水氮供应对温室辣椒生长、产量和品质的影响

陆军胜,邹海洋,张富仓 ,向友珍,吴 悠,闫世程,闻 磊,严富来

(西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院，旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

水、氮是作物生长发育及产量提高的关键因素，合理灌水和施氮不仅能够提高作物产量和品质，而且能够促进水氮的高效利用[1-4]。长期以来，温室蔬菜生产一直沿用“大水大肥”的管理模式，不仅降低作物的产量和品质，还导致水肥浪费、环境污染、土壤盐渍化等一系列问题[5-7]，严重影响设施农业的可持续发展。滴灌能够及时补充土壤水分，为作物提供一个相对适宜的水分微空间，与沟灌相比，不仅降低了阶段性干旱胁迫出现的概率，而且减少了地表径流、深层渗漏和棵间蒸发[8]。滴灌施肥能够适时适量为作物根区输送养分，抑制土壤养分流失[9]，显著降低农业水肥成本，对生态农业的发展有着极大的促进作用。因此，深入研究滴灌水肥耦合理论，探求合理的水肥供应模式对温室蔬菜的可持续发展有着重要意义。

前人关于灌水及水肥耦合对温室作物的生长发育、产量和品质的影响做了许多研究。如张宪法等[10]研究认为，过高的土壤水分使得黄瓜徒长，水分利用效率下降。Ozbahce等[11]研究认为，适当的水分亏缺可以提高番茄产量，亏水25%的喷灌处理番茄产量和水分利用效率(WUE)均有不同程度的提高。Cabello等[12]研究认为，当灌水量和实际腾发量相同时，施氮量为90 kg·hm-2的甜瓜WUE最高，灌水量为90%实际腾发量与100%实际腾发量相比，甜瓜产量和品质无明显差异。邢英英等[13]研究认为，高水中肥(100%ET0，N180 kg·hm-2)处理番茄能够获得较高的产量和氮肥利用率，低水中肥(50%ET0，N180 kg·hm-2)处理番茄的品质和WUE最高。Kumari等[14]研究认为，与传统沟灌相比,最佳滴灌施肥策略可提高甜椒WUE(94.79%)，节水33.94%，节肥20%。可以看出，目前关于温室滴灌水肥耦合的研究主要集中在番茄、黄瓜和甜瓜等作物上，而有关温室辣椒的水肥耦合研究报道较少。因此，本研究采用自动控制灌溉施肥系统进行小区作物栽培试验，研究非充分灌溉条件下水氮耦合对辣椒产量、品质及水氮利用效率的影响，以期为关中地区温室膜下滴灌水氮精量调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年4-8月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室日光温室(108°04′E，34°20′N)进行，海拔521 m，温室坐北朝南,可通过顶部和南面下方的通风口通风。年平均气温13 ℃，年平均降水量550～600 mm，主要集中在7-9月，年平均蒸发量1 500 mm。温室内设有小型气象站(HOBO event logger，onset computer corporation，USA)，连续自动监测记录大气压力、光合有效辐射、温度、相对湿度及太阳辐射等环境指标。辣椒全生育期日平均温度为15～30 ℃，日平均湿度为56%～100%，忽略各小区间的差异。供试土壤为重壤土，表层土壤(0～20 cm)有机质为14.5 g·kg-1，土壤体积质量为1.43 g·cm-3，pH为8.0，田间持水量为24.16%(质量含水量)，碱解氮质量分数为66 mg·kg-1，速效磷59 mg·kg-1，速效钾147.6 mg·kg-1。供试品种为‘陇椒2号’。

1.2 试验设计

试验设灌水量和施氮量2个因素，灌水量设置90%ETc(W90)、75%ETc(W75)和60%ETc(W60)3个非充分灌溉水平，ETC为作物蒸发蒸腾量，全生育期W90、W75、W60的灌水量分别为180、156和132 mm。施肥量设300 kg·hm-2(N300)、225 kg·hm-2(N225)和150 kg·hm-2(N150)3个施氮水平，共9个处理，每个处理重复3次，共27个小区，单个小区面积为18 m2，为防止水肥互渗，各小区之间埋设0.5 m隔水膜。灌水量利用彭曼修正公式[15]计算得出ET0(参考作物蒸发蒸腾量)乘以辣椒作物系数。试验所用肥料为过磷酸钙(P2O560%)、氧化钾(K2O 60%)和尿素(N 46%)。其中磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)的用量分别为200和400 kg·hm-2，定植前期，将全部的磷肥、75%的钾肥和20%的氮肥作为基肥一次性施入土壤，其余25%的钾肥在挂果期通过滴灌施入，氮肥按照施肥量分别为10%、15%、20%、20%和15%分5次分别施入，施肥和灌水时间依据辣椒长势和温室气候情况而定。灌水施肥采用的是以色列耐特菲姆(NETAFIM)公司的在线式智能灌溉施肥机(NETAJET 3G INLINE)，在灌溉的同时，可根据灌溉水量准确地控制施肥量。

试验种植方式为人工起垄，垄高25 cm，宽75 cm，垄顶做成平顶，垄间距50 cm，株距45 cm，行距30 cm，单株定植，种植密度为31 000株·hm-2，辣椒于4月1日至 2日整地，施基肥。4月3日定植，7月23日拉秧，全生育期共112 d。为保证幼苗成活率，浇定植水20 mm，4月17日浇缓苗水15 mm，灌溉处理开始后前期平均每7 d 灌1次水，后期平均每5 d灌1次水。辣椒的生育阶段具体划分为苗期(04-03-04-30)、开花坐果期(05-01- 05-20)、盛果期(05-21-07-10)和末果期(07-11-07-23)。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标 分别于各小区随机选取3株辣椒，在苗期、开花坐果期、盛果期和末果期用LAI-2000植株冠层分析仪测定各小区辣椒的叶面积指数、株高、茎粗和生物量(地上和地下生物量，包括根、茎、叶和果)，在105 ℃杀青后于75 ℃烘干至恒量，用电子天平称量。

1.3.2 果实产量 在果实成熟阶段，在各试验小区隔10 d采摘1次成熟度一致的辣椒，将各次产量累加得小区的经济产量。于各小区分别标记3株，测量其单株产量，取平均值即得平均单株产量。

1.3.3 果实品质 在辣椒成熟后，各小区分别选取3株长势一致的辣椒果实进行品质测定，维生素质量分数采用钼蓝比色法测定，可溶性蛋白质质量分数采用考马斯亮蓝G-250染色法测定，可溶性糖质量分数采用硫酸-蒽酮比色法测定，硝酸盐质量分数采用EV300PC型号紫外-可见分光光度计法(Thermo Fisher，USA)测定。

1.3.4 水分利用效率(WUE) 土壤含水量的测定：在辣椒定植和收获时，用TDR水分测定仪每隔10 cm测定土壤体积含水量，测至80 cm。

WUE计算公式为[16]：WUE=Y/ET

式中，Y为辣椒产量(kg·hm-2)，ET为作物全生育期内的耗水量(mm)。

ET=I-△W

其中，I为灌水量，△W为试验初期和末期土壤水分变化量。

I=Kc×ET0

Kc为作物系数，依据FAO-56(前期取0.7，中期取1.05，后期取0.9)；ET0为参考作物蒸发蒸腾量。

1.3.5 氮肥偏生产力 氮肥偏生产力(partial factor productivity from applied N，PFPN)计算公式为[17]：PFPN=Y/F

式中，Y为辣椒产量(kg·hm-2)，F为投入N的总量(kg·hm-2)。

1.4 数据处理

采用 Excel 2010和SPSS Statistics 21.0 统计分析软件处理试验数据，多重比较采用 Duncan’s法(P<0.05为显著性水平)，用Origin 8.5绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮供应对温室辣椒生长的影响

2.1.1 对辣椒株高和茎粗的影响 不同水氮供应对温室辣椒株高的影响如图1-A所示。由图可知，随着生育期的推进，温室辣椒株高不断增长，不同灌水水平下，温室辣椒株高依次为W90>W75>W60，但各处理苗期株高无显著差异，其差异主要产生在坐果期及以后。相同灌水水平下，施氮量显著影响温室辣椒株高的生长。具体为：高水(W90)处理温室辣椒株高随着施氮量的增加而增加，依次为N300>N225>N150，与低氮(N150)处理相比，高氮(N300)和中氮(N225)处理株高的增幅分别为16.09%和10.57%；中水(W75)处理和低水(W60)处理温室辣椒的株高均以中氮(N225)最高，继续增加施氮量反而抑制温室辣椒株高的增长，低水(W60)处理下抑制作用更加明显。各水氮处理中，高水高氮(W90N300)处理温室辣椒株高最高，中水中氮(W75N225)处理次之，但二者之间无显著差异。

不同水氮供应对温室滴灌辣椒茎粗的影响如图1-B所示。由图可知，随着生育期的推进，温室辣椒茎粗不断增加，灌水量减少，温室辣椒茎粗减小，相同灌水水平下，茎粗随着施氮量的变化有着显著差异。具体表现为：高水(W90)处理温室辣椒茎粗随施氮量的减少而减小，但差异未达到显著水平；中水(W75)处理下中氮(N225)处理茎粗最粗，显著高于低氮(N150)处理，与高氮(N300)处理间的差异未达到显著水平，同时，高氮(N300)和低氮(N150)处理间茎粗差异未达到显著水平。低水(W60)处理下，高氮(N300)明显抑制温室辣椒茎粗的生长，中氮(N225)处理和低氮(N150)处理相比无显著差异。各水氮处理中，高氮(N300)处理温室辣椒苗期茎粗低于中氮(N225)和低氮(N150)处理，这可能是因为辣椒苗期对氮素的需求量较少，过高的氮素抑制了温室辣椒茎粗的增长。

图中a、b、c等表示各处理间差异显著(P<0.05)，下同 a, b and c mean significant difference in Duncan’s(P<0.05),the same below

从以上分析可知，灌水量能够显著影响温室辣椒株高和茎粗的生长，灌水越少，对株高和茎粗生长的抑制作用越明显。施氮能够显著影响温室辣椒株高和茎粗的生长，高水高氮(W90N300)处理温室辣椒株高和茎粗最大，能够促进辣椒的生长，而中水中氮(W75N225)处理对温室辣椒株高和茎粗的促进作用最为明显，低水(W60)处理下高氮(N300)明显抑制温室辣椒株高和茎粗的生长，对温室辣椒的生长极为不利。

2.1.2 对温室辣椒叶面积指数(LAI)的影响 不同水氮供应对温室辣椒LAI的影响如图2所示。由图2可知，随着生育期的推进，温室辣椒的LAI呈先增大后减小的趋势，盛果期达到最大。对比图2中A、B、C可知，灌水量显著影响温室辣椒叶面积的增长，具体为灌水量减少，叶面积指数降低。高水高氮(W90N300)处理(图2-A)全生育期LAI显著高于其他处理；中水(W75)处理(图2-B)下高氮(N300)处理在定植后0～60 d LAI高于其他氮素处理，而到定值后65 d及以后高氮处理LAI显著低于其他处理。低水(W60)处理(图2-C)中高氮(N300)处理在定植后0～41 d LAI高于其他处理，而到定植后50 d及以后，高氮(N300)处理LAI显著低于其他处理。由以上结果可知，水氮的配施比例对温室辣椒LAI影响显著，高氮(N300)只有在高水(W90)处理下才能更好地发挥肥料效应，在中水(W75)和低水(W60)处理下反而抑制辣椒叶面积生长。

A.W90;B.W75;C.W60

2.2不同水氮供应对温室辣椒干物质积累及分配的影响

不同水氮供应温室辣椒干物质积累量及在各器官中的分配如图3所示。由图3可知，干物质积累总量随灌水量的增加而增加，与低水处理相比高水处理和中水处理干物质积累总量分别增加41.98%和31.45%，果实的干物质积累量分别增加39.67%和41.12%。相同灌水量下，温室辣椒干物质积累量随着施氮量的增加而增加，表现为N150

图3 不同水氮供应对温室辣椒不同器官干物质累积的影响Fig.3 Effects of different water and nitrogen supply on dry matter accumulation in different plant organs of pepper in greenhouse

2.3不同水氮供应对温室辣椒产量及产量构成要素的影响

一般来说，作物产量受水、肥、气、热等多种因子影响。因此，水氮供应是温室辣椒获得高产的主要途径。由表1可知，灌水、施氮以及水氮的交互作用对温室辣椒的产量、单株果数及果质量都有极显著(P<0.01)影响，且对产量的影响表现为灌水>施氮>水氮交互。各水氮处理中，中水中氮(W75N225)处理产量最高，为52.87 t·hm-2，其次为高水高氮(W90N300)处理，为50.60 t·hm-2，相较于低水低氮(W60N150)处理产量分别增高88.98%和80.86%，增产效果明显。单株果数和单株果质量是辣椒产量构成的主要因子，提高单株果数和果质量均能够达到增产的效果，由表1可知，施氮量对单株果数的影响大于灌水量，高水(W90)处理辣椒单株果数随施氮量的增加而增加，但中水和低水处理单株果数先增加后降低，在N225处理下单株果数最高，这是因为水分不足的情况下，施氮量过高使得土壤水分盐浓度增大，抑制辣椒坐果。单株果质量直接影响辣椒的经济产量。由表1可知，灌水对辣椒单株果质量的影响大于施氮，灌水量增加，单株果质量增加。综上分析可知，灌水施氮能够提高辣椒经济产量的主要原因是提高了辣椒的单株果数和果质量，且施氮对坐果数提高显著，灌水更有利于单株果质量的提高。

2.4 不同水氮供应对温室辣椒品质的影响

由表2可知，灌水和施氮对温室辣椒可溶性蛋白质、可溶性糖、维生素C及硝酸盐质量分数均有极显著影响(P<0.01)，除硝酸盐外，灌水处理对辣椒品质指标的影响均大于施氮处理，水氮交互作用对温室辣椒维生素C质量分数的影响达极显著水平(P<0.01)，对可溶性糖的影响达显著水平(P<0.05)，对可溶性蛋白质和硝酸盐质量分数的影响不显著(P>0.05)。

硝酸盐质量分数是评价蔬菜品质的一个非常重要指标之一，在蔬菜生产中为了增产，大量使用氮肥导致蔬菜硝酸盐累积日益严重[18]。由表2可知，硝酸盐质量分数随着灌水量的增加而减少，随着施氮量的增加而增加，在低水高氮(W60N300)处理下其质量分数最高，达5.27 mg·kg-1，中水高氮(W75N300)处理次之,为4.99 mg·kg-1，与中水中氮(W75N225)处理相比分别增高40.53%和33.07%。可溶性蛋白质是作物重要的渗透调节物质和营养物质，其质量分数的多少直接影响作物的抗性和营养价值。由表2可以看出，温室辣椒的可溶性蛋白质质量分数随灌水量的减少而增加，这是因为在水分胁迫下温室辣椒做出抗性生理反应，增加可溶性蛋白质的质量分数来提高细胞的保水能力，保护细胞的生命物质和生物膜不被损害；其次蛋白质是辣椒主要的含氮物质，因此，在相同灌水水平下，可溶性蛋白质质量分数随着施氮量增加而增加。可溶性糖是植物的重要组成部分之一，不仅为植物的生长发育提供能量，而且具有信号功能[19-21]，通过调节激素来调节植物的生长发育。由表2可知，温室辣椒可溶性糖质量分数随着灌水量的减少而增加，随着施氮量的增加先增加后减少，中水(W75)处理和低水(W60)处理下可溶性糖质量分数差异不显著。维生素C是一种抗氧化剂，维生素C的抗氧化作用不仅可以抵御自由基对细胞的伤害，防止细胞的变异，阻断亚硝酸盐和仲胺形成强致癌物亚硝胺[22]，而且可以提高植物的抗旱性。由表2可以看出，中水中氮(W75N225)处理维生素C质量分数最高，显著高于其他处理，各氮素水平下，中氮(N225)处理维生素C质量分数显著高于其他处理，与高氮(N300)和低氮(N150)处理相比分别提高5.1%和5.6%。

表1 不同水氮供应对温室辣椒产量及产量构成要素的影响Table 1 Effects of different water and nitrogen supply on yield and yield components of pepper

表2 不同水氮供应对温室辣椒品质的影响Table 2 Effects of different water and nitrogen supply on quality of pepper in greenhouse

2.5不同水氮供应对温室辣椒水分利用效率及氮肥偏生产力的影响

不同水氮供应对温室辣椒水分利用效率(WUE)和氮肥偏生产力(PFPN)的影响如图4所示，由图4-A可知，中水中氮(W75N225)WUE最高，中水高氮(W75N300)次之，分别为33.89和30.33kg·m-3，与低水低氮(W60N150)相比，分别增加55.91%和43.11%，显著高于其他处理(P<0.05)。由图4-A可知，高水和低水处理下增加施氮量能够提高温室辣椒的WUE，但中水处理下辣椒WUE随着施氮量的增加先增加后减少，在中氮处理下最高。灌水量显著影响温室辣椒的WUE，中水(W75)处理WUE最高，比高水(W90)处理和低水(W60)处理分别提高11.61%和21.14%。由图4-B可知，同一施氮水平下，温室辣椒PFPN随灌水量的减少而降低，但中水中氮处理的PFPN高于高水中氮处理，与低水处理相比，高水和中水处理PFPN分别提高49.88%和43.14%；相同灌水水平下，PFPN随施氮量的减少而增加，减施氮肥显著提高了PFPN。

图4 不同水氮供应对辣椒WUE和PFPN的影响Fig.4 Effects of different water and nitrogen supply on WUE and PFPN in pepper

3 讨 论

大量研究表明，水分和养分是限制辣椒生长的关键因子[23]，合理灌水和施氮能够实现高产增收[24]。水分亏缺在不显著降低产量的情况下，不但能够提高水分利用效率而且有着改善果蔬品质的作用[25-26]。

Gupta等[27]进行了3个灌溉水平(100%ET、80%ET、60%ET)和3个氮磷钾(150∶90∶60 kg·hm-2)水平(100%、80%、60%)的完全组合设计试验，研究表明，相同灌溉水平下，甜椒干物质积累量随施氮量增加而增加，80%ET灌溉水平较有利于甜椒的生长，80%ET与80%氮磷钾组合的处理干物质积累量最大。而本试验得出高水高氮(W90N300)处理温室辣椒干物质积累总量最大，产生差异的原因可能是灌水、施肥水平不同以及试验地土壤水分和养分状况不同。本试验还认为膜下滴灌条件下，高水高氮(W90N300)有利于温室辣椒株高、茎粗、叶面积指数和干物质积累总量的提高，但果实的干物质积累低于中水中氮处理(W75N225)，果实干物质积累占总干物质积累的比例最小，产量低于中水中氮处理(W75N225)，这是因为高水高氮处理水分和氮素充足使得温室辣椒发生“徒长”现象，不利于产量的提高，这与前人研究结果一致[28]。本研究还认为在中氮(N225)处理下，增加灌水量，温室辣椒的产量先增加后降低，这与Erdem等[29]对西兰花的研究结果一致。

杨红等[30]研究认为，高氮处理使得辣椒维生素C质量分数下降，增加施肥量使辣椒可溶性糖质量分数增加。梁运江等[31]通过建立数学模型对灌水、施氮和施磷对辣椒维生素C质量分数的影响进行了研究，结果表明，灌水、施氮和施磷对辣椒果实维生素C质量分数的影响表现为施磷>施氮>灌水,灌水或施肥过多或过少都会引起辣椒果实维生素C质量分数减少。袁祖华等[32]研究指出，在施等量有机肥的前提下，辣椒硝酸盐质量分数随着施氮量的增加而增加。而本研究认为可溶性蛋白质和硝酸盐质量分数随着施氮量的增加而增加，可溶性糖和维生素C质量分数随着施氮量的增加先增加后减少，中氮(N225)处理下辣椒品质较好。

节水节肥及优质高产是现代农业追求的终极目标，因此，提高水分和肥料利用效率是现代农业亟待解决的问题。Lodhi等[33]研究认为，灌水量为75%ETc处理甜椒产量和水分利用效率最高，分别为28.81 t·hm-2和6.12 kg·m-3，灌水量为60%、75%和90%ETc的处理分别节水51.01%、39.72%和28.73%。本试验表明，同一施氮量下水分利用效率表现为W75>W90>W60，同一水分亏缺下水分利用效率依次为N225>N300>N150，各水氮耦合模式以W75N225处理辣椒的水分利用效率最高。岳文俊等[4]研究认为在相同氮肥条件下，氮肥偏生产力随着灌水量的增加呈先增大后减小的趋势，而本试验认为只有中氮(N225)处理下，温室辣椒的氮肥偏生产力随着灌水量的增加先增加后减少。但在其他氮素水平下氮肥偏生产力随灌水量的增加而增加，产生这种差异的原因可能是本试验的施氮水平整体偏低或是供试作物不同。

4 结 论

4.1 中水中氮(W75N225)能够促进辣椒干物质更多地向果实积累，与高水高氮(W90N300)相比，果实干物质量占总干物质量的比例提高8.5%，产量最高为52.87 t·hm-2，较其他处理增产4.31%～88.63%，且水分利用效率提高11.74%～59.91%，氮肥偏生产力提高66.32%。

4.2 在硝酸盐质量分数较低的处理中，中水中氮(W75N225)有利于维生素C和可溶性蛋白质的积累，分别为1 521.39 mg·kg-1和6.31 mg·g-1，同时可溶性糖质量分数也显著高于其他处理。