保水剂对辣椒生长、产量及水分利用效率的影响

2022-05-28李昕彤卢江海徐俊增江中坤

节水灌溉 2022年5期

卫琦，李昕彤，卢江海，韦琦，贺敏，徐俊增，江中坤

（1.河海大学农业科学与工程学院，南京 210098；2.江西省水利科学院，南昌 330029）

0 引言

随着人口数量的增长和社会经济的发展，水资源短缺问题已经成为制约我国经济社会高质量发展的关键因素之一[1]。因此，发展新型节水灌溉技术、更高效地利用现有水资源，是提高农业用水效率、缓解农业用水危机的核心任务和必然选择[2]。

保水剂是一种利用高吸水性树脂制成的具有超高吸水保水能力的高分子聚合物，由于其具有改变土壤性状、减少土壤水分蒸发、改善土壤微环境、保水保肥、促进作物生长等优势[3,4]，已在农业生产领域得到了广泛的应用[5,6]。国内外众多学者已经从不同保水剂类型、施用量或施用方式等角度开展了保水剂对作物生长、产量等影响的大量研究。李中阳等[7]研究了5 种保水剂和2 个施用量水平对冬小麦产量和水分利用效率的影响，结果表明不同类型保水剂及施用量处理的冬小麦产量增加了1.3%～7.9%，水分利用效率提高了5.3%～21.1%。Robiul等[8]研究了3种保水剂施用量（0、15和30 kg/hm2）对夏玉米生长及产量的影响，结果发现施用30 kg/hm2保水剂处理的株高、叶面积和籽粒重分别增加了20.9%、21.9%和14.0%。黄伟等[9]研究了4 种保水剂施用方式（穴施、涂层、拌种和不施）对马铃薯生长和产量的影响，结果发现穴施保水剂处理的马铃薯出苗率、成苗率、株高和产量均最高，较不施加保水剂处理的值分别提高了22%、4%、44%和57%。综上所述，目前关于保水剂类型、施用量或施用方式对作物生长、产量等方面的研究已经较为成熟，而对于不同保水剂埋深和施用量组合模式对作物生长、产量、水分利用效率以及经济效益等方面的研究还鲜有报道。保水剂埋深会直接影响土壤水分运移[10,11]，进而对土壤水分蒸散发、根系吸水特性、作物生长等方面产生重要影响，但相关方面的研究还较少。

因此，针对上述研究不足，本文以温室辣椒为研究对象，通过设置不同保水剂施用量和埋深组合，探究不同保水剂管理对辣椒生长、产量及水分利用效率的影响，旨在认识新型节水灌溉技术对作物生长与产量的影响、探究温室辣椒适宜的保水剂管理模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年6-8月在河海大学节水园区温室大棚内（31°95′N,118°83′E）进行，温室坐北朝南，可通过顶部的通风口通风。该试验区位于长江流域下游地区，平均海拔15 m，属于亚热带季风气候区，年平均气温15.7 ℃，年平均降雨量1 073 mm，年平均蒸发量900 mm。辣椒全生育期内日平均温度为29.6 ℃，日平均湿度43.2%。供试土壤为黏壤土，其0～30 cm土层的土壤理化性质如表1所示。

表1 土壤基本理化性质Tab.1 Soil basic physical and chemical properties

1.2 试验设计

试验在盆栽中（长×宽×高=0.59 m×0.45 m×0.60 m）进行，每个土箱内设置4 株辣椒苗，供试品种为“辣帝一号”。保水剂采用河北华北化工有限公司所生产的新型高分子吸水性树脂材料，主要成分为聚丙烯酰胺（阴离子型），粒径大小为5-20 目，从化学结构来说，具有许多亲水基团的低交联度或部分结晶的高分子聚合物。试验设置保水剂施用量和埋深2个因素，其中保水剂施用量设置0.1%和0.2%（保水剂占土壤干重的百分比）2个水平；保水剂埋深设置浅埋（10～15 cm 混合均匀）和深埋（15～20 cm 混合均匀）2个深度；并以不施加保水剂为对照（CK），试验共计5 个处理（简称为S10-1、S10-2、S15-1、S15-2、CK）。每个处理设置3 个重复，共计15 个土箱。

为了尽可能减少保水剂施加对土壤容重的影响，本试验在回填过程中，沿土箱垂直方向每0.05 m 进行划线，并按容重为1.35 g/kg 称取对应重量土壤进行回填。考虑到保水剂膨胀-收缩效应对土壤容重的影响会随着作物对土壤水分的利用以及土壤水分蒸发而减弱，本研究中基本忽略了施加保水剂对土壤容重的影响。保水剂通过层施方式进行添加，即在回填过程中，首先将不同施用量的保水剂分别与10～15 cm和15～20 cm 土层土壤混合均匀，再回填至土箱的对应土层。施肥种类为尿素（N＞46.2%），施肥采用水肥一体化方式进行。全生育期（移栽后共计60 d）共进行3 次施肥（1 次基肥+2 次追肥），施肥日期分别为：2021年6月21日、2021年7月11日和2021年7月31日，其对应的施用量依次为：420、120和60 kg/hm2。灌溉方式为地面灌溉，全生育期共进行6 次灌水，其具体灌水情况如表2所示。

表2 辣椒全生育期内灌水情况统计表mmTab.2 Irrigation statistics during the whole growth period of pepper

1.3 观测项目与方法

1.3.1 作物耗水量

在辣椒生育期内每次灌水后1、4 和9 d 采用不锈钢土钻（直径为2 cm）进行取土，沿土壤深度每5 cm 间隔取1 个土样，并采用烘干法（105 ℃，8 h）测定0～20 cm 土壤的质量含水率，并结合灌水量计算辣椒生育期耗水量。

（1）土壤贮水量W计算式：

式中：W为土壤贮水量，mm；h为土层深度，cm；γ为土壤容重，本研究中土壤容重为1.35 g/kg；θ为土壤质量含水率，g/g。

（2）作物耗水量Wc计算式：

式中：Wc为作物耗水量，mm；I为生育期内灌水量，mm；ΔW为生育期始末的土壤贮水量之差，mm。

1.3.2 作物生长指标

分别于各土箱中随机选取1 株辣椒（3 个重复，共计3株），在全生育期内每间隔5 d 对辣椒株高、茎粗、叶长、叶宽和干物质累积量（包括根、茎、叶和果）进行测定，共计13 次。其中，株高采用卷尺（精度：1 mm）测量地面到植株最高点的距离；茎粗采用游标卡尺（精度：0.1 mm）测量主茎根部的宽度；叶长和叶宽采用游标卡尺（精度：0.1 mm）测量，并通过系数法计算其叶面积指数（LAI）；生育期结束后，将辣椒的根、茎、叶和果进行分离，并采用烘箱105 ℃杀青后于80 ℃烘干直至恒重，最后采用电子天平（精度：0.01 g）称重测得各部分干物质累积量。

1.3.3 经济效益

试验结束后，对不同处理的产量进行统计，并计算其经济效益。根据市场价格，本研究中辣椒按1.12 万元/t计，总投入成本包括保水剂（1.00 万元/t）、种子、水费及肥料费（0.87 万元/hm2）和人工费（1.00 万元/hm2）。

（1）产量总收入Cout计算式：

式中：Cout为产量总收入，万元/hm2；Y为经济产量，t/hm2；P为辣椒价格，万元/t。

（2）纯收益C计算式：

式中：C为纯收益，万元/hm2；Cout为产量总收入，万元/hm2；Cin为总投入成本，万元/hm2。

1.3.4 水分利用效率（WUE）

水分利用效率采用单位耗水量下作物经济产量的比值表示，具体如下：

式中：WUE为水分利用效率；Y为经济产量，t/hm2；Wc为作物耗水量，mm。

1.4 统计方法

采用Microsoft Office 2016 和IBM-SPSS 19.0 (USA)分析软件对辣椒生长、干物质累积量等指标进行统计分析和绘图，并采用单因素方差分析和最小显著性差异法（LSD）对辣椒产量及其构成均值进行比较和方差分析（p＜0.05为显著性水平）。

2 结果与分析

2.1 保水剂对辣椒生长的影响

2.1.1 保水剂对辣椒株高和茎粗的影响

不同保水剂施用量和埋深组合对辣椒株高和茎粗的影响如图1所示。可以看出，不同保水剂管理模式下辣椒株高和茎粗动态变化规律较为相似，即在生育前期（7月20日前），辣椒迅速增长，其株高和茎粗变化幅度较大；在生育后期（7月20日后），辣椒生长逐步平缓，株高和茎粗变化幅度趋于平稳。总体上，不同处理在苗期辣椒的株高和茎粗之间均无明显差异，但随着生育期的进行和辣椒的生长，其株高和茎粗在生育后期的差异逐渐增大。总体上，不同保水剂管理模式下，辣椒株高和茎粗大小关系均表现为：S10-2＞S10-1＞S15-2＞S15-1＞CK。由此可知，不同保水剂处理的株高和茎粗均大于CK 处理，且以浅埋高施用量（S10-2）保水剂处理的表现为最佳，其株高和茎粗分别为82.2 cm 和1.64 cm，较CK 处理分别增大了8.17%和8.69%。

图1 不同保水剂管理对辣椒株高和茎粗的影响Fig.1 Effects of different super absorbent polymer on plant height and stem diameter of pepper

进一步分析可知，在同一保水剂埋深条件下，辣椒株高和茎粗均随保水剂施用量的增加而增大。其中保水剂在浅埋条件下，高施用量处理的株高和茎粗分别较低施用量处理增加了2.62%和3.22%；在保水剂深埋条件下，高施用量处理较低施用量处理的株高和茎粗分别增加了2.58%和0.65%。而在相同保水剂施用量条件下，辣椒株高和茎粗随保水剂埋深的增大而降低。其中，在低施用量水平下，深埋处理较浅埋处理的株高和茎粗分别减少了3.31%和2.52%；在高施用量水平下，深埋处理较浅埋处理的株高和茎粗分别减少了3.34%和4.95%。

2.1.2 保水剂对辣椒叶面积指数的影响

不同保水剂管理对辣椒叶面积指数（LAI）的影响如图2所示。可以得知，随着生育期的推进，辣椒LAI呈逐渐增加趋势，但增幅逐渐减小。总体上，不同处理辣椒的LAI大小关系表现为：S10-2＞S15-2＞S10-1＞S15-1＞CK。与CK 处理相比，S10-2、S15-2、S10-1 和S15-1 处理的值分别增加了6.43%、5.80%、5.47%和2.62%，但不显著（p＞0.1）。此外，在相同保水剂埋深下，辣椒LAI随着保水剂施用量的增加而增大。其中在浅埋和深埋条件下，高施用量处理较低施用量处理的LAI分别增大了0.9%和3.10%。而在同一施用量水平下，辣椒LAI则随保水剂埋深的增加而减小。具体表现为：在低和高施用量水平下，深埋处理较浅埋处理的辣椒LAI分别减小了2.71%和0.59%。

图2 不同保水剂管理对辣椒LAI的影响Fig.2 Effects of different super absorbent polymer on LAI of pepper

2.2 保水剂对辣椒干物质累积及分配的影响

不同保水剂管理对辣椒干物质累积及分配的影响如图3所示。可以看出，与CK 处理相比，施用保水剂处理的辣椒干物质总累积量显著增加（p＜0.05），增大了7.36%～20.15%。且在相同施用量条件下，辣椒干物质总累积量随保水剂埋深的增加而减小。其中在低和高施用量水平下，深埋处理较浅埋处理的辣椒干物质总累积量分别减小了5.57%和7.66%。而在相同保水剂埋深条件下，辣椒干物质总累积量则随着保水剂施用量的增加而增大。其中在浅埋和深埋条件下，高施用量处理较低施用量处理的干物质总累积量分别增大了5.68%和3.33%。

图3 不同保水剂管理对辣椒干物质累积及分配的影响Fig.3 Effects of different super absorbent polymer on dry matter accumulation and distribution of pepper

进一步分析不同处理各部分干物质量之间的关系的可以发现，与CK 处理相比，不同保水剂处理的根系增大了10.35%～24.26%、叶增大了10.52%～32.90%、茎增大了10.07%～23.60%、果实增大了5.77%～16.66%。此外，通过对比不同保水剂处理各部分干物质量之间的关系，可以得出，在保水剂浅埋和深埋条件下，高施用量处理较低施用量处理的干物质累积量增加了6.88%和2.53%，叶片增加了7.98%和6.84%，茎增加了5.68% 和4.49%，果实增加了5.17% 和2.38%；而在低和高施用量水平下，深埋处理较浅埋处理的干物质累积量减小了5.08% 和8.95%、叶减小了10.20% 和11.15%、茎减小了5.89% 和6.94%、果实减小了4.64% 和7.17%。

综上，施用保水剂显著提高了辣椒干物质累积量，且以浅埋高施用量（S10-2）处理效果最为佳，其中施用保水剂对叶片干物质累积量的提高最为显著。

2.3 保水剂对辣椒产量及其构成要素的影响

表3为不同保水剂管理对辣椒产量及产量构成要素的影响。由此可知，施用保水剂处理的单株果数、单果质量、单株产量和经济产量均显著大于CK 处理，不同处理辣椒经济产量之间的大小关系为：S10-2＞S10-1＞S15-2＞S15-1＞CK，其中S10-2、S10-1、S15-2 和S15-1 处理的经济产量分别较CK 处理增大了42.22%、24.23%、20.29%和11.69%，差异均达到显著性水平（p＜0.05）。

表3 不同保水剂管理对辣椒产量及其构成要素的影响Tab.3 Effects of different super absorbent polymer on pepper yield and its components

此外，统计分析结果显示，保水剂埋深和施用量均对辣椒单株果数和经济产量有极显著影响（p＜0.01），对单株产量有显著影响（p＜0.05）；而保水剂埋深和施用量交互作用对辣椒产量及其构成要素均无显著影响（p＞0.1）。总体上，施用保水剂均有助于辣椒的增产，且主要通过增加单株果数而增加单株产量，进而实现经济产量的增加。

2.4 保水剂对辣椒水分利用效率及经济效益的影响

结合表3和表4可知，保水剂可以通过改善土壤水分环境状况、降低作物耗水量，进而提升作物水分利用效率。施用保水剂处理的作物耗水量均低于CK 处理，分别减少了21.56%（S10-2）、 18.98% （S10-1）、 14.42% （S15-2）和12.70%（S15-1）。总体上，不同处理辣椒水分利用效率之间的大小关系为：S10-2＞S10-1＞S15-2＞S15-1＞CK，其中以浅埋高施用量（S10-2）处理的水分利用效率最高，为0.22 t/(hm2·mm)。此外，与CK 处理相比，不同保水剂处理的水分利用效率增大了28.57%～85.71%。因保水剂施用量不同，各处理的经济投入成本存在差异，各处理的纯收益值从高到低依次为S10-2、S10-1、S15-1、S15-2、CK，以浅埋高施用量（S10-2）处理的纯收益值最高，为61.43 万元/hm2，浅埋低施用量（S10-1）处理次之，为55.44 万元/hm2。S10-2、S10-1、S15-1和S15-2处理的纯收益较CK 处理分别提高了32.29%、19.39%、9.48%和6.34%。

表4 不同保水剂管理对辣椒水分利用效率与经济效益的影响Tab.4 Effects of different super absorbent polymer on water use efficiency and economic benefits of pepper

3 讨论

大量研究表明，保水剂可以通过自身的吸水-释水过程改善土壤结构[12,13]，优化作物生长环境和养分吸收，促进作物生长发育和产量增加[14]。且一般认为，作物生长、产量和水分利用效率随保水剂施用量的增加而增大。康永亮等[15]研究了不同保水剂施用量（0、15、30、45 kg/hm2）对小麦生长和产量的影响，结果表明施用保水剂处理的小麦株高和产量均随保水剂施用量的增加而增大，且较CK 处理的株高增加了1.8～5.0 cm、产量增大了2.31%～19.20%。闫永利[16]等研究了保水剂不同施用方式和施用量对胡萝卜出苗的影响，结果表明，保水剂在浸种和混施处理条件下，施用量分别为3～15 kg/hm2和15～45 kg/hm2时其出苗率较对照处理分别提高了29.5%～73.3%和4.6%～7.0%。张小强等[17]研究了保水剂不同添加比例对平菇生长的影响，结果表明，随保水剂施用量的增大，平菇采摘次数和总产量分别增大了10.0%～16.7%和8.7%～45.3%。此外，也有学者研究发现，保水剂施用量在一定范围时会对作物生长产生促进作用[18-20]，而过多的保水剂则可能会呈现凝胶状膨胀、固结，影响土壤透气性，进而抑制作物生长[10]。本研究中，不同保水剂施用量处理的辣椒株高、茎粗、叶面积指数（LAI）和干物质总累积量均明显大于CK 处理，其增幅依次为1.92%～8.17%、2.65%～8.69%、2.62%～6.43%和7.36%～20.15%，这与上述多数研究结果较为一致。此外，本研究中并未发现保水剂对作物生长产生抑制作用，这可能与本试验仅设置了2个保水剂施用量水平有关。因此，在下一步研究中，应设置更多保水剂施用量水平，以探究不同作物类型下保水剂最为适宜的施用量范围。

此外，保水剂埋深也会对作物生长、产量产生重要影响，且通常情况下，保水剂埋深与作物类型、土壤理化性质和根系主要分布层密切相关[21-23]。张丽华等[24]研究了不同保水剂埋深（10、20、30和40 cm）对玉米生长和产量的影响，发现保水剂埋深过浅（10 cm）不利于玉米生长。而本研究结果表明，浅埋处理辣椒的生长和产量指标均显著优于深埋处理。分析其原因可能是：其一，根系是作物生长和高产的关键，本试验中保水剂浅埋（10 cm）处理的埋深与辣椒主要根系分布层较为接近[25]，有利于辣椒根系吸收水分和养分，进而促进了作物生长，提高了作物产量[26]；其二，由于保水剂具有一定的阻渗作用，导致了部分灌溉水滞留在保水剂施用层附近[27]，促使保水剂更好的发挥其“土壤小水库”的作用，从而提高作物生长发育的能力。因此，在今后的保水剂应用过程中，应结合作物类型与根系分布特征，合理设置保水剂埋深，以最大限度发挥其保水、释水的优势。

施用保水剂不仅会促进作物的生长，还会提高作物产量及其经济效益。李荣等[28]研究表明，当保水剂施用量为60 kg/hm2时可促进玉米增产，其经济效益也较CK 处理显著提高了33.9%。汪勇等[29]研究了不同保水剂在坡地枣林中的经济效益，结果发现不同类型保水剂（100 g/株）均表现出一定的增产增收效果，且其最大经济效益可增加1.2 万元/hm2。邹超煜等[30]研究了保水剂对干旱半干旱区不同作物产值的影响，结果表明施用保水剂处理的西瓜、马铃薯和玉米增值率分别为29.08%、54.78%和11.47%，春小麦、向日葵、玉米和番茄增值率分别为9.27%、22.78%、22.94%和5.14%。本研究中，施用保水剂显著提高了辣椒纯收益（6.34%～32.29%），不同保水剂施用量和埋深对辣椒纯收益均有一定影响，且以浅埋高施用量（S10-2）处理的经济效益为最高；此外，研究还发现浅埋高施用量（S10-2）处理对作物水分利用效率也有显著提升，能最大限度促进辣椒生长和干物质累积，进而有助于作物增产增收，这一结论将对保水剂在温室辣椒种植方面的应用提供指导。总之，本研究重点针对温室辣椒开展了不同保水剂施用量和埋深条件下作物生长、产量及水分利用效率等方面的研究，在未来研究中，应结合不同作物的田间试验，通过设置更多保水剂埋深和施用量水平，探究不同气候特征和土壤特性条件下更多作物适宜的保水剂管理模式。