朱文婷，孫兆軍，，祁 琦，焦炳忠，禹 昭，何 俊

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川750021；2.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，銀川750021；3.教育部中阿旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，銀川750021；4.寧夏（中阿）旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川750021）

辣椒屬于茄科辣椒屬，是最易受干旱脅迫的園藝作物之一，這是由于其廣泛的蒸騰葉表面、高氣孔導(dǎo)度和淺根性，灌水過(guò)多或過(guò)少都將可能抑制辣椒根系生長(zhǎng)和生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降等問(wèn)題[1,2]。我國(guó)水土資源地域分布的不平均、水資源短缺且利用率低，尤其是在西北干旱和半干旱地區(qū)，干旱少雨，這都會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成一定的影響，所以我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)在和未來(lái)發(fā)展的至關(guān)重要的一步是大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)[3,4]。土壤水分適宜下限值是制定灌溉制度的指標(biāo)之一，灌水開始的時(shí)間和次數(shù)由其決定[5]。當(dāng)前農(nóng)業(yè)節(jié)水領(lǐng)域，設(shè)置合適的土壤水分適宜下限值對(duì)作物進(jìn)行灌溉是熱門主題[6-8]。如蒙強(qiáng)等[9]通過(guò)設(shè)置4 個(gè)土壤水分下限調(diào)控水平，確定春青稞適宜的土壤水分下限為55%～60%θ?(θ?為田間持水率)；焦炳忠等[10]以棗樹4 個(gè)生育時(shí)期進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定了滲灌條件下棗樹最適宜的土壤水分下限：萌芽展葉期為50%θ?、開花坐果期為75%θ?、果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期為65%θ?；也有學(xué)者通過(guò)水分下限試驗(yàn)，確定甜瓜在生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期土壤水分下限指標(biāo)為65%θ?[11]。

地下滲灌通過(guò)灌水器微孔滲水以及土壤毛管吸水作用將水分直接輸送到作物根部，相比于地面滴灌，該灌溉方式可以更科學(xué)地控制灌水量，有效地減少棵間蒸發(fā)，增產(chǎn)增收。關(guān)于地下滲灌技術(shù)的研究，目前主要集中在其對(duì)作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響[12]，灌水器適宜布置方式[13]和濕潤(rùn)體大小、分布范圍[14]等方面。但針對(duì)土壤水分下限控制對(duì)地下滲灌作物灌溉模式影響的相關(guān)研究尚不多見(jiàn)，還有待于進(jìn)一步研究。為此，本試驗(yàn)在大田地下滲灌栽培條件下，研究各生育期不同土壤水分下限處理對(duì)辣椒生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，提出用于辣椒栽培合適的土壤水分下限，以期為寧夏引黃灌區(qū)辣椒栽培的合理灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在寧夏回族自治區(qū)銀川市賀蘭縣金貴鎮(zhèn)牡丹花鄉(xiāng)試驗(yàn)地(38°29′31″N，106°23′54″E)進(jìn)行，地處寧夏回族自治區(qū)銀川市東北部，銀川平原引黃灌區(qū)中部，耕地多為黃河自流灌溉。試驗(yàn)地屬溫帶大陸性氣候，日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大，多年平均氣溫9.7 ℃，海拔1 000 m，多年平均降水量138.8 mm，集中在6-9月，空氣相對(duì)濕度在60%～70%，水文條件薄弱，形成地表徑流量為零，實(shí)際可用水量較少。試驗(yàn)地質(zhì)地為壤土，排灌良好，試驗(yàn)在7-9月進(jìn)行。試驗(yàn)開始前，在試驗(yàn)田內(nèi)取土風(fēng)干碾碎過(guò)篩，測(cè)得田間持水率為23.12%(質(zhì)量含水率)、pH 值8.04，土壤容重1.51 g/cm3，有機(jī)質(zhì)12.6 g/kg，全氮0.79 g/kg，速效磷15.7 mg/kg，速效鉀167 mg/kg。

1.2 材料與栽培

供試?yán)苯菲贩N為航椒4 號(hào)，于2020年5月12日定植。試驗(yàn)采用人工起壟，壟寬0.8 m，壟高0.12 m。辣椒采取每壟雙行定植，穴按三角形交錯(cuò)排列，株距40 cm，行距50 cm，行向?yàn)槟媳毕?。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的長(zhǎng)5.0 m，寬2.4 m，面積均為12 m2。壟中間埋置一條滲灌帶，埋設(shè)深度10 cm，起壟前施入足量的氮磷鉀復(fù)合肥。選擇1.2 m 幅白色地膜，用鋪膜機(jī)覆膜，其他與一般大田田間管理措施相同。成熟后分批采摘，分別于7月12日、8月7日、8月28日收獲第1～3茬辣椒。

供試滲灌管選用本研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的全滲管道，出水量為300～400 mL/(m·min)，水平鋪設(shè)滲灌管，試驗(yàn)灌溉用水采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電提水技術(shù)。為準(zhǔn)確控制灌溉時(shí)間、水量和土壤水分上下限，采用GC 003 控制系統(tǒng)（上海艾美克有限公司）以及土壤水分傳感器、流量計(jì)、壓力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)辣椒根系的分布特征，每個(gè)處理分別設(shè)置3個(gè)傳感器，在垂直方向地表以下5、15、25 cm埋設(shè)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)辣椒各生育時(shí)期對(duì)水分敏感程度、每年灌溉量、當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)者對(duì)辣椒各生育時(shí)期的土壤水分下限的研究，將辣椒分為4個(gè)生育期：苗期、開花坐果期、盛果期和后果期。本試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)試驗(yàn)，分別在苗期設(shè)置4個(gè)灌溉梯度下限45%θ?、55%θ?、65%θ?和75%θ?，開花坐果期、盛果期和后果期設(shè)置3 個(gè)灌溉梯度下限55%θ?、65%θ?、75%θ?，全生育期充分灌水為對(duì)照(CK)，所有處理上限均為80%θ?，即對(duì)應(yīng)的水分傳感器設(shè)置上限值為28%(體積含水率)。因此，共10 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次。換算后設(shè)置土壤水分傳感器下限值(體積含水率)。換算公式為：

式中：θ為體積含水率，%；ρ1為土壤干容重，g/cm3；ρ2為水容重，取1.0 g/cm3；ω為質(zhì)量含水率，%

不同處理各生育時(shí)期土壤水分傳感器對(duì)應(yīng)的值如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

（1）作物生長(zhǎng)指標(biāo)。每個(gè)處理選取5 株進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，在每個(gè)生育期結(jié)束時(shí)測(cè)量一次。株高使用卷尺測(cè)量，精度值為1 mm，用游標(biāo)卡尺通過(guò)十字交叉法測(cè)量莖粗，測(cè)量部位為主莖根部。葉面積的測(cè)量選用系數(shù)法[15]。

（2）產(chǎn)量。在各小區(qū)選取5株代表辣椒植株，每次采摘時(shí)用這5株辣椒產(chǎn)量的平均值作為各小區(qū)辣椒的單株產(chǎn)量，最后折合成每公頃產(chǎn)量，采摘3次產(chǎn)量之和為總產(chǎn)量。

（3）辣椒耗水量。公式為：

式中：ET為耗水量，mm；P為植物生育期降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔSWS為生育期開始和生育期結(jié)束時(shí)的土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的儲(chǔ)水量之差，mm；R為徑流量，mm；D為深層土壤水滲漏量，mm。

因試驗(yàn)區(qū)地下水位在20 m 以下，每次灌水量和單次降雨量均較少，實(shí)測(cè)生育期內(nèi)1～1.5 m 土層土壤含水率變化不大，計(jì)算公式中R和D可忽略不計(jì)。

（4）水分利用效率。辣椒水分利用效率的計(jì)算如下：

式中：WUE為辣椒全生育期水分利用效率，kg/m3；Y為辣椒產(chǎn)量，kg/hm2

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和SPSS 22.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤水分下限對(duì)辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 不同土壤水分下限對(duì)辣椒株高的影響

從圖1可以看出，各處理辣椒株高變化趨勢(shì)相同，隨著生育期的推進(jìn)株高逐漸增加，各生育期株高增長(zhǎng)速度開花坐果期最大，其次為苗期，隨后為盛果期，后果期最小。在苗期和盛果期，不同梯度的灌溉下限均顯著抑制了辣椒株高的增長(zhǎng)，導(dǎo)致辣椒株高顯著（P＜0.05）小于CK 處理，且水分下限越低，辣椒株高越小，T1、T2、T3 處理在后果期時(shí)的株高分別比CK 處理顯著降低了24.67%、11.59%、3.96%。在盛果期，土壤水分下限為65%θ?的處理辣椒株高與對(duì)照無(wú)顯著（P＞0.05）差異，而水分下限為55%θ?處理辣椒株高顯著小于對(duì)照。到后果期，辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基本完成，株高基本不變，此階段水分對(duì)辣椒株高無(wú)顯著（P＞0.05）影響，最終表現(xiàn)為CK＞T9＞T8＞T3＞T7＞T5＞T6＞T2＞T4＞T1。其中CK 處理株高最大，為84.8 cm，T1處理株高最小，為63.9 cm。

圖1 不同土壤水分下限對(duì)辣椒株高的影響Fig.1 Effects of different soil moisture limits on pepper plant height

2.1.2 不同土壤水分下限對(duì)辣椒莖粗的影響

莖粗是衡量辣椒是否健壯的重要指標(biāo)之一，不同土壤水分下限對(duì)辣椒莖粗的影響如圖2所示。不同處理對(duì)辣椒莖粗均有影響，整個(gè)生育時(shí)期內(nèi)各水分處理辣椒莖粗不斷增大，其中盛果期辣椒莖粗增長(zhǎng)速率大，增幅為5.18 mm。在辣椒各生育期內(nèi)，CK 處理辣椒莖粗始終處在最高水平。苗期、開花坐果期和盛果期水分脅迫均導(dǎo)致辣椒的莖粗顯著（P＜0.05）小于CK處理，并且灌水控制下限越低，辣椒莖粗越小，其中T1處理的辣椒莖粗比對(duì)照小21.49%。生育期末，T3、T8和T9處理辣椒莖粗均與CK 處于同一水平，而其余處理辣椒莖粗均與對(duì)照差異顯著，這說(shuō)明辣椒莖粗在苗期、開花坐果期和盛果期缺水時(shí)生長(zhǎng)會(huì)受到抑制。

圖2 不同土壤水分下限對(duì)辣椒莖粗的影響Fig.2 Effects of different soil moisture limits on pepper stem diameters

2.1.3 不同土壤水分下限對(duì)辣椒葉面積指數(shù)（LAI）的影響

如表2所示，隨著辣椒生育期的延長(zhǎng)，各水分處理辣椒葉面積指數(shù)從苗期到后果期持續(xù)增大。全生育期CK 處理的辣椒LAI始終處于最高水平，除T9 處理外，其余處理均導(dǎo)致辣椒LAI顯著（P＜0.05）小于對(duì)照。T1、T2 和T3 處理與CK 相比，苗期分別降低42.74%、32.48%、18.80%，開花坐果期分別降低29.71%、24.27%、9.71%。盛果期和后果期T3 處理葉面積指數(shù)與CK 處于同一水平(P＞0.05)，這說(shuō)明苗期土壤水分下限為65%θ?時(shí)，到后期復(fù)水后辣椒葉面積會(huì)發(fā)生恢復(fù)性生長(zhǎng)。在各生育期T8、T9 處理與其余處理相比無(wú)顯著性差異(P＞0.05)，說(shuō)明在后果期，辣椒葉面積的增長(zhǎng)在適宜的水分下限條件下不受影響。

表2 不同土壤水分下限對(duì)辣椒葉面積指數(shù)（LAI）的影響Tab.2 Effects of different soil moisture limits on pepper leaf area index(LAI)

2.2 不同土壤水分下限對(duì)辣椒產(chǎn)量的影響

從表3可以看出，不同土壤水分下限處理下辣椒總產(chǎn)量表現(xiàn)為CK＞T3＞T2＞T9＞T8＞T7＞T5＞T4＞T6＞T1。

表3 不同土壤水分下限對(duì)辣椒產(chǎn)量的影響kg/hm2Tab.3 Effects of different soil moisture limits on yield of pepper

全生育期充分灌水的CK 處理辣椒總產(chǎn)量最高，為37 799.81 kg/hm2，T2、T3 和T9 處理的總產(chǎn)量處于最高水平，而T1處理的產(chǎn)量處于最低，比CK顯著減小14.17%。在第1茬收獲時(shí)，T7 處理的產(chǎn)量處于最高水平，而T4 處理產(chǎn)量最低，比CK顯著(P＞0.05)小23.80%，T1、T2和T5處理產(chǎn)量處于同一水平，且均小于前期水分未虧缺處理。在第2 茬收獲時(shí)，T6和T7處理的辣椒產(chǎn)量分別比對(duì)照顯著小24.41%和20.46%，而T2 和T3 處理的此茬產(chǎn)量均與CK 處于同一水平，說(shuō)明苗期55%θ?和65%θ?的灌水控制下限對(duì)辣椒第2 茬產(chǎn)量影響較小。在收獲第3 茬辣椒時(shí)，T2 處理產(chǎn)量最高，為12 778.05 kg/hm2，且T2、T3、T6 和T7 處理的產(chǎn)量與CK 處理處于同一水平，說(shuō)明苗期、盛果期55%θ?和65%θ?的灌水控制下限不影響此茬辣椒產(chǎn)量。而T8處理的產(chǎn)量比CK顯著小29.63%。

2.3 不同土壤水分下限對(duì)辣椒水分利用效率的影響

不同土壤水分下限下對(duì)辣椒耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率的影響如表4所示。不同生育階段辣椒灌水量和耗水量隨著灌水控制下限的降低而逐漸減小，CK 處理全生育期灌水量和耗水量均最大，分別為329.12、483.25 mm。T2、T4、T5、T7處理全生育期耗水量和灌水量處于同一水平，比CK小7.64%～12.95%，而T1 處理的灌水量和耗水量處于最低水平，分別比CK小18.25%和16.74%。

水分利用效率(WUE)可以反映作物產(chǎn)量與耗水量之間的關(guān)系和培植過(guò)程中水所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。由表4可以看出，不同土壤水分下限處理下辣椒的水分利用效率有所不同。與全生育期充分供水的CK 處理相比，T2 處理的水分利用效率最高，T9處理次之，分別為8.58和8.03 kg/m3，T2處理比CK 顯著(P＞0.05)高10.83%，其余處理對(duì)辣椒水分利用影響不大。所以苗期55%θ?的灌水控制下限能顯著提高地下滲灌辣椒的水分利用效率。

表4 不同土壤水分下限對(duì)辣椒水分利用效率的影響Tab.4 Effects of different soil moisture limits on WUE of pepper

3 討 論

水分對(duì)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育起著關(guān)鍵作用，不同的土壤水分下限不同程度地影響了作物的株高、莖粗和葉面積指數(shù)。在生長(zhǎng)過(guò)程中隨著水分下限的降低，辣椒的生長(zhǎng)發(fā)育均會(huì)受到抑制。由于辣椒的補(bǔ)償效應(yīng)，苗期受到水分脅迫后在其他生育期充分灌溉，T3 處理的辣椒株高和莖粗等生長(zhǎng)指標(biāo)在后期發(fā)生補(bǔ)償生長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度加快逐漸接近對(duì)照處理，這與付秋實(shí)[16]等研究結(jié)果一致。水分虧缺使得作物體內(nèi)含水量減少，進(jìn)而細(xì)胞收縮，細(xì)胞壁松弛，細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)展受到抑制，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)緩慢。研究表明，作物產(chǎn)量受不同時(shí)期缺水影響不同，辣椒產(chǎn)量隨灌水量的增加先增加后減小。作物達(dá)到最大產(chǎn)量后再繼續(xù)灌水，有可能引起作物減產(chǎn)和水分利用效率下降[17]。造成這一現(xiàn)象可能是因?yàn)檩^低的灌水下限條件下土壤含水率較低，土水勢(shì)較小，不利于辣椒吸收水分和生長(zhǎng)發(fā)育，在高灌溉水平下使得辣椒根際土壤含水率過(guò)高，植株的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)盛從而抑制了生殖生長(zhǎng)，同時(shí)根系附近水分過(guò)多，抑制了辣椒根系的呼吸作用，會(huì)導(dǎo)致辣椒在開花坐果期落花落果，從而產(chǎn)量降低[18]。本試驗(yàn)中，CK 處理辣椒總產(chǎn)量最大，產(chǎn)量為37 399.81 kg/hm2，水分利用效率為7.74 kg/m3，T2 處理總產(chǎn)量為37 015.73 kg/m3，水分利用效率最高為8.58 kg/m3，T2 處理在不降低辣椒產(chǎn)量的同時(shí)能有效提高辣椒的水分利用效率。本研究在滲灌條件下得出：不同生育時(shí)期內(nèi)適度的水分脅迫可減少作物灌水量及耗水量，利于辣椒根系更好吸收營(yíng)養(yǎng)和水分，提高產(chǎn)量、收入和水分利用效率。若同時(shí)考慮辣椒株高、莖粗、葉面積指數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量，灌水量控制在75%θ?下限為佳；若綜合考慮當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水資源現(xiàn)狀、辣椒水分利用效率以及經(jīng)濟(jì)效益，灌水量控制在苗期55%θ?下限，可以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水和豐產(chǎn)的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在地下滲灌條件下，辣椒苗期、開花坐果期和盛果期，設(shè)置不同梯度的土壤水分下限都會(huì)顯著影響辣椒株高、莖粗和葉面積指數(shù)，且土壤水分下限越低，株高、莖粗和葉面積指數(shù)越小。而在后果期辣椒主要進(jìn)行生殖生長(zhǎng)，水分下限對(duì)辣椒株高和莖粗等生長(zhǎng)指標(biāo)影響不大。

（2）辣椒各生育時(shí)期降低土壤水分下限值，灌水量和耗水量隨之減少，產(chǎn)量有所影響，但水分利用效率反而提高。T2、T3、T9處理與CK處理(最大)產(chǎn)量無(wú)顯著差異(P＞0.05)，但T2 處理的水分利用效率最佳，為8.58 kg/m3，灌水量為293.92 mm，較T2、T9和CK處理低。

（3）綜合考慮地下滲灌辣椒生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和水分利用效率，苗期土壤水分下限為55%θ?，其余時(shí)期充分供水(土壤水分下限為75%θ?)為本試驗(yàn)條件下的最佳灌溉模式，為寧夏引黃灌區(qū)實(shí)現(xiàn)大田辣椒精準(zhǔn)灌溉、高效節(jié)水種植提供方案和技術(shù)指導(dǎo)。