不同再生水水质和追肥量对滴灌辣椒光合和产量的影响

董思琼，田军仓，2，3，沈 晖，2，3，闫新房，2，3，陈海银

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川750021）

0 引言

宁夏地处西北干旱地区，年降雨量小、蒸发强、水资源匮乏，灌溉水资源短缺制约着该地区农业发展[1]。再生水指污水经过适当工艺处理后，达到一定水质标准，满足某种使用要求，可以进行有益使用的水[2]。再生水来源稳定可靠，富含氮（N）、磷（P）、钾（K）等，将再生水用于农田灌溉可缓解宁夏地区农业用水供需矛盾和降低肥料施用率[3]，但再生水中可能存在的污染物，如病原体、重金属、有机污染物等会造成一定程度的环境污染、影响作物生长和危害人体健康[4]。再生水滴灌是将经过处理的生活污水与滴灌相结合的灌溉模式，采用滴灌可以根据作物需水需肥规律，将水和养分均匀且缓慢的供应到作物根区，并能减少再生水中多余污染物输入生态环境系统，对农业节水、节肥和再生水安全利用具有重要意义[5,6]。

辣椒，茄科辣椒属作物，喜温，喜光，喜水，喜肥，对水分和肥料需求量大[7]。目前，有关再生水灌溉辣椒的研究主要集中在不同灌溉水质对辣椒-水-土壤系统微生物及重金属等安全性影响方面[8-11]，不同灌溉水质与水肥耦合方面的研究较少。徐桂红等[12]以自来水灌溉为对照研究了再生水灌溉下不同灌溉定额对羊角椒和牛角椒的影响，结果表明，灌溉定额可极显著促进辣椒株高、茎粗和产量，再生水灌溉对辣椒生长、产量和品质提高均有促进作用。李应海等[13]通过建立辣椒养分、产量耦合模型，研究不同氮、磷、钾施用比例下再生水滴灌辣椒的最优组合，得出了产量大于5.2 万kg/hm2的29个组合。以上研究表明，目前已有再生水不同灌溉定额、灌溉方式、施肥定额单因素或灌溉水质和灌溉定额双因素对辣椒的影响研究，但不同灌溉水质和施肥定额双因素对再生水滴灌辣椒的影响研究鲜见报道且缺少综合性的考虑。

因此，本文通过研究再生水滴灌下不同灌溉水质和不同施肥定额对辣椒生长、产量及光合作用的影响，应用主成分分析法评价各处理综合得分，确定滴灌辣椒灌溉水质和追肥量的最优组合，以期为宁夏地区再生水滴灌辣椒提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在宁夏中卫市应理城乡市政产业集团再生水灌溉示范基地进行（北纬37°30´31.22″，东经105°13´7.6″）。试验地土壤为壤土，土壤干容重为1.46 g/cm3，田间持水率为23.51%，pH 值为7.99，全盐量为0.5 g/kg，有机质为22.5 g/kg，碱解氮59 mg/kg，速效磷34.6 mg/kg，速效钾219 mg/kg，辣椒全生育期降雨量为174.30 mm。灌溉水源为中水厂自来水和再生水，再生水水质符合《城市污水再生利用农田灌溉水质标准》（GB5084-2005）[14]，水质指标如表1所示。

表1 灌溉水质指标Tab.1 Irrigation water quality indicators

1.2 试验设计

采用随机区组试验，选择灌溉水质和追肥定额两因素，每个因素设3 个水平，共计9 个处理，3 次重复，以自来水灌溉下追肥定额为60 kg/hm2处理（W1F1 处理）为对照（CK），试验方案如表2所示。在各水平膜下滴灌方式、灌溉定额（2 820 m³/hm2）、栽培方式、田间管理等相同条件下，研究不同灌溉水质和不同追肥定额对辣椒生长、光合及产量的影响。

表2 试验方案Tab.2 Test plan

1.3 试验实施

试验于2020年5月26日-9月30日进行，各处理面积为11 m2，其中：垄面宽70 cm，垄沟宽50 cm，每垄种植2 行，每穴2株，株距35 cm，行距40 cm，小区间用塑料膜防渗。灌溉方式为膜下滴灌，每行辣椒内侧布置一条滴灌带，滴头间距30 cm，滴头流量为3 L/h。

供试辣椒品种为绿龙十号，氮磷钾施肥量依据目标产量法和调查研究确定。辣椒种植前施基肥：复合肥料（N∶P2O5∶K2O=25∶6∶9）600 kg/hm2（总养分大于40%），有机肥1 215 kg/hm2（N+P2O5+K2O≥5%，有机质≥45%）。灌水和施肥时期依据辣椒生育期需水和需肥规律确定。5月25日和5月26日，即辣椒定植前和定植期各灌水1 次（灌水定额均为240 m3/hm2）；定植后按试验方案灌水，共灌水13 次（灌水定额均为180 m3/hm2），追肥10 次，其中：苗期-开花期灌水2 次，1 次随水追肥；结果初期灌水3 次，其中2 次随水追肥；结果中期灌水6次，每次均随水追肥；结果后期灌水2 次，其中1 次随水追肥。追肥肥料选用以色列海法牌全水溶肥料（N∶P2O5∶K2O∶Ca=15∶5∶35∶25），采用文丘里施肥器随水施肥，灌溉量由水表控制。

1.4 观测项目及方法

土壤水分观测：采用TDR 测量每个处理0~20 cm，20~40 cm处土壤含水率。

生长指标的测定：采用精度为0.1 cm 的钢卷尺和0.01 mm的数显游标卡尺分别测定辣椒株高和茎粗。

光合指标的测定：选择晴朗无云的天气，于8∶00-18∶00每间隔2 h 选择各处理辣椒叶心下第三部位完全展开且健康的南面叶片，采用LI-6800便携式植物光合仪测定光合参数（净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、细胞间二氧化碳浓度Ci、气孔导度Gs）。叶片瞬时水分利用效率WUE和气孔限制值Ls分别根据WUE=Pn/Tr、Ls= 1-Ci/Ca公式计算，每个处理重复3次。测定时CO2浓度（Ca）为（410±10）µmol/mol。

产量的测定：收获期每隔12 d 左右采摘一次，按处理分别统计汇总。试验于2020年8月7日开始收获，至2020年9月30日拉秧结束。肥料偏生产力（PFP）是辣椒产量与追肥量的比值。

1.5 数据处理和统计方法

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 26 版本软件进行数据计算和统计性分析，采用Origin 2018版本软件绘图。

2 结果分析

2.1 不同处理下辣椒生长的影响

2.1.1 株高

由图1可知，各处理辣椒株高随着生育期的延长呈逐渐上升的趋势，生长前期株高增长快但各处理差异不明显，采摘期后各处理差异愈加明显，结果末期株高增长趋缓。在追肥量一定条件下，随着灌溉水中再生水比例的增大辣椒株高均值增大，W3 和W2 水平比W1 水平辣椒植株分别高6.36%和9.12%。在灌溉水质一定条件下，随着追肥量的增大辣椒株高均值增大，F3 和F2 水平比F1 水平辣椒植株分别高14.85%和20.85%，W3F3 处理比CK 植株高29.73%。追肥量对辣椒株高影响极显著（P＜0.01），灌溉水质对辣椒株高影响显著（P＜0.05）。这说明采用再生水灌溉对辣椒株高具有促进作用，这是因为再生水中钙元素含量是自来水中的3.36 倍，全生育期采用再生水灌溉共引入钙元素约为1 774.56 kg/hm2。钙是一个不易流动的元素，其在植物体内的运输一般是通过韧皮部和木质部，且只能单向（向上）转移[15]。

图1 不同处理辣椒株高变化Fig.1 Changes of plant height of pepper under different treatments

2.1.2 茎 粗

由图2可知，随着生育期的延长辣椒茎粗逐渐增大，生长前期茎粗增长速率大于生长后期。在追肥量一定条件下，随着再生水比例增大辣椒茎粗均值增大，W3和W2水平比W1水平辣椒茎粗均值分别大2.76%、3.5%。在灌溉水质一定的条件下，随着追肥量均值增大辣椒茎粗增大，F3和F2水平比F1水平辣椒茎粗均值分别大6.76%、6.69%。各处理辣椒茎粗观测值排序为：W3F2＞W2F2＞W1F3＞W2F3＞W3F3＞W1F2＞W3F1＞W2F1＞W1F1，W3F2 处理比CK 茎粗大13.39%。追肥量对辣椒茎粗影响显著（P＜0.05），灌溉水质对辣椒茎粗影响不显著（P＞0.05）。

图2 不同处理辣椒茎粗变化Fig.2 Changes of stem diameter of pepper under different treatments

2.2 不同处理对辣椒光合作用的影响

2.2.1 不同处理下辣椒叶片光合参数日变化

选择辣椒采摘初期（8月13日）测定不同处理辣椒叶片光合作用日变化（净光合速率、细胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率），如图3~图6所示。辣椒叶片净光合速率、蒸腾速率及气孔导度呈双峰型，辣椒叶片细胞间二氧化碳浓度呈“W”形。早上随着光照强度逐渐增强，叶片温度升高，辣椒净光合速率也逐渐增高，在10∶00 左右出现第一个峰值，随着光照强度继续增强，叶片温度继续升高，辣椒净光合速率迅速减少，到12∶00 左右到达峰谷，出现了辣椒叶片的“午休”现象，于14∶00左右出现第二个峰值。W3F2处理辣椒叶片净光合速率、细胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率、气孔导度日均值最大，分别为12.19µmol/(m2·s)、318.14µmol/mol、3.73 mmol/(m2·s)、0.155 mol/(m2·s)。第一峰值处的光合指标值均大于第二峰值处，W3F2 处理第一峰值处比第二峰值处辣椒叶片净光合速率、细胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率、气孔导度值分别高22.19%、27.31%、20.32%和86.56%。

图3 不同处理辣椒净光合速率的变化Fig.3 Changes in net photosynthetic rate of concentration peppers under different treatments

图4 不同处理辣椒细胞间二氧化碳浓度的变化Fig.4 Changes of carbon dioxide among pepper cells in different treatments

图5 不同处理辣椒蒸腾速率的变化图Fig.5 Variations of the transpiration rate of pepper with different treatments

图6 不同处理辣椒气孔导度的变化Fig.6 Changes in the stomatal conductance of peppers under different treatments

2.2.2 不同处理对辣椒叶片光合作用的影响

选择10∶00 左右光合指标分析不同处理对辣椒叶片光合作用的影响，见表3。W3F2 处理比CK 辣椒叶片Pn、Gs、Ci、Tr及WUE分别大49.60%、37.57%、47%、31.68%、13.48%。在灌溉水质一定条件下，随着追肥量的增大辣椒Pn、Gs、Ci、Tr及WUE均值先增加后减少，F2 水平与F1 水平相比辣椒叶片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE均值分别增加33.27%、26.02%、30.96%、21.56%、-35.50%、9.39%，F3 水平与F1水平相比辣椒叶片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE均值分别增加26.26%、20.23%、25.89%、14.61%、-29.00%、10.31%。追肥量对辣椒叶片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE影响均极显著（P＜0.01）。

表3 10点辣椒光合指标与两因素的方差分析结果rate and intercellular carbon dioxide concentration of pepper and the two factorsTab.3 The results of analysis of variance between the net photosynthetic rate，transpiration

在追肥量一定条件下，随着灌溉水中再生水比例的增大辣椒Pn、Gs、Ci、Tr及WUE均值增加，W2 水平与W1 水平相比辣椒叶片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE均值分别增加2.91%、3.39%、5.99%、0.91%、-5.57%、2.21%，W3 水平与W1 水平相比辣椒叶片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE均值分别增加7.35%、4.56%、6.68%、4.37%、-5.84%、2.99%。灌溉水质对辣椒叶片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE无显著影响（P＞0.05）。再生水中含有的镁、钠元素可以促进作物光合作用，但F3 水平下，再生水和混合水灌溉辣椒叶片日光合指标下降，这可能是因为肥料中过多的钾元素使得介质中竞争性阳离子K+的增加诱发的缺镁症状[16]。

2.3 不同处理对辣椒产量和肥料偏生产力的影响

不同灌溉水质和追肥定额对辣椒产量和肥料偏生产力的影响如表4所示。在追肥量一定的条件下，随着灌溉水中再生水比例的增加辣椒产量均值增加，W2和W3水平比W1水平辣椒产量分别增加4.95%和9.14%。在灌溉水质一定的条件下，随着追肥量的增加辣椒产量均值先增加后减少，F2 和F3 水平与F1水平相比辣椒产量分别增加17.60%和17.22%。各处理辣椒产量排序为：W3F2＞W1F3＞W2F2＞W2F3＞W3F3＞W3F1＞W1F2＞W2F1＞W1F1，W3F2 处理比对照处理辣椒产量高36.18%。F1 和F2 水平，再生水灌溉辣椒产量显著高于自来水灌溉，W3F1比W1F1处理产量高17.45%，W3F2比W1F2处理产量高16.81%。F3 水平，再生水灌溉辣椒产量低于自来水灌溉但影响不显著，W3F3 比W1F3 处理产量低4.25%。追肥量对辣椒产量影响极显著（P＜0.01），灌溉水质对辣椒产量无显著性影响（P＞0.05），该结论与近期有关研究结果相同[17,18]。说明再生水灌溉下需要控制施肥量，施肥过多反而不利于辣椒增产，这可能是因为再生水中本就含丰富的N、P、K，施肥过多引入的N、P、K等元素多，从而造成辣椒产量减少。

表4 不同处理下辣椒产量Tab.4 Pepper yield under different treatments

不同处理的肥料偏生产力具有一定差异。在追肥量一定的条件下，随着再生水比例的增加辣椒肥料偏生产力增加，W2 和W3 水平比W1 水平肥料偏生产力分别增加5.23%和10.50%；在灌溉水质一定的条件下，随着追肥量的增加辣椒肥料偏生产力减少，F2 和F3 水平比F1 水平肥料偏生产力分别减少20.95%和41.39%。追肥量对肥料偏生产力影响极显著（P＜0.01），灌溉水质对肥料偏生产力有显著性影响（P＜0.05）。

综合可知，虽然某处理的单个指标或部分指标值较大，但其他指标却不大，如W3F2处理产量、茎粗、部分光合指标值最大，但株高、WUE、PFP值却非最大，因此需要将各指标综合起来对各处理进行综合评价。

3 主成分分析对各指标综合评价

主成分分析法是一种将高维数据降维的分析方法，可以在少损失原有指标信息的情况下，将这些指标转换成几个综合主成分进行评价，可以实现减少变量个数与综合评价的目的[19]。本文利用SPSS 对辣椒生长（株高、茎粗）、光合（Pn、Gs、Ci、Tr及WUE）、产量及PFP指标进行主成分分析，数据标准化后提取用来评价各处理的主成分，得到评价体系的方差解释率，见表5。结果表明，前2 个主成分的累积贡献率已达95.556%，能够充分保留原始数据大部分变异信息，即所取的2 个主成分具有较好的代表性，因此可以利用这2 个主成分代替原来9个指标变量对各处理进行综合评价。

表5 主成分特征值和方差贡献率Tab.5 Main component characteristics and variance contribution rate

记2 个主成分分别为Y1、Y2，其得分计算函数如公式（1）、（2）所示，式中：分别表示标准化后的株高、茎粗、Pn、Gs、Ci、Tr、WUE、产量及PFP。

综合得分按Y=0.903Y1+0.097Y2计算，各处理综合得分及排名见表6。综合得分排在第一位的是W3F2 处理，即追肥量为900 kg/hm2，灌溉水质为再生水，此时辣椒生长好、光合作用强，有利于营养物质累积，提高产量并且节省肥料。

表6 各处理综合得分及排序结果Tab.6 Comprehensive points and sort results

4 结论

（1）在追肥量一定条件下，随着灌溉水中再生水比例的增大，辣椒株高、茎粗、光合指标、产量、肥料偏生产力均值增大。在灌溉水质一定条件下，随着追肥量的增加，辣椒株高和茎粗均值增大，光合指标、产量均值先增加后减少，肥料偏生产力均值减少。低追肥量（F1）和中追肥量（F2）水平，再生水灌溉辣椒产量显著高于自来水灌溉。W3F2 比W1F1 处理辣椒株高、茎粗、产量、叶片瞬时净光合速率分别大29.73%、13.39%、36.18%、49.60%。因此，再生水灌溉下适量施肥辣椒增产效果明显。

（2）主成分分析结果表明，W3F2 处理综合得分最高。即在降雨量为174.30 mm、灌溉定额为2 820 m³/hm2（灌水次数为15次）条件下，当灌溉水质为再生水，追肥量为900 kg/hm2（追肥次数为10次）辣椒生长优良，净光合速率和产量最高。