土壤水分下限对地下渗灌辣椒生长发育及水分利用效率的影响

2021-05-26朱文婷孙兆军焦炳忠

节水灌溉 2021年5期

朱文婷，孙兆军，，祁琦，焦炳忠，禹昭，何俊

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川750021；2.宁夏大学资源环境学院，银川750021；3.教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，银川750021；4.宁夏（中阿）旱区资源评价与环境调控重点实验室，银川750021）

辣椒属于茄科辣椒属，是最易受干旱胁迫的园艺作物之一，这是由于其广泛的蒸腾叶表面、高气孔导度和浅根性，灌水过多或过少都将可能抑制辣椒根系生长和生长发育，导致产量和品质下降等问题[1,2]。我国水土资源地域分布的不平均、水资源短缺且利用率低，尤其是在西北干旱和半干旱地区，干旱少雨，这都会对农作物造成一定的影响，所以我国农业现在和未来发展的至关重要的一步是大力发展节水灌溉技术[3,4]。土壤水分适宜下限值是制定灌溉制度的指标之一，灌水开始的时间和次数由其决定[5]。当前农业节水领域，设置合适的土壤水分适宜下限值对作物进行灌溉是热门主题[6-8]。如蒙强等[9]通过设置4 个土壤水分下限调控水平，确定春青稞适宜的土壤水分下限为55%～60%θƒ(θƒ为田间持水率)；焦炳忠等[10]以枣树4 个生育时期进行试验研究，确定了渗灌条件下枣树最适宜的土壤水分下限：萌芽展叶期为50%θƒ、开花坐果期为75%θƒ、果实膨大期和果实成熟期为65%θƒ；也有学者通过水分下限试验，确定甜瓜在生长关键时期土壤水分下限指标为65%θƒ[11]。

地下渗灌通过灌水器微孔渗水以及土壤毛管吸水作用将水分直接输送到作物根部，相比于地面滴灌，该灌溉方式可以更科学地控制灌水量，有效地减少棵间蒸发，增产增收。关于地下渗灌技术的研究，目前主要集中在其对作物的生长及产量的影响[12]，灌水器适宜布置方式[13]和湿润体大小、分布范围[14]等方面。但针对土壤水分下限控制对地下渗灌作物灌溉模式影响的相关研究尚不多见，还有待于进一步研究。为此，本试验在大田地下渗灌栽培条件下，研究各生育期不同土壤水分下限处理对辣椒生长指标、产量和水分利用效率的影响，提出用于辣椒栽培合适的土壤水分下限，以期为宁夏引黄灌区辣椒栽培的合理灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在宁夏回族自治区银川市贺兰县金贵镇牡丹花乡试验地(38°29′31″N，106°23′54″E)进行，地处宁夏回族自治区银川市东北部，银川平原引黄灌区中部，耕地多为黄河自流灌溉。试验地属温带大陆性气候，日照时间长，昼夜温差大，多年平均气温9.7 ℃，海拔1 000 m，多年平均降水量138.8 mm，集中在6-9月，空气相对湿度在60%～70%，水文条件薄弱，形成地表径流量为零，实际可用水量较少。试验地质地为壤土，排灌良好，试验在7-9月进行。试验开始前，在试验田内取土风干碾碎过筛，测得田间持水率为23.12%(质量含水率)、pH 值8.04，土壤容重1.51 g/cm3，有机质12.6 g/kg，全氮0.79 g/kg，速效磷15.7 mg/kg，速效钾167 mg/kg。

1.2 材料与栽培

供试辣椒品种为航椒4 号，于2020年5月12日定植。试验采用人工起垄，垄宽0.8 m，垄高0.12 m。辣椒采取每垄双行定植，穴按三角形交错排列，株距40 cm，行距50 cm，行向为南北向。每个试验小区的长5.0 m，宽2.4 m，面积均为12 m2。垄中间埋置一条渗灌带，埋设深度10 cm，起垄前施入足量的氮磷钾复合肥。选择1.2 m 幅白色地膜，用铺膜机覆膜，其他与一般大田田间管理措施相同。成熟后分批采摘，分别于7月12日、8月7日、8月28日收获第1～3茬辣椒。

供试渗灌管选用本研究团队自主研发的全渗管道，出水量为300～400 mL/(m·min)，水平铺设渗灌管，试验灌溉用水采用风光互补发电提水技术。为准确控制灌溉时间、水量和土壤水分上下限，采用GC 003 控制系统（上海艾美克有限公司）以及土壤水分传感器、流量计、压力计进行监测。根据辣椒根系的分布特征，每个处理分别设置3个传感器，在垂直方向地表以下5、15、25 cm埋设。

1.3 试验设计

根据辣椒各生育时期对水分敏感程度、每年灌溉量、当地实际生产经验和学者对辣椒各生育时期的土壤水分下限的研究，将辣椒分为4个生育期：苗期、开花坐果期、盛果期和后果期。本试验采用单因素随机试验，分别在苗期设置4个灌溉梯度下限45%θƒ、55%θƒ、65%θƒ和75%θƒ，开花坐果期、盛果期和后果期设置3 个灌溉梯度下限55%θƒ、65%θƒ、75%θƒ，全生育期充分灌水为对照(CK)，所有处理上限均为80%θƒ，即对应的水分传感器设置上限值为28%(体积含水率)。因此，共10 个处理，每个处理重复3 次。换算后设置土壤水分传感器下限值(体积含水率)。换算公式为：

式中：θ为体积含水率，%；ρ1为土壤干容重，g/cm3；ρ2为水容重，取1.0 g/cm3；ω为质量含水率，%

不同处理各生育时期土壤水分传感器对应的值如表1所示。

表1 试验设计Tab.1 Experimental design

1.4 测定项目与方法

（1）作物生长指标。每个处理选取5 株进行生长指标监测，在每个生育期结束时测量一次。株高使用卷尺测量，精度值为1 mm，用游标卡尺通过十字交叉法测量茎粗，测量部位为主茎根部。叶面积的测量选用系数法[15]。

（2）产量。在各小区选取5株代表辣椒植株，每次采摘时用这5株辣椒产量的平均值作为各小区辣椒的单株产量，最后折合成每公顷产量，采摘3次产量之和为总产量。

（3）辣椒耗水量。公式为：

式中：ET为耗水量，mm；P为植物生育期降雨量，mm；I为灌水量，mm；ΔSWS为生育期开始和生育期结束时的土壤计划湿润层内的储水量之差，mm；R为径流量，mm；D为深层土壤水渗漏量，mm。

因试验区地下水位在20 m 以下，每次灌水量和单次降雨量均较少，实测生育期内1～1.5 m 土层土壤含水率变化不大，计算公式中R和D可忽略不计。

（4）水分利用效率。辣椒水分利用效率的计算如下：

式中：WUE为辣椒全生育期水分利用效率，kg/m3；Y为辣椒产量，kg/hm2

1.5 数据分析

采用Excel 2010 和SPSS 22.0 软件对试验数据进行处理、统计分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同土壤水分下限对辣椒生长发育的影响

2.1.1 不同土壤水分下限对辣椒株高的影响

从图1可以看出，各处理辣椒株高变化趋势相同，随着生育期的推进株高逐渐增加，各生育期株高增长速度开花坐果期最大，其次为苗期，随后为盛果期，后果期最小。在苗期和盛果期，不同梯度的灌溉下限均显著抑制了辣椒株高的增长，导致辣椒株高显著（P＜0.05）小于CK 处理，且水分下限越低，辣椒株高越小，T1、T2、T3 处理在后果期时的株高分别比CK 处理显著降低了24.67%、11.59%、3.96%。在盛果期，土壤水分下限为65%θƒ的处理辣椒株高与对照无显著（P＞0.05）差异，而水分下限为55%θƒ处理辣椒株高显著小于对照。到后果期，辣椒营养生长基本完成，株高基本不变，此阶段水分对辣椒株高无显著（P＞0.05）影响，最终表现为CK＞T9＞T8＞T3＞T7＞T5＞T6＞T2＞T4＞T1。其中CK 处理株高最大，为84.8 cm，T1处理株高最小，为63.9 cm。

图1 不同土壤水分下限对辣椒株高的影响Fig.1 Effects of different soil moisture limits on pepper plant height

2.1.2 不同土壤水分下限对辣椒茎粗的影响

茎粗是衡量辣椒是否健壮的重要指标之一，不同土壤水分下限对辣椒茎粗的影响如图2所示。不同处理对辣椒茎粗均有影响，整个生育时期内各水分处理辣椒茎粗不断增大，其中盛果期辣椒茎粗增长速率大，增幅为5.18 mm。在辣椒各生育期内，CK 处理辣椒茎粗始终处在最高水平。苗期、开花坐果期和盛果期水分胁迫均导致辣椒的茎粗显著（P＜0.05）小于CK处理，并且灌水控制下限越低，辣椒茎粗越小，其中T1处理的辣椒茎粗比对照小21.49%。生育期末，T3、T8和T9处理辣椒茎粗均与CK 处于同一水平，而其余处理辣椒茎粗均与对照差异显著，这说明辣椒茎粗在苗期、开花坐果期和盛果期缺水时生长会受到抑制。

图2 不同土壤水分下限对辣椒茎粗的影响Fig.2 Effects of different soil moisture limits on pepper stem diameters

2.1.3 不同土壤水分下限对辣椒叶面积指数（LAI）的影响

如表2所示，随着辣椒生育期的延长，各水分处理辣椒叶面积指数从苗期到后果期持续增大。全生育期CK 处理的辣椒LAI始终处于最高水平，除T9 处理外，其余处理均导致辣椒LAI显著（P＜0.05）小于对照。T1、T2 和T3 处理与CK 相比，苗期分别降低42.74%、32.48%、18.80%，开花坐果期分别降低29.71%、24.27%、9.71%。盛果期和后果期T3 处理叶面积指数与CK 处于同一水平(P＞0.05)，这说明苗期土壤水分下限为65%θƒ时，到后期复水后辣椒叶面积会发生恢复性生长。在各生育期T8、T9 处理与其余处理相比无显著性差异(P＞0.05)，说明在后果期，辣椒叶面积的增长在适宜的水分下限条件下不受影响。

表2 不同土壤水分下限对辣椒叶面积指数（LAI）的影响Tab.2 Effects of different soil moisture limits on pepper leaf area index(LAI)

2.2 不同土壤水分下限对辣椒产量的影响

从表3可以看出，不同土壤水分下限处理下辣椒总产量表现为CK＞T3＞T2＞T9＞T8＞T7＞T5＞T4＞T6＞T1。

表3 不同土壤水分下限对辣椒产量的影响kg/hm2Tab.3 Effects of different soil moisture limits on yield of pepper

全生育期充分灌水的CK 处理辣椒总产量最高，为37 799.81 kg/hm2，T2、T3 和T9 处理的总产量处于最高水平，而T1处理的产量处于最低，比CK显著减小14.17%。在第1茬收获时，T7 处理的产量处于最高水平，而T4 处理产量最低，比CK显著(P＞0.05)小23.80%，T1、T2和T5处理产量处于同一水平，且均小于前期水分未亏缺处理。在第2 茬收获时，T6和T7处理的辣椒产量分别比对照显著小24.41%和20.46%，而T2 和T3 处理的此茬产量均与CK 处于同一水平，说明苗期55%θƒ和65%θƒ的灌水控制下限对辣椒第2 茬产量影响较小。在收获第3 茬辣椒时，T2 处理产量最高，为12 778.05 kg/hm2，且T2、T3、T6 和T7 处理的产量与CK 处理处于同一水平，说明苗期、盛果期55%θƒ和65%θƒ的灌水控制下限不影响此茬辣椒产量。而T8处理的产量比CK显著小29.63%。

2.3 不同土壤水分下限对辣椒水分利用效率的影响

不同土壤水分下限下对辣椒耗水量、产量及水分利用效率的影响如表4所示。不同生育阶段辣椒灌水量和耗水量随着灌水控制下限的降低而逐渐减小，CK 处理全生育期灌水量和耗水量均最大，分别为329.12、483.25 mm。T2、T4、T5、T7处理全生育期耗水量和灌水量处于同一水平，比CK小7.64%～12.95%，而T1 处理的灌水量和耗水量处于最低水平，分别比CK小18.25%和16.74%。

水分利用效率(WUE)可以反映作物产量与耗水量之间的关系和培植过程中水所产生的经济效益。由表4可以看出，不同土壤水分下限处理下辣椒的水分利用效率有所不同。与全生育期充分供水的CK 处理相比，T2 处理的水分利用效率最高，T9处理次之，分别为8.58和8.03 kg/m3，T2处理比CK 显著(P＞0.05)高10.83%，其余处理对辣椒水分利用影响不大。所以苗期55%θƒ的灌水控制下限能显著提高地下渗灌辣椒的水分利用效率。

表4 不同土壤水分下限对辣椒水分利用效率的影响Tab.4 Effects of different soil moisture limits on WUE of pepper

3 讨论

水分对作物的生长和发育起着关键作用，不同的土壤水分下限不同程度地影响了作物的株高、茎粗和叶面积指数。在生长过程中随着水分下限的降低，辣椒的生长发育均会受到抑制。由于辣椒的补偿效应，苗期受到水分胁迫后在其他生育期充分灌溉，T3 处理的辣椒株高和茎粗等生长指标在后期发生补偿生长，增长速度加快逐渐接近对照处理，这与付秋实[16]等研究结果一致。水分亏缺使得作物体内含水量减少，进而细胞收缩，细胞壁松弛，细胞内部扩展受到抑制，导致作物生长缓慢。研究表明，作物产量受不同时期缺水影响不同，辣椒产量随灌水量的增加先增加后减小。作物达到最大产量后再继续灌水，有可能引起作物减产和水分利用效率下降[17]。造成这一现象可能是因为较低的灌水下限条件下土壤含水率较低，土水势较小，不利于辣椒吸收水分和生长发育，在高灌溉水平下使得辣椒根际土壤含水率过高，植株的营养生长过盛从而抑制了生殖生长，同时根系附近水分过多，抑制了辣椒根系的呼吸作用，会导致辣椒在开花坐果期落花落果，从而产量降低[18]。本试验中，CK 处理辣椒总产量最大，产量为37 399.81 kg/hm2，水分利用效率为7.74 kg/m3，T2 处理总产量为37 015.73 kg/m3，水分利用效率最高为8.58 kg/m3，T2 处理在不降低辣椒产量的同时能有效提高辣椒的水分利用效率。本研究在渗灌条件下得出：不同生育时期内适度的水分胁迫可减少作物灌水量及耗水量，利于辣椒根系更好吸收营养和水分，提高产量、收入和水分利用效率。若同时考虑辣椒株高、茎粗、叶面积指数等生长指标和产量，灌水量控制在75%θƒ下限为佳；若综合考虑当地农业用水资源现状、辣椒水分利用效率以及经济效益，灌水量控制在苗期55%θƒ下限，可以实现高效节水和丰产的目标。