基于Logistic模型的加氣灌溉辣椒生長(zhǎng)特性和產(chǎn)量研究

肖哲元，雷宏軍*，張振華，張倩，金翠翠，孫克平

基于Logistic模型的加氣灌溉辣椒生長(zhǎng)特性和產(chǎn)量研究

肖哲元1，雷宏軍1*，張振華2，張倩3，金翠翠1，孫克平1

（1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450046；2.魯東大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018）

【目的】探明加氣灌溉對(duì)土壤通氣性、溫室辣椒生長(zhǎng)特性及產(chǎn)量的影響，為設(shè)施栽培條件下蔬菜增產(chǎn)增效提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳岳苯窞檠芯繉?duì)象，設(shè)置施氮量N1（225 kg/hm2）和N2（300 kg/hm2）、加氣量C（加氣率0%）和A（加氣率15%）、灌水量W1（682.8 m3/hm2）和W2（1 024.2 m3/hm2）的3因素2水平試驗(yàn)，采用Logistic模型擬合辣椒株高生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)并定量分析其生長(zhǎng)特征，研究不同處理土壤通氣性、辣椒干物質(zhì)量和產(chǎn)量的變化?！窘Y(jié)果】灌水后第2 d，相同施氮量和加氣量下，土壤充水孔隙率（）隨灌水量的增加而顯著增加；相同施氮量和灌水量下，加氣處理相比不加氣處理的土壤氧氣擴(kuò)散速率（）有顯著提升。在開花坐果期，加氣灌溉對(duì)促進(jìn)辣椒株高生長(zhǎng)的效果最顯著，增幅在9.0%以上。不同處理辣椒株高變化符合Logistic模型，且擬合度2均在0.980以上，加氣處理的株高最大增長(zhǎng)速率和快速增長(zhǎng)期平均增長(zhǎng)速率較不加氣處理分別提高了13.0%和11.8%。辣椒地上部干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量隨加氣量、施氮量和灌水量的增加而增加，其中N2AW2處理的單株產(chǎn)量最高（324.63 g/株），且產(chǎn)量與土壤和株高呈正相關(guān)。【結(jié)論】加氣灌溉可顯著改善土壤通氣狀況，促進(jìn)辣椒生長(zhǎng)及干物質(zhì)量積累和產(chǎn)量提升。利用Logistic模型可較為準(zhǔn)確地描述辣椒株高生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，為設(shè)施作物在加氣灌溉條件下的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模擬提供理論依據(jù)。

辣椒；加氣灌溉；Logistic模型；生長(zhǎng)特性；產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】滴灌水肥一體化技術(shù)能有效減少作物蒸散發(fā)并提高水肥利用效率，近年來被廣泛應(yīng)用。然而，長(zhǎng)時(shí)間滴灌會(huì)造成作物根區(qū)土壤接近飽和狀態(tài)，降低作物根區(qū)土壤的透氣性和氧氣量[1]，而土壤缺氧會(huì)導(dǎo)致根系生長(zhǎng)發(fā)育受阻，遲滯吸收土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加劇肥料的淋溶和滲漏[2]。加氣灌溉作為地下滴灌的一種拓展技術(shù)，可有效解決根區(qū)土壤缺氧問題，改善作物根際生長(zhǎng)環(huán)境。辣椒作為主要的設(shè)施栽培蔬菜，在加氣灌溉模式下探究其生長(zhǎng)規(guī)律和增產(chǎn)增效潛力，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)增收和發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉具有重要意義?！狙芯窟M(jìn)展】Li等[3]研究表明，向根區(qū)土壤加氣對(duì)促進(jìn)番茄生長(zhǎng)和干物質(zhì)量的積累具有積極作用。Cui等[4]研究指出，加氣灌溉輔以施氮240 kg/hm2是提高溫室黃瓜產(chǎn)量最有效的管理措施。龐婕等[5]研究表明，高灌水量下，加氣灌溉可顯著提高番茄產(chǎn)量和水分利用效率。近年來，Logistic模型已被用來定量描述辣椒[6]、小麥、玉米[7]等作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)累計(jì)變化過程，且表現(xiàn)效果普遍較好。楊慧等[8]利用Logistic模型對(duì)水氮耦合條件下番茄地上部生物量及氮素累積量的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究。趙娣等[9]基于Logistic模型對(duì)不同水分條件下的番茄株高、葉面積指數(shù)等生長(zhǎng)特性進(jìn)行了分析，為干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了指導(dǎo)?！厩腥朦c(diǎn)】然而，以往研究大多是利用Logistic模型模擬不同水肥條件下作物生長(zhǎng)發(fā)育和氮素累積狀況，而對(duì)于在加氣灌溉條件下的設(shè)施辣椒生長(zhǎng)特性的模擬卻鮮有報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究以溫室辣椒為研究對(duì)象，以生長(zhǎng)時(shí)間為自變量，采用Logistic模型擬合不同處理下的辣椒株高生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化過程，明確加氣灌溉對(duì)辣椒株高特征參數(shù)、土壤通氣性、干物質(zhì)量及產(chǎn)量的影響，以期為設(shè)施栽培條件下蔬菜增產(chǎn)增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年9月11日—12月26日在華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水實(shí)驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)代化溫室中進(jìn)行，該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均日照時(shí)間為2 400 h，無霜期220 d。溫室內(nèi)裝有風(fēng)機(jī)和濕簾，以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和空氣濕度。溫室內(nèi)的氣溫變化范圍在10.5～32.2 ℃之間，相對(duì)濕度變化范圍在32.5%～90.3%之間（圖1）。供試土壤為黏質(zhì)壤土，土壤剖面質(zhì)地均勻，種植前土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

圖1 溫室辣椒生育期空氣溫度和相對(duì)濕度

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用3因素2水平的完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置施氮量（N1：225 kg/hm2、N2：300 kg/hm2）、加氣量（不加氣C、加氣A）和灌水量（W1：682.8m3/hm2、W2：1 024.2m3/hm2）3個(gè)因素，共8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4次，共計(jì)32個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為2 m2，具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。各小區(qū)通過地下滴灌系統(tǒng)供水，供水壓力為0.10 MPa。不加氣處理利用首部供水裝置進(jìn)行供水，加氣處理利用儲(chǔ)水管路、循環(huán)泵、文丘里空氣射流器（Mazzei air injector 684，美國Mazzei Corp公司）等設(shè)備循環(huán)曝氣20 min，制得加氣比率為15%的加氣水[10]。灌水下限根據(jù)距離植株徑向10 cm、縱向20 cm埋深處的張力計(jì)（12型分體式張力計(jì)，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所）測(cè)定。土壤基質(zhì)勢(shì)下限控制在（-30±5）KPa[11]。灌水量根據(jù)式（1）計(jì)算：

式中：為各處理每次的灌水量（m3/hm2）；為小區(qū)控制面積（m2）；P為1個(gè)灌水周期內(nèi)Φ601蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量（mm）；P為作物-蒸發(fā)皿系數(shù)，W1處理取0.6，W2處理取0.9；0.1為單位換算系數(shù)。

試驗(yàn)小區(qū)采用地下滴灌供水方式，滴灌帶型號(hào)為JOHN DEERE，直徑為16 mm，壁厚為0.6 mm，埋深為15 cm，滴頭額定流量為1.2 L/h，滴頭間距為33 cm，為防止水分側(cè)滲，相鄰小區(qū)間用塑料膜隔開。選用的辣椒品種為“豫藝鮮辣8號(hào)”，于2019年9月11日選取長(zhǎng)勢(shì)相同的幼苗進(jìn)行移植，種植密度為3株/m2，在移植后的12 d覆膜，全生育期共計(jì)107 d。生育期具體劃分為：苗期（20190911—0928）、開花坐果期（20190929—1030）、果實(shí)膨大期（20191031—1130）、成熟期（20191201—1226）。

供試肥料為水溶性施樂多（含硝態(tài)氮量7.1%，銨態(tài)氮量1.1%，脲態(tài)氮量6.9%，P2O5量15%，K2O量30%，螯合態(tài)微量元素Fe量0.1%，Mn量0.05%，Zn量0.15%，Cu量0.05%，Mo量0.05%，B量0.1%，中國康拓肥料有限公司生產(chǎn)），采用文丘里施肥器將其摻入水流后隨水施入田間。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

1.3.1 土壤通氣性測(cè)定

選取辣椒果實(shí)膨大期的一個(gè)完整灌水周期進(jìn)行土壤通氣性監(jiān)測(cè)，利用氧化還原電位測(cè)量?jī)x（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國制造）測(cè)定土壤氧氣擴(kuò)散速率（Oxygen Diffusion Rate，），在距離植株莖稈橫向5 cm、深度20 cm處埋設(shè)參比電極、銅電極和鉑金電極，測(cè)定時(shí)間為每日的09:00和15:00。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用土壤濕度記錄儀（FDS-100，邯鄲市清勝電子科技有限公司）測(cè)定20 cm土層深度處的土壤質(zhì)量含水率，水分傳感器埋設(shè)于相鄰2株作物的中間，測(cè)定期間利用烘干法進(jìn)行標(biāo)定[11]。土壤充水孔隙率（Soil water-filled pore space，）參照Du等[12]的計(jì)算方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 辣椒株高動(dòng)態(tài)模擬

在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)標(biāo)記長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株植物，從移植后的第10天開始，每7～10 d測(cè)量1次株高。采用Logistic模型對(duì)辣椒株高進(jìn)行非線性回歸擬合（式（2）），對(duì)式（2）求導(dǎo)可得其增長(zhǎng)速率方程（式（3）），根據(jù)式（2）和式（3）可求出辣椒株高的各特征參數(shù)值[13]。定義1和1分別代表最大增長(zhǎng)速率和對(duì)應(yīng)的移植天數(shù)，2和3為生長(zhǎng)曲線上的2個(gè)拐點(diǎn)，2代表快增期的平均增長(zhǎng)速率。1、2、3構(gòu)成了辣椒生長(zhǎng)曲線上的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，具體表示為：0～2為漸增期、2～3為快增期、3～∞為緩增期。

式中：為辣椒株高（cm）；為移植后天數(shù)（d）；、和為模型固定系數(shù)。

1.3.3 生物量和產(chǎn)量測(cè)定

辣椒成熟期，在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，破壞性取樣后稱取植株地上和地下部樣品鮮質(zhì)量，在鼓風(fēng)干燥箱中在105 ℃條件下殺青30 min后，在75 ℃條件下烘干至恒定質(zhì)量，采用精度為0.01 g的電子秤稱取干質(zhì)量。辣椒成熟后采收果實(shí)并稱質(zhì)量，每個(gè)小區(qū)除去首末兩端的1株植株，選擇剩余4株測(cè)定其單株產(chǎn)量，取平均值作為該處理的1個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，通過SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件擬合Logistic生長(zhǎng)模型并進(jìn)行方差分析、Pearson相關(guān)分析及顯著性檢驗(yàn)。模型有效性采用效率系數(shù)（Nash－sutcliffe efficiency coefficient，）[14]和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（Normalized root mean squared error，）[13]進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤通氣性的動(dòng)態(tài)變化

由圖2可知，不同處理的土壤充水孔隙率（）變化動(dòng)態(tài)基本一致，灌水后均呈先升高后下降的變化趨勢(shì)。在灌水后的第2天下午，N1施氮水平下的N1AW2處理和N1CW2處理土壤達(dá)到較高水平，分別為77.4%和74.7%，相比N1AW1處理和N1CW1處理分別提高了14.5%和12.7%；N2施氮水平下的各處理土壤在灌水周期內(nèi)基本表現(xiàn)為N2CW2處理>N2AW2處理>N2CW1處理>N2AW1處理，在灌水后第2天下午差異達(dá)到最大，N2CW2處理和N2AW2處理較N2CW1處理和N2AW1處理的土壤分別提高了13.6%和12.2%（<0.05）。加氣量和施氮量的變化對(duì)土壤無顯著影響。

灌水后不同處理土壤均呈先下降后上升、之后逐漸趨于平緩的變化趨勢(shì)（圖3）。相同灌水量和施氮量下，加氣處理的土壤平均高于不加氣處理，在灌水后第2天上午最為顯著，此時(shí)N1AW1、N1AW2、N2AW1處理和N2AW2處理均已回升到較高水平，平均達(dá)到59.81×10-8g/（cm2·min）。其中，N1AW1處理和N1AW2處理較N1CW1處理和N1CW2處理的土壤分別提高了29.9%和37.9%，N2AW1處理和N2AW2處理較N2CW1處理和N2CW2處理的土壤分別提高了24.5%和35.3%。不同灌水量和施氮量對(duì)土壤無顯著影響。

圖2 不同處理土壤充水孔隙率動(dòng)態(tài)變化

圖3 不同處理土壤氧氣擴(kuò)散速率動(dòng)態(tài)變化

2.2 不同處理辣椒株高動(dòng)態(tài)變化

由圖4可知，不同處理辣椒株高隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)“慢-快-慢”的S型變化趨勢(shì)。移植后的49 d，相同施氮量和灌水量下，與不加氣處理相比，加氣處理對(duì)辣椒株高的影響差異最顯著。其中，N1AW1處理和N1AW2處理的辣椒株高相比N1CW1處理和N1CW2處理分別增加了11.8%和9.1%；N2AW1處理和N2AW2處理的株高較N2CW1處理和N2CW2處理分別增加了10.2%和9.1%。在開花坐果期，加氣灌溉能有效增加土壤氧氣量，提高根系呼吸作用，增強(qiáng)根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而促進(jìn)辣椒生長(zhǎng)。

采用Logistic模型對(duì)不同處理辣椒株高動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行擬合，擬合方程和有效性檢驗(yàn)見表3。各處理擬合方程的相關(guān)參數(shù)變化幅度較小，決定系數(shù)2均在0.980以上，且均達(dá)到了極顯著水平（<0.01），各處理實(shí)測(cè)值與模擬值的效率系數(shù)在0.818～0.903之間，標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差在4.14%～5.78%之間，小于10%，說明該模型可以準(zhǔn)確地模擬辣椒株高動(dòng)態(tài)隨時(shí)間的變化過程，模擬值與實(shí)測(cè)值有較高的吻合度。相同灌水量和施氮量下，不加氣處理的辣椒株高理論最大值平均為67.68 cm，而加氣處理的辣椒株高理論最大值平均為70.43 cm，二者相差2.75 cm。

圖4 不同處理辣椒株高動(dòng)態(tài)變化

表3 不同處理辣椒株高生長(zhǎng)過程模擬及有效性檢驗(yàn)

注 **表示在<0.01水平上存在顯著性差異，下同。

2.3 不同處理辣椒株高增長(zhǎng)速率及特征參數(shù)分析

圖5為不同處理Logistic擬合方程求一階導(dǎo)數(shù)后得到的辣椒株高增長(zhǎng)速率動(dòng)態(tài)曲線。各處理辣椒株高增長(zhǎng)速率為單峰曲線，且隨移植時(shí)間的推移整體呈先增加后下降的變化趨勢(shì)。相同施氮量和灌水量下，移植后35～49 d，與不加氣處理相比，加氣處理的株高增長(zhǎng)速率增幅最快。以移植后35 d為例，N1AW1處理和N1AW2處理的株高增長(zhǎng)速率較N1CW1處理、N1CW2處理分別提高了12.5%和16.7%；N2AW1處理和N2AW2處理的株高增長(zhǎng)速率較N2CW1、N2CW2處理分別提高了12.0%和11.7%。

進(jìn)一步對(duì)Logistic擬合方程求二階導(dǎo)數(shù)得到株高累計(jì)特征參數(shù)值，結(jié)果見表4。不同處理在開花坐果期（移植后41.81～45.12 d）辣椒株高生長(zhǎng)達(dá)到其最大增長(zhǎng)速率。其中，N2AW2處理的株高最大增長(zhǎng)速率和快增期平均增長(zhǎng)速率最高，分別達(dá)到0.89 cm/d和0.78 cm/d，N1CW2處理最低，僅為0.75 cm/d和0.65 cm/d。加氣處理的株高快增期持續(xù)時(shí)間較不加氣處理平均提前了4.51 d。株高最大增長(zhǎng)速率和快增期平均增長(zhǎng)速率在加氣處理下平均為0.87 cm/d和0.76 cm/d，不加氣處理下平均為0.77 cm/d和0.68 cm/d，加氣處理較不加氣處理分別提高了13.0%和11.8%。綜上，在辣椒生長(zhǎng)活躍期向根區(qū)土壤通氣可有效提高辣椒株高增長(zhǎng)速率，為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的過渡奠定基礎(chǔ)。

圖5 不同處理辣椒株高增長(zhǎng)速率動(dòng)態(tài)變化曲線

表4 不同處理辣椒株高動(dòng)態(tài)隨生育期變化的特征參數(shù)

注1為最大增長(zhǎng)速率所對(duì)應(yīng)的移植天數(shù)，2、3為快增期的開始和結(jié)束時(shí)間，?為快增期持續(xù)時(shí)間，1為最大增長(zhǎng)速率；2為快增期平均增長(zhǎng)速率。

2.4 不同處理對(duì)辣椒干物質(zhì)量及產(chǎn)量的影響

由表5可知，單因素下，施氮量、加氣量對(duì)辣椒干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量均具有極顯著影響，灌水量對(duì)地上部干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量具有極顯著影響，且對(duì)地下部干物質(zhì)量具有顯著影響；水氮交互作用對(duì)地上部干物質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生極顯著影響，其他因素的交互作用均對(duì)辣椒干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量無顯著影響。

本試驗(yàn)條件下，不同處理對(duì)辣椒地下部干物質(zhì)量無顯著影響。相同施氮量和灌水量下，加氣處理較不加氣處理能顯著增加辣椒地上部干物質(zhì)量和產(chǎn)量。其中，在N1施氮水平下，N1AW2處理的辣椒地上部干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量達(dá)到最高，分別為63.04 g/株和274.62 g/株，較N1CW2處理分別增加了18.5%和16.5%；N2水平下，N2AW2處理的辣椒地上部干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量分別達(dá)到了67.68 g/株和324.63 g/株，較N2CW2處理分別增加了15.7%和17.0%。辣椒地上部干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量隨施氮量、灌水量的增加而增加。N2水平下，辣椒地上部干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量平均為60.60 g/株和279.61 g/株，分別較N1水平下的辣椒地上部干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量增加了16.7%和17.4%；N2AW2處理較N2AW1處理的辣椒地上部干物質(zhì)量和單株產(chǎn)量分別增加9.5%和17.8%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，N2CW1處理的單株產(chǎn)量較N2CW2處理減少13.2%，而N2AW1處理較N2CW2處理的單株產(chǎn)量?jī)H減少0.7%，可見加氣灌溉可以緩解由于減少灌水而對(duì)辣椒產(chǎn)量所造成的負(fù)面影響。綜上所述，辣椒地上部干物質(zhì)量和產(chǎn)量隨加氣量、施氮量和灌水量的增加而顯著增加，N2AW2處理效果最佳。

表5 不同處理對(duì)辣椒干物質(zhì)量及產(chǎn)量的影響

注 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示<0.05水平存在顯著性差異，*和**分別表示在<0.05和<0.01水平存在顯著性差異，下同。

2.5 土壤ODR、WFPS和辣椒各指標(biāo)之間的相關(guān)分析

本試驗(yàn)采摘的辣椒產(chǎn)量取自收獲期，故將收獲前1個(gè)灌水周期所測(cè)土壤和的平均值進(jìn)行相關(guān)分析。由表6可知，辣椒株高與干物質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)（<0.01）；辣椒產(chǎn)量與土壤呈顯著正相關(guān)（<0.05），與株高、干物質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)（<0.01）。辣椒良好的生長(zhǎng)活動(dòng)有利于干物質(zhì)量的積累，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)量增加，并且產(chǎn)量與土壤的相關(guān)性較高。

表6 土壤ODR、WFPS和辣椒各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系

3 討論

土壤溫度、含水率、透氣性等表征土壤物理特性的環(huán)境因子相互作用且共同對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生重要影響[15]。可表征氧氣對(duì)作物的有效性，當(dāng)閾值低于40×10-8g/（cm2·min）時(shí)將損害作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，灌水后第2天上午，加氣處理較不加氣處理能顯著提高土壤，這與臧明[17]關(guān)于增氧灌溉的氧氣擴(kuò)散速率和氧化還原電位較常規(guī)灌溉有顯著提高，且改善效果最少持續(xù)24 h的結(jié)論相似。株高表征植物縱向的拓展能力，是植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程中重要的動(dòng)態(tài)指標(biāo)之一，且植物的生物量和產(chǎn)量與其關(guān)系緊密[18]。Li等[19]發(fā)現(xiàn)，通過向土壤注氣可使番茄株高和莖粗對(duì)其產(chǎn)生積極的反饋。吳梅等[20]研究表明，與常規(guī)地下滴灌相比，玉米的株高和莖粗在加氣滴灌下顯著增加1.51%～4.88%和3.63%～6.22%。本試驗(yàn)中，相同施氮量和灌水量下，在開花坐果期（移植后第49天）采用加氣灌溉能顯著促進(jìn)辣椒株高生長(zhǎng)，增幅在9.0%以上，與前人研究結(jié)果基本一致。

作物生長(zhǎng)模型的構(gòu)建可進(jìn)一步為作物動(dòng)態(tài)調(diào)控提供有效支撐。羅新蘭等[21]構(gòu)建了關(guān)于玉米葉面積指數(shù)的Logistic模型，2和標(biāo)準(zhǔn)誤差分別在0.98和0.21左右，較好的預(yù)測(cè)了不同生育期玉米葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。潘玉嬌[6]利用Logistic模型定量研究了辣椒葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量的變化過程，模型效果表現(xiàn)良好。本研究以移植天數(shù)為自變量，采用Logistic模型對(duì)加氣灌溉條件下辣椒株高生長(zhǎng)過程進(jìn)行了模擬，各處理的擬合方程均達(dá)到極顯著水平，能很好地描述辣椒株高生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。今后將開展多季試驗(yàn)對(duì)加氣灌溉下不同作物的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行擬合，進(jìn)一步提高特征參數(shù)的擬合精度。Logistic模型對(duì)其求各階導(dǎo)數(shù)后能得到許多具有生物學(xué)意義的特征參數(shù)，可定量分析作物的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化。本研究發(fā)現(xiàn)，加氣處理的株高快增期持續(xù)時(shí)間較不加氣處理平均提前了4.51 d。與不加氣處理相比，辣椒株高最大增長(zhǎng)速率和快增期平均增長(zhǎng)速率在加氣處理下分別提高13.0%和11.8%。這是由于加氣灌溉增加了根區(qū)土壤氧氣量，辣椒根系呼吸速率增強(qiáng)，進(jìn)而為地上部生長(zhǎng)奠定良好的基礎(chǔ)。本文只分析了辣椒株高隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，下一步將以有效積溫為自變量，對(duì)加氣灌溉下不同溫室作物的生長(zhǎng)特性及氮素累積進(jìn)行擬合分析，為調(diào)控設(shè)施作物生長(zhǎng)發(fā)育及精準(zhǔn)施氮提供理論依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效協(xié)同發(fā)展。

作物產(chǎn)量受氣象條件、人員管理、土壤肥力等多方因素的綜合影響。有研究發(fā)現(xiàn)，加氣灌溉下作物葉面積[22]、光合特性和干物質(zhì)積累[23]等指標(biāo)較常規(guī)地下滴灌顯著提高，良好土壤通氣狀況和養(yǎng)分供給加快了植物體內(nèi)各種生理活動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，促進(jìn)了生物量的積累和產(chǎn)量增加。Liu等[24]利用微納米氣泡設(shè)備發(fā)現(xiàn)，加氣灌溉顯著增加番茄干物質(zhì)量29.2%～67.5%和產(chǎn)量7.8%～26.9%。龐婕等[5]研究表明，土壤水分充足和適宜的溶解氧質(zhì)量濃度相結(jié)合，有利于促進(jìn)植株根系呼吸，提高番茄產(chǎn)量。以上研究結(jié)果與本試驗(yàn)在相同灌水和施氮條件下加氣灌溉能有效促進(jìn)辣椒地上部干物質(zhì)量的積累，顯著提高產(chǎn)量結(jié)論相似。

4 結(jié)論

1）加氣灌溉能顯著改善溫室辣椒土壤通氣狀況。相同灌水量和施氮量下，加氣處理的土壤平均高于不加氣處理，灌水后第2天效果最顯著，提升幅度在24.0%以上。

2）開花坐果期采用加氣灌溉對(duì)促進(jìn)辣椒株高生長(zhǎng)效果最為顯著，增幅在9.0%以上。Logistic模型可較為準(zhǔn)確地描述辣椒株高的生長(zhǎng)過程，加氣處理的辣椒株高最大增長(zhǎng)速率和快增期平均增長(zhǎng)速率較不加氣處理分別提高了13.0%和11.8%。

3）辣椒地上部干物質(zhì)量和產(chǎn)量隨加氣量、施氮量和灌水量的增加而增加，且產(chǎn)量與土壤和株高呈正相關(guān)關(guān)系。N2AW2處理（即：施氮量300 kg/hm2，灌水量1 024.2 m3/hm2，加氣率15%）在促進(jìn)辣椒生長(zhǎng)及干物質(zhì)量積累和產(chǎn)量提升中的綜合效果最佳。

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Modelling Growth and Yield of Aerated Pepper by the Logistic Model

XIAO Zheyuan1, LEI Hongjun1*,ZHANG Zhenhua2, ZHANG Qian3, JIN Cuicui1, SUN Keping1

(1.School of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China;2. School of Resources and Environmental Engineering, Ludong University, Yantai 264025, China;3. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China)

【Objective】Aeration is to supply oxygen to the root zone by bubbling the irrigation water. It is an effective irrigation technology to improve crop growth in heavy-textured soils with low air permeability. The aim of this paper is to experimentally study the effect of aeration on growth and yield of pepper. 【Method】The experiment was conducted in a greenhouse designed using a three-factor randomized block. It consisted of two nitrogen applications: 225 kg/hm2(N1) and 300 kg/hm2(N2), two aerations with the volumetric fraction of the air being 0% (C) and 15% (A) respectively, and two irrigation amounts: 682.8 m3/hm2(W1) and 1 024.2 m3/hm2(W2). Crop growth traits in each treatment, including plant height, dry matter and yield, were described by the logistic model. 【Result】Second day after irrigation, thewater-filled soil pore space () increased significantly (<0.05) with the irrigation amount when nitrogen application and aeration were the same. Adding 15% of air bubbles to the irrigation water significantly (<0.05) improved oxygen diffusion rate in the soil when other treatments were the same. Aerated irrigation boosted crop growth during the flowering and fruit bearing period most, increasing by>9.0% (<0.05). The crop elongation fitted to the logistic model well regardless of the treatments, with2>0.980 (<0.01).Aeration increased both maximum elongation rate and the average elongation rate over the rapid growth period of the crop by 13.0% and 11.8%, respectively, compared to the control without aeration. Similar as nitrogen application and irrigation, aeration also increased above-ground dry matter and fruit yield significantly (<0.05). Of all treatments, fertilizing 300 kg/hm2of N, irrigating 1 024.2 m3/hm2of water, and adding 15% of air bubbles to the irrigation water achieved the highest yield,324.63 g/plant. Fruit yield was positively correlated with oxygen diffusion rate and plant height.【Conclusion】Aerated irrigation can significantly improve soil aeration, promote crop growth and accumulation of dry matter, thereby increasing fruit yield. The logistic model describes the elongation of the crop well regardless of the treatments.

pepper; aeration irrigation; Logistic model; growth characteristics; yield

2022-03-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52079052）；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（212102110032）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2019JZZY010710）

肖哲元（1992-），男。博士研究生，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: xzy150610@126.com

雷宏軍（1975-），男。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: hj_lei2002@163.com

1672 - 3317（2022）07 - 0016 - 08

S626.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022138

肖哲元, 雷宏軍, 張振華, 等. 基于Logistic模型的加氣灌溉辣椒生長(zhǎng)特性和產(chǎn)量研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(7): 16-23.

XIAO Zheyuan, LEI Hongjun, ZHANG Zhenhua, et al. Modelling Growth and Yield of Aerated Pepper by the Logistic Model[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 16-23.

責(zé)任編輯：韓 洋