基于Meta 分析的调控灌溉对中国北方葡萄产量及灌溉水分利用效率的影响研究

2023-07-04刘布春杨兴元朱永昶刘珊珊刘观止

灌溉排水学报 2023年6期

杨凡，刘园，刘布春，杨兴元，朱永昶，刘珊珊，刘观止，崔成

（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.新疆农业大学食品科学与药学学院，乌鲁木齐 710048）

0 引言1

【研究意义】中国北方葡萄种植面积占全国葡萄种植总面积的58%[1]，产量占全国葡萄总产量的70%[2]。然而，中国北方属于干旱或半干旱区，葡萄生育期内降水量普遍不足，需补充灌溉以保证其正常的生长发育。最佳灌溉制度不仅需保障葡萄产量与品质，还需考虑灌溉水分利用效率（WUE）。国内专家为探索葡萄最优灌溉制度，开展了大量田间试验研究，发现主动为植株施加水分胁迫的调控灌溉技术是葡萄节水、增产、提质的有效水分管理措施之一[3]。受气候、品种、栽培管理措施以及果园条件等因素的影响和限制，多数葡萄果园试验得到的最优灌溉定额、最优灌溉制度、最佳灌溉方式存在区域异质性。因此，本研究对已公开发表的中国北方葡萄灌溉文献进行回顾和系统分析，评价现行灌溉制度的合理性，以期为中国北方葡萄节水增效、增产和保质提供科学参考。

【研究进展】自20 世纪90 年代以来，国内学者在中国北方不同地区开展了果园葡萄节水试验。赵金龙等[4]在流沙地开展了葡萄滴灌试验，得出669 L/a的滴灌量可以促进巨峰葡萄的生长发育，相比沟灌节水72%。针对不同灌溉方式和灌溉技术，学者又开展了一系列田间试验，如大水漫灌、滴灌、沟灌、渗灌、小管出流灌等[4-14]；大量的田间试验明确了调控灌溉技术对葡萄产量、品质的影响。随着研究的不断深入，张振文等[11]认为葡萄果实着色到采收期时，采用调控灌溉技术可比常规灌溉方式节水36%，且对葡萄浆果品质具有促进作用。房玉林等[3]发现，调控灌溉不仅节水，而且能够有效提高果实品质。邓浩亮等[12]认为，葡萄萌芽期耗水强度最小，浆果膨大期耗水强度最大，着色成熟期中度水分胁迫最有利于葡萄品质的提高。张玥等[13]通过减少50%的灌溉量和灌溉次数，发现寒香蜜和紫甜无核葡萄的可溶性固形物量和果皮中酚类物质的量增加显著。李昭楠等[14]认为，西北干旱荒漠气候区葡萄全生育期需灌溉12 次10～20 mm 的水量，结合覆膜技术可显著提高葡萄水分利用效率和产量。【切入点】前人的研究结果侧重于灌溉量对果园尺度不同葡萄品种的生理、产量和品质的影响，与区域气候条件相结合的研究较少，结论普适性较低，不利于区域推广。

【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究基于Meta分析，通过回顾以往公开发表的中国北方区域葡萄田间试验研究，定量分析调控灌溉技术对北方葡萄产量及灌溉水分利用效率的影响。结合区域气候特征，探明葡萄的生育期水分缺额及最佳灌溉定额，综合评价果园试验最佳灌溉定额的区域合理性，以期为我国北方葡萄种植提供最佳的调控灌溉技术模式。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究基于中国知网数据库，以“葡萄”、“灌溉”为关键词，搜集了自2000 年以来公开发表的关于中国北方不同灌溉条件下葡萄产量和水分利用效率的学术论文和学位论文。为了得到有效的田间试验数据，进一步对搜集的文献进行分类筛选，具体标准如下：①试验区位于我国秦岭-淮河线以北区域；②盆栽、水分池及设有防雨棚的试验均被排除；③试验设计是围绕葡萄调控灌溉技术开展，且具有相应的充分灌溉或近似灌溉处理作为对照组（非调控灌溉），具有相应的调控灌溉为试验组，或经试验得到最佳灌溉定额；④田间试验至少列出2 种处理下的葡萄产量或水分利用效率的平均值、标准差和样本量，灌溉量、产量和水分利用效率至少包括2 个及以上指标。经过严格筛选和复核，共获取到中国北方新疆维吾尔自治区、甘肃省、宁夏回族自治区、陕西省、河北省、北京市、辽宁省、吉林省8 个省（市）的葡萄灌溉试验的中文文献59 篇。

提取文献中的试验地点、土壤田间持水率、葡萄品种、树龄、灌溉方式、调控时期、最优灌溉定额。文献中的数据以表格、柱状图与折线图3 种方式呈现，对表格中的数据进行直接提取；对以柱状图或折线图形式呈现的数据，采用GetData Graph Digitizer 2.24软件进行数字化转换后再提取。总结归纳同类数据，将葡萄全生育期分为萌芽期、开花期、新稍生长期、膨大期、着色成熟期5 个关键生育期；灌溉方式按照漫灌、沟灌、微喷灌、小管出流灌、滴灌、渗灌6 种进行分类，用于统计分析。

1.2 研究方法

利用Excel 和R studio 软件对数据进行处理、分析。利用ArcMAP 10.8 软件，依据中国秦岭—淮河分界线对中国地理底图（来源于自然资源部标准地图服务系统底图，审图号为GS(2019)1822 号）进行裁剪。基于Meta 分析，采用随机效应模型计算加权均值差（MD）作为产量和灌溉水分利用效率（WUE）的效应量，并进行异质性检验、回归分析和亚组分析。以生育期水分缺额反映研究时段内葡萄需水量与降水量的差异，得到的点数据通过反距离权重法（IDW）插值得到最佳灌溉定额的区域分布[15-17]。

2 结果与分析

2.1 调控灌溉对北方葡萄产量、灌溉水分利用效率的综合效应分析

将收集到的有效数据依据是否使用调控措施再次筛选，得到45 对数据。将每个试验的不同处理次数视为重复次数，计算其标准偏差。部分试验中对照组仅有1 个处理，则参考文献[17]，假定偏差为平均值的10%进行Meta 分析。调控灌溉对葡萄产量和灌溉水分利用效率的Meta 分析结果如表1 所示。中国北方葡萄调控灌溉相比充分灌溉平均减产710.37 kg/hm2（p<0.05，95%的置信区间为-1 130.59～-290.16 kg/hm2），灌溉水分利用效率平均增加1.19 kg/m3（p<0.001，95%的置信区间为0.77～1.62 kg/m3）。I2分别为51.4%、92.4%，异质性均大于50%，表明所纳入的各研究间存在异质性，需要确定异质性来源。因此，进一步分析葡萄品种、土壤质地、田间持水量、树龄、调控程度等因素影响下的葡萄产量和水分利用效率对调控灌溉的响应。

表1 调控灌溉对葡萄产量和灌溉水分利用效率的综合效应分析Table 1 Effect of regulated deficit irrigation on greap yield and WUE

2.2 调控灌溉对北方葡萄产量、灌溉水分利用效率影响的异质性分析

基于316 对调控灌溉与充分灌溉的中国北方葡萄产量及灌溉水分利用效率的对比数据，按照不同分组进行回归分析及亚组分析，如图1 所示。

图1 中国北方葡萄不同分类下的产量与WUEFig.1 Yield and WUE under different grape classifications in North China

由表2 可知，葡萄品种、调控程度、品种大类、土壤类型、调控时间均不同程度地影响WUE，解释了其7.44%的异质性。调控程度、土壤类型、田间持水率不同程度地影响产量，解释了其18.37%的异质性。

表2 调控灌溉下中国北方葡萄产量与水分利用效率的异质性分析Table 2 Heterogeneity analysis of irrigated grape yield and WUE in North China

根据Meta回归分析结果对相关因素进行多次亚组分析。不同分类下调控灌溉对葡萄WUE影响的结果如图2 所示。与充分灌溉相对比，全生育期、着色成熟期的调控灌溉对WUE具有显著的正效应，分别使葡萄WUE增加1.57、0.91 kg/m3。除砂壤土外，不同土壤类型均对葡萄WUE具有显著的正效应。不同程度的调控灌溉均对葡萄WUE具有显著的正效应。调控灌溉下，仅“户太8 号”的WUE显著降低了0.62 kg/m3（95%置信区间为-0.89～-0.35 kg/m3）；在具有显著正效应的结果中，鲜食葡萄“阳光玫瑰”、“巨峰”、“辽峰”、“612”和“寒香蜜”表现出更高的正效应（＞2.5 kg/m3），“阳光玫瑰”的WUE受调控灌溉影响最大，为30.13 kg/m3（95%置信区间为25.25～35.01 kg/m3）。调控灌溉使鲜食葡萄WUE平均提高1.68 kg/m3，使酿酒葡萄WUE平均提高0.66 kg/m3。

图2 调控灌溉措施下不同因素对中国北方葡萄WUE 影响Fig.2 Effects of different factors on WUE of grape in North China under controlled regulated irrigation

调控灌溉下，不同因素对葡萄产量的影响如图3所示。砂壤土与黏质土对葡萄产量具有显著负效应，分别为-1 844.56、-1 067.57 kg/hm2。在20%～30%的土壤田间持水率下，调控灌溉对葡萄产量表现出最高的负效应，为-1 233.85 kg/hm2。中度与重度调控灌溉分别使葡萄产量减少1 130.78、1 330.74 kg/hm2。

图3 调控灌溉措施下不同因素对中国北方葡萄产量影响Fig.3 Effects of different factors on yield of grape in North China under controlled regulated irrigation

2.3 中国北方葡萄最佳灌溉定额的区域化分析

基于不同试验环境与管理措施，前人得到了北方葡萄最佳灌溉定额的点数据，其中低于500 mm 共32个站点，主要分布在甘肃、陕西和河北；最佳灌溉定额在500～1 500 mm 之间的共有8 个果园，主要分布在新疆、宁夏。

利用反距离权重法得到中国北方酿酒葡萄及鲜食葡萄最佳灌溉量的区域分布，如图4（a）和图4（b）所示。中国北方酿酒葡萄全生育期最佳灌溉定额均介于200～500 mm 之间，呈自南向北逐渐减少的趋势，黄土高原区所需灌溉量较高，在300～500 mm 之间，平均值为356 mm。鲜食葡萄全生育期的最佳灌溉定额呈自东向西的增加趋势。中国北方葡萄生育期水分缺额如图4（c）所示。吉林、辽宁南部、陕西南部、甘肃西南部、河北东部地区的葡萄全生育期水分缺额为负值，即降水基本可满足葡萄生长发育需求；其余地区葡萄全生育期水分缺额＞0 mm，表明需要补充灌溉以满足葡萄生长发育。

图4 中国北方葡萄最佳灌溉定额和生育期水分缺额空间分布Fig.4 Spatial distribution of the actual optimum irrigation amount and water deficit during growth period during grape growing season in North China

3 讨论

定量分析调控灌溉对葡萄产量及WUE的影响，对农业水资源的高效利用具有重要意义。Meta 分析可将已有研究进行归纳总结，并将众多影响因素作为协变量进行分析，但在大量纳入分析的数据中，灌溉定额为试验因素，因此并未将其列入Meta 分析的影响因素中，仅提取各试验点得到的最佳灌溉定额进行反距离权重插值得到中国北方葡萄灌溉定额区域分布。所纳入的文献中，不同试验年的降水量不同，可能会造成一定误差。

随着田间持水率的增加，葡萄产量呈先升高后降低再升高的变化趋势，总结试验条件发现，葡萄根系在砂土的生长与定植方向基本一致，葡萄根系更易吸收水分，WUE也更高；而在灌淤土壤中根系垂直方向延伸较快，在没有明显钙积层阻隔的情况下，根系生长速度与灰钙土分布深度有关[18]。在所有纳入研究的葡萄品种中，仅“户太八号”的WUE在调控灌溉下呈显著负效应，可能是由于“户太八号”是高产品种，通过牺牲一定的产量来提高WUE并不可行[19]。除产量与WUE外，提升葡萄品质也是栽培管理的目的之一。调控灌溉主要集中对WUE的研究，对葡萄品质研究较少，品质因子中又侧重于调控灌溉对葡萄糖酸类物质影响的研究，对葡萄总酚、花色苷、单宁及鲜食葡萄的粒径、维生素C 等一系列品质关注较少，所以本研究中未将其列入研究范围。我国北方葡萄最佳灌溉定额的空间分布与生育期水分缺额基本吻合，与李雅善[20]基于水分亏缺指数的宁夏酿酒葡萄各生育期旱情等级空间分布类似。最优灌溉定额区间略低于生育期水分缺额，造成这种差异的原因可能是葡萄不同生育期降水分布不均[21-25]。黄土高原区酿酒葡萄的最优灌溉定额高于鲜食葡萄的最优灌溉定额，可能是研究站点和试验年份的不同所致。