土壤水分下限對地下滲灌辣椒生長發育及水分利用效率的影響

朱文婷，孫兆軍，，祁 琦，焦炳忠，禹 昭，何 俊

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川750021；2.寧夏大學資源環境學院，銀川750021；3.教育部中阿旱區特色資源與環境治理國際合作聯合實驗室，銀川750021；4.寧夏（中阿）旱區資源評價與環境調控重點實驗室，銀川750021）

辣椒屬于茄科辣椒屬，是最易受干旱脅迫的園藝作物之一，這是由于其廣泛的蒸騰葉表面、高氣孔導度和淺根性，灌水過多或過少都將可能抑制辣椒根系生長和生長發育，導致產量和品質下降等問題[1,2]。我國水土資源地域分布的不平均、水資源短缺且利用率低，尤其是在西北干旱和半干旱地區，干旱少雨，這都會對農作物造成一定的影響，所以我國農業現在和未來發展的至關重要的一步是大力發展節水灌溉技術[3,4]。土壤水分適宜下限值是制定灌溉制度的指標之一，灌水開始的時間和次數由其決定[5]。當前農業節水領域，設置合適的土壤水分適宜下限值對作物進行灌溉是熱門主題[6-8]。如蒙強等[9]通過設置4 個土壤水分下限調控水平，確定春青稞適宜的土壤水分下限為55%～60%θ?(θ?為田間持水率)；焦炳忠等[10]以棗樹4 個生育時期進行試驗研究，確定了滲灌條件下棗樹最適宜的土壤水分下限：萌芽展葉期為50%θ?、開花坐果期為75%θ?、果實膨大期和果實成熟期為65%θ?；也有學者通過水分下限試驗，確定甜瓜在生長關鍵時期土壤水分下限指標為65%θ?[11]。

地下滲灌通過灌水器微孔滲水以及土壤毛管吸水作用將水分直接輸送到作物根部，相比于地面滴灌，該灌溉方式可以更科學地控制灌水量，有效地減少棵間蒸發，增產增收。關于地下滲灌技術的研究，目前主要集中在其對作物的生長及產量的影響[12]，灌水器適宜布置方式[13]和濕潤體大小、分布范圍[14]等方面。但針對土壤水分下限控制對地下滲灌作物灌溉模式影響的相關研究尚不多見，還有待于進一步研究。為此，本試驗在大田地下滲灌栽培條件下，研究各生育期不同土壤水分下限處理對辣椒生長指標、產量和水分利用效率的影響，提出用于辣椒栽培合適的土壤水分下限，以期為寧夏引黃灌區辣椒栽培的合理灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在寧夏回族自治區銀川市賀蘭縣金貴鎮牡丹花鄉試驗地(38°29′31″N，106°23′54″E)進行，地處寧夏回族自治區銀川市東北部，銀川平原引黃灌區中部，耕地多為黃河自流灌溉。試驗地屬溫帶大陸性氣候，日照時間長，晝夜溫差大，多年平均氣溫9.7 ℃，海拔1 000 m，多年平均降水量138.8 mm，集中在6-9月，空氣相對濕度在60%～70%，水文條件薄弱，形成地表徑流量為零，實際可用水量較少。試驗地質地為壤土，排灌良好，試驗在7-9月進行。試驗開始前，在試驗田內取土風干碾碎過篩，測得田間持水率為23.12%(質量含水率)、pH 值8.04，土壤容重1.51 g/cm3，有機質12.6 g/kg，全氮0.79 g/kg，速效磷15.7 mg/kg，速效鉀167 mg/kg。

1.2 材料與栽培

供試辣椒品種為航椒4 號，于2020年5月12日定植。試驗采用人工起壟，壟寬0.8 m，壟高0.12 m。辣椒采取每壟雙行定植，穴按三角形交錯排列，株距40 cm，行距50 cm，行向為南北向。每個試驗小區的長5.0 m，寬2.4 m，面積均為12 m2。壟中間埋置一條滲灌帶，埋設深度10 cm，起壟前施入足量的氮磷鉀復合肥。選擇1.2 m 幅白色地膜，用鋪膜機覆膜，其他與一般大田田間管理措施相同。成熟后分批采摘，分別于7月12日、8月7日、8月28日收獲第1～3茬辣椒。

供試滲灌管選用本研究團隊自主研發的全滲管道，出水量為300～400 mL/(m·min)，水平鋪設滲灌管，試驗灌溉用水采用風光互補發電提水技術。為準確控制灌溉時間、水量和土壤水分上下限，采用GC 003 控制系統（上海艾美克有限公司）以及土壤水分傳感器、流量計、壓力計進行監測。根據辣椒根系的分布特征，每個處理分別設置3個傳感器，在垂直方向地表以下5、15、25 cm埋設。

1.3 試驗設計

根據辣椒各生育時期對水分敏感程度、每年灌溉量、當地實際生產經驗和學者對辣椒各生育時期的土壤水分下限的研究，將辣椒分為4個生育期：苗期、開花坐果期、盛果期和后果期。本試驗采用單因素隨機試驗，分別在苗期設置4個灌溉梯度下限45%θ?、55%θ?、65%θ?和75%θ?，開花坐果期、盛果期和后果期設置3 個灌溉梯度下限55%θ?、65%θ?、75%θ?，全生育期充分灌水為對照(CK)，所有處理上限均為80%θ?，即對應的水分傳感器設置上限值為28%(體積含水率)。因此，共10 個處理，每個處理重復3 次。換算后設置土壤水分傳感器下限值(體積含水率)。換算公式為：

式中：θ為體積含水率，%；ρ1為土壤干容重，g/cm3；ρ2為水容重，取1.0 g/cm3；ω為質量含水率，%

不同處理各生育時期土壤水分傳感器對應的值如表1所示。

表1 試驗設計Tab.1 Experimental design

1.4 測定項目與方法

（1）作物生長指標。每個處理選取5 株進行生長指標監測，在每個生育期結束時測量一次。株高使用卷尺測量，精度值為1 mm，用游標卡尺通過十字交叉法測量莖粗，測量部位為主莖根部。葉面積的測量選用系數法[15]。

（2）產量。在各小區選取5株代表辣椒植株，每次采摘時用這5株辣椒產量的平均值作為各小區辣椒的單株產量，最后折合成每公頃產量，采摘3次產量之和為總產量。

（3）辣椒耗水量。公式為：

式中：ET為耗水量，mm；P為植物生育期降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔSWS為生育期開始和生育期結束時的土壤計劃濕潤層內的儲水量之差，mm；R為徑流量，mm；D為深層土壤水滲漏量，mm。

因試驗區地下水位在20 m 以下，每次灌水量和單次降雨量均較少，實測生育期內1～1.5 m 土層土壤含水率變化不大，計算公式中R和D可忽略不計。

（4）水分利用效率。辣椒水分利用效率的計算如下：

式中：WUE為辣椒全生育期水分利用效率，kg/m3；Y為辣椒產量，kg/hm2

1.5 數據分析

采用Excel 2010 和SPSS 22.0 軟件對試驗數據進行處理、統計分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同土壤水分下限對辣椒生長發育的影響

2.1.1 不同土壤水分下限對辣椒株高的影響

從圖1可以看出，各處理辣椒株高變化趨勢相同，隨著生育期的推進株高逐漸增加，各生育期株高增長速度開花坐果期最大，其次為苗期，隨后為盛果期，后果期最小。在苗期和盛果期，不同梯度的灌溉下限均顯著抑制了辣椒株高的增長，導致辣椒株高顯著（P＜0.05）小于CK 處理，且水分下限越低，辣椒株高越小，T1、T2、T3 處理在后果期時的株高分別比CK 處理顯著降低了24.67%、11.59%、3.96%。在盛果期，土壤水分下限為65%θ?的處理辣椒株高與對照無顯著（P＞0.05）差異，而水分下限為55%θ?處理辣椒株高顯著小于對照。到后果期，辣椒營養生長基本完成，株高基本不變，此階段水分對辣椒株高無顯著（P＞0.05）影響，最終表現為CK＞T9＞T8＞T3＞T7＞T5＞T6＞T2＞T4＞T1。其中CK 處理株高最大，為84.8 cm，T1處理株高最小，為63.9 cm。

圖1 不同土壤水分下限對辣椒株高的影響Fig.1 Effects of different soil moisture limits on pepper plant height

2.1.2 不同土壤水分下限對辣椒莖粗的影響

莖粗是衡量辣椒是否健壯的重要指標之一，不同土壤水分下限對辣椒莖粗的影響如圖2所示。不同處理對辣椒莖粗均有影響，整個生育時期內各水分處理辣椒莖粗不斷增大，其中盛果期辣椒莖粗增長速率大，增幅為5.18 mm。在辣椒各生育期內，CK 處理辣椒莖粗始終處在最高水平。苗期、開花坐果期和盛果期水分脅迫均導致辣椒的莖粗顯著（P＜0.05）小于CK處理，并且灌水控制下限越低，辣椒莖粗越小，其中T1處理的辣椒莖粗比對照小21.49%。生育期末，T3、T8和T9處理辣椒莖粗均與CK 處于同一水平，而其余處理辣椒莖粗均與對照差異顯著，這說明辣椒莖粗在苗期、開花坐果期和盛果期缺水時生長會受到抑制。

圖2 不同土壤水分下限對辣椒莖粗的影響Fig.2 Effects of different soil moisture limits on pepper stem diameters

2.1.3 不同土壤水分下限對辣椒葉面積指數（LAI）的影響

如表2所示，隨著辣椒生育期的延長，各水分處理辣椒葉面積指數從苗期到后果期持續增大。全生育期CK 處理的辣椒LAI始終處于最高水平，除T9 處理外，其余處理均導致辣椒LAI顯著（P＜0.05）小于對照。T1、T2 和T3 處理與CK 相比，苗期分別降低42.74%、32.48%、18.80%，開花坐果期分別降低29.71%、24.27%、9.71%。盛果期和后果期T3 處理葉面積指數與CK 處于同一水平(P＞0.05)，這說明苗期土壤水分下限為65%θ?時，到后期復水后辣椒葉面積會發生恢復性生長。在各生育期T8、T9 處理與其余處理相比無顯著性差異(P＞0.05)，說明在后果期，辣椒葉面積的增長在適宜的水分下限條件下不受影響。

表2 不同土壤水分下限對辣椒葉面積指數（LAI）的影響Tab.2 Effects of different soil moisture limits on pepper leaf area index(LAI)

2.2 不同土壤水分下限對辣椒產量的影響

從表3可以看出，不同土壤水分下限處理下辣椒總產量表現為CK＞T3＞T2＞T9＞T8＞T7＞T5＞T4＞T6＞T1。

表3 不同土壤水分下限對辣椒產量的影響kg/hm2Tab.3 Effects of different soil moisture limits on yield of pepper

全生育期充分灌水的CK 處理辣椒總產量最高，為37 799.81 kg/hm2，T2、T3 和T9 處理的總產量處于最高水平，而T1處理的產量處于最低，比CK顯著減小14.17%。在第1茬收獲時，T7 處理的產量處于最高水平，而T4 處理產量最低，比CK顯著(P＞0.05)小23.80%，T1、T2和T5處理產量處于同一水平，且均小于前期水分未虧缺處理。在第2 茬收獲時，T6和T7處理的辣椒產量分別比對照顯著小24.41%和20.46%，而T2 和T3 處理的此茬產量均與CK 處于同一水平，說明苗期55%θ?和65%θ?的灌水控制下限對辣椒第2 茬產量影響較小。在收獲第3 茬辣椒時，T2 處理產量最高，為12 778.05 kg/hm2，且T2、T3、T6 和T7 處理的產量與CK 處理處于同一水平，說明苗期、盛果期55%θ?和65%θ?的灌水控制下限不影響此茬辣椒產量。而T8處理的產量比CK顯著小29.63%。

2.3 不同土壤水分下限對辣椒水分利用效率的影響

不同土壤水分下限下對辣椒耗水量、產量及水分利用效率的影響如表4所示。不同生育階段辣椒灌水量和耗水量隨著灌水控制下限的降低而逐漸減小，CK 處理全生育期灌水量和耗水量均最大，分別為329.12、483.25 mm。T2、T4、T5、T7處理全生育期耗水量和灌水量處于同一水平，比CK小7.64%～12.95%，而T1 處理的灌水量和耗水量處于最低水平，分別比CK小18.25%和16.74%。

水分利用效率(WUE)可以反映作物產量與耗水量之間的關系和培植過程中水所產生的經濟效益。由表4可以看出，不同土壤水分下限處理下辣椒的水分利用效率有所不同。與全生育期充分供水的CK 處理相比，T2 處理的水分利用效率最高，T9處理次之，分別為8.58和8.03 kg/m3，T2處理比CK 顯著(P＞0.05)高10.83%，其余處理對辣椒水分利用影響不大。所以苗期55%θ?的灌水控制下限能顯著提高地下滲灌辣椒的水分利用效率。

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

3 討 論

水分對作物的生長和發育起著關鍵作用，不同的土壤水分下限不同程度地影響了作物的株高、莖粗和葉面積指數。在生長過程中隨著水分下限的降低，辣椒的生長發育均會受到抑制。由于辣椒的補償效應，苗期受到水分脅迫后在其他生育期充分灌溉，T3 處理的辣椒株高和莖粗等生長指標在后期發生補償生長，增長速度加快逐漸接近對照處理，這與付秋實[16]等研究結果一致。水分虧缺使得作物體內含水量減少，進而細胞收縮，細胞壁松弛，細胞內部擴展受到抑制，導致作物生長緩慢。研究表明，作物產量受不同時期缺水影響不同，辣椒產量隨灌水量的增加先增加后減小。作物達到最大產量后再繼續灌水，有可能引起作物減產和水分利用效率下降[17]。造成這一現象可能是因為較低的灌水下限條件下土壤含水率較低，土水勢較小，不利于辣椒吸收水分和生長發育，在高灌溉水平下使得辣椒根際土壤含水率過高，植株的營養生長過盛從而抑制了生殖生長，同時根系附近水分過多，抑制了辣椒根系的呼吸作用，會導致辣椒在開花坐果期落花落果，從而產量降低[18]。本試驗中，CK 處理辣椒總產量最大，產量為37 399.81 kg/hm2，水分利用效率為7.74 kg/m3，T2 處理總產量為37 015.73 kg/m3，水分利用效率最高為8.58 kg/m3，T2 處理在不降低辣椒產量的同時能有效提高辣椒的水分利用效率。本研究在滲灌條件下得出：不同生育時期內適度的水分脅迫可減少作物灌水量及耗水量，利于辣椒根系更好吸收營養和水分，提高產量、收入和水分利用效率。若同時考慮辣椒株高、莖粗、葉面積指數等生長指標和產量，灌水量控制在75%θ?下限為佳；若綜合考慮當地農業用水資源現狀、辣椒水分利用效率以及經濟效益，灌水量控制在苗期55%θ?下限，可以實現高效節水和豐產的目標。

4 結 論

（1）本試驗研究結果表明，在地下滲灌條件下，辣椒苗期、開花坐果期和盛果期，設置不同梯度的土壤水分下限都會顯著影響辣椒株高、莖粗和葉面積指數，且土壤水分下限越低，株高、莖粗和葉面積指數越小。而在后果期辣椒主要進行生殖生長，水分下限對辣椒株高和莖粗等生長指標影響不大。

（2）辣椒各生育時期降低土壤水分下限值，灌水量和耗水量隨之減少，產量有所影響，但水分利用效率反而提高。T2、T3、T9處理與CK處理(最大)產量無顯著差異(P＞0.05)，但T2 處理的水分利用效率最佳，為8.58 kg/m3，灌水量為293.92 mm，較T2、T9和CK處理低。

（3）綜合考慮地下滲灌辣椒生長發育、產量和水分利用效率，苗期土壤水分下限為55%θ?，其余時期充分供水(土壤水分下限為75%θ?)為本試驗條件下的最佳灌溉模式，為寧夏引黃灌區實現大田辣椒精準灌溉、高效節水種植提供方案和技術指導。