水肥耦合對葡萄土壤環境及品質的影響

李青青，張 芮，高彥婷，王旺田，李鴻雁

（1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

葡萄是我國主要水果之一，深受人們的喜愛，其用途廣泛，具有很高的社會經濟效益和豐富的營養價值，除此之外還具有較高的醫藥價值[1-2]。葡萄在我國的栽培歷史已有2 000 多年，國外已有一系列的設施葡萄栽培技術，而國內設施葡萄栽培相關研究在栽培結構、面積及栽培技術等方面尚不完善，國內設施葡萄栽培方式主要有促早栽培、延遲栽培、避雨栽培[3-4]。

水和肥料是影響作物生長發育的兩個重要因子，兩者之間相互制約、相互影響。水肥相互制約結果是水肥耦合效應（couple effect of water and fertility）[5]。水是發揮肥效的關鍵，而肥料則是提高土壤和土壤系統生產效率的關鍵，合理的水肥耦合可以達到以水調肥、以肥控水的效果[6-7]。利用滴灌方式，將肥料隨灌溉水供給作物，以水促肥，有利于改善土壤中養分的運移，從而提高植物根系對養分的充分吸收與傳統施肥方法相比可以顯著提高肥料的利用效率[8]。王連君等[9]研究發現，水肥耦合的增產效應存在一個臨界值，在臨界值以下，增加水和肥料的用量，可以明顯增加作物的產量；當水和肥料的水平高于臨界值時，其增產效果并不明顯，反而對作物增產效果有不利的影響，并且嚴重浪費水和肥料。土壤水分與肥料之間的相互作用有3 種效應，分別為協同效應、疊加效應和拮抗效應[10]。水肥耦合也被引入葡萄栽培中提高種植效益。

目前，國內外就水肥耦合作用對作物產量、品質和水肥利用率的影響已有廣泛研究。王海藝等[11]研究結果表明，植物吸收和運轉養分主要依賴于土壤水分，同時化肥用量又受到一定的限制。史星雲等[12]研究結果顯示，在滴灌條件下，水肥協同對釀酒葡萄新梢生長和發育、果實形態及葡萄品質等有顯著的影響，對生長發育和品質呈現先升高后降低的趨勢。水肥耦合交互變換能夠引起土壤養分濃度的變化，并且對植株根系吸水能力也有一定的影響，因而植株凈光合速率呈現波浪形的變化趨勢[13]。曹毅等[14]研究表明，水肥耦合對葡萄產量和品質具有極其顯著的影響，并且灌溉水量對葡萄產量的影響更加明顯。在一定范圍內，葡萄產量和灌溉水利用效率隨著水和肥料的供給呈現出先增后減的趨勢。

水肥耦合技術是我國節約型可持續農業發展的重要途徑之一，特別是在我國干旱和半干旱地區，發揮著越來越大的積極作用，并且具有較大的推廣空間。前人對作物水肥耦合的研究主要集中在對玉米、馬鈴薯和水稻等大田作物和部分蔬菜作物的生長發育、產量及品質影響上，而對葡萄土壤環境、水肥利用效率和品質影響的研究涉及較少，尤其缺少對設施葡萄栽培條件下的相關研究，因此，為了探索水肥耦合在生產上的優勢，重點探討水肥耦合對葡萄生長的土壤環境及品質的影響，為葡萄節水節肥和優質生產提供理論依據。

1 水肥耦合對葡萄土壤環境的影響

1.1 土壤水熱特性

水分是葡萄產量和品質形成的決定性因素[15]。不同生長期的葡萄對水分的需求有所不同。在整個生育期，水分通過蒸發、蒸騰和入滲等過程，在空間和時間上發生一系列的變化，土壤中的水分多少以土壤含水率的形式表現。翟春華[16]指出，含水率60%～70%（20～40 cm）的松軟肥沃土壤最適合葡萄根系的生長，過高或過低都不利于葡萄根系的正常生長。當土壤含水率<40%（20～40 cm）時，葡萄的生長速度較慢或停滯；當含水率>80%（20～40 cm）時，根系因缺氧而漚根，容易腐爛。

何建斌[17]研究表明，在葡萄處于營養生長生育期，土壤含水率的降低速度是緩慢的，但隨著生育期的延長，含水率的降低速度會顯著增加，因此，在葡萄的整個生長發育過程中，不同生育期內合理、有選擇地灌溉，可以使作物達到高產優質的目的。溫越等[18]研究表明，灌溉是影響作物在不同生長階段耗水量和耗水強度的主要因素。有研究表明，在葡萄全生育期耗水最多的生育期是漿果生長期，耗水最少的是花期；從耗水強度來看，耗水強度最大的生育期是漿果成熟期，耗水強度最弱的是枝蔓成熟期。綜合考慮，葡萄的漿果生長期和成熟期需水量最大，需要充分灌溉，以保證葡萄正常生長[19-20]。水肥耦合能夠促進水分的轉化利用，提高葡萄的水分利用效率。

灌溉是設施葡萄生長發育階段重要的補水手段，不同的灌溉方式對一定時間內土壤含水率的影響不同，同時對葡萄產量及品質有不同的影響。在國內，滴灌在葡萄栽培中的應用已有大量文獻報道[21]。國內外已有研究表明，滴灌是節水型灌溉技術，對提高葡萄產量、品質具有重要意義，是改善葡萄品質的有效途徑[22-23]。灌溉水量和灌溉方式對葡萄生長均有影響，灌溉水量間接地通過影響葡萄植株對土壤中營養物質的吸收進而影響葡萄產量，水肥耦合調控條件下，在一定的施肥量水平下，提高灌溉水量可以提高葡萄產量。

溫度是解除落葉果樹芽休眠的關鍵環境因子[24]。土壤溫度不但對植株初期芽的萌發、幼苗生長及中期階段的開花結果有影響，而且對作物根系的水分運輸和養分吸收也有重要的意義，水分和養分對果樹的生長、品質及產量具有顯著的影響，因此，土壤溫度也會影響作物產量和品質。葡萄萌芽必須滿足一定的需熱量和需冷量，對土壤的有效積溫要求較高[25-26]。地溫對葡萄的生長起著至關重要的作用，在20～30 cm土層的土壤溫度超過7 °C 時，葡萄的根系就會活躍起來；當土壤溫度為12～14 °C（20～40 cm）時，根系開始吸收水分和養分，并進入生長期；土壤溫度為20～24 °C（20～40 cm）時根系的生長環境最好[27]。土壤溫度在7 °C 以下時，根系停止生長，25 °C 以上時根系的生長會被抑制，超過28 °C 時根系的生長停滯或逐漸死亡。

土壤溫度與土壤水分具有交互作用，有研究表明，膜下滴灌的交互作用比噴灌更加顯著，水肥一體化滴灌條件下，灌溉水量越大土壤有效積溫越小，較大的灌溉水量能夠有效的控制地溫的變幅[28]。灌溉水量對地溫有顯著的影響，土壤含水量與施肥量有密切的關系，在保證施肥量相同的情況下，灌溉水量與作物生長各個土層的土壤溫度呈現顯著的負相關關系[29]。適宜的土壤溫度是葡萄生長發育良好的必要條件，因而通過水肥耦合控制土壤溫度是必要的。

1.2 土壤養分

葡萄雖然是藤本植物，但是它的根系較發達，枝蔓多、葉片較大，生長較旺盛，果實產量高，而且壽命較長，因此，生長發育過程中需要更多的養分來保證葡萄正常生長。葡萄生長發育過程中需要從土壤中獲取多種元素來調節自身的生長，保障土壤肥力是作物正常生長的關鍵。葡萄生長所需元素有氮、磷、鉀，以及微量元素鐵、硼、鎂、鋅、鉬、銅等，雖然作物對氮、磷、鉀的需求最高，但也不能忽略微量元素的施用[30-31]。肥料是葡萄生長所需養分的重要保障，合理有效地施肥能夠促進土壤肥力的發展、保障生態環境的平衡。

1.2.1 氮、磷、鉀

氮、磷、鉀是作物營養來源不可缺少的重要組成部分，謝海霞[1]研究表明，在一定的施肥水平下，氮、磷、鉀肥對葡萄產量有明顯的提高作用，氮肥的增產效果則最為明顯，鉀肥次之，磷肥的增產效果最不顯著。研究表明，葡萄從發芽到開花階段，滴灌條件下對氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥的追施比為1.00∶0.26∶0.12；果在實生長期追施N、P2O5、K2O 的比例為1.00∶1.54∶1.97 時，對葡萄的增產效果最明顯，氮、磷、鉀肥的最佳施肥配比為N∶P2O5∶K2O=1∶0.39∶0.98[32]。

利用水肥耦合技術進行肥料的追施，能夠顯著地提高肥料的利用效率，當季氮、磷、鉀肥利用率可以提高70%～80%、40%～50%、80%～90%[33]。但是與其他國家相比較，我國的水肥協同技術水平相對較低，水肥一體化灌溉施肥條件下的氮、磷、鉀肥利用率分別為60%、40%和70%[34]。

1.2.2 微量元素

微量元素的攝入是植物生長發育過程中一個關鍵的環節，對其產量、品質等有顯著的影響，盡管植物對微量元素需求較低，但在植物生長發育過程中卻是不可或缺的一部分。研究表明，在葡萄植株葉面噴灑微量元素能夠顯著改善葡萄樹體的營養，同時能夠起到提高葡萄品質的作用[35-37]。葉面噴灑氨基酸能夠提高葉片的葉綠素含量，增強葡萄葉面的凈光合速率，改善果實品質，明顯提高1 年生枝條的成熟度，增加貯藏營養[38]。史祥賓等[39]研究發現，葡萄葉面噴灑氨基酸肥和微量元素能夠顯著提高成熟期果實的氮、鉀、鎂、鐵、鋅、銅和鉬等的含量，提高葡萄果實中礦質元素含量，同時提高了其營養價值。VYSTAVNA Y 等[40]和HOPFER H 等[41]的研究表明，在劣質種植區，在土壤中增施中量元素（Ca、Mg、S），釀制葡萄產量能夠明顯增加，同時能夠提高其品質。張磊等[42]研究認為，將鋅肥和氮、磷、鉀配合施用，可以提高單粒葡萄質量，糖酸比也有所增加，同時還有利于品質的改善。適時、適量地增施微量元素肥料，可以防治病蟲害。土壤微量元素含量與果實中相應元素的含量有明顯的正相關關系，這符合植物對養分的吸收特征[43]。

吳壽華[44]研究表明，采用水肥耦合技術，能夠顯著地改善葡萄種植土壤有機質含量，降低植株根區土壤堿解氮和有效鉀殘留量，并且能夠有效地改善土壤的酸堿度，緩解根區土壤的酸化程度。此外，還可以增加葡萄葉片中全氮、全磷和全鉀的含量，同時增加葡萄葉片的質量，這說明水肥一體化技術有利于葡萄葉片的發育，促進營養物質的累積，這與植物根系對養分的吸收有密切關系。

葡萄生長發育、品質和產量形成的物質基礎是礦質營養元素，然而葡萄對礦質營養元素的獲取途徑主要是土壤，因此合理、科學地施肥是保證葡萄正常生長的重要措施。施肥方式對葡萄生長也有一定的影響，為了提高肥料利用效率，減少不必要的損失，選擇最適宜的施肥方式，按照最合理的追施比例進行施肥，是提高肥料利用率的主要措施，可提高葡萄產量，改善葡萄品質。

1.3 土壤酶活性

土壤酶是植物的生物活性庫，它在土壤中營養物質的生物化學循環、有機質和礦物質的轉換等方面起著重要作用，土壤酶與土壤中水分狀況、施肥制度、物理化學因素、微生物及其他的農業措施等有密切的關系[45-46]。研究表明，土壤中的脲酶、蔗糖酶和磷酸酶能夠促進土壤中主要養分的循環利用[47]。在噴灌條件下，利用水肥耦合技術對葡萄葉面噴施鈣肥可以顯著提高根區土層不同深度的土壤酶活性，土壤脲酶、土壤酸性磷酸酶、土壤蔗糖酶等的活性提高更加顯著，酶活性隨著土層深度的增加而降低，土壤蔗糖酶活性則呈相反的趨勢[48]。楊昌鈺等[49]研究表明，水分不足對葡萄生長期根際土壤中過氧化氫酶的影響不大，但輕度和中度水分虧缺對葡萄果實膨大期和著色期根區土壤中蔗糖酶和脲酶有一定程度的抑制作用。水肥耦合能夠提高葡萄根際土壤酶的活性，并使土壤中的養分礦化，將有利于植物的吸收，進而在一定程度上提高葡萄的生長發育，在此方面有關葡萄的研究較少，是今后研究的重點。

2 水肥耦合對葡萄品質的影響

品質是衡量作物種植效果的一個主要因素，而合理的灌水和有效地施肥可以改善作物的品質，侯裕生等[50]、曹毅等[14]研究發現，水肥對葡萄品質存在顯著的交互作用。

2.1 外觀品質

果實的外觀品質直接影響到其商品化程度，而果實的大小和形狀指數則是影響其外觀品質的主要因素[51]。葡萄粒徑大小作為葡萄的表觀品質，是衡量葡萄質量的重要指標之一，張超等[52]、黃英等[53]研究表明，水肥耦合作用對葡萄的粒徑和果實形態有顯著的影響，適當的水分虧缺和適當的肥料用量可以提高葡萄的單粒質量，葡萄果粒的縱徑、橫徑生長動態呈現先快速增長后逐漸平緩的趨勢，灌溉水量和施氮量對葡萄外觀品質均具有極顯著影響。何振嘉等[54]、張超等[52]研究發現，適宜的水肥施用量對果粒生長有更好的促進作用。

2.2 營養品質

衡量葡萄營養品質的指標有可溶性固形物、維生素C、花色苷、可滴定酸含量等。

營養品質是鮮食葡萄最重要的商品品質。研究表明，通過水肥結合，可以減弱因灌溉水量過大而不利于葡萄糖分的積累，因而在水分充足、可溶性固形物含量高的情況下，適當的水分虧缺和施肥都能提高其各項養分指標[9]。黃英等[53]的研究結果顯示，水分脅迫達到一定程度后，糖酸比逐漸降低，當肥料用量達到一定程度后，可溶性固形物、維生素C 和花色苷含量也表現出逐漸降低的趨勢。此外，灌溉水量對可滴定酸（以酒石酸計）和維生素C 的影響較大，而灌溉水量和施肥量對花色苷的含量均有極其顯著的影響。

葡萄的品質優劣主要體現在可溶性固形物、可溶性糖含量、可滴定酸含量及葡萄果實硬度等指標，合理的施肥量和灌溉水量對改善葡萄品質較為理想。水肥施用量過高或過低對葡萄品質都有不利影響，因此在高產和優質的條件下選擇最優的灌溉水量和施肥量。張超等[52]研究表明，綜合考慮葡萄生長發育、產量和品質，最優的水肥耦合模式為灌溉水量9 150 m3/hm2、施氮量450 kg/hm2，既能實現高產優質，又提高了水和肥料利用效率。

3 結束語

水肥耦合能夠促進土壤中水分的轉化和利用，提高水分利用效率，也可以顯著地提高土壤中氮、磷、鉀肥的利用率，改善土壤性質，提高產量，同時利用水肥一體化，噴施微量元素能夠達到高產優質的目的。水肥耦合還能夠提高葡萄根區土壤酶的活性，影響葡萄的生長，進而提高葡萄產量。灌溉水量過大，或者施肥量過高不利于葡萄品質的提高，同時水肥利用效率也會降低，合理的水肥用量能夠使葡萄具有外表優異、富含營養價值的特點，從而改善葡萄品質。綜合得出，水肥耦合對葡萄水熱條件、土壤養分、土壤酶活性及品質有顯著的影響。