極端干旱區滴灌葡萄水肥耦合效應研究*

張江輝 劉洪波 白云崗 丁 平

（新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049）

葡萄是目前世界上加工比例最高、產業生產鏈最長、產品種類最多的果樹。國內外眾多學者在葡萄高產栽培［1-2］、遺傳育種［3-4］、病蟲害防治［5-6］及水肥一體化［7-8］等方面進行了廣泛而深入的研究。在新疆，由于氣候干旱、少雨、蒸發量大等特點，年平均降水量僅16.5 mm，而年平均蒸發能力高達3 300 mm，屬極端干旱區，對葡萄的正常生長發育和產量影響非常大。同時，由于葡萄灌溉普遍采用地面溝灌，耗水量大，造成水資源日益緊張，對此，多位學者對葡萄高效節水增產技術進行了研究，如楊艷芬等［9］以及李淑芹等［10］采用地面滴灌和垂直線源灌的研究顯示，與常規滴灌相比，葡萄水分生理指標和產量均處于較高水平，垂直線源灌方式下根層土壤平均含水率可達到田間持水率的75.1%，而常規滴灌方式為田間持水率的60%。同時，垂直線源灌方式與常規滴灌相比，產量提高了1.2%，水分利用效率提高了57.4%［11］。

水肥是影響作物產量和品質的重要因子。由于水肥對作物生長發育起著相互制約與相互促進的作用，存在明顯的耦合關系，對二者耦合關系的研究是提高作物品質和產量的關鍵所在。在果樹生產復合系統中，水分和養分之間相互促進、相互影響，對水肥協同管理，不僅能夠提高水肥的利用效率，而且能夠提高果品產量和質量［12］。如對設施延后栽培葡萄通過水肥調控，葡萄產量隨施肥量的增加而增加，隨水分的虧缺先增大后減小，適量的施肥和適度的缺水可增加花色苷含量，提高糖酸比［13-14］。在常規氮磷鉀化肥的基礎上增施中微量元素鈣鎂硫能顯著促進新梢生長，增施腐殖酸則能顯著提高葉綠素含量，明顯降低總酸度，改善葡萄品質［15］。在寧夏賀蘭山東麓，葡萄隨著灌溉定額增加產量提高，當灌溉定額為3 825 m3hm-2時產量最大，增加施肥量在一定程度內可提高葡萄產量［16］。在云南省西雙版納州普文鎮實驗林場的水肥試驗認為，灌溉是影響果實水分、可溶性固形物含量的主要因子，施肥則對總糖、還原糖的影響極顯著［17］。由于受到區域地理和氣候條件限制，葡萄灌水量和施肥量也會受到多種因素影響而存在差異［13-14］。

在多種經濟作物上的應用研究結果已表明，水肥耦合能促進作物生長、提高產量。在極端干旱區，對葡萄灌水技術方面的研究頗多，但在水肥耦合效應上的研究甚少，因此，本試驗通過葡萄滴灌水肥一體化技術，就葡萄水肥耦合效應對產量的影響進行研究，旨在進一步探明滴灌條件下葡萄的水肥協調與互補效應，這對節水技術的應用與推廣、提高葡萄品質與產量以及保障我國重要葡萄基地生產的可持續發展具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗點位于火焰山以南，吐魯番市東南部的葡萄鄉鐵提爾村，距吐魯番市區12 km，地理坐標：42°56′N，89°13′E，海拔-68.8 m。年均降水量為16.6 mm，年均蒸發量為3 300 mm，地下水位為30 m，年均氣溫為14.4℃，多年最高氣溫、最低氣溫分別為48.3℃，-28.8℃，10℃以上活動積溫為5 455℃，全年年均日照時數為3 095 h，無霜期達210 d。葡萄品種為無核白（Thompson seedless），中晚熟品種，所需大于10℃的活動積溫在3 300℃左右。

試驗葡萄品種于1998年開始定植。栽培溝為東西走向，溝長為60 m，溝寬為1.0～1.2 m，溝深約為0.5 m；株距為1.2～1.5 m，行距3.5～4.5 m，栽培方式為小棚架栽培。以溝面為參考面，棚架前端高2.0 m，后端高0.8 m，平均高1.2 m。試驗區土壤為黃棕壤，質地較均一。傳統灌溉方式為地面溝灌。

1.2 試驗設計

試驗于2015年進行。滴灌采用一溝兩管布置，即在距葡萄根30 cm處兩側各放置一條滴灌帶，滴灌毛管為16 mm的滴灌帶，滴頭間距30 cm，滴頭流量3.2 L h-1。在滴灌條件下設3個灌水處理［18-20］：10 950 m3hm-2（高水W1）、7 800 m3hm-2（中水W2）、5 550 m3hm-2（低水W3），在上述3種不同灌水處理下分別設3種不同的施肥水平處理，分別為750 kg hm-2（高肥F1）、450 kg hm-2（中肥F2）和300 kg hm-2（低肥F3），各處理設2次重復，每個試驗小區面積約0.05 hm2。各處理基肥均在葡萄開花前期（3月下旬）根部附近施入磷酸二銨1 200 kg hm-2，施肥深度40 cm；在果實膨大期（6月中旬）同樣在根部附近施入硫酸鉀鎂750 kg hm-2和磷酸二銨1 800 kg hm-2；追肥在5月上旬葡萄萌芽期、6月上旬葡萄坐果期和7月上旬果實成熟初期各施1次，高、中、低肥3次按1︰2︰2進行滴施，即低肥分3次分別施60 kg hm-2、120 kg hm-2、120 kg hm-2；中肥3次分別施90 kg hm-2、180 kg hm-2、180 kg hm-2；高肥3次分別施150 kg hm-2、300 kg hm-2、300 kg hm-2。追肥肥料采用昆侖牌尿素（中國石油天然氣股份有限公司），總氮含量≥46.4%。對照處理（CK）采用當地常規溝灌，灌溉定額12 750 m3hm-2，無追肥，生育期共灌水6次。

1.3 測定指標

土壤含水量采用中子儀（CNC-503D型，加利福尼亞坎貝爾太平洋核子公司，美國）定期監測，于每次灌水后測定土壤含水量。此外，在各個生育期選擇一個灌水周期進行連續測定，觀測不同處理0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層的田間土壤含水率。

在葡萄收獲時，根據每個處理的葡萄總串數，在每個處理隨機摘取18串有代表性葡萄，所摘葡萄盡可能反映整個處理葡萄的生長狀況，并對每串葡萄進行稱重，根據各處理實際面積及果樹數量和總串數與串重等換算成每公頃的產量。

1.4 數據處理

式中，ET為農田作物生育期內的耗水量，mm；I 為灌水量，mm；P 為降水量，mm；Δ W為土體貯水量的變化（增加為正，減少為負），mm；R為徑流量，mm；S 為土體下邊界凈通量（向下為正，向上為負），mm。

式（1）中，灌水量由水表控制，在本文的試驗過程中，由于特殊氣候條件，徑流量和降雨量可以忽略不計，Δ W可以通過測定土壤含水量獲得，當下邊界遠大于計劃灌水層時，下邊界凈通量可假設為零。在充分滿足作物對水肥需要以及上述對各變量的假設情況下，上式可以轉化為：

水肥交互效應的計算公式如下［21］：

式中，EW為水分效應，%；YWx為同等施肥量條件下某水分處理產量，kg hm-2；YWL為同等施肥量條件下低水分處理產量，kg hm-2。

式中，EF為肥料效應，%；YFx為同等灌水量條件下某肥料處理產量，kg hm-2；YFL為同等灌水量條件下低肥料處理產量，kg hm-2。

式中，EI為增產效應，%；YWxFx為某水分處理和某肥料處理產量，kg hm-2；YWLFL為低水分低肥料處理產量，kg hm-2。

式中，EWF為水肥交互效應，%；EI為增產效應，%；EW為水分效應，%；EF為肥料效應，%。

采用Excel 2003進行制圖和數據分析，采用SPSS 22.0進行水肥耦合效應分析。

2 結 果

2.1 不同水肥處理葡萄耗水量

葡萄在不同水肥條件下各生育期的耗水量如表1所示。從表1可看出，葡萄從萌芽期至收獲期，各水肥處理在不同生育階段的耗水量均表現出先增大后減小的規律，各生育期總耗水量除了與灌溉定額有關，還與生育期內葡萄自身耗水能力以及生育期長短有關。各水肥處理不同生育期的耗水量和總耗水量的差異主要是由于灌溉定額不同所致，其中，在萌芽期，由于氣溫較低，土面蒸發及植株蒸騰相對較小，耗水量較少；果實膨大期是葡萄的第一個需水關鍵期，由于持續時間較長，該階段的耗水量較大，且各水肥處理的耗水量隨灌溉定額的增大而增大，如低水低肥處理為213.5 mm，而高水高肥為242.8 mm。葡萄的第二個需水關鍵期是果漿成熟期，其持續時間最長，因此該階段耗水量最大，且耗水規律與果實膨大期一致；葡萄采摘后，進入枝蔓成熟期間，隨著氣溫的下降，葡萄耗水強度相應開始減小，葡萄在該時期的耗水量也隨之減少，但仍大于萌芽期和新梢生長期時的耗水量。

表1 不同水肥處理下各生育期葡萄耗水量Table 1 Water consumption of the grape vines relative to growing stage and treatment (mm)

2.2 灌水量、施肥量和耗水量與產量的相關關系

不同施肥處理灌水量與產量的關系如圖1所示。根據當年各處理對應產量數據分析發現，在施肥量一定時，灌水量與產量呈二次多項式相關關系。通過擬合得到的相關方程可得出，當施肥量為750 kg hm-2時，最佳灌水量和最佳產量分別為9 148 m3hm-2和38 304 kg hm-2；當施肥量為450 kg hm-2時，最佳灌水量和最佳產量分別為8 851 m3hm-2和40 810 kg hm-2；當施肥量為300 kg hm-2時，最佳灌水量和最佳產量分別為10 177 m3hm-2和33 475 kg hm-2。

圖1 不同施肥水平下灌水量與產量的關系Fig.1 Relationship between irrigation dosage and grape yield relative to fertilization rate

從不同施肥水平下擬合得到的最佳灌水量與最佳產量可看出，施肥量為300 kg hm-2時的最佳灌水量大于其他兩個施肥水平，而最佳產量小于其他兩個施肥水平，在施肥量為450 kg hm-2時，擬合得到的最佳灌水量和最佳產量均優于其他兩個水平。

圖2為不同灌水量下施肥量與產量的關系。由圖2可知，由于高水和低水條件下低肥處理的實測產量大于中肥處理，而中水條件下低肥處理的實測產量小于中肥處理，因此，當灌水量為定值時，施肥量與產量雖然均呈二次拋物線關系，但拋物線的開口方向卻不同，其中，當灌水水平為高水時，Y=0.0675 x2-59.77 x+45 067；當灌水水平為中水時，Y=-0.07 x2+86.64 x+12 582，當灌水水平為低水時，Y=0.032 x2-26.73 x+34 300。通過對回歸方程計算得到，灌水量為中水（7 800 m3hm-2）和低水（5 550 m3hm-2）時得到的最優產量比較接近且均小于灌水量為高水（10 950 m3hm-2）時的最優產量（39 391 kg hm-2），其產量分別為31 836 kg hm-2和28 718 kg hm-2。

根據水量平衡公式計算得到的葡萄總耗水量與灌水量的線性相關關系極顯著（R2=0.92）（圖3），表明葡萄耗水量隨著灌水量的增加而增加，這是因為試驗區年降水量極少，地下水位低，葡萄耗水量主要來自于灌水量的緣故。

2.3 綜合水肥處理與產量的關系

圖2 不同灌水水平下施肥量與產量的關系Fig.2 Relationship between fertilization rate and yield at different irrigation levels

圖3 灌水量與耗水量的關系Fig.3 Relationship between irrigation dosage and water consumption

從綜合施肥水平和灌水水平下葡萄的產量（表2）可看出，在同一灌水水平下，高肥處理的產量最高，平均為36 210 kg hm-2，低肥的平均產量最低，為31 548 kg hm-2，差異極顯著，可見，增加施肥量能增加產量。在同一施肥水平下各灌水水平平均產量中，中水的產量最高，為35 948 kg hm-2，高水和低水的產量分別為34 426 kg hm-2和30 043 kg hm-2，說明合理增加灌水量能相應地增加產量，但過多的灌水同樣會降低產量。

2.4 水肥交互作用對葡萄產量的影響

從水肥交互作用分析表（表3）中可以看出，在同等施肥條件下，灌水量的水分效應由大到小為：中水、高水、低水。水分效應最大為施肥450 kg hm-2、灌水量為7 800 m3hm-2時，增產30%；水分效應最小為施肥300 kg hm-2、灌水量為7 800 m3hm-2時，增產11 %。同等灌水量條件下，累積施肥的肥料效應由大到小為：中肥、高肥、低肥。肥料效應最大為灌水量為10 950 m3hm-2、施肥750 kg hm-2時，增產18%。綜合比較各水肥處理增產效應可看出，在高肥和中肥條件下，灌水量為高水和中水時的增產效應要顯著優于低肥條件下的各灌水處理。

表2 綜合施肥水平和灌水水平下葡萄產量Table 2 Yield of grape under optimal combination of fertilization and irrigation

表3 水肥交互作用的增產效應Table 3 Yield increasing effect of the interaction of water and fertilizer

葡萄水肥耦合的節水節肥效應如表4所示。其節水節肥及增產指標是與對照處理進行比較。從表4可以看出，與對照處理相比，在節水14%和39%、施肥量增加25%和減少25%時，葡萄產量增加明顯。節肥50%時產量相差很小。節水56%、節肥26%時葡萄產量減少。說明葡萄在滴灌條件下，節水不超過56%、節肥在25%左右時葡萄能獲得最佳產量。

表4 水肥耦合的節水節肥效應Table 4 Water saving and fertilizer saving effects of the combination of water and fertilizer

2.5 葡萄水肥耦合效應模型

僅考慮氮素或水分一個因素與作物產量關系的生產函數稱為單因素生產函數。而實際上，作物產量是多個影響因素綜合作用的結果，且各因素之間有交互作用。因此，在單因素生產函數的基礎上，建立雙因素（水、肥）生產函數，將更能準確地反映作物產量與水肥的影響關系。

水肥生產函數可定義為：在農業生產其他影響因素一致的條件下，農田水資源和氮素耦合投入與作物產出（籽粒產量或干物質）之間的函數關系。根據10組對應的葡萄產量（Y）、灌水量（W）、施氮量（F）數據，得到數學回歸模型：

對式(7)進行顯著性檢驗：F值為6.47，且Dubrni-Watsno統計量d=3.31，決定系數R2=0.94，結果表明回歸可靠，說明灌水量和施氮量二因素與葡萄產量之間存在極其顯著的回歸關系。

由表5可以看出，當灌水量固定時，葡萄產量隨著施氮量的增加呈增大趨勢，有產量最高點。同樣，當施氮量固定時，葡萄產量隨著灌水量的增加呈先增加后降低的變化趨勢，表明隨著灌水量的增加，葡萄產量相應增加，但當灌水量繼續增大至一定值后，葡萄產量反而減小。

表5 水氮耦合對葡萄產量的影響Table 5 Effects of combination of water and nitrogen on grape yield (kg hm-2)

續表

對式（7）式進行求導，可得到灌水量和施氮量的效應方程：

3 討 論

在影響葡萄生長的諸多因素中，水、肥因素起著決定性作用，也僅有水分和養分最容易人為調控，同時，它們也是一對互相作用的因子，它們既有自己特殊的作用，又互相牽制和制約，影響著彼此效果的發揮［22］。氮肥是葡萄生長過程中需要量較大的元素，施用氮肥可以增加葡萄枝葉的數量，促進葡萄副梢的萌發，并提高葡萄的產量。有研究顯示，葡萄滴灌追施氮、磷、鉀的比例在萌芽至開花期為1︰0.26︰0.12，在葡萄果實膨大期為1︰1.54︰1.97時，可以顯著提高葡萄的產量［23］。在N：P︰K= 2：5︰3時，可以有效提高氮肥利用率，增加氮素積累，促進無核白雞心幼樹營養生長［24］。在常規氮磷鉀化肥的基礎上，增施中微量元素鈣、鎂、硫能顯著促進新梢生長；在滴灌條件下，增施腐殖酸和鈣、鎂、硫后可以提高產量、降低總酸度［18］。而在葡萄營養生長期，配合施用適量鎂肥，并適量補充微量元素，同樣能促進植株生長，提高果實品質［25］。此外，水分過量或者虧缺同樣會引起植物體內一系列的生理生化反應，而且灌溉方式和灌水量對形成優質果品也起著重要的作用［26］，采用滴灌技術不僅可以提高水分利用效率，提高肥效，而且可以改善葡萄生長環境和發育條件，從而促使葡萄優質高產，增加經濟效益［27］。滴灌灌水量隨地區不同而差異顯著，如在河北張家口的釀酒葡萄高產園灌溉量為1 822 m3hm-2時較為適宜［28］。在吉林省長春市，在灌水量270 mm，施肥量為 N 225 kg hm-2+P2O5180 kg hm-2+K2O 248 kg hm-2的組合處理對穩定葡萄產量和改善果實品質有顯明作用［7］。對于干旱區的寧夏銀川釀酒葡萄，生育期滴灌灌溉量在4 500 m3hm-2左右［29］；而在新疆，由于特殊的氣候環境，葡萄滴灌灌水量更大，如在博樂市南郊的克瑞森無核葡萄園在年灌水總量6 000 m3hm-2、氮磷鉀年施肥量367.2 kg hm-2時產量最高［21］，在哈密市郊的葡萄園優質高產的最佳模式為灌溉定額6 750 m3hm-2、尿素489.15 kg hm-2、磷酸二氫鉀809.4 kg hm-2。本研究是在極端干旱的吐哈地區，由于干旱少雨、蒸發量大的特點，葡萄滴灌灌水量在高水和中水處理、施肥量同樣在中肥和高肥時的產量最大，但產量相差不明顯，即在灌水量為7 800 m3hm-2、施肥量為450 kg hm-2時，可使產量提高30%。當灌水量過大，達到10 950 m3hm-2，或是施肥量過大，達到750 kg hm-2時，產量反而降低，其試驗結果與多數研究結果［22,24,28-29］一致，表明滴灌水肥能明顯促進葡萄植株生長并提高產量，但灌水量和施肥量必須適量。

大量研究表明，水分、肥料對產量在一定范圍內具有明顯的正效應。二者還存在顯著耦合效應，即高水配高肥的增產效應加大，肥力增產效應隨水分提高而提高；同理水分的增產效應隨肥力增大而增大。但是，高水配高肥并不是無限制的，水肥對小麥產量效應為報酬遞減函數，表現為肥力增產效應隨肥力增加而減弱，水分也同樣如此。生產中水、肥的配合存在一個上限，產量有其最大值。在氮、磷、鉀三個肥料要素中，尤其是氮肥的施用量受水分條件制約程度很大。其效益能否充分發揮與農田水分狀況關系十分密切，不同的農田水分動態過程、不同的灌溉用水量，同樣的施肥量所獲得的產量差異也很大。即，不同的灌溉供水狀況下，施氮量與作物產量的響應關系是不同的。因此，選擇施氮量和水分兩個因子來進行葡萄水肥效應的研究，探討節水條件下提高肥效并獲得增產，為農田灌溉和施肥制度的制定提供理論依據。本文中，通過模型計算得到的最佳灌水量（8 736 m3hm-2）和施肥量（390 kg hm-2），與試驗設計灌水量和施肥量處理有一定差異，而且葡萄屬多年生果樹，其土壤基肥對樹體次年長勢和產量也存在一定影響，因此，在水肥處理的設置、灌溉參數的確定以及水肥耦合對葡萄植株生長和產量形成的影響機理等方面，仍需要做深入的試驗研究。

4 結 論

通過對不同水肥條件下葡萄園土壤耗水量和產量的監測結果顯示，在葡萄各生育期耗水量上，果漿成熟期和果實膨大期較大，其次為花期和枝蔓成熟期，新梢生長期和萌芽期較少。在產量上，W1F1（38 221 kg hm-2）最大，其次是W2F1（38 179 kg hm-2）和W2F2（37 393 kg hm-2），CK（29 276 kg hm-2）僅大于W3F3（29 157 kg hm-2）處理。利用水肥耦合效應的分析得到，在相同灌水水平下，高肥處理的產量最高，平均為36 210 kg hm-2，低肥的平均產量最低，為31 548 kg hm-2；在相同施肥水平下，中水的產量最高。說明葡萄在滴灌水肥條件下，節水不超過56%、節肥在25%左右時葡萄能獲得最佳產量。以二元二次多項式回歸數學模型擬合葡萄產量（Y）與灌水量（W）、施氮量（F）的關系，得到數學模型為：Y=-9 197 +10.04W-7.713F-0.000 6W2+0.010 4 F2+0.000 9WF，決定系數R2=0.94，達到極顯著水平。對數學模型求極值可得到最佳的灌水量和施氮量分別為8 736 m3hm-2、390 kg hm-2，最高產量可達到34 393 kg hm-2。研究表明，水肥對葡萄的產量影響很大，合理增加灌水量能相應地增加產量，但過多的灌水同樣會降低產量。利用數學模型與實際產量的對比結果，確定該地區滴灌葡萄適宜的灌溉定額在8 250～9 000 m3hm-2，施肥水平在300～450 kg hm-2時，可以獲得較高的葡萄產量。