基于回歸分析評價灌溉定額對滴灌葡萄生長及產(chǎn)量品質(zhì)的影響

賈 浩，王振華，李文昊，王久龍，趙 英，霍海霞

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832000；3.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子 832000）

新疆擁有我國典型的“荒漠綠洲灌區(qū)”[1]，農(nóng)業(yè)用水占比大，用水效益較低，自20世紀(jì)末開始大力發(fā)展節(jié)水灌溉[2]。同時其獨特的生態(tài)氣候條件很適合林果生長，因此新疆也是我國重要的特色林果生產(chǎn)、加工出口基地。

葡萄（Vitis viniferaL.）作為世界上最古老的果樹樹種之一[3]，其全球種植面積和產(chǎn)量都居首位，是世界性水果品種之一，在我國葡萄種植面積為8.7×105hm2，略低于西班牙。我國新疆地區(qū)具有晝夜溫差大、光照時間長、有效積溫高、生育期內(nèi)降雨少等特點，非常適合葡萄生長。天山北坡經(jīng)濟帶地區(qū)作為我國著名的特色瓜果生產(chǎn)基地，葡萄種植成為綠洲灌區(qū)的優(yōu)勢支柱產(chǎn)業(yè)，是區(qū)域內(nèi)農(nóng)民經(jīng)濟收入的主要來源。綠洲灌區(qū)雖然推廣了滴灌等先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)，但受傳統(tǒng)思想限制和管理人員節(jié)水意識薄弱的影響，加之對葡萄品種的生長習(xí)性不熟、需水規(guī)律不明確導(dǎo)致水資源不同程度的浪費[4-5]。近幾年關(guān)于灌水定額的研究較多，有研究表明灌水量不僅會影響植株生長，還會間接影響果實產(chǎn)量和品質(zhì)[6]。

國內(nèi)外開展灌溉方式[7-8]、灌溉時間[9]及單一灌水量[10]對植株的影響研究較多，而通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法[11-12]，利用響應(yīng)指標(biāo)來系統(tǒng)分析適宜葡萄灌水范圍的研究較少。本文通過田間試驗，以10 年生“紅提”葡萄為研究對象，基于回歸分析法評價不同灌水量對滴灌葡萄生長、產(chǎn)量品質(zhì)的影響，篩選出適宜的灌溉定額，以期為綠洲灌區(qū)葡萄在滴灌條件下水分合理調(diào)控提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020 年4—10 月在兵團灌溉中心試驗站進(jìn)行，該站位于準(zhǔn)葛爾盆地南緣，天山北坡。屬中溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，5—9 月平均氣溫為26.8 ℃，年平均氣溫6.5 ℃，≥10 ℃積溫3 400 ℃。風(fēng)向主要為西北風(fēng)和東南風(fēng)，年平均風(fēng)速為2.6 m·s-1，大風(fēng)多發(fā)生在4—9月。年平均降水量194 mm，蒸發(fā)量2 647 mm，日照時數(shù)2 800 h，無霜期165 d。

1.2 試驗設(shè)計

通過調(diào)研了解當(dāng)?shù)氐喂嗥咸逊N植的常規(guī)灌水情況，設(shè)定4個灌溉定額：7 000 m3·hm-2（W1）、6 000 m3·hm-2（W2）、5 000 m3·hm-2（W3）、4 500 m3·hm-2（W4）等4 個水平，同時設(shè)置1 個常規(guī)灌溉小區(qū)（CK，灌溉定額6 500 m3·hm-2）作為對照組，每組處理3個重復(fù)，整個試驗周期灌13 次水。每個小區(qū)布置3 組土壤水分傳感器。

試驗選已有紅提葡萄品種，大溝定植，東西走向。葡萄采用滴灌鋪設(shè)均為1 行2 管，即在樹行兩側(cè)20 cm 處各布置1 根滴灌帶，葡萄株距1 m、行距5 m，栽培方式為小棚架栽培。選用天業(yè)生產(chǎn)的單翼迷宮式滴灌帶，外徑16 mm，壁厚0.30 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.8 L·h-1。所有小區(qū)的除草、施藥等田間農(nóng)藝管理措施一致。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水率測定

主要采用烘干法測定土壤含水率。滴灌葡萄每次灌水前24 h 和灌水后48 h 內(nèi)采用取土鉆分別在滴灌帶下、距滴灌帶±20 cm 位置處土壤0～100 cm 深度內(nèi)取樣，每10 cm 取1個土樣，每組3個重復(fù)，最后用加權(quán)平均法計算土壤含水率。作物耗水量的計算按照《灌溉試驗規(guī)范》（SL13—2015）規(guī)定，通過測定所得的土壤含水率數(shù)據(jù)采用以下公式進(jìn)行計算：

式中ET為作物耗水量，mm；Pr為作物生育期降雨量，mm；I為生育期灌水量，mm；Wi1和Wi2分別為第i層某生育期土壤灌后和灌前時的土壤含水率，%；γi為第i層土壤干容重，g·cm-3；Hi第i層土壤的厚度，cm。水分利用率（Water use efficiency，WUE）為單位面積葡萄產(chǎn)量（Y，t·hm-2）除以作物耗水量，單位t·(hm-2·mm-1)。

1.3.2 光合指標(biāo)測定

葡萄共分為6個生育期：萌芽期、新梢期、花期、果實膨大期、果實完熟期、枝蔓成熟期。于每個生育期選擇晴朗無云天氣進(jìn)行光合指標(biāo)的測定，測定在10: 00—20: 00 時間段進(jìn)行，每隔2 h 測定1 次，采用Li-6400 便攜式光合測定儀，測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）和葉片水分利用效率（WUEL）的日變化。光源采用自然光源，測試葉片為標(biāo)記植株3片功能葉，每隔2 h測定1次并取其平均值。

1.3.3 產(chǎn)量和品質(zhì)測定

產(chǎn)量測定：在果實成熟期調(diào)查標(biāo)定植株（3 株）的產(chǎn)量（單株產(chǎn)量和單果重采用天平稱重法），然后折算成667 m2產(chǎn)量。

品質(zhì)測定：取新鮮的葡萄打成勻漿測定品質(zhì)，可溶性固態(tài)物含量用手持糖量計（BG-111ATC，天津?qū)氫摴鈱W(xué)儀器有限公司）測定，可滴定酸含量用酸堿滴定法測定，可溶性糖用苯酚法測定，維生素C 含量采用2,4-二硝基苯肼比色法來測得。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 和DPS 數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件進(jìn)行處理和分析，對測定結(jié)果進(jìn)行方差分析(ANOVA)，并 用LSD 法（Least significant difference）進(jìn)行多重比較，每個處理重復(fù)3 次。用Origin 2018 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌量對葡萄植株光合指標(biāo)的影響

滴灌葡萄的葉片是進(jìn)行光合作用的主要場所，葉片的光合作用受到灌水量的影響，從而影響果實產(chǎn)量和品質(zhì)。不同灌水量對綠洲灌區(qū)滴灌葡萄植株光合指標(biāo)會產(chǎn)生不同的影響。由表1 可知，不同灌水量對滴灌葡萄花期、果實膨大期的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）和葉片水分利用效率（WUEL）的影響差異均達(dá)到顯著水平（p<0.05）。

表1 不同灌水量對滴灌葡萄光合指標(biāo)的影響

從表1 可知，滴灌葡萄植株葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和葉片水分利用效率（WUEL）等指標(biāo)都隨著生育期的延續(xù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，果實膨大期的各指標(biāo)數(shù)值顯著大于花期的各指標(biāo)數(shù)值；而胞間CO2濃度（Ci）隨著生育期的延續(xù)與Pn、Gs、Tr等指標(biāo)的趨勢相反。不同生育期內(nèi)滴灌葡萄葉片Pn、Gs、Ci、Tr、WUEL在不同灌水量處理下表現(xiàn)為：葡萄葉片Pn、Gs、Ci、Tr、WUEL隨著灌水量增加而增大（即W1>CK>W2>W3>W4）。葉片Pn在果實膨大期達(dá)到最高水平，各處理的平均值為27.78 μmol·m-2·s-1，其中W1、W2 處理分別比CK 處理的葉片Pn大5.22%、-0.42%；葉片Tr在果實膨大期達(dá)到最高水平，各處理的平均值為5.66 mmol·m-2·s-1，其中W1、W2 處理分別比CK 處理的葉片Tr大2.58%、-0.52%；葉片Ci在花期與果實膨大期的平均值分別為223.45、153.14μmol·mol-1，其中W1、W2處理分別比CK處理的花期葉片Ci大2.58%、-0.52%；葉片Gs在果實膨大期達(dá)到最高水平，各處理的平均值為297.82 mmol·m-2·s-1，其中W1、W2處理分別比CK處理的葉片Gs大6.77%、-2.84%；葉片WUEL在果實膨大期達(dá)到最高水平，各處理的平均值為4.89μmol·mmol-1，其中W1、W2 處理分別比CK 處理的葉片WUEL大2.63%、0.81%。不同水分處理條件下葉片Pn、Gs、Ci、Tr、WUEL變化存在明顯規(guī)律性，說明Pn、Gs、Ci、Tr、WUEL可以較好地反映滴灌葡萄水分虧缺情況。

2.2 不同滴灌量對葡萄產(chǎn)量品質(zhì)的影響

不同灌水量對滴灌葡萄果實產(chǎn)量有一定的影響，同時也存在適宜的灌水范圍。表2是不同處理的葡萄果實產(chǎn)量及水分利用效率的變化情況，可以看出，不同灌水量對滴灌葡萄的單穗重、單株產(chǎn)量、總產(chǎn)量、果實干物質(zhì)、WUE的影響均達(dá)到了顯著水平（p<0.05），其中單穗重、單株產(chǎn)量、總產(chǎn)量、WUE等指標(biāo)隨灌水量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而果實干物質(zhì)與其他指標(biāo)趨勢相反。果實產(chǎn)量在W2 灌水水平下達(dá)到最大，排序為W2>CK>W1>W3>W4，W1、W2、W3、W4處理的產(chǎn)量分別比CK 處理增產(chǎn)-0.29%、6.29%、-11.82%、28.81%，單穗重與單株產(chǎn)量有類似的規(guī)律。果實干物質(zhì)的最優(yōu)處理是W4，最低是W1 處理，分別較CK 增加0.82、-1.84 個百分點。水分利用效率最優(yōu)處理是W2，W1、W2、W3、W4 處理的WUE分別比CK 處理大-6.73%、15.20%、11.69%、2.92%。

表2 不同處理的葡萄果實產(chǎn)量及水分利用效率比較

表3 是不同處理的葡萄果實品質(zhì)變化情況，可以看出，不同灌水量對綠洲灌區(qū)滴灌葡萄的維生素C、可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物含量的影響均達(dá)到了顯著水平（p<0.05），其中維生素C、可溶性糖、可溶性固形物含量隨灌水量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而可滴定酸的變化規(guī)律跟其他品質(zhì)指標(biāo)不同，呈現(xiàn)隨灌水量增大而逐漸增大的趨勢。維生素C 含量在W2 處理下達(dá)到最高水平，為8.52 mg·(100 g)-1，較最低水平W4 高7.98%，較CK 高0.71%；可溶性糖含量在W2 處理下達(dá)到最高水平，為18.96%，較最低水平W4高2.46個百分點，較CK 高0.98個百分點；可溶性固形物含量在W2 處理下達(dá)到最高水平，為23.5%，較最低水平W1 高1.6 個百分點，較CK 高0.4 個百分點；可滴定酸含量在W1 處理下達(dá)到最高水平，為0.514%，較最低水平W4 高0.061 個百分點，較CK 高0.028個百分點。適宜的灌水量有利于提高果實的糖酸比，能顯著提高果實的品質(zhì)。

表3 不同處理的葡萄果實品質(zhì)比較

2.3 基于回歸分析法的滴灌葡萄適宜灌溉定額綜合評價

為了解綠洲灌區(qū)滴灌葡萄各響應(yīng)指標(biāo)在灌溉水用量設(shè)置區(qū)間內(nèi)的動態(tài)連續(xù)變化，對其適宜灌溉量綜合量化評價，以灌溉定額為自變量，響應(yīng)指標(biāo)產(chǎn)量、水分利用效率、可溶性固形物為輸出變量，進(jìn)行回歸分析并構(gòu)建回歸方程（見表4）。

表4 灌溉定額與滴灌葡萄各響應(yīng)指標(biāo)間的回歸關(guān)系

灌溉定額與葡萄產(chǎn)量、灌溉水利用效率、可溶性固形物含量之間均呈二次拋物線關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均在0.91 以上，達(dá)到顯著性相關(guān)水平。繪制灌溉定額與葡萄產(chǎn)量、灌溉水利用效率、可溶性固形物含量之間關(guān)系圖如圖1。將滴灌條件下W1、W4 處理對應(yīng)的灌水量設(shè)置為上限、下限，運用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對各回歸方程的最大值及對應(yīng)的灌水量進(jìn)行求解。根據(jù)計算可得，當(dāng)Ymax=23 252.38 時，W=6 232.91 m3·hm-2；WUEmax=3.95 時，W=5 505.39 m3·hm-2；Pmax=23.55 時，W=5 689.84 m3·hm-2，當(dāng)產(chǎn)量和水分利用效率最高時，灌溉定額為5 505～6 232 m3·hm-2，當(dāng)葡萄產(chǎn)量和可溶性固形物含量最大時，灌溉定額為5 689～6 232 m3·hm-2，因此在綜合考慮水分利用效率、可溶性固形物含量、獲得產(chǎn)量都較高的情況，最終確定研究年滴灌葡萄適宜的灌溉定額為6 000 m3·hm-2。這與根據(jù)作物效應(yīng)指標(biāo)得出的最優(yōu)灌溉處理一致，說明利用回歸分析評價適宜灌溉定額是可靠的。

圖1 灌溉定額與水分利用效率、產(chǎn)量及可溶性固形物的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

植物的生長依靠光合作用，主要集中在葉片進(jìn)行，本研究發(fā)現(xiàn)不同生長時期的葡萄植株葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和葉片水分利用效率（WUEL）等指標(biāo)的變化幅度不同，這是由于生育時期灌水量不同，過度的水分脅迫對氣孔的影響，間接影響整個植株的光合作用。這與趙雪[10]、鄭睿等[15]的研究結(jié)果一致。本研究表明綠洲灌區(qū)滴灌葡萄的各項生長指標(biāo)總體表現(xiàn)為“S”型生長，其中灌水量對葡萄粒徑的影響表現(xiàn)為W2>W1>CK>W3>W4，這主要是因為不同的灌水量會影響光合作用和呼吸作用，致使光合產(chǎn)物分配比例受到影響，W2 水平下更有利于果實器官的累積，致使粒徑優(yōu)勢明顯，有利于增產(chǎn)。這與侯裕生等[1]、溫越等[16]的研究規(guī)律相似。

果實的產(chǎn)量、品質(zhì)與灌水量緊密相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)綠洲灌區(qū)滴灌葡萄的單穗重、單株產(chǎn)量、總產(chǎn)量、WUE隨灌水量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而果實干物質(zhì)與其他指標(biāo)的趨勢相反。果實產(chǎn)量在W2 灌水水平下達(dá)到最大，具體表現(xiàn)為W2>CK>W1>W3>W4，單穗重與單株產(chǎn)量有類似的規(guī)律，這是由于在W2 灌水水平下植株的呼吸作用和光合作用效率都是最高的，與葡萄粒徑的變化規(guī)律相同。這與王連君等[13]、付詩寧等[17]的研究結(jié)果相似。本研究還發(fā)現(xiàn)綠洲灌區(qū)滴灌葡萄的維生素C、可溶性糖、可溶性固形物含量隨灌水量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，都在W2 灌水水平下達(dá)到最大，而可滴定酸含量則呈現(xiàn)出隨灌水量增大而逐漸增大的趨勢，這是因為過分的水分脅迫細(xì)胞的呼吸作用導(dǎo)致的，可滴定酸是檢驗果實品質(zhì)的重要因素。對于加工品種的葡萄，高酸更利于其品質(zhì)呈現(xiàn)，適宜的灌水量有利于提高果實的糖酸比，能顯著提高果實的品質(zhì)，這與李雅善等[14]的研究一致。通過回歸方程分析，得出了與作物效應(yīng)指標(biāo)表現(xiàn)一致的灌水水平，說明基于回歸分析法來評價綠洲灌區(qū)滴灌葡萄的適宜灌溉定額是可靠的。

3.2 結(jié)論

1）灌水量對滴灌葡萄花期與果實膨大期的各項光合指標(biāo)的影響均達(dá)到了顯著水平（p<0.05），葉片WUEL在果實膨大期達(dá)到最高水平，各處理的平均值為4.89μmol·mmol-1，其中W2 處理分別比其他處理數(shù)值小1.67%～6.69%。

2）綠洲灌區(qū)滴灌葡萄的單穗重、單株產(chǎn)量、總產(chǎn)量、WUE隨灌水量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而果實干物質(zhì)與其他指標(biāo)趨勢相反。果實產(chǎn)量與各項品質(zhì)指標(biāo)在W2（6 000 m3·hm-2）灌水水平下達(dá)到最大，W2 水平下水分利用效率優(yōu)于其他處理0.51%～24.45%。

3）基于回歸分析法綜合評價滴灌葡萄適宜的灌溉定額，綜合考慮高糖中酸有益于果實品質(zhì)，水分利用效率、可溶性固形物含量、獲得產(chǎn)量都較高的情況，最終確定研究年滴灌葡萄適宜的灌溉定額為6 000 m3·hm-2。