灌水定额对和田滴灌日光温室辣椒生长、产量及品质的影响

2021-02-14赵园园曲俊杉谢香文马晓鹏

水资源与水工程学报 2021年6期

赵园园，洪明，曲俊杉，谢香文，马晓鹏

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052； 2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052； 3.新疆农科院土壤肥料与农业节水研究所，新疆乌鲁木齐 830091)

1 研究背景

和田地区地处新疆维吾尔自治区的西南部，是全国“三区三州”深度贫困地区之一，该地区光热资源丰富，也是新疆发展设施农业的优势区域之一。近年来，和田地区以设施农业为主要抓手实施产业扶贫，有力促进了农民增收、农业增效及农业产业结构调整，对巩固和田地区脱贫攻坚成果，助力该地区乡村振兴工作具有重要意义。截止2020年底，和田地区各类设施农业发展面积已达3 304.3 hm2[1]，其中膜下滴灌技术具有显著的节水增产效果，已在设施农业中被广泛地应用[2-3]。辣椒作为新疆老百姓最为喜爱的蔬菜之一，种植面积约占设施农业的1/3，但由于当地滴灌日光温室辣椒灌溉管理粗放，导致设施辣椒高投入、低产出的问题突出，确定适宜于当地滴灌日光温室辣椒的灌溉制度意义重大。近年来已有诸多关于滴灌日光温室辣椒的研究报道，如师晓丹等[4]、郑国玉等[5]、赵倩等[6]分别对辣椒的品种选择、育苗、田间管理及定植方式等优质高产栽培技术进行了详细的研究；黄玉萍等[7]、刘学军等[8]、彭强等[9]分别对北疆、宁夏及陕西地区的温室滴灌辣椒进行了研究，提出了适宜的灌溉制度。上述研究成果虽然可为和田滴灌日光温室辣椒栽培及灌溉管理提供一定的理论依据，但由于各地气象、土壤等条件的差异导致已有关于滴灌日光温室辣椒的研究结果不能直接应用于和田地区。基于此，本文以和田滴灌日光温室辣椒为研究对象，分析滴灌灌水定额对辣椒生长、产量及品质的影响，提出适宜于当地滴灌日光温室辣椒的灌水定额，为当地制定设施蔬菜节水高效的滴灌灌溉制度提供参考。

2 材料与研究方法

2.1 试验地概况

2018年9月至2019年6月在和田县和安新村的日光温室进行了试验，试验地具体坐标为37°16′N、79°52′E，高程为1 370 m，属典型的温带荒漠型气候，降雨少而蒸发量大，年平均温度为12.2 ℃，多年平均降水量为33 mm，多年平均潜在蒸发量为2 600 mm，太阳辐射年总量为143.1 kJ/cm2，年日照时数为2 634.9 h，无霜期为244 d，大于10 ℃的积温在3 000～3 700 ℃之间。由于试验地处于沙漠边缘，土壤的均一性良好，田间持水率为15%(质量比)，平均干容重为1.48 g/cm3，试验点表层土壤速效氮、磷、钾的含量分别为460、7和205 mg/kg，有机质含量为1.25%，pH值为8.12，土壤含盐量在0.06%～0.09% 之间。区域地下水埋深在6.0 m左右，地下水矿化度为1.625 g/L，灌溉水源取自地下水[4]。

2.2 试验材料

供试辣椒(CapsicumannuumL.)选用当地菜农的主栽品种“洛椒308”，通过对试验大棚内土壤的筛分试验，土壤的机械组成如表1所示，根据《中国土壤质地分类标准》(1985年)，属于粗砂。

表1 试验点土壤机械组成

2.3 试验方法

共开展了秋、春两茬灌溉试验研究，秋茬辣椒于2018年9月12日移栽，分别在2018年11月19日和2019年1月24日对辣椒进行了收获。春茬辣椒于2019年2月7日移栽，前期缓苗30 d，分别在4月5日、4月16日、4月29日、5月5日、5月28日和6月12日进行了收获。

试验辣椒采用起垄覆膜种植，株行距为20 cm×40 cm，具体种植模式如图1所示。试验辣椒采用滴灌进行灌溉，滴灌带铺设在地膜下，采用一行一带的布设方式。滴灌带为单翼边缝式，滴头流量为3.2 L/h，滴头间距为20 cm。试验设置了5个灌水水平，以23.4 mm为中水平的灌水定额(处理I3)，按其灌水定额分别递减20%和40%得到灌水定额处理I2(18.7 mm)和I1(14.1 mm)，分别递增20%和40%得到灌水定额处理I4(28.1 mm)和I5(32.8 mm)，以当地菜农实际灌溉水平50 mm为对照(处理CK)。每个处理设3个重复，共设18个小区，各小区随机布置。为了确保移栽辣椒苗的成活率，辣椒苗移栽后30 d内未做灌溉处理，待移栽的辣椒苗成活率达到90%以上时，开始进行灌溉处理，两茬辣椒实际采用的灌溉制度见表2、3。辣椒定植前，采用旋耕机旋耕后人工起垄，施入鸡粪22.5 t/hm2，追肥主要以果泰百年和尿素为主，随水追施，施肥量均为45 kg/hm2，移栽-苗期每15 d左右施肥一次，开花坐果期-结果期每两次灌水施肥一次。其他田间管理与当地菜农一致。

图1 试验辣椒种植模式示意图(单位：cm)

表2 试验秋茬辣椒采用的灌溉制度

2.4 测定指标及方法

灌水量：每个灌水小区进口安装旋翼式水表计量灌水量。

株高和茎粗：每个处理选取10株长势相近的辣椒进行标记，从辣椒定植后每隔12 d左右用卷尺测量株高，用游标卡尺测量茎粗。

叶绿素含量：在标记辣椒植株中分别选取不同方向的4个叶片进行标记，从辣椒定植后每隔 12 d 左右用叶绿素仪(SPAD-502Plus)测定辣椒叶绿素量。

产量：从始收期开始到末收期，每个试验小区辣椒按行收获，统计每行辣椒数量和重量，在采摘末期统计各小区辣椒总产量。

灌溉水利用效率(irrigation water utilization efficiency,IWUE)：IWUE=产量/灌水量。

品质：选取最后一茬辣椒测定品质，其中果形指数用游标卡尺测量果实的纵径和横径，计算纵径与横径的比值；维生素C含量采用钼蓝比色法测定；可溶性糖含量采用苯酚法测定[11]；类胡萝卜素采用高效液相色谱法测定[12]。

2.5 数据处理与统计分析

试验数据经Excel 2010初步整理后利用DPS2006数据处理系统对数据进行统计分析。

表3 试验春茬辣椒采用的灌溉制度

3 结果与分析

3.1 灌水定额对辣椒株高和茎粗的影响

图2为试验各处理两茬辣椒各生育期的平均株高比较。由图2可以看出，各生育期辣椒株高与灌水定额均呈正相关关系。在不同灌水定额处理下辣椒的株高在各生育期呈现出的变化规律一致，即均随着生育期的推进呈增加趋势。由于辣椒在移栽-苗期阶段各处理灌水量相同，因此各处理辣椒株高无明显差异。两茬辣椒在开花坐果期和结果期均表现为I1～I5处理的辣椒株高均小于CK处理，其中除I4处理下的开花坐果期外，I1～I4处理与CK处理差异显著(P<0.05)，I5处理与CK处理差异不显著；与中水平灌水定额I3处理相比，I1、I2处理的辣椒株高显著减小(P<0.05)，I4、I5处理的株高呈增加趋势，但差异不显著。表明当灌水定额小于I3时，灌水定额增加会显著影响辣椒平均株高，当灌水定额增加至I3后再继续增大时，灌水定额对辣椒平均株高影响不显著。

图2 试验各处理两茬辣椒各生育期的平均株高比较

图3为试验各处理两茬辣椒各生育期的平均茎粗比较。由图3可以看出，在不同灌水定额处理下两茬辣椒的茎粗变化规律一致，即均随着生育期的推进呈增加趋势。随着灌水定额的增加，辣椒茎粗呈单峰趋势变化，峰值出现在I3处理。在开花坐果期，I1～I5处理辣椒茎粗均显著大于CK处理(P<0.05)；与中水平灌水定额I3处理相比，I1、I2处理的辣椒茎粗显著减小(P<0.05)，I4、I5处理减小趋势不显著。在结果期，I1～I5处理的辣椒茎粗均大于CK处理，其中I1、I2处理与CK处理相比差异不显著，I3～I5处理与CK处理相比差异显著(P<0.05)。表明当灌水定额小于I3时，灌水定额增加会显著影响辣椒茎粗，当灌水定额增加至I3后再继续增大时，灌水定额对辣椒茎粗影响不显著。

图3 试验各处理两茬辣椒各生育期的平均茎粗比较

3.2 灌水定额对辣椒叶绿素含量的影响

图4为试验各处理两茬辣椒叶片各生育期平均叶绿素相对含量比较。由图4可以看出，各生育期内辣椒叶片中叶绿素含量与灌水定额呈正相关关系。各处理辣椒叶片叶绿素含量在各生育期的变化规律一致，即随着生育期的推进，在快速生长期呈增大趋势，在采收期出现小幅降低。在开花坐果期和结果期，I1～I5处理的辣椒叶片叶绿素含量均小于CK处理，其中I1～I4处理与CK处理差异显著(P<0.05)，I5处理与CK处理差异不显著。与中水平灌水定额I3处理相比，I1、I2处理的辣椒叶片叶绿素含量在开花坐果期差异不显著，在结果期差异性显著提高(P<0.05)；I4、I5处理的辣椒叶片叶绿素含量在开花结果期显著提高(P<0.05)，在结果期变化不显著。以上结果表明，当灌水定额小于I3时，灌水定额增加会显著提高结果期辣椒叶片叶绿素含量，当灌水定额增加至I3后再继续增大时，会显著提高开花结果期辣椒叶片的叶绿素含量。由图4还可以看出，灌水定额的变化对辣椒叶片叶绿素含量的影响在各生长阶段有所不同。在叶片快速生长过程中，水分充足会显著提高叶片叶绿素含量，而水分亏缺的影响在叶片生长后期会体现的比较明显。对比两茬辣椒可知，春茬叶片的叶绿素含量比秋茬略高，分析认为可能的原因是秋茬种植多在冬季，冬季低温弱光的环境导致了辣椒叶片叶绿素含量的降低，而春茬种植的辣椒，由于春季温度升高、光照增强，使得叶片叶绿素含量较高[13]。

3.3 灌水定额对辣椒产量及灌溉水利用效率的影响

图5为试验各处理两茬辣椒的产量和灌溉水利用效率比较。

图5 试验各处理两茬辣椒的产量和灌溉水利用效率比较

由图5(a)可以看出，各处理两茬辣椒的产量均随着灌水定额的增加呈现先增大后减小的趋势。秋茬和春茬辣椒单位面积产量分别在22 279～38 226 kg/hm2和30 126～54 269 kg/hm2之间变化，试验各处理中两茬辣椒单位面积产量均在I3处理时达到最大，分别为38 226 kg/hm2(秋茬)和54 269 kg/hm2(春茬)。I1～I5处理与CK处理相比两茬辣椒产量分别增产41.00%～67.10%和51.00%～78.63%，差异显著(P<0.05)。与中水平灌水定额I3处理相比，I1、I2、I4、I5处理的辣椒产量均有不同程度的减少，其中I1、I2、I5处理与I3处理相比差异显著(P<0.05)。表明当灌水定额小于I3时，灌水定额增加会显著提高辣椒产量；当灌水定额增加至I3后再继续增大时，辣椒产量则会降低；当灌水定额增加至I5时，辣椒产量会显著减小(P<0.05)，这种影响在春茬辣椒上体现的更加明显。分析认为，当灌水定额小于中水平灌水定额I3时，由于灌水定额较小，在一个灌水周期的后期会出现根区水分供应不足的现象，从而导致辣椒减产；但当灌水定额大于I3后，由于沙土保水能力有限，随着灌水定额的增大会导致部分根区土壤水分下渗至主要根系层深度以下，这一过程同时会导致易溶于水的氮肥和钾肥的淋洗，从而表现出I4和I5处理的辣椒产量较I3也有一定程度的降低。对比两茬辣椒发现春茬辣椒产量明显高于秋茬，两茬辣椒从定植到采收结束均历时160 d左右，分析认为由于春季的积温与光照强度整体较秋茬高，辣椒叶片光合效率较秋茬高，从而使辣椒产量较秋茬有较大提高[14]。

由图5(b)可以看出，两茬辣椒的灌溉水利用效率(IWUE)随灌水定额的增大而减小， I1处理的IWUE最高，分别为8.52 kg/m3(秋茬)、6.14 kg/m3(春茬)。I1～I5处理与CK处理相比辣椒的IWUE提高了105%～270%，且差异显著(P<0.05)。与中水平灌水定额I3处理相比，I1、I2处理的IWUE有所增加，但差异不显著；I4、I5处理的IWUE显著降低(P<0.05)。表明当灌水定额小于I3时，灌水定额对辣椒IWUE影响不显著，当灌水定额增加至I3后再继续增大时，会显著降低辣椒的IWUE。对比两茬辣椒发现，秋茬辣椒的IWUE明显高于春茬，分析认为春季气温回升，温室内温度较高，辣椒蒸腾作用增加，植株间蒸发强烈，再加之为了降低温室内的温度，灌水量也较秋茬明显增大，从而降低了辣椒的IWUE。

3.4 灌水定额对辣椒品质的影响

试验不同处理下辣椒的品质参数比较如表4所示。由表4可以看出两茬辣椒各品质参数均随灌水定额的增加呈先增大后减小的趋势，与CK处理相比，除I1、I2处理的果形指数外，I1～I5处理的辣椒各品质指标均差异显著(P<0.05)，且灌水定额为I3处理时辣椒品质最佳。与中水平灌水定额I3处理相比，除春茬辣椒单果干重外，I1、I2处理的辣椒各品质指标均显著降低(P<0.05)，另外I4、I5处理的秋茬辣椒单果干重显著增加(P<0.05)。表明除春茬单果干重外，当灌水定额小于I3时，随着灌水定额的增加，辣椒各品质指标会显著提升，当灌水定额超过I3继续增大时，辣椒各品质指标整体呈现出下降的趋势。分析认为这可能与水分过多造成辣椒植株营养生长旺盛，而分配给果实的有机物质减少，以及水分过多影响根系对土壤养分的吸收有关。

表4 试验不同处理下辣椒的品质参数比较

4 讨论

株高、茎粗以及叶绿素含量是植株生长过程中非常重要的形态指标和植物进行光合作用的物质基础，也是辣椒产量形成的基础[15-17]。试验中随着灌水定额的增加，辣椒株高、叶片叶绿素含量逐渐增大，茎粗先增大后减小，结果与黄玉萍等[7]、韩广泉等[15]和曹超群等[18]的研究结果一致，表明灌水定额是影响辣椒株高、叶绿素含量和茎粗的关键因素，增加灌水定额可以促进辣椒植株生长，但灌水定额过大会导致辣椒株高快速增加而使得植株茎秆变得纤细。随着生活水平的提高，人们对蔬菜品质的要求也越来越高，因此温室蔬菜的品质也十分重要[9]。试验中辣椒的各品质指标整体表现出随灌水定额的增加呈先增大后减小的趋势，结果与彭强等[9]的研究结果相近，表明适宜的灌水定额能够获得较好的辣椒品质，灌水定额过低或过高均不利于辣椒品质的提高。作物植株往往通过生理调节去适应生境的改变，不同的水分供应往往导致作物的生长指标也产生相应的变化，并最终影响到作物的产量[19-21]。试验结果显示，随着灌水定额的增加，辣椒产量先增大后减小，但灌溉水利用效率(IWUE)逐渐减小，秋、春两茬辣椒产量均在I3处理时达到最大，单位面积产量分别为38 226 kg/hm2(秋茬)、54 269 kg/hm2(春茬)，两茬辣椒IWUE均在I1处理时达到最大，分别为8.52 kg/m3(秋茬)、6.14 kg/m3(春茬)，表明适当减小灌水定额可以提高辣椒的IWUE[22-23]，众多关于非充分灌溉及调亏灌溉对作物水分利用的研究也有类似的结论。吴婕[24]对疏勒河流域膜下春茬滴灌辣椒的研究结果表明，辣椒最高产量及IWUE分别为34 902 kg/hm2和8.42 kg/m3，与本试验研究的春茬辣椒最高产量相比低了35.69%，分析认为，吴婕[24]所研究的辣椒种植区域为甘肃疏勒河流域，而和田地区较疏勒河流域的日照时数和积温更高[25]，更有利于辣椒的生长；与本文春茬辣椒最大IWUE相比，吴婕[24]研究得出的IWUE高了37.13%，导致此种差异的可能原因是其辣椒种植于中壤土，保水保肥性均优于本试验点的土壤，因此其IWUE明显高于本试验结果。试验中I1～I5处理的灌溉量较CK处理小了24.41%～50.97%，但单位面积产量较CK处理增加了41.00%～78.63%，因而目前和田地区设施蔬菜节水增产的潜力还很大，同时也表明通过合理灌溉管理，在一定范围内适当减小灌水定额可大幅提高和田地区滴灌日光温室辣椒的产量。