極端干旱區(qū)水肥耦合對滴灌葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響研究

溫 越 王振華 李文昊 丁宏偉

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

葡萄(Vitis viniferaL.)是世界四大水果之一。中國是世界上最大的鮮食葡萄生產(chǎn)國家，占世界總產(chǎn)量的34%[1]。吐哈地區(qū)光照時間長、晝夜溫差大，早晚熟無核白葡萄種植面積占據(jù)全國20%，是西北干旱地區(qū)最大的葡萄種植基地[2]。然而，吐哈地區(qū)地處極端干旱區(qū)，多年平均降雨量不足50 mm，蒸發(fā)量高達3 000 mm，水資源短缺嚴重制約著當(dāng)?shù)仄咸旬a(chǎn)業(yè)發(fā)展[3]。近年來，中國水資源保護力度越來越大，農(nóng)業(yè)用水采取限額制度，吐哈地區(qū)必須采取節(jié)水灌溉制度才能滿足如今的葡萄種植供水條件；同時，該地區(qū)存在隨意施肥、大量施肥的現(xiàn)象，尚未形成無核白葡萄科學(xué)合理的施肥配比。

灌水和施肥是作物生長發(fā)育的主要影響因素，只有合理分配水肥用量，才能得到最優(yōu)的社會－經(jīng)濟－生態(tài)效益。調(diào)虧灌溉(regulated deficit irrigation，RDI)是極端干旱區(qū)葡萄種植最有發(fā)展?jié)摿Φ膸追N灌溉方式之一[4]，能夠根據(jù)植株對水的敏感性來調(diào)控生育期內(nèi)灌水定額與灌水時間[5]。調(diào)虧灌溉通過水分脅迫來改變葡萄的生理特性，調(diào)節(jié)植株凈光合速率和CO2吸收能力[6－8]，進而影響果實生長發(fā)育。在合適的生育期進行調(diào)虧灌溉可顯著增加果實的還原性糖和可溶性固形物含量[9]。施肥配比對葡萄的生長生理反應(yīng)影響較大[10]，合理的施肥配比可促進調(diào)虧灌溉條件下作物的生長發(fā)育，有利于植株的營養(yǎng)吸收，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[11－12]，并能避免造成土壤污染和土壤板結(jié)等問題。若能對水肥效應(yīng)進行合理的耦合評價，對極端干旱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[13－14]。目前，在農(nóng)業(yè)方面，多用隸屬函數(shù)和聚類分析法進行耦合評價，可以最大限度地保留原始信息，得到合理的評價結(jié)果。當(dāng)下，對吐哈地區(qū)滴灌葡萄進行評價大多只考慮產(chǎn)量和品質(zhì)，并未對滴灌葡萄生理－產(chǎn)量－品質(zhì)進行分析。因此本研究以大田小區(qū)試驗處理為對象，研究不同水肥配比對葡萄生理、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，以葉片相對含水率、產(chǎn)量及品質(zhì)為評價指標(biāo)，使用隸屬函數(shù)和聚類分析法對滴灌葡萄進行耦合評價，旨在探索吐哈地區(qū)滴灌葡萄最優(yōu)的水肥處理，為極端干旱區(qū)滴灌葡萄可持續(xù)發(fā)展提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年4 ―9月在新疆十三師哈密墾區(qū)灌溉試驗站(海拔660 m，93°37′E、42°42′N)進行。試驗區(qū)位于亞歐大陸腹地，是典型的溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，年平均溫度9.8℃，年均降水量38.0 mm，年均蒸發(fā)量3 092 mm，無霜期187 d，年均日照時數(shù)3 357.6 h，≥10℃積溫為4 483.3℃，試驗站氣象要素見圖1。試驗區(qū)地下水埋深>10 m，灌溉水源為地下水，采用管道輸水方式，試驗地塊土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.2 田間試驗布置

試驗材料選用16年生(2003年定植)鮮食無核白葡萄。葡萄采用小棚架栽培，大溝種植為當(dāng)?shù)刂饕N植模式，溝寬×溝深×溝長＝1.0 m×0.5 m×40 m，葡萄株距1.0 m，行距5.0 m，每小區(qū)面積40 m×6 m ＝240 m2，各小區(qū)分別定植80 株葡萄。田間采用滴灌灌溉方式，每小區(qū)滴灌帶按1 行3 管布置，即樹干根部及距根部兩側(cè)25 cm 處各1 根，滴灌帶采用單翼迷宮式滴灌帶，內(nèi)徑16 mm，壁厚0.18 mm，滴頭間距30 cm，滴頭設(shè)計流量3.2 L·h－1，滴灌帶工作壓力為0.10 MPa。每小區(qū)用水表和施肥罐精確控制灌水量和施肥量。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置雙因素，分別為灌溉處理和施肥配比。試驗組分別對新梢生長期、開花期、漿果生長期和漿果成熟期進行控水，并設(shè)置全生育期充分灌溉為對照組(分別記為W1、W2、W3、W4、CK)，充分灌溉與調(diào)虧灌溉土壤含水率上限分別定為田間持水率的100%和90%，具體實施方案見表2；按照侯裕生等[15]對無核白葡萄的施肥配比結(jié)果設(shè)置3 個水平，比例分別為N ∶P2O5∶K2O ＝1 ∶1 ∶1、2 ∶2 ∶3、2 ∶1 ∶2(分別記為F1、F2、F3)，共計15 個處理，設(shè)置3 次重復(fù)。全生育期施肥量統(tǒng)一為825 kg·hm－2，肥料類型為氮肥(尿素，含N 46%)、磷肥(磷酸二銨，含P2O551%)、鉀肥(硫酸鉀，含K2O 51%)，具體實施方案見表3。各處理的田間管理措施均一致。為保證植株順利萌芽，各處理在4月17日進行開墩水灌溉，灌水定額為60 mm。

表2 不同生育期灌水方案Table 2 Irrigation schemes at different growth periods

表3 不同生育期施肥量Table 3 Fertilizer application rates at different growth periods /(kg·hm－2)

1.4 測定項目與方法

1.4.1 葉片相對含水率 于新梢生長期(5月15日)、花期(6月4日)、漿果生長期(7月4日)、漿果成熟期(8月3日)上午8:30 采摘葉片，各處理隨機在植株上部選取10 片葉，稱取鮮重，隨后將葉片置于裝有蒸餾水的燒杯中(8 h)，稱取飽和鮮重，然后于烘箱中105℃殺青30 min，85℃烘干至恒重(48 h)，稱取干重[16]。根據(jù)公式計算葉片相對含水率:

式中，LR為葉片相對含水率，%；Wf為葉片鮮重，g；Wd為葉片干重，g；Ws為葉片飽和鮮重，g。

1.4.2 產(chǎn)量及品質(zhì) 在葡萄完全成熟后每個處理選擇5 株進行完全采摘，取產(chǎn)量的平均值作為小區(qū)產(chǎn)量，并換算為標(biāo)準產(chǎn)量。測產(chǎn)后各處理分別選取3 串葡萄鮮樣，委托新疆農(nóng)墾科學(xué)院測定可溶性固形物、總糖、可滴定酸、維生素C 含量等品質(zhì)指標(biāo)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用隸屬函數(shù)法對葡萄各項指標(biāo)進行綜合評價，隸屬函數(shù)分析法采用Microsoft Excel 2010 軟件完成。圖形繪制及系統(tǒng)聚類分析采用Origin Pro 2017，方差及顯著性分析采用SPSS 18.0 完成，方差分析采用Duncan′s 新復(fù)極差法。

隸屬函數(shù)值計算公式:

反隸屬函數(shù)值計算公式:

式中，μ(Xij)表示第i個處理第j個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；Xmax表示第j個指標(biāo)的最大值；Xmin表示第j個指標(biāo)的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥效應(yīng)對滴灌葡萄葉片相對含水率的影響

水肥供應(yīng)對滴灌葡萄不同生育期內(nèi)葉片相對含水率的影響如圖2 所示。灌水處理與施肥配比在葡萄主要生育期內(nèi)對葉片相對含水率均有極顯著影響(P<0.01)，水肥交互作用對葡萄葉片相對含水率影響未達到顯著水平(P>0.05)。

葉片相對含水率可以反映葡萄植株的抗旱能力。綜合圖2 可知，不同生育期調(diào)虧灌溉均會降低當(dāng)前生育期葉片相對含水率，在新梢生長期調(diào)虧灌溉后復(fù)水(恢復(fù)充分灌溉)，葉片相對含水率在花期和漿果生長期較CK 顯著提高，且長期保持較高水平；但在漿果生長期進行調(diào)虧灌溉后復(fù)水，其葉片相對含水率不會恢復(fù)至正常水平。比較不同施肥處理，在4 個生育期內(nèi)，F(xiàn)2 的葉片相對含水率均顯著高于F1、F3，在新梢生長期后，W1F2 的葉片相對含水率均為最高。

圖2 水肥供應(yīng)對滴灌葡萄各生育期葉片相對含水率的影響Fig.2 Effects of water and fertilizer supply on the relative water content of leaves of grapes at various growth stages under drip irrigation

2.2 水肥效應(yīng)對滴灌葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

水肥供應(yīng)對滴灌葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響如表4 所示。灌水處理對滴灌葡萄產(chǎn)量、還原性糖含量、可溶性固形物含量、可滴定酸含量和維生素C 含量均有極顯著影響；施肥處理對產(chǎn)量有極顯著影響，對還原性糖含量和可溶性固形物含量有顯著影響，對可滴定酸含量和維生素C 含量無顯著影響；水肥交互作用對滴灌葡萄還原性糖含量、可溶性固形物含量、可滴定酸含量和維生素C 含量均有極顯著影響，對產(chǎn)量有顯著影響。

由表4 可知，滴灌葡萄產(chǎn)量在18 400～28 003 kg·hm－2之間，W1、W2、W3 的產(chǎn)量平均較CK 分別顯著降低7.90%、17.66%和32.45%，W4 和CK 間無顯著差異。說明在漿果成熟期前進行調(diào)虧灌溉會造成不同程度的減產(chǎn)，尤其是在葡萄授粉和果實生長的關(guān)鍵時期；而在漿果成熟期進行調(diào)虧灌溉，對葡萄產(chǎn)量影響不顯著。比較各施肥配比處理，F(xiàn)2 產(chǎn)量較F1、F3 提高3.53%和3.94%，但無顯著差異。與CKF3 相比，W4F2、CKF1、CKF2 均有不同程度增產(chǎn)，其中CKF2 產(chǎn)量最高，W4F2 與CKF2 間無顯著差異；另外，W3F3 的減產(chǎn)幅度最大，較CKF3 減產(chǎn)33.39%。

表4 水肥供應(yīng)對滴灌葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響Table 4 Effects of water and fertilizer supply on grape yield and quality of drip irrigation

滴灌葡萄還原性糖含量介于16.40%～23.00%，可溶性固形物含量介于18.60%～23.50%，可滴定酸含量介于0.436%～0.665%，維生素C 含量介于7.11～8.64 mg·100g－1。在新梢生長期、漿果成熟期進行調(diào)虧灌溉后，滴灌葡萄還原性糖、可溶性固形物、維生素C 含量較CK 均有不同程度提高，其中W4 最高，W1次之，但與CK 間均無顯著差異。比較不同施肥配比處理可知，F(xiàn)2 的還原性糖、可溶性固形物、維生素C 含量最高，但與F1、F3 無顯著差異。各處理均以W4F2的還原性糖、可溶性固形物、維生素C 含量最高，W3F3 的還原性糖、可溶性固形物、維生素C 含量最低?？傻味ㄋ岷颗c前3 個指標(biāo)規(guī)律相反，W3F3 含量最高，W4F2 含量最低。

2.3 水肥效應(yīng)下各指標(biāo)相關(guān)性分析及綜合評價

對水肥供應(yīng)下滴灌葡萄各指標(biāo)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5 所示。除可滴定酸含量外，葉片相對含水率、產(chǎn)量、還原性糖含量、可溶性固形物含量和維生素C 含量間均呈極顯著正相關(guān)；可滴定酸含量與其他指標(biāo)間均為負相關(guān)，與葉片相對含水率和產(chǎn)量間相關(guān)性達顯著水平，與還原性糖含量、可溶性固形物含量和維生素C 含量間相關(guān)性達極顯著水平。水肥交互作用對滴灌葡萄生理產(chǎn)量和品質(zhì)均會造成顯著影響。其中，產(chǎn)量與其他指標(biāo)間平均關(guān)聯(lián)度最大，這說明產(chǎn)量的構(gòu)成受到多種指標(biāo)的影響，合適的水肥用量會促進滴灌葡萄的全面生長。

表5 水肥供應(yīng)下滴灌葡萄各指標(biāo)相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of various indexes of drip irrigation grape under water and fertilizer supply

由前文可知，滴灌葡萄的生理、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)無法在同一水肥處理下達到最優(yōu)，因此需要對不同水肥處理各項指標(biāo)進行耦合評價，以得到最優(yōu)的水肥用量。不同水肥處理下各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及耦合評價值見表6。W4F2 的綜合評價值(Di)最大，為0.960，W1F2 次之，為0.874，而評價值最小的處理為W3F3，僅為0.030。以各指標(biāo)隸屬函數(shù)值進行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果如圖3 所示。綜合分析可知，以歐氏距離等于0.50 作為判別值，15 個水肥處理可以分為5 類:最優(yōu)型水肥處理(W4F2、W1F2)，較優(yōu)型水肥處理(W4F1、W4F3、W1F1、W1F3、W2F2)，中間型水肥處理(CKF2、CKF3、CKF1)，較差型水肥處理(W2F1、W2F3、W3F2)和最差型水肥處理(W3F1、W3F3)。

3 討論

葉片是作物進行光合、呼吸、蒸騰作用的主要器官，對有機物的合成與轉(zhuǎn)換至關(guān)重要[17－18]。葉片相對含水率可以反映作物水分生理特征和生長狀況，并可判斷作物受水分脅迫的程度，較高的葉片相對含水率可以提高作物耐高溫和干旱的能力[19]。本研究中，在新梢生長期進行調(diào)虧灌溉(W1)后，葉片相對含水率均保持較優(yōu)水平，在花期和漿果生長期較充分灌溉(CK)具有顯著差異(P<0.05)；在漿果生長期，W3 調(diào)虧灌溉處理，葉片相對含水率最低，且較CK 顯著降低，充分灌溉后也難以恢復(fù)正常水平，這可能是因為生育前期溫度較低，適度的水分脅迫反而會加快葡萄葉片的生長，而漿果生長期是整個生育期內(nèi)溫度最高的時期，此時進行調(diào)虧灌溉會對葡萄葉片造成不可逆的損傷，這與梁貝貝等[20]的研究結(jié)果相似。施肥配比為N-P2O5-K2O ＝235.7 kg·hm－2-235.7 kg·hm－2-353.6 kg·hm－2的處理(F2)在整個生育期內(nèi)均保持最高的葉片相對含水率，這可能是因為鉀肥能較好地提高葉片抗旱能力[19，21]。

產(chǎn)量和品質(zhì)是衡量作物經(jīng)濟價值的主要指標(biāo)，而水肥用量是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的直接因素[22－24]。已有研究表明，水分脅迫會顯著降低葡萄漿果的重量[4]，但在生育后期應(yīng)用調(diào)虧灌溉對產(chǎn)量影響較小[25]。本研究中，在不同生育期進行調(diào)虧灌溉均會導(dǎo)致葡萄產(chǎn)量下降，其中在漿果成熟期(W4)進行調(diào)虧灌溉雖然降低了產(chǎn)量，但與充分灌溉(CK)相比無顯著差異，在漿果生長期(W3)進行調(diào)虧灌溉產(chǎn)量降低最多，這與牛最榮等[26]的研究結(jié)果一致。在漿果成熟期進行調(diào)虧灌溉可增加果實的還原性糖、可溶性固形物和維生素C 含量，并顯著降低可滴定酸含量，在漿果生長期進行調(diào)虧灌溉果實還原性糖和可溶性固形物含量最低，且可溶性酸含量最高，Wang 等[4]也得到了類似的研究結(jié)果。不同施肥配比處理中，F(xiàn)2 的產(chǎn)量和品質(zhì)較高，說明適宜的施肥配比可以促進葡萄漿果的生長發(fā)育。

表6 不同水肥處理各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評價Table 6 Membership function value of each index and comprehensive evaluations for different water and fertilizer treatments

圖3 水肥供應(yīng)下滴灌葡萄各指標(biāo)響應(yīng)聚類分析圖Fig.3 Cluster analysis of the response of drip irrigation grapes under water and fertilizer supply

葡萄不同指標(biāo)間的相關(guān)性具有明顯差異。林蟬蟬等[27]研究表明，楊凌地區(qū)紅色鮮食葡萄可溶性固形物、還原性糖和維生素C 含量間均呈顯著正相關(guān)，三者與可滴定酸含量間呈負相關(guān)但未達顯著水平。本研究中，葉片相對含水率、產(chǎn)量、還原性糖含量、可溶性固形物含量和維生素C 含量間均呈極顯著正相關(guān)，而可滴定酸與其他指標(biāo)均呈顯著或極顯著負相關(guān)，與前人研究結(jié)果有所差異可能是由于葡萄品種不一致。水肥用量對葡萄經(jīng)濟產(chǎn)出起決定性作用，而吐哈盆地隸屬極端干旱區(qū)，水資源極度匱乏，因此通過降低灌溉用水量和采用適宜施肥配比來保證葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)是未來葡萄種植的趨勢。本研究中，滴灌葡萄不同指標(biāo)的最優(yōu)值無法在同一水肥處理實現(xiàn)，因此本研究對不同水肥處理進行耦合評價，以找出最適宜當(dāng)?shù)仄咸焉a(chǎn)的水肥配比。隸屬函數(shù)法是一種重要的等級評價方法，目前已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)評價中得到廣泛應(yīng)用[28－29]。本研究利用隸屬函數(shù)法對不同處理各項指標(biāo)進行耦合評價，并利用聚類分析對不同處理進行分級，共劃分5 個等級，其中最優(yōu)處理為新梢生長期(W1)和漿果成熟期(W4) 進行調(diào)虧灌溉，采用N-P2O5-K2O ＝235.7 kg·hm－2-235.7 kg·hm－2-353.6 kg·hm－2的施肥配比(F2)。由于人力及操作原因，本試驗雖為完全試驗設(shè)計，但并非隨機區(qū)組，因此需進一步試驗來避免土壤性質(zhì)差異的影響。

4 結(jié)論

本研究對吐哈盆地滴灌無核白葡萄水肥配比進行了優(yōu)化設(shè)計，采用調(diào)虧灌溉擬解決當(dāng)?shù)毓喔扔盟畤乐貐T乏的現(xiàn)存問題。將隸屬函數(shù)與聚類分析法相結(jié)合，把15 個水肥處理劃分為5 個等級，2 個適宜水肥處理為在新梢生長期(W1)和漿果成熟期(W4)進行調(diào)虧灌溉，并采用N-P2O5-K2O ＝235.7 kg·hm－2- 235.7 kg·hm－2-353.6 kg·hm－2的施肥配比(F2)。由于本研究只進行了一年，葡萄植株的水肥適應(yīng)性體現(xiàn)不連續(xù)，因此若進行長期聯(lián)合試驗，可為極端干旱區(qū)滴灌葡萄水肥配比篩選提供更全面的理論依據(jù)。