极端干旱区葡萄水肥协同效应

张 超,白云岗,郑 明,肖 军,丁 平

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐 830049)

0 引 言

【研究意义】我国新疆吐鲁番和哈密市作为新疆特色林果种植基地,无核白葡萄占全疆60%、全国20%的种植面积[1]。若采用大水漫灌的灌溉管理模式,水肥用量不合理,会造成土壤水分和养分的浪费与流失。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[2-3]。【前人研究进展】张江辉等[4]研究发现,水分、肥料在一定范围内具有明显的正效应,还存在着显著的耦合效应,即高水配高肥的增产效应加大,肥力增产效应随水分提高而提高,水分增产效应随肥力增大而增大。王淑芬等[5]结果表明,在棉花关键生育期少量多次灌溉处理,适当控制植株的营养生长,促进干物质向生殖生长转化,可以提高棉花经济产量及水分利用效率。Simonetta等[6]试验研究发现,增施氮肥可以提高小麦的叶面积,改善冠层结构,提高小麦产量,但施氮量过大会使叶倾角较小,叶面积过大,不利于构建冠层结构,导致小麦产量降低。黎冰等[7]通过试验研究发现,有效补充氮元素可以有效的提高葡萄叶片的光和作用,但是氮肥过量施用则会引起植株营养生长过旺,节间变粗、伸长,不利于坐果,果粒成熟期相应推迟,影响其商品价值。史星雲等[8]研究显示,在一定范围内,酿酒葡萄的生长及品质随水肥用量的增加呈现先升高后降低的趋势,适宜的水肥用量可以改善酿酒葡萄新梢生长及品质,水肥过多或者过少都会导致酿酒葡萄品质下降。【本研究切入点】水肥对极端干旱区无核白葡萄影响研究上的成果较少,仍在探寻适宜的水肥管理制度。需研究极端干旱区滴灌葡萄提质增效的水肥协同模式。【拟解决的关键问题】以新疆吐鲁番无核白葡萄作为材料,采用田间小区试验,设定不同的水肥处理,分析水肥协同对葡萄生理生长及产量品质的影响,研究极端干旱区适宜的水肥协同模式,为葡萄优质高产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2020年4～9月在新疆吐鲁番市鄯善县葡萄瓜果研究中心试验基地开展,试验区坐标42.91°N,90.30°E,海拔419 m。试验区年均降雨量25.3 mm,年均蒸发量2 751 mm,有效积温(≥10℃)4 522.6～5 548.9℃,全年日照时数2 900～3 100 h,平均气温日较差14.3～15.9℃,无霜期192～224 d,土壤质地为砾石沙壤土。

供试葡萄品种为无核白,2012年定植,树龄8 a,大沟定植,东西走向,沟长54 m,沟宽1.0 m,沟深0.5 m,株距1.5 m,行距4.0 m。栽培方式为棚架栽培,棚架高度2.0 m。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

田间灌溉采用滴灌,滴灌带布置方式为1沟3管,即主根两侧30 cm处各设置1条滴灌带,棚架下设置1条滴灌带,滴灌带直径为16 mm,滴头间距为30 cm,滴头流量为3.2 L/h。展叶期(营养生长期)按照低水低肥(低水平)、中水中肥(中水平)和高水高肥(高水平)3种情况配施,每种情况有3个相同处理,共进行5次水肥处理;膨大期(生殖生长期)在以上3种配施情况下每3个相同处理分低水低肥(低水平)、中水中肥(中水平)和高水高肥(高水平)3种配施,共7次水肥处理;成熟期(生殖生长期)按照膨大期水肥处理进行配施,共5次水肥处理。全生育期共17次水肥处理,每个处理设定3个重复。共计27个试验小区,试验小区面积为48 m2。肥料采用昆仑牌尿素(氮含量≥46%)和磷酸二氢钾(P2O5≥52%、K2O≥34%),随水施肥。表1

表1 试验灌水施肥量

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 叶面积指数

用LI-6000叶面积仪在无光时测定葡萄叶面积指数,在新梢生长期每个处理选定3棵长势一致健康的葡萄树,在每棵树的上中下部位多次测定取平均值,展叶期、膨大期和成熟期分别测定2次,观察葡萄叶面积指数动态变化规律。

1.2.2.2 光合日变化

用CI-340在晴朗无云的天气测定净光合速率,每个处理选定3棵长势一致健康的葡萄树,在每棵树的相同部位取大小均一的向光叶片测定,每隔2 h测定1次,共测定7次。分别在展叶期、膨大期和成熟期连续测定3次,取平均值。

1.2.2.3 产 量

在葡萄成熟采摘期,统计好每个处理的葡萄总穗数,同时在每个处理中随机摘取20穗有代表性葡萄,所摘葡萄尽量能够反应整个处理葡萄的生长状况,并对每穗葡萄进行称重,得到该处理的穗重,用总穗数与单穗重的乘积得到小区的总产量,各小区总产量与实际面积的比值得到单位面积产量,换算成公顷产量。

1.2.2.4 品 质

在葡萄成熟采摘期,每个处理随机选取10串长势均一、生长良好的果穗,用GY-4型水果硬度计测定硬度;用手持式折光仪测定可溶性固形物含量;用NaOH滴定法测定可滴定酸含量,以酒石酸计;还原糖采用斐林试剂法测定,以葡萄糖计;VC采用钼蓝比色法测定;用可溶性固形物含量与可滴定酸含量的比值表示固酸比。

1.3 数据处理

使用Excel2020和SPSS26.0进行数据统计及分析,采用双因素Ducan’s新复极差法检验各处理间差异的显著性,数据均以“平均值±标准差”表示,使用Origin2021制图。

2 结果与分析

2.1 水肥协同对葡萄叶面积指数的影响

研究表明,叶面积指数是衡量葡萄营养生长状况的重要指标,葡萄生育期间的最大叶面积指数反映了最大光合面积。叶面积指数在展叶期增长较快,在膨大期增长缓慢,到成熟期基本趋于稳定。在展叶期中期,叶面积指数随着水肥用量的增加呈递增的趋势,且高水平与中水平水肥处理没有显著性差异。在展叶期后期,W8N8处理叶面积指数最大,达3.37,与W4N4处理和W9N9处理没有显著性差异,且显著高于其他各处理,W7N7处理为3.03,与W8N8处理和W9N9处理差异显著。展叶期低水平的3个水肥处理分别为2.5、2.55、2.62,要显著低于其他处理,在展叶期过度缺少水肥供应会影响植株叶片的生长,对植株营养生长限制较大。在膨大期,葡萄叶面积指数随着水肥用量的增加整体呈现递增的趋势,在葡萄生殖生长期提高水肥用量会加快树体的营养生长,叶片生长旺盛,增大叶面积指数,造成田间郁闭现象,竞争果粒生长所需的养分。在膨大期后期,W9N9处理叶面积指数最大,达4.72,W1N1处理最小,为3.87,差异显著。在成熟期,葡萄叶面积指数基本趋于稳定,此时水肥用量对叶面积指数的影响较小。表2

表2 不同水肥处理下葡萄叶面积指数变化

2.2 水肥协同对葡萄光合日变化的影响

研究表明,各时期净光合速率日变化均呈现先升高后降低再略有升高最后降低的双峰型趋势,最高值均出现在12:00,最低值出现在14:00,14:00出现降低的原因是由于气温过高,导致气孔部分关闭,出现光合午休现象。在展叶期,随着水肥用量的增加葡萄净光合速率呈现递增的趋势,高水平与中水平水肥处理净光合速率差异不明显,在中水中肥的基础上继续增加水肥用量对净光合速率提升较小;低水平水肥处理净光合速率与其他处理差异较大,水肥用量过低可明显抑制葡萄的正常生理生长,与叶面积指数变化一致。在膨大期,葡萄净光合速率整体要高于展叶期和成熟期,膨大期随着水肥用量的增加,葡萄净光合速率呈现先增加后减小的趋势,W5N5处理净光合速率最大;过高的水肥用量并不能增加葡萄净光合速率,原因可能是过高的水肥用量不仅会使土壤透气性降低,还会造成土质淋溶,不利于植株生长,对葡萄叶片光和吸收产生一定的影响,适宜的水肥用量是保证葡萄光合速率产生有机物的基础。在成熟期,净光合速率要弱于其他两个时期,W5N5处理葡萄净光合速率较大,其次为W8N8处理,2个处理差异不明显。W5N5处理要优于其他处理。图1

图1 不同水肥处理下各时期光合日变化

2.3 水肥协同对葡萄产量的影响

研究表明,在营养生长期的3个低水平水肥处理随着水肥用量的增加葡萄产量逐渐升高,相较于其他处理低是因为葡萄在营养生长期缺少水肥的供给影响葡萄的光合作用,干物质积累量较少,树体得不到充足养分,落花落果现象严重,在生殖生长期结穗率较低,使得整体产量普遍偏低。在营养生长期的中水平和高水平水肥处理随着水肥用量的增加葡萄产量呈现先升高后降低的趋势,W5N5处理产量最高,为24 482.32 kg/hm2,W4N4处理和W7N7处理产量普遍偏低的原因是生殖生长期缺少水肥不利于果粒的正常生长。适宜的水肥用量可以更好的调节葡萄的营养生长与生殖生长,达到高产。图2

图2 不同水肥处理下葡萄产量变化

2.4 水肥协同对葡萄品质的影响

研究表明,果粒硬度随着水肥用量的增加呈现先增大后减小的趋势,W1N1处理、W4N4处理和W7N7处理硬度均显著小于其他各处理,水肥用量不足会使得果粒松软,极易出现烂果现象。W5N5处理果粒硬度最大,达1.47 kg/cm2,W2N2处理和W8N8处理硬度同样处于较高水平,水肥的合理利用有利于增大果粒硬度,增强葡萄耐储运性。可溶性固形物含量随着水肥用量的增加整体呈现先增大后减小的趋势,W5N5处理可溶性固形物含量最大,为23.31%,W9N9处理最小,为20.78%,两处理相差2.53%,且达到显著水平。可滴定酸含量随着水肥用量的增加整体呈现逐渐增大的趋势,W3N3处理可滴定酸含量最大,达0.59%,W5N5处理最小,为0.52%,且达到显著水平。还原糖含量随着水肥用量的增加呈现先增大后减小的趋势,W5N5处理最大,达212.63 g/L,与W4N4处理差异不显著,最小值出现在W3N3处理,为185.73 g/L,与W5N5处理差异显著。VC含量随着水肥用量的增加呈现逐渐增大的趋势,W6N6处理VC含量最大,达19.43×10-2mg/100g,W7N7处理最小,为17.09×10-2mg/100g,两处理相差2.34×10-2mg/100g,且差异显著。固酸比随着水肥用量的增加整体呈现逐渐减小的趋势,W5N5处理固酸比最大,达44.84,要高于W4N4处理,但差异不显著,最小值是W9N9处理,为36.28,且显著小于以上两个处理。表3

表3 成熟期不同水肥处理下葡萄品质变化

2.5 基于主成分的最优水肥模型

研究表明,KMO值为0.503,巴特利特值为53.527,显著性值为0.000,各指标间存在一定的相关性,适合主成分分析。有2个主成分大于1,提取了2个主成分,且解释了总方差的79.751%,将2个主成分分别记为Y1、Y2。根据主成分系数得出Y1、Y2的方程式:

Y1=0.13×Z产量+0.47×Z可溶性固形物-0.50×Z可滴定酸+0.46×Z还原糖-0.11×Z维生素C+0.54×Z固酸比-0.003×Z硬度。

(1)

Y1=0.54×Z产量+0.04×Z可溶性固形物+0.13×Z可滴定酸+0.12×Z还原糖+0.54×ZVC-0.04×Z固酸比+0.062×Z硬度。

(2)

W5N5处理综合得分要高于其他处理。表4,表5,表6

表4 成熟期各品质标准化处理

表5 成熟期主成分

表6 成熟期不同水肥处理综合评价

3 讨 论

合理的叶面积指数可提高作物对光热资源的利用率,为植物的生长发育提供一个优良的群体环境,可显著促进光合作用合成有机产物,实现作物的优质高产[9]。试验研究发现葡萄叶面积指数在展叶期增长速度最快,展叶期后期增长速度开始减慢,成熟期达到最大值,与曾辰[10]在葡萄上的研究规律一致。叶面积指数随着水肥用量的增加呈现逐渐增加的趋势,与王全九等[11]灌溉施氮对棉花叶面积指数的影响有一定的出入,可能与作物品种的不同以及水肥用量的不同所引起的。水肥用量过低,叶片得不到足够的水分和养分供应,叶面积指数较小,与魏永华等[12]在水稻返青期缺水对叶面积指数的影响研究结论一致。

光合作用是将无机物转化为有机物的过程,提高光合作用是提升产量和品质的重要举措。水肥的供应通过影响叶片中的叶绿素合成、气孔和非气孔因素等影响植株叶片的光合作用[13]。张丽莹[14]在水果黄瓜的研究上发现灌水量过高或过低均不利于叶片光合作用的提高。王程翰[15]研究表明,灌水量一定时,光合速率随着施肥量的增加呈现先增加后减小的趋势;施肥量一定时光合速率呈现相同的趋势。龚萍等[16]在对葡萄光合特性的研究中发现光合速率在水分用量低的情况下要显著低于中高水分用量的处理,因为水分胁迫会导致叶片气孔关闭,无法进行气体交换;中高水分下光合速率差异较小。试验研究发现,果实膨大期光净合速率日变化要高于其他时期,水肥用量过低会明显抑制葡萄的净光合速率,适宜的水肥用量可以提高葡萄叶片的光合速率,与以上的研究结果一致。

张江辉等[4]研究发现葡萄滴灌灌水量和施肥量在中、高水平时产量最大且相差较小,过多的灌水量和施肥量都会引起葡萄减产。LIU等[17]认为在合理范围内增加灌水量和施肥量均可以提高作物的产量,但超出一定范围后会降低增产效果、提高支出并对品质造成负面影响。王连君等[18]研究发现水肥之间存在一定的阈值,超过阈值之后,无论是在产量还是品质方面都会下降。试验研究发现营养生长期水肥供给不足的处理均不会高产,水肥供给充足的处理随着水肥用量的增加葡萄产量呈现先升高后降低的趋势,适宜的水肥用量对产量有一定的促进作用,与以上的研究结果一致。

史星雲等[8]在对酿酒葡萄的研究上发现在一定范围内,酿酒葡萄生长及品质随水肥用量的增加,呈现先升高后降低的趋势,合理的水肥管理有利于酿酒葡萄新梢生长及品质改善,水肥过多或者过少都会导致酿酒葡萄品质下降。杜清洁等[19]和虞娜等[20]在番茄的研究上发现合理的灌水量与施肥量可以交互促进品质的提升,两者过高或过低都会使番茄的综合品质下降。试验研究发现果粒硬度随着水肥用量的增加呈先增加后减小的趋势,可溶性固形物含量和还原糖含量整体呈现相同趋势,与史星雲等[8]在葡萄品质上的研究较为一致;可滴定酸含量和VC含量在成熟期随着水肥用量的增加均呈现逐渐增加的趋势,与侯裕生等[1]在水肥对葡萄的研究上较为一致。主成分分析已经广泛应用于作物水肥协同的研究,且均取得了良好的效果[21-23]。

4 结 论

水肥用量过低对植株的生理生长具有较大的限制作用,叶面积指数随着水肥用量的增加整体呈现逐渐增大的趋势。净光合速率日变化均为双峰型变化趋势,在膨大期净光合速率要高于展叶期和成熟期,W5N5处理净光合速率要优于其他处理。W5N5处理产量、硬度、可溶性固形物、还原糖和固酸比最优,W3N3处理可滴定酸含量最大,W6N6处理VC含量最大。最优水肥协同模式是灌水量为8 925 m3/hm2,施肥量为240 kg/hm2。