水氮一体化模式对不同设施辣椒品种产量和氮素利用的影响

胡晨曦，杨剑婷，张永吉，张云虹，张 瑛，祁建波，张林巧，周如美，张永泰，陈以博*

（1.江苏里下河地区农业科学研究所，江苏 扬州 225007；2.扬州农科农业发展有限公司，江苏 扬州 225007；3.扬州市邗江区农产品质量监督检测中心，江苏 扬州 225000）

0 引言

辣椒（Capsicum annuum L.）是我国重要的蔬菜作物，种植面积和产值均在蔬菜产业中居首位，年种植面积保持在150万～200万hm2，其中设施栽培面积占比不足30%，未来仍具有极大的发展空间［1］。设施栽培的经济效益约为露地栽培的3～5倍，而为了获取高产，设施生产通常采用大量施氮和过量灌溉的管理方式，该模式不仅导致氮素的利用效率低下，而且会产生地下水污染、水体富营养化和温室效应加剧等一系列环境问题［2-4］。因此，如何在保障产量的基础上采用合理的水氮管理模式是设施辣椒生产中亟待解决的关键问题。

水肥一体化是根据不同作物的养分需求，适时、适量地将肥料溶解在水中，通过灌溉系统随水一起施用，从而将灌溉和施肥融为一体的农业新技术［5-7］。研究表明，与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式可提高作物产量和氮素利用效率［8-10］。王立革等［11］的研究表明，水肥一体化模式不仅能明显改善土壤温度、土壤饱和导水率和土壤养分含量等设施土壤理化性状，同时能显著提高设施番茄的产量。孟亮等［12］的研究表明，水肥一体化模式促进了辣椒干物质和养分的积累，并提高了积累的干物质和养分在果实中的分配比例，从而有利于提高辣椒产量。李杏等［13］的研究表明，水氮一体化模式能显著提高辣椒果实对氮素养分的吸收、利用和分配，从而有利于辣椒产量、氮素利用效率及经济效益的增加，并降低了温室效应的环境风险。王远等［14］的研究表明，水氮一体化模式能提高设施蔬菜产量、氮肥利用率和经济效益，并减少土壤中氨的挥发损失。沈建国等［7］的研究表明，水氮一体化模式能促进辣椒生长，提高辣椒产量、品质和经济效益，且在该模式下进行适度减量施氮，辣椒产量未显著下降。然而，上述研究大多局限于水氮一体化模式对单一设施蔬菜品种产量和氮素利用效率的影响，有关不同设施辣椒品种产量和氮素利用效率对水氮一体化模式响应的差异及机制还有待进一步研究。因此，本研究以4个不同设施辣椒品种为供试材料，研究了水氮一体化模式对其产量和氮素利用的影响，旨在为选育适宜水氮一体化模式的设施辣椒品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点和供试材料

试验于2020年3～7月在江苏省现代农业产业技术体系扬州邗江蔬菜综合示范基地（东经119°46′，北纬32°49′）的塑料温室大棚内进行。温室大棚的长度、跨度和高度分别为70、10、2.8 m，棚内设有HOBO小型气象站（美国Onset公司），可自动记录大气压力、温度、相对湿度、太阳辐射等气象因子。试验前0～20 cm土层土壤含有机质12.69 g/kg，全氮1.33 g/kg，速效氮17.65 mg/kg，速效磷12.73 mg/kg，速效钾60.21 mg/kg。试验所用辣椒品种（表1）为：扬椒2号、扬椒5号、苏椒5号和科技之光9号。供试肥料分别为尿素（N 46.4%）、过磷酸钙（P2O544%）和可溶性硫酸钾（K2O 50%）。

表1 辣椒的品种及来源

供试的水氮一体化设备为扬州大学机械工程学院自主研发的智能水肥一体化系统。设备主要由水源、水泵、旋翼式水表、比例施肥泵和输配水管道系统等组成，采用液压比例施肥泵装置控制。滴灌管为内镶式圆柱滴头滴灌管，内径8 mm，滴头间距30 cm，滴头流量2 L/h，滴灌工作压力0.3 MPa。设备运行时采用1/4-1/2-1/4模式，具体为前1/4时间灌清水，中间1/2时间施肥，后1/4时间再灌清水冲洗管道，该模式下的肥料利用效率高。

1.2 试验设计

试验采用2因素随机区组设计（表2），设置传统水氮模式（CM，沟灌施氮）和水氮一体化模式（IM，滴灌施氮）2个水氮模式处理以及扬椒2号（C1）、扬椒5号（C2）、苏椒5号（C3）和科技之光9号（C4）4个品种处理，总共8个处理，每个处理3次重复，共计24个小区。施氮量为当地推荐施氮水平240 kg/hm2，另以沟灌不施氮作为对照。各小区长15 m、宽1.7 m，面积25.5 m2。采用当地典型的作畦覆膜栽培模式，畦高25 cm，宽120 cm，畦面宽100 cm，畦间距50 cm，小区间埋入60 cm塑料薄膜做防渗隔离。辣椒整地作畦时采用1管控制2行，在2行辣椒中间布置滴灌管，辣椒株距为30 cm，行距50 cm，单株定植。磷肥和钾肥施用量分别为120、150 kg/hm2。20%的氮肥以及全部的磷钾肥基施，另外施用腐熟有机肥30000 kg/hm2，其中含N为35.67 kg，P2O5为61.56 kg，K2O为78.34 kg，作畦时一次性均匀施入试验地。

表2 试验设计

试验采用育苗移栽的方式进行播种，辣椒长至5～6片叶时定植。定植后浇一次缓苗水25 mm，10 d后开始进行水氮模式处理。处理开始后平均每3～4 d灌1次水，灌水量为100%ETc（作物需水量），应用王健等［15］的日光温室Penman-Monteith修正公式计算得出每日ET0（作物参考蒸发蒸腾量）乘以辣椒作物系数（依据FAO-56，辣椒在生长前期、中期和后期的作物系数分别为0.60、1.05和0.90）。水氮一体化模式处理每14 d施氮1次，共施氮8次，每次的施氮量占整个生育期总施氮量的比例分别为4%、4%、8%、8%、24%、24%、4%、4%；传统水氮模式处理于初花期和盛花期各施氮1次，共施氮2次，每次施氮量占整个生育期总施氮量的比例为40%和40%，2种水氮模式处理的施氮量和灌水量如图1所示。其他管理同一般的设施辣椒栽培。

图1 传统水氮模式和水氮一体化模式的施氮量和灌水量

1.3 测定项目和方法

1.3.1 产量及其构成因素 于辣椒果实成熟阶段，在每个小区中随机选取10株辣椒进行标记，每隔14 d采摘1次成熟度一致的辣椒，统计结果数并测定产量，最后用各次的结果数和产量累加得到的结果数和产量来计算果实重量，并根据每公顷定植密度计算公顷产量。

1.3.2 干物质积累量和氮积累量 于辣椒初花期（定植后38 d）、盛花期（定植后66 d）、盛果期（定植后94 d）和成熟期（定植后123 d），在各个小区内随机取3株辣椒，将地上部各器官分开，105 ℃烘箱杀青30 min，然后80 ℃烘干至恒重并称重，根据每公顷定植密度计算干物质积累量。烘干后的植物样品用万能粉碎机粉碎，采用半微量凯氏定氮法测定总氮含量，计算氮积累量。

1.3.3 氮素利用效率 根据李海峰等［16］采用的氮素利用效率计算方法，计算氮肥农学效率、氮肥回收效率和氮肥偏生产力，计算公式为：

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量

氮肥回收效率（%）=（施氮区辣椒地上部总氮积累量-不施氮辣椒地上部总氮积累量）/施氮量×100%

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区产量/施氮量

1.3.4 叶面积指数 于辣椒初花期、盛花期和盛果期，在每个小区内随机选取3株辣椒，使用SunScan冠层分析仪（英国Delta公司）测定叶面积指数。

1.3.5 光合参数 于辣椒初花期、盛花期和盛果期，在每个小区内随机选取3株辣椒，并选择从顶部向下同一方向第3片功能叶片，根据董乔等［17］的方法采用便携式光合速率测定仪LI-6400（美国LI-COR公司）测定叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间二氧化碳浓度等光合参数。

1.3.6 硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性 于辣椒初花期、盛花期和盛果期，在每个小区内随机选取3株辣椒，取从顶部向下同一方向第3片功能叶片，液氮速冻后放入-40 ℃冰柜保存，根据张晓宇等［18］的方法测定叶片硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性。

1.4 数据处理

应用Excel 2010软件进行数据处理；应用SPSS 19.0软件对数据进行方差分析和差异显著性检验；应用SPSS 19.0软件进行不同辣椒品种的干物质积累、氮积累对产量和氮素利用效率的通径分析，比较不同生育阶段的干物质积累、氮积累对产量和氮素利用效率的作用大小；使用SigmaPlot 12.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 产量和氮素利用效率

由表3可知，与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种的产量、氮肥农学效率、氮肥回收效率和氮肥偏生产力，且不同品种的提高幅度不同，表现为：C1＞C4＞C3＞C2。同时，水氮一体化模式提高了单株结果数和果实重量，表明辣椒产量的增加是由于单株结果数和果实重量提高所致。水氮一体化模式下，C1、C2、C3和C4的产量分别提高19.82%、11.21%、15.27%和16.73%，氮肥农学效率分别提高26.14%、15.84%、20.11%、22.35%，氮肥回收效率分别提高41.31%、27.25%、30.92%和35.56%，氮肥偏生产力分别提高20.05%、14.87%、15.72%和18.21%。以上结果表明，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种的产量和氮素利用效率，且扬椒2号的提高幅度最大。

表3 水氮一体化模式对不同辣椒品种产量和氮素利用效率的影响

2.2 干物质积累量和氮积累量

由表4可知，与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种在各生育阶段干物质的积累量和氮积累量，其中扬椒2号的提高幅度最高。水氮一体化模式下，C1、C2、C3和C4的干物质积累量在播种—初花期分别提高21.25%、13.40%、16.61%和18.43%，在初花—盛花期分别提高22.62%、14.27%、18.65%和20.81%，在盛花—盛果期分别提高21.85%、15.12%、16.01%和18.69%，在盛果—成熟期分别提高21.21%、18.11%、20.22%和21.40%；C1、C2、C3和C4的氮积累量在播种—初花期分别提高25.58%、15.04%、18.46%和21.29%，在初花—盛花期分别提高31.40%、19.08%、24.62%、27.88%，在盛花—盛果期分别提高27.28%、18.61%、20.63%和22.97%，在盛果—成熟期分别提高26.31%、18.25%、20.71%和25.35%。同时，水氮一体化模式对不同辣椒品种在盛花—盛果期干物质积累量和氮积累量的提高量要大于其他的生育阶段，表明水氮一体化模式对该生育阶段辣椒的干物质积累和氮积累的促进效果最大。因此，水氮一体化模式主要提高了不同辣椒品种在盛花—盛果期的干物质积累和氮积累，从而促进植株生长，且扬椒2号的提高幅度大于其他品种。

表4 水氮一体化模式对不同辣椒品种干物质积累量和氮积累量的影响

2.3 叶面积指数

由图2可知，与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种的初花期、盛花期和盛果期的叶面积指数，其中扬椒2号的提高幅度最大。水氮一体化模式下，C1、C2、C3和C4的叶面积指数在初花期分别提高20.78%、13.71%、16.33%和17.77%，在盛花期分别提高24.65%、12.65%、15.90%和19.00%，在盛果期分别提高18.94%、12.90%、17.11%和17.94%。以上结果表明，水氮一体化模式促进了不同辣椒品种关键生育期叶片的生长，有利于植株捕获更多的光能。

图2 水氮一体化模式对不同辣椒品种叶面积指数的影响

2.4 光合参数

由图3可知，与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种在初花期、盛花期和盛果期叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，降低了胞间二氧化碳浓度。水氮一体化模式下，C1、C2、C3和C4的叶片净光合速率在初花期分别提高10.56%、4.24%、6.13%和8.35%，在盛花期分别提高10.64%、4.82%、6.36%和8.11%，在盛果期分别提高10.27%、3.95%、5.33%和7.78%；C1、C2、C3和C4的叶片气孔导度在初花期分别提高9.98%、6.54%、7.57%和9.23%，在盛花期分别提高11.61%、6.34%、9.03%和9.57%，在盛果期分别提高10.49%、6.51%、7.37%和9.37%；C1、C2、C3和C4的叶片蒸腾速率在初花期分别提高11.43%、5.89%、9.42%和11.72%，在盛花期分别提高16.24%、11.77%、12.91%和14.12%，在盛果期分别提高12.45%、6.72%、8.75%和10.06%；C1、C2、C3和C4的叶片胞间二氧化碳浓度在初花期分别降低11.16%、4.93%、8.49%和9.76%，在盛花期分别降低15.13%、5.32%、7.36%和10.47%，在盛果期分别降低12.31%、4.22%、5.55%和8.27%。以上结果表明，水氮一体化模式能够提高不同辣椒品种在关键生育时期叶片的光合能力，有利于干物质的积累，且扬椒2号的提高幅度要大于其他品种。

2.5 硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性

由图4可知，与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种在初花期、盛花期和盛果期叶片硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性，其中扬椒2号的提高幅度最高。水氮一体化模式下，C1、C2、C3和C4的叶片硝酸还原酶活性在初花期分别提高8.87%、4.52%、6.93%和7.63%，在盛花期分别提高12.10%、7.25%、9.16%和9.60%，在盛果期分别提高8.17%、3.72%、4.73%和6.25%；C1、C2、C3和C4的叶片谷氨酰胺合成酶活性在初花期分别提高9.43%、3.89%、5.20%和7.01%，在盛花期分别提高8.91%、3.89%、5.91%和7.49%，在盛果期分别提高8.44%、5.04%、5.94%和7.43%。以上结果表明，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种关键生育时期叶片的氮同化能力，有利于植株氮的积累。

图4 水氮一体化模式对不同辣椒品种叶片硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性的影响

2.6 干物质积累量和氮积累量与产量和氮素利用效率的通径分析

由表5可知，不同生育阶段干物质积累量对产量的总贡献大小依次为盛花—盛果（0.8532）＞初花—盛花（0.7959）＞播种—初花（0.7848）＞盛果—成熟（0.7010），对氮肥农学效率的总贡献大小依次为盛花—盛果（0.9057）＞初花—盛花（0.8241）＞播种—初花（0.8160）＞盛果—成熟（0.7074），对氮肥回收效率的总贡献大小依次为盛花—盛果（0.9412）＞初花—盛花（0.8698）＞播种—初花（0.8668）＞盛果—成熟（0.7796），对氮肥偏生产力的总贡献大小依次为盛花—盛果（0.9358）＞初花—盛花（0.8341）＞播种—初花（0.8288）＞盛果—成熟（0.7519）；不同生育阶段氮积累量对产量的总贡献大小依次为盛花—盛果（0.8652）＞盛果—成熟（0.8584）＞初花—盛花（0.8132）＞播种—初花（0.7995），对氮肥农学效率的总贡献大小依次为盛花—盛果（0.9052）＞盛果—成熟（0.8432）＞初花—盛花（0.8350）＞播种—初花（0.8161），对氮肥回收效率的总贡献大小依次为盛花—盛果（0.9522）＞初花—盛花（0.8765）＞播种—初花（0.8448）＞盛果—成熟（0.7920），对氮肥偏生产力的总贡献大小依次为盛花—盛果（0.9552）＞初花—盛花（0.8429）＞播种—初花（0.8112）＞盛果—成熟（0.8050）。以上结果表明，盛花—盛果期的干物质积累量和氮积累量对提高辣椒产量和氮素利用效率具有重要的作用。

表5 不同辣椒品种干物质积累和氮积累与产量和氮素利用效率的通径分析

3 讨论与结论

本研究结果表明：与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种的产量、氮肥农学效率、氮肥回收效率和氮肥偏生产力，这与辣椒［7］、番茄［9］和黄瓜［19］的研究结果相类似。同时，通过分析产量构成因素发现，辣椒产量的增加是由于提高了单株结果数和果实重量。此外，不同辣椒品种产量和氮素利用效率的提高幅度表现不同，具体表现为：扬椒2号＞科技之光9号＞苏椒5号＞扬椒5号，说明扬椒2号的产量和氮素利用效率对水氮一体化模式具有更好的响应。

辣椒90%以上的干物质积累来源于叶片的光合作用，因此叶片光合能力的大小是辣椒进行正常生长发育的重要基础［12，20］。本研究结果表明：与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种在初花期、盛花期和盛果期叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，降低了胞间二氧化碳浓度，增强了叶片的光合能力，从而提高了不同辣椒品种各生育阶段干物质的积累量，其中扬椒2号的提高幅度最大。同时，水氮一体化模式对不同辣椒品种盛果—成熟期的干物质积累量的提高幅度大于在其他的生育阶段，这表明水氮一体化模式对该生育阶段的生长促进效果最大。此外，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种在初花期、盛花期和盛果期的叶面积指数，其中扬椒2号的提高幅度大于其他品种，有利于辣椒植株捕获更多的光能。叶片中的硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶是作物氮同化过程中的关键酶，因此其活性的大小能够反映辣椒植株对氮素同化积累能力的强弱［18］。本研究结果表明：与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式提高了不同辣椒品种在初花期、盛花期和盛果期的叶片硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性，增强了叶片的氮同化能力，从而提高了各个辣椒品种在各生育阶段的氮积累量，其中扬椒2号的提高幅度大于其他品种。同时，水氮一体化模式对盛花—盛果期氮积累量的提高量大于其他生育阶段，这表明水氮一体化模式对该生育阶段的氮积累促进效果最大。

通径分析不但可以揭示多个自变量与因变量之间的关系，还可以全面揭示自变量之间的相互关系［21］。本研究结果表明：辣椒不同生育阶段干物质积累量和氮积累量对产量和氮素利用效率均起着正向作用，其中盛花—盛果期的干物质积累量和氮积累量对提高辣椒产量和氮素利用效率起着重要的作用，说明该生长时期的干物质积累量和氮积累量的增加是水氮一体化模式提高辣椒产量和氮素利用效率的主要原因。产量和氮素利用效率的表现情况能够反映辣椒对不同水氮模式的适应能力［22-23］。本研究结果表明：与传统水氮模式相比较，水氮一体化模式对扬椒2号的产量和氮素利用效率的提高幅度要大于其他品种。这说明相较其他品种，扬椒2号更能适应水氮一体化模式。本研究结果能为选育适宜水氮一体化模式的设施辣椒品种提供理论依据。

综上所述，水氮一体化模式通过增强叶片光合能力和氮同化能力来促进植株干物质积累和氮积累（主要是盛花—盛果期），从而提高了辣椒产量和氮素利用效率，且扬椒2号的提高幅度大于其他品种，因此更适宜在水氮一体化模式中应用推广。