水肥耦合对葡萄土壤环境及品质的影响

李青青，张 芮，高彦婷，王旺田，李鸿雁

（1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

葡萄是我国主要水果之一，深受人们的喜爱，其用途广泛，具有很高的社会经济效益和丰富的营养价值，除此之外还具有较高的医药价值[1-2]。葡萄在我国的栽培历史已有2 000 多年，国外已有一系列的设施葡萄栽培技术，而国内设施葡萄栽培相关研究在栽培结构、面积及栽培技术等方面尚不完善，国内设施葡萄栽培方式主要有促早栽培、延迟栽培、避雨栽培[3-4]。

水和肥料是影响作物生长发育的两个重要因子，两者之间相互制约、相互影响。水肥相互制约结果是水肥耦合效应（couple effect of water and fertility）[5]。水是发挥肥效的关键，而肥料则是提高土壤和土壤系统生产效率的关键，合理的水肥耦合可以达到以水调肥、以肥控水的效果[6-7]。利用滴灌方式，将肥料随灌溉水供给作物，以水促肥，有利于改善土壤中养分的运移，从而提高植物根系对养分的充分吸收与传统施肥方法相比可以显著提高肥料的利用效率[8]。王连君等[9]研究发现，水肥耦合的增产效应存在一个临界值，在临界值以下，增加水和肥料的用量，可以明显增加作物的产量；当水和肥料的水平高于临界值时，其增产效果并不明显，反而对作物增产效果有不利的影响，并且严重浪费水和肥料。土壤水分与肥料之间的相互作用有3 种效应，分别为协同效应、叠加效应和拮抗效应[10]。水肥耦合也被引入葡萄栽培中提高种植效益。

目前，国内外就水肥耦合作用对作物产量、品质和水肥利用率的影响已有广泛研究。王海艺等[11]研究结果表明，植物吸收和运转养分主要依赖于土壤水分，同时化肥用量又受到一定的限制。史星雲等[12]研究结果显示，在滴灌条件下，水肥协同对酿酒葡萄新梢生长和发育、果实形态及葡萄品质等有显著的影响，对生长发育和品质呈现先升高后降低的趋势。水肥耦合交互变换能够引起土壤养分浓度的变化，并且对植株根系吸水能力也有一定的影响，因而植株净光合速率呈现波浪形的变化趋势[13]。曹毅等[14]研究表明，水肥耦合对葡萄产量和品质具有极其显著的影响，并且灌溉水量对葡萄产量的影响更加明显。在一定范围内，葡萄产量和灌溉水利用效率随着水和肥料的供给呈现出先增后减的趋势。

水肥耦合技术是我国节约型可持续农业发展的重要途径之一，特别是在我国干旱和半干旱地区，发挥着越来越大的积极作用，并且具有较大的推广空间。前人对作物水肥耦合的研究主要集中在对玉米、马铃薯和水稻等大田作物和部分蔬菜作物的生长发育、产量及品质影响上，而对葡萄土壤环境、水肥利用效率和品质影响的研究涉及较少，尤其缺少对设施葡萄栽培条件下的相关研究，因此，为了探索水肥耦合在生产上的优势，重点探讨水肥耦合对葡萄生长的土壤环境及品质的影响，为葡萄节水节肥和优质生产提供理论依据。

1 水肥耦合对葡萄土壤环境的影响

1.1 土壤水热特性

水分是葡萄产量和品质形成的决定性因素[15]。不同生长期的葡萄对水分的需求有所不同。在整个生育期，水分通过蒸发、蒸腾和入渗等过程，在空间和时间上发生一系列的变化，土壤中的水分多少以土壤含水率的形式表现。翟春华[16]指出，含水率60%～70%（20～40 cm）的松软肥沃土壤最适合葡萄根系的生长，过高或过低都不利于葡萄根系的正常生长。当土壤含水率<40%（20～40 cm）时，葡萄的生长速度较慢或停滞；当含水率>80%（20～40 cm）时，根系因缺氧而沤根，容易腐烂。

何建斌[17]研究表明，在葡萄处于营养生长生育期，土壤含水率的降低速度是缓慢的，但随着生育期的延长，含水率的降低速度会显著增加，因此，在葡萄的整个生长发育过程中，不同生育期内合理、有选择地灌溉，可以使作物达到高产优质的目的。温越等[18]研究表明，灌溉是影响作物在不同生长阶段耗水量和耗水强度的主要因素。有研究表明，在葡萄全生育期耗水最多的生育期是浆果生长期，耗水最少的是花期；从耗水强度来看，耗水强度最大的生育期是浆果成熟期，耗水强度最弱的是枝蔓成熟期。综合考虑，葡萄的浆果生长期和成熟期需水量最大，需要充分灌溉，以保证葡萄正常生长[19-20]。水肥耦合能够促进水分的转化利用，提高葡萄的水分利用效率。

灌溉是设施葡萄生长发育阶段重要的补水手段，不同的灌溉方式对一定时间内土壤含水率的影响不同，同时对葡萄产量及品质有不同的影响。在国内，滴灌在葡萄栽培中的应用已有大量文献报道[21]。国内外已有研究表明，滴灌是节水型灌溉技术，对提高葡萄产量、品质具有重要意义，是改善葡萄品质的有效途径[22-23]。灌溉水量和灌溉方式对葡萄生长均有影响，灌溉水量间接地通过影响葡萄植株对土壤中营养物质的吸收进而影响葡萄产量，水肥耦合调控条件下，在一定的施肥量水平下，提高灌溉水量可以提高葡萄产量。

温度是解除落叶果树芽休眠的关键环境因子[24]。土壤温度不但对植株初期芽的萌发、幼苗生长及中期阶段的开花结果有影响，而且对作物根系的水分运输和养分吸收也有重要的意义，水分和养分对果树的生长、品质及产量具有显著的影响，因此，土壤温度也会影响作物产量和品质。葡萄萌芽必须满足一定的需热量和需冷量，对土壤的有效积温要求较高[25-26]。地温对葡萄的生长起着至关重要的作用，在20～30 cm土层的土壤温度超过7 °C 时，葡萄的根系就会活跃起来；当土壤温度为12～14 °C（20～40 cm）时，根系开始吸收水分和养分，并进入生长期；土壤温度为20～24 °C（20～40 cm）时根系的生长环境最好[27]。土壤温度在7 °C 以下时，根系停止生长，25 °C 以上时根系的生长会被抑制，超过28 °C 时根系的生长停滞或逐渐死亡。

土壤温度与土壤水分具有交互作用，有研究表明，膜下滴灌的交互作用比喷灌更加显著，水肥一体化滴灌条件下，灌溉水量越大土壤有效积温越小，较大的灌溉水量能够有效的控制地温的变幅[28]。灌溉水量对地温有显著的影响，土壤含水量与施肥量有密切的关系，在保证施肥量相同的情况下，灌溉水量与作物生长各个土层的土壤温度呈现显著的负相关关系[29]。适宜的土壤温度是葡萄生长发育良好的必要条件，因而通过水肥耦合控制土壤温度是必要的。

1.2 土壤养分

葡萄虽然是藤本植物，但是它的根系较发达，枝蔓多、叶片较大，生长较旺盛，果实产量高，而且寿命较长，因此，生长发育过程中需要更多的养分来保证葡萄正常生长。葡萄生长发育过程中需要从土壤中获取多种元素来调节自身的生长，保障土壤肥力是作物正常生长的关键。葡萄生长所需元素有氮、磷、钾，以及微量元素铁、硼、镁、锌、钼、铜等，虽然作物对氮、磷、钾的需求最高，但也不能忽略微量元素的施用[30-31]。肥料是葡萄生长所需养分的重要保障，合理有效地施肥能够促进土壤肥力的发展、保障生态环境的平衡。

1.2.1 氮、磷、钾

氮、磷、钾是作物营养来源不可缺少的重要组成部分，谢海霞[1]研究表明，在一定的施肥水平下，氮、磷、钾肥对葡萄产量有明显的提高作用，氮肥的增产效果则最为明显，钾肥次之，磷肥的增产效果最不显著。研究表明，葡萄从发芽到开花阶段，滴灌条件下对氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥的追施比为1.00∶0.26∶0.12；果在实生长期追施N、P2O5、K2O 的比例为1.00∶1.54∶1.97 时，对葡萄的增产效果最明显，氮、磷、钾肥的最佳施肥配比为N∶P2O5∶K2O=1∶0.39∶0.98[32]。

利用水肥耦合技术进行肥料的追施，能够显著地提高肥料的利用效率，当季氮、磷、钾肥利用率可以提高70%～80%、40%～50%、80%～90%[33]。但是与其他国家相比较，我国的水肥协同技术水平相对较低，水肥一体化灌溉施肥条件下的氮、磷、钾肥利用率分别为60%、40%和70%[34]。

1.2.2 微量元素

微量元素的摄入是植物生长发育过程中一个关键的环节，对其产量、品质等有显著的影响，尽管植物对微量元素需求较低，但在植物生长发育过程中却是不可或缺的一部分。研究表明，在葡萄植株叶面喷洒微量元素能够显著改善葡萄树体的营养，同时能够起到提高葡萄品质的作用[35-37]。叶面喷洒氨基酸能够提高叶片的叶绿素含量，增强葡萄叶面的净光合速率，改善果实品质，明显提高1 年生枝条的成熟度，增加贮藏营养[38]。史祥宾等[39]研究发现，葡萄叶面喷洒氨基酸肥和微量元素能够显著提高成熟期果实的氮、钾、镁、铁、锌、铜和钼等的含量，提高葡萄果实中矿质元素含量，同时提高了其营养价值。VYSTAVNA Y 等[40]和HOPFER H 等[41]的研究表明，在劣质种植区，在土壤中增施中量元素（Ca、Mg、S），酿制葡萄产量能够明显增加，同时能够提高其品质。张磊等[42]研究认为，将锌肥和氮、磷、钾配合施用，可以提高单粒葡萄质量，糖酸比也有所增加，同时还有利于品质的改善。适时、适量地增施微量元素肥料，可以防治病虫害。土壤微量元素含量与果实中相应元素的含量有明显的正相关关系，这符合植物对养分的吸收特征[43]。

吴寿华[44]研究表明，采用水肥耦合技术，能够显著地改善葡萄种植土壤有机质含量，降低植株根区土壤碱解氮和有效钾残留量，并且能够有效地改善土壤的酸碱度，缓解根区土壤的酸化程度。此外，还可以增加葡萄叶片中全氮、全磷和全钾的含量，同时增加葡萄叶片的质量，这说明水肥一体化技术有利于葡萄叶片的发育，促进营养物质的累积，这与植物根系对养分的吸收有密切关系。

葡萄生长发育、品质和产量形成的物质基础是矿质营养元素，然而葡萄对矿质营养元素的获取途径主要是土壤，因此合理、科学地施肥是保证葡萄正常生长的重要措施。施肥方式对葡萄生长也有一定的影响，为了提高肥料利用效率，减少不必要的损失，选择最适宜的施肥方式，按照最合理的追施比例进行施肥，是提高肥料利用率的主要措施，可提高葡萄产量，改善葡萄品质。

1.3 土壤酶活性

土壤酶是植物的生物活性库，它在土壤中营养物质的生物化学循环、有机质和矿物质的转换等方面起着重要作用，土壤酶与土壤中水分状况、施肥制度、物理化学因素、微生物及其他的农业措施等有密切的关系[45-46]。研究表明，土壤中的脲酶、蔗糖酶和磷酸酶能够促进土壤中主要养分的循环利用[47]。在喷灌条件下，利用水肥耦合技术对葡萄叶面喷施钙肥可以显著提高根区土层不同深度的土壤酶活性，土壤脲酶、土壤酸性磷酸酶、土壤蔗糖酶等的活性提高更加显著，酶活性随着土层深度的增加而降低，土壤蔗糖酶活性则呈相反的趋势[48]。杨昌钰等[49]研究表明，水分不足对葡萄生长期根际土壤中过氧化氢酶的影响不大，但轻度和中度水分亏缺对葡萄果实膨大期和着色期根区土壤中蔗糖酶和脲酶有一定程度的抑制作用。水肥耦合能够提高葡萄根际土壤酶的活性，并使土壤中的养分矿化，将有利于植物的吸收，进而在一定程度上提高葡萄的生长发育，在此方面有关葡萄的研究较少，是今后研究的重点。

2 水肥耦合对葡萄品质的影响

品质是衡量作物种植效果的一个主要因素，而合理的灌水和有效地施肥可以改善作物的品质，侯裕生等[50]、曹毅等[14]研究发现，水肥对葡萄品质存在显著的交互作用。

2.1 外观品质

果实的外观品质直接影响到其商品化程度，而果实的大小和形状指数则是影响其外观品质的主要因素[51]。葡萄粒径大小作为葡萄的表观品质，是衡量葡萄质量的重要指标之一，张超等[52]、黄英等[53]研究表明，水肥耦合作用对葡萄的粒径和果实形态有显著的影响，适当的水分亏缺和适当的肥料用量可以提高葡萄的单粒质量，葡萄果粒的纵径、横径生长动态呈现先快速增长后逐渐平缓的趋势，灌溉水量和施氮量对葡萄外观品质均具有极显著影响。何振嘉等[54]、张超等[52]研究发现，适宜的水肥施用量对果粒生长有更好的促进作用。

2.2 营养品质

衡量葡萄营养品质的指标有可溶性固形物、维生素C、花色苷、可滴定酸含量等。

营养品质是鲜食葡萄最重要的商品品质。研究表明，通过水肥结合，可以减弱因灌溉水量过大而不利于葡萄糖分的积累，因而在水分充足、可溶性固形物含量高的情况下，适当的水分亏缺和施肥都能提高其各项养分指标[9]。黄英等[53]的研究结果显示，水分胁迫达到一定程度后，糖酸比逐渐降低，当肥料用量达到一定程度后，可溶性固形物、维生素C 和花色苷含量也表现出逐渐降低的趋势。此外，灌溉水量对可滴定酸（以酒石酸计）和维生素C 的影响较大，而灌溉水量和施肥量对花色苷的含量均有极其显著的影响。

葡萄的品质优劣主要体现在可溶性固形物、可溶性糖含量、可滴定酸含量及葡萄果实硬度等指标，合理的施肥量和灌溉水量对改善葡萄品质较为理想。水肥施用量过高或过低对葡萄品质都有不利影响，因此在高产和优质的条件下选择最优的灌溉水量和施肥量。张超等[52]研究表明，综合考虑葡萄生长发育、产量和品质，最优的水肥耦合模式为灌溉水量9 150 m3/hm2、施氮量450 kg/hm2，既能实现高产优质，又提高了水和肥料利用效率。

3 结束语

水肥耦合能够促进土壤中水分的转化和利用，提高水分利用效率，也可以显著地提高土壤中氮、磷、钾肥的利用率，改善土壤性质，提高产量，同时利用水肥一体化，喷施微量元素能够达到高产优质的目的。水肥耦合还能够提高葡萄根区土壤酶的活性，影响葡萄的生长，进而提高葡萄产量。灌溉水量过大，或者施肥量过高不利于葡萄品质的提高，同时水肥利用效率也会降低，合理的水肥用量能够使葡萄具有外表优异、富含营养价值的特点，从而改善葡萄品质。综合得出，水肥耦合对葡萄水热条件、土壤养分、土壤酶活性及品质有显著的影响。