不同时期水分调控对温室滴灌葡萄土壤温度、糖分积累及产量的影响

杨昌钰，张芮，高彦婷，张小艳，王引弟，赵霞，蔺宝军

甘肃农业大学水利水电工程学院，兰州 730070

0 前言

温室栽培葡萄通过日光温室的春季避光和冬季增温调控，增强土壤的蓄热、保温、保湿能力，改善土壤的理化性质，提高土壤的质量和生产力。温室内空气温度和土壤温度是影响作物生长发育的重要因子[1]，在土壤水盐运移[2]、碳源代谢[3-4]、氮素转化[5-6]、农田温室气体排放[7]、土壤酶活性以及微生物[8-9]等方面具有重要意义。土壤温度是土壤热状况的综合表征指标，不同的灌水量能改变温室作物土壤温、湿度和物理、化学及生物学性状，进而直接或间接的影响植株的生长发育，最终影响葡萄的产量和品质；灌溉水温度也在一定程度上影响着灌溉后的土壤温度，对植物根系水分、营养吸收有重要影响[10]。在控制灌溉条件下，土壤通气性与地温都有所提高[11]，而地温的高低变化对近地面气温、植物根系的生长发育、微生物的繁殖及其活动强度均有很大的影响[12-13]。塔娜[14]等研究表明温室内通过降低土壤含水率能够有效提高土壤平均温度。还有研究表明:15 cm土层以上的土壤温度变化比较活跃，30 cm土层以下的土壤温度趋于稳定，受外界环境变化的影响很小[15]。而土壤地温与灌水量密切相关，当灌水量一定时，土层越浅地温影响程度越大；灌水量不同时，土壤地温和灌水量呈负相关；同一土层深度地温变化趋势基本相同[16]。

糖分是调节植株代谢工程和基因表达的信号因子，对果实品质起决定性因素。葡萄果实成熟过程中伴随着大量可溶性糖的转化、合成与分解，糖分积累主要由转化酶 (Inv)、蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)这三种酶相互协同调控。大量研究发现，植物生长发育某些阶段施加一定的水分胁迫，有利于植株的生殖生长、果实糖分的积累，提高果实品质和产量并且大幅度提高水分利用效率。杜太生、林华[17-18]等人在葡萄滴灌试验中得出，当节水效率为 30%时能提高 17%的产量以及 1.9%的含糖量。此外，葡萄果实着色成熟期轻度水分胁迫可使总糖含量提高 22.4%[19]，着色成熟期进行中度胁迫，其还原糖含量比生育期正常供水处理高 6.56%，且有效抑制可滴定酸含量的积累[20]。同时，水分胁迫还会提高转化酶、SS、SPS的活性[21-22]，从而提高糖含量的积累速率，达到果实的充分发育和优质优产。目前的研究多集中在整个发育期(或某一特定生长阶段)水分胁迫对糖分含量的影响，而对糖分积累状况关注较少，极少见到各生育期条件对葡萄糖分积累及糖相关代谢酶活性影响的研究报告。因此，本试验基于前人的研究，以5年栽的‘红地球’为材料，研究了不同时期水分调控对温室滴灌葡萄土壤温度及糖分积累的影响，为进一步了解葡萄水分胁迫的生理代谢机制，完善葡萄的水分调控模式和加强葡萄栽培管理奠定了一定的实践基础及理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年5月—2019年1月在甘肃省兰州市永登县设施葡萄栽培试验基地内完成，土壤是容重为1.41 g·cm-3的壤土，田间持水量(θV)为27.2%，土壤全氮为 0.83 g·kg-1，碱解氮为 36.85 mg·kg-1，硝态氮为 80.67 mg·kg-1，铵态氮为 14.65 mg·kg-1，供试品种为2014年定植的“红地球”。试验区位于东经 102º38′，北纬 36º12′，海拔高程为 2005 m，平均气温为5.9 ℃，年平均降水量为290 mm，蒸发量约为 4500 mm，年日照时数为 2659 h，平均无霜期为121 d，属典型的冷凉型半干旱大陆季风气候。

图1 温室葡萄各月份室温及平均湿度(采用型号为 Watch Dog 2000 Series温湿度自动记录仪)Figure 1 Greenhouse grapes at room temperature and average humidity in each month

1.2 试验设计

供试材料采用5年树龄的欧亚葡萄品种“红地球”，葡萄的架势为矮单篱架，树形为单臂 Y 型。葡萄栽培设施为6 m×80 m的土墙草帘塑料温室大棚，行距2.0 m，株距0.8 m。该试验采用水分单因素胁迫随机试验，将试验对象划分为新梢生长期(5月25日—6月 22日)，开花期(6月 23日—7月15日)，果实膨大期(7月16日—9月14日)，着色成熟期(9月14日—12月8日)四个时期，参考已有文献和前几年该试验点研究资料[23-24]，并结合当地设施栽培葡萄耗水和灌溉经验，在每个生育期依次设置一个干旱胁迫水平(土壤含水率下限为田间持水率θf55%的水分胁迫水平)，共4个干旱胁迫处理；试验均以全生育期土壤含水率下限为θf75%为对照，重复3次。

试验采用 1管 1行控制模式的滴灌灌溉形式，滴头流量q=3 L·h-1，计划湿润层深度为 100 cm，湿润比 0.5。当实测土壤含水率降低至下限值时灌水，灌水定额为270 m3·hm-2，用每个小区安装的阀门和水表控制灌水，灌水后充分供水处理土壤含水率达到 100%FC，重度胁迫达到 80%FC。灌水量和灌水时间由土壤含水率确定，用水表量取。为防止小区之间土壤水横向扩散，在小区边界垂直铺设厚度为2 mm的聚乙烯土工膜，铺设深度100 cm。所有小区施肥、修剪等农艺措施均相同。

1.3 测试指标及方法

1.3.1 样品采集

葡萄果实分别于8月1日、8月22日、9月24日、10月25日进行取样，在每处理小区东西两侧选择长势相近、具代表性的葡萄3—4株，每株选取1穗葡萄，每穗上、中、下部随机选取1粒果实，共计20粒，混匀并迅速带回实验室，贮存于-80 ℃待用。

1.3.2 土壤含水率测定

土壤含水率用烘干法测定，每个试验小区取离根横向距离20—30 cm、纵深分别为10、20、40、60、80、100 cm 处取样，雨前和雨后加测，采用(型号: DHG-9036A)烘箱，105 ℃下烘8小时。

1.3.3 温度的测定

地温测定: 地温计布设在每个小区离根 20 cm处，测量深度依次为5、10、15、20、25 cm。自 2018年5月25葡萄新梢生长期开始进行地温读数，至12月10日葡萄着色成熟期结束为止，地温读数每隔2小时读数一次，分别为早晨8: 00、10: 00、中午12: 00下午14: 00、16: 00、18: 00。

室温与湿度的测定: 在距地面1.5 m高度，架设(型号: WatchDog 2000 Series)温湿度自动记录仪，温度测量范围为-32—100 ℃，精度±0.5 ℃，相对湿度测量范围为 10%—100%(5-50 ℃时)，精度±3%，每0.5 h记录1次气温和湿度。

各月份平均土壤温度等于该月每天所测时间点平均土壤温度(5个土层土壤温度取平均值)的平均值的和。

表1 不同处理的土壤含水率下限(占田间持水率的百分数%)Table 1 Lower limit of soil moisture content of different treatments (percentage of field water holding rate)

积温: 单生育期平均积温为该生育期内每天所测时间点平均土壤温度(5个土层土壤温度取平均值)的平均值的和；全生育期积温为新梢生长期-着色成熟期4个生育期平均积温的和。

1.3.4 葡萄品质的测定

(1) 蔗糖、果糖、葡萄糖采用高效液相色谱法测定。

(2) SS(蔗糖合成酶)和SPS (蔗糖磷酸合成酶)参照 Rufty[25]等方法测定，酸性转化酶(AI)活性和中性转化酶(NI)活性参照许传强[26]等的方法测定。

1.3.5 葡萄产量及生长指标的测定

葡萄成熟时，将小区所有植株的葡萄果穗全部现场收获测产，用感量为0.1 g电子秤称量葡萄鲜重，之后根据小区实际面积换算为标准产量，kg·hm-2。葡萄粒径用精度为0.01 mm的游标卡尺测定，产量以各处理单独采收单独计量。

计算公式为:M=(M1+M2+……+Mn)—(M0×n)式中:M代表每个小区的产量(kg)；M0代表箱重(kg)，n代表箱子数量(个)；M1、M2、……、Mn代表每个小区的封箱重量(kg)；然后测量其每个处理的产量(kg)，换算为标准产量(kg·hm-2)。

1.4 数据处理

试验数据采用 Excel 2007对数据进行整理、SPSS18.0统计软件进行数据分析和作图。对各指标进行单因素方差分析 (One-way AVONA) ，多重比较采用最小显著差异法 (LSD)，显著水平设定为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同时期水分调控对温室滴灌葡萄土壤温度的影响

2.1.1 水分胁迫对月平均土壤温度的影响

各处理2018年5月25日-12月10日在平均土层(5—25 cm)处全天平均气温变化如图2所示，此时段内土壤温度总体动态变化呈先上升后下降趋势，6月份PS处理土壤温度最高，为17.41 ℃，CS处理最低，与 CK 均无显著性差异(P＜0.05)；7、8 月份起多阴雨天气，葡萄叶片生长繁茂，叶面积指数大，大部分覆盖根区地面，根区地面土壤对太阳辐射的吸收能力减弱，致使此阶段地温逐渐下降，并且各处理间无显著性(P＜0.05)差异；9月份开始扣塑料大棚(顶部和底部各留有 50 cm 宽的通风处)以延长葡萄浆果成熟期，此时段 FS处理土壤温度显著(P＜0.05)低于CK处理，而10月起全封，此阶段地温基本呈平缓变化，分别为10 ℃左右，各处理间均无显著性变化(P＜0.05)，12 月份 FS 显著(P＜0.05)高于ES，但与 CK 无显著性差异(P＜0.05)。

图2 2018年不同生育期水分胁迫下月平均土壤温度变化Figure 2 Monthly mean soil temperature changes under water stress at different growth stages in 2018

2.1.2 水分胁迫对不同土层平均积温的影响

水分胁迫对不同土层平均积温的影响如图3所示，新梢生长期PS处理土壤积温最高，FS次之，显著(P＜0.05)高于其他处理，依次比CK处理高10.9%、4.0%；进入开花期，PS、FS处理土壤积温分别为350.95 ℃、351.53 ℃，仍显著(P＜0.05)高于其他处理，CK处理积温为331.92 ℃，较ES、CS高1.8%、2.7%；果实膨大期时，此时的PS处理积温仍为最大值 1213.77 ℃，FS次之，两处理间不存在显著性差异(P＜0.05)，但显著(P＜0.05)高于其他处理，CS 处理土壤积温最小，为1148.04 ℃，相比CK低1.9%，与ES 间无显著性差异(P＜0.05)。到浆果成熟期，PS、FS、ES处理的土壤积温不存在显著性差异，但显著高于CK处理，依次高2.9%、2.6%、3.5%。综合全生育期的积温可以看出，PS为最大值3140.95 ℃，显著(P＜0.05)比其他处理高4.7%、1.4%、4.4%、5.3%，而其他各处理均无显著性差异 (P＜0.05)。

图3 不同生育期水分胁迫下土壤平均累积温度的变化Figure 3 Changes in average soil cumulative temperature under water stress at different growth stages

2.2 不同时期水分胁迫对温室滴灌葡萄糖分积累的影响

不同生育期水分调控下葡萄果实中糖分含量的变化情况如表 2所示，生育期内三种糖分积累均呈缓慢增大趋势。8月1日(果实膨大前期)，各处理间蔗糖含量不存在显著性差异(P＜0.05)，到 8月 24日(果实膨大后期)，各处理蔗糖含量差异逐渐显现，此时 ES 处理蔗糖含量仅 0.31 mg·g-1，显著(P＜0.05)低于其余处理，较CK低9.7%，9月22日(着色成熟前期)，各处理间蔗糖含量仍不存在显著性差异(P＜0.05)，10月25日(着色成熟后期)，CS处理蔗糖含量达 0.59 mg·g-1，显著(P＜0.05)高于其余各处理，较CK 高 25.5%，其余处理间无显著性差异(P＜0.05)；8月1日FS处理的果糖含量(0.95 mg·g-1)最高，PS处理(0.92 mg·g-1)次之，显著(P＜0.05)高于其余处理，较CK依次高20.3%、16.5%，8月24日和9月22日，ES处理均显著(P＜0.05)低于其余各处理，较CK依次低6.3%、5.1%，其余各处理间无显著性差异(P＜0.05)，10 月 25 日，CS 处理果糖含量最高，为 8.08 mg·g-1，较 CK 高 7.6%，但两者之间不存在显著性差异(P＜0.05)，ES 依旧最低，仅为 6.70 mg·g-1；ES 处理的葡萄糖含量在四个时间段均最低，8月1日较CK显著(P＜0.05)低 28%，其余时间段均无显著性差异(P＜0.05)，10月25日，CS处理葡萄糖含量明显高于其余处理，但与 CK 间不存在显著性差异(P＜0.05)，其含量达 8.41 mg·g-1，较其他处理依次高 13.3%、17.5%、5.0%、18.8%。总糖是评价葡萄果实品质，决定其风味的关键因素之一，其含量随着时间推移含量逐渐积累，但各处理间积累规律不尽相同，ES处理的总糖含量在四个生育期内均最低，8月24日、9月 22日显著(P＜0.05)低于 CK，较对照依次低17.6%、8.3%，8月1日、8月24日、9月22日FS处理总糖均最大，分别为 2.43 mg·g-1、12.40 mg·g-1、13.06 mg·g-1，10 月 25 日 CS 处理显著(P＜0.05)高于其余各处理，依次高10.9%、12.6%、9.1%、20.1%。说明果实膨大期亏水抑制葡萄蔗糖、果糖、葡萄糖积累，但复水后由于复水补偿效应能够恢复增长，着色成熟期亏水均能够显著提升蔗糖果糖、葡萄糖含量积累。

表2 不同生育期水分胁迫对葡萄果实糖分含量的影响(mg·g-1)Table 2 Effect of water stress at different growth stages on sugar content of grape fruit.

2.3 水分胁迫对不同时期葡萄果实内糖相关代谢酶活性的影响

表3反映了从果实膨大前期至着色成熟后期水分胁迫对葡萄果实生长过程中糖相关代谢酶活性的影响，果实发育过程中，中性转化酶(NI)呈先上升后下降趋势，8月1日FS显著(P＜0.05)较CK高36.6%，而着色成熟期各处理间均无显著性差异(P＜0.05)。8月1日ES处理酸性转化酶(AI)显著(P＜0.05)低于其他处理，但与CK间无显著性差异(P＜0.05)；8月24日，FS 达最大值 93.35 mg (g·h·FW)-1，显著高于 CS处理(P＜0.05)，但 CS 处理并非最小值，与 CK、PS、ES 间都不存在显著性(P＜0.05)；到 9 月 22 日，此时PS 最小，ES 处理最高，显著(P＜0.05)高于其他处理，依次高8.1%、26%、11.9%、15.7%；到10月25日，CS最小，显著(P＜0.05)低于ES和CK处理。蔗糖磷酸合成酶(SPS)在8月1日和9月22日各处理间均无显著性差异(P＜0.05)；8月24日，CS处理SPS达到最大值 1.83 mg·(g·h·FW)-1，显著(P＜0.05)高于 FS 与对照处理，依次高 31.7%、52.5%；到 10 月 25 日，CS为最大值 2.95 mg·(g·h·FW)-1，显著(P＜0.05)高于其他处理。蔗糖合成酶(SS)在8月1日各处理间无显著性差异；8月24日和9月 22日 ES最小且显著(P＜0.05)低于他处理，分别较CK 低43.8%、11.9%；到10月25日，此时CS处理为最大值31.43 mg·(g·h·FW)-1，PS为最小值 24.54 mg·(g·h·FW)-1，CS 显著高于 FS(P＜0.05)，但 CS、FS 与 CK 无显著性差异(P＜0.05)。

2.4 不同生育期水分胁迫对葡萄产量的影响

表4反映不同生育期水分胁迫对葡萄产量的影响，PS 处理产量最高，为 26038.89 kg·hm-2，CS 次之，均显著(P＜0.05)高于 CK，但二者之间不存在显著性(p＜0.05)差异，ES 减产 9.7%；单个处理穗数 CS、PS均显著(P＜0.05)高于 CK，依次高 13.9%、10.9%，其他处理间不存在显著性差异(P＜0.05)；单穗粒数 PS处理最高，达到 98.33 颗，显著(P＜0.05)高于 CK 处理，而其他处理间均无显著性差异；单粒重各处理依次为 8.9、10.29、9.96、8.03、10.02 g，PS、CS 处理显著(p＜0.05)高于 CK，ES 显著(p＜0.05)低于 CK。

2.5 基于通径分析的葡萄总糖含量影响因素

通径分析表明，积温和AI对总糖含量直接和间接作用很小，可忽略不计，剩余4个自变量中，AI负直接作用最大，通径系数为-0.744，SS直接作用次之，SPS直接作用最小；通过分析各间接通径系数发现，灌溉定额通过 NI、AI、SS对总糖均起负间接作用，合计达-0.535，且由于直接作用较小为 0.277，使得二者的简单相关系数为-0.338，说明减少灌溉定额(即适当水分胁迫)有利于糖分积累，此外，NI通过灌溉定额对总糖起一定负间接作用，但它通过AI、SS的间接作用较大，因此 NI与总糖的简单相关系数达0.857，同理，虽然SS通过AI对总糖产生一定的负间接作用，但是由于SS对总糖直接作用较大(通径系数达0.658)因此与总糖的简单相关系数的达0.549，说明NI和SS活性对葡萄总糖含量积累有一定积极作用；相反，AI通过灌溉定额、NI、SS对总糖的间接作用较小，对总糖含量影响不大，合计为-0.01，可不必考虑其间接作用，但它对总糖的负直接作用显著，说明AI对总糖含量积累有抑制作用。

表3 不同生育期水分胁迫对葡萄果实内糖相关代谢酶活性的影响 (mg·(g·h·FW)-1)Table 3 Effect of water stress at different growth stages on sugar-related metabolic enzyme activities in grape fruit

表4 不同生育期水分胁迫对葡萄产量的影响Table 4 Effects of water stress at different growth stages on grape yield

表5 相关系数及检验输出结果Table 5 correlation coefficient and test output

表6 回归系数输出结果Table 6 Output results of regression coefficient.

表7 简单相关系数分解结果Table 7 Results of simple correlation coefficient decomposition

3 讨论

本试验通过研究不同时期水分调控对温室滴灌葡萄土壤温度的影响发现: 各生育期水分胁迫均能提高土壤积温，新梢生长期和开花期对本生育期土壤积温影响最为明显，并且该影响具有连续性和持久性；何钊全[27]等也研究表明土壤含水率与酿酒葡萄地积温呈负线性相关，与本研究结果相似。

葡萄果实糖分的积累趋势与糖相关代谢酶不同，蔗糖、果糖、葡萄糖含量从果实膨大期开始逐渐积累，糖相关代谢酶积累趋势呈现出先增大后减少的变化趋势，在着色成熟前期达到峰值。果实膨大后期为葡萄生长的关键期，此时亏水影响植物正常代谢以及同化物的积累与转化，从而抑制于蔗糖、葡萄糖、果糖的积累。张芮[28]、何岸镕[29]等人试验均证明着色成熟期亏水处理下糖分含量积累有明显优势，本研究发现着色成熟期水分胁迫蔗糖、果糖、葡萄糖含量显著高于其余处理，研究结果与其相似。NI、SPS、AI、SS作为糖分代谢的关键，对糖分积累起决定性作用，本试验发现，NI活性在果实发育过程中呈现先增大后降低的趋势，果实膨大期亏水不利于NI的提高，这与赵建华[30]对枸杞进行水分胁迫研究结果相似。葡萄果实NI持续增加，着色成熟前期达到峰值，随后，AI含量逐渐下降，着色成熟期水分胁迫会抑制AI活性，与齐红岩[31]等人研究结果-水分胁迫降低了成熟期转化酶的活性相相似。果实膨大期和着色成熟期水分胁迫均会促进SPS活性，徐迎春[32]等人研究表明，苹果果实在水分胁迫作用下，果实中SPS活性高于对照，有利于SPS活性的提高，这与本研究结论相似；但张萍[33]等人在枸杞果实亏水灌溉研究中表明，随着水分胁迫的减少，SPS显下降趋势；这可能源于水分胁迫程度、持续时间、亏水生育期不同。SS含量在果实膨大前期相对较高，膨大后期SS活性降低，进入着色成熟期，SS含量呈上升趋势；果实膨大期水分胁迫抑制 SS活性，而着色成熟期促进SS活性。

本试验研究发现新梢生长期和着色成熟期亏水处理葡萄产量分别提高44.6%、42.5%，而果实膨大期水分胁迫处理产量降低9.7%。何岸镕[29]等研究表明，着色成熟期轻度水分亏缺可增产 7.20%，纪学伟[34]等对酿造葡萄调亏灌溉研究表明，酿酒葡萄果实膨大期亏水比对照处理减产 28.7%；而 Ojeda[35]等也证实水分亏缺会影响果实开花期至着色成熟期葡萄果皮细胞的扩大进而导致果粒直径减小。均与本试验研究结果相似。

通径分析表明，SS对总糖含量积累的直接作用最大，AI负直接作用最大；灌溉定额通过NI、AI、SS对总糖含量负间接作用最大，且灌溉定额对总糖也产生一定负直接作用，说明减少灌溉定额(即适当水分胁迫)对葡萄总糖含量积累产生直接积极作用，且适当水分胁迫还可以通过调控 NI、AI、SS活性促进总糖含量积累。

基于本试验研究成果，建议当地设施栽培葡萄在其着色成熟期进行水分胁迫以达到节水和促进糖分积累的作用，其水分调控模式为土壤水为田间持水率的55%-80%，灌水定额为270 m3·hm-2。