葡光互补对吐鲁番‘无核白’葡萄生长的影响

董凯向，贾舟楫，高 展，褚佳瑶，周 龙，方海龙

(1.新疆农业大学 林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052；2.吐鲁番高新农业科技示范园区，新疆吐鲁番 838000)

吐鲁番是享誉中外的葡萄之乡，同时也是中国最大的无核葡萄种植区及葡萄干生产基地。自1979年吐鲁番被列为国家重点葡萄生产基地以来，吐鲁番葡萄产业得到了突飞猛进的发展，年平均新增葡萄面积933.34hm2[1-2]。2008-2016年，吐鲁番的葡萄种植面积逐年增加，从2008年的2.99×104hm2增长至3.61×104hm2，增加了6.2×103hm2，葡萄产量由7.4×105t增长至9.87×105t，增加了2.47×105t。吐鲁番主栽品种为‘无核白’葡萄，占总栽培面积的90%以上，‘无核白’葡萄已成为当地的主要经济作物[3]。近年来，吐鲁番地区极端高温天气频繁发生，抑制了葡萄正常生长发育，严重阻碍了吐鲁番葡萄产业的发展，因此对吐鲁番葡萄进行遮阴处理并优化其架面进而改善葡萄生长环境已成为当地政府亟待解决的问题[4]。

葡光互补是集光伏发电、葡萄种植及农业技术为一体的光伏农业，采取双向管理运营，最大限度地利用当地土地资源和葡萄特色产业，棚架顶部通过光伏发电，棚架下面种植葡萄，并利用光伏支架对传统小棚架葡萄园进行架式改革，提升葡萄品质，增加葡萄产量，推动葡萄产业转型升级。光照强度是影响植物生长的重要环境因子之一[5]，是叶片光合作用的能源。在生产上果树丰产、优质的前提是掌握果树芽、枝叶和果实的生长发育规律，因地制宜的制定相应栽培措施[6-7]，因此提高葡光互补栽培模式中葡萄的品质和产量，首先要了解在葡光互补栽培模式中葡萄枝叶生长发育规律。在葡光互补栽培模式中，光伏板会对葡萄产生一定程度的遮阴，从而对葡萄的生长发育产生影响。史静等[8]研究遮阴对苜蓿生长的影响时发现，遮阴条件下苜蓿叶片干质量和叶面积显著下降；李永进等[9]研究遮阴对假俭草生长的影响时发现，随着光照度的减弱，假俭草的叶片长度显著增加，但显著降低了叶片厚度和茎增长速度；章小林[10]认为葡萄的果粒大小、果粒质量、色泽等指标会随着光照强度的变弱而下降；在葡萄开花期轻度遮光，对花粉发芽率、花粉光伸长及雌蕊的受精能力并无不良影响[11]；杨胜伟等[12]研究钩藤生长的适宜遮阴度时发现，光照过强或过弱均会抑制枝叶的生长，反而轻度遮阴处理更适宜钩藤枝叶的生长。前人研究遮阴处理对葡萄生长发育的影响时，多采用遮阳网、温室等全部遮阴的形式，葡光互补这种间隔遮挡的形式尚未见报道。虽然农光互补近年来在国内发展迅速，目前已经出现了渔光互补、光伏蔬菜大棚、光伏日光温室等新型农业模式，但光伏板和葡萄相结合还是首次，关于光伏板对葡萄枝叶生长动态的研究报道较少。因此，本试验以‘无核白’葡萄为试材，研究葡光互补栽培对‘无核白’葡萄萌芽率及芽、枝叶和果实生长发育动态的影响，以期找到适合葡萄生长的光伏板密度，为葡光互补新型栽培模式在吐鲁番地区的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验地位于新疆吐鲁番市高昌区亚尔乡亚尔果勒村的吐鲁番现代农业科技示范园区(42°56′N，89°05′E)，属暖温带大陆性干旱荒漠气候，年均降水量16.4 mm，年均蒸发量2 837.8 mm，年日照时数3 200 h，年均气温14.5 ℃，极端高温49.6 ℃，日最高气温高于35 ℃的天数年均100 d以上，高于40 ℃的天数年均35 ～40 d，无霜期268 d。供试材料为7 a生‘无核白’，树体健康，树势中庸，葡萄园为沙质土壤，采用棚架栽培，东西行向，枝蔓方向为由北至南，采用常规水肥管理。

1.2 试验设计

葡光互补栽培抛弃传统的水泥立柱和木头，改用钢架来搭建葡萄棚架，钢架间的跨度为4.6 m，行距4.1 m，架面的前后高度分别为1.7 m和1.9 m。2017年3月在钢架顶端安装光伏板，规格为0.9 m×1.64 m，设4个遮阴梯度，如图1所示。试验地设置为葡光互补栽培钢架未安装光伏板(CK)和光伏板间隔分别为1.5 m(C1)、1.0 m(C2)、0.5 m(C3)4个处理，面积共0.67 hm2，传统的小棚架葡萄园表示为NEA，其架面高度一般为1.2～1.5 m。

C1. 光伏板间隔1.5 m Photovoltaic panels are spaced 1.5 m apart；C2. 光伏板间隔1.0 m Photovoltaic panels are spaced 1.0 m apart；C3. 光伏板间隔0.5 m Photovoltaic panels are spaced 0.5 m apart；CK. 未安装光伏板 No photovoltaic panels installed；NEA. 传统小棚架 Traditional small trellis

图1 不同密度光伏板在试验地的分布
Fig.1 Distribution of different density photovoltaic panels in the experimental field

1.3 试验方法

1.3.1 物候期观察 参照《葡萄种质资源描述规范和数据标准》[13]，于2017年3月17日葡萄出土后开始进行，每个处理(C1、C2、C3、CK、NEA)选择3株标准树，挂牌标记，直至葡萄成熟，每天观察1次。

萌芽期是指3%～5%的绒球状芽露出绿色的日期；展叶期是指叶片开始从芽体展露出来的时间；初花期是指最早葡萄花开的时间；坐果期就是葡萄形成的幼果能正常生长发育而不脱落的时期；转色期是指3%～5%的果实由绿色逐步开始变得透明的时期；成熟期是指果实表现出固有的色泽，含糖量大约达到17%的时期。

1.3.2 芽生长动态观测 在葡萄出土5 d后，每个处理(C1、C2、C3、CK、NEA)选择生长势相同，粗度基本一致的枝条，用标签标记第3节位上的冬芽，每个处理共标记30个芽，每间隔3 d用游标卡尺测量1次标记芽的纵径和横径，直到叶片展开为止，记录叶片开展时间。计算发育周期和生长速率；每个处理的长结果母枝(7～9节)、中结果母枝(4～6节)和短结果母枝(1～3节)各选择30个，统计结果母枝上的节数，已经萌发的芽数，抽干或未萌发的芽数量，然后计算萌芽率，每处理重复3次，取其平均值。

发育周期为从最初萌芽到展叶的时间。

生长速率=(L+C)/2/T， L为展叶时芽纵径，C为展叶时芽横径，T为发育周期。

萌芽率=总萌芽数/芽眼总数×100%

1.3.3 叶片生长发育动态观测 在展叶期每个处理(C1、C2、C3、CK、NEA)选择生长势相同，粗度基本一致的10根新梢，每个新梢用标签标记第3片叶，每间隔5 d用游标卡尺测量1次叶片的主脉长度和叶片宽度。每间隔10 d每个处理另选择生长势相似的10根新梢，摘取第3片叶，用万分之一电子天平测量叶片质量，用游标卡尺测量叶片厚度。计算叶片发育周期和生长速率，每处理测定3次，取其平均值。

发育周期为从最初展叶到叶片大小不发生变化的时间。

生长速率=(完全叶纵径+完全叶横径)/2/发育周期

1.3.4 新梢生长发育动态观测 在新梢生长期每个处理(C1、C2、C3、CK、NEA)选择生长势相同，粗度基本一致的10根新梢，每个新梢用标签标记第3节，每间隔5 d用游标卡尺测量1次节的粗度和长度。每个处理另选择生长势相似的新梢作为对照枝条，每间隔10 d摘取第3节位测量单节质量。计算节发育周期和生长速率，每处理测定重复3次，取其平均值。

发育周期为从第3片叶出现到第4叶片大小不发生变化的时间。

生长速率=节长/发育周期

1.3.5 果实生长发育动态观测 在坐果期每个处理(C1、C2、C3、CK、NEA)选择生长势相同，粗度基本一致的3根结果枝，在其上用标签标记1穗葡萄，每穗葡萄选择10粒(穗肩3粒，穗中4粒，穗尖3粒)，每间隔5 d用游标卡尺测量1次果实的纵径和横径。每个处理另选择生长势相似的果穗作为对照，每间隔10 d摘取10粒果实测量单果鲜质量，然后烘干测量单果干质量。计算果实发育周期和生长速率，每处理测定3次，取其平均值。

发育周期为从坐果开始到果实成熟的时间。

生长速率=(果实纵径+果实横径)/2/发育周期

1.4 数据统计

采用Excel 2010和SPSS 19.0对试验数据进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同密度光伏板处理对‘无核白’物候期的影响

表1显示，在吐鲁番地区‘无核白’葡萄萌芽期主要集中在3月下旬，CK和C1最早进入花芽萌动期，均为3月28日；C2和NEA居中，花芽萌动最晚的是C3，比CK晚3 d。初花期主要集中在5月上旬，CK和C1最早进入开花期，均为5月3日，初花期最晚的是C3，比CK晚5 d。坐果期最早的是CK，出现在5月13日，NEA居中，比CK晚3 d，坐果期最晚的是C3，比CK晚4 d。CK最早进入转色期和成熟期，分别为7月8日和8月20日，C3最晚进入转色期和成熟期，C1和C2进入转色期和成熟期均晚于CK，但都早于NEA。

表1 不同密度光伏板处理下‘无核白’物候期Table 1 The phenophase of ‘Thompson Seedless’ grape in the different treatments of photovoltaic panels

2.2 不同密度光伏板处理对‘无核白’芽生长的影响

由图2可知，‘无核白’葡萄的萌芽率随着光伏板密度的增加而降低。各处理中平均萌芽率最高的是CK，为62.45%，平均萌芽率最低的是C3，为60.22%，其余处理萌芽率均为61%～62%。各个处理长、中、短3个果枝类型中，均为短果枝的萌芽率最高，在67%以上，其中C3的短果枝萌芽率最高，为69.44%，比CK增加了 1.63%，C1的短果枝萌芽率最低，为67.22%，比CK降低1.63%。长果枝和中果枝的萌芽率较低，除了CK长果枝萌芽率为60.74%外，其他处理的长果枝和中果枝的萌芽率都在60%以下，长果枝中C3的萌芽率最低，为54%，比CK降低了11.10%，NEA长果枝的萌芽率均比CK降低 2.98%；中果枝中C1的萌芽率最高，比CK增加了2.10%。由图3可知，在不同密度光伏板遮阴下，CK、C1、C2、C3和NEA的冬芽纵径和横径的生长趋势基本一致，随着光伏板密度的增大，芽的纵和横径呈先升高后降低的趋势，即C1>CK>C2>NEA>C3。

图2 不同密度光伏板处理下‘无核白’不同果枝类型萌芽率Fig.2 The germination rate of different fruit branch types of ‘Thompson Seedless’ grape at the different densities of photovoltaic panels

图3 不同密度光伏板处理下‘无核白’芽生长动态Fig.3 The growth dynamics of ‘Thompson Seedless’ buds at the different densities of photovoltaic panels

2.3 不同密度光伏板处理‘无核白’叶生长的 变化

由图4-A可知，在不同密度光伏板遮阴下，CK、C1、C2、C3和NEA的叶长和叶宽的生长趋势基本一致，随着光伏板密度的增大，叶长和叶宽呈先升高后降低的变化趋势，即C1>C2>CK>C3>NEA。叶片的生长速率随着光伏板密度的增大，表现出先升高后降低的变化趋势，C1的生长速率为4.40 mm/d，C2的生长速率为4.18 mm/d，分别比CK增加9.47%和3.89%；C3和NEA的生长速率均为3.93 mm/d，比CK降低2.37%(图4-B)。单叶质量随着光伏板密度的增大呈先升高后降低的变化趋势，C1的叶片质量最大，为2.68 g，比CK增加2.64%；C3的叶片质量最小，为2.47 g，比CK降低5.64%；C2和NEA分别比CK降低2.32%和2.06%(图4-C)。

图4 不同密度光伏板处理下‘无核白’叶生长动态Fig.4 The growth dynamics of ‘Thompson Seedless’ leaves at the different densities of photovoltaic panels

2.4 不同密度光伏板处理对‘无核白’新梢生长的影响

由图5可知，随着光伏板密度的增大，CK、C1、C2、C3和NEA的新梢长度和粗度的生长趋势基本一致。4月25日之前为快速生长期，CK、C1、C2、C3和NEA的新梢长度生长量分别占总生长量的87.14%、90.24%、88.76%、86.23%和89.28%，新梢粗度生长量分别占总生长量的 82.19%、83.49%、80.25%、78.77%和78.48%。C1的新梢长度和粗度的生长速率最快，明显优于CK，随着光伏板密度的增加，新梢生长速逐渐率降低。

2.5 不同密度光伏板对‘无核白’果实生长的 影响

由图6-A可知，‘无核白’果实先快速增长，随后增长较为缓慢直至达到稳定。CK、C1、C2、C3和NEA的果实生长趋势基本一致，随着光伏板密度的增大，果实纵径和横径均呈先升高后降低的变化趋势。截至8月10日，C1的果实纵径为19.32 mm，C2的果实纵径为19.12 mm，分别比CK增加1.08%和0.04%；C3的果实纵径最小，为18.81 mm，比CK降低1.58%。截至8月17日，单果鲜质量和单果干质量随着光伏板密度的增大表现出先升高后降低的趋势，即C1>C2>CK>C3>NEA，C1的单果鲜质量最大，为3.06 g，比CK增加0.5%；C3的单果鲜质量最小，为2.96 g，比CK降低2.78%(图6-B)。

3 讨 论

3.1 关于葡光互补栽培模式的探讨

世界主要葡萄种植区均面临着气候变暖的危机，尤其是进入21世纪以来，葡萄生长季的强光辐射、异常高温等极端气候频繁发生，这是传统葡萄种植区必需要面临的严峻考验[14]。吐鲁番葡萄产区除了要面对近年来极端高温不断刷新的考验外，传统低矮的小棚架也是限制葡萄产业的重要原因，除了不便于机械化外，其郁闭的架面常常是引发和加重葡萄病害的重要因素[15]，面对这些问题，葡光互补新型栽培模式应运而生。虽然光伏板发电和葡萄种植是首次相结合，但其与现代农业中的种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力等产业有机结合起来的先例很多，如光伏日光温室、光伏蔬菜大棚、“渔光互补”水产养殖、光伏畜禽养殖等新兴的农业模式[16-17]。作为农业大国，光伏农业为中国发展低碳经济、节能减排、开发绿色清洁新能源提供了新的思路，将是现代农业未来很好的一个发展方向。葡光互补栽培模式最大限度地利用了当地土地资源和葡萄特色产业，采取双向管理运营，棚架顶部通过光伏发电，打造以“自发自用、余量上网、电网调节”的运营模式；棚架下种植葡萄，并利用光伏支架对传统小棚架葡萄园完成的架式改革来打造以现代农业为主的特色旅游区，从而达到架上清洁发电及架下高效种植的效果。

图5 不同密度光伏板处理下‘无核白’新梢生长动态Fig.5 The growth dynamics of new shoots of ‘Thompson Seedless’ grape at the different densities of photovoltaic panels

图6 不同密度光伏板处理下‘无核白’果实生长动态Fig.6 The growth dynamics of fruit of ‘Thompson Seedless’ berry at the different densities of photovoltaic panels

3.2 不同密度光伏板对‘无核白’叶片生长的 影响

叶片是植物进行光合作用的重要场所，植物光合效率与叶面积有密切关系，光照强度对叶面积的影响作用显著[18]。本研究发现，轻度遮阴(C1)条件下，‘无核白’葡萄叶片平均单叶纵横径均高于全光照条件(CK)。这与战吉成等[19]在研究弱光环境下生长的葡萄叶面积增加的结果一致。梁曼曼等[20]在研究核桃对光照的需求及适应性时同样发现，遮阴条件下核桃的平均单叶面积和叶片长度均显著优于全光照条件。推测是因为吐鲁番位于盆地之中，四面环山，素有“火洲”之称，其高温强光的环境条件对葡萄生长产生了强光胁迫[21]，损伤了‘无核白’葡萄光合机构活性，导致光抑制现象发生。适度遮阴改善了‘无核白’葡萄树体光环境，缓解了光照过强所造成的光合效率下降，使其更加高效地获取光能，提高光合作用效率，以供叶片生长需要。而随着光伏板密度的增大，遮阴程度加剧，弱光胁迫对‘无核白’葡萄叶片生长同样产生抑制作用，中、重度遮阴抑制叶绿素的合成，进而降低了碳水化合物的合成，其叶片纵横径随着遮阴程度增大呈减小趋势。

3.3 不同密度光伏板对‘无核白’新梢生长的 影响

葡萄新梢形态在环境变化中具有较高的敏感性和可塑造性，新梢形态特征的变化表现了植物对环境的适应能力[22]。本研究发现，轻度遮阴(C1)条件下，‘无核白’葡萄新梢长度与粗度均大于全光照(CK)条件，且随着光伏板密度的增大，新梢长度与粗度表现出逐渐下降的趋势。周琳耀等[23]和莫伟平等[24]在研究遮阴对荔枝枝梢生长的影响时发现，遮阴处理显著抑制了枝梢生长。轻度遮阴促进了吐鲁番‘无核白’新梢的增长，这与周琳耀等[23]和莫伟平等[24]的研究结果不一致，考虑是由于吐鲁番高温强光低湿的环境条件抑制了‘无核白’葡萄新梢的生长，而轻度遮阴(C1)降低了无核白葡萄树体所处环境的温度与光强，缓解了高温强光对新梢生长的抑制。随着光伏板密度的增加，遮阴强度增大，过度遮阴影响葡萄叶片叶面积，进而影响光合作用，光合产物降低，使得输送到新梢的营养物质减少，导致新梢长度和粗度逐渐减小[25]。

3.4 不同密度光伏板对‘无核白’果实生长的 影响

‘无核白’葡萄无论是营养生长还是果实的形态建成，均受光照条件的影响，光照过强或过弱均会抑制其生长[26]。本研究发现，轻度遮阴(C1)条件下，‘无核白’葡萄果实纵横径与单粒质量均大于全光照(CK)条件，且随着光伏板密度的增大，果实纵横径与单粒质量逐渐下降。李勃等[27]在研究遮阴对夏黑葡萄生长的影响时发现，遮阴处理后，果实大小、果粒质量显著变小。闫静等[28]在研究光照强度对‘贵州兔眼’蓝莓果实品质的影响时发现，轻、中度遮阴减小了‘梯芙蓝’和‘灿烂’的果实大小和果实质量。本研究中轻度遮阴促进了吐鲁番‘无核白’果实的增长，这与李勃等[27]和闫静等[28]的研究结果不一致，考虑是由于吐鲁番极端高温强光的环境条件对‘无核白’葡萄的生长产生了光抑制，产生“光合午休”现象，导致叶片光合效率下降，果实中的碳水化合物积累减少，不能满足果实生长需要，从而抑制了果实的增大。而轻度遮阴(C1)降低了‘无核白’葡萄树体所处环境的温度与光强，缓解了“光合午休”现象，提高了叶片光合效率，光合产物积累增多，促进了果实的生长。随着光伏板密度的增加，遮阴强度增大，光伏板阻拦了过多的光能，影响了葡萄叶面积，进而降低了叶片光合效率，光合产物降低，使得输送到果实的营养物质减少，从而抑制了果实的生长。

4 结 论

本研究通过对吐鲁番葡光互补栽培下‘无核白’生长发育动态的研究表明，轻度遮阴条件下(C1)，‘无核白’葡萄的芽、枝叶、果实的生长发育均优于全光照(CK)。轻度遮阴有利于缓解夏季高温强光对葡萄生长发育的危害，但过度遮阴会产生负面影响。所以综合考量不同密度光伏板下葡萄的芽、枝叶和果实生长趋势变化情况，建议在吐鲁番地区推广葡光互补栽培模式时，选择光伏板间隔为1.5 m为宜。