根區灌溉下灌水上限對葡萄吸水根系和產量的影響

任小通，馬娟娟，孫西歡，郭向紅，鄭利劍，孫瑞峰，郭佳昌

（太原理工大學，太原030024）

0 引言

吐哈地區是我國重要的瓜果生產基地之一，其獨特的光熱資源，使得當地以葡萄為主的林果園藝產業十分發達，葡萄種植已成為吐哈地區重要的支柱產業，現葡萄果園灌溉面積約3.92 萬hm2，并且種植規模呈逐年增大的趨勢[1]，但該地區蒸發量大、降水量少且大多采用大水漫灌、溝灌等傳統灌水方式進行灌溉，加劇了葡萄果園供水短缺的現象，因此農業節水灌溉尤為重要，而制定合理的灌水方案是關鍵。目前常用的節水灌溉方式有噴灌[2]、微灌[3]、滴灌[4]等，它們都是利用灌溉方式的調節作用，有效降低水資源浪費，保障農作物的用水需求，在一定程度上緩解了上述問題，而根區灌溉，可使水分直達作物根區供根系吸收利用，誘導根系深扎，提高作物抗旱能力，在該地區具有較好的應用前景。土壤水分狀況是影響葡萄生長的重要因子之一[5,6]，合理的灌水上限可以提高根系吸水能力，保障葡萄需水過程的合理、有效，唐雅瑩[7]等研究發現灌水上限為基質相對含水量的85%時，番茄莖粗、葉面積、植株干重、根冠比、壯苗指數以及根系活力等指標均最優；辣椒全生育期耗水量隨著灌水上限的增大而增加，控制灌水上限為70%田間持水量的灌溉制度為最佳[8]，由此可見灌水上限對作物的生長發育有重要影響。目前國內外提出的諸多節水灌溉（WSI）概念與方法[9-12]的研究主要集中在探究水分脅迫對葡萄生長的影響[13-17]，針對灌水上限[18]對葡萄生長影響的研究相對較少。本文擬從土壤水分分布、根系（孫三民[19,20]等研究結果表明根徑在1.5～2.0 mm 為主要吸水根，本文定義為根徑小于2 ㎜的根為吸水根）、產量和果形指數對根區灌溉下不同灌水上限的響應進行研究，探明適用于當地葡萄生產的最佳灌水方案，為新疆干旱區葡萄節水高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年4月1日至8月15日在新疆維吾爾自治區吐魯番市鄯善縣（90.31°N，42.91°E，海拔419 m）新疆維吾爾自治區瓜果研究所試驗基地內進行。試驗地屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，全年日照時數2 900～3 100 h，7月平均氣溫20.4～33.0 ℃，年平均降水量25.3 mm，年蒸發量2 751 mm以上，10 ℃以上有效積溫4 522.6～5 548.9 ℃，無霜期192～224 d，土壤質地為壤土，0～130m 土壤容重平均值為1.53 g/cm3，田間持水量為26%（體積含水率）。

1.2 試驗設計

試驗選取長勢相當的6年生無核白葡萄樹作為試驗用樹，大溝定植，東西走向，株距2 m，行距4 m。本次試驗為單因素控水試驗，試驗共設根區灌溉和地面溝灌兩種方式，其中根區灌溉設置3 個處理，地面溝灌為對照處理，共4 個處理，每個處理設置3 個重復，共12 棵葡萄樹，各處理灌水下限均為60%，灌水上限設定見表1，其他管理措施與當地農藝管理相同。根區灌溉技術在每顆葡萄樹下對稱布置4個灌水器，灌水器為直徑20 cm，深度40 cm 的頂部與底部密封不透水、側壁滲水的圓柱形結構，灌水器中心距樹干50 cm，田間布置示意圖如圖1所示。將葡萄生育期劃分為4 個時期，分別為新梢生長期（4月15日-5月10日）、開花期（5月11日-5月25日）、果實膨大期（5月26日-7月15日）和果實成熟期（7月16日-8月15日）。

表1 試驗設計方案Tab.1 Experimental design scheme

圖1 田間布置示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of field arrangement

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤水分

本試驗中，土壤體積含水率采用TDR 土壤剖面水分測量系統測定,每20 cm 一層，垂直向下測至100 cm 處，每5 d 測定一次，灌水后和每生育期始末加測一次。

1.3.2 根系指標

根系指標測定采用根鉆法進行取樣，以地面為基準垂直向下取樣，每隔20 cm 土層作為一個取樣深度，取至100 cm[21,22]，各生育期末進行1 次取樣，根系樣品采用EPSON Expression 2400 型掃描儀（EPSON，Japan）和WinRHIZOTRO圖像分析軟件（Regent Instrument Inc.,Canda）進行掃描和分析。基于各層根系的根長和表面積計算相應根長密度（RLD）和根表面積密度（RSAD），計算公式分別如下：

式中：Rd為根長密度，cm/cm3；RL為根長，cm；Rv為根鉆體積，cm3。

式中：RA為根表面積密度，cm2/cm3；Rs為根表面積cm2。

1.3.3 產量、果實形態

葡萄成熟季節，各處理單獨采收，用精度為0.01 g 電子稱，稱取各處理的葡萄產量；葡萄果實的縱、橫徑采用游標卡尺進行測定，并用果實的縱徑與橫徑的比值來描述葡萄果實的果形指數。

1.4 數據處理

試驗所得數據利用Excel 2020 進行處理和分析，采用Origin 2021 （OriginLab，USA）作圖，采用Spss （Statistical Product and Service Solutions，USA）進行差異性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤含水率垂向分布特點

不同處理各生育期的土壤水分分布規律如圖2所示，根區灌溉處理下土壤體積含水率均呈現隨土壤深度增大先增大后減小的趨勢，處理之間隨灌水上限的升高，灌水量增大，土壤體積含水率大小關系為T3＞T2＞T1，且各處理土壤體積含水率差異顯著；T1、T2 在新梢生長期80～100 cm 土層差異不顯著，是因為新梢生長期根系生長旺盛、需水量大，水分主要被0～80 cm 土層根系吸收；T3 處理相較于T2 處理，各生育期不同土層土壤體積含水率高1.25%～2.47%；T2 處理相較于T1 處理，各生育期不同土層土壤體積含水率高1.09%～4.82%；溝灌處理表現為隨深度增大，土壤體積含水率逐漸減小的變化規律，相較于根區灌溉處理，0～20 cm 表層土壤體積含水率差異顯著（p＜0.05），這是因為水分從地面下滲，水分集中于表層土壤。

圖2 不同處理各生育期土壤體積含水率Fig.2 Soil volumetric water content at different growth stages under different treatments

2.2 不同水分處理下葡萄各生育期吸水根系分布情況

2.2.1 各生育期不同土壤深度吸水根系根長密度分布規律

圖3為各處理在不同生育期不同土層深度的吸水根系根長密度（RLD）分布。由圖分析可知，根區灌溉處理下，吸水根系根長密度垂向分布規律基本一致，均呈現隨土層深度增大，根長密度先增大后減小的現象，這與鄭利劍等[20,23,24]根區灌溉方式下蘋果樹根長密度分布規律基本一致；T1、T2、T3 處理吸水根系主要分布在20～60 cm 的土層中，在不同生育期該范圍吸水根系根長密度分別占總吸水根系根長密度的73.92%～89.50%、78.71%～91.12%、79.58%～89.66%；不同的灌水上限對葡萄吸水根系生長產生顯著影響，T2、T3 處理在不同生育期的根長密度基本較T1 處理大，這是因為灌水上限高，根系生長所需的水分充足，更有利于根系生長；T2 處理較T3 處理根長密度在20～60 cm 土層中大，在60～100 cm 土層中要小，這是因為T3 處理20～60 cm 土層中土壤含水率高于土壤田間持水量，降低了土壤通透性，反而抑制了吸水根系的生長發育，但在60～100 cm 土層中含水率隨著深度的增加而減小，土壤水分含量更適宜吸水根系生長發育，使得T3 處理吸水根系根長密度大于T2 處理；CK 處理根長密度隨土層深度的增大而減小，吸水根系主要分布在0～60 cm 的土層中，不同生育期該土層范圍內吸水根系根長密度占總吸水根系根長密度的81.54%～84.62%，這是因為地面溝灌土壤水分主要分布在土壤表層，更利于表層吸水根系的生長；在40～100 cm 土層中，相同的灌水上限處理下，與CK 處理相比吸水根系根長密度T2＞CK，這是因為在相同的灌水上限時，根區灌溉中深層土壤中的水分高于溝灌處理，有利于提高中層土壤中的根系生長發育。

圖3 各處理不同生育期根長密度分布Fig.3 Distribution of root length density in different growth stages under different treatments

2.2.2 各生育期不同土壤深度吸水根系根表面積密度分布規律

土壤中的水分和養分均需通過根系表面吸收，才能夠被植株所利用，因此根表面積密度也是表征根系吸水能力強弱的重要指標[25]。圖4為各處理不同生育期不同土層深度的葡萄吸水根系根表面積密度（RSAD）分布情況。由圖對比分析可知，各處理不同生育期不同土層深度的吸水根系根表面積密度與根長密度分布規律相似；T1、T2、T3 處理分布規律基本一致，沿垂向呈先增大后減小的趨勢，而CK 處理土壤水分主要分布在表層土壤中，更有利于靠近土壤表層的根系生長，根表面積密度隨著土層深度增大而減小；根區灌溉下T1、T2、T3 處理的吸水根根系表面積密度集中分布在20～60 cm 土層中，其不同生育期在此范圍內的吸水根系根表面積密度分別占總根表面積密度的67.54%～78.52%、69.12%～82.32%、68.34%～81.93%；CK 處理吸水根系根表面積密度高值區主要分布在0～40 cm 土層，占吸水根系總根表面積密度的79.45%～83.32%；T1 處理相較于T2、T3 處理，因為土壤水分不充足，吸水根系根表面積密度較低；在相同灌水上下限的條件下，由于根區灌溉40～100 cm 土層中的土壤體積含水率高于溝灌處理，而根系的生長具有向水性，因此該范圍內土層中T2 處理的吸水根系根表面積密度大于CK處理。

圖4 各處理不同生育期根表面積密度分布Fig.4 Distribution of root surface area density at different growth stages under different treatments

2.2.3 吸水根系總根長密度和總根表面積密度分布規律

圖5 為不同處理各個生育期0～100 cm 土層內吸水根系總根長密度和總根表面積密度分布情況。從圖5可知，0～100 cm土層內吸水根系總根長密度和總根表面積密度隨生育期變化規律基本一致。結合表2對比分析可知，不同處理的開花期根系日平均生長旺盛，這是因為開花期葡萄地上植株部分需水量不高[26]，大量水分和養分供給根系；各個處理在果實膨大期根系生長速度逐漸減慢，這是因為此時期大量水分供給果實生長；果實成熟期根系又以較快速度生長，這是因為該時期果實并不需要更多的水分，水分再次供給給根系生長。

圖5 總根長密度和總根表面積密度分布Fig.5 Total root length density and total root surface area density distribution

表2 不同處理各生育期總根長密度和總根表面積密度平均增長率 %Tab.2 Growth rates of total root length density and total root surface area density at different growth stages under different treatments

2.3 不同水分處理下各生育期吸水根系分布函數方程

圖6 和圖7 為各生育期土壤體積含水率與根長密度和根表面積密度的關系，可以看出不同土壤體積含水率對根系生長發育產生顯著影響，各生育期根長密度和根表面積密度均呈現隨土壤體積含水率增大先增大后減小趨勢，由圖可知當土壤體積含水率在23.0%～24.2% 時，相當于田間持水量的88.46%～93.08%，各生育期根長密度和根表面積密度均較大，其Rd＞0.61 cm/cm3，RA＞0.005 8 cm2/cm3，但當土壤水分超過88.46%田間持水量時，增長速度減緩；在葡萄樹需水量相對較大的新梢生長期和果實膨大期，土壤水分在90.38%～94.23%田間持水量時，根長密度和根表面積密度達到最大值，而開花期和果實成熟期土壤水分在89.23%～91.92%田間持水量時，根長密度和根表面積密度最大；在根長密度和根表面積密度達到最大值之后，隨土壤體積含水率增大而減小，由此可見，較高灌水上限只會導致葡萄灌水量增加，并不會促進葡萄吸水根系的生長，將土壤水分控制在田間持水量的88.46%～93.08%范圍內時，對葡萄根系的生長發育最為有利，本試驗對應的為T2處理。

圖6 各生育期土壤體積含水率與根長密度的關系Fig.6 Relationship between soil volume moisture content and root length density at different growth stages

圖7 各生育期土壤體積含水率與根表面積密度的關系Fig.7 Relationship between soil volume moisture content and root surface density at each growth stage

2.4 不同水分處理對葡萄果形指數和產量的影響

不同水分處理會對葡萄的產量產生顯著的影響[27]。由表3可知，不同水分處理中，各處理產量差異顯著，T2 處理最高28 464.38 kg/hm2，與T1、T3、CK處理相比，T2增產率分別為12.62%、6.45%、15.74%，說明當灌水下限為60%時，灌水上限控制在田間持水量的90%最有利于葡萄高產。

表3 不同水分處理下葡萄果實形態和產量Tab.3 Grape shape index and yield under different water treatments

不同的灌水上限不僅影響葡萄產量，還會對葡萄果實形態產生影響[28,29]。對于果實縱、橫徑而言，最大值分別是T2處理的20.35 mm 和14.52 mm，且二者與其他處理的縱、橫徑均存在顯著差異（p＜0.05）。不同水分處理下，T2 與T3 處理果形指數均出現最大值為1.40，CK處理最小。

3 結論

通過研究不同灌水上限對葡萄土壤水分分布、吸水根系分布、產量及果形指數的影響，結論如下：

（1）根區灌溉處理下土壤體積含水率隨土壤深度的增大先增大后減小，土壤體積含水率呈T3＞T2＞T1 的規律，溝灌處理隨深度增大土壤體積含水率減小。

（2）根區灌溉方式下，吸水根系根長密度和根表面積密度隨土層深度增加均表現為先增大后減小的趨勢，吸水根系集中分布在20～60 cm 土層；而溝灌處理表現為隨土層深度增大而減小，吸水根系主要分布在0～40 cm 土層。表明采用根區灌溉的灌水方式較地面溝灌更有利于葡萄根系深扎，有利于提高葡萄樹的抗旱性。

（3）吸水根系根長密度和根表面積密度均隨土壤體積含水率增大先增大后減小，土壤水分為田間持水量的88.46%～93.08%時，各生育期根長密度和根表面積密度均較大；土壤水分在超過田間持水量的88.46%時，吸水根系生長緩慢或抑制生長。由此可見，較高灌水上限，只會導致葡萄灌水量增加，并不會促進葡萄吸水根系的生長。

（4）相同的灌水上限處理，T2 處理比CK 處理灌水量低21.84%，但產量顯著提高18.68%，說明根區灌溉方法是一種更適用于該地區的節水、高產的灌水方案。綜合考慮葡萄根系的生長、產量和果實形態，根區灌溉處理下，灌水上限為90%田間持水量是最優水分處理。