疏勒河流域辣椒膜下滴灌耗水规律及节水型灌溉制度研究

吴 婕

(甘肃省水利科学研究院，兰州 730000)

疏勒河流域是甘肃省三大内陆河流域之一，位于河西走廊最西端，由于地处内陆河干旱半干旱地区，降水稀少，蒸发强烈，生态环境十分脆弱。近年来，随着疏勒河流域开发的不断深入，经济社会的发展对水资源需求急剧增长，水资源短缺将成为制约流域经济发展的关键因素。面对如此严峻的用水局势，流域内农业灌溉用水方式粗放，水资源浪费严重，流域现状节水灌溉率仅为32.41%[1]，可见节水灌溉技术在疏勒河流域有很大的发展空间，通过大力发展节水农业，还水于生态，对疏勒河流域水资源可持续发展具有十分重要的意义。

甘肃河西走廊丰富的光照资源和独特的气候条件非常适宜干制辣椒生长，所产辣椒色泽、品味好，是甘肃省最大的色素辣椒生产基地[2]。其中疏勒河流域，广阔的戈壁滩作天然晒场，为规模化生产干制辣椒提供有利条件，种植干制辣椒已成为疏勒河流域经济增长的稳定支柱。目前，国内学者对辣椒耗水特性、水分利用等方面的灌溉试验进行了很多，并取得了一定的研究成果。黄兴学[3]等在辣椒开花座果期、盛果期进行不同灌溉上限的灌溉指标研究，霍海霞[4]在陕西杨凌对盆栽牛角辣椒利用防雨棚进行控水灌溉、耗水规律研究，刘学军[5]等针对日光温室辣椒膜下滴灌进行灌溉制度试验，陶君[6]等在宁夏开展了温室微咸水膜下滴灌条件下的辣椒最优灌溉制度试验，纪立东[7]等对设施辣椒滴灌施肥条件下进行需水、需肥规律及盐分空间变异特征研究，李道西[8]等针对现代化玻璃温室地表和地下滴灌方式开展辣椒耗水特性试验研究，张玲丽[9]在内陆干旱条件下进行辣椒生长生理对畦灌和膜下滴灌响应研究，程凤林[10]等在武威市凉州区进行膜下滴灌条件下辣椒生长和产量的影响研究，胡志桥[11]等通过大田试验探索辣椒等作物适宜石羊河流域的灌溉制度，黄海霞[12,13]等通过调亏灌溉研究干旱荒漠区露地辣椒耗水规律，王世杰[14]等针对膜下滴灌调亏辣椒试验分析产量构成要素和提出水分生产函数，韩国君[15]等研究隔沟交替灌溉条件下辣椒各生育期的耗水特征及作物系数。以上学者的研究对促进辣椒精准灌溉、高效高产具有良好的指导作用，但针对温室和盆栽条件下辣椒灌溉试验研究居多，对西北干旱区大田膜下滴灌辣椒耗水规律和灌溉制度研究较少，尤其缺乏针对疏勒河流域开展的相关试验研究。为此，本试验通过对膜下滴灌条件下辣椒耗水规律进行研究，提出最适宜疏勒河流域膜下滴灌辣椒种植灌溉制度，其成果对于指导当地的辣椒生产、节约农业用水量等具有重要的意义，同时对在当地应用推广膜下滴灌技术具有积极的推动意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省玉门市新城区以北约10 km的黄闸湾乡梁子沟村，东与下西号黄花农场毗邻，西与柳河乡接壤，北与肃北蒙古族自治县相连。处于河西走廊西端，年平均降水量约60 mm，年平均温度约7 ℃，月平均气温在零度以下时间为4个月，年平均温差13.3 ℃，年温差32.1 ℃。

本试验在清华大学水沙科学和水利水电工程重点实验室疏勒河试验基地进行，其地理坐标为东经97°01′26″，北纬40°12′43″，海拔1 459 m。试验地土质为中壤土，pH值8.4，土壤容重为1.46 g/cm3，质量田间持水量为22.8%。耕层内(0～20 cm)含有机物质1.365%，碱解氮61.8×10-6，速效磷13.4×10-6，速效钾190.4×10-6。土壤养分数据见表1。

表1 试验小区土壤基础养分

1.2 试验布置与试验设计

试验采取膜下滴灌与覆膜管灌(即对照区)2种灌溉方式，其中膜下滴灌区设置3个处理，常规覆膜管灌1个处理，每个处理3个重复，即3个小区。试验小区是东西方向的，从北向南顺序排列，试验小区面积都是60.0 m2(长30 m×宽2 m)。辣椒供试品种为甘肃省武威市绿洲种业公司生产的美国红，俗称“大板椒”，于2015年4月18号播种，4月23号出苗，9月18号收获，全生育期总共151 d。试验区地膜均采用145 cm宽的聚乙烯膜，播种行距40 cm，株距20 cm，每穴2～3粒种植，播前施底肥磷二铵225 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，钾肥150 kg/hm2。膜下滴灌区播种方式为1膜4行、1膜2管，对照区播种方式为1膜4行，播后均灌安种水900 m3/hm2，以后膜下滴灌灌水8次，对照灌水5次。膜下滴灌辣椒种植模式示意图见图1，田间试验灌溉方案见表2。

图1 膜下滴灌辣椒种植模式示意图(单位：cm)

处理种植方式灌水定额/(m3·hm-2·次-1)灌溉定额/(m3·hm-2)DG11膜4行1膜2管2703060DG21膜4行1膜2管3303540DG31膜4行1膜2管3904020CK1膜4行膜上灌9005400

1.3 测定项目与方法

(1)作物生长指标及产量测定。各处理在苗期、开花期、坐果期、膨大期和成熟期5个生育期分别测定辣椒株高、叶面积、干物质，收获期按各小区采摘、称重，计算每个处理的产量。

(2)果实品质测定。选用费林法(GB6194-1986)、荧光法(GB/T5009.86-2003)、凯氏法(GB/T5009.5-2010)、阿贝折射仪(GB/T12295-1990)分别测定可溶性总糖、维生素C、蛋白质含量、可溶性固形物。

1.4 数据处理及统计分析方法

试验得到的数据的处理分析软件是Excel和DPS，主要是进行植株生理生态、产量、水分生产效率影响分析。

2 不同灌水处理辣椒生长动态变化

2.1 不同灌水处理对辣椒生长的影响

株高是衡量作物生长状况是否合理的一个直观指标，其高矮直接影响着作物前期的光能利用率和后期产量的高低。从图2看出，辣椒从苗期到开花期株高增长较慢，开花期到坐果期株高增长速率最快，到了8月中旬即辣椒膨大期株高达到最大值。坐果期株高是开花期的3.2倍，膨大期株高是坐果期的1.2倍，表明开花期到坐果期是辣椒营养生殖最旺盛的时期。在辣椒膨大期、成熟期，灌水量最大的CK株高最大，灌水量最小的DG1株高最小，表明水分对辣椒株高的生长起到决定性作用，株高随灌水量的增大而增大。尽管CK与DG2、DG3长势相差不大，差异不显著(p>0.05)，但由于灌水量较大，不利于缺水地区推广，且达不到节水增效的目的。

图2 不同灌水处理对玉米株高影响

叶面积系数是衡量群体结构的一个重要指标，其大小直接与最终产量高低密切相关。从图3看出，全生育期不同灌水处理辣椒叶面积坐果期至膨大期达到高峰，此后叶面积开始衰减，其变化规律为膨大期>成熟期>坐果期>开花期>苗期。坐果期叶面积系数是开花期的5.6倍，膨大期叶面积系数是坐果期的1.6倍，可见开花期至坐果期是辣椒叶面积增速最大期，此时应注意适时灌水，避免因缺水抑制辣椒生长。总体来看，不同灌水处理叶面积随着灌水量的增大而增大，2者呈正相关，尤其是开花期前灌水量最大的CK对叶面积影响较大，造成各处理叶面积存在着显著差异，后期灌水量大小对叶面积影响较小，差异不显著(p>0.05)。

图3 不同灌水处理对玉米叶面积影响

2.2 不同灌水处理对辣椒干物质积累影响

从图4中可以看出，辣椒的地上部分干物质重量整体呈显出“慢-快-慢”的增长趋势，在辣椒的生长发育前期其上升幅度较为缓慢，说明干物质积累的增长速度较为低下，从开花期开始，干物质的积累量增加速度上升，其中坐果期至膨大期干物质平均增长了22.88 g，占整个生育期干物质总量的50%以上，到生育期后期，果实基本成型，光合作用减弱，生物量增长有所放缓，干物质累计也有所减小。其中DG1由于灌水量最少，干物质增长总体上低于其他处理，DG2在成熟后期由于结果率最高，其干物质明显高于其他处理。

图4 辣椒干物质积累变化

图5为辣椒DG2地上部各器官干物质在整个生育期的变化图。从图5中看出辣椒叶片整个生育期干物质的积累量是前期增长后期减缓；辣椒茎干干物质量呈逐渐增加的趋势，进入坐果期后所占比例达到峰值；辣椒进入坐果期，器官存储的营养成分逐渐向辣椒果实移动，果实干重与整株干重的比值逐渐增大，尤其是膨大期果实急剧增长，果实干物质增长效果明显。其中坐果期至膨大期平均增长20.6 g，日均增长0.736 g；

图5 辣椒各器官干物质量积累变化

膨大期至成熟期平均增长8.17 g，日均增长0.371 g，因而坐果期和膨大期是辣椒果实干物质积累的主要时期。

2.3 不同灌水处理对辣椒品质的影响

辣椒是一种营养丰富的蔬菜，营养品质主要由维生素Vc、可溶性糖、可溶性固形物、蛋白质含量决定。由表3可以看出，不同灌水处理可溶性蛋白质、Vc、可溶性固形物、可溶性糖含量差异显著(p<0.05)，表明不同灌水量对辣椒的可溶性蛋白质、Vc、可溶性固形物、可溶性糖含量都有很大的影响，即水分对辣椒生长发育、营养品质有很大的影响。从试验结果来看，DG2可溶性糖、可溶性固形物、Vc、可溶性蛋白含量较对照CK分别显著提高3.61%、3.90%、13.88%、29.76%，说明DG2处理能够较好地协调可溶性糖、可溶性固形物、Vc与可溶性蛋白含量之间的关系。

表3 不同灌水处理辣椒营养品质含量

注：5%水平下显著性标注。

3 不同灌水处理对辣椒耗水特性影响

3.1 耗水规律分析

根据灌水量、实测的土壤含水率及降雨量，采用水量平衡方程计算辣椒不同处理全生育期和各个阶段的耗水量以及耗水特性结果详见表4和图6。由表4和图6看出，不同灌水处理全生育期的耗水量均随着灌水量的增加而增加，2者呈极显著正相关。在苗期，辣椒是根和叶片的发生和生长的阶段，植株较小，叶面积较小，农田耗水以棵间蒸发为主，蒸腾耗水只用于植株的营养器官的生长发育，蒸腾量较少；进入开花期后，随着植株的快速增长和叶片数增加，形成了较大的叶面积，制造较多的光合产物，同时此时段气温升高，生长发育所需要的土壤水分下限值也随之增高，作物生理需水急剧增加，此阶段耗水量达到最大，依次为CK(150.08 mm)>DG3(127.76 mm)>DG2(119.91 mm)>DG1(117.02 mm)；进入坐果期以后随着部分底部叶片脱落，耗水量较开花期有所降低，但植株仍然处于生长阶段；进入膨大期以后，辣椒果实由小变大，此阶段是辣椒生长的关键时期，此时灌水量对辣椒产量有着显著提升的作用；进入成熟期以后，果实基本成型，光合作用减弱，随着灌水的停止，气温下降，蒸腾蒸发量达到最小，耗水量减少。开花期的耗水量为117.02～150.08 mm，占全生育期耗水量比例较大，此阶段是辣椒全生育期需水关键期，也是辣椒对水分最敏感的时期，对产量的形成起关键的作用，因此在此阶段应及时地灌水施肥，以保证辣椒正常生长所需的水分和养分要求。

表4 不同灌水处理辣椒不同生育期耗水特性

图6 不同处理下辣椒生育期耗水规律

图7 不同处理下辣椒日耗水强度的变化

3.2 耗水强度分析

由表4和图7看出，辣椒全生育期耗水强度从大到小依次为坐果期、成熟期、膨大期、开花期和苗期，苗期、开花期的耗水强度小于全生育期平均耗水强度，坐果期、膨大期、成熟期的耗水强度均大于全生育期平均耗水强度。对照CK耗水强度显著大于膜下滴灌各处理，说明耗水强度大小与灌水量大小呈正相关。辣椒坐果期生育时间较短，耗水强度最大，开花期、膨大期、成熟期耗水强度接近；开花期虽耗水量最大，因生育时期比较长，日耗水强度较低，而苗期辣椒发育缓慢，同时气温较低，植株蒸腾与地面蒸发作用弱，耗水强度最小。

3.3 耗水模数分析

由表4和图8看出，辣椒开花期的耗水模数最大，均在25%以上，这是因为开花期光合作用强烈，植株快速增长、叶片数增加，且生育时期较长，耗水量较大；成熟期耗水量最小，这是因为该时期辣椒生长发育基本结束，果实基本成型，光合作用减弱，同时该阶段气温下降，蒸腾蒸发量达到最小，耗水量减少，故耗水模数最低。开花期、坐果期和膨大期这3个生育期的耗水量占全生育期耗水量比例达60%以上，是辣椒全生育期3个需水关键期，对产量的形成起关键的作用，应保证辣椒正常生长所需的水分和养分要求。

图8 不同处理下辣椒各生育期耗水模数变化

4 不同灌水处理对辣椒产量及水分利用效率的影响

从图9中看出，处理DG2产量最高，为35 013 kg/hm2，与DG1、DG3、CK产量相比，DG2产量分别提高了8.6%、1.6%、10.3%，DG2产量显著高于其他处理。可见，作物产量并不随着灌水量的增大而增大，灌水量过大，反而使大部分水分用来促进茎叶生长，致使产量降低。本试验灌水定额330 m3/(hm2·次)即处理DG2获得最高产量，相比CK节水34.4%。

图9 不同灌水量对辣椒产量影响

从图10中看出，整个生育期水分利用效率随灌水量增加而减小，处理DG1的水分利用效率最大，为8.42 kg/m3，灌水量最多的对照处理CK水分利用效率最小，为5.47 kg/m3，各处理间水分利用效率存在较大差异(p<0.05)。就处理CK来说，土壤水分含量过高时，光合作用减小，蒸腾持续增长导致作物耗水过多，增加了无效水分消耗，最终导致水分利用效率下降。

图10 不同灌水量对辣椒水分利用效率的影响

综合辣椒产量和水分利用效率分析考虑，虽然处理DG2和处理DG3产量没有显著性差异，但水分利用效率存在显著差异(p<0.05)，DG2的灌溉定额比较有利于辣椒产量的提高。

5 辣椒灌溉制度确定

根据不同灌水处理对辣椒全生育期耗水特性以及产量试验结果，结合不同灌水处理对辣椒生长、品质的影响分析，建议适合疏勒河流域辣椒膜下滴灌灌溉制度为全生育期灌水次数9次，灌溉定额3 540 m3/hm2，不同生育期水量分配见表5。

表5 疏勒河流域辣椒膜下滴灌最适宜灌溉制度

6 结 论

本研究以疏勒河流域色素辣椒为研究对象，对各生育时期辣椒植株进行取样分析，分析不同灌水量对辣椒全生育期生长指标、产量以及水分生产效率影响，研究辣椒全生育期耗水特性，提出疏勒河流域最适宜灌溉制度，为辣椒实现高效高产提供理论基础。

通过试验得出：辣椒开花期至坐果期是株高、叶面积增速最大期，坐果期株高、叶面积分别是开花期的3.2倍、5.6倍，表明开花期到坐果期是辣椒营养生殖最旺盛的时期，且株高和叶面积随着灌水量的增大而增大。辣椒从开花期开始，干物质积累量迅速增长，坐果期至膨大期干物质平均增加了22.88 g，占整个生育期干物质总量的50%以上，此时辣椒器官存储的营养成分逐渐向果实和籽移动，果实干重与整株干重的比值逐渐增大，尤其是膨大期果实急剧增长，果实干物质增长效果明显。不同灌水处理可溶性蛋白质、Vc、可溶性固形物、可溶性糖含量差异显著(p<0.05)，即水分对辣椒生长发育、营养品质有很大的影响，其中DG2可溶性糖、可溶性固形物、Vc、可溶性蛋白含量较对照CK分别显著提高3.61%、3.90%、13.88%、29.76%，说明处理DG2相比其他处理显著提高辣椒品质。全生育期耗水量呈现由低到高再降低的变化趋势，其中开 花期耗水模数最大，均在25%以上，但因其生育时期比较长，日耗水强度较坐果期低；坐果期虽比开花期耗水模数小，但生育时间较短，耗水强度最大；开花期、坐果期和膨大期这3个生育期的耗水量占全生育期耗水量比例达60%以上，此时是辣椒对水分最敏感的时期，应保证辣椒正常生长所需的水分和养分要求。处理DG2产量最高，相比CK产量提高10.3%，水分利用效率提高2.58kg/m3，节约水资源量4560m3/hm2。综合辣椒产量和水分生产效率考虑，结合不同灌水处理对辣椒生长、品质以及耗水特性分析，建议适合疏勒河流域辣椒膜下滴灌的灌溉制度为全生育期灌水次数9次，灌溉定额3540m3/hm2。