酸代谢路径。有机酸积累在有效钾100~<150 mg/kg（Ⅳ）达峰，150 mg/kg时受抑制。

3 讨论与结论

一般土壤有效钾的含量只有土壤全钾量的1%~2%，其中土壤溶液钾含量仅占0.1%~0.2%，其余都是土壤交换性钾。土壤中有效钾的含量一般在10~100 mg/kg，从研究结果来看，甜瓜温室土壤中的有效钾的分布Ⅰ区占9.4%，Ⅱ区占28.1%，Ⅲ区100 mg/kg）占9.4%，Ⅳ区占18.7%，Ⅴ区占10.3%，含量极高。适宜甜瓜的有效钾含量占到了62.5%，严重缺有效钾的占9.4%，表明温室土壤的含钾量符合甜瓜种植的含钾量，但有效钾水平表现出“整体适宜、局部缺乏”的格局，反映钾肥施用空间不均衡，缺钾与高钾土壤并存，表明施肥管理缺乏精细化调控。造成其中差异的原因有很多，可能与该地区土壤的母质、质地、耕种以及施肥措施有关。

研究表明，甜瓜的钾营养水平主要取决于土壤有效钾的含量^［9］，甜瓜生长所需的钾元素与土壤中有效钾的含量高低关系很大^［10-11］。钾元素作为多种酶的辅因子，参与蛋白质与糖类等有机物的合成过程^［12］。从研究结果来看，甜瓜在膨大期时，土壤中的有效钾含量与甜瓜的生理特性有密切关系，综合来看，土壤中有效钾含量对甜瓜叶片钾含量、叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率的影响可以分为三个区：低钾区（<70 mg/kg），最适区（100~<150 mg/kg），高钾区（150 mg/kg）。在低钾区，钾的吸收效率受限，光合速率严重抑制，水分利用率一般；在高钾区，钾的吸收效率饱和，光合速率被抑制，水分利用率下降较大；处于最适区，钾的吸收效率最高，光合速率最高，水分利用率得到很好的优化。

在甜瓜的成熟期，土壤中的有效钾含量可以显著增加单果重，生育后期钾促进同化产物向果实转运，成熟期果实干物质分配系数达0.62~0.66，施钾处理的果实干重比对照高165.7 g/株。而缺钾会导致营养器官干物质滞留，降低果实膨大速率，进而影响单果重^［13］。

随着土壤中有效钾含量的增加，甜瓜果实可溶性糖的增加显著，这与吕艳玲等^［14］研究相符合。钾促进可溶性糖持续累积的原因首先在高钾下果实库活性增强，糖卸载能力提升，可以避免叶片糖积累反馈抑制光合，研究表明土壤有效钾达到Ⅴ级时较Ⅰ级可溶性糖含量增加了65%，同时，K⁺直接激活糖代谢关键酶激活蔗糖合成酶和转化酶有关， 可以促进蔗糖水解为葡萄糖和果糖，当土壤有效钾达到Ⅲ级时可溶性糖含量开始显著增加。此外，钾可以促进保卫细胞K⁺积累，通过调节气孔开度增加CO₂吸收，提高RuBisCO羧化效率，增加了光合同化产物的积累。本研究中土壤有效钾>70 mg/kg时显著提升单果重和糖度。

可溶性蛋白含量在许多方面可以促进甜瓜果实的生长和成熟，随着土壤中有效钾含量的增加，甜瓜果实中的可溶性蛋白也显著增加，对甜瓜的生长与成熟起到了显著的促进作用，K⁺促进可溶性蛋白含量的原因是硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的辅因子，促进硝酸盐还原与氨基酸合成，促进氮代谢，土壤有效钾达到Ⅴ区时，果实可溶性蛋白含量达6.9 mg/g。同时，高钾诱导抗氧化蛋白（如超氧化物歧化酶SOD）合成，可以提高果实发育期的抗胁迫能力。

维生素C不仅是维持植物正常生理功能、抵抗逆境胁迫、保证品质（色泽、质地、风味、耐贮性）形成不可或缺的关键物质^［15］，而且植物果实中丰富的维生素C还为植物提供了强大的抗氧化保护、免疫支持、促进胶原合成和铁吸收等保障^［16］，因此，甜瓜果实中维生素C的含量不仅是衡量其内在品质和抗性的指标，更是其营养价值的重要体现。K⁺可以诱导脱氢抗坏血酸还原酶再生氧化型VC，同时提升抗坏血酸过氧化物酶活性，促进维生素C的合成，研究结果表明，土壤中高钾含量较低钾可以显著促进甜瓜果实中的维生素C含量的增加，土壤有效钾含量达到Ⅲ区时维生素C显著增加，胡泽彬等^［17］的研究也表明钾含量的增加可以显著提高甜瓜果实的维生素C含量。

果实有机酸既是风味的指标，可以平衡甜度、塑造香气，又是代谢枢纽（酶控合成与贮运），同时兼具营养（协同维生素、促矿物质吸收）和加工价值（保鲜、风味稳定）。研究结果表明，土壤有效钾可以促进果实含酸量的增加，与糖含量的比例适中，但极高钾含量能显著提高甜瓜果实的含酸量，影响甜瓜的风味。土壤有效钾对甜瓜果实单果重、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、维生素C和有机酸的促进作用与康利允等^［18］的研究结果一致。

综上所述，土壤有效钾含量对甜瓜的生理特性及果实品质具有显著影响。在生理层面，当有效钾含量达到70 mg/kg以上时，甜瓜的光合性能与蒸腾效率显著提升；在果实品质方面，土壤有效钾含量维持在100~<150 mg/kg，可实现单果重、可溶性糖、可溶性蛋白及风味酸含量的均衡优化，从而保障甜瓜的综合品质。因此，在生产实践中，建议将土壤有效钾含量维持在100~<150 mg/kg作为目标范围，以充分发挥钾素对甜瓜产量与品质的提升作用。针对延安市温室土壤有效钾差异大的现状，应重视钾肥的合理运筹，实施测土施肥，在低钾区域适当增施钾肥，以实现优质高产的生产目标。

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基金资助

陕西省重点研发计划项目(2025NC-YBXM-296)

2024年国家级大学生创新创业训练计划项目(202410719049)