葡光互補對吐魯番‘無核白’葡萄生長的影響

董凱向，賈舟楫，高 展，褚佳瑤，周 龍，方海龍

(1.新疆農業大學 林學與園藝學院，烏魯木齊 830052；2.吐魯番高新農業科技示范園區，新疆吐魯番 838000)

吐魯番是享譽中外的葡萄之鄉，同時也是中國最大的無核葡萄種植區及葡萄干生產基地。自1979年吐魯番被列為國家重點葡萄生產基地以來，吐魯番葡萄產業得到了突飛猛進的發展，年平均新增葡萄面積933.34hm2[1-2]。2008-2016年，吐魯番的葡萄種植面積逐年增加，從2008年的2.99×104hm2增長至3.61×104hm2，增加了6.2×103hm2，葡萄產量由7.4×105t增長至9.87×105t，增加了2.47×105t。吐魯番主栽品種為‘無核白’葡萄，占總栽培面積的90%以上，‘無核白’葡萄已成為當地的主要經濟作物[3]。近年來，吐魯番地區極端高溫天氣頻繁發生，抑制了葡萄正常生長發育，嚴重阻礙了吐魯番葡萄產業的發展，因此對吐魯番葡萄進行遮陰處理并優化其架面進而改善葡萄生長環境已成為當地政府亟待解決的問題[4]。

葡光互補是集光伏發電、葡萄種植及農業技術為一體的光伏農業，采取雙向管理運營，最大限度地利用當地土地資源和葡萄特色產業，棚架頂部通過光伏發電，棚架下面種植葡萄，并利用光伏支架對傳統小棚架葡萄園進行架式改革，提升葡萄品質，增加葡萄產量，推動葡萄產業轉型升級。光照強度是影響植物生長的重要環境因子之一[5]，是葉片光合作用的能源。在生產上果樹豐產、優質的前提是掌握果樹芽、枝葉和果實的生長發育規律，因地制宜的制定相應栽培措施[6-7]，因此提高葡光互補栽培模式中葡萄的品質和產量，首先要了解在葡光互補栽培模式中葡萄枝葉生長發育規律。在葡光互補栽培模式中，光伏板會對葡萄產生一定程度的遮陰，從而對葡萄的生長發育產生影響。史靜等[8]研究遮陰對苜蓿生長的影響時發現，遮陰條件下苜蓿葉片干質量和葉面積顯著下降；李永進等[9]研究遮陰對假儉草生長的影響時發現，隨著光照度的減弱，假儉草的葉片長度顯著增加，但顯著降低了葉片厚度和莖增長速度；章小林[10]認為葡萄的果粒大小、果粒質量、色澤等指標會隨著光照強度的變弱而下降；在葡萄開花期輕度遮光，對花粉發芽率、花粉光伸長及雌蕊的受精能力并無不良影響[11]；楊勝偉等[12]研究鉤藤生長的適宜遮陰度時發現，光照過強或過弱均會抑制枝葉的生長，反而輕度遮陰處理更適宜鉤藤枝葉的生長。前人研究遮陰處理對葡萄生長發育的影響時，多采用遮陽網、溫室等全部遮陰的形式，葡光互補這種間隔遮擋的形式尚未見報道。雖然農光互補近年來在國內發展迅速，目前已經出現了漁光互補、光伏蔬菜大棚、光伏日光溫室等新型農業模式，但光伏板和葡萄相結合還是首次，關于光伏板對葡萄枝葉生長動態的研究報道較少。因此，本試驗以‘無核白’葡萄為試材，研究葡光互補栽培對‘無核白’葡萄萌芽率及芽、枝葉和果實生長發育動態的影響，以期找到適合葡萄生長的光伏板密度，為葡光互補新型栽培模式在吐魯番地區的推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗地位于新疆吐魯番市高昌區亞爾鄉亞爾果勒村的吐魯番現代農業科技示范園區(42°56′N，89°05′E)，屬暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，年均降水量16.4 mm，年均蒸發量2 837.8 mm，年日照時數3 200 h，年均氣溫14.5 ℃，極端高溫49.6 ℃，日最高氣溫高于35 ℃的天數年均100 d以上，高于40 ℃的天數年均35 ～40 d，無霜期268 d。供試材料為7 a生‘無核白’，樹體健康，樹勢中庸，葡萄園為沙質土壤，采用棚架栽培，東西行向，枝蔓方向為由北至南，采用常規水肥管理。

1.2 試驗設計

葡光互補栽培拋棄傳統的水泥立柱和木頭，改用鋼架來搭建葡萄棚架，鋼架間的跨度為4.6 m，行距4.1 m，架面的前后高度分別為1.7 m和1.9 m。2017年3月在鋼架頂端安裝光伏板，規格為0.9 m×1.64 m，設4個遮陰梯度，如圖1所示。試驗地設置為葡光互補栽培鋼架未安裝光伏板(CK)和光伏板間隔分別為1.5 m(C1)、1.0 m(C2)、0.5 m(C3)4個處理，面積共0.67 hm2，傳統的小棚架葡萄園表示為NEA，其架面高度一般為1.2～1.5 m。

C1. 光伏板間隔1.5 m Photovoltaic panels are spaced 1.5 m apart；C2. 光伏板間隔1.0 m Photovoltaic panels are spaced 1.0 m apart；C3. 光伏板間隔0.5 m Photovoltaic panels are spaced 0.5 m apart；CK. 未安裝光伏板 No photovoltaic panels installed；NEA. 傳統小棚架 Traditional small trellis

圖1 不同密度光伏板在試驗地的分布
Fig.1 Distribution of different density photovoltaic panels in the experimental field

1.3 試驗方法

1.3.1 物候期觀察 參照《葡萄種質資源描述規范和數據標準》[13]，于2017年3月17日葡萄出土后開始進行，每個處理(C1、C2、C3、CK、NEA)選擇3株標準樹，掛牌標記，直至葡萄成熟，每天觀察1次。

萌芽期是指3%～5%的絨球狀芽露出綠色的日期；展葉期是指葉片開始從芽體展露出來的時間；初花期是指最早葡萄花開的時間；坐果期就是葡萄形成的幼果能正常生長發育而不脫落的時期；轉色期是指3%～5%的果實由綠色逐步開始變得透明的時期；成熟期是指果實表現出固有的色澤，含糖量大約達到17%的時期。

1.3.2 芽生長動態觀測 在葡萄出土5 d后，每個處理(C1、C2、C3、CK、NEA)選擇生長勢相同，粗度基本一致的枝條，用標簽標記第3節位上的冬芽，每個處理共標記30個芽，每間隔3 d用游標卡尺測量1次標記芽的縱徑和橫徑，直到葉片展開為止，記錄葉片開展時間。計算發育周期和生長速率；每個處理的長結果母枝(7～9節)、中結果母枝(4～6節)和短結果母枝(1～3節)各選擇30個，統計結果母枝上的節數，已經萌發的芽數，抽干或未萌發的芽數量，然后計算萌芽率，每處理重復3次，取其平均值。

發育周期為從最初萌芽到展葉的時間。

生長速率=(L+C)/2/T， L為展葉時芽縱徑，C為展葉時芽橫徑，T為發育周期。

萌芽率=總萌芽數/芽眼總數×100%

1.3.3 葉片生長發育動態觀測 在展葉期每個處理(C1、C2、C3、CK、NEA)選擇生長勢相同，粗度基本一致的10根新梢，每個新梢用標簽標記第3片葉，每間隔5 d用游標卡尺測量1次葉片的主脈長度和葉片寬度。每間隔10 d每個處理另選擇生長勢相似的10根新梢，摘取第3片葉，用萬分之一電子天平測量葉片質量，用游標卡尺測量葉片厚度。計算葉片發育周期和生長速率，每處理測定3次，取其平均值。

發育周期為從最初展葉到葉片大小不發生變化的時間。

生長速率=(完全葉縱徑+完全葉橫徑)/2/發育周期

1.3.4 新梢生長發育動態觀測 在新梢生長期每個處理(C1、C2、C3、CK、NEA)選擇生長勢相同，粗度基本一致的10根新梢，每個新梢用標簽標記第3節，每間隔5 d用游標卡尺測量1次節的粗度和長度。每個處理另選擇生長勢相似的新梢作為對照枝條，每間隔10 d摘取第3節位測量單節質量。計算節發育周期和生長速率，每處理測定重復3次，取其平均值。

發育周期為從第3片葉出現到第4葉片大小不發生變化的時間。

生長速率=節長/發育周期

1.3.5 果實生長發育動態觀測 在坐果期每個處理(C1、C2、C3、CK、NEA)選擇生長勢相同，粗度基本一致的3根結果枝，在其上用標簽標記1穗葡萄，每穗葡萄選擇10粒(穗肩3粒，穗中4粒，穗尖3粒)，每間隔5 d用游標卡尺測量1次果實的縱徑和橫徑。每個處理另選擇生長勢相似的果穗作為對照，每間隔10 d摘取10粒果實測量單果鮮質量，然后烘干測量單果干質量。計算果實發育周期和生長速率，每處理測定3次，取其平均值。

發育周期為從坐果開始到果實成熟的時間。

生長速率=(果實縱徑+果實橫徑)/2/發育周期

1.4 數據統計

采用Excel 2010和SPSS 19.0對試驗數據進行統計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同密度光伏板處理對‘無核白’物候期的影響

表1顯示，在吐魯番地區‘無核白’葡萄萌芽期主要集中在3月下旬，CK和C1最早進入花芽萌動期，均為3月28日；C2和NEA居中，花芽萌動最晚的是C3，比CK晚3 d。初花期主要集中在5月上旬，CK和C1最早進入開花期，均為5月3日，初花期最晚的是C3，比CK晚5 d。坐果期最早的是CK，出現在5月13日，NEA居中，比CK晚3 d，坐果期最晚的是C3，比CK晚4 d。CK最早進入轉色期和成熟期，分別為7月8日和8月20日，C3最晚進入轉色期和成熟期，C1和C2進入轉色期和成熟期均晚于CK，但都早于NEA。

表1 不同密度光伏板處理下‘無核白’物候期Table 1 The phenophase of ‘Thompson Seedless’ grape in the different treatments of photovoltaic panels

2.2 不同密度光伏板處理對‘無核白’芽生長的影響

由圖2可知，‘無核白’葡萄的萌芽率隨著光伏板密度的增加而降低。各處理中平均萌芽率最高的是CK，為62.45%，平均萌芽率最低的是C3，為60.22%，其余處理萌芽率均為61%～62%。各個處理長、中、短3個果枝類型中，均為短果枝的萌芽率最高，在67%以上，其中C3的短果枝萌芽率最高，為69.44%，比CK增加了 1.63%，C1的短果枝萌芽率最低，為67.22%，比CK降低1.63%。長果枝和中果枝的萌芽率較低，除了CK長果枝萌芽率為60.74%外，其他處理的長果枝和中果枝的萌芽率都在60%以下，長果枝中C3的萌芽率最低，為54%，比CK降低了11.10%，NEA長果枝的萌芽率均比CK降低 2.98%；中果枝中C1的萌芽率最高，比CK增加了2.10%。由圖3可知，在不同密度光伏板遮陰下，CK、C1、C2、C3和NEA的冬芽縱徑和橫徑的生長趨勢基本一致，隨著光伏板密度的增大，芽的縱和橫徑呈先升高后降低的趨勢，即C1>CK>C2>NEA>C3。

圖2 不同密度光伏板處理下‘無核白’不同果枝類型萌芽率Fig.2 The germination rate of different fruit branch types of ‘Thompson Seedless’ grape at the different densities of photovoltaic panels

圖3 不同密度光伏板處理下‘無核白’芽生長動態Fig.3 The growth dynamics of ‘Thompson Seedless’ buds at the different densities of photovoltaic panels

2.3 不同密度光伏板處理‘無核白’葉生長的 變化

由圖4-A可知，在不同密度光伏板遮陰下，CK、C1、C2、C3和NEA的葉長和葉寬的生長趨勢基本一致，隨著光伏板密度的增大，葉長和葉寬呈先升高后降低的變化趨勢，即C1>C2>CK>C3>NEA。葉片的生長速率隨著光伏板密度的增大，表現出先升高后降低的變化趨勢，C1的生長速率為4.40 mm/d，C2的生長速率為4.18 mm/d，分別比CK增加9.47%和3.89%；C3和NEA的生長速率均為3.93 mm/d，比CK降低2.37%(圖4-B)。單葉質量隨著光伏板密度的增大呈先升高后降低的變化趨勢，C1的葉片質量最大，為2.68 g，比CK增加2.64%；C3的葉片質量最小，為2.47 g，比CK降低5.64%；C2和NEA分別比CK降低2.32%和2.06%(圖4-C)。

圖4 不同密度光伏板處理下‘無核白’葉生長動態Fig.4 The growth dynamics of ‘Thompson Seedless’ leaves at the different densities of photovoltaic panels

2.4 不同密度光伏板處理對‘無核白’新梢生長的影響

由圖5可知，隨著光伏板密度的增大，CK、C1、C2、C3和NEA的新梢長度和粗度的生長趨勢基本一致。4月25日之前為快速生長期，CK、C1、C2、C3和NEA的新梢長度生長量分別占總生長量的87.14%、90.24%、88.76%、86.23%和89.28%，新梢粗度生長量分別占總生長量的 82.19%、83.49%、80.25%、78.77%和78.48%。C1的新梢長度和粗度的生長速率最快，明顯優于CK，隨著光伏板密度的增加，新梢生長速逐漸率降低。

2.5 不同密度光伏板對‘無核白’果實生長的 影響

由圖6-A可知，‘無核白’果實先快速增長，隨后增長較為緩慢直至達到穩定。CK、C1、C2、C3和NEA的果實生長趨勢基本一致，隨著光伏板密度的增大，果實縱徑和橫徑均呈先升高后降低的變化趨勢。截至8月10日，C1的果實縱徑為19.32 mm，C2的果實縱徑為19.12 mm，分別比CK增加1.08%和0.04%；C3的果實縱徑最小，為18.81 mm，比CK降低1.58%。截至8月17日，單果鮮質量和單果干質量隨著光伏板密度的增大表現出先升高后降低的趨勢，即C1>C2>CK>C3>NEA，C1的單果鮮質量最大，為3.06 g，比CK增加0.5%；C3的單果鮮質量最小，為2.96 g，比CK降低2.78%(圖6-B)。

3 討 論

3.1 關于葡光互補栽培模式的探討

世界主要葡萄種植區均面臨著氣候變暖的危機，尤其是進入21世紀以來，葡萄生長季的強光輻射、異常高溫等極端氣候頻繁發生，這是傳統葡萄種植區必需要面臨的嚴峻考驗[14]。吐魯番葡萄產區除了要面對近年來極端高溫不斷刷新的考驗外，傳統低矮的小棚架也是限制葡萄產業的重要原因，除了不便于機械化外，其郁閉的架面常常是引發和加重葡萄病害的重要因素[15]，面對這些問題，葡光互補新型栽培模式應運而生。雖然光伏板發電和葡萄種植是首次相結合，但其與現代農業中的種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械動力等產業有機結合起來的先例很多，如光伏日光溫室、光伏蔬菜大棚、“漁光互補”水產養殖、光伏畜禽養殖等新興的農業模式[16-17]。作為農業大國，光伏農業為中國發展低碳經濟、節能減排、開發綠色清潔新能源提供了新的思路，將是現代農業未來很好的一個發展方向。葡光互補栽培模式最大限度地利用了當地土地資源和葡萄特色產業，采取雙向管理運營，棚架頂部通過光伏發電，打造以“自發自用、余量上網、電網調節”的運營模式；棚架下種植葡萄，并利用光伏支架對傳統小棚架葡萄園完成的架式改革來打造以現代農業為主的特色旅游區，從而達到架上清潔發電及架下高效種植的效果。

圖5 不同密度光伏板處理下‘無核白’新梢生長動態Fig.5 The growth dynamics of new shoots of ‘Thompson Seedless’ grape at the different densities of photovoltaic panels

圖6 不同密度光伏板處理下‘無核白’果實生長動態Fig.6 The growth dynamics of fruit of ‘Thompson Seedless’ berry at the different densities of photovoltaic panels

3.2 不同密度光伏板對‘無核白’葉片生長的 影響

葉片是植物進行光合作用的重要場所，植物光合效率與葉面積有密切關系，光照強度對葉面積的影響作用顯著[18]。本研究發現，輕度遮陰(C1)條件下，‘無核白’葡萄葉片平均單葉縱橫徑均高于全光照條件(CK)。這與戰吉成等[19]在研究弱光環境下生長的葡萄葉面積增加的結果一致。梁曼曼等[20]在研究核桃對光照的需求及適應性時同樣發現，遮陰條件下核桃的平均單葉面積和葉片長度均顯著優于全光照條件。推測是因為吐魯番位于盆地之中，四面環山，素有“火洲”之稱，其高溫強光的環境條件對葡萄生長產生了強光脅迫[21]，損傷了‘無核白’葡萄光合機構活性，導致光抑制現象發生。適度遮陰改善了‘無核白’葡萄樹體光環境，緩解了光照過強所造成的光合效率下降，使其更加高效地獲取光能，提高光合作用效率，以供葉片生長需要。而隨著光伏板密度的增大，遮陰程度加劇，弱光脅迫對‘無核白’葡萄葉片生長同樣產生抑制作用，中、重度遮陰抑制葉綠素的合成，進而降低了碳水化合物的合成，其葉片縱橫徑隨著遮陰程度增大呈減小趨勢。

3.3 不同密度光伏板對‘無核白’新梢生長的 影響

葡萄新梢形態在環境變化中具有較高的敏感性和可塑造性，新梢形態特征的變化表現了植物對環境的適應能力[22]。本研究發現，輕度遮陰(C1)條件下，‘無核白’葡萄新梢長度與粗度均大于全光照(CK)條件，且隨著光伏板密度的增大，新梢長度與粗度表現出逐漸下降的趨勢。周琳耀等[23]和莫偉平等[24]在研究遮陰對荔枝枝梢生長的影響時發現，遮陰處理顯著抑制了枝梢生長。輕度遮陰促進了吐魯番‘無核白’新梢的增長，這與周琳耀等[23]和莫偉平等[24]的研究結果不一致，考慮是由于吐魯番高溫強光低濕的環境條件抑制了‘無核白’葡萄新梢的生長，而輕度遮陰(C1)降低了無核白葡萄樹體所處環境的溫度與光強，緩解了高溫強光對新梢生長的抑制。隨著光伏板密度的增加，遮陰強度增大，過度遮陰影響葡萄葉片葉面積，進而影響光合作用，光合產物降低，使得輸送到新梢的營養物質減少，導致新梢長度和粗度逐漸減小[25]。

3.4 不同密度光伏板對‘無核白’果實生長的 影響

‘無核白’葡萄無論是營養生長還是果實的形態建成，均受光照條件的影響，光照過強或過弱均會抑制其生長[26]。本研究發現，輕度遮陰(C1)條件下，‘無核白’葡萄果實縱橫徑與單粒質量均大于全光照(CK)條件，且隨著光伏板密度的增大，果實縱橫徑與單粒質量逐漸下降。李勃等[27]在研究遮陰對夏黑葡萄生長的影響時發現，遮陰處理后，果實大小、果粒質量顯著變小。閆靜等[28]在研究光照強度對‘貴州兔眼’藍莓果實品質的影響時發現，輕、中度遮陰減小了‘梯芙藍’和‘燦爛’的果實大小和果實質量。本研究中輕度遮陰促進了吐魯番‘無核白’果實的增長，這與李勃等[27]和閆靜等[28]的研究結果不一致，考慮是由于吐魯番極端高溫強光的環境條件對‘無核白’葡萄的生長產生了光抑制，產生“光合午休”現象，導致葉片光合效率下降，果實中的碳水化合物積累減少，不能滿足果實生長需要，從而抑制了果實的增大。而輕度遮陰(C1)降低了‘無核白’葡萄樹體所處環境的溫度與光強，緩解了“光合午休”現象，提高了葉片光合效率，光合產物積累增多，促進了果實的生長。隨著光伏板密度的增加，遮陰強度增大，光伏板阻攔了過多的光能，影響了葡萄葉面積，進而降低了葉片光合效率，光合產物降低，使得輸送到果實的營養物質減少，從而抑制了果實的生長。

4 結 論

本研究通過對吐魯番葡光互補栽培下‘無核白’生長發育動態的研究表明，輕度遮陰條件下(C1)，‘無核白’葡萄的芽、枝葉、果實的生長發育均優于全光照(CK)。輕度遮陰有利于緩解夏季高溫強光對葡萄生長發育的危害，但過度遮陰會產生負面影響。所以綜合考量不同密度光伏板下葡萄的芽、枝葉和果實生長趨勢變化情況，建議在吐魯番地區推廣葡光互補栽培模式時，選擇光伏板間隔為1.5 m為宜。