水肥耦合对越冬基质栽培辣椒产量、品质和水分利用效率的影响

高子星 马雪强 王君正 胡晓辉,2*

(1.西北农林科技大学 园艺学院/农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.农业农村部西北设施农业工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100)

辣椒(CapsicumannuumL.)在我国设施内种植广泛，也是延安地区主要设施蔬菜之一。延安地区设施土壤偏碱性[1]，农业水资源承载力处于中等偏低水平[2-3]，且种植模式单一，造成土壤质量逐年降低，这些问题严重阻碍了设施辣椒的可持续发展，影响了当地辣椒种植业的提档升级。基质栽培使蔬菜作物摆脱了对土壤的依赖，避免了土传病害、连作障碍和土壤碱化的威胁，能够恢复地力，具有良好的保水保肥特性，使实现节水减肥和水肥精准管理的蔬菜栽培目标成为可能[4]。

水肥对作物生长发育和产量品质起着重要作用，也是限制我国旱地农业可持续发展的主要因子[5]。众多学者就水肥对辣椒生长、产量及品质的影响开展了大量研究，但多集中于春茬栽培。研究发现不同水肥耦合处理对辣椒的光合作用有显著影响，且中等施肥量有利于辣椒营养元素的吸收[6]；辣椒产量与水肥投入之间存在阈值[7]；将栽培介质含水量控制在适当范围时可获得较高的辣椒产量和水分利用效率[8]；较高的水肥用量可增加辣椒的株高、茎粗和叶面积指数但不利于产量的增加[9]；中等灌溉量和中等施肥量耦合处理可在节水省肥的基础上获得辣椒的高产并显著提高果实综合营养品质[10]。以上结果表明，要获得较高的辣椒产量及品质，水肥用量要控制在合适范围[11]。延安地区冬季晴天多太阳辐射充足，适合进行设施蔬菜越冬栽培，目前关于越冬蔬菜栽培的研究多为通过环境调控手段提高作物生长、产量和品质[12-14]，由于受到环境条件的限制，越冬栽培存在生长情况不佳且产量不高等问题。有研究发现，茬口对作物氮积累量和产量有着显著的影响，且要达到与春茬相同的氮积累与产量，越冬茬需要投入更多肥料[15]。由于温度变化规律以及光照时长不同，越冬茬果实干物质积累与分配也与春茬存在差异[16]。

目前关于越冬茬水肥利用规律的研究甚少，因此本研究通过设施基质栽培辣椒不同水肥耦合试验，探索产量、水分利用率(WUE)和果实品质对水肥耦合的响应规律，结合主成分分析法和优劣解距离法(TOPSIS)对各处理进行全面评价，旨在筛选出适用于延安地区及相似生态区设施辣椒越冬基质栽培的兼顾果实品质、产量与水肥投入的水肥耦合方案，以期充分发挥基质栽培节水节肥的优势并为实现辣椒高产优产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

延安市属于暖温带半湿润易旱气候区，冬季雨雪稀少，明朗干冷；年日照2 418 h，日照百分率达55%。试验于2019年9月—2020年1月在陕西延安安塞生态农业示范园(36°87.00′ N，109°32.00′ E，海拔1 009.23 m)下沉式日光温室(长×宽×下沉深度为110 m×12 m×1 m)内进行。供试品种为牛角椒 ‘拉菲78-9’(以色列海泽拉优质种子公司，以色列)，采用基质袋培，基质袋尺寸大小为80 cm×20 cm×16 cm(长×宽×高)，基质容量为15 L/袋，每袋种植2株辣椒。栽培基质(购自广州生升农业有限公司)理化性质为：速效氮486.40 mg/kg、速效磷248.30 mg/kg、速效钾275.90 mg/kg，全氮11.70 mg/g、全磷9.91 mg/g、全钾12.00 mg/g，pH 6.21，电导率(EC)为0.15 mS/cm。采用水肥一体化灌溉施肥系统供应水肥，灌溉和营养液供应流速为1 L/h。

1.2 试验设计

设置灌溉量和营养液浓度2个因子。

灌溉量：设置3个水平，分别为基于基质相对含水量(体积)的40%～45%(W1)、55%～60%(W2)和70%～75%(W3)进行灌溉。每天上午8：00，使用手持基质水分测定仪(HH150，Delta-T Devices LTD，英国)测定基质相对含水量(精度0.1%)。根据测定结果进行灌溉，通过旋翼式水表(LXS-25mmC/E型，宁波埃美柯有限公司，精度0.1 m3)记录灌溉量，试验中W1、W2和W3的灌溉量分别为16.37、18.18和19.87 L/株。

营养液浓度：设置3个水平，分别为80%(F1)、100%(F2)和120%(F3)标准山崎辣椒营养液浓度，3 d浇灌1次营养液，每次浇灌500 mL。标准山崎辣椒营养液专用配方：354.00 mg/L Ca(NO3)2·4H2O，607.00 mg/L KNO3，96.00 mg/L NH4H2PO4，185.00 mg/L MgSO4·7H2O，25.00 mg/L Na2Fe-EDTA，2.13 mg/L H3BO3，2.86 mg/L MnSO4·4H2O，0.22 mg/L ZnSO4·7H2O，0.08 mg/L CuSO4·5H2O，0.02 mg/L(NH4)2MoO4·4H2O。

将灌溉量和营养液浓度2因子耦合，共9个耦合处理，采用随机区组设计，每个处理重复3次，每个重复小区定植辣椒88株，其面积为23.06 m2。于2019年9月10日选取五叶一心、生长一致且健壮的辣椒苗定植于栽培袋中。定植株距为35 cm，大小行间隔种植，大行距为80 cm，小行距40 cm。定植后到门椒开花前灌溉量维持基质相对含水量的55%～60%，门椒开花时(10月3日)开始不同试验处理，门椒成熟后每30 d进行1次采收，辣椒果实均在绿熟期进行采收和取样，2020年1月25日第4次果实采收后结束试验，其余栽培技术按常规管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1产量测定

在每个处理的每个重复小区随机选取10株，每次采摘果实用电子天平(JE1002型，上海浦春计量仪器有限公司，精度0.001 g)称量果实重量，并根据每公顷定植密度折算为公顷产量。

1.3.2水分利用效率

WUE=Y/ET

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为产量，kg/hm2；ET为全生育期内每公顷作物耗水量，m3/hm2。

1.3.3果实品质测定

在第2次辣椒采收期，在各处理重复小区的相同位点，选取10个绿熟期的果实进行品质测定。单果重用电子天平(JE1002型，上海浦春计量仪器有限公司，精度0.001 g)测定,果实长度采用游标卡尺测定,选取果实中段用游标卡尺测定果皮厚度,果实亮度和绿色度采用色度计(CR-400，Konica Minolta公司，日本)测定,辣椒果实维生素C含量采用钼蓝比色法测定[17],可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[17],游离氨基酸含量采用茚三酮显色法测定[17],可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[17],还原糖含量采用3,5-二硝基水杨酸法测定[17],硝酸盐含量采用水杨酸法测定[17],辣椒素含量采用高效液相色谱法(LC-30A，岛津，日本)测定[18]。

1.4 数据处理及分析

采用 SPSS 23.0进行数据处理、主成分分析及试验因子方差分析，Duncan法进行处理间多重显著性比较(P<0.05)，运用Pearson相关系数进行相关性分析，参考胡晓辉等[10]的方法进行TOPSIS法综合计算分析，用Microsoft Excel 2016作图。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对越冬基质栽培辣椒产量的影响

不同处理对越冬基质栽培辣椒产量的影响和方差分析如图1和表1所示。试验因子灌溉量(W)、营养液浓度(F)及二者的耦合效应(W×F)均极显著影响辣椒产量(P<0.01)。W2F2处理的辣椒产量最大(30 903.11 kg/hm2)，显著高于除W1F2处理外其他各处理，是W3F1处理(最小处理)产量的1.9倍。80%(F1)和100%(F2)标准营养液浓度下，低灌溉量(W1)各处理与中灌溉量(W2)相比，辣椒产量并无显著性差异，而高灌溉量下(W3)的辣椒产量显著下降；120%(F3)标准营养液浓度下，产量未随灌溉量增加而显著增加，说明在越冬茬将基质含水量和施肥浓度保持在中低水平更有利于产量的提高。相同灌溉量水平下，辣椒产量随营养液浓度增加先增加后降低，说明中营养液浓度有利于产量的提高。

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表1 各因子及其耦合对越冬基质栽培辣椒果实产量的方差分析(F值)

W1、W2和W3分别为按照基质相对含水量的40%～45%、55%～60%和70%～75%进行灌溉；F1、F2和F3分别为80%、100%和120%标准山崎辣椒营养液浓度。不同的小写字母表示不同耦合处理之间的差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 水肥耦合对越冬基质栽培辣椒水分利用效率的影响

不同处理对越冬基质栽培辣椒WUE的影响和方差分析如图2和表2所示。试验因子W和F均对WUE产生极显著的影响(P<0.01)，W×F对WUE影响显著(P<0.05)。W1F2处理的WUE最高(36.50 kg/m3)，W2F2处理次之(35.42 kg/m3)，两者无显著性差异但均显著高于其他各处理，W3F1处理最低(17.02 kg/m3)且显著低于其他各处理；F1与F2标准营养液浓度下，W1与W2相比WUE无显著性差异，但二者均显著高于W3；F3标准营养液浓度下，W2与W1和W3处理间差异不显著，但W1显著高于W3，可见在越冬茬将基质含水量保持在中低水平更有利于提高WUE。相同灌溉量水平下，WUE随营养液浓度的增加而先增加后降低，说明中营养液浓度更有利于提高WUE，而过高的营养液浓度不利于WUE的提高。

表2 水肥耦合对越冬基质栽培辣椒水分利用效率的方差分析(F值)

图2 水肥耦合对越冬基质栽培辣椒水分利用效率的影响

2.3 水肥耦合对越冬基质栽培辣椒果实品质的影响

2.3.1水肥耦合对越冬辣椒果实商品品质的影响

如表4所示，试验因子W极显著(P<0.01)影响辣椒单果重和果实亮度，对其他指标无显著性影响；F除对果长影响显著(P<0.05)外，对其他指标影响均极显著(P<0.01)；W×F仅对果皮亮度和绿色度产生显著影响(P<0.05)。由表3可知，不同处理对辣椒果实的商品品质影响各异。W1水平下3种营养液浓度处理的辣椒果长、果皮厚度和绿色度无显著差异，而亮度则随营养液浓度增加显著降低；W2水平下辣椒的单果重高于W1，且在F1和F3下达到显著差异；F2水平下3种灌溉量处理间单果重和果皮厚度无显著性差异。W2F2与W2F3处理下辣椒的果长和果皮厚度差异均不显著，但二者果长显著高于W2F1处理，果皮厚度则显著低于W2F1处理；W3水平下3种营养液浓度处理的辣椒果长和亮度无显著差异，而W3F2与W3F1处理辣椒的果皮厚度和绿色度差异不显著，但二者的果皮厚度显著高于W3F3处理，绿色度显著低于W3F3处理。

表3 水肥耦合对越冬基质栽培辣椒果实商品品质的影响及方差分析(F值)

表4 水肥耦合对越冬基质栽培辣椒果实商品品质的方差分析(F值)

2.3.2水肥耦合对越冬袋培辣椒果实营养品质的影响

试验因子W对维生素C、可溶性蛋白、游离氨基酸、还原糖、可溶性总糖和辣椒素含量影响极显著(P<0.01)(表6)，对硝态氮含量影响显著(P<0.05)；F对所有营养品质指标影响均极显著(P<0.01)；W×F对除游离氨基酸、辣椒素和硝态氮外的营养品质指标均产生极显著影响(P<0.01)。由表5可知，维生素C和可溶性蛋白含量在W1和W3水平下随营养液浓度的增加而增加，在W2水平下则表现为先增加后降低；相同营养液浓度水平下，维生素C和游离氨基酸含量随灌溉量的增加先增加后降低；W1和W2水平下，游离氨基酸含量随灌溉量的增加而先增加后降低，W3水平下，游离氨基酸含量随营养液浓度的增加而增加；相同灌溉量水平下，还原糖、可溶性总糖和辣椒素含量均随营养液浓度的增加而先增加后降低，硝态氮含量随营养液浓度的增加而增加。

2.3.3Pearson相关性分析

由表7可知，单果重与还原糖含量呈极显著正相关，与果长、维生素C、游离氨基酸和可溶性总糖含量呈显著正相关；果长与游离氨基酸含量呈极显著正相关，与维生素C和可溶性总糖含量呈显著正相关；果皮厚度与可溶性蛋白、游离氨基酸、还原糖和可溶性总糖含量呈极显著负相关，与维生素C含量和硝态氮含量呈显著负相关，即果皮越厚，可溶性蛋白、游离氨基酸、还原糖、可溶性总糖、硝态氮和维生素C的含量越低；果实亮度与还原糖含量呈极显著负相关，与可溶性总糖和硝态氮含量呈显著负相关；维生素C含量与游离氨基酸含量呈极显著正相关，与还原糖和可溶性总糖含量呈显著正相关；可溶性蛋白含量与可溶性总糖含量呈极显著正相关，与游离氨基酸和还原糖和硝态氮含量呈显著正相关。由此可见不同水肥耦合处理的辣椒品质指标间存在不同程度的相关性，表明12项指标间存在信息重叠，若进行综合评价必须剔除评价指标间重复信息，避免结果出现偏差。

对单果重、果长、果皮厚度、亮度、绿色度、维生素C含量、可溶性蛋白含量、游离氨基酸含量、还原糖含量、可溶性总糖含量、辣椒素含量和硝态氮含量等12个评价指标进行主成分分析，寻求影响越冬茬基质栽培辣椒果实品质的关键指标，所得的相关矩阵的特征值和方差贡献率见表8，经标准化后的因子负荷矩阵见表9。以特征值大于1的原则[19]提取3个主成分，累计方差贡献率为90.72%，可代表原始数据的大部分信息。

由表8和表9可知，第1主成分包含了原始信息量的62.68%，其大小主要由游离氨基酸、还原糖和可溶性总糖决定，这些指标均为辣椒果实的营养成分，可命名为营养因子；第2主成分包含了原始信息量的14.09%，其大小主要由辣椒素决定，该指标影响辣椒的辛辣程度，可命名为辣度因子；第3主成分包含了原始信息量的13.95%，其大小主要由绿色度决定，可命名为色泽因子。

表8 主成分的特征值及方差贡献率

表9 因子负荷矩阵

结合相关性分析(表7)和因子分析的结果，在营养因子中，3个代表指标显著相关，可溶性总糖可更客观反映辣椒果实的营养特性，可用作替代指标；辣椒素和绿色度分别用作辣度因子和色泽因子的替代指标。因此，将不同处理辣椒果实品质评价因子简化为：可溶性总糖、辣椒素含量和绿色度。即用3项品质指标基本可以反映辣椒果实各方面的品质要求。

2.4 基于TOPSIS法的越冬基质栽培辣椒不同水肥耦合处理的综合评价

将产量、水分利用效率及主成分分析确定的三个果实品质替代指标(可溶性总糖、辣椒素和绿色度)的实测值归一化，利用TOPSIS法可得到各处理的贴合度Ci值(表10)，Ci值的大小可反映各处理综合评价的优劣。如表10所示，各单一指标的实测量与所有处理贴合度的排序进行Spearman相关分析。结果表明：在灌溉量相同的水平下，Ci值随营养液浓度的增加先增加后降低；F1和F2水平下，Ci值随灌溉量的增加先增加后降低。W2F2的Ci值最高为0.71，W3F1的Ci值最低为0.28；Ci值排序前三位的处理为W2F2、W1F2和W3F2。除辣椒素和绿色度外，其他指标都与贴合度的排序呈显著正相关，表明依据 TOPSIS法对辣椒水肥耦合方案进行综合评价可信度高。

表10 基于TOPSIS法的各处理辣椒综合评价及排序

3 讨 论

水分和养分是设施内辣椒栽培获得高产高品质的关键因素[20]，基质栽培中，水肥投入直接表现为基质含水量和供应的营养液浓度。适当的水分管理可提高作物的产量和水分利用效率，对于降低辣椒种植成本具有重要作用[21]。本研究发现，越冬栽培条件下，灌溉量和营养液浓度对产量和WUE均有显著性影响，产量和WUE对灌溉量和营养液浓度存在阈值效应，即高灌溉量和高浓度营养液处理的辣椒产量均低于中灌溉量和中浓度营养液处理的产量，中等灌溉量中等水平营养液浓度耦合处理(W2F2)下可获得最高产量和最大的WUE，这与胡晓辉等[10]在春茬栽培中所得的结果一致。说明不同茬口条件下，适量灌溉和施肥均可获得辣椒的高产和高水分利用效率。高灌溉量和高浓度营养液条件下，产量不高可能与辣椒营养生长过度有关[6]。高营养液浓度条件下产量和WUE均低于中等营养液浓度，可能是高施肥降低了叶片光合速率[22]，进而导致作物蒸腾拉力降低，光合速率下降，并最终影响到生物量的积累与分配和对水分的吸收与利用。低灌溉量中营养液浓度耦合处理(W1F2)产量和WUE与W2F2处理并无显著性差异，可能是辣椒生长期灌水量处于较低水平时增加施氮量能促进辣椒植株对水分的利用[23]，也可能与越冬栽培的环境因素有关。

蔬菜的营养品质与水、肥和介质等环境因素密切相关[11]。本研究发现灌溉量和营养液浓度显著影响辣椒的各项果实品质，游离氨基酸、还原糖、可溶性总糖和维生素C含量等部分果实品质随营养液浓度的增加出现“饱和效应”、随灌溉量的增加出现“稀释效应”，这与王鹏勃等[24]所得结论相同。而张智等[25]研究认为，较低施肥量可以提升草莓果实品质，说明不同栽培条件下不同作物果实品质对水肥响应的规律不同。本研究中，硝态氮含量在灌溉量一定的情况下随营养液浓度的增加而增加，可能是基质中氮素供给能力逐渐增强引起硝酸根离子含量的增加[24]。W2F2处理果实中游离氨基酸处于较高水平，这与朱艳丽等[26]在番茄上的研究结果一致，可能是该条件下叶片保护酶活性较高，且丙二醛含量低，提高了植物自身的适应性。果实品质由多个指标组成，可代表果实的形状、色泽、口感和营养等，各个指标具有一定的差异性和相关性。通过因子分析可以将指标降维，简化指标因子，从而更加合理有效地评价果实品质[16]。主成分分析法在蔬菜作物的研究中有着广泛的应用，显示出其科学性和可靠性。Liu等[27]研究发现通过主成分分析所得的番茄果实品质中外观品质与营养品质呈反比，该结论与本研究所得结论不同，可能与试验设计和作物不同有关。吴澎等[16]发现可溶性总糖含量、出汁率、维生素 C含量、可食率和单果质量可作为评价甜樱桃的关键指标，Wang等[28]则发现马铃薯的代表性指标为单株产量、还原糖含量和可溶性蛋白含量。本研究筛选出的关键性指标均与前人研究结果不同，说明对于不同栽培模式下的不同作物果实，确定与栽培环境和栽培模式相符的果实品质代表性指标更具有科学性和准确性。

多目标决策方法TOPSIS通过评估不同对象之间的相对相似度以及积极和消极的理想状态来计算综合效益[10]，为解决兼顾果实品质、产量与水肥投入的问题提供了一种解决方案[29]。为避免2种算法单独使用存在的不足，保证结果的可靠性，本研究运用TOPSIS将主成分分析所得果实品质的代表性特征指标与产量和WUE进行综合评价，确定最佳耦合处理为W2F2处理。本试验中，W3F2处理与W2F2处理的产量和WUE并无显著性差异，且综合评价得分接近，在辣椒越冬栽培现有最佳灌溉量基础上进一步降低灌溉量是否可实现生产效益的最大化，还需要进一步研究。

4 结 论

本研究得出，营养液浓度对辣椒果实商品品质、营养品质、产量及WUE均有显著性影响，灌溉量对除果长、果皮厚度及绿色度外的果实品质指标、产量和WUE也产生显著性影响；除单果重、果长、果皮厚度、游离氨基酸、辣椒素和硝态氮外，二者的耦合效应对其它果实品质指标也有显著性影响。综合评价表明，延安地区及相似生态区越冬袋培辣椒最佳水肥耦合方案为W2F2，即依据基质相对含水量55%～60%进行灌溉，按照每3天施用1次且每次单株供应量为500 mL浇灌100%剂量的山崎辣椒营养液。