調虧灌溉對綠洲灌區膜下滴灌辣椒生長發育和產量的影響

高 佳，張恒嘉，巴玉春，王玉才，李福強，王澤義，張萬恒，姜田亮

(1.甘肅農業大學 水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.民樂縣洪水河管理處，甘肅 民樂 734500)

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非常嚴重，尤其是西北半干旱和干旱地區，降水稀少，氣候干旱，大力發展農業節水技術是我國現在和未來農業發展的重中之重[3-4]。中國農業用水量約占全國水資源消耗總量的77%，其中農田灌溉用水約占農業用水的90%～95%，長期以來普遍存在用水粗放，利用率低和水資源浪費嚴重等問題[5]。西北干旱、半干旱地區，水資源嚴重短缺，農業節水是現在必須解決的難題之一[6]。

膜下滴灌具有改善農田小氣候，增產、節水、省肥省工，減少病蟲害等優點。膜下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，研究表明，膜下滴灌技術可節水40%～50%，增產20%左右[7]。調虧灌溉理論是20世紀70年代被提出，最早應用于果樹栽培方面[8-9]。到20世紀80,90年代，國內外專家對小麥、玉米、馬鈴薯等旱作作物進行了大量的調虧灌溉實踐并取得了豐碩成果[10-11]。王峰[12]研究了調虧灌溉對溫室膜下滴灌辣椒的影響，發現不同生育期水分虧缺均能顯著降低辣椒的耗水量，而在果實成熟期適度調虧可提高辣椒的可溶性固形物、辣椒素、維生素C的含量，降低辣椒果實的含水率，明顯提高辣椒品質。黃海霞[13]對露天栽培辣椒的調虧灌溉表明，水分虧缺能顯著降低葉片的光合速率、蒸騰速率、氣孔導度，但葉片水分利用效率卻明顯上升。王世杰等[14]研究了調虧灌溉對大田栽培辣椒的影響，發現苗期和開花坐果期的水分脅迫均能提高辣椒根冠比和果實干物質分配指數，并減少辣椒全生育期的灌水量和耗水量。

河西走廊地區是甘肅省重要的農業產區之一。河西走廊灌區之一的張掖市位于干旱地區，光熱充足，土地資源豐富，具有發展農業的天然優勢，但水資源極其短缺，農業用水尤其緊張。研究表明，在河西走廊地區采用節水灌溉制度，甜菜生育期節水灌溉比傳統灌溉每公頃節水17%，玉米每公頃節水20%，小麥每公頃節水高達30%，而且糧食產量平均提高500 kg·hm-2以上，增產6.6%～16.6%[15]。因此，本試驗將起壟覆膜、膜下滴灌和調虧灌溉節水技術措施相結合，重點研究膜下滴灌調虧對隴椒16號生長發育、產量和水分利用效率(WUE)等指標的影響，確定調虧灌溉的最佳時期和最佳虧缺程度，以期為河西綠洲灌區辣椒抗旱節水研究提供理論依據及技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在典型的荒漠綠洲灌區——張掖市民樂縣益民灌溉試驗站進行。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1 970 m?；哪G洲灌區氣候干燥，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3 000 h左右。土壤屬輕壤土，土壤容重1.4 t·m-3，田間持水量(θf)為24%，pH值7.22，地下水位為20 m左右，灌區基本不受鹽堿化影響，土壤肥力中等，0～20 cm耕層土壤有機質含量為11.3 g·kg-1，堿解氮54.0 mg·kg-1，速效鉀192.0 mg·kg-1，速效磷17.6 mg·kg-1。

1.2 材料與栽培

供試辣椒品種為隴椒16號，栽培方式為露地栽培。于2017年3月20日在溫棚育苗，5月8日移栽定植，試驗采用人工起壟，壟寬80 cm，在離壟中心5 cm處開2條小溝，施入足量的氮磷鉀復合肥。為了盡快排出田間積水，減少雨水滲入土層對田間含水量控制的影響，壟兩側高設為10 cm,中間高設為13 cm，溝寬40 cm，每個試驗小區之間用寬為60 cm的薄膜隔開，小區之間沿壟方向以排水溝隔開，溝寬40 cm，溝深15 cm左右，溝的縱向坡度均約為1∶60,在壟溝和排水溝溝底用60 cm寬的塑料薄膜覆蓋，壟上覆膜搭接，并覆蓋約5 cm厚土層壓蓋，通向田間排水干溝，壟上所用膜的膜寬120 cm。辣椒采取每壟雙行定植，行距為45 cm，株距為35～38 cm。壟中間鋪設一條滴灌帶，滴頭間距為30 cm，灌水時滴頭平均流量為2.5 L·h-1。從辣椒現蕾開始，每隔15 d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14日收獲第1茬辣椒，8月10日收獲第2茬辣椒，8月28日收獲最后一茬。

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4個生育期：苗期(5月8日至6月9日)、開花坐果期(6月10日至7月8日)、盛果期(7月9日至8月6日)和后果期(8月7日至8月29日)。土壤水分控制分為4個梯度，分別為充分灌水(75%～85%田間持水量θf)、輕度水分調虧(65%～75%θf)、中度水分調虧(55%～65%θf)和重度水分調虧 (45%～55%θf)。在苗期分別設置輕度、中度和重度水分調虧，在開花坐果期和盛果期不進行水分調虧，而在后果期只設置輕度水分調虧。因此，本試驗共設6個處理：苗期輕度水分調虧WD1、苗期中度水分調虧WD2、苗期重度水分調虧WD3、苗期輕度水分調虧-后果期輕度水分調虧WD4、苗期中度水分調虧-后果期輕度水分調虧WD5、苗期重度水分調虧-后果期輕度水分調虧WD6，全生育期充分灌水為對照(CK)，每一處理及對照均設3次重復，共21個小區，每個小區面積為2.4 m×6 m, 采用隨機區組設計，有效試驗種植面積為310 m2。灌水方法為膜下滴灌，水表量水，計劃濕潤層為30 cm。利用土鉆取土，烘干法測量土壤水分，當測得試驗小區計劃濕潤層土壤水分低于設計下限時，灌水到設計上限，具體試驗設計方案見表1。

表1 試驗設計及控水方案

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

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤水分 2017年5月10日控水開始后，每個小區隨機選擇一壟，在連續2株辣椒植株連線的中點處用土鉆分別鉆取小區土壤剖面內0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm，40～60 cm土層土壤，用烘干法測定其含水率；因為辣椒的根系主要分布在0～30 cm內，最后取0～30 cm土層土壤水分的平均值作為計劃濕潤層土壤內的水分，而以0～60 cm土層內土壤水分的變化來計算作物水分消耗量。在辣椒移栽前(5月7日)取土測量1次，以后每隔7 d左右取土1次，灌水后以及降雨前后各加測1次,每次取土深度均為60 cm。當土壤水分低于表1所示設計下限時，立即灌到設計上限。

1.4.2 株高和葉面積指數LAI 從辣椒幼苗移栽之日測定1次，以后每個生育期末分別測定1次，每次從每個小區選取5株長勢有代表性的植株分別進行測量，用分度值為1 mm的軟尺進行株高的測量，葉面積的測量選用系數法[16～18]。

1.4.1 農村老年人養老的社會化、市場化觀念滯后一些老年人受“養兒防老”觀念的影響，認為養老的任務就應該落在家庭成員身上。因此，大多數老人更傾向于在家庭中養老。除此之外，最重要的一點是老人不愿意花錢，在農村地區，家庭資源長期以來向子代傾斜，作為老人處處為孩子著想，平時省吃儉用，家中積蓄大多用來給兒子結婚建房，子代又繼續為下一代積累財富。這導致農村大多數老人缺乏一定的儲蓄，處在貧困的境況，這也在一定程度上制約了農村居家養老服務的開展。

1.4.3 根冠比 地上部重量、地下部重量均為風干重, 即在陰涼處自然風干21 d后用電子天平測定。測定根重采用沖根法,以辣椒主莖底部為圓心，挖取半徑為15 cm，深20 cm，將整株植株和土壤一起移入盆中，用水浸泡2 h以上放入尼龍網袋,用水管沖洗，棄去泥土，收集完整根系。

1.4.4 產量測定 果實成熟初期，在每小區選擇5株長勢有代表性的植株進行標記，每次采摘時將這5株辣椒產量的平均值作為小區辣椒單株產量，最后換算成每公頃產量，總產量為3次采摘產量之和。

1.4.5 水分利用效率和灌溉水利用效率

WUE=Y/ET

IWUE=Y/I

式中,WUE為辣椒全生育期水分利用效率(kg·mm·hm-2)；IWUE為辣椒全生育期灌溉水利用效率(kg·mm·hm-2)；Y為辣椒單位面積產量(kg·hm-2)；ET為辣椒全生育期單位面積耗水深度(mm);I為辣椒全生育期單位面積灌水深度(mm)。

1.5 數據分析

采用軟件Excel 2010和SPSS 19.0對采集數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 調虧灌溉對辣椒株高的影響

株高是指植株基部至主莖頂部即主莖生長點之間的距離，其變化可以反映作物生長情況。從表2可以看出，各水分處理下辣椒株高從苗期到后果期遞增，不同生育期6個水分調虧處理下株高均低于充分灌溉的對照組(CK)，苗期輕度水分調虧(WD1), 苗期中度水分調虧(WD2)和苗期重度水分調虧(WD3)相比較為：WD1>WD2>WD3；這說明苗期不同程度水分調虧處理與對照組(CK)相比均顯著(P<0.05)抑制辣椒株高的增長，且水分調虧程度越大，辣椒株高越小，與充分灌溉(CK)相比苗期各處理下的株高在后果期時分別顯著降低6.1%、18.0%和37.4%。WD4、WD5和WD6處理與WD1、WD2和WD3處理相比各生育期的株高無顯著性差異，這說明在后果期進行輕度水分調虧對辣椒株高無顯著性影響(P>0.05)。在后果期WD1處理和WD4處理的株高與對照組處于同一水平,這說明辣椒苗期輕度水分調虧后期復水產生了補償性生長效應。

表2 不同調虧灌溉處理辣椒株高變化/cm

注：同列不同小寫字母表示各處理間在P<0.05水平上差異顯著。下同。

Note:The different lowercase letters within one column mean significant difference among treatments atP<0.05. The same below.

2.2 調虧灌溉對辣椒葉面積指數(LAI)的影響

葉面積指數是指單位土地面積上辣椒葉片總面積占土地面積的倍數。辣椒移栽定植時，各試驗小區辣椒平均葉面積指數為0.05,隨著生育期的推進，各水分處理辣椒葉面積指數不斷增大,如表3所示。開花坐果期和盛果期是辣椒生理和生殖生長的旺盛時期，葉面積指數增長量較大，苗期和后果期相對較小。從表3可以看出，各時期葉面積指數均表現為：CK處理>WD1處理>WD2處理>WD3處理。WD1、WD2和WD3處理的苗期和開花坐果期的LAI與對照組相比差異均達顯著水平(P<0.05)，各水分調虧處理苗期分別降低18.2%、19.6%和33.9%，開花坐果期分別降低25.3%、40.5%和29.6%。盛果期和后果期WD1和WD4處理與對照的葉面積指數處于同一水平(P>0.05)，說明苗期輕度水分調虧復水后辣椒葉面積發生了恢復性生長。但苗期中度和重度水分調虧處理在后來的生長發育過程中葉面積生長不能得到完全補償，致使后期復水辣椒葉面積指數仍顯著低于對照，說明辣椒在苗期經歷中度、重度調虧后葉面積生長受到明顯抑制，即使復水也不能產生補償效應。WD4、WD5和WD6處理與WD1、WD2和WD3處理相比在各生育期無顯著性差異(P>0.05)，說明在后果期對辣椒進行輕度水分調虧不影響辣椒葉面積的增長。

2.3 調虧灌溉對辣椒根冠比的影響

根冠比是辣椒根系干物質量與地上部分干物質量之比。辣椒根冠比越大，其吸收水分和養分的能力就越強，后期抗旱能力也就越強[19]。從表4可以看出，辣椒根冠比在苗期最大，均在0.22以上，苗期水分調虧對根冠比均影響顯著(P<0.05)，后期隨著辣椒枝葉和果實的大量生長而變小。WD1、WD2和WD3處理與CK相比分別提高了16.0%、29.8%和26.0%。后期復水后，苗期中度水分調虧(WD2)和苗期中度-后果期輕度調虧(WD5)的根冠比在開花坐果期和盛果期始終顯著大于CK，而其他水分調虧在后期復水后根冠比雖略大于CK，但無顯著差異(P>0.05)，這說明在苗期水分調虧有利于辣椒根冠比的提高，特別是苗期中度水分脅迫對辣椒根冠比的提高作用顯著，且后期復水后辣椒根冠比在開花坐果期及后果期仍保持較高值，這將有利于辣椒后期抗旱能力和養分吸收能力的提高。WD4、WD5和WD6處理分別與WD1、WD2和WD3處理相比，后果期的根冠比處于同一水平，分別提高了1.47%、1.14%和1.22%，說明后果期對辣椒進行輕度水分調虧對根冠比無顯著影響。

表3 不同調虧灌溉處理辣椒葉面積指數(LAI)變化

2.4 調虧灌溉對辣椒產量和水分利用效率的影響

從表5可以看出，全生育期充分供水的對照處理辣椒產量最高，為36 167.27 kg·hm-2,在苗期輕度和中度水分調虧處理下，辣椒總產量均與CK無顯著差異(P>0.05)，而苗期重度調虧導致辣椒總產量比CK顯著減少17.18%(P<0.05)。在第一茬收獲時，WD1和WD4處理與對照組CK處于最高水平，而在其余處理下有小幅度的降低，這說明苗期中度和重度水分調虧對辣椒第一茬的產量具有顯著影響，WD2、WD3、WD5和WD6處理下的產量與CK相比分別顯著降低了12.41%、20.83%、12.16%和20.64%(P<0.05)。在第二茬收獲時，WD1、WD2、WD4和WD5處理與CK處理的產量在同一水平,說明苗期輕度和中度水分調虧對辣椒第二茬產量影響不大。WD3和WD6處理在第二茬和第三茬收獲時與CK處理存在顯著差異，與CK處理相比WD3減產11.97%和23.15%，WD6減產11.97%和24.05%，表明在苗期進行重度水分調虧，嚴重影響了辣椒產量。在第三茬辣椒收獲時，WD1、WD2、WD4和WD5處理與對照處理處于同一水平，說明苗期輕度、中度調虧和后果期輕度調虧不影響辣椒產量。

表4 不同調虧灌溉處理辣椒根冠比

在充分灌水條件下辣椒全生育期耗水量和灌水量均最大，分別為287.62 mm和271.06 mm。除苗期輕度水分調虧WD1和苗期輕度-后果期輕度水分調虧WD4處理的灌水量和耗水量與對照處理無顯著差異外(P>0.05),其余水分調虧處理均顯著降低了辣椒全生育期灌水量和耗水量(P<0.05)，其中苗期重度-后果期輕度水分調虧處理WD6的耗水量和灌水量處于最低水平，分別為230.02 mm和215.68 mm。WD2的耗水量和灌水量分別比CK顯著減少27.59 mm和29.04 mm;WD5的耗水量和灌水量分別比CK顯著減少38.49 mm和32.60 mm。

辣椒水分利用效率(WUE)反映每消耗單位水量所獲得的辣椒產量。水分調虧灌溉對辣椒水分利用效率影響顯著，從圖1可以看出WD5處理的WUE最高，比CK處理顯著提高10.91%(P<0.05)，WD2處理的次之， CK處理的最低。而在灌溉水利用效率(IWUE)中WD5處理最高，比CK顯著提高9.20%,CK處理的最低。說明適度的水分調虧有利于提高辣椒的水分利用效率。WD4、WD5、WD6處理與WD1、WD2、WD3處理相比，其WUE和IWUE基本處于同一水平，這說明在后果期進行輕度水分調虧處理對提高辣椒的WUE和IWUE的影響不顯著。

表5 不同調虧灌溉處理辣椒產量和水分利用狀況

注：不同小寫字母表示各處理間WUE在P<0.05水平差異顯著；不同大寫字母表示各處理間IWUE在P<0.05水平差異顯著。Note: The lowercase and uppercase letters in the figure indicate the WUE and IWUE differ significantly at the level ofP<0.05 among the treatments, respectively.圖1 不同調虧灌溉處理下的WUE和IWUEFig.1 WUE and IWUE under different RDI treatments

3 討 論

在西北干旱區，水分是農業生產中最主要的環境限制因素，農業生產最重要的目標是獲取較高的產量和水分利用效率[20]。起壟覆膜與膜下滴灌相結合的灌水方式，可明顯改善作物根系土壤水熱環境，改善農田小氣候，提高土壤溫度[21～22]，在實際生產過程中只有保證適宜的土壤含水量才能實現辣椒的節水、高產和優質。本研究表明，辣椒苗期調虧灌溉對株高、葉面積指數均有影響，苗期不同程度的調虧灌溉處理下株高、葉面積指數均表現為:輕度調虧>中度調虧>重度調虧處理，與丁端鋒等[23]的研究結果一致。辣椒后果期輕度調虧灌溉對辣椒株高和葉面積指數無顯著影響(P>0.05)。這是因為辣椒在苗期主要進行生理生長，受到一定程度水分脅迫，生長受到抑制，導致株高、葉面積指數顯著(P<0.05)小于對照組，后期復水后，由于辣椒的補償生長效應，苗期輕度和中度水分脅迫處理的辣椒株高和葉面積指數與對照處理無顯著差異，這與付秋實[24]和張愛民等[25]研究結果一致。辣椒后果期主要進行生殖生長，因此，在后果期進行輕度調虧不影響辣椒株高和葉面積的生長。

根據根冠功能學說，作物受到逆境影響時能夠自動地把獲得的營養分配給最能緩解脅迫的器官，如種子和果實中，以防止物種的滅絕[26-27]。邵光成[28]、歐立軍[29]和胡文海[30]等研究表明辣椒苗期水分脅迫能夠刺激辣椒根系生長尤其是主根的生長，提高了根的吸收與合成能力。本研究結果顯示，苗期不同水分調虧處理下辣椒根冠比均顯著(P<0.05)高于對照組，后期復水后，苗期輕度和重度調虧處理下辣椒根冠比均與對照組無顯著差異(P>0.05)，而苗期中度水分脅迫處理辣椒根冠比在開花坐果期和盛果期仍保持較高值，有利于辣椒后期抗旱能力和養分吸收能力的提高，這與程明等[31]和劉曉建等[32]研究結果一致。后果期主要進行生殖生長，因此，后果期進行輕度調虧灌溉不影響辣椒根冠比。

大量研究表明，不同時期缺水對作物產量影響不同，作物產量與其生育期總耗水量變化基本上是一致的，即作物達到最大產量后再灌水是一種浪費，不僅不會增加產量，反而有可能引起作物減產和水分利用效率下降[33]。傳統的灌溉方式以單一追求高產為目的，對農作物進行大量灌溉，最終導致水資源的浪費和部分作物品質的下降。而在當今水資源嚴重匱乏的情況下，農業生產不再以單一追求高產為目的，而是追求高產出和高效益的雙贏[34]。WUE通常被用來衡量農業生產的用水效率，一般被定義為單位耗水量的產量(生物量或經濟產量)[35]。王峰[12]、張恒嘉[36]和郭相平[37]等分別對辣椒、馬鈴薯和玉米的研究表明，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。本試驗結果顯示，苗期輕度和中度水分調虧均能顯著提高(P<0.05)辣椒水分利用效率和灌溉水利用效率，其中苗期中度-后果期輕度水分調虧處理的水分利用效率和灌溉水利用效率均最高，分別比對照處理提高10.91%和9.20%，這是因為后果期進行輕度調虧在不減產的情況下，適當降低了辣椒耗水量，減少了水資源的浪費，從而有效提高了水分利用率，達到辣椒生產的高效益。

4 結 論

1)在膜下滴灌條件下，全生育期充分供水的對照組株高和葉面積指數始終處于最高水平，苗期不同程度的水分調虧均引起辣椒株高和葉面積指數顯著(P<0.05)下降，且隨著水分調虧程度的增大，下降幅度也相應增大。而在后果期輕度水分調虧對辣椒株高和葉面積指數無顯著影響(P>0.05)。

2)在膜下滴灌條件下，苗期水分調虧灌溉均提高了調虧時段內辣椒根冠比，后期復水苗期中度水分處理的根冠比始終顯著大于對照組(P<0.05)。而其他處理在后期復水后根冠比與CK處于同一水平(P>0.05)。

3)全生育期內充分供水的對照處理辣椒產量最大，為36 167.27 kg·hm-2；苗期水分調虧灌溉對辣椒水分利用效率和灌溉水利用效率影響顯著(P<0.05)，與CK相比，苗期中度-后果期輕度水分調虧的水分利用效率和灌溉水利用效率分別顯著提高10.91%和9.20%。

4)隨著水資源短缺的加劇和全球人口的增長，在實現節約用水的同時，更加強調實現高產出。辣椒苗期中度-后果期輕度水分調虧處理，在不顯著降低(P>0.05)辣椒產量的情況下，顯著(P<0.05)降低了辣椒全生育期的灌水量和耗水量，且WUE和IWUE均最高。因此，膜下滴灌條件下，苗期進行中度水分調虧灌溉(55%～65%田間持水量)，后果期進行輕度水分調虧灌溉(65%～75%田間持水量)，其余時期充分供水(75%～85%田間持水量)是河西地區實現辣椒節水、高產和高效栽培的一種較優灌溉方式。