調虧灌溉對膜下滴灌辣椒生長及水分利用的影響

王世杰，張恒嘉，巴玉春，王玉才，黃彩霞，薛道信，李福強

(1.甘肅農業大學工學院，甘肅 蘭州 730070；2.民樂縣洪水河管理處，甘肅 民樂 734500)

辣椒在我國的種植面積居世界首位，約為133萬hm2，占世界辣椒面積的35%[1]，但由于我國水資源總量的不足和時空分布的不均，水分脅迫對農作物造成的損失在所有非生物脅迫中占首位，大力發展農業節水技術是我國農業發展的必經之路[2-3]。膜下滴灌調虧灌溉是利用膜下滴灌方式對作物進行調虧灌溉的一種綜合性節水灌溉方法，它有效結合了以色列滴灌方式、國內覆膜栽培方式和調虧灌溉理論，具有灌水少、肥料利用率高、增產效果明顯和經濟效益高等特點，同時能夠增加作物對逆境，如干旱、鹽漬化、低溫等的適應能力[4-6]。膜下滴灌調虧技術在果樹、小麥、玉米、馬鈴薯等作物上研究和應用比較廣泛，但對蔬菜作物的研究還相對比較少，而且大多研究在溫室內進行，特別是對大田栽培辣椒的研究較為少見，還有待于進一步研究以指導辣椒節水高產栽培以及灌溉制度的優化[7]。此外，作物大田栽培可以充分利用水、氣、光、熱等資源，但在大田進行調虧灌溉研究，容易受降雨的影響，而導致田間水分不易控制，影響研究結果的準確性，因此如何做好降雨期間田間排水，提高田間土壤水分的控制精度，成為大田調虧灌溉研究亟待解決的問題[8-9]。因此，本研究以大田膜下滴灌為辣椒栽培模式，采用壟和壟溝全膜覆蓋以及田間設置滴灌和排水系統，在辣椒不同生育期設置不同的水分虧缺水平，研究調虧灌溉對辣椒生長、田間土壤水分、辣椒耗水規律和產量的形成及辣椒對不同生育期水分脅迫的敏感性大小，為調虧灌溉在辣椒大田栽培中的應用和灌溉制度的優化提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

該試驗在甘肅省民樂縣益民灌溉試驗站進行。益民灌溉試驗站位于民樂縣三堡鎮張連莊村，洪水河灌區中游。地處東經100°43′，北緯38°39′，海拔1970 m。此區氣候干燥，水源不足，屬大陸性荒漠草原氣候。年平均溫度6℃，極端最高溫度37.8℃，極端最低溫度-33.3℃，年總降雨量183～285 mm，無霜期109～174 d，年日照時數3000 h左右。土壤屬輕壤土，田間持水量為24%(質量含水率)，土壤容重1.4 t·m-3，地下水位低，無鹽堿化影響。

1.2 試驗材料

供試辣椒品種為金椒6號，栽培方式為大田膜下滴灌栽培。于2016年3月20日在溫棚育苗，5月11日移栽定植，試驗采用人工起壟，起壟前施入足量的氮磷鉀復合肥。從辣椒現蕾開始每隔15d噴施一定濃度的霜脲·錳鋅、噻唑行、吡蟲啉和高效氯氟氰菊酯以預防辣椒生長期間的各種常見病蟲害的發生。7月11日收獲第1茬辣椒，8月5日收獲第2茬辣椒，最后1茬辣椒于8月29日收獲。

1.3 試驗設計

本試驗為單因素試驗，將辣椒生育期按其生長特點分為四個生育期：苗期(5月11日至6月9日)、開花坐果期(6月10日至7月5日)、盛果期(7月6日至8月5日)和后果期(8月6日至8月29日)。土壤水分設四個梯度，分別為充分灌水:(75%～85%)θ田、輕度水分調虧:(65%～75%)θ田、中度水分調虧:(55%～65%)θ田和重度水分調虧：(45%～55%)θ田。在盛果期和后果期只設輕度和中度水分調虧，在其余兩個生育期施加三種不同程度的水分調虧。因此，本試驗共設11個處理，每個處理設三次重復，共33個小區，小區面積為2.4×6m2, 采用隨機區組設計，有效試驗種植面積為660m2。當測得實驗小區水分低于設計下限時，灌水到設計上限，灌水方法為膜下滴灌灌水，水表量水,計劃濕潤層為30cm,試驗設計方案見表1。表中SRD、BRD、FRD和LRD分別代表苗期水分調虧、開花坐果期水分調虧、盛果期水分調虧和后果期水分調虧，CK為對照處理，表示充分灌水，編號中數字1、2和3分別代表輕度、中度和重度3個調虧水平。

根據試驗區歷年氣象資料，試驗區7、8月雨水較多。為了盡快排出田間積水，減少雨水滲入土層影響田間含水量的控制，田間設置灌溉排水系統。小區內滴灌帶、壟，辣椒植株及排水溝布置形式如圖1所示，試驗采用人工起壟，壟中間鋪設一條滴灌帶，滴頭間距為30cm，灌水時滴頭平均流量為2.5L·h-1。滴灌帶鋪設完成后，在滴灌帶兩側，平行于滴灌帶離滴灌帶5cm處分別用小鋤頭開挖兩條深為8cm左右的小溝，并均勻施入尿素350kg·hm-2，三元復合肥350kg·hm-2，磷酸二銨350kg·hm-2，硫酸鉀300kg·hm-2，施肥總量為1350kg·hm-2，生育中期不再追肥。辣椒采取每壟雙行定植，行距為45 cm，株距為35cm。每個小區之間沿壟方向以排水溝的形式隔開，壟底用寬為60 cm，厚度為0.08 mm的薄膜在豎直方向隔開，溝底縱向坡度均約為1∶60，在壟溝和排水溝溝底用膜寬為120cm，厚度為0.08mm的塑料薄膜以搭接方式進行全膜覆蓋并用約5cm厚土層壓蓋。

1.4 辣椒全生育期溫度變化和降雨量分布

2016年試驗區辣椒全生育期內的平均溫度為16.4℃，最高氣溫33.8℃，出現在后果期；最低氣溫-0.5℃，出現在苗期。各生育期日平均溫度表現為盛果期>開花坐果期>后果期>苗期，各生育期溫度變化范圍均在17.3～20.9℃。辣椒全生育期總降雨量為165.6mm，有效降雨量(大于5mm)為148.2mm。辣椒苗期降雨量為20.8mm,占生育期總量的13.77%；辣椒開花坐果期，降雨量最小，僅為6.1mm，占生育期降雨量的3.68%；辣椒盛果期降雨量60.9mm，占生育期總降雨量的36.78%；辣椒后果期降雨量最大，降雨量為75.8mm，占生育期總降雨量的45.77%。

表1 試驗設計

注：表中“～”前后數字分別代表土壤水分控制上限和下限(占田間持水量的百分數)。

Note: The numbers in front and back of the mark “～” in table represent upper and lower limits of soil water control(the percentage of field capacity), respectively.

1.5 測定項目及方法

1.5.1 株高、莖粗和葉面積指數 每個生育期末分別測定一次，每次測定時，從每個小區選取5株長勢與小區其它辣椒植株長勢一致的植株分別進行測量，用分度值為1mm的鋼卷尺測量株高，主莖直徑用分度值為0.02mm的游標卡尺測量，葉面積的測量選系數法[10]。

1.5.2 產量的測定 到每次采摘時期，在每個小區選擇5株長勢與其它植株一致進行標記，每次采摘用這5株辣椒產量的平均值作為小區辣椒平均單株產量，最后換算成每公頃產量，三次采摘產量之和作為總產量。

1.5.3 土壤水分的測定 土壤水分的測定采用烘干法，在辣椒移栽前(5月9日)取土測量一次，以后充分供水、輕度、中度和重度調虧處理分別每隔5～7d取土一次，灌水后以及降雨前后各加測一次，每次測定各小區膜下0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm和50～60cm土壤剖面內土壤含水率，因為辣椒計劃濕潤層為30cm，以0～30cm土層的土壤水分變化作為灌水依據，而以0～60cm內土壤水分的變化作為作物對土壤水分消耗的計算依據。當土壤水分低于表1所示控制水分下限時，立即灌到控制上限，辣椒灌水計算公式如下：

M=10γHPP(θi-θj)

(1)

式中,M為灌水量，mm；γ為計劃濕潤層土壤容積密度，g·cm-3；HP為計劃濕潤層深度，30cm；θi為設計控制上限含水率(田間持水量乘以設計控制相對含水率上限)，%；θj為灌水前土壤質量含水率，%；P為滴灌設計濕潤比，65%。

1.5.4 干物質 干物質的測定采用烘干法。分別在辣椒苗期和開花坐果期末，從每個小區選取長勢一致的5株辣椒植株，然后分別將根、莖、葉和果實用剪刀分離后，分別稱取鮮重，并記錄，然后分別裝入紙袋，在105℃殺青1 h后，將烘箱溫度調為85℃，烘8 h左右，烘干后分別稱量干重并記錄。

1.5.5 辣椒耗水量 采用水量平衡法計算：

(2)

式中，Er為辣椒某生育階段作物耗水量，mm；i代表土層編號；Hi為第i層土層厚度，cm；ri為第i層土壤容重，g·cm-3；Wi1、Wj2分別為第i層土壤某時段始末土壤質量含水率，%；P為某一時段內的降雨量，mm；a為降雨入滲系數，即實際深入田間膜下土壤的雨水，0.12.K為深層水向0～60cm土層內的補給量，mm；C為深層滲漏量，mm。

試驗區地下水位為20m，無深層水補給，故K取0；最高水量為田間持水量的85%，計劃濕潤層為30cm，所以無深層滲漏水，故C取0。

1.5.6 水分利用效率 辣椒水分利用效率的計算如下：

WUE=Y/ETa

(3)

IWUE=Y/I

(4)

式中，WUE為辣椒全生育期水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y為辣椒單位面積產量，kg·hm-2；ETa為辣椒全生育期單位面積耗水量，mm；I為辣椒全生育期單位面積灌水量，mm。

1.6 數據分析

采用軟件Excel 2010和SPSS 19.0對數據進行統計分析，并用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 調虧灌溉對辣椒生長的影響

2.1.1 株高 由表2可知，苗期輕度調虧處理辣椒株高也與對照處于同一水平，到后果期辣椒營養生長基本完成，后果期水分調虧對辣椒株高無顯著(P>0.05)影響，而其余水分調虧處理的辣椒株高均顯著小于對照，其中開花坐果期重度水分調虧處理的辣椒株高比對照顯著小39.03%，這說明開花坐果期重度水分調虧會顯著降低辣椒株高。

2.1.2 莖粗 辣椒移栽定植時，平均莖粗為4.02mm。苗期輕度水分調虧處理和后果期水分調虧處理辣椒的莖粗均與對照無顯著(P>0.05)差異外，其余水分調虧處理辣椒莖粗均顯著(P<0.05)小于對照(表2)，其中開花坐果期重度水分調虧處理的辣椒莖粗比對照顯著小32.94%，這說明苗期、開花坐果期和盛果期水分調虧對辣椒莖粗影響較大。

2.1.3 葉面積指數 辣椒移栽定植時，各試驗小區辣椒平均葉面積指數為0.054。苗期輕度調虧處理和后果期輕度調虧處理LAI均與對照無顯著(P>0.05)差異，且與對照處于最高水平(表2)。開花坐果期重度調虧處理和盛果期中度調虧處理LAI處于最低水平，其中開花坐果期重度水分調虧處理的LAI比對照顯著(P<0.06)小51.21%。其余處理LAI均處于同一水平，各處理之間均無顯著差異。這說明不同生育階段水分調虧均能抑制辣椒葉片的生長。

表2 辣椒生育期末株高、莖粗和葉面積指數

注：小寫字母表示P<0.05的顯著水平。下同。

Note: The small letters mean significant difference atP<0.05. The same as below.

2.1.4 辣椒生物量 由于辣椒果實采摘時期干物質測定受到青果采摘的影響而不便測定，本研究只針對辣椒苗期和開花坐果期干物質積累情況進行研究。苗期和開花坐果期水分調虧均使辣椒地上部分和根系生物量下降，且隨著水分調虧程度的增加，生物量下降幅度增加(圖2)。在苗期輕度、中度和重度水分調虧下，辣椒地上部分生物量較對照分別顯著(P<0.05)減少17.21%、40.32%和56.42%，根干重分別顯著減少了10.88%、24.99%和50.42%，這表明相同水分調虧程度，地上部分生物量下降幅度大于根系生物量。與對照處理相比，開花坐果期輕度、中度和重度水分調虧使辣椒地上部分生物量分別下降23.47%，53.48%和68.32%，使根干重分別顯著下降12.20%、35.70%和57.23%，這表明相同水分調虧程度地上部分生物量下降幅度較根系生物量大，并且相同水分調虧水平下開花坐果期水分調虧引起的辣椒地上部分和根系生物量下降幅度大于苗期，因此，開花坐果期調虧對辣椒生物量影響較大。

注：圖中小寫字母表示P<0.05的顯著水平。Note: The different small letters in figure mean significant difference at P<0.05.圖2 苗期和開花坐果期不同水分處理下辣椒地上部分和根系生物量Fig.2 On ground biomass and root biomass of pepper in seedling stage and blossom and fruiting period under different water treatments

2.2 膜下滴灌調虧對辣椒耗水特性的影響

2.2.1 階段耗水特性 從表3可知，各水分處理辣椒耗水量在盛果期最大，耗水量和耗水模數分別在74.22mm和31.47%以上，而在其它生育階段耗水量均表現為：后果期>開花坐果期>苗期，耗水量大小分別在61.61mm、51.82mm和 35.28mm以上，耗水模數分別在22.34%、20.56%和14.76%以上。辣椒各生育期耗水強度均表現為盛果期>后果期>開花坐果期>苗期。與CK相比，辣椒各生育期水分調虧均使辣椒耗水量或耗水強度下降，辣椒階段耗水量越大，水分調虧降低耗水量的效果越明顯，辣椒在苗期耗水最小，為45.32mm，苗期輕度和中度水分調虧使辣椒耗水量分別下降2.65%和13.25%，而在耗水量最大的盛果期，耗水量為75.82mm，輕度和中度水分調虧使辣椒耗水量分別下降15.68%和24.26%，耗水量下降較大。SRD3、BRD2和BRD3和FRD1和FRD2在后期復水后，耗水量始終顯著(P<0.05)小于CK，其它調虧處理后期復水后耗水量均與CK無顯著(P>0.05)差異。

表3 辣椒耗水量、耗水強度和耗水模數

2.2.2 全生育期耗水量和灌溉水量 由于試驗區地下水水位低，辣椒根區無深層滲漏，且辣椒生育期內降雨少以及田間薄膜的阻擋及排水作用，辣椒主要消耗的水分來自灌溉水，因此，各處理辣椒耗水量與灌水量相差不大。由表4可知，不同生育期水分虧缺均能降低辣椒全生育期耗水量和灌水量。對照處理(CK)辣椒全生育期耗水量和灌水量均最大，除處理SRD1的全生育期耗水量和灌水量與CK無顯著差異外，其余調虧處理辣椒總耗水量和灌水量均顯著小于CK，其中處理SRD2、BRD1、BRD2、FRD1、FRD2全生育期耗水量和灌水量處于同一水平，比CK顯著小9.90%～12.59%，而處理SRD3和處理BRD3的總耗水量和灌水量處于最低水平，分別比CK小17.12%～22.71%。這說明水分虧缺對辣椒總耗水量的影響大小與調虧時期和調虧程度有關。

表4 不同水分處理下辣椒產量和水分利用情況

2.3 膜下滴灌調虧對辣椒產量的影響

2.3.1 第一茬產量 辣椒青果產量分茬測定。如表4所示，第一茬青果在盛果期初采收，苗期輕度水分調虧處理SRD1的青果產量與未調虧處理處于最高水平，而開花坐果期重度調虧處理BRD3青果產量最低，比CK顯著(P>0.05)小35%，苗期調虧處理SRD2和SRD3和開花坐果期調虧處理BRD1和BRD2的青果產量處于同一水平，且均顯著小于前期未調虧處理。

2.3.2 第二茬產量 第二茬辣椒青果在盛果期末采收，盛果期水分調虧處理FRD1和FRD2的辣椒青果產量分別比CK顯著小20.00%和25.00%(表4)，且BRD2顯著小于BRD1，而處理SRD1和SRD2的此茬產量與其余前期未調虧處理均處于最高水平。

2.3.3 第三茬產量 辣椒最后一茬青果在后果期采收，與CK相比，在此階段受到輕度水分調虧的處理LRD1的青果產量與CK無顯著差異(表4)，而受到中度水分調虧處理的LRD2的青果產量比CK顯著小5.17%，且BRD3與LRD2處于同一水平，而其余調虧處理辣椒青果產量均與CK無顯著差異。

2.3.4 總產量 處理CK、SRD1、SRD2和LRD1的青果總產量處于最高水平，處理BRD1、FRD1和LRD1的青果總產量處于同一水平(表4)，比CK顯著小5.48%～6.98%。處理BRD1、BRD2和FRD2的青果總產量處于同一水平，比CK顯著小11.69%～13.32%。而SRD3和BRD3的產量處于最低水平，分別比CK顯著小17.34%和25.56%。這說明不同生育階段水分調虧對辣椒青果產量的影響，與調虧時期和調虧程度有關，而對于辣椒這樣分批采收的蔬菜，水分調虧對不同批次的產量產生不同的影響。

2.4 辣椒水分利用效率和灌溉水利用效率

水分利用效率可以反映作物栽培過程中水所產生的經濟效益[11]。辣椒水分利用效率(WUE)反映每消耗單位水量所能獲得辣椒青果產量，而辣椒灌溉水利用效率(IWUE)則反映每單位灌溉水所能獲得辣椒青果產量。如圖3可知，苗期中度調虧處理的WUE和IWUE均最大，分別為131.08 kg·mm-1·hm-2和146.10 kg·mm-1·hm-2，分別比CK顯著大8.45%和9.20%，而其余調虧處理WUE和IWUE均與CK無顯著差異。因此，在本研究條件下，與全生育期充分供水的對照處理相比，苗期中度水分調虧處理能顯著提高辣椒WUE和IWUE，其余水分調虧對辣椒水分利用影響不明顯。

3 討論與結論

注：圖中小寫字母表示P<0.05的顯著水平。 Note: The different small letters in figure mean significant difference at P<0.05.圖3 不同水分處理辣椒水分利用效率和灌溉水利用效率Fig.3 The WUE and IWUE of pepper under different water treatments

付秋實[12]和張愛民[13]等研究結果表明，辣椒在生長過程中隨著干旱脅迫的加劇，株高、莖粗、葉面積、生物量都呈現下降趨勢，苗期和開花坐果期受到干旱脅迫復水后，由于辣椒的補償生長效應，辣椒株高和莖粗等營養指標迅速接近對照處理。胡文海[14]和劉曉建[15]等研究表明，辣椒苗期水分能夠刺激辣椒根系生長尤其是主根的生長，增加了根的吸收能力和合成能力。本研究表明，辣椒株高、莖粗和葉面積指數始終處于最高水平，苗期、開花坐果期和盛果期不同程度水分調虧均引起辣椒株高、莖粗和葉面積指數顯著下降，且水分調虧程度越大，株高、莖粗和葉面積指數就越小。而在后果期水分調虧對辣椒株高和莖粗無顯著影響。苗期和開花坐果期水分調虧均使辣椒地上部分和根系生物量顯著下降，且相同水分虧缺度下地上部分生物量下降幅度大于根系，這說明辣椒地上部分對水分虧缺較根系敏感。

作物需水量的大小及其變化規律，決定于氣象條件、作物的特性、土壤性質和農業技術措施等，但又有其大致的耗水量范圍和一定的規律[16-21]。辣椒全生育期耗水量主要集中在果實大量生長的盛果期，開花坐果期和苗期相對較小[22-25]。霍海霞[26]等研究表明，隨著灌水上限的降低，辣椒生育階段耗水量、日耗水量減少，但耗水規律相似，結果盛期>定植-開花坐果期>結果末期。黃海霞[37]研究表明，調虧灌溉有效降低了各調虧時期的耗水模數和耗水強度。本研究結果表明，辣椒在盛果期內耗水量最大，耗水量和耗水模數分別在74.22mm和31.47%以上。各生育期水分調虧均可引起辣椒在該調虧時段耗水強度、耗水量和耗水模數的下降，并且水分調虧程度越大，下降幅度越大。

黃興學[28]等認為辣椒在開花坐果期，較高的灌溉上限，有利于提高辣椒坐果率、前期產量和水分利用率。孫華銀，康紹忠[29]等研究結果表明，較低的灌水下限會導致椒開花坐果期嚴重落花落果，最終產量明顯小于對照處理。本研究結果表明，辣椒青果總產量以全生育期充分灌水的對照處理最大，產量為36203.90kg·hm-2，在苗期輕度水分調虧、后果期輕度水分調虧處理下，辣椒產量均與對照處理無顯著差異，而在開花坐果期輕度、中度和重度水分虧缺分別使辣椒青果產量下降11.69%、13.32%和25.56%，因此，開花坐果期水分調虧對辣椒青果產量影響較大，這可能是因為在開花授粉時花粉的產量和活力受到缺水影響而嚴重下降的原因[30]。

產量水平上的水分利用效率(WUE)，可定義為單位耗水量的產量，耗水量應考慮到土壤表面的無效蒸發，對節水更有實際意義[31]。王峰[32]、張恒嘉[33]和郭相平[34]等，分別對辣椒、馬鈴薯和玉米研究表明，膜下滴灌調虧可減少作物生育期耗水量，促進作物WUE的提高。本研究結果表明，苗期中度水分調虧處理在不顯著降低辣椒青果產量的同時能顯著提高辣椒水分利用效率，而其余水分調虧對辣椒水分利用效率影響不明顯。

本試驗研究結果表明，苗期中度水分調虧處理SRD2能顯著減少辣椒營養生長，降低辣椒耗水量(或灌水量，但辣椒青果產量和對照無顯著差異，處于最高水平，且WUE和IWUE在所有處理中最高，分別為136.09 kg·mm-1·hm-2和146.10 kg·mm-1·hm-2，均顯著大于其它處理。因此，苗期中度水分調虧處理SRD2為本試驗條件下的最優灌溉方案。

本試驗以大田膜下滴灌為辣椒灌溉模式，為了避免辣椒生育期后期雨水對辣椒產生不利影響以及較為有效的控制降雨期間田間土壤水分，采用壟溝全膜覆蓋并設置田間排水系統，從而有效減小了雨水向壟上膜下土壤的大量入滲，實現了后期田間土壤水分的有效控制。此外，通過在辣椒各生育期設置多個水分調虧水平，比較充分地說明了調虧灌溉對辣椒耗水特征、產量和水分利用效率的影響，為今后辣椒大面積栽培以及灌溉制度的優化提供了一定理論依據。由于大田試驗研究結果具有明顯的地域局限性，因此，有必要對調虧灌溉在不同年份、地區、自然條件、作物栽培方式及營養元素的配方施肥等方面展開充分、廣泛的研究，然后統計比較、歸納總結，提高結論可信度，以加強該項節水技術的實踐性與有效性。另外，調虧灌溉的最終目標是提高和改善作物的產量和品質，本研究僅以產量為研究目標，針對調虧灌溉對辣椒品質的影響沒有研究，這應成為今后深入研究的一個方向。

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