膜下滴灌條件下水氮耦合對辣椒根系生長及產量的影響

吳玉秀

（新疆農業職業技術學院農業工程分院，新疆 昌吉 831100）

辣椒（Capsicum frutescensL.）是世界第三大蔬菜作物，僅次于豆類和番茄。中國是辣椒種植面積最大的國家［1］，截至2020年，種植面積高達81.4萬hm2，產量為1 960 萬t。新疆屬典型的內陸干旱區，氣候干燥，蒸發強度大，新疆獨特的地理位置和氣候條件使其成為中國辣椒主產區之一，年種植辣椒總面積達3.67 萬hm2，干辣椒年產量更是占全國的1/5。傳統辣椒種植多采用“大水大肥”模式，不僅造成水肥浪費、環境污染，不利于農業可持續發展，而且導致作物產量和品質下降。已有研究表明，水、氮之間有明顯的耦合效應，合理的灌水量和施氮量可以提高作物產量，促進水氮的高效利用［2，3］。因此，發展高效節水灌溉和協調水氮耦合是解決新疆農業水肥資源的必要途徑。膜下滴灌是基于作物需水的局部灌溉技術，將有限的灌溉水循環于土壤與地膜之間［4-6］，以減少土壤水分的無效損失，抑制土壤養分流失。研究表明，膜下滴灌可節水近40%，使作物增產10%～20%［7，8］，因此在新疆農業生產中得到廣泛應用。

根系是作物吸收土壤中水分和養分的器官，發達的根系是作物生長和高產的基礎［9］。作物根系的生長狀況和產量與水氮耦合效應有直接聯系。謝志良等［10］的研究發現，隨著灌水量增加，棉花平均根長密度、根表面積指數顯著下降，與施氮量無關；隨著施氮量的增加，棉花平均根長密度變化不明顯，棉花根表面積明顯降低。鄒升等［11］的研究表明，隨著水、氮供應量的增加，春小麥根總長及表面積增加，少水中氮處理的根系變粗。大多數學者僅對辣椒的產量和品質進行研究，較少研究水氮耦合對辣椒根系分布特征參數的影響。陸軍勝等［12］利用溫室小區灌溉試驗得出當灌水量為156 mm、施氮量為225 kg/hm2時，辣椒產量最高。梁運江等［13］通過大棚小區試驗發現辣椒產量較佳的水氮管理制度為灌水定額170 m3/（hm2·次）、純氮用量225.0～273.9 kg/hm2。本研究通過大田小區試驗，在辣椒對水、氮敏感的2個生育期進行不同程度的調虧灌溉和減氮處理，研究膜下滴灌條件下水氮耦合對辣椒根系分布特征參數及產量的影響，以期探討適宜新疆膜下滴灌辣椒根系生長的合理水氮供應模式，為節水條件下干旱區蔬菜種植水氮精量調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年3—9 月在新疆昌吉州呼圖壁縣大豐鎮樹窩子村（44°32′54″N，86°43′29″E）進行。呼圖壁縣地處準噶爾盆地南緣天山北麓中段，屬典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，夏季氣候干旱，冬季氣候偏冷，年平均氣溫6.7 ℃，年降水量167 mm，年平均無霜期180 d，年平均日照時間達3 090 h，大于10 ℃年有效積溫為3 553 ℃。試驗地土質為沙壤土，有機質含量為14.52 g/kg，土壤容重為1.56 g/cm3，堿解氮含量為62.7 mg/kg，速效磷含量為45.4 mg/kg，速效鉀含量為156.9 mg/kg，pH 為8.5，田間持水量為23.2%。

1.2 試驗設計

試驗辣椒品種為龍椒1號，于3 月15 日播種，8月26 日收獲，全生育期共164 d。種植模式為一膜兩管四行，如圖1 所示，滴頭間距30 cm，滴頭流量1.5 L/h。采用小區試驗，每個小區面積為3 m×6 m。試驗設灌水量和施氮量2 個因素，根據北疆辣椒需水規律試驗結果，參考當地實際灌水情況，在開花坐果期和盛果期設置不同程度的調虧灌溉，分別為輕度虧缺（W1，全生育期灌水量3 656 m3/hm2）和中度虧缺（W2，全生育期灌水量3 082 m3/hm2），在施鉀量和施磷量相同且充足的條件下，同時設置3 種施氮水平，分別為325 kg/hm2（N1）、250 kg/hm2（N2）、175 kg/hm2（N3），二者組合即中水高氮（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），并設置傳統模式（全生育期灌水量4 230 m3/hm2，施氮量325 kg/hm2）處理作為對照（CKN1）。共7 個處理，每個處理重復3次，共21 個試驗小區。辣椒全生育期灌溉制度如表1 所示。

圖1 試驗小區內膜下滴灌辣椒種植模式

1.3 觀測項目及方法

1.3.1 根系指標 分別在辣椒幼苗期、開花坐果期、盛果期和后果期進行根系樣品采集。在設置相同的小區里選取5 株長勢一致的辣椒植株，取平均值表示該處理的實際值。以辣椒植株為中心使用破壞性取樣，取樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，將根系放在0.25 mm 的網孔篩中沖洗去除死根，并將其余根系放入密封袋保存在4 ℃的環境中。采用V700 型掃描儀（EPSON 公司，日本）進行根系掃描，掃描儀的分辨率設置為400 dpi。利用DT-SCAN 圖像軟件（Delta 公司，英國）分析掃描好的TIF 文件，計算根長密度和根表面積等形態特征指標。再采用TTC還原法測定各處理0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層中的根系鮮樣的活力，也即TTC 還原能力，計算公式如下。

1.3.2 產量測定 在果實收獲階段，采摘、稱量各試驗小區每株辣椒的產量。各試驗小區分別標記10株，用于測量辣椒單株產量。

1.3.3 灌溉水利用效率

式中，IWUE為灌溉水利用效率，單位為kg/m3；Y為產量，單位為kg/hm2；W為灌水量，單位為m3/hm2。

1.3.4 氮肥偏生產力

式中，PNP為氮肥偏生產力，單位為kg/kg；Y為辣椒產量，單位為kg/hm2；M為施氮量，單位為kg/hm2。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0 軟件分析處理試驗數據，采用Origin 8.5 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同水氮組合下辣椒根系形態的變化

2.1.1 辣椒根長密度的分布規律 根長密度是反映根系空間分布和吸收水氮能力的重要指標。圖2 顯示了不同水氮耦合處理下各土層的辣椒根長密度分布。由圖2 可知，各處理辣椒根長密度隨著生育期的推進基本表現為先升高后降低的趨勢，最大值出現在盛果期。在0～10 cm 土層中辣椒平均根長密度在整個生育期表現為CKN1 ＞W1 ＞W2，隨著灌水量的減少辣椒平均根長密度逐漸減少；在10～20 cm 土層，辣椒平均根長密度隨著生育期的推進表現為先升高后降低，且各處理辣椒根長密度均大于0～10 cm土層。在20～30 cm 土層，辣椒平均根長密度在幼苗期和開花坐果期小于10～20 cm 土層，而在盛果期和后果期則相反。在整個生育期及根系土層中，CKN1的辣椒根長密度最大，W1N2 處理略小于CKN1 處理，差異不顯著，然后為W1N1 處理。

2.1.2 辣椒根表面積的分布規律 由圖3 可知，在幼苗期，各處理辣椒根表面積在10～20 cm 土層中最大，20～30 cm 土層最小，且各土層根表面積累量最大為CKN1，比W1N2 處理僅高出3.25%，差異不顯著。在開花坐果期，各土層根表面積累量最大的3個處理由大到小依次為CKN1、W1N2、W1N1，灌水量大施氮量小（W1N3）或灌水量小施氮量大（W2N1）處理各土層根表面積最小，表明水氮耦合效應會影響辣椒根系生長。在盛果期，各處理辣椒根表面積積累量達最大，表現為W1N2＞CKN1＞W1N1＞W2N2，而低施氮量（N3）各處理根表面積均低于相同灌水量下的其他處理。后果期的根總表面積明顯小于盛果期，減少了41.52%～51.94%。

2.1.3 辣椒根系活力的分布規律 根系活力的變化是客觀反映根系生命活動的生理指標。從圖4 可以看出，隨著生育期的延長，辣椒根系活力先增加后減少，在盛果期達最大值，后果期又降低，說明后期部分根系衰老死亡。在W1 灌水量下，不同施氮量處理在不同土壤深度上的根系活力有所差異，其中W1N2 處理根系活力最高，高于最大施肥量處理（W1N1）；W2 灌水量下，根系活力表現為W2N2＞W2N3＞W2N1。隨著灌水量的減少，根系活力也隨之下降，高灌水量時根系活力變強，特別是在需水旺盛期根系活力強弱對比更為明顯，這是因為此時是辣椒對水分最敏感的時期，水氮耦合效應顯著，可以保證辣椒正常生長所需的水分和養分要求。生育期不同階段根系活力也不同。幼苗期辣椒根系活力隨著土層深度的增加而逐漸降低，0～10 cm 土層根系活力最高，CKN1 和W1N2 處理在0～10 cm 土層的根系活力顯著（P＜0.05）高于其他處理。開花坐果期根系活力在10～20 cm 處最高；盛果期和后果期根系活力在20～30 cm 處最高，但各處理后果期根系活力小于盛果期。

圖4 不同水氮耦合處理對辣椒根系活力的影響

2.2 不同水氮耦合處理對辣椒產量及水氮利用效率的影響

2.2.1 不同水氮模式對辣椒產量及產量構成要素的影響 水肥用量的合理供應是實現作物優質高產的重要保證，水氮耦合模式直接影響著辣椒產量，適當的施氮量和灌水量會產生明顯的水氮耦合效應。由表2可知，膜下滴灌辣椒產量為22 596～35 189 kg/hm2，W1、W2 的產量 較CKN1 分別降低了3.99% 和34.97%，說明在開花坐果期和盛果期進行調虧灌溉和減氮處理時會造成不同程度的減產。但W1N2 處理辣椒產量最高，為35 189 kg/hm2，比CKN1 處理增產1 473 kg/hm2，達顯著水平（P＜0.05）；中氮處理的辣椒產量均高于低氮處理，N2 施氮量下辣椒產量均值比N3 施氮量下辣椒產量均值高11.34%，且高出N1 施氮量下辣椒產量均值11.87%，且均達顯著水平（P＜0.05），說明施氮量和產量不是正相關關系，水氮耦合效果對產量的影響作用更顯著。低水高氮處理（W2N1）辣椒減產程度最嚴重，產量比W1N2 處理產量下降35.79%（P＜0.05）。

表2 不同水氮耦合處理對辣椒產量及產量構成要素的影響

綜上所述，水氮耦合效應越明顯，辣椒根系的生長發育越好，產量越高。這說明在辣椒開花坐果期和盛果期進行調虧灌溉時，若施加適量的氮肥，水氮耦合效應顯著，辣椒根系生長和產量無明顯影響和降低。相反，調虧灌溉時施氮量過大會導致土壤養分過高，辣椒根系（根長密度、根表面積和根系活力）生長受到影響，從而導致產量明顯下降。

2.2.2 不同水氮耦合處理對水氮利用效率的影響由圖5a 可知，滴灌條件下，W1N2 處理辣椒全生育期灌溉水利用效率最高，并顯著高于除W2N2 處理外的其他處理（P＜0.05）。在W2 灌水量下，W2N2 處理灌溉水利用效率最高，分別比W2N1 和W2N3 處理高41.55%和15.49%；CKN1 處理分別比W1 和W2 灌水量處理降低了2.21%、6.78%。由圖5b 可知，W1N3處理偏氮肥生產力最高，為167.85 kg/kg，其次為W2N3 和W1N2處理，分別為144.25 kg/kg 和140.76 kg/kg。在中氮和高氮處理中僅W1N2 處理的偏氮肥生產力處于較高水平。

圖5 不同水氮耦合處理對水氮利用率的影響

3 討論

已有研究表明，灌溉和施氮不僅影響辣椒根系生長，也成為限制辣椒產量的因素。朱琴等［14］在桶栽試驗中設置5 個施氮水平［每桶施純氮3、6（CK）、9、10、12 g］，結果發現辣椒前期施純氮3 g 時生長協調合理，中期之后需要施純氮6 g。韓明珠等［15］通過大田試驗發現辣椒株高、莖葉重和根重隨著施氮量的增加而增加，并綜合得出丘北辣椒最佳施氮量為180 kg/hm2。馬國禮等［16］設置了4 個氮肥水平和3個基質含水率水平的組合試驗，研究發現高水高肥條件下辣椒株高和莖粗明顯高于低水低肥處理，且在低水條件下隨著施氮量的增加反而使辣椒光合熒光各指標呈反向變化。這與本試驗高水低氮或低水高氮處理下辣椒根系分布特征參數（根長密度、根表面積和根系活力）低于中水中氮和CKN1 處理的結論一致。

節水節肥及優質高產是綠色農業發展的目標，因此提高水肥利用效率是推動現代農業快速發展的關鍵。趙義濤等［17］通過二次回歸正交旋轉組合法得出施純氮358.7 kg/hm2時灌溉水利用效率較高。陸軍勝等［12］利用溫室小區試驗得出中水中氮處理水分利用效率比其他處理提高了11.74%～59.91%。岳文俊等［18］的研究得出在相同氮肥條件下，氮肥偏生產力隨著灌水量的增加呈先增大后減小的趨勢。本研究得出W1N2 處理辣椒全生育期灌溉水利用效率最高，且氮肥偏生產力也較高。

4 小結

本研究基于膜下滴灌條件下，采用大田小區試驗研究了水氮耦合對辣椒根系生長及產量的影響。結果表明，CKN1 處理辣椒根長密度、根表面積和根系活力最高，其次為中水中氮（W1N2）處理，比CKN1 分別降低了8.24%、3.25%和2.77%，差異均不顯著，但W1N2 辣椒產量比CKN1 增加1 473 kg/hm2，達顯著水平（P＜0.05）。施氮量和產量不存在正相關關系，水氮耦合效果對產量的影響作用更顯著。滴灌條件下，W1N2 處理辣椒全生育期灌溉水利用效率最高，且在中氮和高氮處理中僅W1N2 處理的偏氮肥生產力處于較高水平。