滴灌施肥條件下溫室甜椒水氮耦合效應(yīng)研究.pdf

1、為使蔬菜生長(zhǎng)迅速、產(chǎn)量最大化，投入過(guò)量氮肥的現(xiàn)象非常普遍，使得菜地土壤環(huán)境不斷惡化，同時(shí)對(duì)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。近年來(lái)，隨著人民生活水平的提高，甜椒因其高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值而深受人們喜愛(ài)，在設(shè)施蔬菜中占重要地位。甜椒對(duì)水分和氮素營(yíng)養(yǎng)成分的要求較為嚴(yán)格，但農(nóng)民仍然憑經(jīng)驗(yàn)灌水施氮，因此優(yōu)化水氮管理，提高產(chǎn)量和水肥利用效率，是甜椒規(guī)?；a(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。在缺水的西北地區(qū)，優(yōu)化水氮管理，充分發(fā)揮水氮激勵(lì)機(jī)制和協(xié)同效應(yīng)，對(duì)提高甜椒經(jīng)濟(jì)產(chǎn)

2、量、水氮利用效率、果實(shí)品質(zhì)，以及保護(hù)水土環(huán)境有十分重要的意義。
　　本文以美國(guó)甜椒品種“馬可力”（Capsicum annuumL.var.gross umMarcomi F1）為試驗(yàn)材料，于2014和2015年4-7月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了甜椒栽培試驗(yàn)。在日光溫室環(huán)境下，根據(jù)溫室內(nèi)的氣象資料，采用FAO推薦的Penman-Monteith修正公式確定灌水量，設(shè)置4個(gè)灌溉水平(105％ET0:W1

3、、90％ET0:W2、75％ET0: W3、60％ET0: W4)，其中ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量;依據(jù)當(dāng)?shù)赝扑]施氮量300 kg/ha，設(shè)置4個(gè)施氮水平:100％(300 kg/ha:N1)、75％(225 kg/ha:N2)、50％(150kg/ha: N3)和25％(75kg/ha: N4)。通過(guò)分析滴灌施肥條件下不同水氮供應(yīng)對(duì)甜椒生長(zhǎng)、生理、產(chǎn)量及構(gòu)成要素、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力、植株氮累積量、土壤殘留氮累積量和土壤水分的影

4、響，研究西北地區(qū)溫室環(huán)境下不同水氮供應(yīng)下甜椒生長(zhǎng)特性、干物質(zhì)積累、水氮消耗機(jī)制，以及土壤水分和硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，使用HYDRUS-3D軟件模擬和驗(yàn)證了甜椒根系吸水和土壤水分運(yùn)移，探討了植株根區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)特性;建立和驗(yàn)證了西北地區(qū)不同水分條件下溫室甜椒的臨界氮濃度稀釋曲線模型，基于模型探討了植株生物量對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的響應(yīng)，并結(jié)合氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型和氮素吸收模型對(duì)甜椒進(jìn)行了氮素營(yíng)養(yǎng)診斷。具體結(jié)果如下:
　　(1)一定范圍內(nèi)提高施氮

5、水平可促進(jìn)溫室甜椒植株生長(zhǎng)發(fā)育，施氮過(guò)量易造成氮素營(yíng)養(yǎng)供過(guò)于求，改變根區(qū)土壤微環(huán)境，不利于植株吸收利用。本試驗(yàn)條件下，W2、W3灌溉水平和N2、N3施氮水平組合，可供給植株一定的水分脅迫鍛煉和適宜的養(yǎng)分條件，能較好維持甜椒的“源—庫(kù)”關(guān)系，植株葉片葉綠素含量較高，能較好的維持葉片功能，促進(jìn)葉面積指數(shù)和生物量增長(zhǎng)，從而使單株果數(shù)、單果重和單株產(chǎn)量增加，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量得以提高。施肥處理對(duì)植株各器官干物質(zhì)累積量的影響大于灌溉處理，收獲期各器官干物質(zhì)

6、累積分配比例由大到小依次為:果實(shí)＞莖＞葉＞根。低水低肥條件下，作物根系的“覓食性”表現(xiàn)更為明顯。2a平均情況下，與W1灌溉水平相比較，W2和W3灌溉水平的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別提高了9.16％和2.06％，W4灌溉水平的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量則降低了28.04％;與N1氮素水平相比較，N2和N3氮素水平的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量提高了33.99％和30.39％，N4氮素水平下降低了2.21％。在西北地區(qū)設(shè)施栽培模式下，W2灌溉水平(90％ET0)和N2施N水平(225kg/h

7、a)下甜椒平均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高，為35.41t/ha; W3灌溉水平(75％ET0)和N2施N水平(225kg/ha)下，平均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量第二，為33.11 t/ha; W3灌溉水平(75％ET0)，N3施N水平(150 kg/ha)下，平均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量第三，為31.79 t/ha。
　　(2)不同灌溉和施N水平對(duì)溫室甜椒全生育期土壤剖面硝態(tài)氮累積量影響顯著。全生育期土壤剖面硝態(tài)氮的累積量既受植株吸收利用的影響，又受灌水和施氮的影響。植株苗期

8、根系較淺，吸收利用水分和養(yǎng)分能力較小，增加施氮量，尤其在灌水量充分條件下，易促使硝態(tài)氮向深層土壤滲漏，污染土壤環(huán)境。在本試驗(yàn)條件下，W2、W3灌溉水平和N2、N3施N水平組合下，甜椒植株消耗水分較多，耗水量較大，生長(zhǎng)發(fā)育較快，生物量累積較快，為高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。2 a平均情況下，W3N3處理的水分利用效率最高，為17.84 kg/m3，W2N3處理次之，為17.26 kg/m3，W3N2處理第三，為16.57 kg/m3。開(kāi)花坐果期是營(yíng)養(yǎng)

9、生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn)期，植株根系較發(fā)達(dá)，水分和養(yǎng)分吸收能力加大，水肥需求較大，不同深度的土壤硝態(tài)氮含量差異較苗期減小。在果實(shí)轉(zhuǎn)色期，甜椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)減弱，水分對(duì)果實(shí)著色的影響大于養(yǎng)分，果實(shí)進(jìn)入生理成熟期。收獲期植株對(duì)水分和養(yǎng)分的需求減弱，施氮量顯著影響土壤硝態(tài)氮的總累積量，灌水則影響顯著硝態(tài)氮的剖面分布。相同灌溉條件下，隨著施N水平的提高，氮利用效率、氮吸收效率和氮肥偏生產(chǎn)力均呈增大趨勢(shì)。
　　(3)植株各器官氮累積量表現(xiàn)為果實(shí)＞葉＞莖

10、＞根。適宜的水氮供應(yīng)（W2、W3灌溉水平和N2、N3施N水平）促使植株各器官氮吸收累積量增加較快，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育和果實(shí)發(fā)育，在產(chǎn)量無(wú)明顯下降時(shí)顯著提高果實(shí)品質(zhì)?；谥鞒煞址治龇ňC合評(píng)價(jià)甜椒果實(shí)品質(zhì)，結(jié)果表明，N3水平下各處理的果實(shí)品質(zhì)最優(yōu)，W3N3處理排名第一，W4N4處理下植株因受嚴(yán)重的水分脅迫和養(yǎng)分脅迫而使果實(shí)品質(zhì)較劣，排名在最后。
　　(4)灌溉和施N水平顯著影響甜椒根系的生長(zhǎng)和分布，滴灌施肥條件下隨著灌溉水平和施氮水

11、平的降低，甜椒根尖數(shù)和分叉數(shù)明顯增加，根表面積減少。隨著灌水量的減少，淺層土壤（0-40 cm土層）內(nèi)根長(zhǎng)所占比例減小，深層土壤（40-80cm土層）內(nèi)根長(zhǎng)所占比例增加，根尖數(shù)和分叉數(shù)明顯增加。在逆境（水分和養(yǎng)分脅迫條件下）生長(zhǎng)中，植株根系自我調(diào)節(jié)功能加速了根系向深層土壤的生長(zhǎng)，根尖數(shù)和分叉數(shù)增加。
　　(5)本研究通過(guò)溫室小區(qū)試驗(yàn)，基于HYDRUS-3D軟件模擬和驗(yàn)證了滴灌施肥條件下甜椒果實(shí)膨大期根系吸水和土壤水分運(yùn)移數(shù)值模擬。

12、結(jié)果表明，HYDRUS-3D模擬根系吸水和土壤水分運(yùn)移效果較好，果實(shí)膨大期不同深度土壤含水率實(shí)測(cè)值均勻分布在模擬曲線兩側(cè)。T檢驗(yàn)結(jié)果表明土壤含水率模擬值和實(shí)測(cè)值無(wú)顯著差異，模型精度較好。
　　(6)依據(jù)2a溫室小區(qū)試驗(yàn)資料，構(gòu)建和驗(yàn)證了西北地區(qū)不同水分條件下日光溫室甜椒的臨界氮濃度稀釋曲線經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。分析結(jié)果表明，提高灌溉水平，植株的氮素吸收量、地上部生物量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水分利用效率呈先增加后減小的趨勢(shì)?；诘獱I(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型與氮素吸收模

13、型的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷結(jié)果一致:各灌溉水平下最佳施N量均介于150～225 kg/ha之間，且更接近225 kg/ha。氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水分利用效率的效應(yīng)分析結(jié)果表明，W3灌溉水平(75％ ET0)和W2灌溉水平(90％ ET0)較有利于甜椒的植株對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的吸收利用，地上部生物量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和WUE較高?；诮?jīng)濟(jì)產(chǎn)量考慮，75％ ET0和90％ET0灌溉水平下適宜施氮量分別為192.69和194.00 kg/ha，對(duì)應(yīng)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別為34.

14、14和35.33 t/ha;基于WUE考慮，75％ET0和90％ET0灌溉水平下適宜施氮量分別為191.13和191.83 kg/ha，對(duì)應(yīng)WUE分別為17.07和15.30 kg/m3。在適宜施氮量無(wú)顯著差異的情況下，W3灌溉水平(75％ ET0)時(shí)可獲得僅低W2灌溉水平(90％ET0)約3％的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，但可提高約11％的水分利用效率?？紤]到研究區(qū)水資源比較短缺，灌水量為75％ ET0施氮量為190 kg/ha左右為最佳滴灌策略。

15、r>　　(7)基于理想點(diǎn)法綜合評(píng)價(jià)水氮耦合效應(yīng)，分析結(jié)果表明，N2施氮處理較有利于促進(jìn)多目標(biāo)綜合水平，N4施氮處理則較不利于各目標(biāo)達(dá)到綜合最優(yōu)，所有處理中W3N2處理最優(yōu)，W2N2處理次之。基于最小二乘法原理，運(yùn)用采用Mathematica9.0分析綜合效益，得出2014和2015年甜椒經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、WUE和Vc含量三個(gè)指標(biāo)同時(shí)達(dá)到≥85％最大值的灌水區(qū)間分別為195.9～212.9（即為78.2～85.0％ET0）和190.5～167.8