宁夏中部干旱带水肥一体化苹果滴灌灌溉制度及生长影响研究

梁博惠，唐 瑞，张上宁，何宝银

(宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021)

0 引 言

苹果产业是我国第一大果品产业，据联合国粮农组织统计，2013年我国的苹果种植面积和产量分别占世界的46.19%和49.10%，居世界第一[1]，宁夏现有苹果种植面积5.1 万hm2，年产量约55 万t，苹果产业被列为宁夏13个农业特色优势产业之一[2]，水分是果树生长的必要条件，杨洪强研究表明，最适宜苹果根系生长的土壤水分含量为田持的60%～80%[3]。

随着节水技术的推广，苹果种植多采用沟灌、畦灌与滴灌，众多学者针对不同的灌溉方式[4]、覆膜方式[5]等对苹果的影响也进行了探究[4]，但是沟灌与畦灌耗水量大，而滴灌因其具有节水节能，对不同的土壤和地形适应性强，高产等优点，在当前水肥一体化的种植方式中被广泛应用[6,7]。水肥一体化是集成了灌溉与施肥的农业技术[8]，因此合理的滴灌施肥技术参数与滴灌制度对节肥节水，果树优质高产具有显著影响[8]。杜志辉[10]等、张大鹏[11]研究表明在水肥耦合处理下不同的施肥处理会影响苹果生长于产量，路永莉等研究表明滴灌施肥优于传统施肥[12]，闫红丽[13]等研究表明7cm深度苹果生理状况最好，李怀有[14]采用水量平衡方法得出滴灌苹果最优灌溉四次，对于大株距果树，毛管布设“S”形半固定式最佳。

由于宁夏中部干旱带降雨较少，干旱缺水是最大的自然特征，这些自然环境严重制约着苹果产业的发展，因此滴灌等节水技术的应用与推广对于苹果等产业的发展极其重要[15]，本文通过采用水肥一体化技术，探究适宜宁夏中部干旱带不同水肥一体化灌溉制度对土壤水分及苹果生长的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况试验设计

试验于2015年4月-2016年11月在同心县丁塘镇优质苹果高效节水栽培综合生产试点进行，试验点位于北纬36°34′～37°32′，东经105°17′～106°41′，属典型大陆性季风气候，年均降水量277 mm，其中7-9月份降水量占全年总降水量的66.5%，蒸发量2 334.5 mm以上，年平均气温8.8 ℃，7月份平均气温为22.8 ℃，极端最高气温38.5 ℃，通过多点采样与分析化验，土壤母质主要是黄土母质和洪积冲积母质，黄土母质疏松多孔，通体均质，剖面中砾石含量很少，有效土层相对较厚，适宜于农业生产。试验区土壤质地主要为粉沙壤土。试验区土壤物理性质及2015年、2016年降雨量见表1和表2。

表2 2015、2016年试验区降雨量监测表 mm

试验以5-6年生矮化新红星苹果树为研究对象，设置水分处理：低水(W1)2700 m3/hm2、中水(W2)3450 m3/hm2、高水(W3)4200 m3/hm2；肥料处理：低肥(F1)555 kg/hm2、中肥(F2)675 kg/hm2、高肥(F3)795 kg/hm2，全部处理为T1(W1F1)、T2(W2F1)、T3(W3F1)、T4(W1F2)，T5(W2F2)、T6(W3F2)、T7(W1F3)、T8(W2F3)、T9(W3F3)，采用随机区组排列，共9个处理，重复3次，共27个小区，三株为一个小区，供试滴灌专用肥采用单质肥尿素、磷酸一铵、硫酸钾进行配置，根据新红星苹果生长发育需水需费规律，分为6个生育期进行不同量的灌水和施肥，具体试验设计方案见表3。栽植行株距为3 m×4 m，亩栽植55株。环状铺设Φ16的滴灌管，圆环直径1 m，每株果树安装流量为4.2 L/h的滴头5个，园区内农艺管理措施统一进行。

1.2 测定项目与方法

土壤含水量测定：利用环刀法测出试验区土壤田间持水量为20.8%(占干土重百分比)，测得试验区土壤容重为1.44 g/cm3。利用PR2/6土壤水分测量系统测定土壤体积含水量，测量10、20、30、40、60和100 cm 6个层面土壤含水量，生育期每10 d测一次，降雨阶段前后、灌水前后加测一次。

生长量的测定：新梢生长量从5月底-10月初，每15 d测定新梢长度(标记并用刻度尺测定)，计算新梢生长量。

叶绿素含量的测定：从5月底-10月初，早晨8∶00左右用CCM-200叶绿素计测定不同处理新梢叶片相对叶绿素含量，每重复选取不同方位有代表性的新梢成熟叶片，每15 d测定一次。

产量及品质的测定：在果实成熟期(9月下旬)，对果树进行采摘、分级、称重，并统计单株果数、单株产量、单果重。

1.3 数据处理

本试验原始数据的前期归纳总结采用Microsoft Excel 2007软件，用SPSS22.0 Duncan新复极差法对试验数据进行因素方差和显著性检验分析，用Origin9.0、Excel软件绘图。

表3 苹果水肥耦合灌溉制度试验设计表

注：施肥量为纯营养元素的各单质肥(N、P2O5、K2O)的总量。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理对新红星苹果全生育期土壤水分变化的影响

2015年按照试验设计全生育期共灌水12次，2016年按照试验设计全生育期灌水12次。整理不同水肥处理0～20、20～30、30～40、40～60、60～100 cm土壤含水量数据并绘制各处理全生育期5个土层的土壤水分动态变化过程线(图1)，以处理3、处理6、处理9为例，其他省略。

从图1中看出2015-2016两年整个生育期中，苹果根区不同土层土壤水分变化规律基本一致，在各次灌水后土壤含水量发生显著变化，各层土壤含水量随着灌水量的增加而增加，整个土层深度中在20～60 cm土层土壤含水量最大，在8.6%～28.7%之间变化，各层土壤含水量均围绕60%田间持水量(体积法测得田间持水量为29.9%)发生变化，100 cm深处灌水前后土壤含水率变化幅度较小，是因为计划湿润层为80 cm，因此灌水后土壤未湿润至100 cm土层。在落叶期由于人为控制灌溉水量，各层土壤含水量较萌芽开花期、果实膨大期含水量低。但总体土壤含水量处于较适宜的范围，为作物创造了有利的水分生长环境，在整个生育期作物长势旺盛、均匀。

图1 2015-2016年部分处理生育期部分处理土壤含水量动态变化过程

综上得出，在各次灌水后土壤含水量发生显著变化，随着灌水量的增大，各层土壤含水量同期相应增大，各层土壤含水量均围绕60%田间持水量发生变化，在20～60 cm土层土壤含水量最大，土壤含水量最大层在8.6%～28.7%之间变化。

2.2 苹果生育期耗水量及耗水强度

本试验在田间条件下采用水量平衡法对苹果耗水量和耗水过程进行分析，试验区地下水位埋藏较深，不考虑地下水补给，生育期内降雨量较少，因此对地表径流量进行忽略，在不考虑深层渗漏量的情况下，试验区水量平衡可用下式[16]：

ET=(W0-WE)+M+P

式中：ET为耗水量，mm；W0、WE为生育期某阶段初、末100 cm土层的土壤含水量，mm；M为某阶段内的灌水量，mm；P为某阶段内的降雨量，mm。

从图2中看出萌芽开花期气温较低，果树生长缓慢，对水分的需求量较少，成熟期苹果生理活动开始变缓，因此这两个阶段耗水量较低，而落叶期由于该生育期时间较，因该时段较长，为苹果采摘阶段，因此作物耗水量高于萌芽开花期与成熟期。

2015年各处理全生育期耗水量范围在457.98～610.09 mm区间，2016年各处理全生育期耗水量在430.67～635.59 mm之间，2015年各处理总耗水量大小依次为T9>T6>T3>T8>T5>T2>T4>T7>T1，2016年耗水量大小依次为T3>T6>T9>T2>T5>T8>T4>T1>T7。可以看出灌水量高的处理T3、T6与T9的耗水量均高于其他处理但是施肥量的增加对作物的耗水量影响不明确。

耗水强度( mm/d)=耗水量/灌水时间，新红星苹果各生育期耗水强度见图2。由图2可知，2015-2016年苹果全生育期内耗水强度从萌芽开花期至落叶期呈先上升后着下降再上升又下降的趋势，果实膨大期耗水强度达到顶峰。从总体来看，各处理随着灌水量的增加，耗水强度也随之增加。

图2 2015-2016年苹果耗水量及耗水强度变化图

综合得出5～6年生的新红星苹果在萌芽开花期耗水强度为1.28～3.22 mm/d；花后期耗水强度为1.97～4.10 mm/d；花芽分化期耗水强度为1.56～3.52 mm/d；果实膨大期耗水强度为2.90～4.91 mm/d；成熟期耗水强度为1.33～3.08 mm/d，落叶期耗水强度为0.97～2.15 mm/d。

2.3 不同处理对新红星苹果生理指标的影响分析

生理指标主要监测不同处理叶片叶绿素含量。苹果产量源于光合作用，而光合作用的完成又依赖于叶绿素含量的多寡[17]。于2015年8月27日与2015年9月1日对各处理叶片叶绿素含量进行监测，不同处理对新红星苹果成熟期叶绿素监测值见图3所示。2015、2016年T9的叶绿素含量最高，分别为69.1和67.1，两年间苹果树整个叶绿素的变化范围为57.7～69.1，2015年与2016年相比变化不大。随着生育期的推进，当施肥量相同灌水量不同时各个处理之间的叶绿素相差不大，当灌水量相同施肥量不同时，各处理中随着施肥量的增加各处理叶绿素呈增加趋势。

2.4 不同水肥处理对新红星苹果品质及产量的影响

2.4.1 不同水肥处理对新红星苹果外观品质的影响

不同试验处理新红星苹果外观品质见表4，由表4可以看出2015与2016年年单果最大重均为T5，分别为224.4 g，314.8 g，两年的整体表现分别为T5>T6>T8>T3>T2>T9>T4>T7>T1，T5>T9>T6>T8>T2>T4>T7>T3>T1；果形指数最大分别为T8与T9，果实分级中2015年T5处理80 mm以上达66.06%，T9处理70 mm以上达98.8%，T1处理70 mm以上为86.11%，2016年T6处理苹果直径80 mm以上达86.57%，T8处理80 mm以上达86.14%。综合得出施肥量和灌水量对单果重和商品果率影响较大。2016年苹果单果重和苹果直径大于80 mm以上的均比2015年高。

图3 不同处理苹果叶片叶绿素含量 注：不同小写字母表示不同生育阶段各个处理之间的差异性达到显著水平，下同。

表4 2016年试验处理新红星苹果外观品质

注：各处理定级用100个样品；果形指数=果实纵径/果实横径。

2.4.2 不同水肥处理对新红星苹果内在品质及产量的影响

不同水肥处理对新红星苹果内在品质及产量的影响见表5。从表5中看出，2015年新红星苹果产量T6最高为7 103.25 kg/hm2，表现为T6>T9>T5(T8)>T7>T3>T4>T2>T1；当施肥量相同，随着灌水量的增加，产量的增量变化范围为4.13%～32.52%，当灌水量相同，随着施肥量增加，产量的增加范围为28.94%～48.78%；2016年新红星苹果产量T5最高为8 318.85 kg/hm2，表现为T5>T6>T9>T4>T8>T7>T3>T2>T1，当施肥量相同，随着灌水量的增加，产量的增量变化范围为7.25%～22.31%；当灌水量相同，随着施肥量增加，产量的增加范围为21.34%～46.57%。说明苹果的产量会随着灌水量与施肥量的增加而增加，且施肥量对苹果的产量较灌水量的影响大。

根据水利行业标准《农村水利技术术语》(SL56-2013)[18]，作物水分生产率为作物产量与全生育期耗水量的比值，单位为kg/m3。2015年水分生产率T5最大为1.21 kg/m3，表现为T5>T6>T8>T7>T9>T4>T2>T1>T3；2016年水分生产率T5最大为1.60 kg/m3，表现为T5>T4>T8>T7>T9>T6>T1>T2>T3，各处理间灌水分生产率差异不大。

2015年各处理果实硬度在2.61～3.19 kg/cm2之间。处理T5、T7、T3、T1较高分别为3.19、3.12、2.96、2.88 kg/cm2，各处理间变化不大。2016年各处理果实硬度在5.01 ～6.12 kg/cm2之间。处理T5、T1、T2、T3较高分别为6.12、6.12、6.09、5.75 kg/cm2，各处理间相差较小。2015和2016年间差异较大是监测时间不同所造成。可溶性固形物是糖、有机酸及其他固体物质的总和，是苹果重要的品质指标。2015年不同处理苹果可溶性固形物值为9.1%～13.3%，其中处理T6、T5、T3、T8较大，分别为13.30%、13.1%、12.8%、12.8%，处理T2、T1分别为9.6%、9.1%。2016年不同处理苹果可溶性固形物值为12.3%～14.1%，其中处理T5、T2、T4、T1较大，分别为14.3%、14.1%、13.5%、13.5%。2015年不同处理可滴定酸的范围为1.43～2.18 g/kg，处理T7、T5、T4较大，分别为2.18、1.91、1.90、1.83 g/kg。2016年不同处理可滴定酸的范围为1.74～2.68 g/kg，处理T3、T2、T1较大，分别为2.68、2.39、2.28 g/kg。2015年各处理可溶性糖在2.15%～2.44%之间，各处理间变化不大。2016年各处理可溶性糖在9.24%～10.04%之间。Vc具有还原性质，即抗氧化作用，保持苹果的新鲜香味。2015年不同处理苹果Vc含量在1.88～2.72 mg/100 g之间。处理T6、T3、T9的含量较大分别为3.69、2.72、2.85 mg/100 g,处理T7、T8较低分别为1.88、1.89 mg/100 g。2016年不同处理苹果Vc含量在4.22～5.47 mg/100 g之间。处理T8、T9、T5的含量较大分别为5.47、5.24、5.01 mg/100 g，处理T4、T2较低分别为4.52、4.22 mg/100 g。综合来看施肥量与灌水量的变化对果实的品质的影响不具有规律性，T5处理总体考虑品质指标较好。

表5 生育期不同处理对苹果产量、品质及作物水分生产率的影响

因此综合以上试验结果，采用处理T5作为推荐水肥组合方式，可以达到更好的节水高产效果。

3 结 论

(1)在各次灌水后土壤含水量发生显著变化，随着灌水量的增大，各层土壤含水量同期相应增大，各层土壤含水量均围绕60%田间持水量发生变化，在20～60 cm土层土壤含水量最大，在8.6%～28.7%之间变化。

(2)5～6年生的新红星苹果在萌芽开花期耗水强度为1.28～3.22 mm/d；花后期耗水强度为1.97～4.10 mm/d；花芽分化期耗水强度为1.56～3.52 mm/d；果实膨大期耗水强度为2.90～4.91 mm/d；成熟期耗水强度为1.33～3.08 mm/d，落叶期耗水强度为0.97～2.15 mm/d。

(3)随着生育期的推进，当施肥量相同灌水量不同时各个处理之间的叶绿素相差不大，当灌水量相同施肥量不同时，各处理中随着施肥量的增加各处理叶绿素呈增加趋势。

(4)苹果的产量会随着灌水量与施肥量的增加而增加，且施肥量对苹果的产量较灌水量的影响大，综合来看施肥量与灌水量的变化对果实的品质的影响不具有规律性。

(5)综合5～6年生新红星在平水年型(P=50%)下水肥一体化滴灌灌溉制度：灌溉定额3 450 m3/hm2，全生育期灌水12次，萌芽期300 m3/hm2，花期300 m3/hm2，花后期灌水2次分别为300 m3/hm2，花芽分化期2次分别为225 m3/hm2，果实膨大期4次分别为300 m3/hm2，成熟期1次，225 m3/hm2，落叶期375 m3/hm2；施纯营养元素肥共675 m3/hm2，全生育期共施肥8次，其中萌芽开花期施肥75 m3/hm2(N∶P2O5∶K2O为2∶1∶1)，花后期2次，各施肥75 m3/hm2(N∶P2O5∶K2O为2∶1∶1)，花芽分化期90 m3/hm2(N∶P2O5∶K2O为2∶1∶2)，果实膨大期3次，各90 m3/hm2(N∶P2O5∶K2O为2∶1∶2)，成熟期90 m3/hm2(N∶P2O5∶K2O为1∶1∶3)。在以上处理下新红星苹果产量为6 237～8 318.85 m3/hm2，水分生产率为1.21～1.60 kg/m3。

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