李 超，張 航，胡浩云，楊勝利，黃俊雄

(1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京100048；3.北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，北京100048)

0 引 言

設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容，因?yàn)榫哂辛己玫慕?jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，近些年得到迅速發(fā)展，根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒等資料[1,2]，2010年我國(guó)設(shè)施蔬菜種植面積有183 萬hm2，隨后逐年遞增，至2016年已經(jīng)發(fā)展到391.5 萬hm2，占國(guó)內(nèi)蔬菜種植總面積的比例從2010年的12.03%提高到17.53%。水分和肥料是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育先決條件，適宜灌水能起到調(diào)肥作用，提高肥料的利用率[3]，灌水量過多會(huì)導(dǎo)致土壤缺氧，容易造成植物氣孔的關(guān)閉，還會(huì)造成肥力的淋失[4,5]；適量虧缺灌溉可以刺激作物生長(zhǎng)，產(chǎn)生作物生長(zhǎng)和水分利用的補(bǔ)償效應(yīng)，有利于作物增產(chǎn)提質(zhì)[6]。氮素作為作物生長(zhǎng)所需的大量元素之一，是土壤中最活躍的因素之一，適量增施氮肥促進(jìn)作物生長(zhǎng)，而氮肥過量不僅對(duì)增產(chǎn)無益，還會(huì)降低肥料的利用率[7]，甚至造成減產(chǎn)、生長(zhǎng)不良、環(huán)境污染等問題[8-10]。

隨著農(nóng)作物精細(xì)化管理水平的不斷提高，精準(zhǔn)灌溉決策及控制系統(tǒng)應(yīng)用越來廣泛，實(shí)時(shí)灌溉決策方法主要分為4 類[11]，即基于蒸散量計(jì)算和水量平衡的方法、基于土壤水分的方法、基于作物水分的方法和基于模型的方法，其中，基于蒸散量和水量平衡的灌溉決策方法應(yīng)用較多[12-15]，但是在節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)前提下不同ET灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)及水肥利用效率的影響相關(guān)研究還較少，張航[16]玉米大田試驗(yàn)灌水量是依據(jù)作物蒸散量(ET0)和水量平衡方法確定，設(shè)了50%，70%和100%三個(gè)水平，試驗(yàn)結(jié)果顯示不同灌水量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響不顯著；范海燕[17]等利用不同水文年ET0、ETC和降雨量P0制定了蘋果樹高效節(jié)水灌溉制度。本文擬研究基于ETc灌溉下，設(shè)施尖椒生長(zhǎng)情況及水肥利用效率的響應(yīng)特征，以便為今后設(shè)施作物基于ETc進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉決策提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

尖椒試驗(yàn)在北京通州區(qū)永樂店北京市灌溉試驗(yàn)中心站內(nèi)2號(hào)日光溫室進(jìn)行，該站地處北緯39°20′、東經(jīng)114°20′，多年平均降水量565 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 140 mm左右，多年平均氣溫約11.5 ℃。溫室為東西走向，全長(zhǎng)90.7 m，凈寬8.67 m，占地面積780.3 m2。溫室共12個(gè)小區(qū)，每區(qū)尺寸為6.9 m×7 m。溫室內(nèi)于兩端各設(shè)置寬為2.5 m的保護(hù)區(qū)。土壤質(zhì)地為壤土，田間持水率FC為30%，容重為1.36 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

尖椒于2016年2月25日移栽，試驗(yàn)品種為“迅馳”。每小區(qū)4壟行距為45 cm，株距為43 cm，每行17株左右。每行布置一條滴管帶，滴頭間距30 cm。播種前施加有機(jī)肥23.25 t/hm2，總有機(jī)質(zhì)45%，N、P、K含量分別為1.5%、3%、2.5%。為確保幼苗成活率，苗期進(jìn)行3次灌水，不同處理灌水量相同。根據(jù)尖椒的生長(zhǎng)特性，全生育期共152 d，各生育階段劃分見表1。

表1 尖椒生育期始末時(shí)段Tab.1 The period of the pepper

試驗(yàn)設(shè)置水分和氮肥兩個(gè)因素，以設(shè)施尖椒計(jì)算時(shí)段內(nèi)作物需水量ETc為控制因子，設(shè)置兩個(gè)灌水水平：70%ETc、90%ETc，依次標(biāo)記為W1、W2，當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層含水率為60%FC～70%FC時(shí)進(jìn)行灌水，苗期土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層為0～20 cm，其他生育期為0～60 cm。試驗(yàn)生育期氮素設(shè)置N1(120 kg/hm2)、N2(150 kg/hm2)兩個(gè)水平，肥料選尿素(含氮量46%)，根據(jù)作物需要，分別在第一穗果坐住后(2016/4/7)和第二穗果膨大期(2016/5/8)同比例施加，采用比例施肥泵按照“1/4清水-1/2隨水施肥-1/4清水”模式注入[18]。雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)設(shè)置見表2。

參考作物蒸散量ET0、作物需水量ETc根據(jù)FAO-56修正Penman-Monteith公式[12](1)、(2)計(jì)算，各處理灌水時(shí)間以及灌水量結(jié)果如圖1所示。

(1)

表2 不同試驗(yàn)處理設(shè)置及其所轄小區(qū)Tab.2 Grouping different treatment test areas

ETc=KcET0

(2)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Δ為溫度隨飽和水汽壓變化斜率，kPa/℃；Rn為溫室凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為近地面土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)，試驗(yàn)計(jì)算過程不考慮；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；U為高度2 m處平均風(fēng)速，m/s；es、ea分別為溫室飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，kPa；T為溫室日平均氣溫，℃；ETc為作物需水量，mm/d；Kc為作物系數(shù)。

圖1 設(shè)施尖椒累積灌水量Fig.1 Facility pepper accumulation cumulative irrigation

1.3 觀測(cè)指標(biāo)和方法

土壤水分：每個(gè)處理安裝一臺(tái)型號(hào)為WatchDog1400的土壤含水量測(cè)量?jī)x，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤體積含水率，監(jiān)測(cè)深度為5、15、30、50 cm。同時(shí)用烘干法測(cè)土壤含水率，校正儀器自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

土壤溫度：HZTJ1土壤溫度記錄儀測(cè)定土壤實(shí)時(shí)溫度，觀測(cè)深度為10、20、40、60 cm，每個(gè)處理布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

溫室內(nèi)設(shè)有小型氣象站(Watch Dog2000)，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)室內(nèi)太陽(yáng)輻射、溫度、相對(duì)濕度等氣象參數(shù)。

生長(zhǎng)指標(biāo)：試驗(yàn)每隔一周左右測(cè)量尖椒株高、莖粗、葉面積，其中株高測(cè)量為其頂端至根基處，采用十字交叉法量取尖椒基部莖稈直徑，測(cè)量部位始終位于莖稈基部第1節(jié)間處；網(wǎng)格法測(cè)量葉面積。

品質(zhì)指標(biāo)：盛果期(2016/5/27)測(cè)定設(shè)施尖椒的粗蛋白、可溶性糖、氨基酸、還原性Vc、硝態(tài)氮、水分等指標(biāo)含量，其中重量法測(cè)定粗蛋白；蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖；茚三酮法測(cè)氨基酸；2，6-二氯酚靛酚法測(cè)定還原性Vc；連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定果實(shí)中硝態(tài)氮含量；烘干法測(cè)果實(shí)中水分。

產(chǎn)量：按處理定期采收尖椒，采用精度為50 g電子秤稱重。

灌溉水分利用效率IWUE通過公式(3)計(jì)算：

IWUE=Y/I

(3)

氮肥偏生產(chǎn)力PFP(kg/kg)通過公式(4)計(jì)算：

PFP=Y/N

(4)

設(shè)施尖椒耗水ET耗根據(jù)水量平衡公式計(jì)算，因?yàn)樵囼?yàn)溫室膜下滴灌，試驗(yàn)區(qū)地下水位較深(一般在8.0 m以下)，則降雨、地表徑流、地下補(bǔ)給量、深層滲流量均可忽略不計(jì)，水量平衡方程簡(jiǎn)化為式(5)所示：

ET耗=I-ΔW

(5)

式中：IWUE為灌溉水分利用效率，kg/m3；Y為作物產(chǎn)量，kg/hm2；I為作物全生育期灌水量，m3/hm2；PFP為氮肥偏生產(chǎn)力，kg/kg；N為作物全生育期施氮量，kg/hm2；ET耗為耗水量，mm；ΔW為土壤儲(chǔ)水量(θ2-θ1)，mm，計(jì)算時(shí)段內(nèi)時(shí)段末和時(shí)段初計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤水分變化量。

1.4 分析方法

數(shù)據(jù)采用EXCEL進(jìn)行整理與作圖，SPSS 22進(jìn)行方差分析(采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn))。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理土壤含水量變化

各處理生育期0～60 cm土層范圍的土壤平均含水量變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可知，不同處理土壤含水量生育期變化趨勢(shì)大致相同，苗期和開花坐果期土壤含水量相對(duì)較大；盛果期，作物需水量變大，溫室氣溫開始上升，土壤含水量呈下降趨勢(shì)，直至尾果期，土壤含水量才開始緩慢上升，全生育期各處理土壤平均水分含量20.35%～23.52%，相同施氮量情況下，W2處理土壤含水量比W1處理相對(duì)較高，N2處理苗期和開花期除外，主要受W1N2處理初始土壤含水量較高，但是至盛果期，不同灌水的影響顯現(xiàn)出來，土壤含水量W2N2>W1N2處理。相同灌水水平，不同施氮量處理土壤含水量差別不大。通過方差分析，各處理全生育期平均土壤含水量之間的差異沒有達(dá)到顯著水平。

圖2 設(shè)施尖椒土壤含水量變化Fig.2 The soil moisture

2.2 不同水氮處理設(shè)施尖椒耗水規(guī)律

表3為各生育階段作物耗水量，由表可知尖椒耗水量隨生育期推進(jìn)呈現(xiàn)“先增后降”變化趨勢(shì)，而耗水強(qiáng)度隨生育期推進(jìn)呈現(xiàn)“遞增”變化趨勢(shì)。相同灌水水平下，高施氮量處理的作物耗水強(qiáng)度較大，W1N2處理比W1N1處理提高6.44%，W2N2處理比W2N1處理提高1.90%；相同施氮水平下，90%ETc灌水處理的耗水量相對(duì)較大。

表3 各處理各生育期耗水量Tab.3 Water consumption at different growth stages for all treatments

2.3 尖椒植株生長(zhǎng)對(duì)水肥耦合的響應(yīng)特征

水肥耦合下尖椒生育期內(nèi)株高、莖粗、單株葉面積變化如圖3所示，不同水肥處理?xiàng)l件下尖椒植株在整個(gè)生育期變化趨勢(shì)相同，苗期和開花坐果期植株主要為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，作物生長(zhǎng)較快，隨后作物進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段，根系吸收養(yǎng)分主要供給果實(shí)增長(zhǎng)，因此盛果期生長(zhǎng)緩慢，尾果期后植株逐漸枯萎，株高和單株葉面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由圖3可以看出，不同水肥處理間尖椒植株間差異隨生育期推進(jìn)逐漸增大；整體來看，W2N2處理尖椒株高較高，W2N1處理生育后期尖椒莖粗，W2N2處理生育前期長(zhǎng)勢(shì)較好。相同施氮水平下，W2灌水處理尖椒株高、莖粗、單株葉面積高于W1處理；相同灌水量條件下，N2處理植株株高大于N1處理。

圖3 設(shè)施尖椒植株的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamic changes of plant

2.4 不同設(shè)施條件處理下尖椒的品質(zhì)影響

表4為水肥耦合對(duì)尖椒各品質(zhì)指標(biāo)影響，由表3可知，各處理粗蛋白和可溶性總糖相差不大，W2處理的尖椒水分含量相對(duì)較大；相同施氮量情況下，W1處理氨基酸、還原性Vc含量較大，但硝態(tài)氮含量也較大；相同水分情況下，N2處理氨基酸、硝態(tài)氮含量較大,說明低水分處理下，有利于尖椒品質(zhì)的形成，為降低硝態(tài)氮含量，可適當(dāng)降低施氮量。通過方差分析，各處理的品質(zhì)指標(biāo)均沒有達(dá)到顯著水平。

表4 各處理對(duì)尖椒品質(zhì)影響Tab.4 Effect of different treatment on quality of Pepper fruit

2.5 不同處理對(duì)尖椒產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

表5為各處理尖椒產(chǎn)量、灌溉水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力影響。由表可知，尖椒產(chǎn)量為W2N2>W1N1>W1N2>W2N1，W2N2產(chǎn)量最高，為47 702.56 kg/hm2，W2N1產(chǎn)量最低，為43 968.94 kg/hm2，可能因?yàn)閃2N1處理生育后期莖粗、單株葉面積較大，生理生長(zhǎng)旺盛，影響了尖椒生殖生長(zhǎng)。方差分析結(jié)果顯示，灌水量、施氮量及水氮交互作用對(duì)尖椒產(chǎn)量均無顯著影響。但從產(chǎn)量來看，對(duì)于設(shè)施尖椒，建議采用高水高肥或者低水低肥。

灌水量對(duì)灌溉水分利用效率影響極顯著，相同施氮水平下，減少灌水量可顯著提高尖椒灌溉水分利用效率，W1處理比平均比W2處理提高了32.8%。但是施氮量和兩者交互作用對(duì)土壤水分利用效率影響不顯著。灌水量、施氮量及水氮交互作用對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力均無顯著影響，W1N1處理氮肥偏生產(chǎn)力為最高水平，平均為101.110 3 kg/kg。

表5 不同處理下尖椒產(chǎn)量及水氮利用效率Tab.5 The Yield IWUE and PFP under different treatment

注：以上數(shù)據(jù)為各處理下均值；同列不同字母表示在5%水平下差異顯著；*、**分別表示在5%和1%下差異達(dá)到顯著或極顯著水平。

3 討論與結(jié)論

(1)灌水量越大，土壤含水量相對(duì)較大，特別是在盛果期，不同灌水的影響效果較明顯；有些學(xué)者[19,20]研究表明生育期耗水量一般表現(xiàn)為前期小、中期大(生殖生長(zhǎng)階段)、后期下降，而設(shè)施尖椒生育后期枝葉干枯脫落，根系吸水能力下降，但由于氣溫上升土壤蒸發(fā)強(qiáng)度增大，故尖椒耗水強(qiáng)度隨生育期推進(jìn)而增強(qiáng)，高灌水量和高施氮量處理耗水量相對(duì)較大。

(2)水肥是影響作物生長(zhǎng)的重要因素之一，研究表明適宜范圍內(nèi)加重虧水程度，減少作物徒長(zhǎng)，產(chǎn)量不減反增，而合理范圍內(nèi)增加施氮量促進(jìn)植株生長(zhǎng)；研究發(fā)現(xiàn)不同水平水肥處理間作物品質(zhì)間無顯著差異，這與張娟[21]等人研究結(jié)果相似；本次試驗(yàn)情況下，高灌水量和高施氮量處理的株高、莖粗和葉面積相對(duì)較大，說明高水多氮有利于促進(jìn)作物生殖生長(zhǎng)。各處理產(chǎn)量沒有達(dá)到顯著差異水平，但低水和低肥有利于品質(zhì)和水肥利用效率的提升，特別是水分利用效率的差別達(dá)到顯著水平。

綜上所述，建議北京地區(qū)溫室尖椒的灌溉制度采用W1N1處理，即灌水量為作物需水量的70%(70%ET)，施氮量為120 kg/hm2。下一步應(yīng)該做更多水平的處理來探究基于ET灌溉對(duì)作物和水肥利用效率的影響，以便為設(shè)施作物更精準(zhǔn)灌溉提供依據(jù)。