极端干旱区滴灌葡萄耗水特征及水肥制度寻优

温 越，王振华*

（1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000）

0 引 言

【研究意义】吐哈盆地位于新疆东部，受天山山脉阻隔，终年干旱少雨，水资源极度匮乏[1]。而太阳辐射强烈，昼夜温差大的独特优势使得特色瓜果种植成为吐哈地区支柱产业。近年来，水资源短缺和化肥滥用成为制约吐哈地区葡萄产业发展的主要因素[2]，限水政策使当地灌溉用水分配不合理的缺点凸显出来，滥用化肥更造成了土壤板结和退化等问题，因此亟须采用合理的水肥配比来实现葡萄的增产提质。

【研究进展】调亏灌溉是最具有发展潜力的几种灌溉方式之一，其通过减少某一生育期内的水分补给，改变作物光合产物的分配模式，利用其后补偿机制获得更高的经济产量，是解决吐哈地区水资源短缺的有效手段。强薇等[3]研究表明，调亏灌溉会降低核桃的叶片活性，导致组织受损，其可以减少对应生育期的耗水量，并提高水分利用效率[4]，但重度水分胁迫会对葡萄树造成不可逆的损伤[5]。Wen等[6]研究表明调亏灌溉对棉花产量无显著影响，依提卡尔·阿不都沙拉木等[7]则认为对灰枣在开花坐果期进行调亏灌溉可以提高单果质量、可溶性固形物量和糖酸比。李晶等[8]认为葡萄果实膨大期亏水会造成大幅减产和果实品质降低，在着色成熟期亏水则可提升品质。赵霞等[9]则认为单个生育期亏水对葡萄果实品质无显著影响。已有研究表明，农田土壤养分最大的补充途径是施肥[10]，而土壤养分对果树生长起到重要作用。肥料种类[11]、配比[12]和施用量[13]是影响作物生理活动和产量的主要施肥因素。

【切入点】近年来，调亏灌溉受到越来越多的关注，诸多专家学者进行了相应研究[14-16]。但是在调亏灌溉基础上，考虑施肥比例的研究较少。【拟解决的关键问题】本文以吐哈地区优势葡萄品种无核白为试验对象，采用单一生育期调亏灌溉与不同施肥比例相结合的方式，探究不同水肥配比下葡萄植株耗水的变化特征，并通过分析产量和品质指标筛选适宜水肥配比，提出合理水肥制度，为吐哈地区水肥合理分配和滴灌葡萄产业可持续发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年3—9月在新疆十三师哈密垦区灌溉试验站（海拔660 m，93°37′ E、42°42′ N）进行。试验区位于亚欧大陆腹地，是典型的温带大陆性干旱气候区，年平均温度为9.8 ℃，年均降水量为38.0 mm，年均蒸发量为3 092 mm，无霜期187 d，年均日照时间3 357.6 h，≥10 ℃积温4 124.1～4 842.5 ℃。试验区地下水埋深＞10 m，土壤类型为砂壤土，0～80 cm土层平均体积质量为1.56 g/cm3，田间体积持水率为18.42%，土壤全氮量为0.49 g/kg，有机质量为9.0 g/kg，有效磷量为20.61 mg/kg，速效钾量为175.44 mg/kg，80～90 cm土层存在黏土隔水层。灌溉水源为地下水，矿化度为0.98 g/kg，采用管道进行输水。

1.2 试验设计

试验作物选用无核白鲜食葡萄，采用小棚架栽培，大沟沟道种植模式，各小区分别定植80株葡萄，株距为1.0 m，行距为5.0 m，灌水不存在侧渗影响，小区面积为80.0 m2（80.0 m 1.0 m），于3月31日进行棚架绑扎，9月15日进行收获测产。葡萄的生育期分别为萌芽期（4月13―28日），新梢生长期（4月29日―5月28日），花期（5月29日―6月10日），果实膨大期（6月11日―7月15日），着色成熟期（7月16日—8月21日），枝蔓成熟期（8月22日—9月15日）。田间灌溉采用滴灌，每个小区用水表和施肥罐精确控制水肥用量。试验采用调亏灌溉和施肥配比双因素设计。试验组分别对无核白葡萄在新梢生长期、开花期、果实膨大期和着色成熟期进行调亏灌溉（分别记为W1、W2、W3、W4），并设置全生育期充分灌溉为对照组（CK），调亏灌溉土壤含水率上下限定为田间体积持水率θf的65%～90%，充分灌溉土壤含水率上下限定为田间体积持水率θf的75%～100%，计划湿润层深度为60 cm，灌水方案见图1。施肥配比设置3个水平，分别为F1（N∶P2O5∶K2O=1∶1∶1）、F2（N∶P2O5∶K2O=2∶2∶3）、F3（N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2），常规施肥水平N施量、P2O5施量、K2O施量分别为330.0、165.0、330.0 kg/hm2，即F3处理，肥料类型为：氮肥（尿素，含N 46%）、磷肥（磷酸二铵，含P2O551%）、钾肥（硫酸钾，含K2O 51%）。全生育期施肥量统一定为825 kg/hm2。具体实施方案见表1。试验按照2因素水平进行完全试验设计，共计15个处理，每个处理设置3个重复。各处理田间管理措施均一致。为保证植株顺利萌芽，各处理在4月17日进行开沟灌溉，灌水定额为60 mm。

图1 无核白葡萄生育期内灌水方案Fig.1 Irrigation scheme for seedless white grapes during the growth periods

表1 不同生育期施肥量Table 1 Fertilization amount in different growth periods kg/hm2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水率

于4月12日统一在各处理中间植株根部埋设1根中子管，采用中子仪（503DR，CPN，USA）在全生育期内对土壤体积含水率每隔7 d测量1次，灌水前后及降雨后加测，以中子仪水分数据作为土壤含水率上下限的判定依据。测试深度为80 cm，每10 cm读取1次数据，同时采用取土烘干法和环刀取体积质量法对仪器进行标定。

1.3.2 生育期耗水量

生育期耗水量水量平衡方程计算式为：

式中：ETi为无核白葡萄各生育期阶段耗水量（mm）；Hj为第j层土层厚度（cm）；Wj1和Wj2分别为生育期前后土壤体积含水率（%）；M为生育期内灌水量（mm）；P为生育期内有效降水量（mm），因为试验区地处极端干旱区，降水极少，因此P=0；K为生育期内地下水补给量（mm），因试验区地下水埋深大于10 m，因此K=0；C为生育期内深层渗漏量（mm），由于地下80～90 cm土层为隔水层，不存在深层渗漏，因此C=0。

1.3.3 产量和品质

在各处理小区随机选取3株摘取全部葡萄进行单株测产，推算各处理小区产量并换算为标准产量。测产后各处理分别摘取3串葡萄鲜样，委托新疆农垦科学院测定可溶性固形物量、总糖量、可滴定酸量、维生素C品质指标。

1.4 数据处理

图形绘制采用Origin Pro 2017，数据分析采用Microsoft Excel 2016，统计分析采用SPSS 22.0，显著性分析采用Duncan’s新复极差法。

2 结果与分析

2.1 水肥配比对滴灌葡萄土壤平均含水率的影响

图2为不同水肥处理滴灌葡萄对土壤含水率的响应特征。在萌芽期，不同灌水处理土壤含水率变化特征相同，随灌水的增加土壤含水率逐渐增大；进入新梢生长期后，受调亏灌溉影响，W1处理土壤含水率发生明显波动，低于其全生育期土壤平均含水率，其他灌水处理土壤含水率均逐渐增大；随着葡萄植株生长和生理反应的加剧，在果实膨大期，除W3处理外，其余4个处理土壤含水率均在平均值附近及以上，而W4处理在着色成熟期土壤含水率有明显波动；在枝蔓成熟期，土壤含水率逐渐下降，葡萄植株生长几乎停滞，叶片功能逐渐衰弱。从全生育期来看，W1处理和W2处理土壤含水率变化特征与CK最为接近，W3处理和W4处理全生育期平均土壤含水率处于较低水平，分别为15.41%和15.24%，且W3处理土壤含水率波动幅度最大。相同灌溉条件下，不同施肥处理土壤含水率始终表现为F2处理>F1处理>F3处理。从不同水肥处理来看，W1F2处理全生育期土壤平均含水率最高，为16.76%；W4F3处理最低，为15.02%，W4F3处理较W1F2降低10.38%。

图2 不同水肥配比各处理土壤含水率动态变化Fig.2 Dynamic changes of soil moisture content of each treatment under different water and fertilizer ratios

2.2 水肥配比对滴灌葡萄产量和品质的影响

表2为不同水肥配比下滴灌葡萄产量和品质指标。灌水单因素对无核白葡萄的产量、还原性糖量、可溶性固形物量和可滴定酸均有极显著影响（P<0.01）；施肥单因素对无核白葡萄的产量影响极显著（P<0.01），对还原性糖量和可溶性固形物量影响显著（P<0.05），对可滴定酸无显著影响（P>0.05）；水肥交互作用对产量影响显著（P<0.05），对还原性糖量、可溶性固形物量和可滴定酸影响均为极显著（P<0.01）。

表2 不同水肥配比滴灌葡萄产量和品质Table 2 Grape yield and quality under drip irrigation with different ratio of water and fertilizer

灌水单因素下，CK产量最高，与W4处理间无显著差异（P>0.05），与W1、W2、W3处理间具有显著差异（P>0.05），CK产量较W3处理提高48.03%；施肥单因素下，F2处理产量、可溶性固形物量、还原性糖量均取得最大值，较F1、F3处理分别提高3.54%和3.95%、7.88%和4.29%、6.57%和9.90%；产量在CKF2处理取得最大值28 003 kg/hm2，W3F3处理产量最小，较CKF2处理降低34.29%，CKF1、CKF3、W4F1处理和W4F2处理产量与CKF2处理无显著差异（P>0.05）；还原性糖量和可溶性固形物量在W4F2处理最大值23.00%和23.50%，可滴定酸在W3F3处理最大值0.665 2%，W4F2处理取得最小值0.436 3%。基于无核白葡萄产量和品质分析，W4F2处理水肥处理效果更佳。

2.3 水肥配比对滴灌葡萄耗水特征的影响

表3为不同水肥处理在不同生育期下耗水强度的动态变化。灌水单因素对无核白葡萄萌芽期耗水强度影响不显著（P>0.05），对其他生育期影响均为极显著（P<0.01）；施肥单因素对无核白葡萄萌芽期耗水强度影响极显著（P<0.01），对其他生育期影响均为不显著（P>0.05）；水肥交互作用对无核白葡萄新梢生长期耗水强度影响极显著，对其他生育期影响均为不显著（P>0.05）。

表3 水肥供应下各处理耗水强度动态变化Table 3 Dynamic changes of water consumption intensity of each treatment under water and fertilizer supply mm/d

不同水肥处理耗水强度随生育期总体表现为先增大后减小，在果实膨大期达到峰值，因此果实膨大期为无核白葡萄需水关键期。充分灌溉处理（CK）在全生育期耗水强度均为最大，CKF3处理耗水强度在果实膨大期取得全生育期最大值6.73 mm/d。萌芽期，因灌水量相同，各水肥处理耗水强度相近，随着调亏灌溉的进行，各调亏处理耗水强度有明显降低，W3处理耗水强度在果实膨大期降低最为明显，经复水后在着色成熟期仍未达到常规水平。在生育期末，植株叶片脱落，生长繁殖近乎停滞，为越冬期做准备，CK此时耗水强度仍高于其他灌水处理，差异显著（P<0.05）。F3处理耗水强度在整个生育期内均处于最高水平，但施肥对葡萄植株和果实生长主要时期的耗水强度影响远小于灌水。

图3为不同水肥配比下各生育期耗水量，各水肥处理总耗水量在672.15～842.27 mm之间。相同施肥条件下，各灌水处理总耗水量始终表现为CK＞W1处理＞W2处理＞W4处理＞W3处理，CK总耗水量较W3处理提高21.80%；而相同灌水条件下，F3处理总耗水量较F1、F2处理分别提高1.69%和5.04%。从不同生育期来看，各生育期耗水量随生长天数呈现“双峰”变化趋势，除W3处理外，其余处理生育期耗水量均表现为反复升降的波动规律。从同一生育期来看，萌芽期各水肥处理耗水量无显著差异，而调亏灌溉处理相应生育期较其余正常处理生育期耗水量有明显下降，最明显的生育期为果实膨大期，此时W3F2处理耗水量最小，较最大处理CKF3降低43.99%。

图3 不同水肥配比各处理生育期耗水量Fig.3 Water consumption during growth period of each treatment under different water and fertilizer ratios

2.4 极端干旱区滴灌葡萄水肥制度优选

表4为极端干旱区无核白滴灌葡萄的最优水肥制度。W4F2处理产量较最大处理CKF2仅降低0.45%，耗水量（721.72 mm）却降低12.30%，还原性糖量和可溶性固形物量分别提高9.52%和7.31%。因此，W4F2处理，即全生育期灌水22次，灌溉定额695 mm，施肥总量825 kg/hm2的水肥制度是最优的选择，可以在不降低产量的前提下，获得较高的品质。

表4 最优水肥制度Table 4 Suitable water and fertilizer systems for seedless white grapes in extreme arid areas

3 讨 论

增产提质是农业生产的最终目标，水肥合理配比在其中起着极为重要的作用[17-18]。本研究中，水肥单因素对无核白葡萄产量影响均为极显著，在果实膨大期进行调亏灌溉减产最大，且还原性糖量和可溶性固形物量最低，这是因为果实膨大期缺水会严重抑制果实细胞分裂和养分转化[19]。而在着色成熟期进行调亏灌溉，产量与充分灌溉无显著差异，还原性糖量和可溶性固形物量会有显著提升，可滴定酸明显降低，这是因为着色成熟期葡萄果实由生殖生长转为营养生长，水分亏缺并不会显著降低浆果质量，反而会减少果实水分，促进糖分转化[20]。肥料配比也对葡萄产量品质有着显著影响[21]，F2施肥处理产量、还原性糖量和可溶性固形物量处于最高水平，这说明适宜的施肥水平能保证较高的经济效益。水肥耦合效应对葡萄产量和品质的影响显著，W4F2处理下葡萄的产量、还原性糖量和可溶性固形物量均处于较高水平，这说明合理的水肥配比可以使葡萄产量和品质均处于较优水平。

各水肥处理全生育期土壤平均含水率受灌水影响更大，受施肥影响不显著，W3处理土壤含水率波动最明显，结合产量和品质指标，说明不稳定的土壤水分环境会抑制葡萄植株生长和果实发育。探明作物不同生育期耗水特性可以为灌溉水资源合理分配提供理论依据[22-23]。本研究表明，灌水是影响无核白葡萄不同生育期耗水强度和耗水量的主要因素，水肥耦合效应对耗水影响不显著，这说明调亏灌溉和不同施肥比例的耦合更多的是影响了葡萄的生理反应，对植株水分的吸收转化作用影响较小。果实膨大期调亏灌溉会显著降低葡萄总耗水量和灌溉定额，但产量品质极差，这与牛最荣等[24]和张梅花等[5]的研究结果相同。相同灌水条件下，F2施肥处理总耗水量小于F1处理和F3处理，这可能是因为较少的氮肥减少了植株的蒸腾作用，而较多的钾肥可以调节叶片气孔导度，以适应吐哈地区高温及缺水环境，从而更利于葡萄植株生长[25]。合理的水肥配比可以在降低灌溉用水量的前提下提高葡萄生理活性，为产量构成和品质提升奠定基础。

4 结 论

施肥对葡萄主要生育期的耗水影响不显著。果实膨大期调亏灌溉降低了生育期耗水强度和总耗水量，但产量和品质最差；而在着色成熟期进行调亏灌溉产量无显著变化，且品质大幅提升，因此可在着色成熟期进行调亏灌溉以提高经济效益。F2施肥水平总耗水量小，且产量和品质较高，综合分析产量、品质和耗水特征，着色成熟期调亏灌溉配合N、P2O5、K2O施加比例为2∶2∶3，总施肥量为825 kg/hm2的施肥配比是吐哈地区无核白葡萄适宜的水肥制度。