基于产量品质及水肥利用率的袋培辣椒水肥耦合方案

胡晓辉，高子星，马永博，薛建康，谢志龙，李 雪，张林阳，王君正，马雪强，屈 锋，张 佼

·农业水土工程·

基于产量品质及水肥利用率的袋培辣椒水肥耦合方案

胡晓辉1,2,3，高子星1,2，马永博1，薛建康1，谢志龙1，李 雪1，张林阳1，王君正1,2，马雪强1,2，屈 锋1,2，张 佼1,2

（1. 西北农林科技大学园艺学院，杨凌 712100；2. 农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，杨凌 712100；3. 陕西省设施农业工程技术研究中心，杨凌 712100）

为探究水肥耦合对袋培辣椒产量、果实品质、水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）和肥料利用率（Fertilizer Use Efficiency，FUE）的影响，构建袋培辣椒水肥精准化管理模式，该研究以‘博陇（37-94）Bolon RZ F1’辣椒为对象，设3种灌溉水平（基质相对含水量70%～75%（W1）、55%～60%（W2）和40%～45%（W3））、3个营养液浓度水平（设置150%（F1）、100%（F2）、80%（F3）标准山崎辣椒营养液浓度）和2个营养液供应量（正常供应、减量供应（每次辣椒采收前6 d营养液减量40%供应））三因素耦合，共18个处理，分析各因子及其耦合效应，建立综合评价辣椒产量、WUE、FUE及果实综合品质的多目标优化模型，并利用遗传算法多目标优化法对该模型进行寻优。结果表明：灌溉量和营养液浓度单因子及其耦合效应均对辣椒产量、WUE和FUE有显著性影响，产量、WUE和FUE均随灌溉量和营养液浓度的增加先增加后降低；利用Topsis法对各处理的果实品质进行综合评价，营养液减量供应可在维持产量和WUE较高的基础上，显著提高辣椒果实综合品质和FUE；营养液减量供应下W2F2处理的辣椒产量、WUE和FUE最高，营养液减量供应下W2F1处理果实综合品质最好。遗传算法多目标优化法寻优表明营养液减量供应结合W2F2处理效果最佳。该试验条件下，高产优质的袋培辣椒水肥耦合方案为：通过灌溉将基质相对含水量控制在55%～60%，施用100%浓度的标准山崎辣椒营养液，且每次辣椒采收前6 d营养液减量40%供应。该模式下的辣椒产量达到87 930.52 kg/hm2，果实品质综合评价贴合度达到0.742，WUE和FUE分别达到41.14 kg/m3和38.83%，此结果可为辣椒高产优质且水肥科学管理提供指导依据。

灌溉；施肥；产量；品质；辣椒；水分利用效率；肥料利用率；多目标优化评判

0 引 言

辣椒（L.）是中国重要的蔬菜作物之一，由于其生长期长、水肥需求量大，过量灌溉和滥用化肥导致栽培环境恶化等现象突出[1]，基质袋式栽培摆脱了传统栽培对土壤的依赖，以其营养物质供应精准、节水省肥等优势，已成为解决设施生产中土壤问题的最有效手段[2]，也是中国设施蔬菜生产的重点推广技术。

水肥是影响蔬菜作物生长和生产效益的重要因素[3]，基质栽培中，基质含水量可以反映灌溉量，作物所需要的肥料多以营养液形式提供，因此灌溉量和营养液管理（营养液浓度和营养液供应量）是基质栽培的关键因素，研究三者对设施蔬菜产量、品质和水肥利用效率的影响，对制定高产高效的基质栽培管理制度具有重要意义。前人在灌溉量及基质含水量方面进行了大量研究，有研究表明通过控制栽培介质的水分含量，可提高果实品质和灌溉水分利用效率[4-5]，强浩然等研究发现灌水量过高或过低都不利于有机质含量的提高，合理的基质含水量可使辣椒植株获得较优的生长环境[6]，也有利于提高秧苗素质和产量[7]。营养元素的供应对作物的养分吸收和元素利用率有着显著影响[8]，不同生育时期进行不同营养液管理对无土栽培作物的生长发育有重要意义[9]。前人在营养液浓度方面也进行了大量研究，周元清研究认为前期适当降低营养液浓度、后期正常营养液浓度的供应方式能够维持雾培生菜较快的生长速度及较高的产量[10]，张芳等研究发现按照每增长1片叶、营养液电导率增加0.1 mS/cm的供给方法实现基质栽培番茄的高产优质并提高营养液养分利用率[11]；也有研究发现标准营养液浓度增加50%更有利于提高番茄果实营养品质和干物质累积和矿质元素的吸收[12]。营养液供应方面，蔡东升等研究发现适宜的营养液供应量可以提高番茄果实产量、增大果实的硬度、改善果实品质[13]，胡莹莹研究认为间歇提供营养液比连续供液更有利于提高番茄的产量和品质[14]。尽管前人在基质含水量、营养液浓度及供应方面进行了大量研究，但多集中于番茄等其他蔬菜作物，在灌溉量、营养液浓度和营养液供应量耦合效应的基础上，对基质袋培辣椒产量、品质和水肥料利用率多指标综合评价全生育期的精准化水肥管理研究鲜有报道。

因此，本试验在基于前人研究的基础上进行袋培辣椒不同水肥耦合试验，探索产量、果实品质、水分利用效率和肥料利用率对水肥耦合的响应规律，确定最适的灌溉和营养液管理组合，旨在获取基质袋培辣椒最适水肥耦合精细化管理模式，为辣椒基质栽培高效优质生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验场地与材料

试验于2019年3－7月在陕西杨凌揉谷设施农业基地（北纬34°28′，东经108°07′，海拔498.68m）大跨度非对称内保温双层塑料薄膜覆盖大棚（长80 m，宽20 m）内进行。供试品种为‘博陇（37-94）Bolon RZ F1’（瑞克斯旺出口公司，荷兰），采用基质袋式栽培，基质袋尺寸为90 cm×20 cm×16 cm，基质体积为18 L/袋，每袋种植2株辣椒。栽培基质配比为牛粪：菇渣：珍珠岩=2：4：1（体积比），其理化性质为：速效氮1821.6 mg/kg、速效磷811.7 mg/kg、速效钾2090.6 mg/kg、全氮19.80 mg/g、全磷7.34 mg/g、全钾19.88 mg/g、pH值为6.88、EC为2.5 mS/cm。采用水肥一体化滴灌系统进行水肥管理，灌溉和营养液供应流速为1 L/h。

1.2 试验设计

以单株辣椒水肥需求为标准，结合前人研究[4,6,10,14]和预试验的结果，设置灌溉量、营养液浓度和营养液供应量3个因子。

灌溉量：设置3个水平，分别为基质相对含水量的70%～75%（W1，52 112.5 mL/株）、55%～60%（W2，47 492.8 mL/株）和40%～45%（W3，44 193.8 mL/株）。每天上午8：00，用手持基质水分测定仪（HH150，Delta-T Devices LTD，英国，精度0.1%）测定基质相对含水量，根据测定结果进行灌溉，通过旋翼式水表（LXS-25mmC/E型，宁波埃美柯有限公司，精度0.1m3）记录灌溉量。

营养液浓度：设置3个水平，设置150%（F1：N-P2O5-K2O，8.42-3.96-13.93 g/株）、100%（F2：N-P2O5-K2O，7.41-3.48-12.26 g/株）和80%（F3：N-P2O5-K2O，6.36-2.99-10.53 g/株）标准山崎辣椒营养液浓度。

营养液供应量：门椒成熟后每15 d进行1次采收，共采收6次，在此基础上设置2个营养液供应量水平（表1），正常供应（A）：前期（门椒开花至第三次果实采摘）单株营养液供应量为500 mL/次；后期（第三次果实采摘后至第六次果实采摘）单株营养液供应量为1 000 mL/次。减量供应（B）：每次果实采摘前6 d进行营养液减量处理，减为之前水平的60%，前后期单株营养液供应量分别为300与600 mL/次；其余时间段营养液正常供应。所有处理营养液供应频率均为2 d一次，为维持基质相对含水量在设定范围内，营养液减量供应与正常供应水分差值部分在施肥后进行补充。营养液供应量处理和试验设计见表1和表2。

表1 营养液供应量

注：W1、W2和W3分别为按照基质相对含水量的70%~75%、55%~60%和40%~45%进行灌溉；F1、F2和F3分别为150 %、100 %和80 %标准山崎辣椒营养液浓度，下同。

Note: W1, W2 and W3 were irrigated according to 70%-75%, 55%-60% and 40%-45% of the relative water content of the substrate. F1, F2 and F3 are 150%, 100% and 80% of the standard Yamazaki pepper nutrient solution concentration, Same as below.

以基质相对含水量60%进行灌溉但不施加营养液为空白对照（用于计算肥料利用率）。试验共18个耦合处理，每个处理3次重复，随机区组试验设计，每小区面积8.4 m2，定植24株辣椒。2019年3月20日将长势一致的五叶一心壮苗定植，定植密度为48 000株/hm2，株距为35 cm，大小行间隔种植，大行距为80 cm，小行距40 cm。门椒开花时开始进行试验处理。第六次果实采收后拉秧（7月28日），其余栽培技术按常规管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量测定

每个处理选取10株，每次采摘果实用电子天平（JE1002型，上海浦春计量仪器有限公司，精度0.001 g）测定单位面积产量，并记录单株果数，每公顷产量由单位面积产量折算。

1.3.2 果实品质测定

在辣椒采收期，分别在各处理的相同位点取样，选取10个大小和色泽基本相同的果实进行品质测定。辣椒果实维生素C含量采用钼蓝比色法测定[15]；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[15]；游离氨基酸含量采用茚三酮显色法测定[15]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[15]；还原糖含量采用3,5-二硝基水杨酸法测定[15]；硝酸盐含量采用水杨酸法测定[15]；辣椒素含量采用高效液相色谱法（LC-30A，日本岛津制作所）测定[16]。

1.3.3 水分利用效率和肥料利用率计算

水分利用效率（WUE）=/ET（1）

式中为产量，kg/hm2；ET为全生育期每公倾作物耗水量，m3/hm2。

肥料利用率（FUE）=(1−0)/×100%（2）

式中1为施肥区吸收N、P2O5和K2O总量，kg/株；0为对照区吸收N、P2O5和K2O总量，kg/株；为全生育期投入的N、P2O5和K2O总量，kg/株。

1.4 基于Topsis法的辣椒果实综合品质评价

Topsis法计算步骤如下[17]：

1）构建原始评价参数矩阵：设有个评价对象，个评价指标，原始数据可写为矩阵(x)，x为第个处理的第个指标，本试验中，==18，=8，对指标进行归一化，即：

2）得到归一化矩阵(z)，其各列最大值最小值构成的最优、最劣向量分别记为：

Z(max1，max2，…，maxb)（4）

Z(min1，min2…，minb)（5）

3）第个评价对象与最优、最劣方案的距离分别为：

4）第个评价对象与最优方案的贴合度C为：

由于贴合度分值取值在0～1之间，当评价对象指标的向量为最优解向量时，C=1；当评价对象指标向量为最劣解值时，C=0，C越接近1则表示相应的评价目标越接近最优水平，相应的评价对象排序越靠前；反之，C越接近0，表示评价目标越接近最劣水平。评价结果最靠近最优解同时又最远离最劣解时，为最好。

1.5 数据处理

用SPSS 23.0统计分析软件进行数据处理，Duncan 法进行多重比较；采用Microsoft Excel 2016作图并进行Topsis法评价；用DPS7.05建立回归方程，利用MATLAB 2019a对回归方程进行遗传算法并列选择法计算。

多目标优化问题的一般数学模型可描述为

式中－max为向量极大化，为因子，为目标函数个数，为初始个体数目，为最大遗传代数，为耦合处理，为因子个数。

本文采用遗传算法中的并列选择法求解多目标函数的 Pareto 解，其原理如图1所示[18]。即将各项指标均等分到各处理中，指标数等于目标函数的数目，然后将各个指标分配给每个目标函数并进行独立运算，每个处理各自选出适应度高的指标组成新的指标并与其余各目标函数新的指标合并，进行交叉和变异运算，从而生成下一代完整处理，不断进行循环迭代，最终可得到多目标问题的Pareto解。

图1 并列选择法原理图

2 结果与分析

2.1 灌溉量和营养液管理耦合对袋培辣椒产量的影响

灌溉量、营养液浓度及灌溉量与营养液浓度的交互效应对辣椒产量表现出极显著的影响（<0.01），其他因子及交互效应对辣椒的产量无显著影响，且营养液浓度对产量的影响效应大于灌溉量（表3）。从灌水水平看，产量由大到小为W2、W1、W3；从营养液浓度水平看，产量由大到小为F2、F1、F3（图2）。由图2可知，相同灌溉量水平下，产量随营养液浓度的增加呈先增加后减少的趋势，在F2水平时产量最高；相同营养液浓度水平下，产量随灌溉量的增加呈先增加后不变的趋势，W2水平时产量最高，超过W2水平后产量无显著性变化。营养液减量供应W2F2处理的辣椒产量最大（87 930.52 kg/hm2），营养液减量供应W3F3处理的产量最低（53 797.44 kg/hm2）。

表3 各单因子及其耦合对辣椒产量、水分利用效率及肥料利用率显著性检验结果

注：*表示差异显著（＜0.05），**表示差异极显著（<0.01），下同。

Note: * means significant difference (＜0.05), ** meansmuch significant difference (<0.01), The same as below.

注：不同的小写字母表示不同处理之间的差异显著（P＜0.05）。下同。

2.2 基于Topsis法评价辣椒果实综合品质

将各果实品质指标实测值归一化后利用Topsis法可得到各处理的综合品质贴合度C值（表4），因硝态氮对果实营养品质的影响为负效应，故处理为负值，各处理的综合品质贴合度C如表4所示，C值越大，说明此处理综合品质越好，各单一指标的实测量与所有处理贴合度的排序进行spearman 相关分析，结果表明，除硝态氮外所有指标实测量都与贴合度的排序呈极显著正相关，硝态氮实测量与贴合度的排序呈极显著负相关，表明依据Topsis法对辣椒果实综合品质进行评价可信度高。相同灌溉量的条件下，除F3处理外，C值随营养液浓度的增加呈增加的趋势，在F3水平下，C值随营养液浓度的增加呈先增加后减少的趋势；相同营养液浓度的条件下，C值随灌溉量的增加呈先增加后减少的趋势，当灌溉量大于W2，C值降低，低灌溉量（W3）处理的果实综合品质评分最低；灌溉量和营养液浓度一致的情况下，除W1F3和W2F3处理外，其他处理的C值均为营养液正常供应（A）小于减量供应（B），营养液减量供应W2F1 的C值最高为0.749，营养液正常供应W3F3的C值最低为0.078。

表4 基于Topsis法的各处理辣椒果实综合品质评价及排序

注：C表示贴合度；Z、Z分别表示最优和最劣解向量；D、D分别表示各处理与最优和最劣解的距离。

Note:Cdenotes the fitness;Z,Zdenotes the optimal and the worst solution vectors respectively; D,Ddenotes the distance between each treatment and the optimal and the worst solution respectively.

2.3 灌溉量和营养液管理耦合对袋培辣椒水分利用效率（WUE）的影响

灌溉量和营养液浓度均对WUE表现出极显著的影响（<0.01），灌溉量与营养液浓度的交互效应对WUE表现出显著的影响（<0.05），其他因子及交互效应对袋培辣椒的WUE无显著影响，且灌溉量对WUE的影响效应大于营养液浓度（表3）。从灌水水平看，WUE由大到小为W2、W1、W3；从营养液浓度水平看，WUE由大到小为F2、F1、F3（图3）。由图3可知，相同灌溉量水平下，WUE随营养液浓度的增加呈先增加后减少的趋势，在F2水平时WUE最高；相同营养液浓度水平下，WUE随灌溉量的增加呈先增加后减少的趋势，在W2水平时WUE最高。营养液减量供应W2F2处理的WUE达到最高（41.14 kg/m3），营养液正常供应W1F3处理的WUE最低（26.04 kg/m3）。

图3 灌溉量和营养液管理耦合对袋培辣椒水分利用效率的影响

2.4 灌溉量和营养液管理耦合对袋培辣椒肥料利用率（FUE）的影响

由表3可知，灌溉量、营养液浓度和营养液供应量的交互效应对FUE表现出显著影响（<0.05），其他因子及交互效应对FUE表现出极显著影响（<0.01），且灌溉量、营养液浓度和营养液供应量对FUE的影响均表现为营养液浓度>灌溉量>营养液供应量。从灌水水平看，FUE由大到小为W2、W1、W3；从营养液浓度水平看，FUE由大到小为F2、F1、F3；从营养液供应量水平来看，营养液正常供应的FUE均小于营养液减量供应（图4）。由图4可知，相同灌溉量水平下，FUE随营养液浓度的增加呈先增加后减少的趋势，在F2水平时FUE最高；相同营养液浓度水平下，FUE随灌溉量的增加呈先增加后减少的趋势，在W2水平时FUE最高。营养液供应减量处理（B）显著提高了FUE，营养液减量供应W2F2处理的袋培辣椒FUE达到最大（38.83%），营养液正常供应W3F1处理的FUE最低（15.64%）。

2.5 基于遗传算法的产量、果实综合品质、肥料利用率（FUE）及水分利用效率（WUE）组合寻优

对产量、果实综合品质、肥料利用率及水分利用效率试验数据进行三元二次拟合，得到袋培辣椒产量（）、果实综合品质贴合度（C值）（F）、水分利用效率（WUE）及肥料利用率（FUE）与灌溉量编码值（1）、营养液浓度编码值（2）、营养液供应量编码值（3）的回归模型为

经检验，上述4个回归方程的决定系数R分别为0.983、0.992、0.987与0.987，回归关系显著。利用式（10）～（13）建立多目标优化问题模型：

利用Matlab2019a进行遗传算法中的并列选择法计算上述多目标优化问题的 Pareto 解，设定初始个体数目为 1 200，最大遗传代数为80，变量的二进制数目取20，交叉概率取0.7，代沟取0.9。最终得到最优化产量为87 930.52/hm2，最优化水分利用效率为41.14 kg/m3，最优化肥料利用率为38.83 %，最优化果实综合品质贴合度（C值）为0.742，取得最优解时的处理为营养液减量下的W2F2。

3 讨 论

产量是评判蔬菜作物生长状况的重要指标，在单株灌水量一定的条件下，植株产量随施肥量的增加表现为先增加后降低的抛物线关系[18-19]。Liu等研究发现，按照累积蒸发量的90%灌溉的基础上增加灌溉量，番茄的产量未显著性增加[20]，本研究也与其得出了相似的结论，即在W2的基础上增加灌溉量，辣椒产量无显著性变化。在F2的基础上增加营养液浓度，产量会显著性降低，产量对灌溉量和营养液浓度表现出一定的饱和效应，这与王鹏勃所得结果一致[19]，可能是由于灌溉量高或营养液浓度大的情况下，植株营养生长过度，影响生殖生长，进而抑制产量的增加[21]。本研究中，较低灌溉水平下（W3）增加营养液浓度会降低辣椒的产量，与马国礼[22]所得结论相同，这可能是由于低灌溉量高浓度营养液耦合处理对辣椒的生长产生拮抗作用增强，蒋静静等[23]研究表明低灌溉量高浓度营养液耦合处理的黄瓜产量最高，这与本研究结果相反，表明不同的蔬菜作物的对水肥要求存在差异。

果实品质指标众多且分析单个指标不能全面反映果实的综合品质，运用算法对果实品质进行综合评价更全面更具有科学性。Topsis算法是一种有限方案多目标决策的综合评判方法[17,24]，运用该算法进行多指标评价的结果能够充分反映各处理方案间的差距，具有真实性、可靠性和全面性。朱常安等[25]研究发现通过Topsis组合评价法构建的黄瓜果实综合营养品质评价体系，与根据单一品质指标排序的相关性很好，能够较好地评价黄瓜综合营养品质。潘铜华[26]研究发现，中等水平灌溉量下，施加高浓度营养液与中等浓度营养液可获得番茄最佳品质。本研究通过Topsis法对袋培辣椒的各项果实品质指标进行评价，发现中等灌溉量高浓度营养液耦合处理下（W2F1）的果实品质综合评分最高，中等灌溉量中浓度营养液耦合处理（W2F2）次之，本研究结果与潘铜华[26]的结果一致，这与果实接近采收其最佳施肥浓度上升有关，该结果与李建明等[27]的结果略有不同，这表明栽培条件不同的作物对水肥需求存在差异。

在一定范围内增加灌溉量和施肥量均会提高作物的WUE和FUE，而过高的水肥供应则会导致WUE和FUE的降低[19,28]。本试验结果表明，灌溉量和营养液浓度对袋培辣椒的WUE和FUE的影响显著且均存在阈值，且灌溉量对WUE的影响大于营养液浓度，营养液浓度对FUE的影响大于灌溉量，这与张钧恒等[28]在番茄上得出的结论一致。高肥供应会造成根区氮、磷、钾离子浓度过高，抑制根系生长，不利于植株根系对水分、养分的吸收[29]，故适当的施肥有利于增加产量和养分利用率，过多的施氮量反而会降低辣椒的氮素利用效率。本试验中，中等灌溉量中浓度营养液耦合处理（W2F2）的WUE和FUE均达到最大，这与李建明等[27]的研究结果一致，说明该管理模式下水肥利用率均存在阈值，而与蒋静静等[23]得出的结果不同，这可能与蔬菜作物种类和设施环境不同有关。采收前的营养液减量并未造成显著性减产，同时显著提高了FUE，表明该管理模式可能促进了基质中的酶活性与有益微生物含量[30]。

蔬菜各指标是农业生产需要考虑的因素，单一目标评价的结果具有一定程度的不确定性[31-32]，难以真正实现作物的高效优质生产和节约水肥的目的，因此，现代农业生产中，需建立依据产量、品质和水肥料利用率等目标评判的最优水肥耦合评价体系，定量确定更有效的灌水和营养液管理制度。遗传算法并列选择法是通过模拟自然进化过程搜索多目标最优解的方法，目前已在多个领域表现出强大的求解能力[18,33]，与传统求解方法比较，该方法在求解较为复杂的多目标优化问题时能够获得更为满意的方案[34]，张忠学等[18]已验证遗传算法并列选择法在解决作物水肥合理配比问题方面的优越性和可靠性。本研究利用该法对不同灌溉量和营养液管理耦合处理的产量、果实品质综合评分、水分利用效率和肥料利用率进行寻优，建立灌溉量和营养液管理方式对产量、果实品质综合评分、水分利用效率及肥料利用率的回归模型，并通过遗传算法多目标优化法对袋培辣椒该模型进行多目标寻优，得到最佳方案为W2F2B，该方案兼顾了产量、果实品质与水肥投入，与以往产生不确定因素的综合分析法相比，更具有科学性和广泛适用性。

4 结 论

1）灌溉量、营养液浓度及其交互效应对产量、水分利用效率和肥料利用率均有显著影响，采收前期进行营养液减量处理可在维持产量和水分利用效率较高的基础上显著提高袋培辣椒的果实综合品质和肥料利用率。

2）运用Topsis法对辣椒果实综合品质评价的基础上，建立了袋培辣椒产量、果实综合品质评分、水分利用效率和肥料利用率的多目标优化模型，利用遗传算法对模型进行寻优，得到最佳的灌溉量和营养液管理耦合处理：按照基质含水量的55%～60%进行灌溉，全生育期施加100%浓度的营养液，在每层果实开花到采收前的6 d进行营养液减量40%处理，该处理下得到最优袋培辣椒产量为87 930.52 kg/hm2，水分利用效率为41.14 kg/m3，肥料利用率为38.83%，果实综合评价贴合度C值为0.742。

[1]刘霓红，蒋先平，程俊峰，等. 国外有机设施园艺现状及对中国设施农业可持续发展的启示[J].农业工程学报，2018，34(15)：1-9.

Liu Nihong, Jiang Xianping, Cheng Junfeng, et al. Current situation offoreign organic greenhouse horticulture and its inspiration for sustainable development of Chinese protected agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(15): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[2]段彦丹，樊力强，吴志刚，等. 蔬菜无土栽培现状及发展前景[J]. 北方园艺，2008(8)：63-65.

Duan Yandan, Fan Liqiang, Wu Zhigang, et al. Present situation and development prospect of vegetable soilless cultivation[J]. Northern Horticulture, 2008(8): 63-65. (in Chinese with English abstract)

[3]刘小刚，孙光照，彭有亮，等. 水肥耦合对芒果光合特性和产量及水肥利用的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(16)：125-133.

Liu Xiaogang, Sun Guangzhao, Peng Youliang, et al. Effect of water-fertilizer coupling on photosynthetic characteristics, fruit yield, water and fertilizer use of mango[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 125-133. (in Chinese with English abstract)

[4]樊怀福，杜长霞，朱祝军，等. 基质含水量对番茄生长、品质和产量的影响[J]. 浙江农业科学，2011(3)：496-499.

Fan Huaifu, Du Changxia, Zhu Zhujun, et al. Effects of substrate water content on tomato growth, quality and yield[J]. Journal of Zhejiang Agricultural Sciences, 2011(3): 496-499. (in Chinese with English abstract)

[5]魏晓然. 日光温室番茄基质含水量及辐射累积量控制灌溉模式研究[D]. 北京：中国农业科学院，2019.

Wei Xiaoran. Research of the Irrigation Mode Controlled by Substrate Moisture Content and Cumulative Radiation on Tomato in Greenhouse[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences Dissertation, 2019. (in Chinese with English abstract)

[6]强浩然，张国斌，郁继华，等. 不同水氮供应对日光温室辣椒栽培基质固氮微生物数量和理化性质的影响[J]. 中国土壤与肥料，2017(6)：71-81.

Qiang Haoran, Zhang Guobin, Yu Jihua, et al. Effects of different water and nitrogen supply on azotobacters and physicochemical properties in greenhouse pepper cultural substrate[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2017(6): 71-81. (in Chinese with English abstract)

[7]黎星，胡启星，成臣，等. 基质含水量对机插水稻秧苗素质及产量的影响[J]. 中国稻米，2019，25(4)：63-67.

Li Xing, Hu Qixing, Cheng Chen, et al. Effects of water content of substrate on seedling quality and yield of machine-trans-planted rice[J]. China Rice, 2019, 25(4): 63-67. (in Chinese with English abstract)

[8]蒋静静，常晓晓，胡晓辉. 供氮水平对基质袋培黄瓜养分吸收分配和产量的影响[J]. 浙江大学学报：农业与生命科学版，2018，44(6)：678-686.

Jiang Jingjing, Chang Xiaoxiao, Hu Xiaohui. Effects of nitrogen supply level on nutrient absorption, distribution and yield of cucumber grown in substrate bag culture system[J]. Journal of Zhejiang University: Agriculture and Life Sciences, 2018, 44(6): 678-686. (in Chinese with English abstract)

[9]王萍. 生育期营养液浓度调控对番茄生长、产量及品质的影响[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2017.

Wang Ping. Effects of Nutrient Solution Concentration Supply on Tomato Growth Yield and Quality During Growth Stage[D]. Yangling: Northwest Agriculture & Forestry University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[10]周元清. 营养液供应对雾培生菜产量和营养品质的影响[D]. 杭州：浙江大学，2014.

Zhou Yuanqing. Effect of Nutrient Solution Supply on Yield and Nutrient Quality of Aeroponically Grown Lettuce (L.)[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[11]张芳，薛绪掌，张建丰，等. 基于叶片数增长动态的营养液供给对番茄生长、产量和品质的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2016，22(5)：1374-1383.

Zhang Fang, Xue Xuzhang, Zhang Jianfeng, et al. Effects of nutrient solution supplying mode on growth, yield and quality oftomatoes using leaf number growth dynamic[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(5): 1374-1383. (in Chinese with English abstract)

[12]金莉，肖雪梅，郁继华，等. 营养液浓度对基质栽培番茄果实矿质元素含量的影响[J]. 甘肃农业大学学报，2020，55(2)：76-82.

Jin Li, Xiao Xuemei, Yu Jihua, et al. Effect of nutrient solution concentration on mineral element content in tomato fruit under substrate culture[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2020, 55(2): 76-82. (in Chinese with English abstract)

[13]蔡东升，李建明，李惠，等. 营养液供应量对番茄产量、品质和挥发性物质的影响[J]. 应用生态学报，2018，29(3)：921-930.

Cai Dongsheng, Li Jianming, Li Hui, et al. Effects of nutrient solution supply amount on yield, quality and volatile matter of tomato[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 29(3): 921-930. (in Chinese with English abstract)

[14]胡莹莹. 日光温室番茄架式栽培营养液量化管理技术研究[D].泰安：山东农业大学，2014.

Hu Yingying. Study on Quantitative Management of Nutrient Solution for Elevated Cultivation of Tomato in Solar Greenhouse[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[15]高君凤. 植物生理学实验指导[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[16]彭琼，童建华，黄志刚，等. 茉莉酸甲酯和苯丙氨酸对辣椒果实品质的影响[J]. 植物生理学报，2012，48(7)：654-658.

Peng Qiong, Tong Jianhua, Huang Zhigang, et al. Effects of methyl jasmonate and phenylalanine on quality of pepper (Capsicum frutescens L.) Fruit[J]. Plant Physiology Journal, 2012, 48(7): 654-658. (in Chinese with English abstract)

[17]游进军，纪昌明，付湘. 基于遗传算法的多目标问题求解方法[J]. 水利学报，2003，34(7)：64-69.

You Jinjun, Ji Changming, Fu Xiang. New method for solving multi-objective problem based on genetic algorithm[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2003, 34(7): 64-69. (in Chinese with English abstract)

[18]张忠学，张世伟，郭丹丹，等. 玉米不同水肥条件的耦合效应分析与水肥配施方案寻优[J]. 农业机械学报，2017，48(9)：206-214.

Zhang Zhongxue, Zhang Shiwei, Guo Dandan, et al. Coupling effects of different water and fertilizer conditions and optimization of water and fertilizer schemes on maize[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(9): 206-214. (in Chinese with English abstract)

[19]王鹏勃，李建明，丁娟娟，等. 水肥耦合对温室袋培番茄品质、产量及水分利用效率的影响[J]. 中国农业科学，2015，48(2)：314-323.

Wang Pengbo, Li Jianming, Ding Juanjuan, et al. Effect of water and fertilizer coupling on quality, yield and water use efficiency of tomato cultivated by organic substrate in bag[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(2): 314-323. (in Chinese with English abstract)

[20]Liu H, Li H H, Ning H F, et al. Optimizing irrigation frequency and amount to balance yield, fruit quality and water use efficiency of greenhouse tomato[J]. Agricultural Water Management, 2019, 226.

[21]刘燕. 不同水肥处理对有机基质型砂培番茄生理特性及产量品质的影响[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2011.

Liu Yan. Effects of Different Water and Fertilizer Treatment on Physiological Characteristics and Yield Quality of Tomato Grown in Organic Sand Substrate[D]. Yangling: Northwest Agriculture & Forestry University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[22]马国礼，张国斌，强浩然，等. 水氮耦合对日光温室辣椒生长、光合特性及养分分配的影响[J]. 干旱地区农业研究，2018，36(5)：130-141.

Ma Guoli, Zhang Guobin, Qiang Haoran, et al. Effects of water and nitrogen coupling on growth, photosynthetic characteristics and nutrient allocation of pepper in solar greenhouse[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2018, 36(5): 130-141. (in Chinese with English abstract)

[23]蒋静静，屈锋，苏春杰，等. 不同肥水耦合对黄瓜产量品质及肥料偏生产力的影响[J]. 中国农业科学，2019，52(1)：86-97.

Jiang Jingjing, Qu Feng, Su Chunjie, et al. Effects of different water and fertilizer coupling on yield and quality of cucumber and partial factor productivity of fertilizer[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(1): 86-97. (in Chinese with English abstract)

[24]管孝艳，王少丽，吕烨，等. 基于Topsis方法的北方地区农业干旱应对能力分析[J]. 灌溉排水学报，2014，33(4/5)：374-377.

Guan Xiaoyan, Wang Shaoli, Lü Ye, et al. Analysis of the ability to mitigate agricultural drought in china north based on topsis method[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2014, 33(4/5): 374-377. (in Chinese with English abstract)

[25]朱常安，和志豪，蔡泽林，等. 融合镁元素的水肥多因子耦合对黄瓜综合营养品质的调控[J]. 中国农业科学，2019，52(18)：3258-3270.

Zhu Chang’an, He Zhihao, Cai Zelin, et al. Regulation of comprehensive nutritional quality of cucumber by water and fertilizer coupling with magnesium[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(18): 3258-3270. (in Chinese with English abstract)

[26]潘铜华. 温室番茄长季节基质袋培水肥耦合效应研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2015.

Pan Tonghua. Study on the Effect of Water and Fertilizer Coupling on Tomato Long-Season Cultivated in Bag With Substrate in Greenhouse[D]. Yangling: Northwest Agriculture & Forestry University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[27]李建明，于雪梅，王雪威，等. 基于产量品质和水肥利用效率西瓜滴灌水肥制度优化[J]. 农业工程学报，2020，36(9)：75-83.

Li Jianming, Yu Xuemei, Wang Xuewei, et al. Optimization of fertigation scheduling for drip-irrigated watermelon based on its yield, quality andfertilizer and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 75-83. (in Chinese with English abstract)

[28]张钧恒，马乐乐，李建明. 全有机营养肥水耦合对番茄品质、产量及水分利用效率的影响[J]. 中国农业科学，2018，51(14)：2788-2798.

Zhang Junheng, Ma Lele, Li Jianming. Effects of all-organic nutrient solution and water coupling on quality, yield and water use efficiency of tomato[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(14): 2788-2798. (in Chinese with English abstract)

[29]岳文俊，张富仓，李志军，等. 水氮耦合对甜瓜氮素吸收与土壤硝态氮累积的影响[J]. 农业机械学报，2015，46(2)：88-96，119.

Yue Wenjun, Zhang Fucang, Li Zhijun, et al. Effects of water and nitrogen coupling on nitrogen uptake of muskmelon and nitrate accumulation in soil[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(2): 88-96, 119. (in Chinese with English abstract)

[30]任静，刘小勇，韩富军，等. 施氮水平对旱塬覆沙苹果园土壤酶活性及果实品质的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(8)：206-213.

Ren Jing, Liu Xiaoyong, Han Fujun, et al. Effects of nitrogen fertilizer levels on soil enzyme activity and fruit quality of sand-covered apple orchard in Loess Plateau of Eastern Gansu[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 206-213. (in Chinese with English abstract)

[31]龚雪文，刘浩，刘东鑫，等. 基于模糊算法的温室番茄调亏滴灌制度综合评判[J]. 农业工程学报，2017，33(14)：144-151.

Gong Xuewen, Liu Hao, Liu Dongxin, et al. Fuzzy comprehensive evaluation on regulated deficit irrigation scheduling of tomato drip irrigated in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 144-151. (in Chinese with English abstract)

[32]杨慧，曹红霞，李红峥，等. 基于空间分析法研究温室番茄优质高产的水氮模式[J]. 中国农业科学，2016，49(5)：896-905.

Yang Hui, Cao Hongxia, Li Hongzheng, et al. An investigation on optimal irrigation and nitrogen rates of greenhouse tomato based on spatial analysis for high yield and quality[J]. ScientiaAgriculturaSinica, 2016, 49(5): 896-905. (in Chinese with English abstract)

[33]陈南祥，李跃鹏，徐晨光. 基于多目标遗传算法的水资源优化配置[J]. 水利学报，2006，7(3)：308-313.

Chen Nanxiang, Li Yuepeng, Xu Chenguang. Optimal deployment of water resources based on multi objective genetic algorithm[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2006, 7(3): 308-313. (in Chinese with English abstract)

[34]单宝英，郭萍，张帆，等. 基于遗传算法与方案优选的多目标优化模型求解方法[J]. 中国农业大学学报，2019，24(6)：157-165.

Shan Baoying, Guo Ping, Zhang Fan, et al. A multi-objective optimization model solving method based on genetic algorithm and scheme evaluation[J]. Journal of China Agricultural University, 2019, 24(6): 157-165. (in Chinese with English abstract)

Coupling scheme of water and fertilizer based on yield, quality, use efficiency of water and fertilizer in bag pepper growing

Hu Xiaohui1,2,3, Gao Zixing1,2, Ma Yongbo1, Xue Jiankang1, Xie Zhilong1, Li Xue1, Zhang Linyang1, Wang Junzheng1,2, Ma Xueqiang1,2, Qu Feng1,2, Zhang Jiao1,2

(1.,,712100,; 2.,,712100,; 3.,712100,)

This study aims to establish a precise management model of water and fertilizer, in order to clarify the coupling effect of water and fertilizer on yield, fruit quality, water use efficiency (WUE) and fertilizer use efficiency (FUE) for pepper planting in bag. Taking "Bolong (37-94) Bolon RZ F1" pepper as the test material, 18 coupling treatments were conducted, with three levels of irrigation (control the relative water content of substrate in 70%-75% (W1), 55%-60% (W2), and 40%-45% (W3)), three levels concentration of nutrient solution (set up 150% (F1: each plant supplies N-P2O5-K2O, 8.42-3.96-13.93 g), 100% (F2: each plant supplies N-P2O5-K2O, 7.41-3.48-12.26 g), 80% (F3: each plant supplies N-P2O5-K2O, 6.36-2.99-10.53 g) Yamazaki pepper nutrient solution formula), and two supply amounts of nutrient solution (regular supply; reduce supply, where six days before each harvest reduced 40% nutrient solution supply). Randomized block design was used in the whole experiment, which was repeated for three times, where each block was 7 m×1.2 m with 24 plants. Pepper seedlings with five leaves were transplanted into the matrix bag, with 60 cm row spacing and 30 cm plant spacing, on March 20, 2019, and uprooted on July 28, 2019. A handheld matrix moisture meter (HH150, Delta-T Devices LTD, UK) was used to determine the relative moisture content of matrix. The irrigation was carried out according to the measured data at 8:00 am every day, whereas, the frequency of nutrient solution supply was once every two days, as well as the water and fertilizer integrated drip irrigation system was used for water and fertilizer management. A multi-objective model of yield, comprehensive fruit quality, WUE and FUE was established, according to the obtained data of the factors and the coupling effects, and then to be optimized using the genetic algorithm. The results showed that the single factor of irrigation, nutrient solution concentration, and their coupling effect can pose a significant influence on the yield, WUE and FUE of pepper. Specifically, the yield, WUE and FUE all increased first, and then decreased with the increase of irrigation and nutrient solution concentration. A Topsis method was used for the comprehensive evaluation of fruit quality. The reduction of nutrient supply amount before pepper fruit harvest can maintain the higher yield and WUE, while significantly improve the quality of pepper fruit and FUE. The combined W2F2 treatment under a reduced supply of nutrient solution can achieved the largest yield, WUE and FUE, whereas, the W2F1 treatment under a reduced supply of nutrient solution has showed the optimal comprehensive evaluation of fruit quality. The optimal coupling scheme of water and fertilizer was obtained using the genetic algorithm multi-objective optimization method, where the combined W2F2 treatment under a reduction supply of nutrient solution was the best management model. The specific coupling scheme of water and fertilizer can achieved high yield and quality of pepper in bag: Irrigation according to the relative moisture content of substrate 55%-60%, applying 100% Yamazaki pepper nutrient solution formula, and six days before each harvest reduced 40% nutrient solution supply. The pepper yield can reach 87 930.52 kg/hm2, where the fitness of fruit quality comprehensive evaluation reached 0.749, the WUE and FUE were 41.14 kg/m3and 38.83%, respectively. The findings can provide an insightful guidance for high yield and quality of pepper production, and further for the scientific management of water and fertilizer in pepper farming.

irrigation;fertilization; yield; quality; pepper; water use efficiency; fertilizer use efficiency; multi-objective optimization evaluation

胡晓辉，高子星，马永博，等. 基于产量品质及水肥利用率的袋培辣椒水肥耦合方案[J]. 农业工程学报，2020，36(17)：81-89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.010 http://www.tcsae.org

Hu Xiaohui, Gao Zixing, Ma Yongbo, et al. Coupling scheme of water and fertilizer based on yield, quality, use efficiency of water and fertilizer in bag pepper growing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 81-89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.010 http://www.tcsae.org

2020-03-11

2020-07-31

国家大宗蔬菜现代产业技术体系（CARS-23-C07）；陕西省重点研发计划（2018TSCXL-NY-05-01，2019TSLNY01-05）

胡晓辉，博士，教授，博士生导师，主要从事设施农业理论与生产技术研究。Email：hxh1977@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.010

S641.3

A

1002-6819(2020)-17-0081-09