1. 引言
辣椒(Capsicum frutescens L.)属茄科辣椒属，是我国重要的蔬菜作物，其种植规模仅次于大白菜，深受人们喜爱[1]。辣椒具有维生素、类黄酮、辣椒素等各种代谢物，具有抗氧化、抗诱变和降胆固醇特性[2]，被广泛用于食品、医药和香料[3]，辣椒已成为人类生活不可或缺的一部分。
2022年全球辣椒种植面积约207万hm2，产量约3614万t [4]。河南省是我国辣椒总产量第一大省，临颍县是河南省辣椒生产大县，是麦套小辣椒模式主产区，在河南省种植面积最大。2023年，临颍县小辣椒种植面积达44万亩左右，产量13.7万t，年交易额55亿元，已经成为豫中南地区最大的小辣椒产销基地[2]。临颍县麦套小辣椒既保障了我国的粮食安全生产，又为农民增收提供了一种创新模式，是一种对农业资源高效利用、促进作物增产的种植模式[5]。
氮素作为植物生长发育的必需营养元素，参与植物体核酸、蛋白质、叶绿素等含氮物质的合成，对蔬菜作物的生长发育、产量品质有重要影响[6]。毕晓庆等[7]的研究表明，蔬菜作物生长期间缺氮会导致落花落果、叶片早衰，影响果实品质和产量。另一方面，辣椒种植过量施肥现象突出[8]，氮素过多限制碳水化合物的合成与积累，影响蔬菜作物营养生长和生殖生长的平衡[9]。由于辣椒根系浅，过量施氮会造成严重的活性氮流失[10]，降低氮肥利用率。向环境排放氮、磷等营养源，造成水体富营养化[11]。因此，探究辣椒生产过程中适宜的氮肥施用量对辣椒产量和品质的提升、辣椒产业健康发展、促进农民节本增收、提高经济效益、减少农业面源污染具有重要作用[12]。
然而，上述研究多集中在西南地区[13] [14]和甘肃[15]一带。对华北平原地区氮肥用量的研究多集中在小麦、玉米等大田作物上[16]-[20]，辣椒对不同氮肥用量响应上的研究较少，且多聚焦于氮肥与有机肥、生物炭、硅元素或真菌配合等情况下辣椒产量、土壤理化性质、N2O排放方面的综合研究[15] [21]-[23]。对于华北平原中部地区不同氮肥用量对辣椒外观品质、产量、氮素利用率、经济效益方面的研究比较匮乏。因此，本文于2023年5~9月在河南省临颍县开展田间试验，探究不同氮肥用量对小辣椒产量和品质的影响，为促进辣椒产量更高效、绿色、可持续发展提供理论依据。
2. 材料与方法
2.1. 试验概况
试验设置在河南省临颍县瓦店镇(113.93˚E, 33.82˚N)。地处黄淮平原，属温带季风气候，年平均气温14.5℃，一月平均气温0.5℃，七月平均气温28℃。年平均降雨量720 mm，受季风影响，雨量大部集中在6、7、8三个月。试验地为小麦–辣椒一年两熟间作套种模式。供试土壤为潮土，基本理化性质详见表1。
Table 1. Basic physical and chemical properties of soil in three soil layers
表1. 试验地三个土层土壤的基本理化性质
土层(cm) |
全氮(g∙kg−1) |
速效磷(mg∙kg−1) |
速效钾(mg∙kg−1) |
有机碳(g∙kg−1) |
pH |
0~20 |
2.0 |
9.2 |
169.8 |
19.7 |
8.3 |
20~40 |
1.1 |
3.3 |
109.5 |
11.5 |
8.6 |
40~60 |
0.4 |
3.1 |
60.2 |
7.4 |
8.7 |
2.2. 试验设计
供试辣椒品种为“樱椒八号”，2023年3月10日育苗，5月10日移栽，9月30日收获，种植密度为97500株∙hm−2。
试验设6个处理，3次重复，随机区组设计，小区面积4 m × 5 m，具体处理和肥料用量见表2。供试肥料为中颗粒尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)、氯化钾(K2O 50%)。其他管理与常规田间管理保持一致。磷钾肥在移栽的前一天全部基施，氮肥按照基追比1:1施用。2023年5月9日施用基肥，8月1日追肥，分别在2023年6月10日、7月16日、8月21日和9月30日取辣椒幼苗期、营养生长期、开花结果期和成熟期样品。
Table 2. Experiment treatments and fertilizer dosage
表2. 试验处理及肥料用量
处理 |
施用量(kg∙hm−2) |
N |
P2O5 |
K2O |
CK |
0 |
75 |
120 |
N60 |
60 |
75 |
120 |
N120 |
120 |
75 |
120 |
N180 |
180 |
75 |
120 |
N240 |
240 |
75 |
120 |
N300 |
300 |
75 |
120 |
2.3. 测定项目及方法
2.3.1. 光合作用指标的取样与测定
在田间取辣椒植株立即带回实验室清洗干净，去除大叶脉后称取新鲜叶片0.5 g左右，加入25 mL 95%酒精密封后黑暗处理24~36 h，使用分光光度计在波长665 nm、649 nm、470 nm下测定提取液的吸光度，参照李合生的方法计算叶绿素a、b和类胡萝卜素的含量[24]；用SPAD502叶绿素仪测定SPAD值。
2.3.2. 外观品质和干物质积累量的测定
在田间用直尺测量有代表性的植株株高和冠幅；每个小区取长势一致的三株辣椒带回实验室清洗干净，105℃杀青30 min，60℃烘干，分部位称重计算干物质积累量。
2.3.3. 产量及产量构成因素
收获时在各小区取有代表性的辣椒样品5株带回实验室清洗干净于阳光下晒干，考察每株辣椒总结果数和每株红色果实、绿色果实数，进而计算不同果实颜色占比；称重计算产量和单果重，并根据行间距和株间距，按照97500株∙hm−2计算亩产量。
2.3.4. 氮磷钾含量和积累量及氮素利用相关指标的测定和计算
杀青烘干后的植物样品称重计算干物质后进行粉碎，称取0.2 g用H2SO4-H2O2消化，氮、磷、钾含量分别采用凯式定氮法、紫外分光光度法、火焰光度计法测定[25]；根据干物质积累量计算氮、磷、钾积累量。
2.4. 数据处理与分析
实验数据采用Microsoft Excel 2021软件进行处理，采用SPSS版本24软件进行单因素方差分析和差异显著性检验，最小显著极差法进行多重比较，P < 0.05为差异显著，并用Origin 2021软件进行作图。
3. 结果与分析
3.1. 不同施氮量对辣椒光合作用指标的影响
叶绿素是植物光合作用的直接参与者，叶绿素含量能够直观反映出植株的生长发育状况。由图1可知，施氮能够增加植株光合色素含量。不同施氮处理较CK处理在辣椒不同生育期叶绿素a含量分别提高了37%~72%、66%~119%、20%~84%和13%~65%。不同氮肥处理较CK处理对辣椒不同生育期内叶绿素b含量分别提高了43%~93%、25%~43%、13%~83%和53%~103%。总叶绿素在辣椒不同生育期内分别比CK提高了38%~771%、74%~126%、18%~84%和24%~102%。类胡萝卜素在幼苗期、营养生长期和成熟期分别比CK增加了18%~59%、68%~110%和30%~102%，而在开花结果期N240和N300处理下类胡萝卜素与CK相比降低了39%和23%。
注：不同字母的数据之间存在显著性差异(P < 0.05)。下同。
Figure 1. Effects of different nitrogen fertilizer dosages on the content of photosynthetic pigment in pepper
图1. 不同氮肥用量对辣椒光合色素含量的影响
不同氮肥用量能够提高植株SPAD值(图2)。对辣椒幼苗期、开花结果期和成熟期SPAD增长显著，分别增加了6%~15%、12%~27%和13%~22%，而各施氮处理之间差异不显著。
Figure 2. Effects of different nitrogen fertilizer dosages on SPAD in pepper
图2. 不同氮肥用量对辣椒SPAD的影响
3.2. 不同施氮量对辣椒产量和品质的影响
3.2.1. 不同施氮量对辣椒外观品质和干物质积累的影响
不同施氮量可以提高辣椒株高和冠幅(图3)。不同用量的氮肥与CK相比分别显著提高41%、49%、78%、64%和74%的辣椒株高。N180至N300处理与对照相比显著提高了辣椒冠幅，分别显著提高了24%、41%和27%。
Figure 3. Effects of different N rates on pepper plant height and crown width at maturity stage
图3. 不同施氮量对成熟期辣椒株高和冠幅的影响
不同施氮量显著提高了辣椒干物质的积累(图4)。不同施氮量在营养生长期、开花结果期和成熟期分别提高了12%~33%、13%~89%和45%~163%的干物质积累。从辣椒生长的全生育期看，成熟期辣椒干物质积累缓慢，幼苗期、营养生长期和开花结果期干物质积累迅速增加，分别比前一个时期增长了4.0~8.0倍、3.0~4.7倍，而在产量形成的成熟期仅比开花结果期增长了0~0.4倍。
Figure 4. Effects of different N rates on dry matter accumulation of pepper
图4. 不同施氮量对辣椒干物质积累的影响
3.2.2. 不同施氮量对辣椒产量的影响
不同施氮量对辣椒产量有显著影响，各处理均提高了辣椒单株产量和亩产量(图5)。与CK相比，各施氮处理分别提高了28%、93%、128%、155%和130%，其中N120至N300处理均达到了显著水平，N240与其他施氮处理相比对亩产量和单株产量影响最大。另一方面，不同施氮量也可以提高辣椒单果重，与CK相比，分别提高了16%、14%、45%、35%和15%，N180处理显著提高植株单果重，但其他处理与CK相比差异不显著。
Figure 5. Effects of different N rates on yield of pepper
图5. 不同施氮量对辣椒产量的影响
由图6分析可知，随着施氮量的提高，单株辣椒绿色果占比增多，红色果比例减少。与CK相比，不同氮肥用量的单株辣椒红果比例分别降低2%、10%、19%、4%和30%。可见，除N240处理外，其他处理中的红果比例随施氮量的提高而降低。
Figure 6. Effects of different N rates on pepper fruit color
图6. 不同氮肥用量对辣椒果实转色的影响
3.3. 不同施氮量对辣椒植株氮含量和积累量的影响
施氮可提高辣椒植株氮含量，尤其在辣椒生长早期幼苗期和营养生长期(图7)。但在开花结果期和成熟期辣椒氮含量随施氮量的提高有下降趋势。且在开花结果期和成熟期地上部植株氮含量普遍高于地下部植株氮含量。辣椒氮积累量随施氮量的提高而积累。与CK相比，在辣椒幼苗期差异不显著，其他三个生育期内差异均达到显著水平，尤以开花坐果期和成熟期氮积累效果最明显。开花结果期各施氮处理分别比CK提高了1.0倍、1.4倍、1.7倍、1.6倍和2.0倍的氮积累量，成熟期各施氮处理分别比CK提高了1.2倍、1.8倍、2.0倍、2.4倍和2.1倍的氮积累量。
Figure 7. Effects of different N rates on nitrogen content and accumulation in various parts of the plant
图7. 不同施氮量对植株各部位氮含量和积累量的影响
3.4. 不同施氮量对辣椒植株磷钾含量和积累量的影响
Figure 8. Effects of different N rates on phosphorus and potassium content and accumulation in the plant
图8. 不同施氮量对植株磷钾含量和积累量的影响
施氮显著提高营养生长期植株的磷含量，其他时期也有不同程度的增加但不显著(图8)。施氮显著增加植株磷积累量，尤其在成熟期，各施氮处理分别比CK处理提高了0.3倍、1.1倍、1.3倍、1.5倍和2.8倍的磷积累量。
施氮对植株钾含量的影响在植株各时期均表现不显著，在幼苗期、营养生长期、成熟期的辣椒根部和果实均有随施氮量的增加而升高的趋势，而其他生育期内则表现为上下波动的状态。施氮对植株钾积累量的影响在开花坐果期和成熟期表现明显，开花坐果期各施氮处理分别比CK处理提高了0.7倍、0.7倍、1.2倍、1.4倍和1.8倍的钾积累量，成熟期各施氮处理分别比CK处理提高了0.5倍、0.9倍、1.5倍和1.7倍的钾积累量。
3.5. 不同施氮量对氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力的影响
不同施氮量显著影响氮肥利用效率和氮肥偏生产力(表3)。施氮量越多，氮肥利用率和氮肥偏生产力就越低。在N120、N180、N240和N300处理下，与N60相比氮肥利用率分别降低了25%、44%、49%和64%；氮肥偏生产力分别降低了25%、41%、50%和64%。氮肥农学效率在各施氮量下处于波动水平且没有显著差异。
Table 3. Nitrogen use efficiency of pepper with different nitrogen dosage
表3. 不同氮用量的辣椒氮肥利用率
处理 |
氮肥利用率NUE (%) |
氮肥农学效率AEN (kg∙kg−1) |
氮肥偏生产力PFPN (kg∙kg−1) |
CK |
- |
- |
- |
N60 |
28.97 ± 4.42 a |
8.01 ± 5.65 a |
36.54 ± 6.10 a |
N120 |
21.84 ± 2.89 ab |
13.34 ± 1.37 a |
27.60 ± 4.70 b |
N180 |
16.24 ± 3.11 bc |
8.89 ± 4.00 a |
21.70 ± 1.71 bc |
N240 |
14.83 ± 2.96 bc |
11.03 ± 2.40 a |
18.16 ± 3.82 bc |
N300 |
10.50 ± 2.65 c |
7.44 ± 2.54 a |
13.15 ± 1.29 c |
注：不同字母的数据之间存在显著性差异(P < 0.05)。
3.6. 不同施氮量对辣椒经济效益的影响
Table 4. Input costs and economic profits under different nitrogen rates
表4. 不同氮用量的投入成本和经济效益
处理 |
种子/ (元∙hm−2) |
除草/ (元∙hm−2) |
移栽/ (元∙hm−2) |
灌溉水费/ (元∙hm−2) |
氮肥/ (元∙hm−2) |
磷肥/ (元∙hm−2) |
钾肥/ (元∙hm−2) |
产量/ (kg∙hm−2) |
产值/ (元∙hm−2) |
净利润/ (元∙hm−2) |
CK |
495.0 |
281.3 |
1500.0 |
75.0 |
0.0 |
750.0 |
1040.0 |
1711.7 |
25675.8 |
21534.6 |
N60 |
495.0 |
281.3 |
1500.0 |
75.0 |
391.3 |
750.0 |
1040.0 |
2192.1 |
32881.9 |
28349.3 |
N120 |
495.0 |
281.3 |
1500.0 |
75.0 |
782.6 |
750.0 |
1040.0 |
3312.1 |
49681.1 |
44757.3 |
N180 |
495.0 |
281.3 |
1500.0 |
75.0 |
1173.9 |
750.0 |
1040.0 |
3905.2 |
58578.0 |
53262.8 |
N240 |
495.0 |
281.3 |
1500.0 |
75.0 |
1565.2 |
750.0 |
1040.0 |
4359.1 |
65385.9 |
59679.5 |
N300 |
495.0 |
281.3 |
1500.0 |
75.0 |
1956.5 |
750.0 |
1040.0 |
3944.7 |
59170.7 |
53072.9 |
注：化肥价格按46%尿素(折纯N) 3元∙kg−1，12%过磷酸钙(折纯P2O5) 1.5元∙kg−1，60%氯化钾(折纯K2O) 5.2元∙kg−1计算；按照每公顷地计算收益；除草两次；辣椒按照当年市场价15元∙kg−1售出。
各处理在营养生长期转向开花结果期时进行一次追肥，其他田间管理均相同，因此各处理的净利润区别在于氮肥用量和产量，氮肥用量成本差异较小，产量是影响收益的主要方面。经计算得出，在施氮量为240 kg∙hm−2时每公顷的净利润为59679.5元，比其他处理分别高出2.8倍、2.1倍、1.3倍、1.1倍和1.1倍(见表4)。可见，随施氮量的逐渐增加，净利润随之增加，在N240处理时利润达最大，N300与N180处理获得的净收益大致相同。
4. 讨论
4.1. 不同施氮量对叶绿素和类胡萝卜素的影响
氮是叶绿素的主要组分，也是植物光合酶的主要组分。叶绿素含量与氮含量有较强的相关性[26]。因此，在一定范围内提高辣椒叶片氮素含量可以促进光合作用。但是，过量施氮(300 kg∙hm−2)会推迟辣椒生育期[27]，增加辣椒绿色果的比例。辣椒叶片叶绿素a和叶绿素b随着施氮量的增加而增加，而类胡萝卜素则呈现出先增加后降低的趋势(图4)。生育前期对氮素的需求量较低，营养生长期、生殖生长及养分积累期需氮量较高，因此，在幼苗期施基肥和由生殖生长期转为结果期过程中追肥，植株生长发育和果实膨大迅速。植株叶片内类胡萝卜素的主要作用是保护光合作用反应器不被氧的活化形式所氧化，并能够吸收蓝光和绿光[28]。在N240和N300处理的辣椒开花坐果期类胡萝卜素含量降低，说明施用氮素较高将不利于光合作用反应器被氧化，不利于植株进行光合作用，进而影响植株进入下一个生育期，即由营养生长期转为开花结果期。
4.2. 不同施氮量对辣椒生长和产量品质的影响
本文研究了不同氮肥用量对辣椒外观品质、产量指标的变化，结果表明，施氮能够显著提高辣椒植株的鲜重、干重、冠幅、株高、单株产量等。研究表明，氮肥是调控作物产量和品质的关键营养元素[29]-[31]。高施氮量对辣椒果色有影响，施氮量在240 kg∙hm−2以上时，辣椒单株红果比例降低，绿果比例增加。戴雄泽等[32]的研究显示，辣椒果实呈现绿色是由于果实中含有叶绿素，没有叶绿素则为乳白色，而辣椒果实呈现红色则是由于成熟期辣椒合成红色类胡萝卜素，若没有合成红色类胡萝卜素则为橙色果，且颜色的深浅与叶绿素和红色类胡萝卜素的种类有关，这也解释了本研究中N240和N300中红色果、绿色果及杂色果比例问题，即不同氮肥用量影响了辣椒果实的叶绿素与类胡萝卜素的种类与含量。
4.3. 施氮量对辣椒干物质产量及各时期不同部位氮、磷、钾含量和积累量的影响
施氮能显著提高作物干物质产量。在施氮量0~300 kg∙hm−2范围内，辣椒干物质产量随施氮量的增加而增加，在300 kg∙hm−2时达到最大值。氮肥施用量对辣椒幼苗期、营养生长期、开花结果期和成熟期氮含量有显著影响，但在高氮处理时影响不显著，这与李强等[33]的研究结果一致。施用氮肥显著促进了辣椒植株对磷和钾的吸收积累，有助于辣椒后期获得足够的养分，对辣椒果实品质的形成具有促进作用[34]。
4.4. 不同施氮处理辣椒氮肥利用率和经济效益的分析
氮肥利用率是衡量施肥科学性的重要指标。周浩露等[35]的研究表明，一定范围内施氮可显著提高作物氮肥利用率，进而提高经济效益。本研究中在常规田间管理下，N60、N120、N180、N240和N300处理的辣椒氮肥利用率分别是29%、22%、16%、15%和11%，与其结果不一致，或许是因为该农田基础土样中全氮含量为2.04 g∙kg−1，氮含量过高且速效磷、速效钾等其他物质也均处于较高的含量，使本试验再次施入的氮肥利用率没有得到充分发挥。本研究中不同氮肥处理下辣椒获得的净利润比CK分别增加了0.3倍、1.1倍、1.5倍、1.8倍和1.5倍，说明合理的施氮量对提高辣椒产量和经济效益有明显的促进作用[36]。
5. 结论
不同氮肥用量调节辣椒叶绿素、胡萝卜素、干物质产量、植株株高、冠幅、产量及植株氮磷钾含量和积累量。不同氮肥用量能显著提高辣椒植株的生物量和产量，在N240时产量增长最显著。氮肥利用效率和氮肥偏生产力随着施氮量的增加而降低。本试验条件下，施氮量为240 kg∙hm−2时，辣椒种植获得的净利润最大，可达59679.5元∙hm−2。
基金项目
河南省大宗蔬菜产业技术体系项目(HARS-22-07-S)；河南辣椒氮素高效利用方案创制与应用(30802758)；“十四五”国家重点研发计划(2021YF1700900)。
NOTES
*通讯作者。