極端干旱區葡萄水肥協同效應

張 超,白云崗,鄭 明,肖 軍,丁 平

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院,烏魯木齊 830052;2.新疆水利水電科學研究院,烏魯木齊 830049)

0 引 言

【研究意義】我國新疆吐魯番和哈密市作為新疆特色林果種植基地,無核白葡萄占全疆60%、全國20%的種植面積[1]。若采用大水漫灌的灌溉管理模式,水肥用量不合理,會造成土壤水分和養分的浪費與流失。適當的水分條件和養分供給是實現作物高產優質、降低農業投入的基本保證[2-3]。【前人研究進展】張江輝等[4]研究發現,水分、肥料在一定范圍內具有明顯的正效應,還存在著顯著的耦合效應,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,水分增產效應隨肥力增大而增大。王淑芬等[5]結果表明,在棉花關鍵生育期少量多次灌溉處理,適當控制植株的營養生長,促進干物質向生殖生長轉化,可以提高棉花經濟產量及水分利用效率。Simonetta等[6]試驗研究發現,增施氮肥可以提高小麥的葉面積,改善冠層結構,提高小麥產量,但施氮量過大會使葉傾角較小,葉面積過大,不利于構建冠層結構,導致小麥產量降低。黎冰等[7]通過試驗研究發現,有效補充氮元素可以有效的提高葡萄葉片的光和作用,但是氮肥過量施用則會引起植株營養生長過旺,節間變粗、伸長,不利于坐果,果粒成熟期相應推遲,影響其商品價值。史星雲等[8]研究顯示,在一定范圍內,釀酒葡萄的生長及品質隨水肥用量的增加呈現先升高后降低的趨勢,適宜的水肥用量可以改善釀酒葡萄新梢生長及品質,水肥過多或者過少都會導致釀酒葡萄品質下降。【本研究切入點】水肥對極端干旱區無核白葡萄影響研究上的成果較少,仍在探尋適宜的水肥管理制度。需研究極端干旱區滴灌葡萄提質增效的水肥協同模式。【擬解決的關鍵問題】以新疆吐魯番無核白葡萄作為材料,采用田間小區試驗,設定不同的水肥處理,分析水肥協同對葡萄生理生長及產量品質的影響,研究極端干旱區適宜的水肥協同模式,為葡萄優質高產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2020年4～9月在新疆吐魯番市鄯善縣葡萄瓜果研究中心試驗基地開展,試驗區坐標42.91°N,90.30°E,海拔419 m。試驗區年均降雨量25.3 mm,年均蒸發量2 751 mm,有效積溫(≥10℃)4 522.6～5 548.9℃,全年日照時數2 900～3 100 h,平均氣溫日較差14.3～15.9℃,無霜期192～224 d,土壤質地為礫石沙壤土。

供試葡萄品種為無核白,2012年定植,樹齡8 a,大溝定植,東西走向,溝長54 m,溝寬1.0 m,溝深0.5 m,株距1.5 m,行距4.0 m。栽培方式為棚架栽培,棚架高度2.0 m。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

田間灌溉采用滴灌,滴灌帶布置方式為1溝3管,即主根兩側30 cm處各設置1條滴灌帶,棚架下設置1條滴灌帶,滴灌帶直徑為16 mm,滴頭間距為30 cm,滴頭流量為3.2 L/h。展葉期(營養生長期)按照低水低肥(低水平)、中水中肥(中水平)和高水高肥(高水平)3種情況配施,每種情況有3個相同處理,共進行5次水肥處理;膨大期(生殖生長期)在以上3種配施情況下每3個相同處理分低水低肥(低水平)、中水中肥(中水平)和高水高肥(高水平)3種配施,共7次水肥處理;成熟期(生殖生長期)按照膨大期水肥處理進行配施,共5次水肥處理。全生育期共17次水肥處理,每個處理設定3個重復。共計27個試驗小區,試驗小區面積為48 m2。肥料采用昆侖牌尿素(氮含量≥46%)和磷酸二氫鉀(P2O5≥52%、K2O≥34%),隨水施肥。表1

表1 試驗灌水施肥量

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 葉面積指數

用LI-6000葉面積儀在無光時測定葡萄葉面積指數,在新梢生長期每個處理選定3棵長勢一致健康的葡萄樹,在每棵樹的上中下部位多次測定取平均值,展葉期、膨大期和成熟期分別測定2次,觀察葡萄葉面積指數動態變化規律。

1.2.2.2 光合日變化

用CI-340在晴朗無云的天氣測定凈光合速率,每個處理選定3棵長勢一致健康的葡萄樹,在每棵樹的相同部位取大小均一的向光葉片測定,每隔2 h測定1次,共測定7次。分別在展葉期、膨大期和成熟期連續測定3次,取平均值。

1.2.2.3 產 量

在葡萄成熟采摘期,統計好每個處理的葡萄總穗數,同時在每個處理中隨機摘取20穗有代表性葡萄,所摘葡萄盡量能夠反應整個處理葡萄的生長狀況,并對每穗葡萄進行稱重,得到該處理的穗重,用總穗數與單穗重的乘積得到小區的總產量,各小區總產量與實際面積的比值得到單位面積產量,換算成公頃產量。

1.2.2.4 品 質

在葡萄成熟采摘期,每個處理隨機選取10串長勢均一、生長良好的果穗,用GY-4型水果硬度計測定硬度;用手持式折光儀測定可溶性固形物含量;用NaOH滴定法測定可滴定酸含量,以酒石酸計;還原糖采用斐林試劑法測定,以葡萄糖計;VC采用鉬藍比色法測定;用可溶性固形物含量與可滴定酸含量的比值表示固酸比。

1.3 數據處理

使用Excel2020和SPSS26.0進行數據統計及分析,采用雙因素Ducan’s新復極差法檢驗各處理間差異的顯著性,數據均以“平均值±標準差”表示,使用Origin2021制圖。

2 結果與分析

2.1 水肥協同對葡萄葉面積指數的影響

研究表明,葉面積指數是衡量葡萄營養生長狀況的重要指標,葡萄生育期間的最大葉面積指數反映了最大光合面積。葉面積指數在展葉期增長較快,在膨大期增長緩慢,到成熟期基本趨于穩定。在展葉期中期,葉面積指數隨著水肥用量的增加呈遞增的趨勢,且高水平與中水平水肥處理沒有顯著性差異。在展葉期后期,W8N8處理葉面積指數最大,達3.37,與W4N4處理和W9N9處理沒有顯著性差異,且顯著高于其他各處理,W7N7處理為3.03,與W8N8處理和W9N9處理差異顯著。展葉期低水平的3個水肥處理分別為2.5、2.55、2.62,要顯著低于其他處理,在展葉期過度缺少水肥供應會影響植株葉片的生長,對植株營養生長限制較大。在膨大期,葡萄葉面積指數隨著水肥用量的增加整體呈現遞增的趨勢,在葡萄生殖生長期提高水肥用量會加快樹體的營養生長,葉片生長旺盛,增大葉面積指數,造成田間郁閉現象,競爭果粒生長所需的養分。在膨大期后期,W9N9處理葉面積指數最大,達4.72,W1N1處理最小,為3.87,差異顯著。在成熟期,葡萄葉面積指數基本趨于穩定,此時水肥用量對葉面積指數的影響較小。表2

表2 不同水肥處理下葡萄葉面積指數變化

2.2 水肥協同對葡萄光合日變化的影響

研究表明,各時期凈光合速率日變化均呈現先升高后降低再略有升高最后降低的雙峰型趨勢,最高值均出現在12:00,最低值出現在14:00,14:00出現降低的原因是由于氣溫過高,導致氣孔部分關閉,出現光合午休現象。在展葉期,隨著水肥用量的增加葡萄凈光合速率呈現遞增的趨勢,高水平與中水平水肥處理凈光合速率差異不明顯,在中水中肥的基礎上繼續增加水肥用量對凈光合速率提升較小;低水平水肥處理凈光合速率與其他處理差異較大,水肥用量過低可明顯抑制葡萄的正常生理生長,與葉面積指數變化一致。在膨大期,葡萄凈光合速率整體要高于展葉期和成熟期,膨大期隨著水肥用量的增加,葡萄凈光合速率呈現先增加后減小的趨勢,W5N5處理凈光合速率最大;過高的水肥用量并不能增加葡萄凈光合速率,原因可能是過高的水肥用量不僅會使土壤透氣性降低,還會造成土質淋溶,不利于植株生長,對葡萄葉片光和吸收產生一定的影響,適宜的水肥用量是保證葡萄光合速率產生有機物的基礎。在成熟期,凈光合速率要弱于其他兩個時期,W5N5處理葡萄凈光合速率較大,其次為W8N8處理,2個處理差異不明顯。W5N5處理要優于其他處理。圖1

圖1 不同水肥處理下各時期光合日變化

2.3 水肥協同對葡萄產量的影響

研究表明,在營養生長期的3個低水平水肥處理隨著水肥用量的增加葡萄產量逐漸升高,相較于其他處理低是因為葡萄在營養生長期缺少水肥的供給影響葡萄的光合作用,干物質積累量較少,樹體得不到充足養分,落花落果現象嚴重,在生殖生長期結穗率較低,使得整體產量普遍偏低。在營養生長期的中水平和高水平水肥處理隨著水肥用量的增加葡萄產量呈現先升高后降低的趨勢,W5N5處理產量最高,為24 482.32 kg/hm2,W4N4處理和W7N7處理產量普遍偏低的原因是生殖生長期缺少水肥不利于果粒的正常生長。適宜的水肥用量可以更好的調節葡萄的營養生長與生殖生長,達到高產。圖2

圖2 不同水肥處理下葡萄產量變化

2.4 水肥協同對葡萄品質的影響

研究表明,果粒硬度隨著水肥用量的增加呈現先增大后減小的趨勢,W1N1處理、W4N4處理和W7N7處理硬度均顯著小于其他各處理,水肥用量不足會使得果粒松軟,極易出現爛果現象。W5N5處理果粒硬度最大,達1.47 kg/cm2,W2N2處理和W8N8處理硬度同樣處于較高水平,水肥的合理利用有利于增大果粒硬度,增強葡萄耐儲運性。可溶性固形物含量隨著水肥用量的增加整體呈現先增大后減小的趨勢,W5N5處理可溶性固形物含量最大,為23.31%,W9N9處理最小,為20.78%,兩處理相差2.53%,且達到顯著水平。可滴定酸含量隨著水肥用量的增加整體呈現逐漸增大的趨勢,W3N3處理可滴定酸含量最大,達0.59%,W5N5處理最小,為0.52%,且達到顯著水平。還原糖含量隨著水肥用量的增加呈現先增大后減小的趨勢,W5N5處理最大,達212.63 g/L,與W4N4處理差異不顯著,最小值出現在W3N3處理,為185.73 g/L,與W5N5處理差異顯著。VC含量隨著水肥用量的增加呈現逐漸增大的趨勢,W6N6處理VC含量最大,達19.43×10-2mg/100g,W7N7處理最小,為17.09×10-2mg/100g,兩處理相差2.34×10-2mg/100g,且差異顯著。固酸比隨著水肥用量的增加整體呈現逐漸減小的趨勢,W5N5處理固酸比最大,達44.84,要高于W4N4處理,但差異不顯著,最小值是W9N9處理,為36.28,且顯著小于以上兩個處理。表3

表3 成熟期不同水肥處理下葡萄品質變化

2.5 基于主成分的最優水肥模型

研究表明,KMO值為0.503,巴特利特值為53.527,顯著性值為0.000,各指標間存在一定的相關性,適合主成分分析。有2個主成分大于1,提取了2個主成分,且解釋了總方差的79.751%,將2個主成分分別記為Y1、Y2。根據主成分系數得出Y1、Y2的方程式:

Y1=0.13×Z產量+0.47×Z可溶性固形物-0.50×Z可滴定酸+0.46×Z還原糖-0.11×Z維生素C+0.54×Z固酸比-0.003×Z硬度。

(1)

Y1=0.54×Z產量+0.04×Z可溶性固形物+0.13×Z可滴定酸+0.12×Z還原糖+0.54×ZVC-0.04×Z固酸比+0.062×Z硬度。

(2)

W5N5處理綜合得分要高于其他處理。表4,表5,表6

表4 成熟期各品質標準化處理

表5 成熟期主成分

表6 成熟期不同水肥處理綜合評價

3 討 論

合理的葉面積指數可提高作物對光熱資源的利用率,為植物的生長發育提供一個優良的群體環境,可顯著促進光合作用合成有機產物,實現作物的優質高產[9]。試驗研究發現葡萄葉面積指數在展葉期增長速度最快,展葉期后期增長速度開始減慢,成熟期達到最大值,與曾辰[10]在葡萄上的研究規律一致。葉面積指數隨著水肥用量的增加呈現逐漸增加的趨勢,與王全九等[11]灌溉施氮對棉花葉面積指數的影響有一定的出入,可能與作物品種的不同以及水肥用量的不同所引起的。水肥用量過低,葉片得不到足夠的水分和養分供應,葉面積指數較小,與魏永華等[12]在水稻返青期缺水對葉面積指數的影響研究結論一致。

光合作用是將無機物轉化為有機物的過程,提高光合作用是提升產量和品質的重要舉措。水肥的供應通過影響葉片中的葉綠素合成、氣孔和非氣孔因素等影響植株葉片的光合作用[13]。張麗瑩[14]在水果黃瓜的研究上發現灌水量過高或過低均不利于葉片光合作用的提高。王程翰[15]研究表明,灌水量一定時,光合速率隨著施肥量的增加呈現先增加后減小的趨勢;施肥量一定時光合速率呈現相同的趨勢。龔萍等[16]在對葡萄光合特性的研究中發現光合速率在水分用量低的情況下要顯著低于中高水分用量的處理,因為水分脅迫會導致葉片氣孔關閉,無法進行氣體交換;中高水分下光合速率差異較小。試驗研究發現,果實膨大期光凈合速率日變化要高于其他時期,水肥用量過低會明顯抑制葡萄的凈光合速率,適宜的水肥用量可以提高葡萄葉片的光合速率,與以上的研究結果一致。

張江輝等[4]研究發現葡萄滴灌灌水量和施肥量在中、高水平時產量最大且相差較小,過多的灌水量和施肥量都會引起葡萄減產。LIU等[17]認為在合理范圍內增加灌水量和施肥量均可以提高作物的產量,但超出一定范圍后會降低增產效果、提高支出并對品質造成負面影響。王連君等[18]研究發現水肥之間存在一定的閾值,超過閾值之后,無論是在產量還是品質方面都會下降。試驗研究發現營養生長期水肥供給不足的處理均不會高產,水肥供給充足的處理隨著水肥用量的增加葡萄產量呈現先升高后降低的趨勢,適宜的水肥用量對產量有一定的促進作用,與以上的研究結果一致。

史星雲等[8]在對釀酒葡萄的研究上發現在一定范圍內,釀酒葡萄生長及品質隨水肥用量的增加,呈現先升高后降低的趨勢,合理的水肥管理有利于釀酒葡萄新梢生長及品質改善,水肥過多或者過少都會導致釀酒葡萄品質下降。杜清潔等[19]和虞娜等[20]在番茄的研究上發現合理的灌水量與施肥量可以交互促進品質的提升,兩者過高或過低都會使番茄的綜合品質下降。試驗研究發現果粒硬度隨著水肥用量的增加呈先增加后減小的趨勢,可溶性固形物含量和還原糖含量整體呈現相同趨勢,與史星雲等[8]在葡萄品質上的研究較為一致;可滴定酸含量和VC含量在成熟期隨著水肥用量的增加均呈現逐漸增加的趨勢,與侯裕生等[1]在水肥對葡萄的研究上較為一致。主成分分析已經廣泛應用于作物水肥協同的研究,且均取得了良好的效果[21-23]。

4 結 論

水肥用量過低對植株的生理生長具有較大的限制作用,葉面積指數隨著水肥用量的增加整體呈現逐漸增大的趨勢。凈光合速率日變化均為雙峰型變化趨勢,在膨大期凈光合速率要高于展葉期和成熟期,W5N5處理凈光合速率要優于其他處理。W5N5處理產量、硬度、可溶性固形物、還原糖和固酸比最優,W3N3處理可滴定酸含量最大,W6N6處理VC含量最大。最優水肥協同模式是灌水量為8 925 m3/hm2,施肥量為240 kg/hm2。