水肥耦合对温室葡萄产量和水肥利用的影响

张兴国，胡笑涛，冉 辉，杜 斌，郝 哲，弓俊武

(1.西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.陕西省榆林市农垦农业技术服务站，陕西 榆林 719000；3.陕西省榆林市鱼河农场，陕西 榆林 719000)

0 引 言

葡萄是我国五大果树之一，其中以鲜食葡萄为主体，约占80%[1]。在葡萄的生长过程中，水肥是影响其产量、水分利用效率和养分利用率的主要因素[2-4]。土壤水分过多，会导致葡萄根系获氧量不足，甚至引起烂根[5,6]，土壤含水率过少时，作物根系无法吸收足够的水分，致使葡萄根系对其地上部分的营养供应和传输受到阻碍，从而抑制葡萄的生长发育；过量的施肥不仅无法得到充分利用，还会导致土壤养分失衡，破坏作物生长环境以及污染地下水等[7,8]，施肥量不足又会造成植株营养不良，影响作物生长，产量就减少[9]。只有水肥关系协调，“以肥调水”，“以水促肥”，才有利于实现产量、水分和养分利用率的提高[10-12]。

目前，国内外关于不同作物水肥耦合条件下的产量和水肥利用的响应研究已有大量报道。研究表明，在一定范围内，水肥对产量和水分利用效率具有相互促进的关系，超过此范围后继续增加水肥用量不利于产量和水分利用效率的提高[13]；Ierna等[7]的研究结果表明，灌水与施肥对马铃薯产量、水分利用效率和肥料偏生产力存在显著的相互作用，水分利用效率随着灌水量的增加逐渐降低，而肥料偏生产力随着灌水量的增加逐渐增大；杨小振等[14]利用滴灌施肥对大棚西瓜的研究结果表明，水肥对西瓜产量具有明显的协同作用，节水节肥效果显著；王连君等[15]采用膜下滴灌水肥耦合对葡萄的影响研究发现，灌水量和施肥量对葡萄产量存在阀值效应，超过阀值后，继续增加水肥用量不仅会造成浪费，产量也会随之下降，得出产量对应的最优水肥组合为灌水量360 mm、施肥量N 225 kg/hm2+P2O5180 kg/hm2+K2O 248 kg/hm2。

国内关于水肥耦合对作物产量和水肥利用效率的研究多集中在大田作物[16-18]，对于果树的水肥研究则主要针对不同灌溉或施肥方式对其生长发育、产量和品质的影响方面，研究水肥耦合调控对设施葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力的报道较少。本文通过设置不同滴灌水肥处理，重点研究温室葡萄产量和水肥利用对水肥耦合的响应规律，以期得到适合陕北风沙区设施葡萄栽培的最优水肥组合，为当地的设施葡萄高产、增效生产提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验点简介

本试验执行时间为2017年2月13日至2017年6月11日，试验地点为陕西省榆林市鱼河镇鱼河农场，海拔961 m，东径108°58′，北纬37°49′，该地气候类型为典型的大陆性边缘季风气候。当地年平均气温为8.3℃，年平均日照时数2 893.5 h，且5-8月日照较多，12月-次年2月份较少，年平均降水量为365.7 mm，多集中在夏季。土壤类型为风沙土，1 m深土壤部分物理性质和肥力状况见表1。试验所用葡萄为早熟品种五年生“6-12”，温室大棚东西长70 m，南北宽9 m，葡萄行南北向种植，采用宽窄行种植方式，大行宽1.0 m，小行宽0.5 m，每行栽植14株葡萄，株距为0.6 m。温室从2017年1月5日开始于白天收起保温被，同时开始进行人工升温。

表1 1 m土层土壤部分物理性质和肥力状况Tab.1 Partial physical Properties and Fertility of soil in 1 metres soil layer

1.2 试验方法

试验采用滴灌对葡萄植株进行灌溉施肥，灌水量设3个水平，分别为W1(100%M)、W2(80%M)和W3(60%M)。M为灌水定额，采用土壤水分上限与下限控制，上限均为田间持水率，下限在萌芽期、抽蔓期和着色成熟期采用65%田间持水率，花期和果实膨大期采用70%田间持水率；计划湿润层深度50 cm，滴灌湿润比为80%。M计算公式如下[19]：

M=0.1 (β田-β0)Hpγ

式中：M为灌水定额，mm；β田为田间持水量，%；β0为土壤水分下限，%；H为计划湿润层深度，m；p为滴灌湿润比，%；γ在数值上等于土壤容重[无量纲]。

灌水时间按照W1处理小区是否到达下限确定，所有处理同时灌水。施肥设置高肥(F1，930 kg/hm2)、中肥(F2，840 kg/hm2)和低肥(F3，750 kg/hm2)3个水平，N、P、K比例为1∶0.6∶1.2。施肥分萌芽期和抽蔓期、花期和果实膨大期、着色成熟期3个时期进行，折算为液态肥数量按灌水次数平均随水滴灌施入田间，全生育期共施肥7次。灌水和施肥进行完全组合试验设计，共9个处理，每个处理3次重复，共27个小区，随机区组排列。滴灌施肥设备由陕西杨凌示范区秦川节水公司生产，采用压差式施肥罐，滴灌管内径20 mm，滴头间距为30 cm，滴头流量4 L/h,滴灌管沿葡萄种植行向布置，每行葡萄两侧各布置一根滴灌管，与葡萄植株根部距离为25 cm。各处理全生育期内总灌水量以及各生育期单次施肥用量具体见表2。

1.3 测定项目与计算方法

在葡萄采收期，对各处理随机选取并采摘6株葡萄的果穗进行称量，算出其单株平均产量，按照各实验小区面积和栽培株数，换算为单位面积产量(kg/hm2)[15]。

表2 各处理全生育期内总灌水量和各生育期单次施肥用量Tab.2 Total irrigation quantity during the whole growth period and fertilizer consumption with one application in the different growth period of each treatment

注：W1、W2和W3分别表示滴灌灌水量为3 810、3 045和2 280 m3/hm2；F1、F2和F3分别表示滴灌施肥量为930、840和750 kg/hm2。

土壤含水率采用取土烘干法进行测定，每个处理选定3个取样点，取土位置为滴灌管每两个滴头中间，取土深度为1 m，每10 cm取一次，以3个点的土壤含水率平均值作为该处理的土壤含水率。

作物耗水量采用水量平衡法进行计算[20]：

Wh+A-B=Wk

式中：Wh为某一时段开始时土壤中的储水量；Wk为某一时段终止时土壤中的储水量；A为该时段内土壤从外部获得的水量(在温室内即为灌溉水量)；B为作物耗水量(在本试验中，通过观测土壤剖面的水分入渗过程发现，在一次灌水周期内，滴头下方灌溉水最大垂直入渗深度不超过50 cm，因此不考虑深层渗漏)。

按照下式计算水分利用效率和肥料偏生产力：

水分利用效率WUE=单位面积产量/作物耗水量

肥料偏生产力PFP=单位面积产量/单位面积施肥量[7]

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013进行数据计算；利用SPSS 19.0进行方差分析；利用Sigmaplot 12.0绘图。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对温室葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力的影响

表3为不同灌水施肥处理下温室葡萄产量、耗水量、水分利用效率和肥料偏生产力的测定计算结果。从表3中可以看出，在W1、W2灌水水平下，随着施肥量的提高，葡萄产量先增加后降低，在W3灌水水平下，葡萄产量随施肥量的提高逐渐增加；在相同施肥量水平下，葡萄产量随着灌水量的提高呈现先增加后降低的趋势。在相同灌水水平下，水分利用效率与葡萄产量的变化趋势一致；在F1施肥量情况下，水分利用效率随着灌水量的提高逐渐降低，在F2、F3施肥量情况下，水分利用效率随着灌水量的提高先增加后减小。对于肥料偏生产力，在同一施肥量水平下，随着灌水量的提高呈现为先增加后降低的趋势，在相同的灌水量情况下，随着施肥量的增加，肥料偏生产力没有表现出明显的变化规律。滴灌施肥条件下，灌水量对葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力具有极显著的影响(p<0.01)，施肥量对肥料偏生产力影响显著(p<0.05)，但水肥交互作用对葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力没有表现出显著的影响。

表3 不同水肥处理耗水量、葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力Tab.3 Water consumption, grape yield, water use efficiency and fertilizer productivity under different water and fertilizer treatments

注：同一列中不同的小写字母表示差异显著。*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。下同。

2.2 基于灌水量和施肥量对葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力的回归方程的建立

为揭示灌水量和施肥量对葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力的定量关系，建立了葡萄产量Y产、水分利用效率Y水、肥料偏生产力Y肥与灌水量X1和施肥量X2之间的二元二次回归模型：

(1)

(2)

(3)

式中：Y产为产量，kg/hm2；Y水为水分利用效率，kg/m3；Y肥为肥料偏生产力函数；X1、X2分别表示灌水量和施肥量(下同)。

分别对式(1)、式(2)、式(3)进行F检验，结果显示式(1)(F=15.96，sig.=0.022 5<0.05，R2=0.903 4)、式(2)(F=23.38，sig.=0.013 1<0.05，R2=0.933 3)、式(3)(F=20.65，sig.=0.015 7<0.05，R2=0.924 7)均达到显著水平，说明模型具有较好的回归关系。图1为根据所建模型绘制的葡萄产量、水分利用效率、肥料偏生产力与灌水量和施肥量之间的三维图形。由图1(a)可知，葡萄产量受到灌水量和施肥量的交互影响，当施肥量一定时，产量随着灌水量的增加呈现开口向下的抛物线变化趋势；当灌水量一定时，产量随着施肥量的增加表现为先增加后减小的趋势，且变化趋势不如产量随灌水量的变化明显，这与表3中的分析结果一致；从图中可以看出，水肥供给对于葡萄产量的影响存在一个阀值，低于或超过这个值时都会使葡萄产量降低，通过计算机模拟寻优，求得：当灌水量为3 172 m3/hm2、施肥量为859 kg/hm2时，葡萄产量最大达到31 244 kg/hm2。由图1(b)可知，当施肥量一定时，水分利用效率先随灌水量的增加短暂缓慢上升，在达到最大值之后快速下降；当灌水量一定时，水分利用效率随施肥量的增加呈现为先增加后减少的趋势，但变化幅度较小，说明施肥量对水分利用效率的影响弱于灌水量，计算得出：当灌水量为2 357 m3/hm2、施肥量为924 kg/hm2时，水分利用效率达到最高为10.80 kg/m3，小于W2F1处理下的11.07 kg/m3,这与计算机本身的拟合方法有关，有待进一步研究。由图1(c)可知，肥料偏生产力随灌水量和施肥量的变化呈现开口向下的抛物面形状，过多或过少的水肥供给均不利于肥料偏生产力的提高，当施肥量一定时，肥料偏生产力随着灌水量的增加先升高后降低，说明在一定范围内增加灌水量有助于葡萄植株对肥料的吸收利用，但过高的灌水量会使肥料偏生产力降低；当灌水量一定时，肥料偏生产力随着施肥量的增加先缓慢升高之后快速下降，通过计算得到：当灌水量为3 321 m3/hm2、施肥量为760 kg/hm2时，肥料偏生产力达到最大为38.59。综合考虑葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力，设定当满足以下条件时：葡萄产量大于30 000 kg/hm2、水分利用效率大于9 kg/m3、肥料偏生产力大于35，为本地区温室葡萄栽培适宜的水肥组合，计算得出：灌水量为2 784～3 462 m3/hm2，施肥量784～893 kg/hm2。

图1 水肥耦合对葡萄产量、水分利用效率、肥料偏生产力影响分析Fig.1 Effect of Water and Fertilizer Coupling on Grape Yield , WUE and PFP

3 讨 论

水肥是农业生产中的两项重要因素，适当的水分条件和养分供给是实现作物高产优质、降低农业投入的基本保证[21,22]。本研究表明，灌水量对葡萄产量有极显著的影响(P<0.01)，在同一施肥量水平下，葡萄产量随灌水量的增加均表现为先增加后减小的趋势。在一定范围内增加水肥供给可使葡萄产量增加，但随着水肥用量的继续提高，葡萄产量开始呈现降低的趋势，说明水肥供给对葡萄产量存在阀值反应，低于阀值时，增加水肥供给增产效果明显，高于阀值后再继续增加水肥用量将会给葡萄产量带来不利影响，这与前人研究结果类似[23,24]。前人研究认为，水肥用量对作物产量存在显著的交互作用[7,13,25]，但本试验结果表明，水肥耦合对葡萄产量存在交互作用，但没有达到显著水平，这可能是由于环境条件差异和试验材料不同所致。对于干旱缺水地区而言，在防止作物产量显著降低的同时提高水资源的利用效率尤为重要，“以肥调水”，适当的水肥比例，可以促进葡萄根系的生长和冠层发育，扩大葡萄植株对于水分吸收的空间，在总灌水量不变的情况下对于水分的吸收更加充分，调节、促进了水分利用过程，从而使水分利用效率提高[13,21,26,27]。

本研究发现，在W1、W2灌水水平下，水分利用效率随施肥量的提高均呈现为先增加后减小的趋势，说明了肥料在调节植物对水分吸收利用的过程中发挥着重要作用。在W3灌水水平下，水分利用效率随着施肥量的提高逐渐增加，这可能是因为在较低的灌水水平下，肥料对水分利用效率的影响起主导作用，其原因有待进一步研究。本研究中，随着灌水量和施肥量的增加，水分利用效率均呈现为先增大后减小的变化趋势，尤其在相同施肥水平下，当灌水量超过一定量之后，水分利用效率快速下降，说明过多的水分供给会给水分利用效率带来严重的负效应[28-31]。利用滴灌将肥随水施入，“以水促肥”，有利于改善养分在土壤中的扩散和运移，从而提高根系对于养分的吸收[7,21,32]，与传统撒施相比可以显著提高肥料的利用效率[22,33]。

本研究发现，肥料偏生产力随着水肥用量的增加同样呈现先增大后减小的趋势，这与Thompson等[34]的研究结果类似。但Di Paola等[35]研究发现，肥料偏生产力在同一施肥量水平下随着灌水量的增加逐渐增大，这与本实验结果不一致，其原因有待研究。通过计算机模拟寻优，得出本地区温室葡萄栽培适宜的水肥组合为灌水量2 784～3 462 m3/hm2，施肥量784～893 kg/hm2，这与王连君等[15]的研究结果存在一定的差异，可能是因为所选试验品种或处理方法不同所致。

4 结 论

通过不同滴灌水肥处理对温室葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力的影响分析，得出以下结论：

(1)灌水量对葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力的影响均大于施肥量，施肥对肥料偏生产力的影响显著；葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力均受到水肥交互作用的影响，在一定范围内增加水肥用量有利于产量和水肥利用率的提高，但过高的水肥供给会带来明显的负效应，对农业生产造成不利影响。

(2)建立了灌水量和施肥量与葡萄产量、水分利用效率以及肥料偏生产力之间的函数模型，均达到显著水平，能够较好地反映水肥用量与葡萄产量、水分利用效率以及肥料偏生产力之间的关系。

(3)通过计算机模拟寻优，综合考虑葡萄产量、水分利用效率和肥料偏生产力的大小，得出适宜本地区温室葡萄栽培的水肥用量为：灌水量2 784～3 462 m3/hm2，施肥量784～893 kg/hm2。