高文瑞，王 欣，李德翠，孫艷軍，韓 冰，樊小雪，徐 剛

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所/江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點(diǎn)實驗室，南京210014）

0 引言

有機(jī)基質(zhì)無土栽培是指使用有機(jī)栽培基質(zhì)和有機(jī)固態(tài)肥，并直接用清水灌溉作物的一種無土栽培技術(shù)。該技術(shù)施用的肥料以有機(jī)肥為主，不污染環(huán)境，對自然資源循環(huán)利用和改善和提高農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境有顯著的促進(jìn)效果。有機(jī)基質(zhì)栽培與土壤栽培相似，一般只考慮氮、磷、鉀三種大量元素的供應(yīng)總量及平衡即可。同時由于該技術(shù)在生產(chǎn)上切斷了土傳病蟲原的傳播渠道，也成為克服設(shè)施栽培連作障礙最有效、最經(jīng)濟(jì)和最徹底的方之一。同時有機(jī)基質(zhì)栽培還可以用于非耕地生產(chǎn)，并可以減少農(nóng)藥及肥水用量，提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[1]。生產(chǎn)中實現(xiàn)有機(jī)基質(zhì)栽培中的水肥合理利用，對植株的產(chǎn)量及水肥利用率的提高，乃至世界農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均至關(guān)重要[2]。辣椒(Capsicum annuum)因其營養(yǎng)豐富，辛辣味美，受到廣大消費(fèi)者的喜歡，是中國重要的蔬菜作物之一[3]。由于辣椒本身生長期長，水肥需求量大，為高需肥蔬菜作物[4]。水分和肥料是影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量水平提高的重要基礎(chǔ)，兩者相互促進(jìn)、相互制約[5]。有機(jī)基質(zhì)桶式栽培和袋式栽培辣椒僅靠基質(zhì)本身的養(yǎng)分難以滿足辣椒對養(yǎng)分的需求，且由于基質(zhì)的緩沖性能差，水分損耗也大，因此，精確的水肥管理在桶式和袋式栽培的過程中顯得非常的關(guān)鍵[6]。近年來，人們?yōu)榱丝桃獾淖非笫卟烁弋a(chǎn)，盲目進(jìn)行“大肥大水”，不僅影響作物的生長發(fā)育和品質(zhì)，也導(dǎo)致了水肥資源浪費(fèi)、溫室內(nèi)土壤生態(tài)環(huán)境惡化及病蟲害頻發(fā)等問題，影響了設(shè)施農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展[7]。水肥之間有明顯的耦合效應(yīng)，水肥耦合效應(yīng)通過水、肥相互協(xié)調(diào)，利用其產(chǎn)生的耦合效應(yīng)對植株進(jìn)行水肥管理，從而提高水肥利用效率而達(dá)到增產(chǎn)。眾多研究表明，水肥耦合的效果比單一水分管理或養(yǎng)分管理更優(yōu)[8]，水肥耦合對植物生長促進(jìn)效果更明顯[9]，同時對提高果實品質(zhì)和產(chǎn)量[10]及提高水分和養(yǎng)分利用率的效果更優(yōu)[11-12]。高艷明等人在日光溫室滴灌條件下，采用三因素二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，對影響辣椒產(chǎn)量的水、氮和磷的耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明影響辣椒產(chǎn)量的順序為水＞P＞N，高水低P、高N低P時產(chǎn)量較高[13]。馬國禮等人研究了水氮耦合對日光溫室基質(zhì)栽培辣椒生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)和養(yǎng)分分配的影響，結(jié)果表明基質(zhì)含水率適度降低和高肥的栽培條件，有利于植株品質(zhì)的提高，但產(chǎn)量及生物量等會相對降低，中水高肥互作效應(yīng)更顯著。高水中肥顯著促進(jìn)了辣椒干鮮重、株高莖粗的生長，有利于辣椒葉片的光合和辣椒對氮、磷、鉀的吸收和積累；低水高肥處理在前期對辣椒各指標(biāo)影響不顯著，在定植180天以后低水、高肥對辣椒的生長產(chǎn)生拮抗作用增強(qiáng)，該處理的辣椒長勢最弱，不利于辣椒植株光合產(chǎn)物和對養(yǎng)分的積累[14-15]。梁運(yùn)江等人采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，研究了水肥耦合效應(yīng)對辣椒產(chǎn)量影響。結(jié)果表明中高灌水量和較高施磷水平對辣椒產(chǎn)量的交互作用效果較好[16]。前人關(guān)于水肥耦合的研究基本是針對全生長發(fā)育期的研究，但不同的生長發(fā)育時期，蔬菜作物對肥水的需求差異非常大，因此水肥管理在不同生育階段也不相同，需要針對不同生長發(fā)育階段分別進(jìn)行水肥耦合效應(yīng)的研究。而且針對不同栽培基質(zhì)，水肥耦合效應(yīng)也不盡相同。因此本研究在項目組前期研發(fā)的新型有機(jī)栽培基質(zhì)的基礎(chǔ)上，以二次回歸正交設(shè)計法設(shè)計試驗，旨在研究不同肥水組合對辣椒植株生長、養(yǎng)分吸收及等的影響。為辣椒在新型有機(jī)栽培基質(zhì)桶式栽培定植后到結(jié)果期的高效水肥管理方面提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在南京市六合區(qū)江蘇農(nóng)科院試驗基地的設(shè)施大棚內(nèi)進(jìn)行，3月24號育苗，4月31號移栽，采用桶裝種植。供試基質(zhì)為項目組前期研發(fā)的最佳栽培基質(zhì)[17]，該基質(zhì)堿解氮含量為80.47 mg/kg、速效磷含量為83.13 mg/kg、速效鉀含量為3.73 g/kg、有機(jī)質(zhì)含量為30.78%[18]。供試?yán)苯菲贩N為‘蘇椒五號’，供試肥料為：尿素（N含量為46.4%），磷酸二氫鉀（96%，P2O5含量為51.5%，K2O含量為34%），硫酸鉀（K2O含量為50%）。

1.2 試驗設(shè)計

采用4因素5水平次正交回歸組合設(shè)計試驗。4個因素分別為N、P2O5、K2O和基質(zhì)含水量，每個因素設(shè)置了5個水平（如表1），共17個處理。具體見表1。

表1 實驗因素水平與編碼值表

1.3 試驗方法

1.3.1 株高莖粗 于盛花期每個處理隨機(jī)選5株辣椒，用直尺測量植株根基部到植株最高生長點(diǎn)的高度（株高），用游標(biāo)卡尺測量子葉下1 cm處辣椒植株莖稈的粗度（莖粗）[18]。

1.3.2 辣椒植株干鮮重測定方法 每個處理隨機(jī)選5株辣椒，于辣椒苗期（5月22日）和結(jié)果初期（6月15日）分別進(jìn)行取樣。將地上部和地下部分別洗凈擦干，采用1%天平稱重（鮮重）；隨即將鮮樣在烘箱內(nèi)105℃殺青15 min后，在75℃烘干至恒重，采用1%天平稱重（干重）。

1.3.3 植株養(yǎng)分吸收測定 每個處理隨機(jī)選5株辣椒，于辣椒苗期和結(jié)果初期分別進(jìn)行取樣。采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰分光光度法分別測定辣椒植株體內(nèi)的氮、磷、鉀含量，并根據(jù)辣椒在苗期和結(jié)果期的干物質(zhì)積累和養(yǎng)分含量計算養(yǎng)分階段積累吸收量，見公式(1)。

養(yǎng)分階段累積吸收量=植株體內(nèi)養(yǎng)分含量×干物質(zhì)積累量…………………………………………… (1)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行分析和作圖，DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥水組合對辣椒植株株高、莖粗的影響

2.1.1 建立二次多項式回歸模型 結(jié)果如表2所示，不同水肥處理對植株株高和莖粗的影響不同，17個處理中以處理8（N 3 g/株、P2O51.37 g/株、K2O 5.78 g/株、基質(zhì)含水量60%）辣椒植株的株高和莖粗最大，其顯著高于除處理7之外的其他處理。

表2 結(jié)構(gòu)矩陣與株高、莖粗?jǐn)?shù)據(jù)

運(yùn)用二次回歸正交設(shè)計程序，分別獲得辣椒株高(Y1)、莖粗(Y2)對4個因素的回歸模型。其中Y1=25.24-5.80X1-0.3X2-1.53X3+3.33X4+0.46X1*X1+0.43X2*X2+0.62X3*X3-0.61X4*X4-0.66X1*X2-0.12X1*X3+0.06X1*X4-0.32X2*X3-1.53X2*X4-0.57X3*X4，p-值=0.0093＜0.05，調(diào)整后相關(guān)系數(shù)Ra=0.994632，F(xiàn)值=106.5987，說明模型預(yù)測值和實際值吻合較好，此模型預(yù)測可靠性高。由數(shù)據(jù)模型得出，當(dāng)每株辣椒施氮量0.88 g(X1=-1.3531)、施五氧化二磷0.40 g(X2=-1.3531)、施氧化鉀3.31 g(X3=-1.3531)和含水量63.53%(X4=1.3531)時，辣椒植株最高(43.44 cm)。Y2=5.13-1.19X1-0.02X2-0.25X3+0.7X4+0.24X1*X1+0.19X2*X2+0.18X3*X3+0.0003X4*X4+0.31X1*X2-0.12X1*X3-0.07X1*X4-0.19X2*X3+0.06X2*X4-0.1X3*X4，經(jīng)方差分析，p-值=0.0348＜ 0.05，調(diào)整后相關(guān)系數(shù)Ra=0.979574，F(xiàn)值=28.12，說明模型的預(yù)測值和實際值吻合較好，此模型預(yù)測可靠性高。由模型得出，當(dāng)每株辣椒施N 0.88 g(X1=-1.3531)、施P2O50.40 g(X2=-1.3531)、施 K2O 3 g(X3=1.3531)和基質(zhì)含水量63.53%時(X4=1.3531)，植株莖干最粗(9.44 mm)，說明適量增加鉀肥能增加植株莖粗。

2.1.2 單因素效應(yīng)分析 將辣椒株高、莖粗回歸方程模型分別固定3個因素于零水平，得到單因素與株高、莖粗的一元回歸模型，將此模型求一階偏導(dǎo)，可得到單因子效應(yīng)模型，最終根據(jù)該模型得到單因子效應(yīng)曲線（見圖1）[18]。結(jié)果表明，各因子對辣椒株高、莖粗影響作用的變化趨勢相同。單因子效應(yīng)反映的是各因素對辣椒株高、莖粗影響的速率。在-1.5～0范圍內(nèi)，4個因素對辣椒株高、莖粗的影響大小依次為N、K2O、P2O5、水。在0～1.5范圍內(nèi)，4個因素辣椒株高、莖粗的影響大小依次為水、P2O5、K2O、N。由圖1可以看出，隨氮肥的增加，辣椒株高、莖粗均呈現(xiàn)下降的趨勢，說明作為基肥，低N量有利于增加辣椒株高和莖粗。這也進(jìn)一步說明新研發(fā)的栽培基質(zhì)中N的水平較高，在辣椒結(jié)果初期之前只需要補(bǔ)充少量N即可滿足植株的生長的需要。隨著P2O5和K2O含量的增加，辣椒株高、莖粗變化幅度不大，說明P2O5和K2O對辣椒株高、莖粗的影響不大。隨著灌水量的增加，辣椒株高、莖粗呈現(xiàn)明顯上升趨勢，說明增加灌水量可明顯提高辣椒株高和莖粗。

圖1 單因素對辣椒株高、莖粗的影響作用

2.1.3 辣椒株高、莖粗的雙因素分析 把株高回歸方程模型分別固定2個因素為零水平，可以得到其余2個因素對株高影響的效應(yīng)方程[18]，采用DPS進(jìn)行作圖（圖2-1、圖2-2、圖2-3、圖2-4、圖2-5、圖2-6）并且分析可以看出，4個因素對于辣椒的株高呈現(xiàn)不同的交互效應(yīng)，氮和水交互效應(yīng)略大于其他兩因素間的交互效應(yīng)，但差異不顯著。

圖2 雙因素對辣椒株高的影響

把莖粗回歸方程中的2個因子定為零水平，也得到了雙因素效應(yīng)方程，采用DPS進(jìn)行作圖（圖3-1、圖3-2、圖3-3、圖3-4、圖3-5、圖3-6）并且分析可以看出，4個因素對于辣椒莖粗也呈現(xiàn)出不同的交互效應(yīng)，其中氮和水的交互作用效應(yīng)也略大些，但差異還是不顯著。

圖3 雙因素對辣椒莖粗的影響

2.2 水肥耦合對辣椒植株干鮮重的影響

植株地上部和地下部的干鮮重是能具體反映植株的長勢情況。由圖4可以看出，辣椒苗期與結(jié)果期的地上部鮮重、地上部干重在不同處理間的表現(xiàn)基本類似。處理1、2、7、8和16的辣椒苗期和結(jié)果期的地上部和地下部干鮮重都較大，而且隨著施肥量的增加而變小。這可能與這幾個處理的基質(zhì)水分水平較高有關(guān)系，同時也表明，辣椒結(jié)果前期之前提高基質(zhì)含水量、減少施肥量對提高植株地上部和地下部干鮮重有效。處理9、10和17僅施N量不同（處理9＜處理17＜處理10），而且其他3個因素都為中等水平，如圖4所示，辣椒地上部和地下部干鮮重的大小與施肥量大小表現(xiàn)恰恰完全相反，這表明其他3個因素中等水平時，低氮反而對辣椒植株地上部和地下部干鮮重有益。處理11、12和17僅P2O5不同（處理11＜處理17＜處理12），另外3個因素為中等水平，由圖4可以看出苗期時處理12的地上部干鮮重顯著大于處理11和17，處理11和17之間差異不顯著，而處理11、12和17苗期的地下部干鮮重差異不顯著；結(jié)果期處理12的地上部干重顯著大于處理17，處理11和處理12的地下部鮮重顯著大于處理17，3個處理間的地上部鮮重和地下部干重的差異不顯著。說明另外三因素為中等水平時，較高水平P2O5能顯著促進(jìn)辣椒苗期植株地上部生長，對地下部影響不顯著；結(jié)果期時，當(dāng)其他3個因素中水平時，P2O5水平高能顯著促進(jìn)辣椒植株地上部干重的增加，而對辣椒植株結(jié)果期地上部鮮重和地下部干重的生長影響不顯著。處理13、14和17僅K2O量不同（處理13＜處理17＜處理14），另外3個因素均為中等水平，由圖4也可以看出苗期時處理13的辣椒植株地上部干鮮重顯著大于處理14和處理17，處理13地下部干鮮重顯著大于處理17；結(jié)果期時處理13的地上部干鮮重顯著大于處理17，處理13的地下部鮮重顯著大于處理14和處理17，3個處理間的地下部干重差異不顯著。結(jié)果表明，當(dāng)其他3個因素為中等水平時，低水平的K2O能顯著促進(jìn)植株苗期地上部干鮮重的增加，且低水平的K2O比中等水平K2O更能促進(jìn)植株苗期地下部干鮮重的積累；結(jié)果期時，較低水平的K2O比中等水平K2O對植株地上部干鮮重和地下部鮮重積累更有益，而K2O水平的高低對植株結(jié)果期的地下部干重影響不顯著。處理15、16和17僅基質(zhì)含水量不同（處理15＜處理17＜處理16），另外3個因素為中等水平，由圖4可以看出，處理16苗期辣椒植株的地上部干鮮重顯著大于處理15和17，而處理16和處理17的苗期辣椒植株的地下部干鮮重顯著大于處理15；結(jié)果期時，地上部鮮重及地下部鮮重大小依次為處理16＞處理15＞處理17，處理16的地上部干重顯著大于處理15和處理17，處理16和處理17的地下部干重顯著大于處理15。說明當(dāng)其他3個因素為中等水平時，高水平的基質(zhì)含水量對辣椒地上部鮮重、干重增加有利。

圖4 水肥耦合對辣椒植株干鮮重的影響

2.3 植株養(yǎng)分吸收累積規(guī)律

由圖5可以看出，辣椒苗期和結(jié)果期的氮磷鉀積累量在不同處理間的變化趨勢基本相似。處理7、8、9苗期植株N、P2O5、K2O的吸收量遠(yuǎn)高于其他處理，說明苗期較低水平N、較低到中水平P2O5、較低到中高水平K2O，基質(zhì)水分含量在中高水平時有利于辣椒植株苗期的養(yǎng)分吸收累積。在結(jié)果期，處理2、7、8、9、13和處理16處理的結(jié)果期的N、P2O5、K2O的吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他處理，說明結(jié)果期中高水平的N、P2O5和水分，較低水平的K2O有利于植株養(yǎng)分吸收；較低水平的N肥、較低到中水平的P2O5、較低到中高水平的K2O，高水平的基質(zhì)水分含量有利于植株結(jié)果期的養(yǎng)分吸收與積累；其他3個因素中等水平時，低水平K2O有利于結(jié)果期辣椒的養(yǎng)分吸收；而基質(zhì)含水量在最高水平，其他3個因素中等水平時有益于辣椒養(yǎng)分的吸收。試驗結(jié)果還表明，辣椒苗期對N和K2O的吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對P2O5的吸收量，而在結(jié)果期辣椒對K2O的吸收量高于N肥，且P2O5的吸收量明顯低于兩者。辣椒苗期N含量最高，其次為K2O，P2O5含量最低，而辣椒從開花期至結(jié)果初期植株K2O含量最高，其次為N，P2O5含量最低。因此，辣椒苗期應(yīng)多施氮肥、鉀肥次之、磷肥盡量少施；從開花期至結(jié)果初期應(yīng)多施鉀肥、氮肥次之、磷肥同樣要盡量少施。

圖5 辣椒不同生育期所需氮磷鉀的含量

3 討論和結(jié)論

在作物生長中，水與肥相互作用、互相影響[19]。同一作物在不同的水肥供應(yīng)條件下生長情況也有很大區(qū)別，水肥之間耦合效應(yīng)與水肥的單因素效應(yīng)又有所不同[20]。水肥耦合的關(guān)鍵在于以水促肥、以肥調(diào)水，通過水肥耦合效應(yīng)來達(dá)到提高作物生長、產(chǎn)量及水肥利用效率的效果[6,21]。本研究中，處理7、8和9三個處理在株高、莖粗、地上部干鮮重和養(yǎng)分吸收等方面都顯著高于其他的處理。水肥耦合對苗期和結(jié)果期辣椒植株的生長和養(yǎng)分吸收的影響均達(dá)到了顯著水平。

植株的株高和莖粗直接反映了植株的生長勢。在本研究中，隨著基質(zhì)灌水量的增加可顯著的提高辣椒植株的株高和莖粗，這與徐剛等[22]的研究結(jié)果相似。本研究結(jié)果表明，基肥中的低水平氮量能提高辣椒株高和莖粗，說明基質(zhì)中本身含有的氮養(yǎng)分比較高，因此高水平的氮會影響植株的生長，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果類似[23]。五氧化二磷和氧化鉀對辣椒苗期到結(jié)果初期辣椒株高和莖粗的影響不大。氮、磷、鉀肥和基質(zhì)含水量對辣椒株高和莖粗呈現(xiàn)不同的交互效應(yīng)，其中氮、水交互效應(yīng)略大于其他兩因素交互效應(yīng)。我們的結(jié)果也表明水肥耦合對植株生長有閾值效應(yīng)，小于閾值時增水增肥能促進(jìn)株高和莖粗的增加，而大了則會有抑制作用[24]，這與番茄[9]的研究結(jié)果相似。

植株的地上部和地下部干鮮重反映了植株的干物質(zhì)積累。根系是作物吸收水分及養(yǎng)分的重要器官，土壤中水分和養(yǎng)分的供應(yīng)情況很大程度上決定了根系的發(fā)達(dá)程度。適宜的水肥用量對根系的生長有促進(jìn)作用，反之則會抑制根系的生長，進(jìn)而抑制植物的生長及產(chǎn)量[2]。增加干物質(zhì)積累量能維持植物的正常生長與發(fā)育，同時對提高作物的產(chǎn)量有重要的作用。植株干物質(zhì)的生產(chǎn)和分配是統(tǒng)一的庫源協(xié)調(diào)過程，干物質(zhì)積累速度受土壤肥力水平、土壤水分及田間管理等眾多因素調(diào)控[25]。本研究表明，增加基質(zhì)含水量、減少施肥量能增加植株地上部和地下部干鮮重，這與許多研究結(jié)果相似[14]。當(dāng)P2O5、K2O和基質(zhì)含水量3個因素為中等水平時，低N對辣椒苗期和結(jié)果期植株干鮮重的積累有利；當(dāng)N、K2O和基質(zhì)含水量3個因素中水平時，較高水平P2O5能顯著促進(jìn)辣椒苗期和結(jié)果期植株地上部生長和干物質(zhì)積累；當(dāng)N、P2O5和基質(zhì)含水量3個因素為中等水平時，低水平的K2O能顯著促進(jìn)植株苗期和結(jié)果期生長和干物質(zhì)積累；當(dāng)N、P2O5和K2O三個因素中等水平時，高水平的基質(zhì)含水量對辣椒植株生長和干物質(zhì)的積累有益。

氮素幾乎參與了植物生長發(fā)育的各個過程，為植物正常發(fā)育和影響產(chǎn)量品質(zhì)的重要基礎(chǔ)物質(zhì)。磷是氮素代謝過程中一些酶的主要組分。適量的磷肥，能提高作物對氮吸收的能力。鉀在植物體內(nèi)主要能促進(jìn)和調(diào)節(jié)各項生理活動過程，并參與許多酶促反應(yīng)，增強(qiáng)植物的抗逆性[12]。鉀在提高植物品質(zhì)及產(chǎn)量方面具有顯著的效果。本研究結(jié)果說明苗期和結(jié)果期氮肥和磷肥較低水平到中水平、鉀肥較低水平到中高水平，基質(zhì)水分含量中高水平時有利于植株苗期的養(yǎng)分吸收，這與番茄的研究結(jié)果類似[26]。辣椒苗期對氮和鉀肥的吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對磷肥的吸收量，而在結(jié)果期辣椒對鉀肥的吸收量高于氮肥，且磷肥的吸收量明顯低于兩者，這與許多前人的研究結(jié)果類似[14,27]。

綜上所述，基肥與水分的耦合顯著影響著辣椒的生長、地上部/地下部干鮮重積累和植株的養(yǎng)分吸收?？偟膩碚f，增加基質(zhì)含水量、減少施基肥總量能促進(jìn)辣椒苗期到結(jié)果期植株的生長和植株地上部/地下部的干鮮重積累，并能促進(jìn)辣椒植株N、P2O5和K2O養(yǎng)分的吸收。根據(jù)株高、莖粗分別與氮、磷、鉀和水的回歸模型可得出最優(yōu)組合，即當(dāng)每株辣椒施N量0.88 g、施P2O50.40 g、施K2O 3.31 g和基質(zhì)含水量63.53%時，辣椒植株最高；當(dāng)每株辣椒施N量0.88g、施P2O50.40 g、施K2O 22.23 g和基質(zhì)含水量63.53%時，辣椒植株莖干最粗。結(jié)合之前水肥耦合對產(chǎn)量的研究結(jié)果[6]，辣椒基質(zhì)生產(chǎn)中建議基肥中每株添加N 0.88 g、施P2O50.40 g、施K2O 3.31 g和基質(zhì)含水量63.53%時，這樣才能保證在辣椒結(jié)果旺盛期追肥時，植株的株高、莖粗及植株的地上部/地下部干鮮重都較大，植株的養(yǎng)分積累較高，同時前期產(chǎn)量也最高。