微喷对葡萄园温、湿度及产量的影响研究

王 冬 至

(河南省水文水资源局，郑州 450003)

新疆吐哈盆地(即新疆吐鲁番与哈密地区)年平均降水量仅16.5 mm，而年平均蒸发能力高达3 300 mm，属极端干旱区。在葡萄产量形成的关键物候阶段果粒膨大期，即六七月间，最高温度达到45 ℃以上，极端的干旱气候环境，对葡萄产量造成极大的影响。因此，本试验通过在滴灌葡萄园内，在滴灌技术保证植株需水的基础上，在葡萄果粒膨大期采用微喷弥雾调控技术，调控葡萄棚架下的微气候环境，研究温度、湿度变化条件下葡萄园微气候变化特征，分析微气候变化对葡萄果粒和产量的影响，对提高葡萄品质产量，保障我国重要葡萄基地生产的可持续发展具有重要的现实意义。葡萄是世界上目前加工比例最高、产业生产链最长、产品种类最多的果树，对此，国内外众多学者在葡萄高产栽培[1-3]、遗传育种[4,5]、病虫害防治[6-8]及水肥一体化[9,10]等多方面进行了广泛而深入的研究。在新疆，由于气候干旱、少雨、蒸发量大等特点，对葡萄的正常生长发育和产量影响非常大。同时，由于葡萄灌溉普遍采用地面沟灌，耗水量增大，造成水资源日益紧张，对此，诸多学者对葡萄高效节水增产技术进行了颇多研究，如杨艳芬[11]在极端干旱区采用地面滴灌技术，分析滴灌管道布置方式和系统技术参数对葡萄植株生长发育特性和产量的影响，结果显示地面滴灌采用 3 管布置、滴头流量 2.7 L/h、滴头间距 30 cm的处理达到了最优效果，该处理下的土壤含水率、葡萄水分生理指标和产量均处于较高水平。李淑芹[12]基于非饱和土壤水动力学理论，利用Hydrus-2D软件分析了垂直线源入渗条件下的土壤水分分布特征，研究说明线源长度和直径对土壤水分分布影响较大，其中线源长度主要影响垂直湿润深度，线源直径主要影响水平湿润半径，初始含水率高时，相同断面处的含水率增大，在相同入渗时段内，湿润锋水平运移距离和垂直运移距离随土壤初始含水率的增大而增大。与常规滴灌相比，垂直线源灌方式根层土壤平均含水率可达到田间持水率的 75. 1%和 82. 8%，而常规滴灌方式为田间持水率的 60%和72%，而且垂直线源灌条件下净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均较常规滴灌高。同时，垂直线源灌方式较常规滴灌相比，产量提高了1.2%，水分利用效率提高了57.4%[13]。采用深层坑渗灌灌水技术对极端干旱区成龄无核白葡萄的研究认为，葡萄果粒的果型指数和含糖量服从正态分布规律，并建立了以灌溉定额为参数的果型指数和含糖量模型[14]。随着灌水技术的不断发展，微喷灌水技术和作物之间关系的研究越来越多，如在小麦拔节期和开花期，进行微喷补灌，可使水分利用效率提高2.1～2.9 kg/(hm2·mm)，达21.6～23.2 kg/(hm2·mm)[15]。在微喷灌水过程中，飘逸损失的水量一般占总灌水总量的25%，当日照强烈、温度较高和湿度小时，微喷灌蒸发飘移损失量可达到整个水量42%[16,17]。与传统沟灌相比，喷灌和滴灌能有效控制每次灌水定额，提高水分利用效率和产量，成为当前节水灌溉的重要灌水技术之一[18,19]。微喷灌溉在多种经济作物上的应用研究结果已表明能促进作物生长和提高产量，但针对果树，尤其是极端干旱区的此类研究甚少，因此，对该地区进行微喷弥雾调控灌溉的试验研究，探明微喷弥雾调控下葡萄园微气候的变化特征及对葡萄果粒和产量的影响，得到促进葡萄果粒生长和提高产量的较优的温度、湿度范围，对提高葡萄品质产量，保障我国重要葡萄基地生产的可持续发展具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验点位于火焰山以南，吐鲁番市东南部的葡萄乡铁提尔村，距吐鲁番市区12 km，地理坐标：北纬42°56′，东经89°13′，海拔-68.8 m。年均降雨量为16.6 mm，年均蒸发量为3 300 mm，地下水位为30 m，年均气温为14.4 ℃，多年最高气温、最低气温分别为48.3、-28.8、10 ℃以上活动积温为5 455 ℃，全年年均日照时数为3 095 h，无霜期达210 d。

试验葡萄品种为无核白，1998年开始定植，栽培方式为小棚架栽培，东西走向，沟长60 m，沟宽1.0～1.2 m，沟深0.5 m；葡萄株距1.2～1.5 m，行距3.5～4.5 m。试验区土壤为黏壤土，质地较均一。

1.2 试验设计

试验在2012-2014年间连续进行，共设3个喷水周期处理，分别为每天喷水1 h(WP1)，每隔1 d喷水2 h(WP2)，每隔2 d喷水3 h(WP3)，对照处理(CK)采用常规滴灌，不喷水，共计4个处理，每个处理重复2次，每个试验小区面积约0.02 hm2。喷水装置采用喷射直径200 cm、流量40 L/h，喷头间距2 m，喷头的高度为离地面50 cm。喷水是在葡萄果实膨大初期(每年6月4日-7月4日)15∶00-17∶00开启，按试验方案严格控制开启时间，各灌溉定额均为9 150 m3/hm2。

1.3 测定指标

(1)温、湿度监测。采用EasyLog-usb-2型温湿度传感器进行自动采集，传感器放置在百叶箱内，百叶箱用自制角钢架固定在棚架下离地面约50 cm处。各处理按前、中、后位置各放置1个，传感器设置为每30 min记数一次。

(2)葡萄果粒测定。每个处理选取3个大小均一，长势良好的葡萄蔓，每个葡萄蔓按顶部、中部、下部选取3个枝条，在每个枝条上按上、中、下3个部位选取3串葡萄，然后在选取的葡萄串上按上、中、下选取3颗葡萄，并做好标记。每次用游标卡尺对标记的葡萄果粒进行纵径、横径测量。

(3)产量的测定。每个处理随机摘取18串有代表性葡萄，所摘葡萄尽量能够反映整个处理葡萄的生长状况，对每串葡萄进行称重，并统计每个处理的葡萄总串数，同时根据各处理实际面积及果树形态等换算成亩产。

2 结果与分析

2.1 微喷弥雾调控对葡萄园温、湿度的影响

2.1.1 微喷弥雾调控开启期间葡萄园温、湿度变化

微喷弥雾调控在每年的葡萄果实膨大初期开启(6月4日-7月4日)，在微喷开启期间，葡萄园棚架下温度、湿度在10∶00-15∶00、15∶00-18∶00、18∶00-22∶00 3个时段的变化情况如表1所示。从表1可看出，微喷各处理与对照处理相比，可以降低棚架下的温度和提高湿度，而且在2012-2014年的试验期间温度、湿度变化均表现出一致的规律性，即在各年份的3个时段中，温度降低值在10∶00-15∶00时最小，在15∶00-18∶00时最大，而在18∶00-22∶00居中。湿度同样在15∶00-18∶00时增加值最大，在10∶00-15∶00时次之，而在18∶00-22∶00时增加值最小。如在2012年，微喷处理在10∶00-15∶00时温度平均降低0.4～1.2 ℃，湿度增加3.6%～8.4%；在15∶00-18∶00时温度平均降低1.4～2.2 ℃，而湿度增加3.7%～11.2%；在18∶00-22∶00时温度平均降低0.7～2.2 ℃，而湿度增加2.0%～7.3%；微喷处理在棚架下的温度和湿度增量平均值分别为-1.3℃和7.2%。在2013年和2014年棚架下温度和湿度的增量变化与2012年具有相同的规律，其温度、湿度增量平均值各年分别为-3.05 ℃、7.97%和-3.88 ℃、9.65%。3年的平均温度、湿度增量在10∶00-15∶00时间段为-1.71 ℃、7.89%，在15∶00-18∶00时间段为-3.24 ℃、9.89%，在18∶00-22∶00时间段为-2.51 ℃、5.95%。在整个微喷弥雾调控期间，2012-2014年的温度和湿度的平均增量分别为-0.76 ℃和3.61%、-1.17 ℃和4.77%、-4.11 ℃和20.47%。

同时，从表1可以看出，各年份在不同时段的温度和温度变化同样表现出一致的规律性，即随着温度增量值的增大湿度增量值随之增大。在相同的试验设计条件下，3 a的温、湿度增量数据中，2012年的值最小，2013和2014年的增量值相差很小，这是由于不同年份的气候条件差异所致。

表1 不同年份微喷弥雾调控下温度、湿度在不同时段的增量变化Tab.1 The increment of temperature and humidity at different times in different years under micro spray fog control

2.1.2 微喷弥雾调控下葡萄园温、湿度日变化

2012年，微喷弥雾调控处理下温度日变化过程如图1(a)所示，数据为2012年6月28日至7月3日。从图1(a)可知，各处理的温度表现出明显的先增大后减小的规律性，即均在10∶00时较小，然后随着时间推移逐渐增大，到16∶00时达到一天中的最大值，然后再逐渐降低。各处理中，CK处理的温度值在一天中的各时刻始终最大，微喷弥雾调控处理虽然也随着时间先增大后减小，同样在14∶00时达到最大值，但各处理间并没有一致的规律性，如WP1处理在10∶00时温度值最低，而在14∶00-18∶00时高于WP2和WP3处理，其他微喷处理也有类似的表现。WP1、WP2、WP3处理在16∶00时的最高温度分别为41.5、40、39.5 ℃，与CK处理在此时的温度差值分别为-2.1、-3.6和-4.1 ℃。WP1、WP2、WP3处理的日平均温度分别为35.5、35.3和35.8 ℃，分别比CK处理低3.4、3.6和3.1 ℃。将微喷各处理相同时刻数据进行平均后与CK处理相比，表现为，微喷弥雾调控与CK处理的温度差值也随着时间逐渐增大，在10∶00时，温度差值为-1.9 ℃，到18∶00时为-5.5 ℃，然后再随着时间推移而减小，到22∶00时，温度差值为-3.0 ℃。微喷处理日平均温度与对照处理相比降低3.4 ℃。

微喷弥雾调控处理的湿度日变化过程与温度日变化过程相反，如图1(b)所示，湿度日变化表现为随着时间推移而呈先减小后增大的变化趋势，具体表现为在10∶00时湿度较大，然后随着时间开始降低，到16∶00时达到一天中的最低值，之后再开始增大，到22∶00时逐渐回到早上开始时的水平，WP1、WP2和WP3处理在16∶00时的湿度分别为44.0%、54.5%和49.0%，与CK处理相同时刻的湿度差值为9.5%、20.0%和14.5%。同理，对微喷各处理在相同时刻的湿度值进行平均后，与CK处理相比，1天中的湿度差值范围为4.8%～18.0%。微喷处理日平均湿度与对照处理相比升高12.0 ℃。

2013和2014的6月28日至7月3日的温度、湿度日变化如图1(c)至图1(f)所示，其温度、湿度日变化规律与2012年一致，其中2013年微喷处理温、湿度日平均值与对照处理相比，差值为-1.8～-4.1 ℃和6.2%～16.7%；同理，2014年微喷处理温、湿度日平均值与对照处理差值为-6.2～-6.6 ℃和10.5%～20.7%。各年份间由于气候差异导致温度、湿度值的差异较大。

图1 不同年份各处理棚架下温度、湿度日变化Fig.1 The diurnal variation of temperature and humidity in the scaffolding of different years

2.1.3 微喷停止后葡萄园温、湿度增量随时间变化

为弄清微喷弥雾调控对葡萄园棚架下温度、湿度变化特征的影响，对2012年7月1日至7月3日、2013年7月1日至7月3日和2014年7月1日至7月3日喷水停止后棚架下的温度和湿度增量进行进一步分析，如图2(a)和图3(a)所示。在喷水停止后，各处理在棚架下的温度增量如图2(a)所示，可看出，各处理在喷水停止时的温度增量最大，其中WP3的增量值最大，为-3.5 ℃，而WP1最小，为-1.5 ℃。随着停止时间的延续，温度在逐渐升高，温度增量也随之逐渐减小，当停止时间达到3 h时，其中WP1和WP2的温度增量仅为-0.2、-0.3 ℃，即微喷处理的温度接近CK处理的温度。在微喷停止后，温度增量随着时间延续开始下降，当停止1 h后，温度增量下降减缓，如图2(a)所示WP1、WP2和WP3处理在微喷停止时的温度增量为-1.5、-2.0和-3.5 ℃，到停止后1 h为-1.0、-1.0和-2.5 ℃，即在停止1 h后，温度升高了0.5～1.0 ℃。而从停止后1 h到3 h的2 h中，各微喷处理的温度升高了0.5～1.0 ℃，此时各处理的温度接近CK。对喷水停止后3 h时温度增量与延续时间的相关分析显示，3个微喷处理的温度增量与延续时间的决定系数均在0.92以上，表明二者之间具有显著的相关关系。同时，由图2(b)、图2(c)、图2(d)可看出，不同年份下，温度增量随着喷水停止时间的延续约在3 h时逐渐接近不喷水处理的温度，且相关关系达到极显著，R2均在0.96以上。

图2 各年份葡萄园在喷水停止后温度增量随时间的变化Fig.2 The temperature increase of the vineyards in each year after the water stops

各处理和不同年份在喷水停止后湿度增量的变化如图3所示，在图3(a)中，各处理湿度增量均呈下降抛物线变化规律，均在喷水停止时湿度增量最大，3个微喷处理中，WP1和WP3最大，均为11%；WP2次之，为10.5%，平均增量为10.8%。与温度增量随持续时间的变化相似，湿度在微喷停止后开始减小，在1 h时各处理湿度减小范围为3%～4%；在停止后1 h到3 h时，湿度减小1.5%～3%，慢慢接近CK处理的湿度。其中，WP1、WP2、WP3处理在微喷停止时的最大湿度增量分别为11.0%、10.5%、11%，最小湿度增量分别为5.0%、5.5%和5.5%，在微喷停止后3 h时各微喷处理湿度增量分别减少了6.0%、5.0%、5.5%。当随着喷水停止时间的延长，在3 h时，各微喷处理平均湿度增量在5.0%～5.5%之间。各年份间平均湿度增量与喷水停止后时间的相互关系完全一致，见图3(b)、图3(c)和图3(d)，且R2均大于0.94，呈极显著相关关系。

图3 各年份葡萄园在喷水停止后湿度增量随时间的变化Fig.3 Variation of humidity increment over time in the vineyards of each year

在微喷停止后，温度增量和湿度增量随着时间延续增量逐渐降低，且之间具有很好的相关关系，对温度、湿度增量与温度及湿度之间的关系分析，得到拟合方程：

ΔT=35.064-0.046HR-0.976T(R2=0.91)

(1)

ΔHR=68.949-0.125HR+2.355T(R2=0.84)

(2)

式中：ΔT是温度增量；ΔHR是湿度增量；HR是湿度；T是湿度。

表明温度增量和湿度增量与温度及湿度间随停止时间的关系显著，同理，对温度增量和湿度增量间的关系进行分析，如图4所示，可以看出，二者之间呈极显著相关关系，拟合方程为:

ΔT=-0.318ΔHR=0.618 3 (R2=0.95)

(3)

从图4可知，当湿度增加5%时，温度降低0.97 ℃；当湿度增加10%时，温度可降低2.56 ℃。

图4 喷水停止后湿度增量与温度增量间的关系Fig.4 Relationship between humidity increment and temperature increment after water jet stopping

2.2 微喷弥雾调控对葡萄果粒的影响

在葡萄果实膨大期，葡萄果粒体积增长迅速，同时，由于在此期间采用了弥雾微喷调控，与不喷水处理(CK)相比，微喷各处理的果粒体积增长更快，其中，WP1、WP2、WP3和CK处理在2012年6月5日至7月3日的果粒体积分别增大了6.11、8.50、12.25和5.50 cm3，在2013年6月5日至7月3日的果粒体积分别增大了6.11、10.78、12.20和5.3 cm3，在2014年6月4日至7月3日的果粒体积分别增大了6.00、7.20、10.80、5.10 cm3。从2012-2014年果实膨大期的果粒体积上看，WP3处理最大，其次是WP2，其后是WP3处理，而CK处理的果粒体积在各年份均最小。微喷处理的平均葡萄果粒体积增量在2012-2014年的试验中分别比对照高3.5、4.4和2.9 cm3。

2012-2014年弥雾调控期间葡萄果粒增长速率与平均温度和湿度变化如表2所示。从表2可以看出，通过微喷弥雾调控改善了葡萄园微气候，与CK处理相比，明显提高了葡萄果粒的增长速率。各处理间相比，WP3和WP2处理的增长速率显著大于其他处理，各年份间相比，2014年的平均果粒增长速率最小，且平均温度和湿度也最小。综合2012-2014年数据可知，当平均温度在26～29 ℃，平均湿度在57%～59%之间时，可明显提高葡萄果粒增长速率，其平均增长速率比CK处理高0.12 cm3/d，通过3年的数据拟合得到微喷弥雾调控下果粒增长速率与平均温度、湿度的拟合方程为：

表2 不同年份各处理在微喷弥雾调控期间温度、湿度和果粒增长速率变化Tab.2 Changes of temperature, humidity and fruit grain growth rate during micro spray treatment in different years

V=0.358-0.025T+0.011HR(R2=0.84)

(4)

式中：V为果粒增长速率，cm3/d；T为平均温度；HR为平均湿度。

2.3 微喷弥雾调控对葡萄产量的影响

弥雾微喷调控下各处理在2012-2014年与不喷水处理的葡萄产量对比如图5所示。由图5可知，在2012年，CK处理的产量为33 704.7 kg/hm2，大于WP2和WP3处理，WP1产量最高，为48 547.6 kg/hm2，微喷处理的平均产量比对照处理高出2 627.22 kg/hm2。在2013年和2014年中，WP1处理产量均最大，其次是WP2和WP3，且WP2、WP3和CK的产量均较接近。其中，2013和2014年微喷处理的平均产量分别为38 040.97和33 009.20 kg/hm2，比CK处理分别高出1 295.46和3 733.31 kg/hm2，3年平均产量比CK处理平均产量高出2 552.0 kg/hm2，说明通过弥雾微喷调控可以提高葡萄产量。

图5 各处理不同年份葡萄产量对比Fig.5 Comparison of grape yield in different treatments in different years

3 结 语

通过对2012-2014年连续3年的大田试验，采用微喷弥雾调控技术，分析对葡萄园棚架下温度、湿度、果粒和产量的影响，结果显示，温度日变化表现为先增大后减小规律，湿度日变化呈现出先减小后增大的趋势，在一天中的不同时间段，温度和湿度增量也表现出先增大后减小的变化趋势，其中在10∶00-15∶00时间段，3 a的平均温度、湿度增量为-1.71 ℃、7.89%，在15∶00-18∶00时间段为-3.24 ℃、9.89%，在18∶00-22∶00时间段为-2.51 ℃、5.95%，而在整个微喷弥雾调控期间，多年平均温度和湿度增量为-2.01 ℃和9.62%。在微喷停止后，温度增量和湿度增量与停止时间之间呈现极显著的相关关系，决定系数在0.96以上，温度和湿度增量随着时间的延续逐渐减小，约在微喷停止后3 h时接近不喷水处理的温度和湿度，而且微喷停止后的温度增量与湿度增量之间存在极显著的线性关系(R2=0.95)，可用公式表示为，ΔT=-0.318ΔHR+0.618 3。在果粒上，微喷处理的平均果粒体积增量在2012-2014年的试验中分别比CK高3.5、4.4和2.9 cm3，平均增长速率比CK处理高0.12 cm3/d。在产量上，WP1处理3年试验中均最大，微喷处理平均产量在2012-2014年中分别比CK高2 627.22、1 295.46和3 733.31 kg/hm2。

3年试验表明，在滴灌的基础上采用每天喷水1 h的弥雾调控灌溉，使棚架下温度在26～29 ℃，湿度在57%～59%时，可明显增大葡萄果实体积，提高果粒增长速率和葡萄产量。通过微喷弥雾调控，能够改变棚架微气候，改善葡萄生长环境，促进葡萄果实生长，对葡萄增产起到了一定的作用。