膜下滴灌條件下水氮耦合對(duì)辣椒根系生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

吳玉秀

（新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)工程分院，新疆 昌吉 831100）

辣椒（Capsicum frutescensL.）是世界第三大蔬菜作物，僅次于豆類(lèi)和番茄。中國(guó)是辣椒種植面積最大的國(guó)家［1］，截至2020年，種植面積高達(dá)81.4萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為1 960 萬(wàn)t。新疆屬典型的內(nèi)陸干旱區(qū)，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)度大，新疆獨(dú)特的地理位置和氣候條件使其成為中國(guó)辣椒主產(chǎn)區(qū)之一，年種植辣椒總面積達(dá)3.67 萬(wàn)hm2，干辣椒年產(chǎn)量更是占全國(guó)的1/5。傳統(tǒng)辣椒種植多采用“大水大肥”模式，不僅造成水肥浪費(fèi)、環(huán)境污染，不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，而且導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降。已有研究表明，水、氮之間有明顯的耦合效應(yīng)，合理的灌水量和施氮量可以提高作物產(chǎn)量，促進(jìn)水氮的高效利用［2，3］。因此，發(fā)展高效節(jié)水灌溉和協(xié)調(diào)水氮耦合是解決新疆農(nóng)業(yè)水肥資源的必要途徑。膜下滴灌是基于作物需水的局部灌溉技術(shù)，將有限的灌溉水循環(huán)于土壤與地膜之間［4-6］，以減少土壤水分的無(wú)效損失，抑制土壤養(yǎng)分流失。研究表明，膜下滴灌可節(jié)水近40%，使作物增產(chǎn)10%～20%［7，8］，因此在新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

根系是作物吸收土壤中水分和養(yǎng)分的器官，發(fā)達(dá)的根系是作物生長(zhǎng)和高產(chǎn)的基礎(chǔ)［9］。作物根系的生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量與水氮耦合效應(yīng)有直接聯(lián)系。謝志良等［10］的研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量增加，棉花平均根長(zhǎng)密度、根表面積指數(shù)顯著下降，與施氮量無(wú)關(guān)；隨著施氮量的增加，棉花平均根長(zhǎng)密度變化不明顯，棉花根表面積明顯降低。鄒升等［11］的研究表明，隨著水、氮供應(yīng)量的增加，春小麥根總長(zhǎng)及表面積增加，少水中氮處理的根系變粗。大多數(shù)學(xué)者僅對(duì)辣椒的產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行研究，較少研究水氮耦合對(duì)辣椒根系分布特征參數(shù)的影響。陸軍勝等［12］利用溫室小區(qū)灌溉試驗(yàn)得出當(dāng)灌水量為156 mm、施氮量為225 kg/hm2時(shí)，辣椒產(chǎn)量最高。梁運(yùn)江等［13］通過(guò)大棚小區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)辣椒產(chǎn)量較佳的水氮管理制度為灌水定額170 m3/（hm2·次）、純氮用量225.0～273.9 kg/hm2。本研究通過(guò)大田小區(qū)試驗(yàn)，在辣椒對(duì)水、氮敏感的2個(gè)生育期進(jìn)行不同程度的調(diào)虧灌溉和減氮處理，研究膜下滴灌條件下水氮耦合對(duì)辣椒根系分布特征參數(shù)及產(chǎn)量的影響，以期探討適宜新疆膜下滴灌辣椒根系生長(zhǎng)的合理水氮供應(yīng)模式，為節(jié)水條件下干旱區(qū)蔬菜種植水氮精量調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021 年3—9 月在新疆昌吉州呼圖壁縣大豐鎮(zhèn)樹(shù)窩子村（44°32′54″N，86°43′29″E）進(jìn)行。呼圖壁縣地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣天山北麓中段，屬典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，夏季氣候干旱，冬季氣候偏冷，年平均氣溫6.7 ℃，年降水量167 mm，年平均無(wú)霜期180 d，年平均日照時(shí)間達(dá)3 090 h，大于10 ℃年有效積溫為3 553 ℃。試驗(yàn)地土質(zhì)為沙壤土，有機(jī)質(zhì)含量為14.52 g/kg，土壤容重為1.56 g/cm3，堿解氮含量為62.7 mg/kg，速效磷含量為45.4 mg/kg，速效鉀含量為156.9 mg/kg，pH 為8.5，田間持水量為23.2%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)辣椒品種為龍椒1號(hào)，于3 月15 日播種，8月26 日收獲，全生育期共164 d。種植模式為一膜兩管四行，如圖1 所示，滴頭間距30 cm，滴頭流量1.5 L/h。采用小區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)小區(qū)面積為3 m×6 m。試驗(yàn)設(shè)灌水量和施氮量2 個(gè)因素，根據(jù)北疆辣椒需水規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果，參考當(dāng)?shù)貙?shí)際灌水情況，在開(kāi)花坐果期和盛果期設(shè)置不同程度的調(diào)虧灌溉，分別為輕度虧缺（W1，全生育期灌水量3 656 m3/hm2）和中度虧缺（W2，全生育期灌水量3 082 m3/hm2），在施鉀量和施磷量相同且充足的條件下，同時(shí)設(shè)置3 種施氮水平，分別為325 kg/hm2（N1）、250 kg/hm2（N2）、175 kg/hm2（N3），二者組合即中水高氮（W1N1）、中水中氮（W1N2）、中水低氮（W1N3）、低水高氮（W2N1）、低水中氮（W2N2）、低水低氮（W2N3），并設(shè)置傳統(tǒng)模式（全生育期灌水量4 230 m3/hm2，施氮量325 kg/hm2）處理作為對(duì)照（CKN1）。共7 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共21 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。辣椒全生育期灌溉制度如表1 所示。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)膜下滴灌辣椒種植模式

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目及方法

1.3.1 根系指標(biāo) 分別在辣椒幼苗期、開(kāi)花坐果期、盛果期和后果期進(jìn)行根系樣品采集。在設(shè)置相同的小區(qū)里選取5 株長(zhǎng)勢(shì)一致的辣椒植株，取平均值表示該處理的實(shí)際值。以辣椒植株為中心使用破壞性取樣，取樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，將根系放在0.25 mm 的網(wǎng)孔篩中沖洗去除死根，并將其余根系放入密封袋保存在4 ℃的環(huán)境中。采用V700 型掃描儀（EPSON 公司，日本）進(jìn)行根系掃描，掃描儀的分辨率設(shè)置為400 dpi。利用DT-SCAN 圖像軟件（Delta 公司，英國(guó)）分析掃描好的TIF 文件，計(jì)算根長(zhǎng)密度和根表面積等形態(tài)特征指標(biāo)。再采用TTC還原法測(cè)定各處理0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層中的根系鮮樣的活力，也即TTC 還原能力，計(jì)算公式如下。

1.3.2 產(chǎn)量測(cè)定 在果實(shí)收獲階段，采摘、稱(chēng)量各試驗(yàn)小區(qū)每株辣椒的產(chǎn)量。各試驗(yàn)小區(qū)分別標(biāo)記10株，用于測(cè)量辣椒單株產(chǎn)量。

1.3.3 灌溉水利用效率

式中，IWUE為灌溉水利用效率，單位為kg/m3；Y為產(chǎn)量，單位為kg/hm2；W為灌水量，單位為m3/hm2。

1.3.4 氮肥偏生產(chǎn)力

式中，PNP為氮肥偏生產(chǎn)力，單位為kg/kg；Y為辣椒產(chǎn)量，單位為kg/hm2；M為施氮量，單位為kg/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0 軟件分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Origin 8.5 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮組合下辣椒根系形態(tài)的變化

2.1.1 辣椒根長(zhǎng)密度的分布規(guī)律 根長(zhǎng)密度是反映根系空間分布和吸收水氮能力的重要指標(biāo)。圖2 顯示了不同水氮耦合處理下各土層的辣椒根長(zhǎng)密度分布。由圖2 可知，各處理辣椒根長(zhǎng)密度隨著生育期的推進(jìn)基本表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在盛果期。在0～10 cm 土層中辣椒平均根長(zhǎng)密度在整個(gè)生育期表現(xiàn)為CKN1 ＞W(wǎng)1 ＞W(wǎng)2，隨著灌水量的減少辣椒平均根長(zhǎng)密度逐漸減少；在10～20 cm 土層，辣椒平均根長(zhǎng)密度隨著生育期的推進(jìn)表現(xiàn)為先升高后降低，且各處理辣椒根長(zhǎng)密度均大于0～10 cm土層。在20～30 cm 土層，辣椒平均根長(zhǎng)密度在幼苗期和開(kāi)花坐果期小于10～20 cm 土層，而在盛果期和后果期則相反。在整個(gè)生育期及根系土層中，CKN1的辣椒根長(zhǎng)密度最大，W1N2 處理略小于CKN1 處理，差異不顯著，然后為W1N1 處理。

2.1.2 辣椒根表面積的分布規(guī)律 由圖3 可知，在幼苗期，各處理辣椒根表面積在10～20 cm 土層中最大，20～30 cm 土層最小，且各土層根表面積累量最大為CKN1，比W1N2 處理僅高出3.25%，差異不顯著。在開(kāi)花坐果期，各土層根表面積累量最大的3個(gè)處理由大到小依次為CKN1、W1N2、W1N1，灌水量大施氮量?。╓1N3）或灌水量小施氮量大（W2N1）處理各土層根表面積最小，表明水氮耦合效應(yīng)會(huì)影響辣椒根系生長(zhǎng)。在盛果期，各處理辣椒根表面積積累量達(dá)最大，表現(xiàn)為W1N2＞CKN1＞W(wǎng)1N1＞W(wǎng)2N2，而低施氮量（N3）各處理根表面積均低于相同灌水量下的其他處理。后果期的根總表面積明顯小于盛果期，減少了41.52%～51.94%。

2.1.3 辣椒根系活力的分布規(guī)律 根系活力的變化是客觀反映根系生命活動(dòng)的生理指標(biāo)。從圖4 可以看出，隨著生育期的延長(zhǎng)，辣椒根系活力先增加后減少，在盛果期達(dá)最大值，后果期又降低，說(shuō)明后期部分根系衰老死亡。在W1 灌水量下，不同施氮量處理在不同土壤深度上的根系活力有所差異，其中W1N2 處理根系活力最高，高于最大施肥量處理（W1N1）；W2 灌水量下，根系活力表現(xiàn)為W2N2＞W(wǎng)2N3＞W(wǎng)2N1。隨著灌水量的減少，根系活力也隨之下降，高灌水量時(shí)根系活力變強(qiáng)，特別是在需水旺盛期根系活力強(qiáng)弱對(duì)比更為明顯，這是因?yàn)榇藭r(shí)是辣椒對(duì)水分最敏感的時(shí)期，水氮耦合效應(yīng)顯著，可以保證辣椒正常生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分要求。生育期不同階段根系活力也不同。幼苗期辣椒根系活力隨著土層深度的增加而逐漸降低，0～10 cm 土層根系活力最高，CKN1 和W1N2 處理在0～10 cm 土層的根系活力顯著（P＜0.05）高于其他處理。開(kāi)花坐果期根系活力在10～20 cm 處最高；盛果期和后果期根系活力在20～30 cm 處最高，但各處理后果期根系活力小于盛果期。

圖4 不同水氮耦合處理對(duì)辣椒根系活力的影響

2.2 不同水氮耦合處理對(duì)辣椒產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

2.2.1 不同水氮模式對(duì)辣椒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響 水肥用量的合理供應(yīng)是實(shí)現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要保證，水氮耦合模式直接影響著辣椒產(chǎn)量，適當(dāng)?shù)氖┑亢凸嗨繒?huì)產(chǎn)生明顯的水氮耦合效應(yīng)。由表2可知，膜下滴灌辣椒產(chǎn)量為22 596～35 189 kg/hm2，W1、W2 的產(chǎn)量 較CKN1 分別降低了3.99% 和34.97%，說(shuō)明在開(kāi)花坐果期和盛果期進(jìn)行調(diào)虧灌溉和減氮處理時(shí)會(huì)造成不同程度的減產(chǎn)。但W1N2 處理辣椒產(chǎn)量最高，為35 189 kg/hm2，比CKN1 處理增產(chǎn)1 473 kg/hm2，達(dá)顯著水平（P＜0.05）；中氮處理的辣椒產(chǎn)量均高于低氮處理，N2 施氮量下辣椒產(chǎn)量均值比N3 施氮量下辣椒產(chǎn)量均值高11.34%，且高出N1 施氮量下辣椒產(chǎn)量均值11.87%，且均達(dá)顯著水平（P＜0.05），說(shuō)明施氮量和產(chǎn)量不是正相關(guān)關(guān)系，水氮耦合效果對(duì)產(chǎn)量的影響作用更顯著。低水高氮處理（W2N1）辣椒減產(chǎn)程度最嚴(yán)重，產(chǎn)量比W1N2 處理產(chǎn)量下降35.79%（P＜0.05）。

表2 不同水氮耦合處理對(duì)辣椒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

綜上所述，水氮耦合效應(yīng)越明顯，辣椒根系的生長(zhǎng)發(fā)育越好，產(chǎn)量越高。這說(shuō)明在辣椒開(kāi)花坐果期和盛果期進(jìn)行調(diào)虧灌溉時(shí)，若施加適量的氮肥，水氮耦合效應(yīng)顯著，辣椒根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量無(wú)明顯影響和降低。相反，調(diào)虧灌溉時(shí)施氮量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分過(guò)高，辣椒根系（根長(zhǎng)密度、根表面積和根系活力）生長(zhǎng)受到影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)量明顯下降。

2.2.2 不同水氮耦合處理對(duì)水氮利用效率的影響由圖5a 可知，滴灌條件下，W1N2 處理辣椒全生育期灌溉水利用效率最高，并顯著高于除W2N2 處理外的其他處理（P＜0.05）。在W2 灌水量下，W2N2 處理灌溉水利用效率最高，分別比W2N1 和W2N3 處理高41.55%和15.49%；CKN1 處理分別比W1 和W2 灌水量處理降低了2.21%、6.78%。由圖5b 可知，W1N3處理偏氮肥生產(chǎn)力最高，為167.85 kg/kg，其次為W2N3 和W1N2處理，分別為144.25 kg/kg 和140.76 kg/kg。在中氮和高氮處理中僅W1N2 處理的偏氮肥生產(chǎn)力處于較高水平。

圖5 不同水氮耦合處理對(duì)水氮利用率的影響

3 討論

已有研究表明，灌溉和施氮不僅影響辣椒根系生長(zhǎng)，也成為限制辣椒產(chǎn)量的因素。朱琴等［14］在桶栽試驗(yàn)中設(shè)置5 個(gè)施氮水平［每桶施純氮3、6（CK）、9、10、12 g］，結(jié)果發(fā)現(xiàn)辣椒前期施純氮3 g 時(shí)生長(zhǎng)協(xié)調(diào)合理，中期之后需要施純氮6 g。韓明珠等［15］通過(guò)大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)辣椒株高、莖葉重和根重隨著施氮量的增加而增加，并綜合得出丘北辣椒最佳施氮量為180 kg/hm2。馬國(guó)禮等［16］設(shè)置了4 個(gè)氮肥水平和3個(gè)基質(zhì)含水率水平的組合試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)高水高肥條件下辣椒株高和莖粗明顯高于低水低肥處理，且在低水條件下隨著施氮量的增加反而使辣椒光合熒光各指標(biāo)呈反向變化。這與本試驗(yàn)高水低氮或低水高氮處理下辣椒根系分布特征參數(shù)（根長(zhǎng)密度、根表面積和根系活力）低于中水中氮和CKN1 處理的結(jié)論一致。

節(jié)水節(jié)肥及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)是綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)，因此提高水肥利用效率是推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵。趙義濤等［17］通過(guò)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合法得出施純氮358.7 kg/hm2時(shí)灌溉水利用效率較高。陸軍勝等［12］利用溫室小區(qū)試驗(yàn)得出中水中氮處理水分利用效率比其他處理提高了11.74%～59.91%。岳文俊等［18］的研究得出在相同氮肥條件下，氮肥偏生產(chǎn)力隨著灌水量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。本研究得出W1N2 處理辣椒全生育期灌溉水利用效率最高，且氮肥偏生產(chǎn)力也較高。

4 小結(jié)

本研究基于膜下滴灌條件下，采用大田小區(qū)試驗(yàn)研究了水氮耦合對(duì)辣椒根系生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，CKN1 處理辣椒根長(zhǎng)密度、根表面積和根系活力最高，其次為中水中氮（W1N2）處理，比CKN1 分別降低了8.24%、3.25%和2.77%，差異均不顯著，但W1N2 辣椒產(chǎn)量比CKN1 增加1 473 kg/hm2，達(dá)顯著水平（P＜0.05）。施氮量和產(chǎn)量不存在正相關(guān)關(guān)系，水氮耦合效果對(duì)產(chǎn)量的影響作用更顯著。滴灌條件下，W1N2 處理辣椒全生育期灌溉水利用效率最高，且在中氮和高氮處理中僅W1N2 處理的偏氮肥生產(chǎn)力處于較高水平。