基于ET灌溉对设施尖椒生长及水肥利用效率的影响

李 超，张 航，胡浩云，杨胜利，黄俊雄

(1.河北工程大学水电学院，河北 邯郸 056021；2.北京市水科学技术研究院，北京100048；3.北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京100048)

0 引 言

设施农业是现代农业的重要内容，因为具有良好的经济与社会效益，近些年得到迅速发展，根据中国统计年鉴等资料[1,2]，2010年我国设施蔬菜种植面积有183 万hm2，随后逐年递增，至2016年已经发展到391.5 万hm2，占国内蔬菜种植总面积的比例从2010年的12.03%提高到17.53%。水分和肥料是影响作物生长发育先决条件，适宜灌水能起到调肥作用，提高肥料的利用率[3]，灌水量过多会导致土壤缺氧，容易造成植物气孔的关闭，还会造成肥力的淋失[4,5]；适量亏缺灌溉可以刺激作物生长，产生作物生长和水分利用的补偿效应，有利于作物增产提质[6]。氮素作为作物生长所需的大量元素之一，是土壤中最活跃的因素之一，适量增施氮肥促进作物生长，而氮肥过量不仅对增产无益，还会降低肥料的利用率[7]，甚至造成减产、生长不良、环境污染等问题[8-10]。

随着农作物精细化管理水平的不断提高，精准灌溉决策及控制系统应用越来广泛，实时灌溉决策方法主要分为4 类[11]，即基于蒸散量计算和水量平衡的方法、基于土壤水分的方法、基于作物水分的方法和基于模型的方法，其中，基于蒸散量和水量平衡的灌溉决策方法应用较多[12-15]，但是在节水、优质、高产前提下不同ET灌溉对作物生长及水肥利用效率的影响相关研究还较少，张航[16]玉米大田试验灌水量是依据作物蒸散量(ET0)和水量平衡方法确定，设了50%，70%和100%三个水平，试验结果显示不同灌水量对玉米产量的影响不显著；范海燕[17]等利用不同水文年ET0、ETC和降雨量P0制定了苹果树高效节水灌溉制度。本文拟研究基于ETc灌溉下，设施尖椒生长情况及水肥利用效率的响应特征，以便为今后设施作物基于ETc进行精准灌溉决策提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

尖椒试验在北京通州区永乐店北京市灌溉试验中心站内2号日光温室进行，该站地处北纬39°20′、东经114°20′，多年平均降水量565 mm，多年平均水面蒸发量1 140 mm左右，多年平均气温约11.5 ℃。温室为东西走向，全长90.7 m，净宽8.67 m，占地面积780.3 m2。温室共12个小区，每区尺寸为6.9 m×7 m。温室内于两端各设置宽为2.5 m的保护区。土壤质地为壤土，田间持水率FC为30%，容重为1.36 g/cm3。

1.2 试验设计

尖椒于2016年2月25日移栽，试验品种为“迅驰”。每小区4垄行距为45 cm，株距为43 cm，每行17株左右。每行布置一条滴管带，滴头间距30 cm。播种前施加有机肥23.25 t/hm2，总有机质45%，N、P、K含量分别为1.5%、3%、2.5%。为确保幼苗成活率，苗期进行3次灌水，不同处理灌水量相同。根据尖椒的生长特性，全生育期共152 d，各生育阶段划分见表1。

表1 尖椒生育期始末时段Tab.1 The period of the pepper

试验设置水分和氮肥两个因素，以设施尖椒计算时段内作物需水量ETc为控制因子，设置两个灌水水平：70%ETc、90%ETc，依次标记为W1、W2，当计划湿润层含水率为60%FC～70%FC时进行灌水，苗期土壤计划湿润层为0～20 cm，其他生育期为0～60 cm。试验生育期氮素设置N1(120 kg/hm2)、N2(150 kg/hm2)两个水平，肥料选尿素(含氮量46%)，根据作物需要，分别在第一穗果坐住后(2016/4/7)和第二穗果膨大期(2016/5/8)同比例施加，采用比例施肥泵按照“1/4清水-1/2随水施肥-1/4清水”模式注入[18]。双因素随机区组设计，共4个处理，每个处理3次重复，共计12个小区。试验设置见表2。

参考作物蒸散量ET0、作物需水量ETc根据FAO-56修正Penman-Monteith公式[12](1)、(2)计算，各处理灌水时间以及灌水量结果如图1所示。

(1)

表2 不同试验处理设置及其所辖小区Tab.2 Grouping different treatment test areas

ETc=KcET0

(2)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Δ为温度随饱和水汽压变化斜率，kPa/℃；Rn为温室净辐射量，MJ/(m2·d)；G为近地面土壤热通量密度，MJ/(m2·d)，试验计算过程不考虑；γ为干湿表常数，kPa/℃；U为高度2 m处平均风速，m/s；es、ea分别为温室饱和水汽压和实际水汽压，kPa；T为温室日平均气温，℃；ETc为作物需水量，mm/d；Kc为作物系数。

图1 设施尖椒累积灌水量Fig.1 Facility pepper accumulation cumulative irrigation

1.3 观测指标和方法

土壤水分：每个处理安装一台型号为WatchDog1400的土壤含水量测量仪，实时监测土壤体积含水率，监测深度为5、15、30、50 cm。同时用烘干法测土壤含水率，校正仪器自动监测数据。

土壤温度：HZTJ1土壤温度记录仪测定土壤实时温度，观测深度为10、20、40、60 cm，每个处理布置一个监测点。

温室内设有小型气象站(Watch Dog2000)，可自动监测室内太阳辐射、温度、相对湿度等气象参数。

生长指标：试验每隔一周左右测量尖椒株高、茎粗、叶面积，其中株高测量为其顶端至根基处，采用十字交叉法量取尖椒基部茎秆直径，测量部位始终位于茎秆基部第1节间处；网格法测量叶面积。

品质指标：盛果期(2016/5/27)测定设施尖椒的粗蛋白、可溶性糖、氨基酸、还原性Vc、硝态氮、水分等指标含量，其中重量法测定粗蛋白；蒽酮比色法测定可溶性糖；茚三酮法测氨基酸；2，6-二氯酚靛酚法测定还原性Vc；连续流动分析仪测定果实中硝态氮含量；烘干法测果实中水分。

产量：按处理定期采收尖椒，采用精度为50 g电子秤称重。

灌溉水分利用效率IWUE通过公式(3)计算：

IWUE=Y/I

(3)

氮肥偏生产力PFP(kg/kg)通过公式(4)计算：

PFP=Y/N

(4)

设施尖椒耗水ET耗根据水量平衡公式计算，因为试验温室膜下滴灌，试验区地下水位较深(一般在8.0 m以下)，则降雨、地表径流、地下补给量、深层渗流量均可忽略不计，水量平衡方程简化为式(5)所示：

ET耗=I-ΔW

(5)

式中：IWUE为灌溉水分利用效率，kg/m3；Y为作物产量，kg/hm2；I为作物全生育期灌水量，m3/hm2；PFP为氮肥偏生产力，kg/kg；N为作物全生育期施氮量，kg/hm2；ET耗为耗水量，mm；ΔW为土壤储水量(θ2-θ1)，mm，计算时段内时段末和时段初计划湿润层土壤水分变化量。

1.4 分析方法

数据采用EXCEL进行整理与作图，SPSS 22进行方差分析(采用Duncan新复极差法进行显著性检验)。

2 试验结果与分析

2.1 不同水氮处理土壤含水量变化

各处理生育期0～60 cm土层范围的土壤平均含水量变化趋势如图2所示。由图2可知，不同处理土壤含水量生育期变化趋势大致相同，苗期和开花坐果期土壤含水量相对较大；盛果期，作物需水量变大，温室气温开始上升，土壤含水量呈下降趋势，直至尾果期，土壤含水量才开始缓慢上升，全生育期各处理土壤平均水分含量20.35%～23.52%，相同施氮量情况下，W2处理土壤含水量比W1处理相对较高，N2处理苗期和开花期除外，主要受W1N2处理初始土壤含水量较高，但是至盛果期，不同灌水的影响显现出来，土壤含水量W2N2>W1N2处理。相同灌水水平，不同施氮量处理土壤含水量差别不大。通过方差分析，各处理全生育期平均土壤含水量之间的差异没有达到显著水平。

图2 设施尖椒土壤含水量变化Fig.2 The soil moisture

2.2 不同水氮处理设施尖椒耗水规律

表3为各生育阶段作物耗水量，由表可知尖椒耗水量随生育期推进呈现“先增后降”变化趋势，而耗水强度随生育期推进呈现“递增”变化趋势。相同灌水水平下，高施氮量处理的作物耗水强度较大，W1N2处理比W1N1处理提高6.44%，W2N2处理比W2N1处理提高1.90%；相同施氮水平下，90%ETc灌水处理的耗水量相对较大。

表3 各处理各生育期耗水量Tab.3 Water consumption at different growth stages for all treatments

2.3 尖椒植株生长对水肥耦合的响应特征

水肥耦合下尖椒生育期内株高、茎粗、单株叶面积变化如图3所示，不同水肥处理条件下尖椒植株在整个生育期变化趋势相同，苗期和开花坐果期植株主要为营养生长，作物生长较快，随后作物进入生殖生长阶段，根系吸收养分主要供给果实增长，因此盛果期生长缓慢，尾果期后植株逐渐枯萎，株高和单株叶面积呈现下降趋势。由图3可以看出，不同水肥处理间尖椒植株间差异随生育期推进逐渐增大；整体来看，W2N2处理尖椒株高较高，W2N1处理生育后期尖椒茎粗，W2N2处理生育前期长势较好。相同施氮水平下，W2灌水处理尖椒株高、茎粗、单株叶面积高于W1处理；相同灌水量条件下，N2处理植株株高大于N1处理。

图3 设施尖椒植株的动态变化Fig.3 The dynamic changes of plant

2.4 不同设施条件处理下尖椒的品质影响

表4为水肥耦合对尖椒各品质指标影响，由表3可知，各处理粗蛋白和可溶性总糖相差不大，W2处理的尖椒水分含量相对较大；相同施氮量情况下，W1处理氨基酸、还原性Vc含量较大，但硝态氮含量也较大；相同水分情况下，N2处理氨基酸、硝态氮含量较大,说明低水分处理下，有利于尖椒品质的形成，为降低硝态氮含量，可适当降低施氮量。通过方差分析，各处理的品质指标均没有达到显著水平。

表4 各处理对尖椒品质影响Tab.4 Effect of different treatment on quality of Pepper fruit

2.5 不同处理对尖椒产量及水氮利用效率的影响

表5为各处理尖椒产量、灌溉水分利用效率和氮肥偏生产力影响。由表可知，尖椒产量为W2N2>W1N1>W1N2>W2N1，W2N2产量最高，为47 702.56 kg/hm2，W2N1产量最低，为43 968.94 kg/hm2，可能因为W2N1处理生育后期茎粗、单株叶面积较大，生理生长旺盛，影响了尖椒生殖生长。方差分析结果显示，灌水量、施氮量及水氮交互作用对尖椒产量均无显著影响。但从产量来看，对于设施尖椒，建议采用高水高肥或者低水低肥。

灌水量对灌溉水分利用效率影响极显著，相同施氮水平下，减少灌水量可显著提高尖椒灌溉水分利用效率，W1处理比平均比W2处理提高了32.8%。但是施氮量和两者交互作用对土壤水分利用效率影响不显著。灌水量、施氮量及水氮交互作用对氮肥偏生产力均无显著影响，W1N1处理氮肥偏生产力为最高水平，平均为101.110 3 kg/kg。

表5 不同处理下尖椒产量及水氮利用效率Tab.5 The Yield IWUE and PFP under different treatment

注：以上数据为各处理下均值；同列不同字母表示在5%水平下差异显著；*、**分别表示在5%和1%下差异达到显著或极显著水平。

3 讨论与结论

(1)灌水量越大，土壤含水量相对较大，特别是在盛果期，不同灌水的影响效果较明显；有些学者[19,20]研究表明生育期耗水量一般表现为前期小、中期大(生殖生长阶段)、后期下降，而设施尖椒生育后期枝叶干枯脱落，根系吸水能力下降，但由于气温上升土壤蒸发强度增大，故尖椒耗水强度随生育期推进而增强，高灌水量和高施氮量处理耗水量相对较大。

(2)水肥是影响作物生长的重要因素之一，研究表明适宜范围内加重亏水程度，减少作物徒长，产量不减反增，而合理范围内增加施氮量促进植株生长；研究发现不同水平水肥处理间作物品质间无显著差异，这与张娟[21]等人研究结果相似；本次试验情况下，高灌水量和高施氮量处理的株高、茎粗和叶面积相对较大，说明高水多氮有利于促进作物生殖生长。各处理产量没有达到显著差异水平，但低水和低肥有利于品质和水肥利用效率的提升，特别是水分利用效率的差别达到显著水平。

综上所述，建议北京地区温室尖椒的灌溉制度采用W1N1处理，即灌水量为作物需水量的70%(70%ET)，施氮量为120 kg/hm2。下一步应该做更多水平的处理来探究基于ET灌溉对作物和水肥利用效率的影响，以便为设施作物更精准灌溉提供依据。