土溫對設(shè)施葡萄萌芽的影響及需熱量模型的適宜性分析

羅國安，張亞紅，孫利鑫，董　艷，尹　翠

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

設(shè)施栽培是鮮食葡萄種植生產(chǎn)的主要方式，自20世紀(jì)70年代在我國北方地區(qū)發(fā)展[1]。溫度是設(shè)施栽培葡萄萌芽期最重要的環(huán)境因子[2]，包括氣溫和土溫，二者與葡萄萌芽關(guān)系的研究能為設(shè)施葡萄的精準(zhǔn)上市提供理論依據(jù)。需熱量是以氣溫為單位變量統(tǒng)計的葡萄休眠芽自休眠結(jié)束至萌芽展葉50%累積的熱量，且葡萄需要一定的熱量才能正常的萌芽展葉[3-4]。關(guān)于需熱量的研究，學(xué)者們主要是以不同模型統(tǒng)計需熱量并將其與需冷量進(jìn)行統(tǒng)計分析，王西成等[5]發(fā)現(xiàn)，歐亞種葡萄的需熱量較歐美雜種葡萄要高，且不同模型統(tǒng)計的需熱量與需冷量的關(guān)系具有差異性；王海波等[6]用年際間變異系數(shù)來評估有效積溫模型和生長度小時模型，認(rèn)為有效積溫模型更適宜在生產(chǎn)中應(yīng)用。關(guān)于土溫對設(shè)施葡萄生長發(fā)育的影響，司海娣[7]研究發(fā)現(xiàn)，日光溫室中葡萄的萌芽展葉時間要較塑料大棚早1個月，主要影響因素是土溫和氣溫。高東升等[8]研究落葉果樹發(fā)現(xiàn)，同步的土壤高溫能夠降低落葉果樹的低溫積累。王世平等[9]研究土溫對葡萄物候期的影響發(fā)現(xiàn)，促成栽培早期土壤溫度提高約10 ℃，各物候期均早于未加溫處理2～5 d。王連榮等[10]將設(shè)施早露蟠桃地上部接受正常自然休眠，根系接受不同溫度處理，發(fā)現(xiàn)高的土溫可以使花芽提前解除休眠。本研究通過連續(xù)2 a在塑料大棚和日光溫室條件下對紅地球葡萄萌芽期設(shè)置不同的土溫，研究土溫對設(shè)施栽培紅地球葡萄萌芽的影響并進(jìn)行6個需熱量模型的對比分析，統(tǒng)計不同土溫處理下葡萄的萌芽時間，分析不同梯度土溫對設(shè)施葡萄萌芽的影響；統(tǒng)計土壤有效積溫和空氣有效積溫，研究土溫和氣溫與萌芽天數(shù)的關(guān)系；統(tǒng)計6個模型的需熱量，選出塑料大棚和日光溫室內(nèi)適宜的需熱量模型，為設(shè)施葡萄的促成栽培或延遲栽培提供理論依據(jù)。

1　材料和方法

1.1　試驗地概況及材料

試驗日光溫室和塑料大棚位于寧夏回族自治區(qū)銀川市永寧縣小任果業(yè)有限公司。塑料大棚長96 m，跨度16 m，脊高4 m，鋼架結(jié)構(gòu)，覆蓋和保溫材料分別為PE膜和棉被。供試葡萄為紅地球(Red Globe)，2007年種植，南北行向，株行距0.5 m×1.3 m。日光溫室長88 m，跨度9 m，脊高4 m，鋼架結(jié)構(gòu)，覆蓋和保溫材料分別為PE膜和棉被，供試葡萄為紅地球，2006年種植，東西行向，株行距0.5 m×1.3 m。

1.2　土壤加熱試驗

2014、2015年連續(xù)2 a對日光溫室和塑料大棚內(nèi)紅地球葡萄進(jìn)行冬季扣棚反保溫管理，期間將棚內(nèi)氣溫控制在0～7.2 ℃，以滿足紅地球葡萄需冷量。日光溫室和塑料大棚分別在12月份左右進(jìn)行升溫管理(保溫被白天揭開夜間覆蓋)，并開始進(jìn)行土壤加熱處理(表1)，2015年日光溫室未設(shè)置土溫梯度。選擇5個大小相同的葡萄種植行，每一行分別進(jìn)行不同的土壤加熱處理。土壤加熱利用發(fā)熱電纜加熱：在距離葡萄主根0.4 m、地表下0.3 m處，鋪設(shè)電熱線(電熱線固定在納米材料板上)，之后覆土，覆蓋黑色地膜保溫，外接控溫儀控制溫度，控溫儀設(shè)置斷電溫度為(理論溫度+1) ℃。不加溫處理(T1，CK)：地面覆蓋黑色地膜，進(jìn)行常規(guī)保溫處理。

表1　土壤加熱試驗設(shè)計　℃

1.3　氣溫和土溫的監(jiān)測

1.3.1日光溫室采用美國Campbellsci公司的CR800數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)傳感器對CK行地上1.5 m處的氣溫和地下0.2 m處的土溫進(jìn)行測定；采用美國Campbellsci公司的CR10X-2M數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)傳感器對處理行地上1.5 m處的氣溫和地下0.2 m處的土壤溫度進(jìn)行測定。每15 min采集一次數(shù)據(jù)。

1.3.2塑料大棚采用杭州澤大溫度記錄儀(型號ZDR-41)對CK行地下0.2 m處的土溫進(jìn)行測定；采用美國Campbellsci公司的CR3000數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)傳感器對處理行地上1.5 m處的氣溫和地下0.2 m處的土壤溫度進(jìn)行測定。每15 min采集一次數(shù)據(jù)。

1.4　測定方法

1.4.1生理休眠結(jié)束期的確定采用枝條法確定休眠結(jié)束期[11]：每年的11月上旬采集枝條，每7 d采樣一次，采集生長健壯、沒有病蟲害、長勢一致的帶芽休眠枝，去葉打側(cè)枝，每根枝條3～5個芽，基部留約15～20 cm。將枝條通過試管架固定然后放入盛有清水的白盆中。然后放入人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，條件如下：溫度(晝/夜)25 ℃/15 ℃，相對濕度65%，光照強(qiáng)度1 000～1 200 lx，光照14 h/黑暗10 h。每隔5 d換一次水，同時剪去基部少許(約3 mm)使其露出新茬。連續(xù)培養(yǎng)20 d后開始統(tǒng)計萌芽率：50%≤萌芽率<60%，則此次采樣培養(yǎng)之日即為生理休眠解除日期；60%≤萌芽率<70%，則此次與上次采樣的中間日期為生理休眠解除日期；70%≤萌芽率，則上次采樣日期為生理休眠結(jié)束日期。

1.4.2萌芽期的確定選取10株生長良好的葡萄并對其1 a生枝條上的芽進(jìn)行露綠期統(tǒng)計，葡萄開始露綠后統(tǒng)計，每3 d統(tǒng)計一次，萌發(fā)率≥50%時記為葡萄的萌芽期[12]。萌發(fā)率=露綠期的芽數(shù)目/總芽數(shù)×100%。露綠期:從新芽顏色能透過絨毛看到，到嫩芽最外面一片葉子的邊緣可見。

1.4.3有效積溫的計算按每小時計算空氣有效積溫和土壤有效積溫。葡萄的生物學(xué)零度為10 ℃，將高于10 ℃的部分求和作為有效積溫，低于10 ℃的部分作為0處理，時間為從生理休眠結(jié)束期開始至萌芽期結(jié)束[13-14]。

1.4.4需熱量的計算采用溫度最大值累計模型、平均溫度累計模型、熱量模型、最大積溫模型、生長度小時模型、有效積溫模型計算需熱量，計算方法如下：

(1)溫度最大值累計模型[15-16]：用溫度最大值(計作ACTmax ℃)表示，ACTmax ℃=∑t日最高溫度；

(2)平均溫度累計模型[17]：用溫度平均值(計作ACTmed ℃)表示，ACTmed ℃=∑t日平均溫度；

(3)熱量模型[18]：用日最高氣溫與最低氣溫之差的累計值(計作Heat ℃)表示，Heat ℃=∑(t日最高溫度-t日最低溫度)；

(4)最大積溫模型[15]：用日最高氣溫與生物學(xué)零度之差的累計值(計作Dmax ℃)表示，最大積溫=∑(t日最高溫度-10)；

(5)生長度時模型[19]：用每小時的氣溫平均值的熱量積累(記作GDH ℃)表示。t每小時≤4.5 ℃時，GDH ℃=0；4.5 ℃

(6)有效積溫模型[17]：用日平均氣溫與生物學(xué)零度之差的累計值(計作D ℃)表示，有效積溫=∑(t日平均溫度-10)。

2　結(jié)果與分析

2.1　土溫和氣溫對設(shè)施葡萄萌芽的影響

土溫的升高影響紅地球葡萄的休眠結(jié)束期、萌芽期及萌芽天數(shù)(表2)。對于休眠結(jié)束期，日光溫室內(nèi)土溫的升高對其沒有影響；塑料大棚內(nèi)土溫的升高對其有影響：2014年20 ℃和25 ℃的土溫梯度較CK讓休眠結(jié)束提前7 d，2015年20 ℃土溫梯度讓休眠結(jié)束提前3 d，25、30 ℃土溫梯度讓休眠結(jié)束提前7 d。對于萌芽期，日光溫室和塑料大棚內(nèi)土溫的升高對其均有影響：2014年日光溫室內(nèi)20、25 ℃土溫梯度分別讓萌芽期提前9、13 d，2014年塑料大棚內(nèi)20、25 ℃土溫梯度分別讓萌芽期提前23、29 d，2015年塑料大棚內(nèi)15、20、25、30 ℃分別讓萌芽期提前了3、11、19、22 d。對于萌芽天數(shù)，日光溫室和塑料大棚內(nèi)土溫的升高對其較CK均有顯著性減少作用：日光溫室內(nèi)15～25 ℃土溫中25 ℃土溫效果最優(yōu)，塑料大棚內(nèi)8～30 ℃土溫中30 ℃土溫效果最優(yōu)。

表2　土溫對紅地球葡萄休眠結(jié)束期、萌芽期和萌芽天數(shù)的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一設(shè)施同一年份不同處理在0.05水平差異顯著;CK的土溫是萌芽期的平均土溫(地下0.2 m處)。

因此，一定范圍內(nèi)土溫的升高能夠讓設(shè)施葡萄休眠結(jié)束期、萌芽期提前，減少葡萄的萌芽天數(shù)，但效果受溫度值和時間的影響。

2.2　土壤和空氣有效積溫與紅地球萌芽天數(shù)的關(guān)系分析

由空氣有效積溫和土壤有效積溫與萌芽天數(shù)的線性擬合結(jié)果(圖1)可以看出：空氣有效積溫與萌芽天數(shù)也有良好的線性關(guān)系，2014年日光溫室、2014年塑料大棚、2015年塑料大棚的擬合優(yōu)度分別為0.98、0.92、0.85；土壤有效積溫與萌芽天數(shù)有良好的線性關(guān)系，2014年日光溫室、2014年塑料大棚、2015年塑料大棚的擬合優(yōu)度分別為0.96、0.88、0.79?？諝庥行Хe溫與萌芽天數(shù)的擬合優(yōu)度較土壤有效積溫平均高0.04。

由空氣有效積溫和土壤有效積溫與萌芽天數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果(表3)可以看出：土壤有效積溫、空氣有效積溫與萌芽天數(shù)均具有好的相關(guān)性。2014年日光溫室、2014年和2015年塑料大棚的土壤有效積溫與萌芽天數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.98、-0.94、-0.89；2014年日光溫室、2014年和2015年塑料大棚的空氣有效積溫與萌芽天數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.99、0.96、0.92?？諝庥行Хe溫與萌芽天數(shù)的相關(guān)性較土壤有效積溫平均高0.02。

因此，土壤有效積溫和空氣有效積溫均與設(shè)施葡萄萌芽關(guān)系密切，且空氣有效積溫與萌芽天數(shù)的關(guān)系較土壤有效積溫更加密切。

圖1　有效積溫與紅地球萌芽天數(shù)的線性擬合

表3　有效積溫與紅地球萌芽天數(shù)的相關(guān)系數(shù)　r

注：*表示在0.05水平顯著；*表示在0.01水平顯著，下表同。

2.3　不同模型統(tǒng)計的需熱量與紅地球萌芽天數(shù)的關(guān)系分析

將溫度最大值累計模型、平均溫度累計模型、熱量模型、有效積溫模型、最大積溫模型、生長度時模型統(tǒng)計的塑料大棚和日光溫室內(nèi)紅地球葡萄需熱量與萌芽天數(shù)進(jìn)行線性擬合分析(圖2和圖3)，并進(jìn)行相關(guān)性分析(表4和表5)。

在塑料大棚中(圖2)，溫度最大值累計模型、平均溫度累計模型、熱量模型、有效積溫模型、最大積溫模型、生長度時模型統(tǒng)計的需熱量與萌芽天數(shù)的擬合優(yōu)度分別為0.84、0.70、0.91、0.55、0.79、0.71。溫度最大值累計模型、熱量模型、最大積溫模型統(tǒng)計的需熱量與萌芽天數(shù)的擬合優(yōu)度大于0.8，有效積溫模型統(tǒng)計的需熱量與萌芽天數(shù)的擬合優(yōu)度小于0.6，平均溫度累計模型、生長度時模型統(tǒng)計的需熱量與萌芽天數(shù)的擬合優(yōu)度為0.7～0.8。擬合優(yōu)度按大小順序排列，即熱量模型>溫度最大值累計模型>最大積溫模型>生長度時模型>平均溫度累計模型>有效積溫模型。

在日光溫室中(圖3)，溫度最大值累計模型、平均溫度累計模型、熱量模型、有效積溫模型、最大積溫模型、生長度時模型統(tǒng)計的需熱量值與萌芽天數(shù)的擬合優(yōu)度分別為0.97、0.99、0.92、0.89、0.96、0.99，擬合優(yōu)度均大于0.8。擬合優(yōu)度按大小排列，生長度時模型=平均溫度累計模型>溫度最大值累計模型>最大積溫模型>熱量模型>有效積溫模型。

圖2　塑料大棚內(nèi)需熱量與紅地球萌芽天數(shù)的線性擬合

圖3　日光溫室內(nèi)需熱量與紅地球萌芽天數(shù)的線性擬合

在塑料大棚中(表4)，溫度最大值累計模型、平均溫度累計模型、熱量模型、有效積溫模型、最大積溫模型、生長度時模型統(tǒng)計的需熱量與萌芽天數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.81、0.65、0.90、0.47、0.76、0.67，有效積溫模型統(tǒng)計的需熱量與萌芽天數(shù)的相關(guān)系數(shù)小于0.6，其他5個模型統(tǒng)計的需熱量均與萌芽天數(shù)顯著相關(guān)，且溫度最大值模型和熱量模型統(tǒng)計的需熱量與萌芽天數(shù)極顯著正相關(guān)。將相關(guān)系數(shù)按大小排列，即熱量模型>溫度最大值累計模型>最大積溫模型>生長度時模型>平均溫度累計模型>有效積溫模型。

在日光溫室中(表5)，溫度最大值累計模型、平均溫度累計模型、熱量模型、有效積溫模型、最大積溫模型、生長度時模型統(tǒng)計的需熱量與萌芽天數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.96、0.99、0.88、0.84、0.94、0.99，所有模型統(tǒng)計的需熱量均與萌芽天數(shù)顯著正相關(guān)。將相關(guān)系數(shù)按大小排列，即生長度時模型=平均溫度累計模型>溫度最大值累計模型>最大積溫模型>熱量模型>有效積溫模型。

以上結(jié)果表明：需熱量與紅地球葡萄萌芽天數(shù)顯著相關(guān)；在冬季溫度較低的塑料大棚，適宜的需熱量模型為熱量模型和溫度最大值模型，在冬季溫度較高的日光溫室，6種需熱量模型都適合。

表4　塑料大棚內(nèi)需熱量與萌芽天數(shù)的相關(guān)系數(shù)

表5　日光溫室內(nèi)需熱量與萌芽天數(shù)的相關(guān)系數(shù)

3　結(jié)論與討論

根系對于多年生的木本果樹影響尤為重要，是樹體整體發(fā)育的基礎(chǔ)和中心，通過吸收水分、礦質(zhì)養(yǎng)分和合成內(nèi)源激素等途徑對葉片生長、碳素同化、花芽分化、果實發(fā)育等許多過程產(chǎn)生著影響[20]。土溫影響葡萄根系的活動，而根系的活動影響芽的萌發(fā)[21]。Barba等[22]發(fā)現(xiàn)，升高土壤溫度會使云杉的萌芽時間提前。本研究發(fā)現(xiàn)，土溫的升高能夠讓休眠結(jié)束期和萌芽期提前，這與王連榮等[10]和王世平等[9]的結(jié)論相符合。土壤有效積溫與萌芽天數(shù)極顯著線性負(fù)相關(guān)，空氣有效積溫與萌芽天數(shù)極顯著正相關(guān)，但|R土(土壤有效積溫與萌芽天數(shù))|<|R氣(空氣有效積溫與萌芽天數(shù)|。Chen等[23]發(fā)現(xiàn)，土壤有效積溫與白蠟樹萌芽進(jìn)度呈線性關(guān)系。孫魯龍等[24]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效積溫和空氣有效積溫與萌芽進(jìn)程呈線性正相關(guān)，且葡萄在萌芽期間對土壤有效積溫的需求更高。本試驗與孫魯龍等[24]的研究結(jié)果有差異，主要原因是二者的數(shù)據(jù)性質(zhì)不同：本研究是以萌芽階段的有效積溫與萌芽天數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，孫魯龍等[24]是以萌芽階段進(jìn)程中的有效積溫與對應(yīng)的天數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

本研究發(fā)現(xiàn)，需熱量與萌芽天數(shù)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，日光溫室適合6種需熱量模型，塑料大棚適合熱量模型和溫度最大值累計模型。Spiegelroy等[25]研究50個不同基因型的梨樹品種，發(fā)現(xiàn)其低溫要求和其開花日期相關(guān)性小，需熱量和梨樹花期相關(guān)性很高，因此，通過需熱量來估算果樹花期更為有效。Gianfagna等[26]研究認(rèn)為，蘋果開花晚的品種是因為具有高需熱量要求，不管蘋果遺傳類型為何，需冷量作用小，需熱量作用更大。Faust等[27]研究發(fā)現(xiàn)，梨樹萌芽開花由需熱量決定。本研究結(jié)論與上述學(xué)者的研究結(jié)論相符，即需熱量與萌芽天數(shù)具有良好的擬合關(guān)系。日光溫室與熱帶氣候相似，塑料大棚與溫帶氣候相似，可以認(rèn)為熱帶地區(qū)的需熱量可以用多種模型來計算，溫帶地區(qū)的需熱量可以用熱量模型和溫度最大值模型計算。

綜上所述，土溫和氣溫均影響設(shè)施葡萄的萌芽；土壤有效積溫和空氣有效積溫均與設(shè)施紅地球葡萄萌芽天數(shù)極顯著線性相關(guān)，但空氣積溫與萌芽天數(shù)相關(guān)系數(shù)更大；需熱量與設(shè)施紅地球葡萄萌芽天數(shù)極顯著正相關(guān)；日光溫室和塑料大棚適合的需熱量模型不同。