水氮一體化模式對不同設(shè)施辣椒品種產(chǎn)量和氮素利用的影響

胡晨曦，楊劍婷，張永吉，張云虹，張 瑛，祁建波，張林巧，周如美，張永泰，陳以博*

（1.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 揚州 225007；2.揚州農(nóng)科農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇 揚州 225007；3.揚州市邗江區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，江蘇 揚州 225000）

0 引言

辣椒（Capsicum annuum L.）是我國重要的蔬菜作物，種植面積和產(chǎn)值均在蔬菜產(chǎn)業(yè)中居首位，年種植面積保持在150萬～200萬hm2，其中設(shè)施栽培面積占比不足30%，未來仍具有極大的發(fā)展空間［1］。設(shè)施栽培的經(jīng)濟效益約為露地栽培的3～5倍，而為了獲取高產(chǎn)，設(shè)施生產(chǎn)通常采用大量施氮和過量灌溉的管理方式，該模式不僅導(dǎo)致氮素的利用效率低下，而且會產(chǎn)生地下水污染、水體富營養(yǎng)化和溫室效應(yīng)加劇等一系列環(huán)境問題［2-4］。因此，如何在保障產(chǎn)量的基礎(chǔ)上采用合理的水氮管理模式是設(shè)施辣椒生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵問題。

水肥一體化是根據(jù)不同作物的養(yǎng)分需求，適時、適量地將肥料溶解在水中，通過灌溉系統(tǒng)隨水一起施用，從而將灌溉和施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)［5-7］。研究表明，與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式可提高作物產(chǎn)量和氮素利用效率［8-10］。王立革等［11］的研究表明，水肥一體化模式不僅能明顯改善土壤溫度、土壤飽和導(dǎo)水率和土壤養(yǎng)分含量等設(shè)施土壤理化性狀，同時能顯著提高設(shè)施番茄的產(chǎn)量。孟亮等［12］的研究表明，水肥一體化模式促進了辣椒干物質(zhì)和養(yǎng)分的積累，并提高了積累的干物質(zhì)和養(yǎng)分在果實中的分配比例，從而有利于提高辣椒產(chǎn)量。李杏等［13］的研究表明，水氮一體化模式能顯著提高辣椒果實對氮素養(yǎng)分的吸收、利用和分配，從而有利于辣椒產(chǎn)量、氮素利用效率及經(jīng)濟效益的增加，并降低了溫室效應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險。王遠(yuǎn)等［14］的研究表明，水氮一體化模式能提高設(shè)施蔬菜產(chǎn)量、氮肥利用率和經(jīng)濟效益，并減少土壤中氨的揮發(fā)損失。沈建國等［7］的研究表明，水氮一體化模式能促進辣椒生長，提高辣椒產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟效益，且在該模式下進行適度減量施氮，辣椒產(chǎn)量未顯著下降。然而，上述研究大多局限于水氮一體化模式對單一設(shè)施蔬菜品種產(chǎn)量和氮素利用效率的影響，有關(guān)不同設(shè)施辣椒品種產(chǎn)量和氮素利用效率對水氮一體化模式響應(yīng)的差異及機制還有待進一步研究。因此，本研究以4個不同設(shè)施辣椒品種為供試材料，研究了水氮一體化模式對其產(chǎn)量和氮素利用的影響，旨在為選育適宜水氮一體化模式的設(shè)施辣椒品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和供試材料

試驗于2020年3～7月在江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系揚州邗江蔬菜綜合示范基地（東經(jīng)119°46′，北緯32°49′）的塑料溫室大棚內(nèi)進行。溫室大棚的長度、跨度和高度分別為70、10、2.8 m，棚內(nèi)設(shè)有HOBO小型氣象站（美國Onset公司），可自動記錄大氣壓力、溫度、相對濕度、太陽輻射等氣象因子。試驗前0～20 cm土層土壤含有機質(zhì)12.69 g/kg，全氮1.33 g/kg，速效氮17.65 mg/kg，速效磷12.73 mg/kg，速效鉀60.21 mg/kg。試驗所用辣椒品種（表1）為：揚椒2號、揚椒5號、蘇椒5號和科技之光9號。供試肥料分別為尿素（N 46.4%）、過磷酸鈣（P2O544%）和可溶性硫酸鉀（K2O 50%）。

表1 辣椒的品種及來源

供試的水氮一體化設(shè)備為揚州大學(xué)機械工程學(xué)院自主研發(fā)的智能水肥一體化系統(tǒng)。設(shè)備主要由水源、水泵、旋翼式水表、比例施肥泵和輸配水管道系統(tǒng)等組成，采用液壓比例施肥泵裝置控制。滴灌管為內(nèi)鑲式圓柱滴頭滴灌管，內(nèi)徑8 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2 L/h，滴灌工作壓力0.3 MPa。設(shè)備運行時采用1/4-1/2-1/4模式，具體為前1/4時間灌清水，中間1/2時間施肥，后1/4時間再灌清水沖洗管道，該模式下的肥料利用效率高。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用2因素隨機區(qū)組設(shè)計（表2），設(shè)置傳統(tǒng)水氮模式（CM，溝灌施氮）和水氮一體化模式（IM，滴灌施氮）2個水氮模式處理以及揚椒2號（C1）、揚椒5號（C2）、蘇椒5號（C3）和科技之光9號（C4）4個品種處理，總共8個處理，每個處理3次重復(fù)，共計24個小區(qū)。施氮量為當(dāng)?shù)赝扑]施氮水平240 kg/hm2，另以溝灌不施氮作為對照。各小區(qū)長15 m、寬1.7 m，面積25.5 m2。采用當(dāng)?shù)氐湫偷淖髌韪材ぴ耘嗄Ｊ?，畦?5 cm，寬120 cm，畦面寬100 cm，畦間距50 cm，小區(qū)間埋入60 cm塑料薄膜做防滲隔離。辣椒整地作畦時采用1管控制2行，在2行辣椒中間布置滴灌管，辣椒株距為30 cm，行距50 cm，單株定植。磷肥和鉀肥施用量分別為120、150 kg/hm2。20%的氮肥以及全部的磷鉀肥基施，另外施用腐熟有機肥30000 kg/hm2，其中含N為35.67 kg，P2O5為61.56 kg，K2O為78.34 kg，作畦時一次性均勻施入試驗地。

表2 試驗設(shè)計

試驗采用育苗移栽的方式進行播種，辣椒長至5～6片葉時定植。定植后澆一次緩苗水25 mm，10 d后開始進行水氮模式處理。處理開始后平均每3～4 d灌1次水，灌水量為100%ETc（作物需水量），應(yīng)用王健等［15］的日光溫室Penman-Monteith修正公式計算得出每日ET0（作物參考蒸發(fā)蒸騰量）乘以辣椒作物系數(shù)（依據(jù)FAO-56，辣椒在生長前期、中期和后期的作物系數(shù)分別為0.60、1.05和0.90）。水氮一體化模式處理每14 d施氮1次，共施氮8次，每次的施氮量占整個生育期總施氮量的比例分別為4%、4%、8%、8%、24%、24%、4%、4%；傳統(tǒng)水氮模式處理于初花期和盛花期各施氮1次，共施氮2次，每次施氮量占整個生育期總施氮量的比例為40%和40%，2種水氮模式處理的施氮量和灌水量如圖1所示。其他管理同一般的設(shè)施辣椒栽培。

圖1 傳統(tǒng)水氮模式和水氮一體化模式的施氮量和灌水量

1.3 測定項目和方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 于辣椒果實成熟階段，在每個小區(qū)中隨機選取10株辣椒進行標(biāo)記，每隔14 d采摘1次成熟度一致的辣椒，統(tǒng)計結(jié)果數(shù)并測定產(chǎn)量，最后用各次的結(jié)果數(shù)和產(chǎn)量累加得到的結(jié)果數(shù)和產(chǎn)量來計算果實重量，并根據(jù)每公頃定植密度計算公頃產(chǎn)量。

1.3.2 干物質(zhì)積累量和氮積累量 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），在各個小區(qū)內(nèi)隨機取3株辣椒，將地上部各器官分開，105 ℃烘箱殺青30 min，然后80 ℃烘干至恒重并稱重，根據(jù)每公頃定植密度計算干物質(zhì)積累量。烘干后的植物樣品用萬能粉碎機粉碎，采用半微量凱氏定氮法測定總氮含量，計算氮積累量。

1.3.3 氮素利用效率 根據(jù)李海峰等［16］采用的氮素利用效率計算方法，計算氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥回收效率和氮肥偏生產(chǎn)力，計算公式為：

氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量

氮肥回收效率（%）=（施氮區(qū)辣椒地上部總氮積累量-不施氮辣椒地上部總氮積累量）/施氮量×100%

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

1.3.4 葉面積指數(shù) 于辣椒初花期、盛花期和盛果期，在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取3株辣椒，使用SunScan冠層分析儀（英國Delta公司）測定葉面積指數(shù)。

1.3.5 光合參數(shù) 于辣椒初花期、盛花期和盛果期，在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取3株辣椒，并選擇從頂部向下同一方向第3片功能葉片，根據(jù)董喬等［17］的方法采用便攜式光合速率測定儀LI-6400（美國LI-COR公司）測定葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間二氧化碳濃度等光合參數(shù)。

1.3.6 硝酸還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，在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取3株辣椒，取從頂部向下同一方向第3片功能葉片，液氮速凍后放入-40 ℃冰柜保存，根據(jù)張曉宇等［18］的方法測定葉片硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理；應(yīng)用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析和差異顯著性檢驗；應(yīng)用SPSS 19.0軟件進行不同辣椒品種的干物質(zhì)積累、氮積累對產(chǎn)量和氮素利用效率的通徑分析，比較不同生育階段的干物質(zhì)積累、氮積累對產(chǎn)量和氮素利用效率的作用大??；使用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量和氮素利用效率

由表3可知，與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種的產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥回收效率和氮肥偏生產(chǎn)力，且不同品種的提高幅度不同，表現(xiàn)為：C1＞C4＞C3＞C2。同時，水氮一體化模式提高了單株結(jié)果數(shù)和果實重量，表明辣椒產(chǎn)量的增加是由于單株結(jié)果數(shù)和果實重量提高所致。水氮一體化模式下，C1、C2、C3和C4的產(chǎn)量分別提高19.82%、11.21%、15.27%和16.73%，氮肥農(nóng)學(xué)效率分別提高26.14%、15.84%、20.11%、22.35%，氮肥回收效率分別提高41.31%、27.25%、30.92%和35.56%，氮肥偏生產(chǎn)力分別提高20.05%、14.87%、15.72%和18.21%。以上結(jié)果表明，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種的產(chǎn)量和氮素利用效率，且揚椒2號的提高幅度最大。

表3 水氮一體化模式對不同辣椒品種產(chǎn)量和氮素利用效率的影響

2.2 干物質(zhì)積累量和氮積累量

由表4可知，與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種在各生育階段干物質(zhì)的積累量和氮積累量，其中揚椒2號的提高幅度最高。水氮一體化模式下，C1、C2、C3和C4的干物質(zhì)積累量在播種—初花期分別提高21.25%、13.40%、16.61%和18.43%，在初花—盛花期分別提高22.62%、14.27%、18.65%和20.81%，在盛花—盛果期分別提高21.85%、15.12%、16.01%和18.69%，在盛果—成熟期分別提高21.21%、18.11%、20.22%和21.40%；C1、C2、C3和C4的氮積累量在播種—初花期分別提高25.58%、15.04%、18.46%和21.29%，在初花—盛花期分別提高31.40%、19.08%、24.62%、27.88%，在盛花—盛果期分別提高27.28%、18.61%、20.63%和22.97%，在盛果—成熟期分別提高26.31%、18.25%、20.71%和25.35%。同時，水氮一體化模式對不同辣椒品種在盛花—盛果期干物質(zhì)積累量和氮積累量的提高量要大于其他的生育階段，表明水氮一體化模式對該生育階段辣椒的干物質(zhì)積累和氮積累的促進效果最大。因此，水氮一體化模式主要提高了不同辣椒品種在盛花—盛果期的干物質(zhì)積累和氮積累，從而促進植株生長，且揚椒2號的提高幅度大于其他品種。

表4 水氮一體化模式對不同辣椒品種干物質(zhì)積累量和氮積累量的影響

2.3 葉面積指數(shù)

由圖2可知，與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種的初花期、盛花期和盛果期的葉面積指數(shù)，其中揚椒2號的提高幅度最大。水氮一體化模式下，C1、C2、C3和C4的葉面積指數(shù)在初花期分別提高20.78%、13.71%、16.33%和17.77%，在盛花期分別提高24.65%、12.65%、15.90%和19.00%，在盛果期分別提高18.94%、12.90%、17.11%和17.94%。以上結(jié)果表明，水氮一體化模式促進了不同辣椒品種關(guān)鍵生育期葉片的生長，有利于植株捕獲更多的光能。

圖2 水氮一體化模式對不同辣椒品種葉面積指數(shù)的影響

2.4 光合參數(shù)

由圖3可知，與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種在初花期、盛花期和盛果期葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，降低了胞間二氧化碳濃度。水氮一體化模式下，C1、C2、C3和C4的葉片凈光合速率在初花期分別提高10.56%、4.24%、6.13%和8.35%，在盛花期分別提高10.64%、4.82%、6.36%和8.11%，在盛果期分別提高10.27%、3.95%、5.33%和7.78%；C1、C2、C3和C4的葉片氣孔導(dǎo)度在初花期分別提高9.98%、6.54%、7.57%和9.23%，在盛花期分別提高11.61%、6.34%、9.03%和9.57%，在盛果期分別提高10.49%、6.51%、7.37%和9.37%；C1、C2、C3和C4的葉片蒸騰速率在初花期分別提高11.43%、5.89%、9.42%和11.72%，在盛花期分別提高16.24%、11.77%、12.91%和14.12%，在盛果期分別提高12.45%、6.72%、8.75%和10.06%；C1、C2、C3和C4的葉片胞間二氧化碳濃度在初花期分別降低11.16%、4.93%、8.49%和9.76%，在盛花期分別降低15.13%、5.32%、7.36%和10.47%，在盛果期分別降低12.31%、4.22%、5.55%和8.27%。以上結(jié)果表明，水氮一體化模式能夠提高不同辣椒品種在關(guān)鍵生育時期葉片的光合能力，有利于干物質(zhì)的積累，且揚椒2號的提高幅度要大于其他品種。

2.5 硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性

由圖4可知，與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種在初花期、盛花期和盛果期葉片硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性，其中揚椒2號的提高幅度最高。水氮一體化模式下，C1、C2、C3和C4的葉片硝酸還原酶活性在初花期分別提高8.87%、4.52%、6.93%和7.63%，在盛花期分別提高12.10%、7.25%、9.16%和9.60%，在盛果期分別提高8.17%、3.72%、4.73%和6.25%；C1、C2、C3和C4的葉片谷氨酰胺合成酶活性在初花期分別提高9.43%、3.89%、5.20%和7.01%，在盛花期分別提高8.91%、3.89%、5.91%和7.49%，在盛果期分別提高8.44%、5.04%、5.94%和7.43%。以上結(jié)果表明，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種關(guān)鍵生育時期葉片的氮同化能力，有利于植株氮的積累。

圖4 水氮一體化模式對不同辣椒品種葉片硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性的影響

2.6 干物質(zhì)積累量和氮積累量與產(chǎn)量和氮素利用效率的通徑分析

由表5可知，不同生育階段干物質(zhì)積累量對產(chǎn)量的總貢獻大小依次為盛花—盛果（0.8532）＞初花—盛花（0.7959）＞播種—初花（0.7848）＞盛果—成熟（0.7010），對氮肥農(nóng)學(xué)效率的總貢獻大小依次為盛花—盛果（0.9057）＞初花—盛花（0.8241）＞播種—初花（0.8160）＞盛果—成熟（0.7074），對氮肥回收效率的總貢獻大小依次為盛花—盛果（0.9412）＞初花—盛花（0.8698）＞播種—初花（0.8668）＞盛果—成熟（0.7796），對氮肥偏生產(chǎn)力的總貢獻大小依次為盛花—盛果（0.9358）＞初花—盛花（0.8341）＞播種—初花（0.8288）＞盛果—成熟（0.7519）；不同生育階段氮積累量對產(chǎn)量的總貢獻大小依次為盛花—盛果（0.8652）＞盛果—成熟（0.8584）＞初花—盛花（0.8132）＞播種—初花（0.7995），對氮肥農(nóng)學(xué)效率的總貢獻大小依次為盛花—盛果（0.9052）＞盛果—成熟（0.8432）＞初花—盛花（0.8350）＞播種—初花（0.8161），對氮肥回收效率的總貢獻大小依次為盛花—盛果（0.9522）＞初花—盛花（0.8765）＞播種—初花（0.8448）＞盛果—成熟（0.7920），對氮肥偏生產(chǎn)力的總貢獻大小依次為盛花—盛果（0.9552）＞初花—盛花（0.8429）＞播種—初花（0.8112）＞盛果—成熟（0.8050）。以上結(jié)果表明，盛花—盛果期的干物質(zhì)積累量和氮積累量對提高辣椒產(chǎn)量和氮素利用效率具有重要的作用。

表5 不同辣椒品種干物質(zhì)積累和氮積累與產(chǎn)量和氮素利用效率的通徑分析

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種的產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥回收效率和氮肥偏生產(chǎn)力，這與辣椒［7］、番茄［9］和黃瓜［19］的研究結(jié)果相類似。同時，通過分析產(chǎn)量構(gòu)成因素發(fā)現(xiàn)，辣椒產(chǎn)量的增加是由于提高了單株結(jié)果數(shù)和果實重量。此外，不同辣椒品種產(chǎn)量和氮素利用效率的提高幅度表現(xiàn)不同，具體表現(xiàn)為：揚椒2號＞科技之光9號＞蘇椒5號＞揚椒5號，說明揚椒2號的產(chǎn)量和氮素利用效率對水氮一體化模式具有更好的響應(yīng)。

辣椒90%以上的干物質(zhì)積累來源于葉片的光合作用，因此葉片光合能力的大小是辣椒進行正常生長發(fā)育的重要基礎(chǔ)［12，20］。本研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種在初花期、盛花期和盛果期葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，降低了胞間二氧化碳濃度，增強了葉片的光合能力，從而提高了不同辣椒品種各生育階段干物質(zhì)的積累量，其中揚椒2號的提高幅度最大。同時，水氮一體化模式對不同辣椒品種盛果—成熟期的干物質(zhì)積累量的提高幅度大于在其他的生育階段，這表明水氮一體化模式對該生育階段的生長促進效果最大。此外，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種在初花期、盛花期和盛果期的葉面積指數(shù)，其中揚椒2號的提高幅度大于其他品種，有利于辣椒植株捕獲更多的光能。葉片中的硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶是作物氮同化過程中的關(guān)鍵酶，因此其活性的大小能夠反映辣椒植株對氮素同化積累能力的強弱［18］。本研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式提高了不同辣椒品種在初花期、盛花期和盛果期的葉片硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性，增強了葉片的氮同化能力，從而提高了各個辣椒品種在各生育階段的氮積累量，其中揚椒2號的提高幅度大于其他品種。同時，水氮一體化模式對盛花—盛果期氮積累量的提高量大于其他生育階段，這表明水氮一體化模式對該生育階段的氮積累促進效果最大。

通徑分析不但可以揭示多個自變量與因變量之間的關(guān)系，還可以全面揭示自變量之間的相互關(guān)系［21］。本研究結(jié)果表明：辣椒不同生育階段干物質(zhì)積累量和氮積累量對產(chǎn)量和氮素利用效率均起著正向作用，其中盛花—盛果期的干物質(zhì)積累量和氮積累量對提高辣椒產(chǎn)量和氮素利用效率起著重要的作用，說明該生長時期的干物質(zhì)積累量和氮積累量的增加是水氮一體化模式提高辣椒產(chǎn)量和氮素利用效率的主要原因。產(chǎn)量和氮素利用效率的表現(xiàn)情況能夠反映辣椒對不同水氮模式的適應(yīng)能力［22-23］。本研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)水氮模式相比較，水氮一體化模式對揚椒2號的產(chǎn)量和氮素利用效率的提高幅度要大于其他品種。這說明相較其他品種，揚椒2號更能適應(yīng)水氮一體化模式。本研究結(jié)果能為選育適宜水氮一體化模式的設(shè)施辣椒品種提供理論依據(jù)。

綜上所述，水氮一體化模式通過增強葉片光合能力和氮同化能力來促進植株干物質(zhì)積累和氮積累（主要是盛花—盛果期），從而提高了辣椒產(chǎn)量和氮素利用效率，且揚椒2號的提高幅度大于其他品種，因此更適宜在水氮一體化模式中應(yīng)用推廣。