局部根区交替灌溉与氮素耦合对葡萄生长及15N-尿素利用的影响

陈丽楠 韩晓日 孙占祥 刘秀春

(1辽宁省果树科学研究所，辽宁 熊岳 115009；2沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866；3辽宁省农业科学院，辽宁 沈阳 110161)

辽宁省是我国鲜食葡萄主产区，葡萄产量和面积居全国第一[1]，是该省重要的经济作物。葡萄是耗水耗肥的果树，且营养生长与生殖生长并进，氮素吸收和干物质积累受水肥供应的影响较大。目前，果园平均施氮量高达400 kg·hm-2以上，而氮肥的当季利用率仅为30%左右[2]。氮肥损失主要由大水漫灌等造成，果园漫灌不仅引起氮素径流损失，还会抑制果树根系的呼吸作用，减少根系对肥料的吸收。因此，减少对水、肥资源的消耗，探索能协同提升葡萄品质及水肥利用效率的灌水模式与施肥管理措施，对果树产业可持续发展至关重要。

氮素是影响植株源库关系建立和发展的重要因素，在一定范围内增施氮肥可以提高叶片的干物质生产能力，但不合理施氮则会降低肥料利用率，并使残留氮素向下迁移，造成环境污染[3]。李洪娜等[4]研究表明随着氮肥施用量的增加苹果幼树植株全氮和植株生物量显著增加，但15N 利用率显著降低；韦剑锋等[5]研究发现，随着施氮水平提高，甘蔗干物质积累、氮素积累及来源于肥料氮素的比率显著增加，同时蔗叶对氮素的吸收利用呈上升趋势，但蔗茎对氮素的吸收利用呈下降趋势，氮肥利用率也显著降低。根区交替灌溉技术是一种高效可行的节水技术[6]，近年来，国内外学者在果树根系分区灌水方面进行了大量探讨和研究，得出根区交替灌溉能够提高果树水分利用效率、增加产量、改善果实品质等结论[7-11]。Wang 等[12]研究表明根区交替灌溉在减少36.6%灌溉水量的条件下促进了番茄根系生长，特别是细根的生长，并促进了氮从茎叶向果实的转移。水氮之间存在以水促氮、以氮调水的关系，目前关于果树水肥耦合对氮素吸收利用的研究多集中在水肥对根区的均匀供应上[13-15]，而关于葡萄在根区交替灌溉施肥条件下的氮素吸收与分配的研究尚鲜见报道。葡萄为多年生作物，利用传统差减法研究果树氮素的吸收、利用和分配存在较大困难和不准确性，而利用示踪法可以了解葡萄植株对来自于肥料氮素的吸收、利用情况。因此，本试验在避雨栽培条件下，以两年生盆栽葡萄树为研究对象，采用15N同位素示踪技术，研究局部根区灌溉方式与不同施氮水平耦合对植株氮素吸收利用的影响以及氮素在葡萄各器官中的分配，以期为环渤海湾地区葡萄高产与水氮高效协调栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试材料为两年生巨峰葡萄幼树。试验于2018年在辽宁省营口市鲅鱼圈区熊岳镇辽宁省果树科学研究所(122°8′851′′E，40°10′670′′N)进行，该地区属温带海洋季风气候，早春干旱，年均温度9.6℃，年降雨量582.9 mm。供试土壤为棕壤土，土壤含有机质23.1 g·kg-1。全氮1.0 g·kg-1、速效磷62.7 mg·kg-1、速效钾114.0 mg·kg-1，pH 值6.9，田间持水率为21.32%。

1.2 试验设计

葡萄幼苗于上一年春季栽入直径30 cm、高30 cm的盆钵中，统一管理1年后，选生长一致的葡萄做试材，在主蔓上留6 个饱满芽，其余全部剪掉，上一年平均生物量干重为27.24 g。第二年春季，将葡萄试材根系分为大体相等的两部分用隔板隔开，隔板中央做“Ⅴ”形缺口，在表土上方“Ⅴ”形口侧面插入高8 cm的隔板，阻止两侧进行水分交流。试验用土取自辽宁省果树科学研究所葡萄园区内大田土壤，风干后碾碎过筛并去除石块，钵底放5 cm 厚沙子，每钵装16 kg土壤，放入盆栽场内，葡萄栽植后统一浇水保证根系与土壤充分接触。

试验设灌溉方式和施氮量两个因素，灌溉方式设3 种模式:①常规滴灌(conventional drip irrigation，CDI)，双侧根区同时滴灌；②固定根区滴灌(fixed partial drip irrigation，FDI)，固定一侧根区滴灌，另一侧不进行灌水；③根区交替滴灌(alternative partial drip irrigation，ADI)，双侧根区交替灌水。滴灌滴头为压力补偿式滴头，滴头流量为1.7 L·h-1，盆内安装张力计(美国土壤水分设备公司)监测土壤水势，土壤水势达到15 kPa 时开始灌溉。施氮量设3 个水平:①低氮(N1，0.4 g·kg-1土)，每株施1.2 g15N-尿素＋13 g 普通尿素；②中氮(N2，0.8 g·kg-1土)，每株施1.2 g15N-尿素＋27 g 普通尿素；③高氮(N3，1.2 g·kg-1土)，每株施1.2 g15N-尿素＋41 g 普通尿素。15N-尿素丰度为10.11%，氮含量为46%(上海化工研究院提供)。共9个处理，随机区组排列。各处理磷、钾肥均一致，每盆施用5 g 过磷酸钙(以P2O5计)，15 g 硫酸钾(以K2O计)，肥料于萌芽期一次性施入。每处理10 次重复，单株为1 次重复。每钵葡萄留主蔓上2 个枝条，分别为营养枝和结果枝，统一控制病虫害。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 新梢长度与生长量 于6月5日新梢摘心前，采用卷尺进行葡萄新梢长度测定；对不同时期修剪的新梢分叶片、枝条和卷须进行称重，并于80℃烘箱烘至恒重，测定各部位水分含量，计算全年新梢修剪总量。

1.3.2 干物质积累量 于葡萄成熟期将植株按果实、叶片、叶柄、当年枝、主蔓、根砧、粗根(直径＞0.2 cm)、细根(直径≤0.2 cm)等器官分解，每部分器官称鲜重后，采集样品，用清水冲洗干净，于105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，测定各器官水分含量，计算各器官干物质量。

1.3.3 氮素含量测定 将植株不同器官样品用球磨机粉碎，采用H2SO4-H2O2联合消煮后，采用UDK142K＋DK20 型全自动凯氏定氮仪(意大利VELP 公司)测定氮含量[16]，植株15N 丰度采用EA-IRMS 型质谱联用仪(德国元素分析系统有限公司)测定。

葡萄植株不同部位氮吸收量、植株吸收的氮素来自氮肥的百分比(N derived from fertilizer，Ndff)等指标参照王富林等[17]的方法计算:

Ndff=(植物样品中15N 丰度-自然丰度)/(肥料中15N 丰度-自然丰度)×100%

15N 分配率=各器官从氮肥中吸收的15N 量/总吸收15N 量×100%

植株总吸氮量=植株生物量×氮含量

器官15N 吸收量=Ndff×器官全氮量

15N 利用率=器官15N 吸收量/施肥量×100%

1.4 数据分析

采用Excel 2010 和Origin 2017 进行数据分析和作图，采用DPS Ⅴ7.65 软件进行方差分析，不同处理间的多重比较采用Duncan 新复极差法检验。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对葡萄幼树植株生长的影响

由表1 可知，灌溉方式和施氮水平对葡萄新梢长度、新梢修剪量、果实干物质量和当年生物量存在极显著的互作影响。相同施氮水平下，葡萄新梢长度和新梢修剪量均表现为CDI＞ADI＞FDI，其中FDI 和ADI 的新梢长度分别较CDI 平均降低了16.4%和11.3%(P＜0.05)，新梢修剪量分别平均降低了21.3%和13.5%(P＜0.05)；葡萄平均果实干物质量和当年生物量均表现为ADI＞CDI＞FDI，其中，与CDI 相比，ADI 的当年生物量平均提高了6.3%(P＜0.05)，FDI 当年生物量平均降低了8.8%(P＜0.05)。在相同灌溉方式下，葡萄新梢长度和当年生物量随着施氮量的增加而增加；新梢修剪量整体表现为随着施氮量的增加而增加，在CDI 条件下，N3 显著高于N1 和N2，而在FDI 和ADI条件下，N2 与N3 差异不显著；果实干物质量表现为在FDI 和ADI 条件下，果实干物质量随着施氮量增加而增加，而在CDI 条件下，N2 最高。结果表明，常规灌溉方式和高施氮量使葡萄植株营养生长过旺，根区交替灌溉和适宜的施氮量耦合在降低新梢生长量的同时，可以提高果实干物质积累量和树体生长量。

表1 水氮耦合对葡萄生长指标的影响Table 1 Coupling effects of alternate partial root-zone irrigation and nitrogen rate on grape growth index

2.2 水氮耦合对葡萄幼树成熟期各器官Ndff 的影响

Ndff 反映植株各器官对土壤施入肥料15N 的吸收与征调能力[18]。表2 为水氮耦合对葡萄幼树各部位Ndff 的影响，数据经过反正弦进行试验统计。结果表明，各器官中以果实和叶片的Ndff 较高，不同灌溉方式下，以ADI 果实的Ndff 最高，平均为CDI 和FDI 的1.10 和1.16 倍；CDI 叶片的Ndff 较高，果实成熟期生殖生长旺盛，营养物质开始向贮藏器官分配积累，表明ADI 灌溉方式向果实中转运的矿质养分高于CDI。主蔓和根砧等贮藏器官的Ndff 在不同灌溉方式间差异不显著；而养分主要吸收器官细根表现为ADI 的Ndff平均为CDI 和FDI 的1.16 倍和1.22 倍。

不同施氮水平，不同器官的Ndff 均随着施氮量的增加逐渐降低，除了主蔓、根砧和细根，其他器官的Ndff 在不同施氮水平间存在极显著差异。由此可见，根区交替灌溉方式(ADI)葡萄植株对15N 吸收征调能力较强，且与中等施氮量(N2)耦合能够在较高物质积累的同时，具有较高的氮素吸收征调能力。

2.3 水氮耦合对葡萄幼树成熟期各器官15 N 分配率的影响

各器官中15N 占全株15N 总量的百分比反映了肥料15N 在树体内的分布及其在各器官间迁移的规律。由图1 可知，生殖器官(果实)的15N 分配率以ADI 较高，其中在CDI 和ADI 条件下，15N 在果实的分配率随着施氮量的增加而降低；而在FDI 条件下，果实的15N分配率则以N2 较高。营养器官(叶、叶柄、当年枝)的15N 分配率表现为FDI 较高，其中在CDI 条件下，营养器官15N 分配率随着施氮量增加而增加；而在FDI 和ADI 条件下，15N 分配率在中低氮条件下较高。贮藏器官(主蔓、根砧、粗根、细根)的15N 分配率表现为以ADI 和FDI 较高，其中在CDI 条件下，施氮量对贮藏器官15N 分配率的影响不显著，在FDI 条件下，贮藏器官15N 分配率在N2 最高，在ADI 条件下，贮藏器官15N 分配率随着施氮量增加而增加。结果表明，ADI 果实和贮藏器官的15N 分配率相对较高，营养器官的15N 分配率较低，说明根区交替灌溉有利于养分向果实中转运。

图1 水氮耦合对葡萄15 N 分配率的影响Fig.1 Coupling effects of alternate partial root-zone irrigation and nitrogen rate on partition of 15 N

2.4 水氮耦合对葡萄幼树成熟期15N 利用率的影响

由表3 可知，水氮耦合对植株总吸氮量、吸收15N的量和15N 肥料利用率均有极显著影响，从灌溉方式来看，植株总吸氮量和吸收15N 的量均表现为ADI ＞CDI＞FDI，相同灌溉方式下，植株总吸氮量表现为N3＞N2＞N1，吸收15N 的量均表现为N1 ＞N2 ＞N3，其中在FDI 条件下，N2 与N3 间差异不显著。

相同施氮量下，ADI 的15N 肥料利用率最高，分别比CDI 和FDI 平均提高1.3 和6.0 个百分点(P＜0.05)，同一灌溉方式下，15N 肥料利用率表现为随着施氮量的增加而降低。从水氮耦合来看，ADIN1、ADIN2、CDIN1 的15N 肥料利用率较高，综合来看，根区交替灌溉(ADI)与中等施氮量(N2)耦合既能协调葡萄的生长，获得较高的果实物质积累量，又能获得较高的氮肥利用率。

表3 水氮耦合对葡萄植株15N 利用率的影响Table 3 Coupling effects of alternate partial root-zone irrigation and nitrogen rate on 15N utilization rate

3 讨论

合理的灌溉方式与施氮量能促进植株的生长发育，Du 等[19]研究表明根区交替灌溉提高了苹果的根系长度，张彦[20]研究表明灌水量相同时，交替灌溉条件下中氮处理的根系活力最大，赵娣等[21]研究表明根区交替灌溉能够改变番茄的根系构型，提高根系对水氮的吸收，从而促进植物的生长发育、提高地上部生物量的积累及水肥利用效率。相关研究表明，分根区灌溉能明显抑制植株新梢旺长，更有利于协调营养生长与生殖生长的关系[22-24]。本研究结果表明，相同灌溉方式下，随着施氮量的增加，新梢长度和修剪量均增加，但在根区交替灌溉和根区固定灌溉条件下，氮素不是促进新梢生长的主要因素。同一施氮水平下，双侧灌溉处理的新梢冗余生长量最高，但植株当年生物量(干重)与交替根区灌溉差异不显著，可能是由于固定根区灌溉未灌水侧葡萄根系长期受到水分胁迫的影响，根系木质部栓化，吸水功能下降，导致葡萄的水分和养分吸收转运效率降低，葡萄生长量等指标均明显低于交替根区灌溉和常规灌溉。

植株吸收的氮素在各器官中分配差异较大，氮素在植物体内的分布一般集中于生命活动最活跃的部分[25]。贾朋等[26]研究表明楸树各器官对氮肥的征调能力不同，根部和叶片对氮肥的竞争能力较强；黄见良等[27]在水稻中的研究表明，成熟期水稻籽粒的15N 含量最高。本研究得出不同水氮处理下葡萄果实的Ndff较高，表明在果实成熟期时，氮素营养主要供应果实的生长和成熟，果实是最重要的氮库，对15N 的竞争能力在树体地上部器官中最强，因此果树吸收的15N 优先积累在果实中。有研究表明，相比常规灌溉，分根区交替灌溉植株15N 累积量和氮素利用效率显著提高[28-29]；高方胜等[30]研究表明较低的土壤含水量有利于氮磷钾向果实分配。本研究中，根区交替滴灌明显提高了果实、叶片等器官的Ndff，加大了生殖器官和营养器官对当季施氮肥的吸收征调能力，而主蔓和根砧等贮藏器官的Ndff 在不同灌溉方式间差异较小。且随着施氮量的增加，CDI 和FDI 葡萄幼树各部分的Ndff 明显降低，这与陈倩等[31]在苹果上的研究结果趋势一致；而ADI 的N2 和N3 水平各器官Ndff 差异较小。由此可见，根区交替灌溉方式葡萄植株对15N 吸收征调能力更强，且在适量的氮素供给条件下有更好的吸收征调能力。交替根区灌溉的平均15N 肥料利用率显著高于常规和固定根区灌溉模式。因此，在生产中使用根区交替灌溉方式与适宜施氮量进行耦合有利于氮肥利用率的提高，从而有利于增加果实物质积累量并节约水肥资源。考虑到灌溉时各处理均未有氮素渗漏损失，实际生产中氮素养分渗漏是肥料利用率降低的一个重要因素，因此葡萄生产中氮素利用率较本试验结果更低。

4 结论

与常规灌溉相比，固定根区灌溉和交替根区灌显著降低了葡萄新梢修剪量，根区交替灌溉方式下葡萄果实干物质量显著高于常规灌溉和固定根区灌溉，常规灌溉果实干物质量在中等施氮水平(0.8 g·kg-1土)较高，固定根区灌溉和交替根区灌溉果实干物质量随着施氮量的增加而增加。葡萄不同器官以果实Ndff最高，其中交替根区灌溉方式果实对氮肥的调征能力最高，15N 肥料利用率最高，不同灌溉方式下，15N 肥料利用率随着施氮量的增加呈降低趋势。总体而言，交替根区灌溉与中等施氮水平耦合能够降低冗余生长量，获得较高的果实干物质积累及较高的氮肥利用率。