滴灌量和有機(jī)無機(jī)肥等氮配施對(duì)葡萄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

常宏達(dá)，呂德生，王振華，朱 艷，李海強(qiáng)，李詩(shī)瑩

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000; 2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

2014年至今，我國(guó)葡萄種植面積位居世界第二，產(chǎn)量穩(wěn)據(jù)世界第一[1]。新疆作為我國(guó)最大的葡萄種植區(qū)，占全國(guó)種植面積的19%，總產(chǎn)量的24%。吐哈地區(qū)光熱資源豐富，晝夜溫差大，占新疆葡萄種植面積的28.4%，總產(chǎn)量的40%[2]，是我國(guó)著名的葡萄生產(chǎn)基地[1]。水肥利用效率低下一直是制約新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要原因。自1974年我國(guó)引入滴灌技術(shù)，我國(guó)滴灌技術(shù)理論的發(fā)展有巨大的提高，滴灌技術(shù)體系也在不斷完善[3]。滴灌技術(shù)在節(jié)水的同時(shí)，將水分均勻地施加在作物根系周圍，為作物提供充足的水分與肥料。因此，新疆滴灌葡萄的種植模式，使得葡萄種植在節(jié)水的同時(shí)獲得增產(chǎn)的效果[4]。

無機(jī)肥中含有大量作物生長(zhǎng)發(fā)育必須的營(yíng)養(yǎng)元素，能有效提高作物產(chǎn)量[5]，但20世紀(jì)80年代至今，我國(guó)無機(jī)肥使用量增加325.8%，而耕地面積僅增加53.0%[2]。過度使用無機(jī)肥造成的水污染、土壤板結(jié)以及土壤酸化等現(xiàn)象日益嚴(yán)重[6]。有機(jī)肥中富含大量有機(jī)質(zhì)，能防止土壤被侵蝕，改良土壤結(jié)構(gòu)，保持土壤溫度，增大土壤微生物和酶的活性，降解重金屬含量[7]，除了必要的氮磷鉀元素外，還富含各種微量元素[8]，對(duì)于作物的生長(zhǎng)發(fā)育、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有良好的效果。但同時(shí)，有機(jī)肥也存在著養(yǎng)分含量較低，肥效發(fā)揮較慢，必須大量施加的缺陷[9]。因此，結(jié)合無機(jī)肥高效性和有機(jī)肥長(zhǎng)效性[10-11]，確定合理配比施用有機(jī)肥和無機(jī)肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展研究熱點(diǎn)。

2019年新疆無機(jī)肥使用量高達(dá)254萬噸，而有機(jī)肥僅有59萬噸[2]，一是無機(jī)肥施用方便，耗費(fèi)人力較少，二是缺乏合理的灌溉施肥制度，無法合理施用有機(jī)肥。國(guó)內(nèi)對(duì)有機(jī)肥配施的研究雖多，但針對(duì)其對(duì)吐哈盆地?zé)o核白葡萄生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)的影響鮮有研究，極端干旱地區(qū)有機(jī)肥使用效果尚不明確。因此本研究以提高新疆吐哈盆地滴灌葡萄的水肥利用效率為目標(biāo)，通過水肥雙因素耦合試驗(yàn)探究適合于吐哈盆地葡萄的有機(jī)無機(jī)配施比例，旨在為建立高效高產(chǎn)的水肥灌溉制度、促進(jìn)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年4月至2020年10月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十三師哈密墾區(qū)灌溉試驗(yàn)站(北緯42°41′57″，東經(jīng)93°37′22″)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)的最東端，全年干燥少雨，晝夜溫差大，年平均氣溫9.8℃，年平均降水量?jī)H33.8 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)3 300 mm，年均日照時(shí)間3 358 h，全年太陽(yáng)總輻射量6 397.35 MJ·m-2，≥10℃積溫4 058.3℃，無霜期182 d，年平均風(fēng)速2.3～4.9 m·s-1，盛行偏東風(fēng)。地下水埋深大于8.0 m，灌溉水源采用地下井水。試驗(yàn)地各小區(qū)長(zhǎng)46.0 m，寬7 m，株距1 m，行間距5 m，滴灌帶鋪設(shè)模式為一行三管。

哈密地處新疆東北部，屬極端干旱地區(qū)，2020年全生育期總降水量?jī)H16.1 mm，主要集中在6—8月，故作物生長(zhǎng)發(fā)育主要依靠灌溉水。由圖1可知，在全生育期，無核白葡萄的參考作物蒸發(fā)蒸騰量表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。而在全生育期動(dòng)態(tài)變化過程中，參考作物蒸發(fā)蒸騰量在生育期前有較多的峰值，主要在5月10日—7月20日，這是由于當(dāng)?shù)卦?月10日—7月15日間有較多的大風(fēng)天氣，峰值的出現(xiàn)并無明顯規(guī)律。且4月20日至8月20日間，當(dāng)?shù)貧鉁赜忻黠@的上升，平均氣溫為26.43℃，日平均氣溫最高達(dá)到32.06℃。

圖1 試驗(yàn)地溫度、風(fēng)速及降雨量Fig.1 Temperature, wind speed and rainfall in the test area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十三師哈密墾區(qū)灌溉試驗(yàn)站內(nèi)17 a(2003年定植)成齡無核白葡萄樹為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)設(shè)置630、675、720 mm和765 mm 4個(gè)灌水水平。依照等氮替換原則，以100%CF為對(duì)照(CK)，設(shè)置3種有機(jī)化肥(OF)和無機(jī)化肥(CF)配施方案：F1(70%OF+30%CF)、F2(50%OF+50%CF)、F3(30%OF+70%CF)。試驗(yàn)采用完全組合設(shè)計(jì)，共16個(gè)小區(qū)。有機(jī)肥選用當(dāng)?shù)爻Ｓ盟苄杂袡C(jī)肥黃腐酸鉀(其中N=2.32%，P2O5=1.10%，K2O=0.97%，由于磷鉀含量過低，故不納入計(jì)算，由無機(jī)肥補(bǔ)齊)；無機(jī)肥分別選用尿素(N=46.4%)、硫酸鉀(K2O=57%)、磷酸氫二銨(P2O5=60.5%)，各無機(jī)肥以N∶K2O∶P2O5為2∶1∶2比例施加。灌水及施肥設(shè)計(jì)方案見表1。全生育期共計(jì)灌水20次，施肥10次，共計(jì)163 d，具體施肥時(shí)間見表2。

表1 各處理灌水和施肥情況Table 1 Water and fertilization of different treatments

表2 灌水及施肥時(shí)間Table2 Irrigation and fertilization time design

每次灌水前后，在距葡萄根部20 cm處選取3個(gè)樣方，使用土鉆采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80 cm土層土壤樣品，使用烘干法測(cè)定土壤含水率。在漿果成熟期末，每個(gè)處理隨機(jī)選取5棵植株進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定，同時(shí)采取葡萄鮮樣進(jìn)行品質(zhì)測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葡萄產(chǎn)量與品質(zhì) 在漿果成熟期末，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選定5棵葡萄樹進(jìn)行采摘稱重，取平均值；每棵隨機(jī)選取10串葡萄稱重，取平均值；從每串葡萄上、中、下3個(gè)部位摘取果實(shí)，共計(jì)100顆，稱重后取平均值。

可溶性固形物含量采用日本ATAGO公司生產(chǎn)的手持?jǐn)?shù)顯折射儀PAL-1測(cè)定[12]；可滴定酸含量采用酸堿滴定法測(cè)定[13]；Vc含量采用分光光度法測(cè)定[14]；還原性糖含量采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[15]。

1.3.2 灌溉水分利用效率 灌溉水分利用效率(IWUE，kg·m-3)的計(jì)算公式[16]：

IWUE=Y/I

(1)

式中，Y為各處理無核白葡萄產(chǎn)量(kg·hm-3)，I為各處理全生育期灌水量(m3·hm-2)。

1.3.3 作物耗水量 作物耗水量(ET, mm)的計(jì)算公式[17]：

ET=P+I+U-D-R-ΔW

(2)

式中，ET為作物生育期內(nèi)的耗水量(mm)，P為有效降水量(mm)，U為地下水補(bǔ)給量(mm)，D為地下滲漏量(mm)，R為地表徑流量(mm)，ΔW為0～80 cm土層含水量的變化(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，SPSS 22.0進(jìn)行方差分析，Origin 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌量與有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)灌溉水分利用效率(IWUE)及作物耗水量(ET)的影響

由表3可以看出，灌水因素(W)、施肥因素(F)及水肥耦合(W×F)均對(duì)葡萄IWUE的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。在同一施肥水平下，隨著灌水水平的增大，IWUE呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在W3灌水水平下達(dá)到最大，分別比W1、W2和W4灌水水平提高5.81%～23.78%、1.51%～6.58%及3.87%～11.13%(圖2)。在W2、W3和W4灌水水平下，相比CK施肥水平，配施有機(jī)肥處理IWUE提高8.34%～26.37%，且F2處理與F1、F3和CK施肥水平間均有顯著差異(P<0.05)。而在W1灌水水平下，F(xiàn)1、F3和CK施肥水平間無顯著差異(P>0.05)。

表3 滴灌量與有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)灌溉水分利用效率(IWUE)的雙因素方差分析(F值檢驗(yàn))Table 3 Two-factor analysis of variance for IWUE of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application (F value test)

注：不同字母表示同一灌水水平下施肥處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters in the same irrigation level indicate significant different (P<0.05) among fertilization treatments.圖2 滴灌量與有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)葡萄灌溉水利用效率的影響Fig.2 Effect of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application on the grape irrigation water use efficiency

灌水因素對(duì)葡萄各生育期耗水量及總耗水量影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，而施肥因素對(duì)萌芽期無顯著性影響(表4)。隨著生育期的推進(jìn)，葡萄ET呈現(xiàn)先增大后減小、再增大再減小的趨勢(shì)，并在漿果生長(zhǎng)期達(dá)到最大值。在同一施肥水平下，同一生育期內(nèi)，隨著灌水量的增加，ET逐漸增加。以漿果生長(zhǎng)期為例，W4的ET分別比W1、W2和W3提高13.84%～18.69%，3.52%～6.01%和1.58%～2.97%。在同一灌水水平下，同一生育期內(nèi)，隨著有機(jī)肥含量的增加，ET逐漸增大。同樣以漿果生長(zhǎng)期為例，與CK相比，F(xiàn)1、F2和F3的ET分別提高6.98%～10.02%，2.20%～8.09%和1.11%～3.82%。

表4 滴灌量與有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)不同生育期滴灌葡萄耗水量(ET)的影響/mmTable 4 Effect of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application on water consumption of grape at different growth stages

2.2 滴灌量與有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)葡萄產(chǎn)量的影響

由表5可見，灌水因素(W)、施肥因素(F)及水肥耦合(W×F)均對(duì)葡萄產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。在同一施肥水平下，隨著灌水水平的增大，葡萄總產(chǎn)量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在W3灌水水平下達(dá)到最大，分別比W1、W2和W4灌水水平提高20.93%～41.48%、8.28%～13.69%及0.26%～4.60%。在同一灌水水平下，相比單施無機(jī)肥，有機(jī)肥和無機(jī)肥3種配施分別提高10.16%～16.25%、6.71%～26.38%及8.33%～13.75%。

灌水和施肥因素對(duì)葡萄單串重和百粒重的影響見表5。灌水因素、施肥因素及水肥耦合均對(duì)葡萄單串重和百粒重的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。葡萄單串重和百粒重均在W3F2處理達(dá)到最大，W1CK處理均最低。在同一施肥水平下，隨著灌水水平的增大，葡萄單串重呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在W3灌水水平下達(dá)到最大，分別比W1、W2和W4灌水水平提高23.43%～37.71%、13.23%～15.01%及0.35%～0.48%；葡萄百粒重呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在W3灌水水平下達(dá)到最大，分別比W1、W2和W4灌水水平提高90.07%～142.94%、29.46%～60.97%及1.13%～21.47%。在同一灌水水平下，葡萄單串重和百粒重，F(xiàn)1、F2和F3施肥水平相比單施CK施肥水平分別提高11.44%～25.45%和18.36%～44.78%，20.31%～33.39%和15.60%～47.76%，4.69%～18.18%和13.47%～42.91%。

表5 滴灌量與有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)葡萄產(chǎn)量的影響Table 5 Effect of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application on the grape yield

2.3 滴灌量與有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)葡萄品質(zhì)的影響

灌水因素對(duì)可溶性固形物、可滴定酸和維生素C含量的影響均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，施肥因素對(duì)可溶性固形物含量的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05，表6)。W4F2處理葡萄可溶性固形物和維生素C含量最高；W4CK處理葡萄可滴定酸含量最高；W3F2處理葡萄還原性糖含量最高。W1CK處理葡萄可溶性固形物、維生素C和還原性糖含量均最低；W1F2處理葡萄可滴定酸含量最低。

表6 滴灌量與有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)葡萄品質(zhì)的影響Table 6 Effect of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application on the grape quality

在同一施肥水平下，葡萄可溶性固形物、可滴定酸和維生素C呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，W4達(dá)到最大含量，分別比W1、W2和W3增加14.96%～20.27%、12.34%～26.92%和15.86%～41.71%，9.05%～18.00%、0.62%～11.76%和3.73%～23.69%，3.18%～7.77%、1.69%～2.87%和0.11%～4.89%；葡萄還原性糖含量隨著灌溉水平的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在W3灌水水平可溶性固形物含量達(dá)到最大，分別比W1、W2和W4灌水水平提高15.52%～23.67%、0.57%～13.86%及0.08%～1.58%。

在同一灌水水平下，相比單施無機(jī)肥，F(xiàn)1、F2和F3施肥水平可溶性固形物、維生素C和還原性糖含量分別提高2.25%～8.72%、3.21%～21.58%和20.49%～32.94%，4.49%～27.80%、18.88%～25.95%和28.57%～40.59%，10.48%～18.34%、11.06%～18.11%和15.53%～28.41%；可滴定酸含量分別降低1.24%～8.84%、2.90%～22.96%及1.69%～12.19%。

3 討 論

在新疆蒸發(fā)量大且少雨的氣候條件下，葡萄作為高耗水作物，IWUE的測(cè)定對(duì)于研究葡萄水肥調(diào)控的效果有著重要意義[16,18-19]。本試驗(yàn)得出，從灌水角度，隨著灌溉水平增大，葡萄IWUE表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，過高的灌水導(dǎo)致其降低。從施肥角度，相比CK施肥水平，有機(jī)肥和無機(jī)肥3種施肥水平均能顯著提高葡萄的IWUE；其中F2施肥水平比F1和F3施肥水平分別提高8.11%～11.33%和7.19%～14.68%。這與劉星等[20]研究結(jié)果不同?？赡苁怯捎谛陆貐^(qū)降雨稀少，蒸發(fā)量大，且試驗(yàn)區(qū)域土壤以沙壤土為主，導(dǎo)致低灌水水平下灌溉水被植物利用較少，IWUE較低。

作物耗水規(guī)律是地區(qū)水利資源規(guī)劃、灌排工程規(guī)劃及設(shè)計(jì)和農(nóng)田灌排工程運(yùn)行管理的基本依據(jù), 在地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中占據(jù)重要地位[21]。本研究結(jié)果表明，葡萄ET在漿果生長(zhǎng)期達(dá)到最大，在花期達(dá)到最小。這與侯裕生等[21]的研究結(jié)果相同。這是由于漿果生長(zhǎng)期是葡萄發(fā)育結(jié)果的最關(guān)鍵時(shí)期，需要大量的水分和養(yǎng)分。而在同一灌水水平下，葡萄ET隨著有機(jī)肥配施比例的增多而逐漸增大。這可能是因?yàn)橛袡C(jī)肥能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤透氣性，增加了土壤水分蒸發(fā)[22―24]，使得作物生育期耗水量(ET)增大。而由于試驗(yàn)站土壤以沙壤土為主，本身土壤透氣性較好，所以ET變化較小。

現(xiàn)代化的灌溉制度，要求適量的水分和合理的肥料配比及配施[12,25-26]。本試驗(yàn)中，從灌水角度，隨著灌水量的增大，無核白葡萄產(chǎn)量、單串重及百粒重均表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，而過多的灌水不利于葡萄產(chǎn)量的提高。這可能是由于過多的灌水抑制作物生長(zhǎng)，延長(zhǎng)成熟進(jìn)程。從施肥角度，F(xiàn)1、F2和F3施肥水平總產(chǎn)量、單串重和百粒重均顯著高于CK施肥水平，表現(xiàn)為F2>F1>F3>CK。分析原因可能是有機(jī)肥和無機(jī)肥的配施中，大量的有機(jī)質(zhì)減少氮肥的固定，使得氮肥隨水的質(zhì)流運(yùn)動(dòng)效率更高，更容易被吸收，提高了養(yǎng)分的利用率[27-28]；滴灌模式將水分集中在植物周圍，為植物根系提供良好的水分環(huán)境，促使根系發(fā)育，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[29]。而過多的有機(jī)肥反而抑制土壤中有效養(yǎng)分的作用，使其作用較慢，從而對(duì)作物的吸收產(chǎn)生一定抑制效果，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

葡萄品質(zhì)是衡量作物營(yíng)養(yǎng)、確定其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要指標(biāo)[30-32]，合理的灌溉制度在影響葡萄生長(zhǎng)的同時(shí)，也能顯著提高葡萄各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)，達(dá)到營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的提高[33-34]。本研究表明，從灌溉角度，隨著灌水水平的增加，可溶性固形物、可滴定酸和維生素C含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，而還原性糖表現(xiàn)為先增大后減小。這可能是由于過高的灌水對(duì)還原性糖有一定的稀釋作用，從而導(dǎo)致葡萄品質(zhì)下降[35]。施用有機(jī)肥能夠顯著提高葡萄品質(zhì)[36]，而配施有機(jī)肥不僅能夠影響作物產(chǎn)量構(gòu)成要素，提升作物質(zhì)量[37]，還能提高作物品質(zhì)。本試驗(yàn)表明，從施肥角度而言，F(xiàn)2施肥水平的可溶性固形物含量比F1和F3施肥水平分別提高11.14%～17.42%和3.62%～10.81%，還原性糖含量比F1和F3施肥水平分別提高4.56%～7.11%及7.23%～18.31%，維生素C含量比F1和F3施肥水平分別提高1.24%～7.51%及5.38%～8.19%。這和左達(dá)等[37]研究類似，說明合理的有機(jī)肥和無機(jī)肥配施改善了土壤環(huán)境，提高養(yǎng)分吸收利用[38]，保障植株生理功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)葡萄品質(zhì)有一定的提高。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究了不同灌水量和有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)極端干旱區(qū)無核白葡萄的產(chǎn)量、灌溉水分利用效率、耗水量及品質(zhì)的影響，得出以下結(jié)論：

1)隨著灌水量的增大，灌溉水分利用效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；不同配比有機(jī)肥中，F(xiàn)2處理的灌溉水分利用效率比F1、F3分別提高9.74%和10.38%。不同生育期內(nèi)葡萄耗水量表現(xiàn)為先增后減再增再減的趨勢(shì)，其中漿果生長(zhǎng)期是葡萄需水最大的生育期。隨著灌水量的增大，ET表現(xiàn)為逐漸增大；隨著有機(jī)肥配比比例的增大，ET逐漸增大。

2)無核白葡萄產(chǎn)量和還原性糖隨灌水水平的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，可溶性固形物、可滴定酸和維生素C呈現(xiàn)逐漸增大的規(guī)律；有機(jī)肥和無機(jī)肥配比3種施肥水平較單施無機(jī)肥施肥水平均可增加葡萄產(chǎn)量、可溶性固形物、維生素C和還原性糖含量，但降低了可滴定酸含量。

3)綜合考慮作物產(chǎn)量、灌溉水分利用效率、作物耗水量及品質(zhì)，研究認(rèn)為W3F2處理，灌溉定額720 mm，有機(jī)肥50%+無機(jī)肥50%(N 150 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，KCl 300 kg·hm-2)是適合吐哈盆地滴灌無核白葡萄的灌溉施肥制度。