不同管理措施对土壤水分状况及酿酒葡萄品质的影响

张一单，王建国，黄晓龙，宋于洋

(1.石河子大学 农学院，新疆石河子 832000；2.新疆张裕巴宝男爵酒庄有限公司，新疆石河子 832000)

近年来中国葡萄酒产业发展迅速，新疆因其独特的气候条件，已成为国内酿酒葡萄主要栽培区[1]。新疆幅员辽阔、气候类型繁多、形成不同的子产区，其中新疆北部产区是酿酒葡萄种植最多的地区[2]。经调查发现，目前该产区仍大部分沿用传统鲜食葡萄栽培方式管理酿酒葡萄。这种不适合的栽培技术制约了北疆酿酒葡萄产业的发展。研究发现，影响葡萄品质及土壤水分状况的农艺措施主要有搭建遮阳网、行间种草、交替灌溉等[3-5]。针对这一情况，有必要探究并应用适宜北疆地区酿酒葡萄生产的农艺管理措施，以提高新疆北部酿酒葡萄园土壤水分利用效率及葡萄原料质量。

酿酒葡萄物候期的水分状况影响植株营养生长、叶幕层微气候及果实代谢产量，从而进一步影响酿酒葡萄的果实品质。因此，可以通过不同土壤管理措施适度调节葡萄生长的水分状况，以达到改善果实品质的目的。影响土壤水分状况的因素很多，它不仅与气象条件有关，还与土壤类型、植被覆盖状况等多种因素有关。这些因素与土壤水分之间形成土壤-植被-大气连续体的动态变化[6]。土壤水分状况有两种表述方法，即含水量和水势，分别表征土壤水分的数量和能量，其中土壤水势是判断土壤水分保持和供给的重要指标[7]。不少研究表明叶片水势与土壤水势密切相关，Zhu等[8]研究发现苹果在干旱胁迫下，反应最迅速的是叶片水势下降。叶片水势是植物组织水分状况的直接表现，反映植物生理活动受环境水分条件制约的程度[9]。在以往的研究中，国内学者着重研究植物不同部位叶片水势变化特征及叶片水势日变化特征，或反映植物的抗旱机理，而对叶片水势与土壤水势的关系研究较少。另外，通过叶片水势的变化反映植物体内水分及土壤水分的变化，从而在生产中进行适时灌溉[10]。基于此，本研究通过探讨不同土壤管理措施对土壤含水量的影响，进一步研究土壤水势与叶片水势的关系。

为解决北疆产区酿酒葡萄糖高酸低，酒精度较高、芳香物质含量不足及葡萄园地水分利用效率低等问题，本试验以‘西拉’葡萄为对象，研究生草、遮荫、交替灌溉、清耕4种土壤管理措施对不同土层土壤含水量、葡萄园微气候及葡萄果实的影响，并探讨土壤水势与叶片水势的关系。以期为改善酿酒葡萄品质、提高葡萄酒质量提供理论依据，并为北疆产区的酿酒葡萄栽培管理方式提供参考。同时，期待制定合理的灌溉措施，服务于北疆酿酒葡萄生态节水生产。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于石河子市张裕酒庄葡萄种植园(东经 86°05′12″，北纬 44°25′49″)，该地区位于天山北麓中段，准噶尔盆地南部，属于典型的温带大陆性气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，无霜期为168～171 d，活动积温(≥10 ℃)为3 570～ 3 729 ℃，北部地区气温低，南部高。年降水量为125.0～207.7 mm，每年降雨较少，光照充足，昼夜温差大，年日照时数为2 721～2 818 h[11]。

1.2 试验材料

供试葡萄品种为‘西拉’，是北疆酿酒葡萄主要栽培品种之一。葡萄种植方向为南北行向，株行距为1 m × 3 m。在园内选择长势良好、生长一致且具有代表性的植株进行试验研究。果园有良好的灌溉条件，灌溉方式为滴灌，行间生草栽培种植草种为苜蓿；遮荫采用遮光率为70%的黑色遮阳网。

1.3 试验方法

试验于2019-05-10开始，记录5月25日- 10月1日葡萄的3 个生育时期：开花坐果期5月2 6日- 6月15日、浆果转色期7月25日 - 8月15日和采收前期9月10日 - 10月1日。

试验共设4个处理。清耕：不间作任何农作物或绿肥牧草作物；生草栽培：以苜蓿为草种行间生草，生长高度20～30 cm；遮荫：采用遮光率为70%的黑色遮阳网。交替灌溉：采用单行双管滴灌的方式，于树体两侧铺设滴灌带供水，滴灌带布置在距葡萄根部两侧50 cm处，在每一条滴灌带前加装阀门和水表计测和控制灌水量[12]。对一半根域进行灌水，下一周期对另一半根域进行灌水，交替进行，交替周期为20 d，不同发育时期灌溉量相同，为60 m3，且每个周期各处理灌溉量相同，交替灌溉灌水量为对照灌水量的一半[13]。

土壤含水量测定：采用土壤温湿度记录仪，以每10 cm为一个土层厚度，测定深度共70 cm。每间隔1 h观测1次，以每日土壤含水量的平均值作为当日观测值。

水势测定：每间隔3 d 采用水势仪测定水势。各处理选择生长一致新梢中部成熟的6片叶测叶片水势，取平均值作为当天此处理的叶片水势值。分别在滴灌带下10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm土层处用土壤水势测定仪测该点水势，与叶片水势的测定同步进行[14]。

葡萄采收后对不同处理的葡萄果实品质指标进行测定，主要品质指标包括总糖、总酸、单宁、多酚物质。还原糖含量采用斐林试剂滴定法测定，以葡萄糖计；总酸含量采用NaOH滴定法测定，以酒石酸计；pH用pH计测定；酚类物质含量：分离成熟葡萄果皮，液氮研磨后冷冻干燥机冻干，经盐酸甲醇溶液提取，用于测定总酚、总单宁；葡萄酒则直接测定；总酚含量的测定采用福林-肖卡法；总单宁含量的测定采用甲基纤维素法[15-16]。

1.4 仪器与设备

土壤温湿度测定使用石家庄雷神电子仪器有限责任公司生产的土壤温湿度记录仪，型号为：Micro Life 5032P-RH(测得的土壤温度为摄氏温度，土壤湿度为体积百分数)，另外还有手持式数显糖度仪、便携式植物水势压力室(QT-WP080A)、土壤水势测定仪(TRS-II)。

1.5 数据统计

使用 SPSS Statistics 21 、Origin 2017及Excel 2010软件对不同管理方式下葡萄园地的不同深度土壤含水量进行描述性统计分析，并对气象因子等进行相关分析。用Origin绘制不同管理方式下葡萄园地土壤水分垂直分布特征及土壤含水量与土层深度的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量垂直分布规律

2.1.1 不同管理方式下不同时期土层的水分含量变化 土壤剖面上的垂直分布特征是土壤水分在剖面上动态变化的主要表现[17]。3个生长发育期内不同处理的酿酒葡萄在 10～70 cm 7个土层中的土壤水分动态变化如图1所示。由图1-a、图 1-b、图 1-c的动态变化分析可知，不同土壤管理方式下土壤含水量变化规律相对一致，膨大期土壤含水量与其他时期相比较低，由于膨大期植株需水量大且夏季气温较高蒸发量大；采收期植株基本停止生长，秋季气温降低蒸发量减小，因此土壤含水量变化最少。在一个灌水周期内，4种处理植株耗水量及蒸发量的大小为：清耕>遮荫>生草>交替灌溉。以开花结果期为例，生草、遮荫与清耕相比土壤含水量变化少1.8 %、2.3%。

由图1-d可见，0～70 cm 土层土壤水分变化在垂直方向上大致呈“S”型分布，其中0～30 cm 土层内的水分随着土壤表层的蒸发、植物根系的吸收和在重力与水势的作用下向下层运动，变幅最大。30～40 cm土层水分消耗的速度仅次于 0～30 cm，这是酿酒葡萄根系分布最密集的区域；50～70 cm 土层的土壤含水量相对比较稳定，水分变化较少。

2.1.2 变异系数法分层 根据前人对土壤水分垂直变化层次的划分标准：土壤水分变异系数 30%以上为速变层，20%～30%为活跃层，10%～20%为次活跃层，0～10%为相对稳定层，对葡萄园地不同土壤管理方式下0～70 cm 7个土层土壤水分的垂直变化进行分层[18]。

从表1可以看出，地表至地下 70 cm深度范围内，葡萄园地生草处理的7个土层自上而下可依次划分为速变层、活跃层、次活跃层、稳定层 4 个层次，而遮荫、清耕、交替灌溉的土壤层划分为速变层、活跃层、次活跃层 3 个层次。4 种处理不同土层的变异系数除40 cm 土层外均随土层深度的增加而减小。清耕处理的土壤表层高温水分蒸发量大，损失较多，导致表层10 cm 处变异系数较大，达66.9%，40 cm土层变异系数有明显增加，说明本试验中的葡萄根系普遍分布在 40 cm 左右，50～70 cm 土层土壤含水量变化缓慢，变异系数较小。另外，高温造成水分大量蒸发，除生草处理70 cm处变异系数 9.6%为稳定层外，其他土层土壤水分变化较大。生草、遮荫与清耕相比均有效减少了表层水分流失，增加植物对水分的利用。交替灌溉表层土壤较其他处理干燥，棵间土壤蒸发的阻力大，蒸发量少，故而交替灌溉与其他处理相比变异系数较小。

表1 土壤水分剖面垂直分层Table 1 Vertical stratified results of soil water profile

2.2 气象因子对土壤含水量的影响

土壤含水量受多种气象因子的综合调控，气象因子不仅影响土壤水分的有效性，还影响土壤水分的保持[19]。本试验对降水量(x1)、空气温度(x2)、相对湿度(x3)3种气象因子与10 cm土层土壤含水量进行相关性分析。将土壤含水量(y)作为因变量，3个气象因子(x1～x3)作为自变量，做相关分析，进一步量化土壤含水量与各气象因子之间的关系[20]。

如表2所示，对葡萄园地4种处理10 cm土层土壤含水量与各气象因子进行相关性分析，3种气象因子与10 cm土层土壤含水量均达显著水平，且降水量、空气湿度与土壤含水量呈正相关；空气温度与土壤含水量呈负相关。表明随着降水量和空气湿度的增加，土壤含水量呈现增加趋势，而随温度的升高土壤含水量降低。生草处理由于地表有覆盖物，加强了光的反射，降低了土表的温度，减少了水分的蒸发，从而缓解了土壤表层水分对气象因子的响应。遮阳网减少了辐射，阻断了土壤蒸发的水分散发到空气中，但提高了遮阳网内的空气温度及湿度，反而减弱了大气温湿度对土表的影响，且遮阳网不仅拦截了光照还阻挡了一定的风，故而较其他处理而言，气象因子对遮阴的影响较小。交替灌溉处理由于土壤表层较其他处理更干燥，蒸发量更少，故而交替灌溉在一定程度上削弱了气象因子的 影响。

表2 不同管理方式土壤含水量与气象因子的相关性分析Table 2 Correlation analysis of soil moisture and meteorological factors indifferent managements

2.3 叶片水势与土壤水势的相关分析

水势是反映植物水分亏缺或水分状况的一个直接指标，可用来确定植物受干旱胁迫的程度[21]。有研究发现气孔导度能更好地反映土壤水分状况，而气孔导度与叶片水势相关联，这也表明叶片水势与土壤水分状况存在一定的联系[22]。因新疆气候条件高温干旱，葡萄园地土壤水分较长时间处于亏缺状态，故而有必要对土壤水势与叶片水势的关系进行探究。

如表3所示，叶片水势(y)与土壤水势(x)呈线性关系:y=ax-b。线性方程中的斜率a 表示叶片水势对土壤水势变化的响应程度，a 值越大表示叶片水势受土壤水势变化影响越大，响应越强烈；反之，越小表示土壤水势变化对叶片水势的影响越小。研究结果显示土壤水势与植株叶片水势变化呈正相关，且叶片水势的变化较土壤水势具有滞后性。因试验所测数据为灌水后第 3 天，叶片水势通过根系的调节作用与土壤水势相互作用，减弱叶片水势变化的滞后。清耕条件下，植物叶片水势与土壤水势相关性最高(R2= 0.879)，说明在本试验条件下叶片水势与土壤水势具有一定的线性关系，叶片水势可以反映土壤水势，从而进行适时灌溉。遮荫处理a=0.019，遮荫影响葡萄生长微气候，降温增湿，使气孔导度增大，对叶片水势负反馈调节，叶片水势受到大气水分的影响，叶片水分减少水势增大。与遮荫处理相反，生草处理a=0.013，在大气水分影响不大的情况下突出了叶片水势对土壤水分的响应。交替灌溉斜率最小(a=0.009)，酿酒葡萄进行交替灌溉能够保持植株水势，降低叶片气孔开度，提高水分利用效率，因此交替灌溉下土壤水势对叶片水势影响最小。

表3 叶片水势与土壤水势的关系Table 3 Relationship between leaf water potential and soil water potential

2.4 不同土壤管理方式下酿酒葡萄的品质及产量

葡萄果实中糖分、有机酸、单宁、多酚类物质是酿酒葡萄重要的品质因子。对4种管理方式下成熟期的葡萄进行品质分析。不同土壤管理方式下植株水分吸收、植株生长状况不同，对4种管理方式下成熟期的葡萄进行产量分析。

由表4可知，生草管理方式下酿酒葡萄品质与清耕条件下有显著性差异，生草使酿酒葡萄果实还原糖含量降低，酸含量增加，单宁、酚含量升高。遮荫条件下4个指标均与清耕有显著性差异，果实糖低酸高、总酚和单宁含量增加。交替灌溉条件下还原糖和酸与清耕相比有显著差异，果实糖低酸高，总酚和单宁含量增加但不显著。综上所述，遮荫对酿酒葡萄果实品质的影响最为显著，有降糖增酸、增加单宁及酚含量的作用。

由表5可知，遮荫处理平均产量最大，交替灌溉处理最小。各处理平均产量情况为：生草>清耕，差异不显著；遮荫>清耕，差异不显著；交替灌溉<清耕，差异显著；交替灌溉处理减产14.007%。水分亏缺抑制生长，交替灌溉会导致酿酒葡萄产量显著下降。

表5 不同管理方式下酿酒葡萄的果实产量Table 5 Fruit yield of wine grape under different management methods

3 讨 论

3.1 不同土壤管理措施对土壤含水量及水势的影响

在高温干旱地区，水分状况是葡萄产量品质形成的重要因素。因此合理且适宜的水分管理措施能够控制植株生长、提高葡萄果实品质。本研究结果表明，葡萄园土壤水分垂直分布规律在 10～70 cm土层土壤含水量呈先增后减的趋势，变异系数随土层深度增加逐渐减小，这和王瑜等[23]的研究结果一致。这主要是由于表层土壤水分蒸发量大，而深层土壤水分蒸发量较小。土壤水分受多种因素影响，前人研究发现温度、湿度、降水、日蒸发量、风速等气象因素均对土壤水分有影响[24]。本研究结果表明湿度及降水量与土壤含水量呈正相关；温度与土壤含水量呈负 相关。

叶片水势不仅受到土壤水分的影响还受到气象因子的影响。有研究表明，在植物水分供应充足的条件下，叶片水势的变化受环境影响较大，但当土壤水分受到一定限制时，作物根系在土壤中吸收的水分便不能满足其蒸腾的需要，此时叶片水势与土壤含水率有着密切的关系[25]。这一情况表明当土壤水分亏缺时，叶片水势的变化受到土壤水分的影响更大，但依然受气象因素影响。研究发现，当葡萄的土壤水势下降时，叶片水势会随着土壤水势的下降而降低，叶片水势与土壤水势呈线性正相关关系[26]。植物叶片水势变化通过根系的调节作用与土壤水势相联系，本研究结果表明，在灌水后的一小段时间内，土壤水势明显增加，叶片水势没有明显变化，叶片水势有一定的滞后效应。且有研究发现，当外界条件变化引起蒸腾速率改变时，即便是土壤水势没有改变，叶片水势也会随之发生变化[27]。故而土壤水势与叶片水势之间的关系还需进一步研究。

土壤管理措施对葡萄园内微气候有重要影响，生草是一种现代化可持续发展的先进果园土壤管理模式，可以改善土壤结构；提高土壤蓄水能力；减少光对地面的直射，调控地表温湿度[28]。遮阳网能够遮光、降温、增湿；交替灌溉能够利用植物气孔对干旱的调节功能，调控气孔行为，降低蒸腾速率，减少植物体水分散失，并保持稳定的光合速率；亦能够刺激植株根系，提高吸水能力，增加植株对水分的吸收[29]。Barideh等[30]研究指出，和常规灌溉相比，交替灌溉可以节约32%的水量。本研究发现遮荫、生草处理对葡萄产量没有显著性影响，但交替灌溉处理下果实产量显著降低。故而北疆地区生草、遮荫、交替灌溉均能不同程度减少土壤水分流失，增加土壤水分利用效率，但交替灌溉使酿酒葡萄产量减少14%。

3.2 不同土壤管理措施对酿酒葡萄品质的影响

新疆是中国酿酒葡萄的重要栽培区，但夏季高温干旱使得酿酒葡萄成熟过快、含糖量高、成熟期短、酸度较低、香气欠缺、优质单宁不足等问题，从而导致优质葡萄酒难有较大突破[31]。刘敏等[32]研究显示，遮阳网对葡萄果实具有延迟成熟、降糖增酸、提高总酚和总单宁含量的作用。遮阳网具有降温作用，减小昼夜温差，降低糖的合成，抑制糖的累积；遮阳网减缓空气流速，减少遮阳网内水分向大气扩散，从而提高叶幕相对湿度。空气相对湿度可直接影响到叶片气孔的开合程度，相对湿度越大，气孔打开程度越高，适宜的湿度有利于CO2的吸收，间接增强叶片的呼吸作用，消耗一定量糖[33]。遮阳网通过减弱光照度，降低叶片光合作用效率，从而减少碳水化合物合成，果实光合作用形成的产物被呼吸及其他作用消耗所以糖含量降低[34]。有研究表明，在葡萄果实发育进入转色期以后大量的糖转运到葡萄浆果果皮细胞[35]。使用遮阳网可以延长葡萄的转色时间，果皮细胞内的糖被消耗，降低果实含糖量，且延长转色时间可以增加总酚和单宁物质含量。

国外研究认为草与葡萄竞争水分，造成轻度的水分胁迫有利于葡萄品质的提高[36]。本研究发现生草有效地降低果实中的还原糖含量，增加酸、单宁、酚含量。生草对酿酒葡萄总酸含量没有显著性影响，但生草有助于葡萄果实中单宁和酚的积累。高温导致葡萄酚类物质合成不足，交替灌溉控水减少果穗果粒数量，增加单颗光照面积，有助于果皮变色且糖含量、单宁、酚含量有所增加，改善葡萄酒颜色不足的现状。4种土壤管理方式中遮荫对酿酒葡萄品质影响最为显著，降糖增酸明显，改善酿酒葡萄果实品质。故而遮荫对提高新疆北部产区的酿酒葡萄品质具有重要 意义。

本研究对新疆葡萄园常用的几种土壤管理方式进行对比分析发现，将遮阳网应用在酿酒葡萄栽培中，可以改善葡萄微气候，增湿，降温，同时减少光照延长成熟时间，提高果实品质，降糖增酸，增加芳香类物质，故而可以在北疆地区一定程度上推行遮荫方式来改善高温干旱对酿酒葡萄的影响，从而提高葡萄酒品质。遮阳网具有多种遮光率、颜色，本试验仅对遮光率70%的黑色遮阳网进行研究，国外学者研究发现不同颜色遮阳网对葡萄果实内花青素、醇等积累有一定影响[37]。果园内可种植多种草种，不同草种生长特性、需水特性不同，仅苜蓿一种草种无法以一概全，故而下一步可以对不同颜色、不同遮光率的遮阳网及不同生草种类进行研究，为遮阳网及生草在酿酒葡萄栽培管理的应用提供坚实的理论基础。

4 结 论

生草、遮荫、交替灌溉均能够减少土壤水分流失；提高水分利用率，但高温使土壤水分大量蒸发，各土层土壤水分变异系数较大。不同土壤管理方式不仅能够减少水分蒸发还能够提高酿酒葡萄果实品质，进而提高葡萄酒品质，但交替灌溉使酿酒葡萄减产14%左右。研究发现在以上几种栽培管理方式中遮荫对酿酒葡萄生长微气候、果实品质及产量有较大影响，因此可以在北疆地区推广遮荫栽培，对北疆葡萄酒产业发展具有重要意义。