張戰(zhàn)勝, 馬文禮, 屈曉蕾, 王世平
(1.寧夏農(nóng)墾農(nóng)林牧技術(shù)推廣服務(wù)中心,寧夏銀川 750021; 2.寧夏農(nóng)墾集團(tuán)有限公司,寧夏銀川 750000;3.上海交通大學(xué),上海 200240)
寧夏賀蘭山東麓地區(qū)是中國(guó)北方優(yōu)質(zhì)釀酒葡萄最適宜氣候生態(tài)區(qū)[1-2]。按照寧夏回族自治區(qū)政府規(guī)劃,2020年將在寧夏賀蘭山東麓建成6.67萬(wàn)hm2優(yōu)質(zhì)釀酒葡萄種植區(qū)域,著力打造“世界第一葡萄旅游生態(tài)文化長(zhǎng)廊”[3]。然而,有限的地表水資源與降水時(shí)空分布不均等自然條件嚴(yán)重制約了葡萄種植規(guī)模的擴(kuò)大。當(dāng)前賀蘭山東麓地區(qū)釀酒葡萄的主要灌溉方式為大水漫灌(溝灌)[4],農(nóng)業(yè)灌溉水利用率僅0.35左右,這種粗放型管理模式不僅嚴(yán)重浪費(fèi)了水資源,而且會(huì)導(dǎo)致土壤鹽漬化,加速土壤板結(jié),降低葡萄產(chǎn)量,影響品質(zhì)。隨著寧夏建設(shè)節(jié)水型社會(huì)步伐的推進(jìn),滴灌等高效節(jié)水灌溉方式在釀酒葡萄種植上得到廣泛應(yīng)用,預(yù)計(jì)2015—2020年將在該地區(qū)完成1.75 hm2配套滴灌設(shè)施,計(jì)劃減少灌溉用水 3 900 m3/hm2。
有研究表明,荒漠地區(qū)使用滴灌比溝灌能夠減少用水量50%以上,葡萄產(chǎn)量提高17%,含糖量提高1.9%[5];滴灌處理下釀酒葡萄的葉片全氮含量顯著提高,果實(shí)總酸度降低,糖酸比增加[6];塑料膜式滴灌帶用于葡萄園節(jié)水灌溉,節(jié)水效果明顯,樹(shù)體生長(zhǎng)健壯,葡萄產(chǎn)量提高14.4%,含糖量增加 1.5%[7];對(duì)傳統(tǒng)的滴灌方式適當(dāng)改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)根系分區(qū)交替灌溉,達(dá)到調(diào)控營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)、減少生長(zhǎng)冗余、大量節(jié)水而提高水分利用效率的目的[8]。然而,在賀蘭山東麓許多電網(wǎng)設(shè)施未覆蓋區(qū)域和新墾戈壁礫石荒地上,滴灌無(wú)法運(yùn)行。黃河含沙水自流微灌作為一種新的節(jié)水灌溉方式被寧夏農(nóng)墾集團(tuán)有限公司引入,該技術(shù)解決了黃河含沙水不能直接用于滴灌的技術(shù)難題[9],無(wú)須過(guò)濾、澄清、更改原有輸水渠道[10]、布設(shè)電網(wǎng)和修建水庫(kù),運(yùn)行簡(jiǎn)單,管道使用壽命長(zhǎng)。
本試驗(yàn)在賀蘭山東麓地區(qū)選擇研究區(qū)域,進(jìn)行黃河含沙水自流微灌技術(shù)在釀酒葡萄種植上的應(yīng)用研究,旨在探索黃河含沙水微灌技術(shù)對(duì)葡萄生長(zhǎng)發(fā)育、根際土壤含水量、節(jié)水效應(yīng)及產(chǎn)量品質(zhì)的影響,以期為該技術(shù)在賀蘭山東麓地區(qū)的大面積推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)區(qū)位于寧夏農(nóng)墾暖泉農(nóng)場(chǎng)農(nóng)5隊(duì),地處寧夏賀蘭山東麓銀川平原西干渠中下游(38°41′~38°48′N(xiāo)、106°9′~106°12′E),海拔1 120 m,該地形由黃河沖擊平原高階地和沖積扇形成,由西南向東北傾斜高差為29 m。該地區(qū)年降水量180~200 mm,蒸發(fā)量大,≥10 ℃年有效積溫 3 830.2 ℃,無(wú)霜期155 d左右,年日照時(shí)長(zhǎng)2 851~3 106 h。土質(zhì)為典型的淡灰鈣沙性土壤,地下水位低,土壤滲漏嚴(yán)重,保水保肥能力差,0~60 cm土層土壤平均容重1.68 g/cm3,試驗(yàn)地土壤基本理化性狀見(jiàn)表1。
表1 土壤基本理化性狀
供試品種為5年生釀酒葡萄霞多麗,在2014年自流微灌試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展本試驗(yàn),2015年4—9月進(jìn)行不同灌溉處理和指標(biāo)測(cè)定。試驗(yàn)采用大區(qū)對(duì)比設(shè)計(jì),共設(shè)置3個(gè)處理,分別為水肥一體化處理(自流微灌+固體水溶肥)、自流微灌處理(自流微灌+常規(guī)施肥)、溝灌處理(溝灌+常規(guī)施肥,CK)。每處理葡萄行長(zhǎng)50 m,行距3 m,株距0.3 m,種植8行,南北走向,每處理小區(qū)面積0.12 hm2。
溝灌全生育期共灌水3次,每次灌溉時(shí)長(zhǎng)2 h,分別在萌芽期、盛花期和漿果膨大期進(jìn)行。由于自流微灌系統(tǒng)借助了溝灌輸水渠道,因而灌溉與溝灌同步進(jìn)行,其末級(jí)輸水管長(zhǎng)50 m,出水孔間距30 cm,孔徑2 mm,每次灌水時(shí)長(zhǎng)1 h。常規(guī)施肥采用根際條施的方法,分別在萌芽期、盛花期和漿果膨大期分3次施入,N、P2O5、K2O養(yǎng)分總量分別為360、240、255 kg/hm2,固體水溶肥采用寧夏農(nóng)墾賀蘭山生物肥料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的滴灌肥,其N(xiāo)、P、K有效養(yǎng)分含量是通過(guò)常規(guī)施肥用量進(jìn)行等量換算得出。
1.3.1 生長(zhǎng)及生理指標(biāo)測(cè)定 每處理選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的葡萄樹(shù)5株,在樹(shù)體上、中、下部分別對(duì)主干基莖、新梢基部、果穗等進(jìn)行掛牌標(biāo)記,重復(fù)3次。從萌芽至收獲前每隔15~35 d測(cè)定葡萄主干基莖、新梢枝條長(zhǎng)度、新梢枝條基部直徑、葉綠素含量等指標(biāo)變化。
1.3.2 土壤含水量測(cè)定 使用德國(guó)TRIME-PICO TDR便攜式土壤水分測(cè)量?jī)x,采用土鉆取土烘干法,分別在自流 微灌+ 常規(guī)施肥處理和溝灌+常規(guī)施肥處理小區(qū)定點(diǎn)布設(shè)探管,從葡萄新梢快速生長(zhǎng)期開(kāi)始,每隔15 d測(cè)定1次葡萄根部0~80 cm土層的含水量,共測(cè)定4組,依次為0~20、20~40、40~60、60~80 cm,灌水前后加測(cè)。
1.3.3 灌水施肥均勻度測(cè)定 為驗(yàn)證自流微灌的灌溉施肥均勻性,本試驗(yàn)在水肥一體化處理試驗(yàn)區(qū)中隨機(jī)選取1行葡萄,由輸水軟管首部至尾部每隔10 m放置1個(gè)大燒杯,并安排專(zhuān)人對(duì)固定時(shí)間內(nèi)的出水量進(jìn)行記錄,共測(cè)定5組:T1,距軟管首部0 m處;T2,距軟管首部10 m處;T3,距軟管首部 20 m 處;T4,距軟管首部30 m處;T5,距軟管首部40 m處。共重復(fù)3次,最后留樣進(jìn)行肥料均勻度測(cè)定。
1.3.4 灌水量及灌溉水利用效率測(cè)定 在每個(gè)處理區(qū)進(jìn)水口分別安裝水表,記錄每次的灌溉水量,對(duì)比分析不同處理的灌溉水利用效率(WUE),其計(jì)算公式為:WUE=經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量/灌水量。
1.3.5 產(chǎn)量及品質(zhì)測(cè)定 成熟期每處理選取行長(zhǎng)12 m的葡萄樹(shù),重復(fù)3次,分別統(tǒng)計(jì)小區(qū)株數(shù)、單株產(chǎn)量、單株穗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗質(zhì)量、穗粒數(shù)及百粒質(zhì)量等,并隨機(jī)取樣測(cè)定果漿中總糖含量、總酸含量、可溶性固形物含量及pH值等指標(biāo),測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行。
1.3.6 統(tǒng)計(jì)分析方法 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果由“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,并用Duncan’s法進(jìn)行多重比較差異顯著性。
2.1.1 主干基莖變化 釀酒葡萄主干年際變化較小,增粗不明顯,為了減小人為誤差,本試驗(yàn)主干基莖的測(cè)定周期為1次/月。由圖1可以看出,萌芽后9 d測(cè)定水肥一體化、自流微灌、溝灌處理的主干基莖分別為2.57、2.54、2.42 cm,溝灌處理的主干基莖最小,與自流微灌條件下的常規(guī)施肥處理和水肥一體化處理差異明顯,這是由于本試驗(yàn)是在2014年自流微灌試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展的,2014年自流微灌灌溉對(duì)葡萄主干基莖增粗產(chǎn)生了一定的促進(jìn)作用。整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段,各處理的主干基莖隨著時(shí)間呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),萌芽后9~41 d主干基莖的增幅最大,之后增速有所減緩,萌芽后107 d達(dá)到最高,各處理主干基莖分別為 2.93、2.77、2.57 cm,水肥一體化處理最高,其次為自流微灌處理,各處理間無(wú)顯著差異。
2.1.2 釀酒葡萄新梢直徑變化 各處理新梢直徑隨時(shí)間呈“先升高后下降”的變化趨勢(shì)(圖2)。從圖2可以看出,萌芽后23 d開(kāi)始各處理的新梢直徑快速增加,76 d達(dá)到最高,水肥一體化處理、自流微灌處理和溝灌處理新梢直徑分別為1.10、1.03、0.99 cm,各處理間差異不顯著。之后可能是由于枝條進(jìn)入半木質(zhì)化,細(xì)胞壁原生質(zhì)流失,導(dǎo)致韌皮部體積縮小,新梢直徑縮小,至107 d趨于穩(wěn)定。
2.1.3 釀酒葡萄新梢長(zhǎng)度變化 由圖3可以看出,各處理的新梢生長(zhǎng)變化規(guī)律一致。萌芽后9 d葡萄新梢開(kāi)始快速增長(zhǎng),至23 d時(shí),水肥一體化處理、自流微灌處理和溝灌處理共14 d的新梢生長(zhǎng)量分別達(dá)到36.3、35.8、41.3 cm,各處理間無(wú)顯著差異。萌芽后41 d新梢伸長(zhǎng)速度開(kāi)始變緩,57 d前后均達(dá)到最高水平,3個(gè)處理分別為79.1、86.4、74.4 cm,為了去除頂端優(yōu)勢(shì),促進(jìn)果實(shí)膨大,萌芽后76、92 d分別對(duì)樹(shù)體進(jìn)行了1次機(jī)械摘心處理。
2.1.4 釀酒葡萄葉綠素含量變化 圖4顯示,6月各處理葉片葉綠素含量處于相對(duì)較低水平,此時(shí)葡萄葉片葉面積較小,光合性能較弱,水肥一體化處理、自流微灌處理的葉綠素含量均高于溝灌處理,SPAD值分別為37.2、35.9、36.7,說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段,水肥一體化處理較其他處理養(yǎng)分供給好,為葉片生長(zhǎng)創(chuàng)造了有利條件,但三者間的差異未達(dá)到顯著水平。7月各處理葉綠素含量均達(dá)到較高水平,水肥一體化處理和自流微灌處理的葉綠素含量分別為44.5和44.6,溝灌處理略低,三者間無(wú)顯著差異。8月葡萄植株生長(zhǎng)開(kāi)始向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移,葉片功能開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì),水肥一體化處理的葉綠素含量最高,SPAD值為45.7,與溝灌處理有明顯差異,說(shuō)明生長(zhǎng)后期水肥一體化處理的葉片衰老更加緩慢,維持了較強(qiáng)的光合作用。
2.2.1 土壤剖面含水量分布 在萌芽期至成熟期,各處理土壤剖面含水量均在40 cm土層出現(xiàn)偏低態(tài)勢(shì),說(shuō)明在此區(qū)域內(nèi)葡萄根系大量存在,對(duì)土壤水分的需求較為明顯,導(dǎo)致土壤水分下降明顯,但隨著土層深度的繼續(xù)增加,土壤含水量增加明顯,80 cm處達(dá)到最高(圖5至圖8)。圖5、圖6顯示,萌芽期至開(kāi)花期,溝灌處理與自流微灌處理土壤剖面含水量變化趨勢(shì)基本一致,均表現(xiàn)出表層土壤水分狀況較好,溝灌處理較自流微灌處理土壤含水量平均提高 1.5 百分點(diǎn)。20~40 cm土層,溝灌處理的含水量隨著土層深度的增加明顯下降。40~80 cm 土層,隨著土層深度的增加,各處理的土壤含水量又開(kāi)始大幅增加,且60~80 cm土層溝灌處理與自流微灌處理的土壤含水量基本達(dá)到了相同水平。幼果膨大期至著色成熟期(圖7、圖8),各處理的土壤含水量基本維持在相對(duì)較高水平,這對(duì)葡萄中后期的生長(zhǎng)發(fā)育十分有利。40~80 cm土層中,自流微灌處理的土壤含水量明顯低于溝灌處理,平均下降4~7百分點(diǎn),說(shuō)明自流微灌處理在深層土壤中對(duì)水分的保蓄能力略顯不足。
2.2.2 灌溉水利用效率對(duì)比 水分利用效率是指產(chǎn)量水平的水分利用效率, 也就是灌溉單位體積水量所能收獲農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量[12]。由表2可以看出,自流微灌+常規(guī)施肥處理的灌溉水用水量最少,僅為988.8 m3/hm2,水肥一體化處理次之,而溝灌+常規(guī)施肥處理則高達(dá)2 662.5 m3/hm2,說(shuō)明自流微灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較溝灌可節(jié)水1 673.7 m3/hm2,節(jié)水率達(dá)62.86%。自流微灌處理的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為13 076.85 kg/hm2,略高于溝灌處理,但灌溉水利用效率高達(dá)13.22 kg/hm2,較溝灌高8.47 kg/m3,說(shuō)明在產(chǎn)量水平相當(dāng)?shù)那闆r下,自流微灌灌溉方式的水分利用效率更高,節(jié)水效果更好。
表2 灌水量及灌溉水利用效率對(duì)比
2.2.3 水肥一體化技術(shù)對(duì)灌溉施肥均勻度的影響 由表3可以看出,距出水口不同距離出水孔的溢水量有所不同,其中T4的溢水量最高,為35.22 L/h,但僅與T3差異顯著(P<0.05),末級(jí)輸水軟管其他4個(gè)出水孔的溢水量差異不顯著,說(shuō)明自流微灌灌溉系統(tǒng)的灌水均勻度能夠滿(mǎn)足葡萄生產(chǎn)需要。銨態(tài)氮含量、礦化度均以T1為最高,分別為 138.13 mg/L、2.6 g/L,與T3、T4處理出水孔在0.05水平上達(dá)到顯著差異;硝態(tài)氮含量以T2為最高,為220.53 mg/L,與其他出水孔在0.05水平上達(dá)到顯著差異,說(shuō)明隨水施用后肥料均勻度較差,可能是由施肥裝置在肥料溶解、攪拌和注入等方面存在不足導(dǎo)致的,須要進(jìn)一步優(yōu)化。
表3 施肥灌溉均勻度分析
分析(表4)表明,葡萄漿果中可溶性固形物含量隨著灌水量的增加而降低。水肥一體化和自流微灌處理的漿果中可溶性固形物含量同為20.6%,溝灌處理略低,為19.0%,說(shuō)明增加灌水量導(dǎo)致可溶性固形物含量降低,這與前人的研究結(jié)果[13]一致。糖酸比是衡量釀酒葡萄成熟度的一個(gè)常用指標(biāo),葡萄漿果中總糖含量和總酸含量不僅是衡量葡萄原料本身品質(zhì)的重要指標(biāo),更與葡萄酒的質(zhì)量有著直接影響[14]。但糖酸比并非越高越好,有研究指出,霞多麗葡萄漿果中總糖含量為190~210 g/L、總酸含量為7.2~6.0 g/L、pH值3.5~3.8、糖酸比為25~35時(shí),所釀造出來(lái)的葡萄酒質(zhì)量最好[15]。表4顯示,各處理的總酸含量隨著總糖含量的增加而降低,其中水肥一體化處理的總糖含量最高,達(dá)到223.8 g/L,總酸含量?jī)H為4.875 g/L,糖酸比高達(dá)45.9,與上述葡萄酒最佳釀造條件相差甚遠(yuǎn),而自流微灌處理的葡萄總糖含量、總酸含量及糖酸比均較為適中,具備釀造優(yōu)質(zhì)葡萄酒的基本條件。
表4 不同灌溉處理釀酒葡萄果實(shí)品質(zhì)對(duì)比
由表5可以看出,水肥一體化處理的單株穗數(shù)較自流微灌處理、溝灌處理分別增加2.0、1.6個(gè);水肥一體化處理的單株產(chǎn)量較自流微灌處理、溝灌處理分別提高0.375、0.449 kg;水肥一體化處理的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量較自流灌溉處理、溝灌處理分別增加2 064.4、2 495.4 kg/hm2,增產(chǎn)率分別達(dá)到 15.8%、19.7%。水肥一體化處理和自流微灌處理的葡萄果粒百粒質(zhì)量較溝灌處理均增加10.0 g左右??梢?jiàn),水肥一體化處理的單株穗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗質(zhì)量等果穗性狀,果粒性狀和產(chǎn)量均明顯優(yōu)于其他處理,而自流微灌處理較溝灌略好。
近年來(lái), 水肥一體化灌溉施肥技術(shù)在滴灌上運(yùn)用較為廣泛,荒漠地區(qū)大量研究表明,釀酒葡萄使用該技術(shù)在節(jié)水率達(dá)到30%的同時(shí)還能提高17%的產(chǎn)量和1.9%的含糖量,可溶性固形物和維生素C含量顯著增加,果酸降低,并明顯改善葡萄口感、提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[5,16-17],而關(guān)于黃河含沙水自流微灌水肥一體化技術(shù)方面的研究國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。本試驗(yàn)借鑒滴灌水肥一體化成功經(jīng)驗(yàn),利用現(xiàn)有自流微灌輸水系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易的施肥裝置,開(kāi)展釀酒葡萄自流微灌條件下的水肥一體化灌溉施肥研究。本試驗(yàn)結(jié)果表明,黃河含沙水自流微灌條件下的水肥一體化施肥技術(shù)可以促進(jìn)釀酒葡萄的樹(shù)體營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),主干基莖增粗0.36 cm,但對(duì)新稍長(zhǎng)度和新稍直徑影響較小。在葉片光合性能方面,該技術(shù)在葡萄生長(zhǎng)的前中期對(duì)提高葉片光合性有一定的積極作用,但葉綠素含量差異未達(dá)到顯著水平,后期由于受水肥綜合效果影響,葉片中葉綠素含量能夠長(zhǎng)時(shí)間維持在較高水平,顯著高于溝灌。
表5 不同灌溉處理釀酒葡萄產(chǎn)量及相關(guān)因素
在滿(mǎn)足釀酒葡萄農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求的基礎(chǔ)上,利用自流微灌灌溉系統(tǒng)能夠大大減少單次農(nóng)業(yè)灌溉量、下滲及行間側(cè)漫等無(wú)效耗水,灌溉有效性和均勻度增高。末級(jí)輸水軟管不同出水口的溢水量差異不顯著,在農(nóng)業(yè)灌溉可接受范圍內(nèi),但肥液均勻度的差異均達(dá)到顯著水平,在水肥耦合方面效果欠佳,這主要是由于施肥設(shè)備太過(guò)簡(jiǎn)易、施肥桶出流速度不穩(wěn)定、肥料溶解不充分等因素造成的。
自流微灌對(duì)葡萄根部0~40 cm土層土壤水分影響較大,土壤含水量較溝灌平均提高1~4百分點(diǎn),但隨著垂直深度的增加,自流微灌在40~60 cm土層中對(duì)水分的保蓄能力逐漸降低。因此,改變灌溉方式不僅可實(shí)現(xiàn)減少灌溉用水量 62.86%,灌溉水利用率比溝灌提高8.47 kg/m3,而且對(duì)葡萄根部淺層土壤水分狀況的改善有促進(jìn)作用。
適當(dāng)?shù)奶撬崞胶夂统墒於仁轻勗靸?yōu)質(zhì)葡萄酒的重要前提[18]。其中,成熟度會(huì)受到成熟期的晝夜溫差、光照、降雨量及灌溉等多種因素影響[19-20],管理措施和生態(tài)環(huán)境會(huì)直接影響糖酸潛力的表達(dá)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,產(chǎn)量控制環(huán)節(jié)對(duì)葡萄漿果中的含糖量尤為重要。劉來(lái)馨等研究發(fā)現(xiàn),霞多麗葡萄產(chǎn)量由33 000 kg/hm2下降到12 000 kg/hm2時(shí),含糖量增加 33.1%,平均產(chǎn)量每降低3 000 kg/hm2,含糖量增加4.7%,但其后產(chǎn)量再降低時(shí),含糖量的增加不明顯[21]。本研究采用自流微灌的葡萄經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量較溝灌僅增加3.4%,百粒質(zhì)量增加10.0 g,可溶性固形物含量、總糖含量、糖酸比也接近優(yōu)質(zhì)葡萄酒所需條件。然而,該微灌系統(tǒng)集成水肥一體化技術(shù)后,葡萄單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等指標(biāo)均明顯增加,但糖酸比卻高達(dá)45.9,屬過(guò)熟表征,不利于優(yōu)質(zhì)酒釀造,因此,在使用水肥一體化技術(shù)前提下,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)提前葡萄采收期,改善葡萄酒釀造品質(zhì)。