疏勒河流域辣椒膜下滴灌耗水規律及節水型灌溉制度研究

吳 婕

(甘肅省水利科學研究院，蘭州 730000)

疏勒河流域是甘肅省三大內陸河流域之一，位于河西走廊最西端，由于地處內陸河干旱半干旱地區，降水稀少，蒸發強烈，生態環境十分脆弱。近年來，隨著疏勒河流域開發的不斷深入，經濟社會的發展對水資源需求急劇增長，水資源短缺將成為制約流域經濟發展的關鍵因素。面對如此嚴峻的用水局勢，流域內農業灌溉用水方式粗放，水資源浪費嚴重，流域現狀節水灌溉率僅為32.41%[1]，可見節水灌溉技術在疏勒河流域有很大的發展空間，通過大力發展節水農業，還水于生態，對疏勒河流域水資源可持續發展具有十分重要的意義。

甘肅河西走廊豐富的光照資源和獨特的氣候條件非常適宜干制辣椒生長，所產辣椒色澤、品味好，是甘肅省最大的色素辣椒生產基地[2]。其中疏勒河流域，廣闊的戈壁灘作天然曬場，為規模化生產干制辣椒提供有利條件，種植干制辣椒已成為疏勒河流域經濟增長的穩定支柱。目前，國內學者對辣椒耗水特性、水分利用等方面的灌溉試驗進行了很多，并取得了一定的研究成果。黃興學[3]等在辣椒開花座果期、盛果期進行不同灌溉上限的灌溉指標研究，霍海霞[4]在陜西楊凌對盆栽牛角辣椒利用防雨棚進行控水灌溉、耗水規律研究，劉學軍[5]等針對日光溫室辣椒膜下滴灌進行灌溉制度試驗，陶君[6]等在寧夏開展了溫室微咸水膜下滴灌條件下的辣椒最優灌溉制度試驗，紀立東[7]等對設施辣椒滴灌施肥條件下進行需水、需肥規律及鹽分空間變異特征研究，李道西[8]等針對現代化玻璃溫室地表和地下滴灌方式開展辣椒耗水特性試驗研究，張玲麗[9]在內陸干旱條件下進行辣椒生長生理對畦灌和膜下滴灌響應研究，程鳳林[10]等在武威市涼州區進行膜下滴灌條件下辣椒生長和產量的影響研究，胡志橋[11]等通過大田試驗探索辣椒等作物適宜石羊河流域的灌溉制度，黃海霞[12,13]等通過調虧灌溉研究干旱荒漠區露地辣椒耗水規律，王世杰[14]等針對膜下滴灌調虧辣椒試驗分析產量構成要素和提出水分生產函數，韓國君[15]等研究隔溝交替灌溉條件下辣椒各生育期的耗水特征及作物系數。以上學者的研究對促進辣椒精準灌溉、高效高產具有良好的指導作用，但針對溫室和盆栽條件下辣椒灌溉試驗研究居多，對西北干旱區大田膜下滴灌辣椒耗水規律和灌溉制度研究較少，尤其缺乏針對疏勒河流域開展的相關試驗研究。為此，本試驗通過對膜下滴灌條件下辣椒耗水規律進行研究，提出最適宜疏勒河流域膜下滴灌辣椒種植灌溉制度，其成果對于指導當地的辣椒生產、節約農業用水量等具有重要的意義，同時對在當地應用推廣膜下滴灌技術具有積極的推動意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于甘肅省玉門市新城區以北約10 km的黃閘灣鄉梁子溝村，東與下西號黃花農場毗鄰，西與柳河鄉接壤，北與肅北蒙古族自治縣相連。處于河西走廊西端，年平均降水量約60 mm，年平均溫度約7 ℃，月平均氣溫在零度以下時間為4個月，年平均溫差13.3 ℃，年溫差32.1 ℃。

本試驗在清華大學水沙科學和水利水電工程重點實驗室疏勒河試驗基地進行，其地理坐標為東經97°01′26″，北緯40°12′43″，海拔1 459 m。試驗地土質為中壤土，pH值8.4，土壤容重為1.46 g/cm3，質量田間持水量為22.8%。耕層內(0～20 cm)含有機物質1.365%，堿解氮61.8×10-6，速效磷13.4×10-6，速效鉀190.4×10-6。土壤養分數據見表1。

表1 試驗小區土壤基礎養分

1.2 試驗布置與試驗設計

試驗采取膜下滴灌與覆膜管灌(即對照區)2種灌溉方式，其中膜下滴灌區設置3個處理，常規覆膜管灌1個處理，每個處理3個重復，即3個小區。試驗小區是東西方向的，從北向南順序排列，試驗小區面積都是60.0 m2(長30 m×寬2 m)。辣椒供試品種為甘肅省武威市綠洲種業公司生產的美國紅，俗稱“大板椒”，于2015年4月18號播種，4月23號出苗，9月18號收獲，全生育期總共151 d。試驗區地膜均采用145 cm寬的聚乙烯膜，播種行距40 cm，株距20 cm，每穴2～3粒種植，播前施底肥磷二銨225 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，鉀肥150 kg/hm2。膜下滴灌區播種方式為1膜4行、1膜2管，對照區播種方式為1膜4行，播后均灌安種水900 m3/hm2，以后膜下滴灌灌水8次，對照灌水5次。膜下滴灌辣椒種植模式示意圖見圖1，田間試驗灌溉方案見表2。

圖1 膜下滴灌辣椒種植模式示意圖(單位：cm)

處理種植方式灌水定額/(m3·hm-2·次-1)灌溉定額/(m3·hm-2)DG11膜4行1膜2管2703060DG21膜4行1膜2管3303540DG31膜4行1膜2管3904020CK1膜4行膜上灌9005400

1.3 測定項目與方法

(1)作物生長指標及產量測定。各處理在苗期、開花期、坐果期、膨大期和成熟期5個生育期分別測定辣椒株高、葉面積、干物質，收獲期按各小區采摘、稱重，計算每個處理的產量。

(2)果實品質測定。選用費林法(GB6194-1986)、熒光法(GB/T5009.86-2003)、凱氏法(GB/T5009.5-2010)、阿貝折射儀(GB/T12295-1990)分別測定可溶性總糖、維生素C、蛋白質含量、可溶性固形物。

1.4 數據處理及統計分析方法

試驗得到的數據的處理分析軟件是Excel和DPS，主要是進行植株生理生態、產量、水分生產效率影響分析。

2 不同灌水處理辣椒生長動態變化

2.1 不同灌水處理對辣椒生長的影響

株高是衡量作物生長狀況是否合理的一個直觀指標，其高矮直接影響著作物前期的光能利用率和后期產量的高低。從圖2看出，辣椒從苗期到開花期株高增長較慢，開花期到坐果期株高增長速率最快，到了8月中旬即辣椒膨大期株高達到最大值。坐果期株高是開花期的3.2倍，膨大期株高是坐果期的1.2倍，表明開花期到坐果期是辣椒營養生殖最旺盛的時期。在辣椒膨大期、成熟期，灌水量最大的CK株高最大，灌水量最小的DG1株高最小，表明水分對辣椒株高的生長起到決定性作用，株高隨灌水量的增大而增大。盡管CK與DG2、DG3長勢相差不大，差異不顯著(p>0.05)，但由于灌水量較大，不利于缺水地區推廣，且達不到節水增效的目的。

圖2 不同灌水處理對玉米株高影響

葉面積系數是衡量群體結構的一個重要指標，其大小直接與最終產量高低密切相關。從圖3看出，全生育期不同灌水處理辣椒葉面積坐果期至膨大期達到高峰，此后葉面積開始衰減，其變化規律為膨大期>成熟期>坐果期>開花期>苗期。坐果期葉面積系數是開花期的5.6倍，膨大期葉面積系數是坐果期的1.6倍，可見開花期至坐果期是辣椒葉面積增速最大期，此時應注意適時灌水，避免因缺水抑制辣椒生長。總體來看，不同灌水處理葉面積隨著灌水量的增大而增大，2者呈正相關，尤其是開花期前灌水量最大的CK對葉面積影響較大，造成各處理葉面積存在著顯著差異，后期灌水量大小對葉面積影響較小，差異不顯著(p>0.05)。

圖3 不同灌水處理對玉米葉面積影響

2.2 不同灌水處理對辣椒干物質積累影響

從圖4中可以看出，辣椒的地上部分干物質重量整體呈顯出“慢-快-慢”的增長趨勢，在辣椒的生長發育前期其上升幅度較為緩慢，說明干物質積累的增長速度較為低下，從開花期開始，干物質的積累量增加速度上升，其中坐果期至膨大期干物質平均增長了22.88 g，占整個生育期干物質總量的50%以上，到生育期后期，果實基本成型，光合作用減弱，生物量增長有所放緩，干物質累計也有所減小。其中DG1由于灌水量最少，干物質增長總體上低于其他處理，DG2在成熟后期由于結果率最高，其干物質明顯高于其他處理。

圖4 辣椒干物質積累變化

圖5為辣椒DG2地上部各器官干物質在整個生育期的變化圖。從圖5中看出辣椒葉片整個生育期干物質的積累量是前期增長后期減緩；辣椒莖干干物質量呈逐漸增加的趨勢，進入坐果期后所占比例達到峰值；辣椒進入坐果期，器官存儲的營養成分逐漸向辣椒果實移動，果實干重與整株干重的比值逐漸增大，尤其是膨大期果實急劇增長，果實干物質增長效果明顯。其中坐果期至膨大期平均增長20.6 g，日均增長0.736 g；

圖5 辣椒各器官干物質量積累變化

膨大期至成熟期平均增長8.17 g，日均增長0.371 g，因而坐果期和膨大期是辣椒果實干物質積累的主要時期。

2.3 不同灌水處理對辣椒品質的影響

辣椒是一種營養豐富的蔬菜，營養品質主要由維生素Vc、可溶性糖、可溶性固形物、蛋白質含量決定。由表3可以看出，不同灌水處理可溶性蛋白質、Vc、可溶性固形物、可溶性糖含量差異顯著(p<0.05)，表明不同灌水量對辣椒的可溶性蛋白質、Vc、可溶性固形物、可溶性糖含量都有很大的影響，即水分對辣椒生長發育、營養品質有很大的影響。從試驗結果來看，DG2可溶性糖、可溶性固形物、Vc、可溶性蛋白含量較對照CK分別顯著提高3.61%、3.90%、13.88%、29.76%，說明DG2處理能夠較好地協調可溶性糖、可溶性固形物、Vc與可溶性蛋白含量之間的關系。

表3 不同灌水處理辣椒營養品質含量

注：5%水平下顯著性標注。

3 不同灌水處理對辣椒耗水特性影響

3.1 耗水規律分析

根據灌水量、實測的土壤含水率及降雨量，采用水量平衡方程計算辣椒不同處理全生育期和各個階段的耗水量以及耗水特性結果詳見表4和圖6。由表4和圖6看出，不同灌水處理全生育期的耗水量均隨著灌水量的增加而增加，2者呈極顯著正相關。在苗期，辣椒是根和葉片的發生和生長的階段，植株較小，葉面積較小，農田耗水以棵間蒸發為主，蒸騰耗水只用于植株的營養器官的生長發育，蒸騰量較少；進入開花期后，隨著植株的快速增長和葉片數增加，形成了較大的葉面積，制造較多的光合產物，同時此時段氣溫升高，生長發育所需要的土壤水分下限值也隨之增高，作物生理需水急劇增加，此階段耗水量達到最大，依次為CK(150.08 mm)>DG3(127.76 mm)>DG2(119.91 mm)>DG1(117.02 mm)；進入坐果期以后隨著部分底部葉片脫落，耗水量較開花期有所降低，但植株仍然處于生長階段；進入膨大期以后，辣椒果實由小變大，此階段是辣椒生長的關鍵時期，此時灌水量對辣椒產量有著顯著提升的作用；進入成熟期以后，果實基本成型，光合作用減弱，隨著灌水的停止，氣溫下降，蒸騰蒸發量達到最小，耗水量減少。開花期的耗水量為117.02～150.08 mm，占全生育期耗水量比例較大，此階段是辣椒全生育期需水關鍵期，也是辣椒對水分最敏感的時期，對產量的形成起關鍵的作用，因此在此階段應及時地灌水施肥，以保證辣椒正常生長所需的水分和養分要求。

表4 不同灌水處理辣椒不同生育期耗水特性

圖6 不同處理下辣椒生育期耗水規律

圖7 不同處理下辣椒日耗水強度的變化

3.2 耗水強度分析

由表4和圖7看出，辣椒全生育期耗水強度從大到小依次為坐果期、成熟期、膨大期、開花期和苗期，苗期、開花期的耗水強度小于全生育期平均耗水強度，坐果期、膨大期、成熟期的耗水強度均大于全生育期平均耗水強度。對照CK耗水強度顯著大于膜下滴灌各處理，說明耗水強度大小與灌水量大小呈正相關。辣椒坐果期生育時間較短，耗水強度最大，開花期、膨大期、成熟期耗水強度接近；開花期雖耗水量最大，因生育時期比較長，日耗水強度較低，而苗期辣椒發育緩慢，同時氣溫較低，植株蒸騰與地面蒸發作用弱，耗水強度最小。

3.3 耗水模數分析

由表4和圖8看出，辣椒開花期的耗水模數最大，均在25%以上，這是因為開花期光合作用強烈，植株快速增長、葉片數增加，且生育時期較長，耗水量較大；成熟期耗水量最小，這是因為該時期辣椒生長發育基本結束，果實基本成型，光合作用減弱，同時該階段氣溫下降，蒸騰蒸發量達到最小，耗水量減少，故耗水模數最低。開花期、坐果期和膨大期這3個生育期的耗水量占全生育期耗水量比例達60%以上，是辣椒全生育期3個需水關鍵期，對產量的形成起關鍵的作用，應保證辣椒正常生長所需的水分和養分要求。

圖8 不同處理下辣椒各生育期耗水模數變化

4 不同灌水處理對辣椒產量及水分利用效率的影響

從圖9中看出，處理DG2產量最高，為35 013 kg/hm2，與DG1、DG3、CK產量相比，DG2產量分別提高了8.6%、1.6%、10.3%，DG2產量顯著高于其他處理?？梢?，作物產量并不隨著灌水量的增大而增大，灌水量過大，反而使大部分水分用來促進莖葉生長，致使產量降低。本試驗灌水定額330 m3/(hm2·次)即處理DG2獲得最高產量，相比CK節水34.4%。

圖9 不同灌水量對辣椒產量影響

從圖10中看出，整個生育期水分利用效率隨灌水量增加而減小，處理DG1的水分利用效率最大，為8.42 kg/m3，灌水量最多的對照處理CK水分利用效率最小，為5.47 kg/m3，各處理間水分利用效率存在較大差異(p<0.05)。就處理CK來說，土壤水分含量過高時，光合作用減小，蒸騰持續增長導致作物耗水過多，增加了無效水分消耗，最終導致水分利用效率下降。

圖10 不同灌水量對辣椒水分利用效率的影響

綜合辣椒產量和水分利用效率分析考慮，雖然處理DG2和處理DG3產量沒有顯著性差異，但水分利用效率存在顯著差異(p<0.05)，DG2的灌溉定額比較有利于辣椒產量的提高。

5 辣椒灌溉制度確定

根據不同灌水處理對辣椒全生育期耗水特性以及產量試驗結果，結合不同灌水處理對辣椒生長、品質的影響分析，建議適合疏勒河流域辣椒膜下滴灌灌溉制度為全生育期灌水次數9次，灌溉定額3 540 m3/hm2，不同生育期水量分配見表5。

表5 疏勒河流域辣椒膜下滴灌最適宜灌溉制度

6 結 論

本研究以疏勒河流域色素辣椒為研究對象，對各生育時期辣椒植株進行取樣分析，分析不同灌水量對辣椒全生育期生長指標、產量以及水分生產效率影響，研究辣椒全生育期耗水特性，提出疏勒河流域最適宜灌溉制度，為辣椒實現高效高產提供理論基礎。

通過試驗得出：辣椒開花期至坐果期是株高、葉面積增速最大期，坐果期株高、葉面積分別是開花期的3.2倍、5.6倍，表明開花期到坐果期是辣椒營養生殖最旺盛的時期，且株高和葉面積隨著灌水量的增大而增大。辣椒從開花期開始，干物質積累量迅速增長，坐果期至膨大期干物質平均增加了22.88 g，占整個生育期干物質總量的50%以上，此時辣椒器官存儲的營養成分逐漸向果實和籽移動，果實干重與整株干重的比值逐漸增大，尤其是膨大期果實急劇增長，果實干物質增長效果明顯。不同灌水處理可溶性蛋白質、Vc、可溶性固形物、可溶性糖含量差異顯著(p<0.05)，即水分對辣椒生長發育、營養品質有很大的影響，其中DG2可溶性糖、可溶性固形物、Vc、可溶性蛋白含量較對照CK分別顯著提高3.61%、3.90%、13.88%、29.76%，說明處理DG2相比其他處理顯著提高辣椒品質。全生育期耗水量呈現由低到高再降低的變化趨勢，其中開 花期耗水模數最大，均在25%以上，但因其生育時期比較長，日耗水強度較坐果期低；坐果期雖比開花期耗水模數小，但生育時間較短，耗水強度最大；開花期、坐果期和膨大期這3個生育期的耗水量占全生育期耗水量比例達60%以上，此時是辣椒對水分最敏感的時期，應保證辣椒正常生長所需的水分和養分要求。處理DG2產量最高，相比CK產量提高10.3%，水分利用效率提高2.58kg/m3，節約水資源量4560m3/hm2。綜合辣椒產量和水分生產效率考慮，結合不同灌水處理對辣椒生長、品質以及耗水特性分析，建議適合疏勒河流域辣椒膜下滴灌的灌溉制度為全生育期灌水次數9次，灌溉定額3540m3/hm2。