不同水肥组合对辣椒植株生长及养分吸收的影响

高文瑞，王 欣，李德翠，孙艳军，韩 冰，樊小雪，徐 刚

（江苏省农业科学院蔬菜研究所/江苏省高效园艺作物遗传改良重点实验室，南京210014）

0 引言

有机基质无土栽培是指使用有机栽培基质和有机固态肥，并直接用清水灌溉作物的一种无土栽培技术。该技术施用的肥料以有机肥为主，不污染环境，对自然资源循环利用和改善和提高农业生态环境有显著的促进效果。有机基质栽培与土壤栽培相似，一般只考虑氮、磷、钾三种大量元素的供应总量及平衡即可。同时由于该技术在生产上切断了土传病虫原的传播渠道，也成为克服设施栽培连作障碍最有效、最经济和最彻底的方之一。同时有机基质栽培还可以用于非耕地生产，并可以减少农药及肥水用量，提高作物的产量与品质[1]。生产中实现有机基质栽培中的水肥合理利用，对植株的产量及水肥利用率的提高，乃至世界农业的可持续发展均至关重要[2]。辣椒(Capsicum annuum)因其营养丰富，辛辣味美，受到广大消费者的喜欢，是中国重要的蔬菜作物之一[3]。由于辣椒本身生长期长，水肥需求量大，为高需肥蔬菜作物[4]。水分和肥料是影响作物生长发育和产量水平提高的重要基础，两者相互促进、相互制约[5]。有机基质桶式栽培和袋式栽培辣椒仅靠基质本身的养分难以满足辣椒对养分的需求，且由于基质的缓冲性能差，水分损耗也大，因此，精确的水肥管理在桶式和袋式栽培的过程中显得非常的关键[6]。近年来，人们为了刻意的追求蔬菜高产，盲目进行“大肥大水”，不仅影响作物的生长发育和品质，也导致了水肥资源浪费、温室内土壤生态环境恶化及病虫害频发等问题，影响了设施农业的健康发展[7]。水肥之间有明显的耦合效应，水肥耦合效应通过水、肥相互协调，利用其产生的耦合效应对植株进行水肥管理，从而提高水肥利用效率而达到增产。众多研究表明，水肥耦合的效果比单一水分管理或养分管理更优[8]，水肥耦合对植物生长促进效果更明显[9]，同时对提高果实品质和产量[10]及提高水分和养分利用率的效果更优[11-12]。高艳明等人在日光温室滴灌条件下，采用三因素二次回归通用旋转组合设计，对影响辣椒产量的水、氮和磷的耦合效应进行了研究，结果表明影响辣椒产量的顺序为水＞P＞N，高水低P、高N低P时产量较高[13]。马国礼等人研究了水氮耦合对日光温室基质栽培辣椒生长发育、产量、品质和养分分配的影响，结果表明基质含水率适度降低和高肥的栽培条件，有利于植株品质的提高，但产量及生物量等会相对降低，中水高肥互作效应更显著。高水中肥显著促进了辣椒干鲜重、株高茎粗的生长，有利于辣椒叶片的光合和辣椒对氮、磷、钾的吸收和积累；低水高肥处理在前期对辣椒各指标影响不显著，在定植180天以后低水、高肥对辣椒的生长产生拮抗作用增强，该处理的辣椒长势最弱，不利于辣椒植株光合产物和对养分的积累[14-15]。梁运江等人采用二次回归正交旋转组合设计，研究了水肥耦合效应对辣椒产量影响。结果表明中高灌水量和较高施磷水平对辣椒产量的交互作用效果较好[16]。前人关于水肥耦合的研究基本是针对全生长发育期的研究，但不同的生长发育时期，蔬菜作物对肥水的需求差异非常大，因此水肥管理在不同生育阶段也不相同，需要针对不同生长发育阶段分别进行水肥耦合效应的研究。而且针对不同栽培基质，水肥耦合效应也不尽相同。因此本研究在项目组前期研发的新型有机栽培基质的基础上，以二次回归正交设计法设计试验，旨在研究不同肥水组合对辣椒植株生长、养分吸收及等的影响。为辣椒在新型有机栽培基质桶式栽培定植后到结果期的高效水肥管理方面提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在南京市六合区江苏农科院试验基地的设施大棚内进行，3月24号育苗，4月31号移栽，采用桶装种植。供试基质为项目组前期研发的最佳栽培基质[17]，该基质碱解氮含量为80.47 mg/kg、速效磷含量为83.13 mg/kg、速效钾含量为3.73 g/kg、有机质含量为30.78%[18]。供试辣椒品种为‘苏椒五号’，供试肥料为：尿素（N含量为46.4%），磷酸二氢钾（96%，P2O5含量为51.5%，K2O含量为34%），硫酸钾（K2O含量为50%）。

1.2 试验设计

采用4因素5水平次正交回归组合设计试验。4个因素分别为N、P2O5、K2O和基质含水量，每个因素设置了5个水平（如表1），共17个处理。具体见表1。

表1 实验因素水平与编码值表

1.3 试验方法

1.3.1 株高茎粗 于盛花期每个处理随机选5株辣椒，用直尺测量植株根基部到植株最高生长点的高度（株高），用游标卡尺测量子叶下1 cm处辣椒植株茎秆的粗度（茎粗）[18]。

1.3.2 辣椒植株干鲜重测定方法 每个处理随机选5株辣椒，于辣椒苗期（5月22日）和结果初期（6月15日）分别进行取样。将地上部和地下部分别洗净擦干，采用1%天平称重（鲜重）；随即将鲜样在烘箱内105℃杀青15 min后，在75℃烘干至恒重，采用1%天平称重（干重）。

1.3.3 植株养分吸收测定 每个处理随机选5株辣椒，于辣椒苗期和结果初期分别进行取样。采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰分光光度法分别测定辣椒植株体内的氮、磷、钾含量，并根据辣椒在苗期和结果期的干物质积累和养分含量计算养分阶段积累吸收量，见公式(1)。

养分阶段累积吸收量=植株体内养分含量×干物质积累量…………………………………………… (1)

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016软件进行分析和作图，DPS 7.05软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同肥水组合对辣椒植株株高、茎粗的影响

2.1.1 建立二次多项式回归模型 结果如表2所示，不同水肥处理对植株株高和茎粗的影响不同，17个处理中以处理8（N 3 g/株、P2O51.37 g/株、K2O 5.78 g/株、基质含水量60%）辣椒植株的株高和茎粗最大，其显著高于除处理7之外的其他处理。

表2 结构矩阵与株高、茎粗数据

运用二次回归正交设计程序，分别获得辣椒株高(Y1)、茎粗(Y2)对4个因素的回归模型。其中Y1=25.24-5.80X1-0.3X2-1.53X3+3.33X4+0.46X1*X1+0.43X2*X2+0.62X3*X3-0.61X4*X4-0.66X1*X2-0.12X1*X3+0.06X1*X4-0.32X2*X3-1.53X2*X4-0.57X3*X4，p-值=0.0093＜0.05，调整后相关系数Ra=0.994632，F值=106.5987，说明模型预测值和实际值吻合较好，此模型预测可靠性高。由数据模型得出，当每株辣椒施氮量0.88 g(X1=-1.3531)、施五氧化二磷0.40 g(X2=-1.3531)、施氧化钾3.31 g(X3=-1.3531)和含水量63.53%(X4=1.3531)时，辣椒植株最高(43.44 cm)。Y2=5.13-1.19X1-0.02X2-0.25X3+0.7X4+0.24X1*X1+0.19X2*X2+0.18X3*X3+0.0003X4*X4+0.31X1*X2-0.12X1*X3-0.07X1*X4-0.19X2*X3+0.06X2*X4-0.1X3*X4，经方差分析，p-值=0.0348＜ 0.05，调整后相关系数Ra=0.979574，F值=28.12，说明模型的预测值和实际值吻合较好，此模型预测可靠性高。由模型得出，当每株辣椒施N 0.88 g(X1=-1.3531)、施P2O50.40 g(X2=-1.3531)、施 K2O 3 g(X3=1.3531)和基质含水量63.53%时(X4=1.3531)，植株茎干最粗(9.44 mm)，说明适量增加钾肥能增加植株茎粗。

2.1.2 单因素效应分析 将辣椒株高、茎粗回归方程模型分别固定3个因素于零水平，得到单因素与株高、茎粗的一元回归模型，将此模型求一阶偏导，可得到单因子效应模型，最终根据该模型得到单因子效应曲线（见图1）[18]。结果表明，各因子对辣椒株高、茎粗影响作用的变化趋势相同。单因子效应反映的是各因素对辣椒株高、茎粗影响的速率。在-1.5～0范围内，4个因素对辣椒株高、茎粗的影响大小依次为N、K2O、P2O5、水。在0～1.5范围内，4个因素辣椒株高、茎粗的影响大小依次为水、P2O5、K2O、N。由图1可以看出，随氮肥的增加，辣椒株高、茎粗均呈现下降的趋势，说明作为基肥，低N量有利于增加辣椒株高和茎粗。这也进一步说明新研发的栽培基质中N的水平较高，在辣椒结果初期之前只需要补充少量N即可满足植株的生长的需要。随着P2O5和K2O含量的增加，辣椒株高、茎粗变化幅度不大，说明P2O5和K2O对辣椒株高、茎粗的影响不大。随着灌水量的增加，辣椒株高、茎粗呈现明显上升趋势，说明增加灌水量可明显提高辣椒株高和茎粗。

图1 单因素对辣椒株高、茎粗的影响作用

2.1.3 辣椒株高、茎粗的双因素分析 把株高回归方程模型分别固定2个因素为零水平，可以得到其余2个因素对株高影响的效应方程[18]，采用DPS进行作图（图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5、图2-6）并且分析可以看出，4个因素对于辣椒的株高呈现不同的交互效应，氮和水交互效应略大于其他两因素间的交互效应，但差异不显著。

图2 双因素对辣椒株高的影响

把茎粗回归方程中的2个因子定为零水平，也得到了双因素效应方程，采用DPS进行作图（图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图3-5、图3-6）并且分析可以看出，4个因素对于辣椒茎粗也呈现出不同的交互效应，其中氮和水的交互作用效应也略大些，但差异还是不显著。

图3 双因素对辣椒茎粗的影响

2.2 水肥耦合对辣椒植株干鲜重的影响

植株地上部和地下部的干鲜重是能具体反映植株的长势情况。由图4可以看出，辣椒苗期与结果期的地上部鲜重、地上部干重在不同处理间的表现基本类似。处理1、2、7、8和16的辣椒苗期和结果期的地上部和地下部干鲜重都较大，而且随着施肥量的增加而变小。这可能与这几个处理的基质水分水平较高有关系，同时也表明，辣椒结果前期之前提高基质含水量、减少施肥量对提高植株地上部和地下部干鲜重有效。处理9、10和17仅施N量不同（处理9＜处理17＜处理10），而且其他3个因素都为中等水平，如图4所示，辣椒地上部和地下部干鲜重的大小与施肥量大小表现恰恰完全相反，这表明其他3个因素中等水平时，低氮反而对辣椒植株地上部和地下部干鲜重有益。处理11、12和17仅P2O5不同（处理11＜处理17＜处理12），另外3个因素为中等水平，由图4可以看出苗期时处理12的地上部干鲜重显著大于处理11和17，处理11和17之间差异不显著，而处理11、12和17苗期的地下部干鲜重差异不显著；结果期处理12的地上部干重显著大于处理17，处理11和处理12的地下部鲜重显著大于处理17，3个处理间的地上部鲜重和地下部干重的差异不显著。说明另外三因素为中等水平时，较高水平P2O5能显著促进辣椒苗期植株地上部生长，对地下部影响不显著；结果期时，当其他3个因素中水平时，P2O5水平高能显著促进辣椒植株地上部干重的增加，而对辣椒植株结果期地上部鲜重和地下部干重的生长影响不显著。处理13、14和17仅K2O量不同（处理13＜处理17＜处理14），另外3个因素均为中等水平，由图4也可以看出苗期时处理13的辣椒植株地上部干鲜重显著大于处理14和处理17，处理13地下部干鲜重显著大于处理17；结果期时处理13的地上部干鲜重显著大于处理17，处理13的地下部鲜重显著大于处理14和处理17，3个处理间的地下部干重差异不显著。结果表明，当其他3个因素为中等水平时，低水平的K2O能显著促进植株苗期地上部干鲜重的增加，且低水平的K2O比中等水平K2O更能促进植株苗期地下部干鲜重的积累；结果期时，较低水平的K2O比中等水平K2O对植株地上部干鲜重和地下部鲜重积累更有益，而K2O水平的高低对植株结果期的地下部干重影响不显著。处理15、16和17仅基质含水量不同（处理15＜处理17＜处理16），另外3个因素为中等水平，由图4可以看出，处理16苗期辣椒植株的地上部干鲜重显著大于处理15和17，而处理16和处理17的苗期辣椒植株的地下部干鲜重显著大于处理15；结果期时，地上部鲜重及地下部鲜重大小依次为处理16＞处理15＞处理17，处理16的地上部干重显著大于处理15和处理17，处理16和处理17的地下部干重显著大于处理15。说明当其他3个因素为中等水平时，高水平的基质含水量对辣椒地上部鲜重、干重增加有利。

图4 水肥耦合对辣椒植株干鲜重的影响

2.3 植株养分吸收累积规律

由图5可以看出，辣椒苗期和结果期的氮磷钾积累量在不同处理间的变化趋势基本相似。处理7、8、9苗期植株N、P2O5、K2O的吸收量远高于其他处理，说明苗期较低水平N、较低到中水平P2O5、较低到中高水平K2O，基质水分含量在中高水平时有利于辣椒植株苗期的养分吸收累积。在结果期，处理2、7、8、9、13和处理16处理的结果期的N、P2O5、K2O的吸收量远远高于其他处理，说明结果期中高水平的N、P2O5和水分，较低水平的K2O有利于植株养分吸收；较低水平的N肥、较低到中水平的P2O5、较低到中高水平的K2O，高水平的基质水分含量有利于植株结果期的养分吸收与积累；其他3个因素中等水平时，低水平K2O有利于结果期辣椒的养分吸收；而基质含水量在最高水平，其他3个因素中等水平时有益于辣椒养分的吸收。试验结果还表明，辣椒苗期对N和K2O的吸收量远远高于对P2O5的吸收量，而在结果期辣椒对K2O的吸收量高于N肥，且P2O5的吸收量明显低于两者。辣椒苗期N含量最高，其次为K2O，P2O5含量最低，而辣椒从开花期至结果初期植株K2O含量最高，其次为N，P2O5含量最低。因此，辣椒苗期应多施氮肥、钾肥次之、磷肥尽量少施；从开花期至结果初期应多施钾肥、氮肥次之、磷肥同样要尽量少施。

图5 辣椒不同生育期所需氮磷钾的含量

3 讨论和结论

在作物生长中，水与肥相互作用、互相影响[19]。同一作物在不同的水肥供应条件下生长情况也有很大区别，水肥之间耦合效应与水肥的单因素效应又有所不同[20]。水肥耦合的关键在于以水促肥、以肥调水，通过水肥耦合效应来达到提高作物生长、产量及水肥利用效率的效果[6,21]。本研究中，处理7、8和9三个处理在株高、茎粗、地上部干鲜重和养分吸收等方面都显著高于其他的处理。水肥耦合对苗期和结果期辣椒植株的生长和养分吸收的影响均达到了显著水平。

植株的株高和茎粗直接反映了植株的生长势。在本研究中，随着基质灌水量的增加可显著的提高辣椒植株的株高和茎粗，这与徐刚等[22]的研究结果相似。本研究结果表明，基肥中的低水平氮量能提高辣椒株高和茎粗，说明基质中本身含有的氮养分比较高，因此高水平的氮会影响植株的生长，这与许多学者的研究结果类似[23]。五氧化二磷和氧化钾对辣椒苗期到结果初期辣椒株高和茎粗的影响不大。氮、磷、钾肥和基质含水量对辣椒株高和茎粗呈现不同的交互效应，其中氮、水交互效应略大于其他两因素交互效应。我们的结果也表明水肥耦合对植株生长有阈值效应，小于阈值时增水增肥能促进株高和茎粗的增加，而大了则会有抑制作用[24]，这与番茄[9]的研究结果相似。

植株的地上部和地下部干鲜重反映了植株的干物质积累。根系是作物吸收水分及养分的重要器官，土壤中水分和养分的供应情况很大程度上决定了根系的发达程度。适宜的水肥用量对根系的生长有促进作用，反之则会抑制根系的生长，进而抑制植物的生长及产量[2]。增加干物质积累量能维持植物的正常生长与发育，同时对提高作物的产量有重要的作用。植株干物质的生产和分配是统一的库源协调过程，干物质积累速度受土壤肥力水平、土壤水分及田间管理等众多因素调控[25]。本研究表明，增加基质含水量、减少施肥量能增加植株地上部和地下部干鲜重，这与许多研究结果相似[14]。当P2O5、K2O和基质含水量3个因素为中等水平时，低N对辣椒苗期和结果期植株干鲜重的积累有利；当N、K2O和基质含水量3个因素中水平时，较高水平P2O5能显著促进辣椒苗期和结果期植株地上部生长和干物质积累；当N、P2O5和基质含水量3个因素为中等水平时，低水平的K2O能显著促进植株苗期和结果期生长和干物质积累；当N、P2O5和K2O三个因素中等水平时，高水平的基质含水量对辣椒植株生长和干物质的积累有益。

氮素几乎参与了植物生长发育的各个过程，为植物正常发育和影响产量品质的重要基础物质。磷是氮素代谢过程中一些酶的主要组分。适量的磷肥，能提高作物对氮吸收的能力。钾在植物体内主要能促进和调节各项生理活动过程，并参与许多酶促反应，增强植物的抗逆性[12]。钾在提高植物品质及产量方面具有显著的效果。本研究结果说明苗期和结果期氮肥和磷肥较低水平到中水平、钾肥较低水平到中高水平，基质水分含量中高水平时有利于植株苗期的养分吸收，这与番茄的研究结果类似[26]。辣椒苗期对氮和钾肥的吸收量远远高于对磷肥的吸收量，而在结果期辣椒对钾肥的吸收量高于氮肥，且磷肥的吸收量明显低于两者，这与许多前人的研究结果类似[14,27]。

综上所述，基肥与水分的耦合显著影响着辣椒的生长、地上部/地下部干鲜重积累和植株的养分吸收。总的来说，增加基质含水量、减少施基肥总量能促进辣椒苗期到结果期植株的生长和植株地上部/地下部的干鲜重积累，并能促进辣椒植株N、P2O5和K2O养分的吸收。根据株高、茎粗分别与氮、磷、钾和水的回归模型可得出最优组合，即当每株辣椒施N量0.88 g、施P2O50.40 g、施K2O 3.31 g和基质含水量63.53%时，辣椒植株最高；当每株辣椒施N量0.88g、施P2O50.40 g、施K2O 22.23 g和基质含水量63.53%时，辣椒植株茎干最粗。结合之前水肥耦合对产量的研究结果[6]，辣椒基质生产中建议基肥中每株添加N 0.88 g、施P2O50.40 g、施K2O 3.31 g和基质含水量63.53%时，这样才能保证在辣椒结果旺盛期追肥时，植株的株高、茎粗及植株的地上部/地下部干鲜重都较大，植株的养分积累较高，同时前期产量也最高。