不同灌溉水平对酿酒葡萄茎秆液流特征和产量、品质的影响

2021-11-09孙嘉星王丽娟韩卫华龚道枝高丽丽李昊儒毛丽丽郝卫平

灌溉排水学报 2021年10期

孙嘉星，王丽娟，韩卫华，龚道枝,2,3*，高丽丽,2,3，李昊儒,2,3，毛丽丽,2,3，郝卫平,2,3

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081；2.作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室，北京100081；3.农业农村部旱作节水农业重点实验室，北京100081）

0 引言

【研究意义】葡萄因能生产颜色鲜艳、汁多味美、营养丰富的果实，在世界上被广泛栽培[1]。随着我国酿酒葡萄的种植规模不断扩大，生产中盲目灌溉施肥的现象也普遍存在，虽然为果农带来较高的经济效益，但同时也严重消耗着有限的水资源，还造成了大量的养分流失污染环境，从而导致水肥利用效率低。因此，通过滴灌水肥一体化，“以肥调水”、“以水促肥”，并实时监测酿酒葡萄茎秆液流速率合理调配灌溉水，对提高水分利用效率和保障酿酒葡萄产业的健康持续发展具有重要意义。【研究进展】目前，国内外有关水肥一体化下不同作物产量和品质的研究已有较多的报道。初步研究表明，在干旱地区采用滴灌技术可实现节水50%以上，产量和品质也有不同程度提高。同时，滴灌时随水施肥可使氮肥利用率达90%以上[1]。水肥一体化的增产效应存在一个阈值。低于该阈值，水肥增产效果明显；高于该阈值，增产效果不明显，造成水肥投入的浪费[2]，由于试验条件、试验作物和研究方法等的不同，增产效应的阈值不同[3]。张梅花等[4]研究表明在酿酒葡萄果实膨大期进行亏水处理会导致减产，在着色成熟期轻度亏水可提高品质且减产幅度最小。此外，酿酒葡萄在生长过程中的大量水分主要是通过蒸腾作用消耗，因此，在很大程度上茎秆液流速率能够反映果树的蒸腾耗水。国内外研究表明，补偿热脉冲法已被证明是一种连续测量木本作物中茎秆液流的有效方法，具有较高的准确性和实用性[5]，被认为适合于评估树木水分状况。在旱塬地区苹果树的茎秆液流速率和太阳辐射、空气温度、空气相对湿度以及饱和水汽压差的相关性极显著[6]；张清明等[7]研究揭示了滴灌条件下核桃树茎流变化规律；韩兆敏等[8]研究了油松的茎流特征及其与环境因子的关系，得出影响油松茎流的环境因子依次是太阳辐射、空气相对湿度、空气温度和土壤平均温度，并对其进行多元逐步回归分析。【切入点】在已有的不同灌溉水平对葡萄产量品质的影响研究中，多数侧重于宁夏葡萄产区，而华北地区虽也属于温带大陆性气候，但年均降水量（400 mm 左右）显著高于宁夏葡萄产区（200 mm），对此地区水肥一体化下不同灌溉水平对酿酒葡萄的影响研究较少，而且在已有的研究中，对不同生育期茎流与多个气象因子的多元回归分析尚未深入。【拟解决关键问题】本文主要针对张家口地区水资源有限、土壤持水能力差及经济作物的灌溉施肥管理方式粗放造成的产量低、品质差等瓶颈问题，通过分析不同灌溉水平对酿酒葡萄茎秆液流的变化规律以及其对产量品质和灌溉水利用效率的影响，从而得出适合当地酿酒葡萄的最佳灌溉水平，为酿酒葡萄在特定地区气候条件下的水肥一体化科学管理提供理论依据和技术参数。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年5—10月在张家口市宣化区华洋葡萄酒庄酿酒葡萄种植基地进行。试验地位于北纬40°38′，东经114°54′，平均海拔655 m，属东亚大陆性季风气候。年平均气温7.6 ℃，日照时间为2 693 h，年均降水量410 mm，降水集中在7—8月。供试酿酒葡萄品种为欧亚种（Vitis.vinifera L）“赤霞珠”（Cabernet Sauvignon）。供试土壤为沙壤土，0～100 cm 土壤平均体积质量约为1.59 g/cm3，田间体积持水率为28%。

1.2 试验设计

试验酿酒葡萄（赤霞珠）为10 a 生，果树株行距为0.5 m×2.8 m。试验在同一施肥水平下设置3 个灌水水平：HW（100%M，M为灌水定额）、中水MW（80%M）、低水LW（60%M），每个处理3 次重复，共设置9 个试验小区。试验处理时期从酿酒葡萄开花坐果期到收获前30 d。灌水方式为滴灌，灌水时间按照高水HW 小区是否达到水量下限（70%田间体积持水率）来确定，施肥采用搅拌罐搅拌水溶肥进行水肥一体化施肥，每次灌水施肥同步进行，肥料类型为金正大公司生产的滴灌专用水溶肥平衡型（N、P2O5、K2O 总量大于51%，且三者质量比为17∶17∶17）和高钾型（N、P2O5、K2O 总量大于50%，且三者质量比为10∶4∶36），2 种肥料交替使用，每次施用量为84 kg/hm2。不同处理设立保护行进行隔挡。在每个试验小区各选择一株生长良好、无病虫害、树势一致的葡萄树安装TDP（Thermal Dissipation Probe）茎流探针。所用植物茎流计为北京雨根科技有限公司生产的TDP-10，探针长为10 mm，直径为1.2 mm。试验地葡萄园中除草、剪枝、喷药等田间管理措施均与当地保持一致。

灌水定额（M）计算为：

式中：M为灌水定额（mm）；z为土壤计划湿润层深度（cm），60 cm；p为滴灌湿润比（%），50%；θmax为适宜土壤体积含水率上限（%），取田间持水率；θmin为适宜土壤体积含水率下限（%），取70%田间持水率。

1.3 测定项目及方法

气象数据：气象数据监测来自试验地的小型气象站，每10 min 记录1 次空气温度（Ta）、空气相对湿度（RH）、太阳辐射（Rs）、风向、风速（Ws）等，如图1 所示。

图1 2019年葡萄园气象参数的变化曲线Fig.1 Curves of meteorological parameters in vineyard during 2019

茎秆液流：采用TDP 插针式茎流计监测酿酒葡萄茎秆液流。茎流计探针安装高度距地面20 cm，并用反射性泡沫铝膜进行包裹，每10 min 采集1 次数据，连续记录两探针间的温度差。

土壤体积含水率：利用Trime 监测土壤体积含水率，每个小区埋设1 根，埋设位置在距毛管10 cm处，测定深度为100 cm，每20 cm 为1 层，共5 层，每8～10 d 测量1 次，降雨和灌水后加测。同时用土钻取土，采用烘干法进行测定。

果实产量：每小区随机采摘3 株葡萄，测定每株葡萄产量，并取其平均值作为最终结果。

果实品质：在果实采收期，每个处理随机选取10 串葡萄测定营养品质，并取其平均值作为最终结果。利用数显折光仪测定可溶性固形物量，利用NaOH 滴定法测定可滴定酸量，利用二硝基水杨酸法测定可溶性糖量。利用福林-肖卡法测定果皮总酚量，利用pH 示差法测定花色苷量，利用福林-丹尼斯法测定单宁量。

灌溉水利用效率IWUE的计算式[9]为：

式中：IWUE为灌溉水利用效率（kg/m3）；Y为产量（kg/hm2）；I为灌溉量（m3/hm2）。

1.4 数据分析

采用Granier 得出的补偿式茎流计算式[10]计算酿酒葡萄茎秆液流速率，计算式为：

式中：K为无量纲“茎流指数”；dTmax为植株无液流时TDP 两探针间的最大温差（℃）；dT为植株有液流时TDP 两探针间的瞬时温差（℃）；V为茎杆液流速率（cm/h）；其中，dTmax和dT均为仪器自动监测数据。

试验数据采用Excel 2016 进行初步整理，并用SPSS 19.0 进一步处理和分析，最后利用origin 9.1 和Graphpad 绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉水平下酿酒葡萄土壤水分动态变化

图2 为2019年酿酒葡萄关键生育期内不同水分处理条件下葡萄根区0～100 cm 平均土壤含水率动态变化。野外试验地内酿酒葡萄土壤含水率的变化主要是降水和灌水与蒸发蒸腾综合作用的结果，试验处理期间累计降水20 次，达334 mm，主要集中在7—8月。在灌水或较大降水后土壤含水率迅速上升，随后逐渐下降，酿酒葡萄生育期内不同灌水处理下的土壤体积含水率几乎均表现出HW处理>MW处理>LW处理（图2）。

图2 2019年全生育期内不同水分处理土壤水分动态变化Fig.2 Dynamic change of soil moisture under different water levels during growing period during 2019

2.2 不同处理对酿酒葡萄茎秆液流速率日变化规律及其对气象因子的响应

选取不同生育期典型晴天对酿酒葡萄茎秆液流速率变化规律进行分析，图3（a）—图3（h）分别为‘赤霞珠’葡萄在开花坐果期、果实膨大期、着色期、果实成熟期（20190531、20190714、20190803、20190905）的茎秆液流速率日变化曲线及气象因子的变化趋势，结果显示不同灌溉水平下，‘赤霞珠’葡萄单日茎秆液流速率整体上均呈现出昼高夜低的变化规律，日变化趋势也大体相同且酿酒葡萄液流速率在不同灌溉水平下排序为：HW 处理＞MW 处理＞LW 处理。在‘赤霞珠’葡萄的不同生长时期，其液流速率的启动时间、到达峰值的时间和下降时间也有差异，液流速率随着季节和生育期表现出先升高后降低的趋势，这可能与果树不同生育期对水分的需求量和该生育期内气象因子的变化有关。着色期的液流速率较高，因为该时期为酿酒葡萄果实膨大期向浆果成熟期转变的过渡时期，也是果树需水需肥的关键时期，随着太阳辐射增强和空气温度升高，液流速率也随之升高。

图3 不同生育阶段不同水分处理酿酒葡萄茎秆液流速率与气象因子日变化Fig.3 Wine grape stem flow rate and meteorological factors under different water levels at different growth stages

为进一步探明在不同的灌溉水平下环境因子对酿酒葡萄液流速率的综合影响，选取不同生育期内典型晴天的茎秆液流速率，对其与各个气象因子进行多元回归分析。表1 为在不同灌溉水平下酿酒葡萄不同生育期的液流速率与各个气象因子的多元回归方程。将液流速率作为因变量，空气温度Ta、空气相对湿度RH、太阳辐射Rs以及风速Ws作为自变量进行回归分析。由表1 可以看出，回归系数均达到显著水平，说明多元回归方程可以较好地定量表征不同灌溉水平下酿酒葡萄液流速率与气象因子之间的关系。通过比较气象因子与葡萄液流速率之间的相关性可知，整体相关性最高的为MW 处理，HW 处理次之，LW 处理最低。

表1 不同水分处理下不同生育期内葡萄茎秆液流速率与气象因子的回归方程Table 1 Regression equations between stem flow rate and meteorological factors under different water levels at different growth stages

2.3 不同灌溉水平对酿酒葡萄产量和灌溉水利用效率的影响

由表2 可知，MW 处理产量最高，为10 736.68 kg/hm2，其次为HW 处理，LW 处理最低。不同灌溉水平下，酿酒葡萄的产量未表现出显著差异，不同灌溉水平下，灌溉水利用效率存在显著差异（P<0.05），灌溉水利用效率随着灌水量的增加逐渐降低，LW 处理灌溉水利用效率最高，达8.86 kg/m3。

表2 不同灌溉水平下葡萄产量和灌溉水利用效率Table 2 Wine grape yield and irrigation water utilization efficiency under different water levels

2.4 不同灌溉水平对酿酒葡萄品质的影响

不同灌溉水平下酿酒葡萄果实品质的差异见表3。对于果实可溶性固形物量，MW 处理的可溶性固形物量最高，达到23.15%，比LW 处理和HW 处理分别提高3.90%和4.99%（P<0.05）；对于可滴定酸量，LW 处理的可滴定酸量最低，为4.61%，其次是MW 处理，为4.80%，分别较HW 处理低20.79%和17.52%（P<0.05）；对于果皮总量，MW 处理最高，达到59.01 mg/g，较HW 处理提高28.82%，较LW处理提高14.18%（P<0.05）；对于单宁量，MW 处理的单宁量最高，达到3.51 mg/g，较HW 处理提高5.72%，较LW 处理提高3.53（P<0.05）；对于果实可溶性糖和果皮花色苷量，各处理间未表现出显著性差异。其中，MW 处理的可溶性糖量最高，达19.00 mg/g，其次是LW 处理，HW 处理最低；LW 处理的花色苷量最高，为6.45 mg/100 g，其次为MW 处理，HW 处理最低。

表3 不同灌溉水平下酿酒葡萄品质Table 3 Wine grape quality under different water levels

3 讨论

3.1 不同处理对酿酒葡萄茎秆液流速率的影响以及其与气象因子的响应关系

酿酒葡萄茎秆液流速率在不同生育期内表现出昼高夜低的日变化趋势且变化较明显；酿酒葡萄液流速率在不同灌溉水平下排序为：HW 处理＞MW 处理＞LW 处理。但不同生育期液流速率的启动时间、结束时间及峰值出现的时间不一致，可能是由于气象条件、土壤水分以及树体大小等果树自身状况不同的原因引起的，与孟平等[11]研究一致。植物液流速率与太阳辐射、空气温度以及相对湿度关系密切[12]。不同的气象因子会对葡萄液流速率产生一定的影响且相互作用，其中太阳辐射对其的影响最大[13]。本研究发现，酿酒葡萄茎秆液流速率与Ta、Rs、RH和Ws的综合相关性在MW 处理时取得最大值，可能因为中水MW 处理的土壤水分条件更适宜酿酒葡萄的生长，所以气象条件成为影响酿酒葡萄液流速率的主要因素。与梁自强[14]等研究一致，而LW 处理相关性最低可能是因为缺水影响到葡萄从土壤中获取水分的能力。

3.2 不同处理对酿酒葡萄产量、灌溉水利用效率和品质的影响

从不同灌溉水平下酿酒葡萄的产量来看，各处理产量之间未表现出明显差异，这可能是由于在酿酒葡萄需水关键期大量的降水补充了部分葡萄所需的水分。低水处理产量最低，因此水分亏缺会导致产量降低，果实膨大期为葡萄需水需肥的关键时期，供水不足会造成减产[15]。同时，适当的水分条件，可以促进葡萄根系更好地生长和冠层发育，从而有利于葡萄植株对于水分的吸收，提高水分利用效率[16-17]。本研究发现，随着灌水量增加，灌溉水利用效率迅速下降，说明过量的水分不利于葡萄水分利用，可能会带来负效应[18]。滴灌水肥一体化不仅可以显著减少水肥用量，还能改善葡萄的品质[19-20]。但过度的水分亏缺不能满足植物正常生长对水分的需求，使光合作用受到抑制从而影响同化物质的积累，导致品质降低[21]。本研究表明，在滴灌水肥一体化条件下，不同的灌溉水平对酿酒葡萄果实可溶性固形物量、可滴定酸量、果皮总酚量和单宁量产生显著影响（P<0.05）。综合来看，中水处理MW 在维持产量的同时，其品质相对高于LW 处理和HW 处理，可能是由于中水MW处理使土壤水分状况达到到最佳，从而促进作物更好地吸收水分。