不同再生水水質(zhì)和追肥量對(duì)滴灌辣椒光合和產(chǎn)量的影響

董思瓊，田軍倉(cāng)，2，3，沈 暉，2，3，閆新房，2，3，陳海銀

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川750021）

0 引言

寧夏地處西北干旱地區(qū)，年降雨量小、蒸發(fā)強(qiáng)、水資源匱乏，灌溉水資源短缺制約著該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展[1]。再生水指污水經(jīng)過適當(dāng)工藝處理后，達(dá)到一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足某種使用要求，可以進(jìn)行有益使用的水[2]。再生水來源穩(wěn)定可靠，富含氮（N）、磷（P）、鉀（K）等，將再生水用于農(nóng)田灌溉可緩解寧夏地區(qū)農(nóng)業(yè)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，如病原體、重金屬、有機(jī)污染物等會(huì)造成一定程度的環(huán)境污染、影響作物生長(zhǎng)和危害人體健康[4]。再生水滴灌是將經(jīng)過處理的生活污水與滴灌相結(jié)合的灌溉模式，采用滴灌可以根據(jù)作物需水需肥規(guī)律，將水和養(yǎng)分均勻且緩慢的供應(yīng)到作物根區(qū)，并能減少再生水中多余污染物輸入生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水、節(jié)肥和再生水安全利用具有重要意義[5,6]。

辣椒，茄科辣椒屬作物，喜溫，喜光，喜水，喜肥，對(duì)水分和肥料需求量大[7]。目前，有關(guān)再生水灌溉辣椒的研究主要集中在不同灌溉水質(zhì)對(duì)辣椒-水-土壤系統(tǒng)微生物及重金屬等安全性影響方面[8-11]，不同灌溉水質(zhì)與水肥耦合方面的研究較少。徐桂紅等[12]以自來水灌溉為對(duì)照研究了再生水灌溉下不同灌溉定額對(duì)羊角椒和牛角椒的影響，結(jié)果表明，灌溉定額可極顯著促進(jìn)辣椒株高、莖粗和產(chǎn)量，再生水灌溉對(duì)辣椒生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)提高均有促進(jìn)作用。李應(yīng)海等[13]通過建立辣椒養(yǎng)分、產(chǎn)量耦合模型，研究不同氮、磷、鉀施用比例下再生水滴灌辣椒的最優(yōu)組合，得出了產(chǎn)量大于5.2 萬kg/hm2的29個(gè)組合。以上研究表明，目前已有再生水不同灌溉定額、灌溉方式、施肥定額單因素或灌溉水質(zhì)和灌溉定額雙因素對(duì)辣椒的影響研究，但不同灌溉水質(zhì)和施肥定額雙因素對(duì)再生水滴灌辣椒的影響研究鮮見報(bào)道且缺少綜合性的考慮。

因此，本文通過研究再生水滴灌下不同灌溉水質(zhì)和不同施肥定額對(duì)辣椒生長(zhǎng)、產(chǎn)量及光合作用的影響，應(yīng)用主成分分析法評(píng)價(jià)各處理綜合得分，確定滴灌辣椒灌溉水質(zhì)和追肥量的最優(yōu)組合，以期為寧夏地區(qū)再生水滴灌辣椒提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在寧夏中衛(wèi)市應(yīng)理城鄉(xiāng)市政產(chǎn)業(yè)集團(tuán)再生水灌溉示范基地進(jìn)行（北緯37°30′31.22″，東經(jīng)105°13′7.6″）。試驗(yàn)地土壤為壤土，土壤干容重為1.46 g/cm3，田間持水率為23.51%，pH 值為7.99，全鹽量為0.5 g/kg，有機(jī)質(zhì)為22.5 g/kg，堿解氮59 mg/kg，速效磷34.6 mg/kg，速效鉀219 mg/kg，辣椒全生育期降雨量為174.30 mm。灌溉水源為中水廠自來水和再生水，再生水水質(zhì)符合《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084-2005）[14]，水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 灌溉水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Irrigation water quality indicators

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，選擇灌溉水質(zhì)和追肥定額兩因素，每個(gè)因素設(shè)3 個(gè)水平，共計(jì)9 個(gè)處理，3 次重復(fù)，以自來水灌溉下追肥定額為60 kg/hm2處理（W1F1 處理）為對(duì)照（CK），試驗(yàn)方案如表2所示。在各水平膜下滴灌方式、灌溉定額（2 820 m3/hm2）、栽培方式、田間管理等相同條件下，研究不同灌溉水質(zhì)和不同追肥定額對(duì)辣椒生長(zhǎng)、光合及產(chǎn)量的影響。

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Test plan

1.3 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)于2020年5月26日-9月30日進(jìn)行，各處理面積為11 m2，其中：壟面寬70 cm，壟溝寬50 cm，每壟種植2 行，每穴2株，株距35 cm，行距40 cm，小區(qū)間用塑料膜防滲。灌溉方式為膜下滴灌，每行辣椒內(nèi)側(cè)布置一條滴灌帶，滴頭間距30 cm，滴頭流量為3 L/h。

供試?yán)苯菲贩N為綠龍十號(hào)，氮磷鉀施肥量依據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量法和調(diào)查研究確定。辣椒種植前施基肥：復(fù)合肥料（N∶P2O5∶K2O=25∶6∶9）600 kg/hm2（總養(yǎng)分大于40%），有機(jī)肥1 215 kg/hm2（N+P2O5+K2O≥5%，有機(jī)質(zhì)≥45%）。灌水和施肥時(shí)期依據(jù)辣椒生育期需水和需肥規(guī)律確定。5月25日和5月26日，即辣椒定植前和定植期各灌水1 次（灌水定額均為240 m3/hm2）；定植后按試驗(yàn)方案灌水，共灌水13 次（灌水定額均為180 m3/hm2），追肥10 次，其中：苗期-開花期灌水2 次，1 次隨水追肥；結(jié)果初期灌水3 次，其中2 次隨水追肥；結(jié)果中期灌水6次，每次均隨水追肥；結(jié)果后期灌水2 次，其中1 次隨水追肥。追肥肥料選用以色列海法牌全水溶肥料（N∶P2O5∶K2O∶Ca=15∶5∶35∶25），采用文丘里施肥器隨水施肥，灌溉量由水表控制。

1.4 觀測(cè)項(xiàng)目及方法

土壤水分觀測(cè)：采用TDR 測(cè)量每個(gè)處理0~20 cm，20~40 cm處土壤含水率。

生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定：采用精度為0.1 cm 的鋼卷尺和0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺分別測(cè)定辣椒株高和莖粗。

光合指標(biāo)的測(cè)定：選擇晴朗無云的天氣，于8∶00-18∶00每間隔2 h 選擇各處理辣椒葉心下第三部位完全展開且健康的南面葉片，采用LI-6800便攜式植物光合儀測(cè)定光合參數(shù)（凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、細(xì)胞間二氧化碳濃度Ci、氣孔導(dǎo)度Gs）。葉片瞬時(shí)水分利用效率WUE和氣孔限制值Ls分別根據(jù)WUE=Pn/Tr、Ls= 1-Ci/Ca公式計(jì)算，每個(gè)處理重復(fù)3次。測(cè)定時(shí)CO2濃度（Ca）為（410±10）μmol/mol。

產(chǎn)量的測(cè)定：收獲期每隔12 d 左右采摘一次，按處理分別統(tǒng)計(jì)匯總。試驗(yàn)于2020年8月7日開始收獲，至2020年9月30日拉秧結(jié)束。肥料偏生產(chǎn)力（PFP）是辣椒產(chǎn)量與追肥量的比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)方法

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 26 版本軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)性分析，采用Origin 2018版本軟件繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 不同處理下辣椒生長(zhǎng)的影響

2.1.1 株高

由圖1可知，各處理辣椒株高隨著生育期的延長(zhǎng)呈逐漸上升的趨勢(shì)，生長(zhǎng)前期株高增長(zhǎng)快但各處理差異不明顯，采摘期后各處理差異愈加明顯，結(jié)果末期株高增長(zhǎng)趨緩。在追肥量一定條件下，隨著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 水平辣椒植株分別高6.36%和9.12%。在灌溉水質(zhì)一定條件下，隨著追肥量的增大辣椒株高均值增大，F(xiàn)3 和F2 水平比F1 水平辣椒植株分別高14.85%和20.85%，W3F3 處理比CK 植株高29.73%。追肥量對(duì)辣椒株高影響極顯著（P＜0.01），灌溉水質(zhì)對(duì)辣椒株高影響顯著（P＜0.05）。這說明采用再生水灌溉對(duì)辣椒株高具有促進(jìn)作用，這是因?yàn)樵偕锈}元素含量是自來水中的3.36 倍，全生育期采用再生水灌溉共引入鈣元素約為1 774.56 kg/hm2。鈣是一個(gè)不易流動(dòng)的元素，其在植物體內(nèi)的運(yùn)輸一般是通過韌皮部和木質(zhì)部，且只能單向（向上）轉(zhuǎn)移[15]。

圖1 不同處理辣椒株高變化Fig.1 Changes of plant height of pepper under different treatments

2.1.2 莖 粗

由圖2可知，隨著生育期的延長(zhǎng)辣椒莖粗逐漸增大，生長(zhǎng)前期莖粗增長(zhǎng)速率大于生長(zhǎng)后期。在追肥量一定條件下，隨著再生水比例增大辣椒莖粗均值增大，W3和W2水平比W1水平辣椒莖粗均值分別大2.76%、3.5%。在灌溉水質(zhì)一定的條件下，隨著追肥量均值增大辣椒莖粗增大，F(xiàn)3和F2水平比F1水平辣椒莖粗均值分別大6.76%、6.69%。各處理辣椒莖粗觀測(cè)值排序?yàn)椋篧3F2＞W(wǎng)2F2＞W(wǎng)1F3＞W(wǎng)2F3＞W(wǎng)3F3＞W(wǎng)1F2＞W(wǎng)3F1＞W(wǎng)2F1＞W(wǎng)1F1，W3F2 處理比CK 莖粗大13.39%。追肥量對(duì)辣椒莖粗影響顯著（P＜0.05），灌溉水質(zhì)對(duì)辣椒莖粗影響不顯著（P＞0.05）。

圖2 不同處理辣椒莖粗變化Fig.2 Changes of stem diameter of pepper under different treatments

2.2 不同處理對(duì)辣椒光合作用的影響

2.2.1 不同處理下辣椒葉片光合參數(shù)日變化

選擇辣椒采摘初期（8月13日）測(cè)定不同處理辣椒葉片光合作用日變化（凈光合速率、細(xì)胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率），如圖3~圖6所示。辣椒葉片凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度呈雙峰型，辣椒葉片細(xì)胞間二氧化碳濃度呈“W”形。早上隨著光照強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，葉片溫度升高，辣椒凈光合速率也逐漸增高，在10∶00 左右出現(xiàn)第一個(gè)峰值，隨著光照強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，葉片溫度繼續(xù)升高，辣椒凈光合速率迅速減少，到12∶00 左右到達(dá)峰谷，出現(xiàn)了辣椒葉片的“午休”現(xiàn)象，于14∶00左右出現(xiàn)第二個(gè)峰值。W3F2處理辣椒葉片凈光合速率、細(xì)胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度日均值最大，分別為12.19μmol/(m2·s)、318.14μmol/mol、3.73 mmol/(m2·s)、0.155 mol/(m2·s)。第一峰值處的光合指標(biāo)值均大于第二峰值處，W3F2 處理第一峰值處比第二峰值處辣椒葉片凈光合速率、細(xì)胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度值分別高22.19%、27.31%、20.32%和86.56%。

圖3 不同處理辣椒凈光合速率的變化Fig.3 Changes in net photosynthetic rate of concentration peppers under different treatments

圖4 不同處理辣椒細(xì)胞間二氧化碳濃度的變化Fig.4 Changes of carbon dioxide among pepper cells in different treatments

圖5 不同處理辣椒蒸騰速率的變化圖Fig.5 Variations of the transpiration rate of pepper with different treatments

圖6 不同處理辣椒氣孔導(dǎo)度的變化Fig.6 Changes in the stomatal conductance of peppers under different treatments

2.2.2 不同處理對(duì)辣椒葉片光合作用的影響

選擇10∶00 左右光合指標(biāo)分析不同處理對(duì)辣椒葉片光合作用的影響，見表3。W3F2 處理比CK 辣椒葉片Pn、Gs、Ci、Tr及WUE分別大49.60%、37.57%、47%、31.68%、13.48%。在灌溉水質(zhì)一定條件下，隨著追肥量的增大辣椒Pn、Gs、Ci、Tr及WUE均值先增加后減少，F(xiàn)2 水平與F1 水平相比辣椒葉片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE均值分別增加33.27%、26.02%、30.96%、21.56%、-35.50%、9.39%，F(xiàn)3 水平與F1水平相比辣椒葉片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE均值分別增加26.26%、20.23%、25.89%、14.61%、-29.00%、10.31%。追肥量對(duì)辣椒葉片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE影響均極顯著（P＜0.01）。

表3 10點(diǎn)辣椒光合指標(biāo)與兩因素的方差分析結(jié)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

在追肥量一定條件下，隨著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 水平與W1 水平相比辣椒葉片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE均值分別增加2.91%、3.39%、5.99%、0.91%、-5.57%、2.21%，W3 水平與W1 水平相比辣椒葉片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE均值分別增加7.35%、4.56%、6.68%、4.37%、-5.84%、2.99%。灌溉水質(zhì)對(duì)辣椒葉片Pn、Gs、Ci、Tr、Ls及WUE無顯著影響（P＞0.05）。再生水中含有的鎂、鈉元素可以促進(jìn)作物光合作用，但F3 水平下，再生水和混合水灌溉辣椒葉片日光合指標(biāo)下降，這可能是因?yàn)榉柿现羞^多的鉀元素使得介質(zhì)中競(jìng)爭(zhēng)性陽離子K+的增加誘發(fā)的缺鎂癥狀[16]。

2.3 不同處理對(duì)辣椒產(chǎn)量和肥料偏生產(chǎn)力的影響

不同灌溉水質(zhì)和追肥定額對(duì)辣椒產(chǎn)量和肥料偏生產(chǎn)力的影響如表4所示。在追肥量一定的條件下，隨著灌溉水中再生水比例的增加辣椒產(chǎn)量均值增加，W2和W3水平比W1水平辣椒產(chǎn)量分別增加4.95%和9.14%。在灌溉水質(zhì)一定的條件下，隨著追肥量的增加辣椒產(chǎn)量均值先增加后減少，F(xiàn)2 和F3 水平與F1水平相比辣椒產(chǎn)量分別增加17.60%和17.22%。各處理辣椒產(chǎn)量排序?yàn)椋篧3F2＞W(wǎng)1F3＞W(wǎng)2F2＞W(wǎng)2F3＞W(wǎng)3F3＞W(wǎng)3F1＞W(wǎng)1F2＞W(wǎng)2F1＞W(wǎng)1F1，W3F2 處理比對(duì)照處理辣椒產(chǎn)量高36.18%。F1 和F2 水平，再生水灌溉辣椒產(chǎn)量顯著高于自來水灌溉，W3F1比W1F1處理產(chǎn)量高17.45%，W3F2比W1F2處理產(chǎn)量高16.81%。F3 水平，再生水灌溉辣椒產(chǎn)量低于自來水灌溉但影響不顯著，W3F3 比W1F3 處理產(chǎn)量低4.25%。追肥量對(duì)辣椒產(chǎn)量影響極顯著（P＜0.01），灌溉水質(zhì)對(duì)辣椒產(chǎn)量無顯著性影響（P＞0.05），該結(jié)論與近期有關(guān)研究結(jié)果相同[17,18]。說明再生水灌溉下需要控制施肥量，施肥過多反而不利于辣椒增產(chǎn)，這可能是因?yàn)樵偕斜揪秃S富的N、P、K，施肥過多引入的N、P、K等元素多，從而造成辣椒產(chǎn)量減少。

表4 不同處理下辣椒產(chǎn)量Tab.4 Pepper yield under different treatments

不同處理的肥料偏生產(chǎn)力具有一定差異。在追肥量一定的條件下，隨著再生水比例的增加辣椒肥料偏生產(chǎn)力增加，W2 和W3 水平比W1 水平肥料偏生產(chǎn)力分別增加5.23%和10.50%；在灌溉水質(zhì)一定的條件下，隨著追肥量的增加辣椒肥料偏生產(chǎn)力減少，F(xiàn)2 和F3 水平比F1 水平肥料偏生產(chǎn)力分別減少20.95%和41.39%。追肥量對(duì)肥料偏生產(chǎn)力影響極顯著（P＜0.01），灌溉水質(zhì)對(duì)肥料偏生產(chǎn)力有顯著性影響（P＜0.05）。

綜合可知，雖然某處理的單個(gè)指標(biāo)或部分指標(biāo)值較大，但其他指標(biāo)卻不大，如W3F2處理產(chǎn)量、莖粗、部分光合指標(biāo)值最大，但株高、WUE、PFP值卻非最大，因此需要將各指標(biāo)綜合起來對(duì)各處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 主成分分析對(duì)各指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

主成分分析法是一種將高維數(shù)據(jù)降維的分析方法，可以在少損失原有指標(biāo)信息的情況下，將這些指標(biāo)轉(zhuǎn)換成幾個(gè)綜合主成分進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以實(shí)現(xiàn)減少變量個(gè)數(shù)與綜合評(píng)價(jià)的目的[19]。本文利用SPSS 對(duì)辣椒生長(zhǎng)（株高、莖粗）、光合（Pn、Gs、Ci、Tr及WUE）、產(chǎn)量及PFP指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后提取用來評(píng)價(jià)各處理的主成分，得到評(píng)價(jià)體系的方差解釋率，見表5。結(jié)果表明，前2 個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)95.556%，能夠充分保留原始數(shù)據(jù)大部分變異信息，即所取的2 個(gè)主成分具有較好的代表性，因此可以利用這2 個(gè)主成分代替原來9個(gè)指標(biāo)變量對(duì)各處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表5 主成分特征值和方差貢獻(xiàn)率Tab.5 Main component characteristics and variance contribution rate

記2 個(gè)主成分分別為Y1、Y2，其得分計(jì)算函數(shù)如公式（1）、（2）所示，式中：分別表示標(biāo)準(zhǔn)化后的株高、莖粗、Pn、Gs、Ci、Tr、WUE、產(chǎn)量及PFP。

綜合得分按Y=0.903Y1+0.097Y2計(jì)算，各處理綜合得分及排名見表6。綜合得分排在第一位的是W3F2 處理，即追肥量為900 kg/hm2，灌溉水質(zhì)為再生水，此時(shí)辣椒生長(zhǎng)好、光合作用強(qiáng)，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)累積，提高產(chǎn)量并且節(jié)省肥料。

表6 各處理綜合得分及排序結(jié)果Tab.6 Comprehensive points and sort results

4 結(jié)論

（1）在追肥量一定條件下，隨著灌溉水中再生水比例的增大，辣椒株高、莖粗、光合指標(biāo)、產(chǎn)量、肥料偏生產(chǎn)力均值增大。在灌溉水質(zhì)一定條件下，隨著追肥量的增加，辣椒株高和莖粗均值增大，光合指標(biāo)、產(chǎn)量均值先增加后減少，肥料偏生產(chǎn)力均值減少。低追肥量（F1）和中追肥量（F2）水平，再生水灌溉辣椒產(chǎn)量顯著高于自來水灌溉。W3F2 比W1F1 處理辣椒株高、莖粗、產(chǎn)量、葉片瞬時(shí)凈光合速率分別大29.73%、13.39%、36.18%、49.60%。因此，再生水灌溉下適量施肥辣椒增產(chǎn)效果明顯。

（2）主成分分析結(jié)果表明，W3F2 處理綜合得分最高。即在降雨量為174.30 mm、灌溉定額為2 820 m3/hm2（灌水次數(shù)為15次）條件下，當(dāng)灌溉水質(zhì)為再生水，追肥量為900 kg/hm2（追肥次數(shù)為10次）辣椒生長(zhǎng)優(yōu)良，凈光合速率和產(chǎn)量最高。