不同给水负压对辣椒生长及水分利用效率的影响

向艳艳，黄运湘*，龙怀玉，龙泉，张杨珠

（1. 湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

水分是制约农业发展的主要因子，通过探索不同水分条件对作物生长发育、水分利用效率以及产量与品质的影响，以期发展高产、高效、优质农业一直是国内外农业灌溉技术研究的重点[1-3]。辣椒是我国广泛栽培的蔬菜作物之一，属1年生或多年生草本植物，为浅根系作物，环境抗逆性差，水分亏缺和过度灌溉都不利于其生长[4]。我国水资源时空分布的不均导致南方地区辣椒设施栽培和露地栽培中，普遍存在过量用水和灌溉不当等问题，导致产量降低和水分利用效率低下。在不影响产量前提下，研究高效节水灌溉技术对农业可持续发展具重要意义。

负压灌溉作为一种新型的给水灌溉技术，其原理是将渗水器埋入土壤中，随着作物对土壤水分的吸收，土水势降低至负压发生器的水势时，水即从储水器经过负压渗水器流向土壤，使植物连续主动从灌水器中获得生长所需水分，减少土壤水分的深层渗漏和地表蒸发损失。与传统的沟灌、洼灌、漫灌相比明显具有节水效果，灌溉过程中无需提供动力设备，与改进的喷灌、滴灌、微喷等灌溉技术相比具有节能、高效率、易管理及自动化等优点[5-7]，有利于水肥一体化农业技术的实施。

自20世纪末期，国外学者较完整地提出利用基质势吸水理论发展负压灌溉的试验方法[8]。越来越多研究探讨负压灌溉的水分利用效率和对作物生长的影响。Nishihara等[9]和Li等[10]研究表明，负压灌溉条件下菠菜和番茄产量和水分利用效率与常规浇灌和滴灌相比均有显著提高。李邵等[11]研究了不同供水吸力对温室黄瓜产量与水分利用效率的影响，结果表明供水负水头为-5.0 kPa下产量显著高于-1.0 kPa、-11.0 kPa和-13.0 kPa处理；-7.0 kPa下水分利用效率是-1.0 kPa处理的6倍，较其他处理提高2.0%～23.3%。肖海强等[12]研究表明-10.0～-20.0 kPa负压灌溉可促进烟株干物质积累，并使烤烟全生育期节水22.1%～47.2%，水分利用效率提高1.53～2.57 g/kg。黄楚瑜等[13]通过探讨-5.0～-10.0 kPa负压灌溉对小白菜产量和土壤水分的影响，结果显示-10.0 kPa负压下获得较高水分利用效率。马艳华等[14]通过研究-5.0～-15.0 kPa水肥耦合下辣椒产量与品质的影响，结果显示-5.0 kPa下更有利于提高产量，改善品质。

众多研究表明负压灌溉不仅能实现作物的高效节水，而且能促进作物生长，起到增产的效果[15-16]，负压灌溉对辣椒水分利用效率的研究报道少见。因此，本研究应用龙怀玉课题组研制的负压灌溉装置[17-18]，分析-5.0～-15.0 kPa给水条件下辣椒的生长发育和水分利用效率，以期筛选出适合辣椒生长的给水负压值，为科学的水分管理提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与供试作物

供试土壤取自湖南农业大学校区内的潮菜园土和红菜园土。潮菜园土发育于近代河流冲积物，土壤质地为粉砂质黏壤土，颗粒组成为306 g/kg的砂粒（2～0.02 mm），487 g/kg的粉砂粒（0.02～0.002 mm）和206 g/kg的黏粒（＜0.002 mm）。红菜园土发育于第四纪红土母质，土壤质地为壤质黏土，颗粒组成为292 g/kg的砂粒，391 g/kg的粉砂粒和316 g/kg的黏粒。采集0～20 cm耕作层土壤，土壤采回后经风干、锤碎、过5 mm筛、混匀备用，土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

供试作物为辣椒（Capsicum annuumL.），品种为兴蔬绿燕，由湖南农业大学蔬菜研究所提供。

1.2 负压灌溉装置

负压灌溉装置由负压发生器（h）、储水器（f）、渗水器（b）、输水管道系统（c）4个部分组成（图1），工作原理见龙怀玉等[18]专利。

图1 负压灌溉装置示意图Fig. 1 The diagrammatic sketch of a negative pressure irrigation equipment

负压发生器采用重液式负压阀[19]，包括U形管以及负压调节管，负压调节管连通U形管两侧管壁；U形管的右侧管与储水器相连通，左侧管与大气相通；U形管及负压调节管（负压调节管上方为负压室）内充注有液体。在储水器充满灌溉水且密封注水口后，在负压灌溉刚开始时负压室内的气压与外界大气压相等，U形管和负压调节管内的液体面处于相同的高度；随着灌溉的进行，由于土壤的吸水，负压室内的部分空气经进气管道（g）进入储水器，气压下降，U形管左侧液面下降，右侧液面上升，形成液体高度差，由于整个装置是密封的，与储水器相连通的U形管的右侧管负压室内的气体压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压；储水器里灌溉水持续减少，负压室内气压减小，外界空气通过i口进入负压室，使负压室内气压增大直至负压室内的气体压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压。在整个灌溉过程中，负压调节管液体高度差保持恒定，使得设定负压值维持在负压调节管内液体形成的静压力。由于负压灌溉装置整个系统压强维持一个动态平衡，进气管道（g）和输水管道（c）内压强相等，作物供水依靠土壤与陶土管之间的水势梯度差。

储水器为密封性良好的圆柱形PVC桶（内径190 mm，高500 mm），桶上装有水位观测管。渗水器为多孔陶土管（内径10 mm，外径18 mm，长230 mm）；试验布置前测定陶土管在大气压下的渗水速率，选择渗水速率相近的陶土管进行安装和试验；渗水器埋于2棵辣椒苗之间，距离土表10 cm深处，略向下倾斜，以利于陶土管内空气排出。输水管为透明的有机塑料软管，连接渗水器与储水器。

1.3 试验设计与处理

试验采用土壤盆栽试验的方法，于2016年4—8月在湖南农业大学资源环境学院土肥高效利用试验基地温室大棚内进行。试验设3个给水负压处理，处理1：-5.0 kPa；处理2：-10.0 kPa；处理3：-15.0 kPa。每处理重复3次。

选用装12 kg风干土的橡胶桶进行土壤盆栽试验，桶底直径24 cm、桶口直径34 cm、高25 cm。施肥量按每1 kg土施N 0.24 g，P2O50.12 g、K2O 0.24 g计算，肥源分别为尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾。肥料在土壤装盆时与土壤充分混匀后一次施入，保持土壤水分至田间持水量。2016年5月4日选择长势一致的辣椒幼苗移至连接有负压调控装置的橡胶桶中，每桶移栽2棵，对称分布在陶土管两侧。负压灌溉装置灌满水至水位管“0”刻度处，当水位降至最低刻度线时，立即进行补水，辣椒全生育期补水1～2次。

辣椒生长期进行常规管理，观察其生长动态，记录苗期（5月4日—6月2日）、开花座果期（6月3日—6月14日）、结果期（6月15日—7月21日）的时间。每间隔3 d记载辣椒株高、储水桶水位下降深度。辣椒灌溉量即为耗水量，依据储水桶水位下降深度计算耗水量。辣椒果实于绿熟至转色时进行采收，共采收6次，累计计产，7月21日采收完毕，结束试验。

1.4 采样与分析测定

选择8个辣椒果实鲜样测定单果质量、果长和果径等外形指标。试验结束前使用土钻采取陶土管两侧5 cm范围内0～20 cm土样，每重复采集3个点，混合后取40 g左右土壤装入铝盒测定质量含水量，计算土壤相对含水量。

单果质量采用天平称重；果长采用皮尺测量；果径采用游标卡尺测定辣椒最大处直径。土壤基本理化性质采用常规分析方法测定[20]，土壤含水量采用烘干法测定。

1.5 数据处理与统计分析

耗水量和水分利用效率计算方法为：

式中：S代表储水桶底面积（cm2），h代表水位下降深度（cm）；DW代表辣椒果实干重（g），ET代表耗水量（kg），WUE即为消耗单位水量所生产的果实干质量（g/kg）。

采用Excel 2007对数据进行统计分析，采用SPSS Statistics 17.0进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同给水负压的土壤水分含量

2种供试土壤，随着给水负压值的降低，土壤相对含水量随之下降，处理间达显著差异水平。潮菜园土处理1和处理2显著高于处理3，红菜园土处理1显著高于处理2和处理3（表2）。处理1条件下，潮菜园土相对含水量61.6%，红菜园60.5%，辣椒生长发育良好。

表2 不同给水负压处理土壤含水量Table 2 Soil water contents under different water supply of negative pressures treatments

相同给水负压，潮菜园土含水量高于红菜园土，高出19.3%～43.6%。这与2种土壤的基本性质和持水特性差异有关，潮菜园土有机质含量高，土壤结构相对较好，田间持水量高于红菜园土（表1），其所能维持的较稳定的土壤水分含量亦高。

2.2 不同给水负压对辣椒生长的影响

2种供试土壤，辣椒株高、产量和挂果数均以处理1最高，其中，产量和挂果数显著高于处理2和处理3（表3）。果长、果径和单果重，潮菜园土以处理2最高，显著高于处理3，与处理1之间无显著差异，红菜园土各处理之间差异不显著。

相同给水负压，潮菜园土辣椒产量、挂果数、单果质量、果长和果径均高于红菜园土。处理1下，辣椒产量、挂果数分别较红菜园土高80.7%和6.6%；处理2下分别高143.5%和71.7%；处理3下分别高165.3%和82.5%。潮菜园土辣椒产量和挂果数较红菜园土的增加率随给水负压值的降低而升高。

2.3 不同给水负压处理耗水量和水分利用效率

随着辣椒的生长发育，累计耗水量逐渐增加，各处理之间达差异显著水平。2种供试土壤均以处理1最高，潮菜园土显著大于处理3，红菜园土显著大于处理2和处理3（图2）。处理1给水负压下，2种土壤累计耗水量接近，处理2和处理3潮菜园土明显高于红菜园土，这与潮菜园土肥力水平高，生物产量大，植物蒸发量增加有关。

从阶段耗水量和耗水强度看（表4），以苗期耗水量和耗水强度最低，开花座果期和结果期耗水量和耗水强度明显增加。不同试验处理辣椒结果期耗水量最多，占全生育期耗水量的61.56%～83.70%，处理1下潮菜园土为13.5 dm3，显著大于处理3，红菜园土为12.4 dm3，显著大于处理2和处理3。耗水强度潮菜园土表现为开花座果期＞结果期＞苗期，红菜园土表现为结果期＞开花座果期＞苗期。其中，辣椒开花座果期，处理1条件下潮菜园土和红菜园土耗水强度分别为0.403 dm3/d和0.293 dm3/d，较处理2高15.14%和64.61%，是处理3的1.59和3.33倍；在结果期，处理1下2种土壤耗水强度分别为0.365 dm3/d和0.335dm3/d，较处理2高16.99%和46.29%，是处理3的1.80和2.03倍。

表3 不同给水负压处理对辣椒生长、果实产量和外形指标的影响Table 3 The growth, yield and shape indexes of pepper under different water supply of negative pressure treatments

图2 不同给水负压处理累积耗水量Fig 2 Cumulative water consumption of different water supply of negative pressure treatments

2种供试土壤的水分利用效率均随给水负压值的降低而降低，以处理1显著高于处理3（图3）；处理1条件下，潮菜园土和红菜园土的水分利用效率分别为2.14 g/kg和1.69 g/kg，较处理3提高42.67%和59.43%。潮菜园土的水分利用效率高于红菜园土，-5.0～-15.0 kPa处理，潮菜园土的水分利用效率较红菜园土高26.6%～42.5%。

表4 不同给水负压处理辣椒各生育期耗水量和耗水强度Table 4 Water consumption and water consumption intensity of various growth stages under different water supply of negative pressure treatments

图3 不同给水负压处理水分利用效率Fig. 3 Water use efficiency of capsicum under different water supply of negative pressures treatments

3 讨论

水是作物生长发育的最基本条件，土壤水分过少会使作物遭受干旱，过多则由于土壤环境缺氧，导致作物根系生长不良[21]。本研究表明，2种供试土壤，-5.0 kPa负压条件下，土壤相对含水量稳定在60%左右，辣椒生长发育良好，维持较高产量水平。刘佳等[22]研究表明60%土壤相对含水量处理较80%和40%处理明显促进辣椒生长和干物质积累；彭强等[23]研究表明土壤含水量为田间持水量的70%～85%时，辣椒产量最高，55%～70%时，辣椒品质和水分利用效率指标均达到最大。孙华银等[24]研究表明适当控制土壤水分至65%田间持水量，既避免水分过饱和对植株损伤，又可提高叶片捕获和利用光的能力，调节光合速率，减少蒸腾损失。本研究-10.0 kPa负压条件下，土壤含水量降低，产量显著降低，其中，潮菜园土-10.0 kPa处理果形指标最好，土壤相对含水量在55%左右，处于轻度水分胁迫状态，李毅杰等[25]研究表明适度干旱逆境可以显著提高果实果形指数。-15.0 kPa负压条件下，2种土壤相对含水量在40%左右，处于中度水分胁迫，辣椒植株长势受到抑制，其各指标相应下降。如何调控适宜负压值平衡高产与改善品质、优化果实形态，有待进一步研究。

作物的生长发育是一个连续的过程，水分需求呈现明显的阶段性[26]。从本研究辣椒阶段耗水情况看，辣椒苗期需水较少，气温低，土面蒸发少，故耗水量少，开花座果以后，辣椒同时进行营养生长和生殖生长，需水量增加，气温逐渐升高，耗水量明显增加，耗水量符合作物生长需水规律；有研究表明，长期过高的水分易引起植株徒长，对下一阶段的生殖生长造成不利影响，营养生长期适度控制水分，生殖生长期会产生一定的补偿效应，促进经济产量形成[27]；利用适宜负压灌溉平衡调控辣椒不同生育阶段的供水量，一方面减轻水分亏缺和过量灌溉的矛盾，另一方面植株苗期生长控制较低供水水平，实现增产。

有研究表明适宜负压灌溉能有效提高水分利用效率，一方面由于负压控制下陶土头渗水湿润范围集中在根部一定区域，土壤表层处于较干燥状态[28]，较其他棚室蔬菜灌溉设施相比，可明显减少土面蒸发；另一方面，负压灌溉平稳地维持土壤水分状况，保持了土壤的团粒结构，增加土壤有效水含量。胡化广等[29]研究表明适宜的土壤结构、均衡的土壤养分在一定程度上改善了作物的水分关系，提高了渗透调节能力和气孔调节能力，从而提高群体的水分利用效率。本试验研究结果显示-5.0 kPa给水负压条件下，水分利用效率最高，与李邵等[11]对黄瓜的研究结果较为一致。李生平等[30-31]研究-5.0～-15.0 kPa负压灌溉下黄瓜水分利用效率，结果表明在水氮互作效应下，以-15.0 kPa处理最高，仅供水水平单因子条件下以-5.0 kPa处理最高；边云等[32]研究表明负压灌溉下，菠菜水分利用效率随给水负压的降低而增大。本研究条件下辣椒水分利用效率随给水负压的降低而降低，-10.0～-15.0 kPa负压给水，水分利用效率明显低于-5.0 kPa处理，与前人研究结果有不同，一方面可能由于辣椒结果期正值南方夏季高温季节，相比秋冬季菠菜生长对水分需求更大，-10.0～-15.0 kPa负压给水，虽然耗水量明显减少，但土壤水分不能满足辣椒的生长发育，产量显著降低，水分利用效率随之降低；另一方面水肥互作的试验条件能促进作物生长，显著影响水分利用效率[33]。

潮菜园土和红菜园土是南方地区典型的蔬菜土壤，本研究表明，在相同的给水负压条件下，辣椒产量、生长状况和水分利用效率潮菜园土均优于红菜园土，这与潮菜园土较好的理化性质和肥力条件有关。相同水分条件，具有较好肥力水平的土壤可促进作物水肥耦合效应，提高水分和养分利用效率。王鹏勃等[34]研究表明，同一灌溉水平下，充足的养分供应具有明显的调水作用，一方面促进根系发育，提高根系的吸水功能；另一方面通过改善叶片的光合能力，有利于植株群体根、茎、叶的协调发展，减少棵间蒸发量，提高耗水的生物转化率，利于干物质生产，从而有效提高产量和灌溉水分利用效率。

负压灌溉可实现植物连续自动地从土壤中获取水分，是一种先进的灌溉技术，受到越来越多的关注和研究。其关键技术主要有2个，一是负压发生器，二是渗水器。目前研制和应用的负压发生器有悬挂水柱法、负压泵持续抽气法、水柱调压法、电磁阀开关法等。相较于其他负压发生器，重液式负压阀有着体积小，控压精准持久，便于田间安装和应用的优势[19]。渗水器是负压灌溉系统中较为重要的装置之一，目前多采用陶瓷制品，陶瓷材料有很好的渗水性能，但易破碎、价格高。降低装置成本是推动负压灌溉在大田生产中应用的首要因素。

4 结论

研究表明，-5.0～-15.0 kPa负压给水条件，-5.0 kPa负压调控下土壤水分条件更适合辣椒生长，其生长指标达较优水平，产量提高50.61%～284.01%；平衡不同生育时期耗水量和耗水强度，水分利用效率高18.23%～59.43%。在南方地区春季栽培辣椒，推荐-5.0 kPa负压值进行灌溉有利于获得较高产量和实现水分高效利用。相同给水负压条件，潮菜园土栽培明显优于红菜园土。

由于试验条件的限制，本研究仅设计3个给水负压值，-15.0 kPa负压灌溉下土壤含水量不能满足辣椒的生长发育，辣椒各项生长指标明显处于劣势，下一步研究可考虑降低负压下限值的设置，设为-10.0 kPa，提高负压上限值至-2.0 kPa，并以常规灌溉或滴灌作为对照，比较适宜负压灌溉下作物水分和养分的提高效率。