膜下滴灌条件下水氮耦合对辣椒根系生长及产量的影响

吴玉秀

（新疆农业职业技术学院农业工程分院，新疆 昌吉 831100）

辣椒（Capsicum frutescensL.）是世界第三大蔬菜作物，仅次于豆类和番茄。中国是辣椒种植面积最大的国家［1］，截至2020年，种植面积高达81.4万hm2，产量为1 960 万t。新疆属典型的内陆干旱区，气候干燥，蒸发强度大，新疆独特的地理位置和气候条件使其成为中国辣椒主产区之一，年种植辣椒总面积达3.67 万hm2，干辣椒年产量更是占全国的1/5。传统辣椒种植多采用“大水大肥”模式，不仅造成水肥浪费、环境污染，不利于农业可持续发展，而且导致作物产量和品质下降。已有研究表明，水、氮之间有明显的耦合效应，合理的灌水量和施氮量可以提高作物产量，促进水氮的高效利用［2，3］。因此，发展高效节水灌溉和协调水氮耦合是解决新疆农业水肥资源的必要途径。膜下滴灌是基于作物需水的局部灌溉技术，将有限的灌溉水循环于土壤与地膜之间［4-6］，以减少土壤水分的无效损失，抑制土壤养分流失。研究表明，膜下滴灌可节水近40%，使作物增产10%～20%［7，8］，因此在新疆农业生产中得到广泛应用。

根系是作物吸收土壤中水分和养分的器官，发达的根系是作物生长和高产的基础［9］。作物根系的生长状况和产量与水氮耦合效应有直接联系。谢志良等［10］的研究发现，随着灌水量增加，棉花平均根长密度、根表面积指数显著下降，与施氮量无关；随着施氮量的增加，棉花平均根长密度变化不明显，棉花根表面积明显降低。邹升等［11］的研究表明，随着水、氮供应量的增加，春小麦根总长及表面积增加，少水中氮处理的根系变粗。大多数学者仅对辣椒的产量和品质进行研究，较少研究水氮耦合对辣椒根系分布特征参数的影响。陆军胜等［12］利用温室小区灌溉试验得出当灌水量为156 mm、施氮量为225 kg/hm2时，辣椒产量最高。梁运江等［13］通过大棚小区试验发现辣椒产量较佳的水氮管理制度为灌水定额170 m3/（hm2·次）、纯氮用量225.0～273.9 kg/hm2。本研究通过大田小区试验，在辣椒对水、氮敏感的2个生育期进行不同程度的调亏灌溉和减氮处理，研究膜下滴灌条件下水氮耦合对辣椒根系分布特征参数及产量的影响，以期探讨适宜新疆膜下滴灌辣椒根系生长的合理水氮供应模式，为节水条件下干旱区蔬菜种植水氮精量调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年3—9 月在新疆昌吉州呼图壁县大丰镇树窝子村（44°32′54″N，86°43′29″E）进行。呼图壁县地处准噶尔盆地南缘天山北麓中段，属典型的温带大陆性干旱半干旱气候，夏季气候干旱，冬季气候偏冷，年平均气温6.7 ℃，年降水量167 mm，年平均无霜期180 d，年平均日照时间达3 090 h，大于10 ℃年有效积温为3 553 ℃。试验地土质为沙壤土，有机质含量为14.52 g/kg，土壤容重为1.56 g/cm3，碱解氮含量为62.7 mg/kg，速效磷含量为45.4 mg/kg，速效钾含量为156.9 mg/kg，pH 为8.5，田间持水量为23.2%。

1.2 试验设计

试验辣椒品种为龙椒1号，于3 月15 日播种，8月26 日收获，全生育期共164 d。种植模式为一膜两管四行，如图1 所示，滴头间距30 cm，滴头流量1.5 L/h。采用小区试验，每个小区面积为3 m×6 m。试验设灌水量和施氮量2 个因素，根据北疆辣椒需水规律试验结果，参考当地实际灌水情况，在开花坐果期和盛果期设置不同程度的调亏灌溉，分别为轻度亏缺（W1，全生育期灌水量3 656 m3/hm2）和中度亏缺（W2，全生育期灌水量3 082 m3/hm2），在施钾量和施磷量相同且充足的条件下，同时设置3 种施氮水平，分别为325 kg/hm2（N1）、250 kg/hm2（N2）、175 kg/hm2（N3），二者组合即中水高氮（W1N1）、中水中氮（W1N2）、中水低氮（W1N3）、低水高氮（W2N1）、低水中氮（W2N2）、低水低氮（W2N3），并设置传统模式（全生育期灌水量4 230 m3/hm2，施氮量325 kg/hm2）处理作为对照（CKN1）。共7 个处理，每个处理重复3次，共21 个试验小区。辣椒全生育期灌溉制度如表1 所示。

图1 试验小区内膜下滴灌辣椒种植模式

1.3 观测项目及方法

1.3.1 根系指标 分别在辣椒幼苗期、开花坐果期、盛果期和后果期进行根系样品采集。在设置相同的小区里选取5 株长势一致的辣椒植株，取平均值表示该处理的实际值。以辣椒植株为中心使用破坏性取样，取样深度为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，将根系放在0.25 mm 的网孔筛中冲洗去除死根，并将其余根系放入密封袋保存在4 ℃的环境中。采用V700 型扫描仪（EPSON 公司，日本）进行根系扫描，扫描仪的分辨率设置为400 dpi。利用DT-SCAN 图像软件（Delta 公司，英国）分析扫描好的TIF 文件，计算根长密度和根表面积等形态特征指标。再采用TTC还原法测定各处理0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层中的根系鲜样的活力，也即TTC 还原能力，计算公式如下。

1.3.2 产量测定 在果实收获阶段，采摘、称量各试验小区每株辣椒的产量。各试验小区分别标记10株，用于测量辣椒单株产量。

1.3.3 灌溉水利用效率

式中，IWUE为灌溉水利用效率，单位为kg/m3；Y为产量，单位为kg/hm2；W为灌水量，单位为m3/hm2。

1.3.4 氮肥偏生产力

式中，PNP为氮肥偏生产力，单位为kg/kg；Y为辣椒产量，单位为kg/hm2；M为施氮量，单位为kg/hm2。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0 软件分析处理试验数据，采用Origin 8.5 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮组合下辣椒根系形态的变化

2.1.1 辣椒根长密度的分布规律 根长密度是反映根系空间分布和吸收水氮能力的重要指标。图2 显示了不同水氮耦合处理下各土层的辣椒根长密度分布。由图2 可知，各处理辣椒根长密度随着生育期的推进基本表现为先升高后降低的趋势，最大值出现在盛果期。在0～10 cm 土层中辣椒平均根长密度在整个生育期表现为CKN1 ＞W1 ＞W2，随着灌水量的减少辣椒平均根长密度逐渐减少；在10～20 cm 土层，辣椒平均根长密度随着生育期的推进表现为先升高后降低，且各处理辣椒根长密度均大于0～10 cm土层。在20～30 cm 土层，辣椒平均根长密度在幼苗期和开花坐果期小于10～20 cm 土层，而在盛果期和后果期则相反。在整个生育期及根系土层中，CKN1的辣椒根长密度最大，W1N2 处理略小于CKN1 处理，差异不显著，然后为W1N1 处理。

2.1.2 辣椒根表面积的分布规律 由图3 可知，在幼苗期，各处理辣椒根表面积在10～20 cm 土层中最大，20～30 cm 土层最小，且各土层根表面积累量最大为CKN1，比W1N2 处理仅高出3.25%，差异不显著。在开花坐果期，各土层根表面积累量最大的3个处理由大到小依次为CKN1、W1N2、W1N1，灌水量大施氮量小（W1N3）或灌水量小施氮量大（W2N1）处理各土层根表面积最小，表明水氮耦合效应会影响辣椒根系生长。在盛果期，各处理辣椒根表面积积累量达最大，表现为W1N2＞CKN1＞W1N1＞W2N2，而低施氮量（N3）各处理根表面积均低于相同灌水量下的其他处理。后果期的根总表面积明显小于盛果期，减少了41.52%～51.94%。

2.1.3 辣椒根系活力的分布规律 根系活力的变化是客观反映根系生命活动的生理指标。从图4 可以看出，随着生育期的延长，辣椒根系活力先增加后减少，在盛果期达最大值，后果期又降低，说明后期部分根系衰老死亡。在W1 灌水量下，不同施氮量处理在不同土壤深度上的根系活力有所差异，其中W1N2 处理根系活力最高，高于最大施肥量处理（W1N1）；W2 灌水量下，根系活力表现为W2N2＞W2N3＞W2N1。随着灌水量的减少，根系活力也随之下降，高灌水量时根系活力变强，特别是在需水旺盛期根系活力强弱对比更为明显，这是因为此时是辣椒对水分最敏感的时期，水氮耦合效应显著，可以保证辣椒正常生长所需的水分和养分要求。生育期不同阶段根系活力也不同。幼苗期辣椒根系活力随着土层深度的增加而逐渐降低，0～10 cm 土层根系活力最高，CKN1 和W1N2 处理在0～10 cm 土层的根系活力显著（P＜0.05）高于其他处理。开花坐果期根系活力在10～20 cm 处最高；盛果期和后果期根系活力在20～30 cm 处最高，但各处理后果期根系活力小于盛果期。

图4 不同水氮耦合处理对辣椒根系活力的影响

2.2 不同水氮耦合处理对辣椒产量及水氮利用效率的影响

2.2.1 不同水氮模式对辣椒产量及产量构成要素的影响 水肥用量的合理供应是实现作物优质高产的重要保证，水氮耦合模式直接影响着辣椒产量，适当的施氮量和灌水量会产生明显的水氮耦合效应。由表2可知，膜下滴灌辣椒产量为22 596～35 189 kg/hm2，W1、W2 的产量 较CKN1 分别降低了3.99% 和34.97%，说明在开花坐果期和盛果期进行调亏灌溉和减氮处理时会造成不同程度的减产。但W1N2 处理辣椒产量最高，为35 189 kg/hm2，比CKN1 处理增产1 473 kg/hm2，达显著水平（P＜0.05）；中氮处理的辣椒产量均高于低氮处理，N2 施氮量下辣椒产量均值比N3 施氮量下辣椒产量均值高11.34%，且高出N1 施氮量下辣椒产量均值11.87%，且均达显著水平（P＜0.05），说明施氮量和产量不是正相关关系，水氮耦合效果对产量的影响作用更显著。低水高氮处理（W2N1）辣椒减产程度最严重，产量比W1N2 处理产量下降35.79%（P＜0.05）。

表2 不同水氮耦合处理对辣椒产量及产量构成要素的影响

综上所述，水氮耦合效应越明显，辣椒根系的生长发育越好，产量越高。这说明在辣椒开花坐果期和盛果期进行调亏灌溉时，若施加适量的氮肥，水氮耦合效应显著，辣椒根系生长和产量无明显影响和降低。相反，调亏灌溉时施氮量过大会导致土壤养分过高，辣椒根系（根长密度、根表面积和根系活力）生长受到影响，从而导致产量明显下降。

2.2.2 不同水氮耦合处理对水氮利用效率的影响由图5a 可知，滴灌条件下，W1N2 处理辣椒全生育期灌溉水利用效率最高，并显著高于除W2N2 处理外的其他处理（P＜0.05）。在W2 灌水量下，W2N2 处理灌溉水利用效率最高，分别比W2N1 和W2N3 处理高41.55%和15.49%；CKN1 处理分别比W1 和W2 灌水量处理降低了2.21%、6.78%。由图5b 可知，W1N3处理偏氮肥生产力最高，为167.85 kg/kg，其次为W2N3 和W1N2处理，分别为144.25 kg/kg 和140.76 kg/kg。在中氮和高氮处理中仅W1N2 处理的偏氮肥生产力处于较高水平。

图5 不同水氮耦合处理对水氮利用率的影响

3 讨论

已有研究表明，灌溉和施氮不仅影响辣椒根系生长，也成为限制辣椒产量的因素。朱琴等［14］在桶栽试验中设置5 个施氮水平［每桶施纯氮3、6（CK）、9、10、12 g］，结果发现辣椒前期施纯氮3 g 时生长协调合理，中期之后需要施纯氮6 g。韩明珠等［15］通过大田试验发现辣椒株高、茎叶重和根重随着施氮量的增加而增加，并综合得出丘北辣椒最佳施氮量为180 kg/hm2。马国礼等［16］设置了4 个氮肥水平和3个基质含水率水平的组合试验，研究发现高水高肥条件下辣椒株高和茎粗明显高于低水低肥处理，且在低水条件下随着施氮量的增加反而使辣椒光合荧光各指标呈反向变化。这与本试验高水低氮或低水高氮处理下辣椒根系分布特征参数（根长密度、根表面积和根系活力）低于中水中氮和CKN1 处理的结论一致。

节水节肥及优质高产是绿色农业发展的目标，因此提高水肥利用效率是推动现代农业快速发展的关键。赵义涛等［17］通过二次回归正交旋转组合法得出施纯氮358.7 kg/hm2时灌溉水利用效率较高。陆军胜等［12］利用温室小区试验得出中水中氮处理水分利用效率比其他处理提高了11.74%～59.91%。岳文俊等［18］的研究得出在相同氮肥条件下，氮肥偏生产力随着灌水量的增加呈先增大后减小的趋势。本研究得出W1N2 处理辣椒全生育期灌溉水利用效率最高，且氮肥偏生产力也较高。

4 小结

本研究基于膜下滴灌条件下，采用大田小区试验研究了水氮耦合对辣椒根系生长及产量的影响。结果表明，CKN1 处理辣椒根长密度、根表面积和根系活力最高，其次为中水中氮（W1N2）处理，比CKN1 分别降低了8.24%、3.25%和2.77%，差异均不显著，但W1N2 辣椒产量比CKN1 增加1 473 kg/hm2，达显著水平（P＜0.05）。施氮量和产量不存在正相关关系，水氮耦合效果对产量的影响作用更显著。滴灌条件下，W1N2 处理辣椒全生育期灌溉水利用效率最高，且在中氮和高氮处理中仅W1N2 处理的偏氮肥生产力处于较高水平。