膜下滴灌条件下温室青椒的水氮耦合效应_程明瀚.pdf-

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2018 年11 月灌溉排水学报第37 卷第11 期 Nov. 2018 JournalofIrrigationandDrainage No.11 Vol.37 文章编号： 1672-3317 （2018 ） 11-0050-08 膜下滴灌条件下温室青椒的水氮耦合效应程明瀚 1,2,3 ，郝仲勇 1,3* ，杨胜利 1,3 ，缴锡云 2 ，范海燕 1,3 （1. 北京市水科学技术研究院，北京100048 ；2. 河海大学水利水电学院，南京210098 ； 3. 北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京100048 ）摘要：【目的】通过不同灌水量和施氮量的耦合来探寻温室青椒的水肥耦合效应。【方法】试验设置了W1 （70% FC （田间持水率））、 W2 （80% FC ） 2 组灌水下限处理和F1 （50kg/hm 2 ）、 F2 （85kg/hm 2 ）、 F3 （120kg/hm 2 ） 3 组施氮处理，并设置常规灌水施肥处理作对照，共计7 个处理，监测了青椒株高、茎粗、叶面积指数等生长指标，净光合速率、蒸腾强度等生理指标，以及总产量、水分生产效率、氮肥偏生产力和相关品质指标。【结果】在120kg/hm 2 施氮量处理下青椒的产量明显高于其他处理。运用主成分分析法各水肥处理下的10 项指标进行降维，并通过降维所得的3 个主成分对7 组处理综合评价，发现7 组处理高低排序为： W1F3 处理>W2F3 处理>CK>W2F2 处理>W1F1 处理>W1F2 处理> W2F1 处理。【结论】在70% FC 的灌水下限和120kg/hm 2 施氮量的组合处理是本试验所探寻的最优水肥处理。关键词：水氮耦合；总产量；水分生产效率；主成分分析中图分类号： S274.1 文献标志码： A doi ： 10.13522/j.cnki.ggps.20170004 程明瀚，郝仲勇，杨胜利，等. 膜下滴灌条件下温室青椒的水氮耦合效应J. 灌溉排水学报， 2018 ， 37 （11 ）： 50-56,68. 0 引言水肥耦合效应机理的研究与应用，对提高农业生产力、提高水肥利用效率以及改善农业土壤环境具有重大意义。相对于传统水肥独立作用于田间的方式，水肥协同耦合能促进肥料的扩散与吸收，也能提高土壤的保墒性能 1 。不同的水肥管理制度对作物的产量、品质、生长指标以及土壤环境的影响都具有显著的差别 2-5 ，合理的水肥制度能提高水肥利用率 6-7 。氮肥是影响作物生长与土壤环境的主要因素之一，也是温室气体的主要来源，我国目前水肥管理制度还不够完善，没有一个全面系统的合理灌溉施肥制度做指导，既浪费资源，又破坏土壤环境。根据中国氮肥协会数据统计，我国2016 年氮肥产量已经达到4458 万t ，但氮肥生产力相较发达国家依然偏低，氮肥的利用效率还亟待提高。据水利部水资源公报显示， 2016 年我国农业用水量占总用水量的62.4% ，而灌溉水利用系数仅为0.536 。水肥是农业生产的2 大重要可控因子，是提高我国农业生产的关键。青椒在国内适应性比较强，大部分地区都有种植，果型大，产量高，是我国栽培的主要蔬菜之一。前人研究不同肥料 8-10 、不同灌溉方式 11 以及不同灌水量 12 对青椒生长的影响，但针对青椒对水肥耦合作用的响应研究较少。兹通过对温室青椒进行试验，探讨分析不同灌水量与施氮量的耦合效应，进而对水肥合理调控提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 试验区概况试验于2017 年2 月在北京市灌溉试验中心站（北纬3920 、东经11620 ） 5 号温室内进行，该地多年平均降水量为565mm ，多年平均水面蒸发量为1140mm ，多年平均气温为11.5 。温室内土壤为壤土，种植前收稿日期： 2017-11-29 基金项目：北京市百千万人才工程资助项目（KY-2016-01 ）；科技部项目京津冀耗水管理与资源节水技术研发示范（2016YFC0401403 ）；北京市科技计划项目都市农业用水监测评价和管理平台研究与示范（D151100004115004 ）作者简介：程明瀚（1994- ），男，安徽安庆人。硕士研究生，主要从事农业水土方面的研究工作。通信作者：郝仲勇（1972- ），男，天津宁河人。教授级高工，主要从事农业水土方面的研究工作。 50测定土壤硝态氮质量分数为37.55 mg/kg ，铵态氮质量分数为50.72 mg/kg ， pH 值为7.78 。土壤田间持水率（体积含水率）为30% ，表层20cm 土壤体积质量为1.36g/cm 3 ， 20 40cm 土层土壤体积质量为1.62g/cm 3 。 1.2 试验设计供试青椒为甜椒F1 杂交，采用穴播育苗、幼苗移栽，灌溉方式为膜下滴灌，于2017 年2 月26 日移植， 2017 年6 月20 日拉秧， 4 月中旬开始结果，根据实际生长情况约23 周采摘1 次。试验共设置灌水下限和施氮量2 个因素详见表1 。灌水下限共设置2 个水平， W1 （70% FC ）、 W2 （80% FC ）；种植前施基肥，分别施有机肥（鸡粪，含氮量2.14% ） 4 000 kg/hm 2 和复合肥（金正大，含氮量为21% ） 1 000 kg/hm 2 ，幼苗期不做处理，借鉴前人的研究成果设置了3 组施氮量处理 2,13 ， F1 （50 kg/hm 2 ）、 F2 （85 kg/hm 2 ）、 F3 （120 kg/hm 2 ），氮肥平均分为2 次追施，分别在开花期（4 月上旬）和盛果期（5 月中旬），通过尿素（含氮量46% ）施放。每个处理设置1 个小区，小区尺寸为6.8m5.2m ，每区辖四垄，垄的断面尺寸见图1 。每垄种植2 行，每行13 株，滴灌带设置为1 带1 行，植株株距40cm ，同一垄行距为35cm ，相邻垄行距为95cm ，为宽窄行种植。每个小区都有独立的支管灌水控制单元，设有水表、闸阀、压力表。灌溉方式为膜下滴灌，覆膜为全覆盖种植，滴头间距 30cm ，为内镶式压力补偿滴头，额定工作压力0.1MPa ，设计流量1.38L/h 。施肥方式为随水施入，灌溉水源为地下水，灌水量由机械水表控制。表1 试验处理设置处理 W1F1 W1F2 W1F3 W2F1 W2F2 W2F3 CK 灌水上下限 70% FC 100% FC 70% FC 100% FC 70% FC 100% FC 80% FC 100% FC 80% FC 100% FC 80% FC 100% FC 按当地农户灌水、施肥经验（灌水量约2730mm/ 周、施氮量85kg/hm 2 ）施氮量/ （kghm -2 ） 50 85 120 50 85 120 图1 种植小区横断面尺寸图（单位： cm ） 1.3 观测项目与方法 1.3.1 设备监测指标 1 ）土壤含水率：采用minitrase 土壤水分测量仪测定各小区土壤体积含水率，每20cm 为1 层，自地表至地下60cm 深处，每周测定3 次，灌水前后加测。 2 ）生长指标：每区选中间2 垄，每垄选取长势平均的植株3 株，利用直尺测定青椒植株的株高；游标卡尺测定植株的茎粗，采用十字交叉法量取青椒基部茎秆直径，测量部位始终位于茎秆基部第3 节间处。利用直尺测量青椒植株的叶长叶宽，利用公式推算叶面积指数。 3 ）生理指标：采用Li6400 光合作用仪测定净光合速率、蒸腾速率。测定日期为2017 年5 月15 日，该日为日照强度较高的典型日，进行全天的跟踪监测，此时处于青椒盛果期。测量部位选取植株冠层完全展开的叶片。 4 ）产量：果实成熟后，每次采摘按不同小区（各垄单独计数）记录果实产量，每垄果实数量，拉秧后计算总产量。 5 ）品质指标：测定各处理青椒的典型品质指标。通过Thermo 紫外/ 可见分光光度计测定可溶性糖质量分数；通过折射仪测定可溶性固形物质量分数；通过养分测定仪（OK-Q ）测定硝态氮质量分数；通过烘干称质量法测定土壤含水率。每个处理3 个重复，分别在盛果期和尾果期各测定1 次。 511.3.2 公式换算指标 1 ）耗水量通过水量平衡法计算青椒的耗水量，其计算式为： ET=P+I+R D W ，（1 ）式中： W 为土壤储水量变化量（mm ）； P 为有效降水量（mm ）； I 为农田灌溉量（mm ）； R 为地表径流（mm ）； D 为深层渗漏（mm ）； ET 为蒸腾蒸发量（mm ）。青椒为温室种植，降水量为0 ，不产生径流，深层渗漏可忽略不计，故青椒的耗水量计算可简化为： ET=I-W 。（2 ） 2 ）叶面积指数计算式为： LAI= (0.75l h)/(a b) ，（3 ）式中： LAI 为叶面积指数，无量纲； l 、 h 为叶长、叶宽（cm ）； a 、 b 为行距和株距，分别取65 、 40cm 。 3 ）水分生产效率计算式为： YUE=Y/(10ET) ，（4 ）式中， YUE 为水分生产效率（kg/m 3 ）； Y 为产量（kg/hm 2 ）。 4 ）氮肥偏生产力计算式为： WUE=Y/M ，（5 ）式中： WUE 为氮肥偏生产力（kg/kg ）； M 为施氮量（kg/hm 2 ）。 2 结果与分析 2.1 形态指标图2 、图3 分别为青椒全生育期的株高、茎粗的变化过程。W1 处理下的株高大于W2 处理。W1 处理平均株高为72.11cm ， W2 处理为69.72cm ； W1 处理下的平均茎粗为14.41mm ， W2 处理为14.49mm ，二者差距不大。低灌水下限虽然会使土壤含水率处在较低的水平，但并不会抑制作物的生长 14 。从图2 可以看出，在 W1 处理下，追肥前青椒株高的平均生长速度为0.571cm/d ， 3 月末进行追肥，各处理株高生长速度明显提高，达到1.092cm/d 。在W2 处理下，这2 个数值分别为0.699 、 0.984cm/d 。这也反映了施肥对作物株高生长具有明显的促进作用。茎粗也呈现相同的规律，在W1 处理下，追肥前茎粗的生长速度为0.161mm/d ，追肥后至生长趋于稳定时，生长速度达到0.27mm/d 。W2 处理下追肥前后茎粗生长速度分别为0.173 、 0.238mm/d 。茎粗的大小影响着植株的耗水量 15 ，是根系向冠层运输水分的通道，这也说明了水肥的耦合对作物的生长形态存在影响。图2 青椒生育期株高变化过程图3 青椒生育期茎粗变化过程低灌水下限条件下株高、茎粗在追肥前后的生长速度增量高于高灌水下限条件下的，追肥前， W1 处理株高、茎粗的生长速度低于W2 处理，而追肥使得W1 处理的生长速度超过了W2 处理，这说明低灌水下限下作物生长对氮肥的响应更为明显。叶面积指数是指单位面积上植物叶面积的总和 16 。图4 为青椒全生育期叶面积指数变化过程，由图4 可知，各处理作物的叶面积指数增长趋势基本一致，呈现前期长势快，后期变缓。W1F3 处理在追肥后生长速 52度增加最明显，之后涨幅逐渐变缓，该处理下青椒的生长对氮肥的反应最明显。W2F2 处理下对氮肥响应最差。W2F1 处理在生育期末的叶面积指数明显大于其他处理。 2.2 光合指标光合指标的监测结果如图5 和图6 所示。从图5 可以看出，各处理下的净光合速率变化趋势一致，在 11 ： 00 ，植株的净光合速率达到最大值；在07 ： 00 和 17 ： 00 植株的净光合速率较小。各处理日平均净光合速率以W2F3 处理最大（P 0.05 ）。从图5 可以看出，青椒蒸腾速率整体变化趋势一致，在13 ： 00 达到最大。但各处理间变化趋势有所差异， W2F3 处理全天蒸腾速率明显高于其他处理（P 0.05 ）， 13 ： 00 蒸腾速率达到12.17mmol/ （m 2 s ）。经方差分析， W2F3 处理的日平均蒸腾速率显著高于其他处理（P 0.05 ）。本试验采取膜下滴灌的方式，株间蒸发较小，整体灌水量较小，深层渗漏可忽略不计，温室种植不考虑降雨和径流，故植株蒸腾是作物的主要耗水项，各处理的蒸腾速率也从一定程度上反映了植株的耗水规律 17 。图5 青椒典型日净光合速率变化趋势图6 青椒典型日蒸腾速率变化趋势图7 、图8 分别为净光合速率、蒸腾速率与土壤含水率的散点图。从图7 、图8 可以看出，青椒的净光合速率、蒸腾速率与含水率呈现明显的正相关关系，并通过SPSS 进行皮尔逊相关性分析，净光合速率与土壤含水率的决定系数达到0.817 ，蒸腾速率与土壤含水率的决定系数达到0.876 ，都呈现极显著的正相关关系。对比不同灌水下限青椒的蒸腾速率得出， W2 处理下的蒸腾速率要高于W1 处理，这是由于高灌水下限的处理使得土壤水分维持在一个较高的水平，土壤含水率越高，土壤与大气间的水势差越大，植株作为SPAC 系统中一环，也起到土壤与大气水分转移的媒介作用，蒸腾速率也因此更高。W1F3 处理下的光合速率高于平均水平，这可能是由于在高施氮量水平下能提升土壤的保墒性能，使得W1F3 处理的土壤水分较高。图7 典型日各处理平均净光合速率图8 典型日各处理平均蒸腾速率 2.3 青椒耗水规律图9 为各处理青椒日均耗水量。从图9 可以看出，各处理日均耗水量都呈现出先增后降的趋势，耗水强度多在盛果期达到峰值。W1F1 、 W1F2 、 W1F3 、 W2F1 、 W2F2、 W2F3 处理全生育期内累计耗水量分别为图4 青椒生育期叶面积指数变化过程 53288.47、 238.87、 328.21、 344.25 、 256.78 、 376.36mm ， CK 全生育期耗水量为325.64mm 。低施氮量、中施氮量、高施氮量下高灌水下限的耗水量比低灌水下限的耗水量分别多了39.74 、 17.91 、 32.11mm 。对比高、低灌水下限下不同施氮量对青椒耗水量的影响，都呈现高施氮量> 低施氮量> 中施氮量。图9 各生育期日均耗水量对比 2.4 品质指标可溶性糖和可溶性固形物是影响青椒口感与营养价值的重要指标。各处理青椒产量与品质分析结果见表2。各处理下可溶性糖的质量分数在3.35% 4.01% 之间，但各处理间差距不显著（P 0.05 ）；可溶性固形物质量分数最高为W1F1 处理（4.97% ），最低为W2F3 处理（4.41% ），二者存在显著性差异（P 0.05 ）。硝态氮是评价青椒果实安全的重要指标，各处理间硝态氮质量分数无显著差异，且都在安全标准之内。各处理青椒果实的含水率也无显著差异。表2 不同处理下青椒产量与品质指标对比处理 CK W1F1 W1F2 W1F3 W2F1 W2F2 W2F3 注表中数值为平均值标准差，相同字母表示在同一显著性水平下（PF2 处理>F1 处理。W2F1 处理的氮肥偏生产力最大，这是因为W2F1 处理下高灌水量在一定程度上弥补了低氮量对青椒增产效益的不足，使产量达到一个较高水平，其次W1F3 、 W2F3 处理的产量具有明显优势使得其氮肥偏生产力处于较高水平。 2.6 利用主成分分析法对灌溉制度综合评价选取青椒的产量、单果质量、水分生产效率、氮肥偏生产力、可溶性糖量、可溶性固形物量、果实含水率、植株株高、茎粗和叶面积指数等10 项青椒主要生长指标。通过对各指标标准化处理、构建相关系数矩阵、进行主成分分析，通过选取累积贡献率达到80% 以上且特征值大于1 的前3 个成分作为主成分，这3 个主成分信息即可替代其他指标信息，主成分分析结果见表4 。表4 主成分贡献率及累计贡献率成分 1 2 3 特征值 4.702 2.402 1.704 贡献率/% 42.743 21.841 15.495 累计贡献率/% 42.743 64.584 80.079 主成分分析公式 19 为： Zk=rk1X1+rk2X2+ +rknXn ，（6 ）式中： rki 、 Xi 分别表示第k 个主成分下第i 个特征向量及其对应的标准化数据，通过式（6 ）即可得到3 个主成分和各指标的线性组合。 Z=Z1 F1+Z2 F2+Z3 F3 ，（7 ）式中： Fk 表示第k 各主成分的贡献率，代入数据到式（7 ）得出各处理下的综合评分（表5 ），可以看出W1F3 处理>W2F3 处理>CK>W2F2 处理>W1F1 处理>W1F2 处理>W2F1 处理，综合来看， W1F3 处理的各项指标最优，此时灌水量为499mm ，施氮量为120kg/hm 2 ，与前文模型曲面所得的结论接近。从主成分分析评分上来看， W2 处理较W1 处理的各项指标并没有明显的优势，即低灌水下限处理不仅不会抑制作物的生长，反而提高了水分利用效率； F3 处理相较于F1 、 F2 处理有明显优势，即120kg/hm 2 施氮量是温室青椒生长较为合适的追肥量。表5 不同处理下青椒各项指标综合评价处理 CK W1F1 W1F2 W1F3 W2F1 W2F2 W2F3 Z1 0.30 -0.25 0.02 0.50 -1.22 0.37 0.29 Z2 -0.28 0.29 0.02 0.91 -1.16 -0.25 0.46 Z3 0.97 0.34 -0.93 0.66 -0.50 -0.06 -0.48 Z 0.12 0.01 -0.13 0.52 -0.85 0.09 0.15 排名 3 5 6 1 7 4 2 3 讨论与结论 1 ）低灌水下限时的水氮的耦合作用更佳。在W1 处理下，施氮更能促进青椒株高、茎粗、叶面积等生长，青椒枝干作为根系向冠层运输水分的通道，茎粗大小能影响青椒的耗水量大小。叶面积指数的大小能反映图10 青椒产量与灌水施氮量关系 55冠层茂密程度，高植被覆盖能够降低土壤的温度，减少株间的蒸发，增强土壤的保墒性能 1 。但叶面积指数过高，会导致作物下部光照不足，抑制了作物的光合作用。青椒的光合指标还与土壤含水率呈明显的正相关关系。这是由于土壤含水率越高，土壤与大气间的水势差越大，导致蒸腾速率加快。 2 ）水氮之间的耦合在数量上具有一定的互补关系。试验结果表明，不同灌水下限处理，耗水量均表现为F3 处理>F1 处理>F2 处理，说明F2 处理的土壤养分环境较优，适当的土壤环境有利于提高土壤的保墒性能 20,21 ，从而降低了作物耗水，且F2 处理的水分生产效率也处于较高的水平， W2F2 处理的水分生产效率为各处理中最高，施肥可以改善作物水分状况，提高作物水分生产效率，但施肥不当或过度时，会降低水分生产效率 3 。W2F1 处理的氮肥偏生产力最大，穆兴民 22 提出，水肥协同耦合是指某因子数量上的不足可以从另一个因子上得到补充，从而减小了作物有该因子不足所造成的减产，这解释了低施氮量、高灌水下限的 W2F1 处理产量依然能达到一个较高的水平，因此氮肥偏生产力较高。 3 ）通过主成分分析法对各处理进行综合分析， W1F3 处理为最优处理。F3 处理下的产量高于F1 、 F2 处理，与孔清华等 2 与戚智尧等 13 研究结果接近。水肥耦合对作物生长的影响存在阈值反应，低于阈值，增加水肥投入对作物增产明显，而超过阈值，增产作用减小甚至造成减产 23 。通过构建青椒产量与灌水施氮量的三维关系曲面得出，青椒的水肥阈值约为520mm 灌水量和104kg/hm 2 的施氮量。灌水量较小、施氮量较大时会严重影响青椒的产量，这是由于灌水量小不利于氮在土壤中扩散，而氮在土壤中过分残留也抑制了青椒根系对水分的吸收 24 。高艳明等 25 提出，灌水对青椒的增产效应大于施肥，本研究也发现产量在灌水量的变化幅度也明显大于施氮量。参考文献： 1 梁运江, 依艳丽, 许广波, 等. 水肥耦合效应的研究进展与展望J. 湖北农业科学,2006,45(3):385-388. 2 孔清华, 李光永, 王永红, 等. 不同施肥条件和滴灌方式对青椒生长的影响J. 农业工程学报,2010,26(7):21-25. 3 邢英英, 张富仓, 张燕, 等. 膜下滴灌水肥耦合促进番茄养分吸收及生长J. 农业工程学报,2014,30(21):70-80. 4 李建明, 潘铜华, 王玲慧, 等. 水肥耦合对番茄光合、产量及水分利用效率的影响J. 农业工程学报,2014,30(10):82-90. 5 高丽, 李红岭, 王铁臣, 等. 水氮耦合对日光温室黄瓜根系生长的影响J. 农业工程学报,2012,28(8):58-64. 6 王巧仙, 张江红, 张玉星. 水肥耦合对梨园土壤养分和果实品质的影响J. 中国果树,2013(4):18-23. 7 滕霄, 李波, 王铁良, 等. 膜下滴灌水肥耦合效应对青椒产量的影响J. 中国农村水利水电,2015(2):74-77. 8 贯立茹, 张成军, 刘佳伟, 等. 氮肥施用量对温室彩椒产量及土壤硝酸盐含量的影响J. 中国蔬菜,2011,1(22/24) ： 104-107. 9 高树涛, 黄玲, 赵凯, 等. 磷肥不同用量对辣椒品质的影响J. 山东农业科学,2009(1):82-83. 10 任媛媛, 张恩让, 胡华群, 等. 钾素对辣椒生长及产量的影响J. 西南农业学报,2007,20(5):1044-1047. 11 李波, 王铁良, 刘伽, 等. 不同灌溉方式下温室湿度变化及对青椒生长的影响J. 灌溉排水学报,2009,28(4):45-47. 12 李晶晶, 王铁良, 李波, 等. 日光温室滴灌条件下不同灌水下限对青椒生长的影响J. 节水灌溉,2010(2):24-26. 13 戚智尧, 王铁良. 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