保水劑對辣椒生長、產量及水分利用效率的影響

衛 琦，李昕彤，盧江海，韋 琦，賀 敏，徐俊增，江中坤

（1.河海大學農業科學與工程學院，南京 210098；2.江西省水利科學院，南昌 330029）

0 引 言

隨著人口數量的增長和社會經濟的發展，水資源短缺問題已經成為制約我國經濟社會高質量發展的關鍵因素之一[1]。因此，發展新型節水灌溉技術、更高效地利用現有水資源，是提高農業用水效率、緩解農業用水危機的核心任務和必然選擇[2]。

保水劑是一種利用高吸水性樹脂制成的具有超高吸水保水能力的高分子聚合物，由于其具有改變土壤性狀、減少土壤水分蒸發、改善土壤微環境、保水保肥、促進作物生長等優勢[3,4]，已在農業生產領域得到了廣泛的應用[5,6]。國內外眾多學者已經從不同保水劑類型、施用量或施用方式等角度開展了保水劑對作物生長、產量等影響的大量研究。李中陽等[7]研究了5 種保水劑和2 個施用量水平對冬小麥產量和水分利用效率的影響，結果表明不同類型保水劑及施用量處理的冬小麥產量增加了1.3%～7.9%，水分利用效率提高了5.3%～21.1%。Robiul等[8]研究了3種保水劑施用量（0、15和30 kg/hm2）對夏玉米生長及產量的影響，結果發現施用30 kg/hm2保水劑處理的株高、葉面積和籽粒重分別增加了20.9%、21.9%和14.0%。黃偉等[9]研究了4 種保水劑施用方式（穴施、涂層、拌種和不施）對馬鈴薯生長和產量的影響，結果發現穴施保水劑處理的馬鈴薯出苗率、成苗率、株高和產量均最高，較不施加保水劑處理的值分別提高了22%、4%、44%和57%。綜上所述，目前關于保水劑類型、施用量或施用方式對作物生長、產量等方面的研究已經較為成熟，而對于不同保水劑埋深和施用量組合模式對作物生長、產量、水分利用效率以及經濟效益等方面的研究還鮮有報道。保水劑埋深會直接影響土壤水分運移[10,11]，進而對土壤水分蒸散發、根系吸水特性、作物生長等方面產生重要影響，但相關方面的研究還較少。

因此，針對上述研究不足，本文以溫室辣椒為研究對象，通過設置不同保水劑施用量和埋深組合，探究不同保水劑管理對辣椒生長、產量及水分利用效率的影響，旨在認識新型節水灌溉技術對作物生長與產量的影響、探究溫室辣椒適宜的保水劑管理模式。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年6-8月在河海大學節水園區溫室大棚內（31°95′N,118°83′E）進行，溫室坐北朝南，可通過頂部的通風口通風。該試驗區位于長江流域下游地區，平均海拔15 m，屬于亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫15.7 ℃，年平均降雨量1 073 mm，年平均蒸發量900 mm。辣椒全生育期內日平均溫度為29.6 ℃，日平均濕度43.2%。供試土壤為黏壤土，其0～30 cm土層的土壤理化性質如表1所示。

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

1.2 試驗設計

試驗在盆栽中（長×寬×高=0.59 m×0.45 m×0.60 m）進行，每個土箱內設置4 株辣椒苗，供試品種為“辣帝一號”。保水劑采用河北華北化工有限公司所生產的新型高分子吸水性樹脂材料，主要成分為聚丙烯酰胺（陰離子型），粒徑大小為5-20 目，從化學結構來說，具有許多親水基團的低交聯度或部分結晶的高分子聚合物。試驗設置保水劑施用量和埋深2個因素，其中保水劑施用量設置0.1%和0.2%（保水劑占土壤干重的百分比）2個水平；保水劑埋深設置淺埋（10～15 cm 混合均勻）和深埋（15～20 cm 混合均勻）2個深度；并以不施加保水劑為對照（CK），試驗共計5 個處理（簡稱為S10-1、S10-2、S15-1、S15-2、CK）。每個處理設置3 個重復，共計15 個土箱。

為了盡可能減少保水劑施加對土壤容重的影響，本試驗在回填過程中，沿土箱垂直方向每0.05 m 進行劃線，并按容重為1.35 g/kg 稱取對應重量土壤進行回填。考慮到保水劑膨脹-收縮效應對土壤容重的影響會隨著作物對土壤水分的利用以及土壤水分蒸發而減弱，本研究中基本忽略了施加保水劑對土壤容重的影響。保水劑通過層施方式進行添加，即在回填過程中，首先將不同施用量的保水劑分別與10～15 cm和15～20 cm 土層土壤混合均勻，再回填至土箱的對應土層。施肥種類為尿素（N＞46.2%），施肥采用水肥一體化方式進行。全生育期（移栽后共計60 d）共進行3 次施肥（1 次基肥+2 次追肥），施肥日期分別為：2021年6月21日、2021年7月11日和2021年7月31日，其對應的施用量依次為：420、120和60 kg/hm2。灌溉方式為地面灌溉，全生育期共進行6 次灌水，其具體灌水情況如表2所示。

表2 辣椒全生育期內灌水情況統計表mmTab.2 Irrigation statistics during the whole growth period of pepper

1.3 觀測項目與方法

1.3.1 作物耗水量

在辣椒生育期內每次灌水后1、4 和9 d 采用不銹鋼土鉆（直徑為2 cm）進行取土，沿土壤深度每5 cm 間隔取1 個土樣，并采用烘干法（105 ℃，8 h）測定0～20 cm 土壤的質量含水率，并結合灌水量計算辣椒生育期耗水量。

（1）土壤貯水量W計算式：

式中：W為土壤貯水量，mm；h為土層深度，cm；γ為土壤容重，本研究中土壤容重為1.35 g/kg；θ為土壤質量含水率，g/g。

（2）作物耗水量Wc計算式：

式中：Wc為作物耗水量，mm；I為生育期內灌水量，mm；ΔW為生育期始末的土壤貯水量之差，mm。

1.3.2 作物生長指標

分別于各土箱中隨機選取1 株辣椒（3 個重復，共計3株），在全生育期內每間隔5 d 對辣椒株高、莖粗、葉長、葉寬和干物質累積量（包括根、莖、葉和果）進行測定，共計13 次。其中，株高采用卷尺（精度：1 mm）測量地面到植株最高點的距離；莖粗采用游標卡尺（精度：0.1 mm）測量主莖根部的寬度；葉長和葉寬采用游標卡尺（精度：0.1 mm）測量，并通過系數法計算其葉面積指數（LAI）；生育期結束后，將辣椒的根、莖、葉和果進行分離，并采用烘箱105 ℃殺青后于80 ℃烘干直至恒重，最后采用電子天平（精度：0.01 g）稱重測得各部分干物質累積量。

1.3.3 經濟效益

試驗結束后，對不同處理的產量進行統計，并計算其經濟效益。根據市場價格，本研究中辣椒按1.12 萬元/t計，總投入成本包括保水劑（1.00 萬元/t）、種子、水費及肥料費（0.87 萬元/hm2）和人工費（1.00 萬元/hm2）。

（1）產量總收入Cout計算式：

式中：Cout為產量總收入，萬元/hm2；Y為經濟產量，t/hm2；P為辣椒價格，萬元/t。

（2）純收益C計算式：

式中：C為純收益，萬元/hm2；Cout為產量總收入，萬元/hm2；Cin為總投入成本，萬元/hm2。

1.3.4 水分利用效率（WUE）

水分利用效率采用單位耗水量下作物經濟產量的比值表示，具體如下：

式中：WUE為水分利用效率；Y為經濟產量，t/hm2；Wc為作物耗水量，mm。

1.4 統計方法

采用Microsoft Office 2016 和IBM-SPSS 19.0 (USA)分析軟件對辣椒生長、干物質累積量等指標進行統計分析和繪圖，并采用單因素方差分析和最小顯著性差異法（LSD）對辣椒產量及其構成均值進行比較和方差分析（p＜0.05為顯著性水平）。

2 結果與分析

2.1 保水劑對辣椒生長的影響

2.1.1 保水劑對辣椒株高和莖粗的影響

不同保水劑施用量和埋深組合對辣椒株高和莖粗的影響如圖1所示?？梢钥闯?，不同保水劑管理模式下辣椒株高和莖粗動態變化規律較為相似，即在生育前期（7月20日前），辣椒迅速增長，其株高和莖粗變化幅度較大；在生育后期（7月20日后），辣椒生長逐步平緩，株高和莖粗變化幅度趨于平穩。總體上，不同處理在苗期辣椒的株高和莖粗之間均無明顯差異，但隨著生育期的進行和辣椒的生長，其株高和莖粗在生育后期的差異逐漸增大?？傮w上，不同保水劑管理模式下，辣椒株高和莖粗大小關系均表現為：S10-2＞S10-1＞S15-2＞S15-1＞CK。由此可知，不同保水劑處理的株高和莖粗均大于CK 處理，且以淺埋高施用量（S10-2）保水劑處理的表現為最佳，其株高和莖粗分別為82.2 cm 和1.64 cm，較CK 處理分別增大了8.17%和8.69%。

圖1 不同保水劑管理對辣椒株高和莖粗的影響Fig.1 Effects of different super absorbent polymer on plant height and stem diameter of pepper

進一步分析可知，在同一保水劑埋深條件下，辣椒株高和莖粗均隨保水劑施用量的增加而增大。其中保水劑在淺埋條件下，高施用量處理的株高和莖粗分別較低施用量處理增加了2.62%和3.22%；在保水劑深埋條件下，高施用量處理較低施用量處理的株高和莖粗分別增加了2.58%和0.65%。而在相同保水劑施用量條件下，辣椒株高和莖粗隨保水劑埋深的增大而降低。其中，在低施用量水平下，深埋處理較淺埋處理的株高和莖粗分別減少了3.31%和2.52%；在高施用量水平下，深埋處理較淺埋處理的株高和莖粗分別減少了3.34%和4.95%。

2.1.2 保水劑對辣椒葉面積指數的影響

不同保水劑管理對辣椒葉面積指數（LAI）的影響如圖2所示?？梢缘弥?，隨著生育期的推進，辣椒LAI呈逐漸增加趨勢，但增幅逐漸減小?？傮w上，不同處理辣椒的LAI大小關系表現為：S10-2＞S15-2＞S10-1＞S15-1＞CK。與CK 處理相比，S10-2、S15-2、S10-1 和S15-1 處理的值分別增加了6.43%、5.80%、5.47%和2.62%，但不顯著（p＞0.1）。此外，在相同保水劑埋深下，辣椒LAI隨著保水劑施用量的增加而增大。其中在淺埋和深埋條件下，高施用量處理較低施用量處理的LAI分別增大了0.9%和3.10%。而在同一施用量水平下，辣椒LAI則隨保水劑埋深的增加而減小。具體表現為：在低和高施用量水平下，深埋處理較淺埋處理的辣椒LAI分別減小了2.71%和0.59%。

圖2 不同保水劑管理對辣椒LAI的影響Fig.2 Effects of different super absorbent polymer on LAI of pepper

2.2 保水劑對辣椒干物質累積及分配的影響

不同保水劑管理對辣椒干物質累積及分配的影響如圖3所示?？梢钥闯?，與CK 處理相比，施用保水劑處理的辣椒干物質總累積量顯著增加（p＜0.05），增大了7.36%～20.15%。且在相同施用量條件下，辣椒干物質總累積量隨保水劑埋深的增加而減小。其中在低和高施用量水平下，深埋處理較淺埋處理的辣椒干物質總累積量分別減小了5.57%和7.66%。而在相同保水劑埋深條件下，辣椒干物質總累積量則隨著保水劑施用量的增加而增大。其中在淺埋和深埋條件下，高施用量處理較低施用量處理的干物質總累積量分別增大了5.68%和3.33%。

圖3 不同保水劑管理對辣椒干物質累積及分配的影響Fig.3 Effects of different super absorbent polymer on dry matter accumulation and distribution of pepper

進一步分析不同處理各部分干物質量之間的關系的可以發現，與CK 處理相比，不同保水劑處理的根系增大了10.35%～24.26%、 葉增大了10.52%～32.90%、 莖增大了10.07%～23.60%、果實增大了5.77%～16.66%。此外，通過對比不同保水劑處理各部分干物質量之間的關系，可以得出，在保水劑淺埋和深埋條件下，高施用量處理較低施用量處理的干物質累積量增加了6.88%和2.53%，葉片增加了7.98%和6.84%，莖增加了5.68% 和4.49%，果實增加了5.17% 和2.38%；而在低和高施用量水平下，深埋處理較淺埋處理的干物質累積量減小了5.08% 和8.95%、葉減小了10.20% 和11.15%、莖減小了5.89% 和6.94%、果實減小了4.64% 和7.17%。

綜上，施用保水劑顯著提高了辣椒干物質累積量，且以淺埋高施用量（S10-2）處理效果最為佳，其中施用保水劑對葉片干物質累積量的提高最為顯著。

2.3 保水劑對辣椒產量及其構成要素的影響

表3為不同保水劑管理對辣椒產量及產量構成要素的影響。由此可知，施用保水劑處理的單株果數、單果質量、單株產量和經濟產量均顯著大于CK 處理，不同處理辣椒經濟產量之間的大小關系為：S10-2＞S10-1＞S15-2＞S15-1＞CK，其中S10-2、S10-1、S15-2 和S15-1 處理的經濟產量分別較CK 處理增大了42.22%、24.23%、20.29%和11.69%，差異均達到顯著性水平（p＜0.05）。

表3 不同保水劑管理對辣椒產量及其構成要素的影響Tab.3 Effects of different super absorbent polymer on pepper yield and its components

此外，統計分析結果顯示，保水劑埋深和施用量均對辣椒單株果數和經濟產量有極顯著影響（p＜0.01），對單株產量有顯著影響（p＜0.05）；而保水劑埋深和施用量交互作用對辣椒產量及其構成要素均無顯著影響（p＞0.1）?？傮w上，施用保水劑均有助于辣椒的增產，且主要通過增加單株果數而增加單株產量，進而實現經濟產量的增加。

2.4 保水劑對辣椒水分利用效率及經濟效益的影響

結合表3和表4可知，保水劑可以通過改善土壤水分環境狀況、降低作物耗水量，進而提升作物水分利用效率。施用保水劑處理的作物耗水量均低于CK 處理，分別減少了21.56%（S10-2）、 18.98% （S10-1）、 14.42% （S15-2） 和12.70%（S15-1）。總體上，不同處理辣椒水分利用效率之間的大小關系為：S10-2＞S10-1＞S15-2＞S15-1＞CK，其中以淺埋高施用量（S10-2）處理的水分利用效率最高，為0.22 t/(hm2·mm)。此外，與CK 處理相比，不同保水劑處理的水分利用效率增大了28.57%～85.71%。因保水劑施用量不同，各處理的經濟投入成本存在差異，各處理的純收益值從高到低依次為S10-2、S10-1、S15-1、S15-2、CK，以淺埋高施用量（S10-2）處理的純收益值最高，為61.43 萬元/hm2，淺埋低施用量（S10-1）處理次之，為55.44 萬元/hm2。S10-2、S10-1、S15-1和S15-2處理的純收益較CK 處理分別提高了32.29%、19.39%、9.48%和6.34%。

表4 不同保水劑管理對辣椒水分利用效率與經濟效益的影響Tab.4 Effects of different super absorbent polymer on water use efficiency and economic benefits of pepper

3 討 論

大量研究表明，保水劑可以通過自身的吸水-釋水過程改善土壤結構[12,13]，優化作物生長環境和養分吸收，促進作物生長發育和產量增加[14]。且一般認為，作物生長、產量和水分利用效率隨保水劑施用量的增加而增大?？涤懒恋萚15]研究了不同保水劑施用量（0、15、30、45 kg/hm2）對小麥生長和產量的影響，結果表明施用保水劑處理的小麥株高和產量均隨保水劑施用量的增加而增大，且較CK 處理的株高增加了1.8～5.0 cm、產量增大了2.31%～19.20%。閆永利[16]等研究了保水劑不同施用方式和施用量對胡蘿卜出苗的影響，結果表明，保水劑在浸種和混施處理條件下，施用量分別為3～15 kg/hm2和15～45 kg/hm2時其出苗率較對照處理分別提高了29.5%～73.3%和4.6%～7.0%。張小強等[17]研究了保水劑不同添加比例對平菇生長的影響，結果表明，隨保水劑施用量的增大，平菇采摘次數和總產量分別增大了10.0%～16.7%和8.7%～45.3%。此外，也有學者研究發現，保水劑施用量在一定范圍時會對作物生長產生促進作用[18-20]，而過多的保水劑則可能會呈現凝膠狀膨脹、固結，影響土壤透氣性，進而抑制作物生長[10]。本研究中，不同保水劑施用量處理的辣椒株高、莖粗、葉面積指數（LAI）和干物質總累積量均明顯大于CK 處理，其增幅依次為1.92%～8.17%、2.65%～8.69%、2.62%～6.43%和7.36%～20.15%，這與上述多數研究結果較為一致。此外，本研究中并未發現保水劑對作物生長產生抑制作用，這可能與本試驗僅設置了2個保水劑施用量水平有關。因此，在下一步研究中，應設置更多保水劑施用量水平，以探究不同作物類型下保水劑最為適宜的施用量范圍。

此外，保水劑埋深也會對作物生長、產量產生重要影響，且通常情況下，保水劑埋深與作物類型、土壤理化性質和根系主要分布層密切相關[21-23]。張麗華等[24]研究了不同保水劑埋深（10、20、30和40 cm）對玉米生長和產量的影響，發現保水劑埋深過淺（10 cm）不利于玉米生長。而本研究結果表明，淺埋處理辣椒的生長和產量指標均顯著優于深埋處理。分析其原因可能是：其一，根系是作物生長和高產的關鍵，本試驗中保水劑淺埋（10 cm）處理的埋深與辣椒主要根系分布層較為接近[25]，有利于辣椒根系吸收水分和養分，進而促進了作物生長，提高了作物產量[26]；其二，由于保水劑具有一定的阻滲作用，導致了部分灌溉水滯留在保水劑施用層附近[27]，促使保水劑更好的發揮其“土壤小水庫”的作用，從而提高作物生長發育的能力。因此，在今后的保水劑應用過程中，應結合作物類型與根系分布特征，合理設置保水劑埋深，以最大限度發揮其保水、釋水的優勢。

施用保水劑不僅會促進作物的生長，還會提高作物產量及其經濟效益。李榮等[28]研究表明，當保水劑施用量為60 kg/hm2時可促進玉米增產，其經濟效益也較CK 處理顯著提高了33.9%。汪勇等[29]研究了不同保水劑在坡地棗林中的經濟效益，結果發現不同類型保水劑（100 g/株）均表現出一定的增產增收效果，且其最大經濟效益可增加1.2 萬元/hm2。鄒超煜等[30]研究了保水劑對干旱半干旱區不同作物產值的影響，結果表明施用保水劑處理的西瓜、馬鈴薯和玉米增值率分別為29.08%、54.78%和11.47%，春小麥、向日葵、玉米和番茄增值率分別為9.27%、22.78%、22.94%和5.14%。本研究中，施用保水劑顯著提高了辣椒純收益（6.34%～32.29%），不同保水劑施用量和埋深對辣椒純收益均有一定影響，且以淺埋高施用量（S10-2）處理的經濟效益為最高；此外，研究還發現淺埋高施用量（S10-2）處理對作物水分利用效率也有顯著提升，能最大限度促進辣椒生長和干物質累積，進而有助于作物增產增收，這一結論將對保水劑在溫室辣椒種植方面的應用提供指導。總之，本研究重點針對溫室辣椒開展了不同保水劑施用量和埋深條件下作物生長、產量及水分利用效率等方面的研究，在未來研究中，應結合不同作物的田間試驗，通過設置更多保水劑埋深和施用量水平，探究不同氣候特征和土壤特性條件下更多作物適宜的保水劑管理模式。

4 結 論

本研究基于盆栽試驗，研究了保水劑不同施用量和埋深組合管理模式對辣椒生長、產量及水分利用效率的影響，得出如下結論：

(1)與CK 處理相比，不同保水劑埋深和施用量處理均促進了辣椒生長（株高、莖粗和葉面積指數）、提高了辣椒產量和水分利用效率。

(2)對于不同保水劑處理來說，辣椒株高、莖粗、葉面積指數和干物質累積均隨保水劑施用量的增加而增大，隨保水劑埋深的增大而減小，且淺埋高施用量（S10-2）處理的表現最佳，其株高、莖粗、葉面積指數和干物質累積分別較CK 處理增大了8.17%、8.69%、6.43%和20.15%。

(3)施用保水劑可通過顯著增加單株果數提高辣椒單株產量和經濟產量，不同保水劑處理的經濟產量較CK 處理增大了11.69%～42.22%。

(4)與CK 處理相比，淺埋高施用量（S10-2）處理水分利用效率和純收益值均最高，因此，在長江中下游地區建議推薦溫室辣椒的保水劑施用量為0.2%、埋深為10 cm。