酿酒葡萄水肥一体化灌溉定额与灌溉布局成本效益分析

陈 娟,马忠明,牛小霞,边金霞,王 平

(1. 甘肃省农业科学院经济作物与啤酒原料研究所,甘肃 兰州 730070;2.甘肃省农业科学院, 甘肃 兰州 730070;3. 兰州市农业科技研究推广中心,甘肃 兰州 730000)

甘肃河西走廊因其气候干燥、降水量少、光照强度及昼夜温差大等条件非常适合种植优质酿酒葡萄,业界称之为“葡萄酒风土产区”[1]。随着国家对酿酒葡萄种植业优惠政策的不断出台,加之新架形与水肥一体化技术的广泛使用[2]和机械化修剪技术的不断革新[3],酿酒葡萄在河西地区种植面积不断增加。为获得高产和高收益,过量施肥与灌水现象突出[4],而不合理的管理措施使酿酒葡萄产量与品质只降不增[5];酿酒葡萄种植成本不断增加,而其收购价停滞增长,葡农收入下降,致使葡农种植酿酒葡萄的积极性受挫。传统酿酒葡萄的价格仅以酿酒葡萄的可溶性固形物与产量为考核指标[4],这显然对栽培葡萄产量较高的葡农有利,但对产量相对较低而追求高品质的葡农不利,也不利于地域品牌战略发展。

河西灌区水资源匮缺,需采用各种节水灌溉技术来提高水分利用率[6]。目前,亏缺灌溉(RDI)与根区分区灌溉(PRD)是两种行之有效的灌溉技术,均能限制酿酒葡萄营养生长,改善葡萄水分利用率与果实品质[7-8]。研究证实,采用RDI技术能显著改善葡萄水分利用率与果实品质[9],Permanhani等[10]研究表明RDI技术最终效果与酿酒葡萄的物候期与水分胁迫程度有关。PRD是利用交替灌溉技术,使作物根部形成水分空间异质性,一部分根系处于水分干旱胁迫状态,另一部分根系处于湿润区域;干旱胁迫诱导根系产生激素ABA,传输至木质部,减缓气孔导度与植株蒸腾作用,从而降低作物营养生长与水分利用率,而处在湿润的根系能为作物生长提供充足的水分,保证作物正常生长[11]。目前,PRD技术对酿酒葡萄栽培效果的研究结论尚未统一。杜太生等[8]研究表明应用PRD技术能减少水分散失、提高灌水效率,改善鲜食葡萄与酿酒葡萄品质,提高产量。De La Hera等[12]研究表明,与传统滴灌相比,在相同灌溉定额下,PRD技术不能显著改善葡萄生长、水分利用效率、产量及品质。以往的研究大多集中于传统滴灌与PRD技术对酿酒葡萄产量与品质的研究,有关2种灌溉模式经济效益的研究有限。鉴于此,本研究拟采用成本函数分析与实证、收支平衡分析法,以民勤大漠明珠葡萄种植园为例,分析该葡萄园采用不同灌溉布局的平均成本、收支平衡点下的净利润,以期为葡萄园经营者选择灌溉方式提供经济学的解决方案。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2019—2021连续3年在甘肃省民勤县大漠明珠葡萄种植园(38°30′N, 103°30′E,海拔1 340 m)进行。种植园所在地区属温带大陆性干旱气候,多年平均降水量113.2 mm,且多为无效降雨(<5 mm),60%的降雨集中在7—9月;年均蒸发量为2 675.6 mm,无霜期183 d,日照时数>3 013 h,>10℃的活动积温约3 152.4℃。供试材料为7年生赤霞珠,采用单壁篱架栽培,种植株距0.7 m,行距3 m,南北行向;0～60 cm为沙壤土,平均土壤容重1.52 g·cm-3,有机质含量0.79%,全氮含量0.054%,速效磷含量169 mg·kg-1,速效钾含量160～190 mg·kg-1。

1.2 试验设计

设置灌溉定额和灌溉布局2个因素,采取裂区设计,灌溉定额为主区,灌溉布局为副区。灌溉定额设置3个水平,分别为2 400 m3·hm-2(低水,WL)、3 600 m3·hm-2(中水,WM)和4 800 m3·hm-2(高水,WH);灌溉布局分别设置为1管1行(C-S)、2管1行(C-D)及2管分1行根区灌溉(PRD)。试验包含9个处理,各处理设3个重复,共计27个小区,每小区60株葡萄。在灌溉管理方面,C-D(WH)处理采用当地普遍使用的灌溉定额与灌溉模式,为1行葡萄铺2条滴灌带,且均灌水,C-S处理为1行葡萄铺1条滴灌带,固定在葡萄行一侧灌溉,PRD处理为2管1行分根区灌溉,即本次灌这一侧,下次灌另一侧,具体灌溉定额、滴灌布局、灌水定额及灌水时间列于表1和表2。灌溉施肥采取少量多次原则实施,采用耐特菲姆公司内嵌式压力补偿滴灌管供水,滴头间距0.5 m,采用比例施肥器进行施肥。施肥时先将肥料完全溶解于施肥罐中,滴灌开始30 min后开始滴肥,施肥结束后再用清水滴灌 30 min。施肥量为580 kg·hm-2(全生育期N∶P2O5∶KO2=1.0∶0.6∶1.2),其中,萌芽期施肥量145 kg·hm-2(N∶P2O5∶KO2=16∶4∶5),开花期与初果期施肥量各为72.5 kg·hm-2(N∶P2O5∶KO2=3∶4∶3),果实膨大期与转色期施肥量各为145 kg·hm-2(N∶P2O5∶KO2=1∶1∶3)。葡萄园的日常田间管理参照当地高产优质葡萄园的管理模式进行。

表1 各灌水处理下灌溉定额及灌溉布局(2019—2021)Table 1 Irrigation volume and drip irrigation layout for each irrigation treatment during the experimental period (2019-2021)

表2 各处理灌水定额与灌水时间(2019—2021)Table 2 Irrigation time and irrigation quota for each irrigation treatment during the experimental period (2019—2021)

1.3 测定项目与方法

1.3.1 单株修剪量 酿酒葡萄生育期内各处理单株修剪量(kg·株-1) =修剪枝叶总质量/总株数

1.3.2 产量 人工采摘各处理小区所有的果穗,分小区称取质量,各处理3个重复的平均值即为该处理的实际产量,并换算为标准产量 (kg·hm-2)。

1.3.3 品质 各重复选取10株长势相同的植株,于树体上、中、下3个部位各取1穗葡萄果实,用于测定果实品质。可溶性固形物(°Brix)采用WZB-45数显折光仪测定;多酚含量(mg·g-1)采用Folin-Ciocalteu法测定;花色苷含量(mg·g-1)采用pH示差法测定[4]。

1.3.4 经济效益分析 固定资产年折旧额=(原价-预计净残值)/预计使用年限;净收益=收入-固定成本-可变成本;投资效益费用比=净利润/总投资额×100%;成本利润率=净利润/总成本×100%;收支平衡点=收入-固定成本-可变成本=0;灌水生产力(kg·m-3)=酿酒葡萄产量(kg)/灌溉定额(m3);

单位产出成本(元·kg-1)=成本(元) /酿酒葡萄产量(kg)[5]。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0进行差异显著性分析,Microsoft Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 灌溉定额与灌溉布局对酿酒葡萄果实品质的影响

如表3所示,2019—2021年,灌溉定额显著影响酿酒葡萄可溶性固形物、多酚及花色苷含量,大小表现为低水(WL)>中水(WM)>高水(WH);灌溉布局对酿酒葡萄可溶性固形物、多酚及花色苷含量影响不显著。与WL处理相比,WM和WH处理的可溶性固形物、多酚与花色苷含量在2019、2020与2021年平均分别降低了5.90%和17.69%、19.35%和46.85%、24.88%和39.71%。可见减少灌溉定额有助于显著提升酿酒葡萄果实品质。

2.2 灌溉定额与灌溉布局对酿酒葡萄修剪量、产量及价格的影响

从表4可以看出,灌溉定额显著影响酿酒葡萄修剪量、产量及价格,灌溉布局对酿酒葡萄修剪量、产量及价格的影响不显著。2019—2021年,酿酒葡萄产量均随灌溉定额增加呈现出先增加后保持稳定的趋势;酿酒葡萄修剪量随灌溉定额增加而增加;酿酒葡萄价格随灌溉定额增加呈现出先增加后减小的趋势。与WL处理相比,WM与WH处理酿酒葡萄平均产量分别提高46.20%与65.84%,平均修剪量分别增加96.97%与248.48%;与WL处理相比,WM和WH处理酿酒葡萄价格分别提高7.22%和降低4.69%。

2.3 灌溉定额与灌溉布局对酿酒葡萄园总成本的影响

以甘肃省民勤县大漠明珠葡萄种植园为例,面积为13.33 hm2(200亩),葡萄园初始投资与年折旧率不受灌溉定额影响,与灌溉布局密切相关(表5)。C-S处理下,投资总额为75 264元·hm-2,年折旧额为3 341.73元,对于C-D与PRD两种灌溉方式,在建设初期,每一行葡萄铺设了2条滴灌带,灌溉管网投资额为17 850元·hm-2,因此,C-D与PRD处理下,投资总额为82 614元·hm-2,年折旧额为3 831.73元。与C-D、PRD处理相比,C-S处理投资总额降低了8.9%,年折旧额降低了12.79%。

表5 葡萄园初始投资与年折旧率Table 5 Investment and annual depreciation in vineyard trellis system

总成本等于固定成本与可变成本之和,其中灌溉布局决定固定成本(3 341.73～3 831.73元·hm-2),可变成本由机耕费、肥料费、电费、修剪费、采摘费、水费与安装维修(维修材料)构成(14 256.00～22 362.00元·hm-2),占总费用的78.82%～87.00% (表6)。灌溉定额对可变成本影响显著,电费、修剪费、采摘费与水费随着灌溉定额的增加而增加,与WL处理相比,WM和WH处理电费分别增加了66.67%和166.67%,修剪费分别增加了50.00%和140.00%,采摘费分别增加了36.36%和72.73%,水费分别增加了50.00%和100.00%。受灌溉布局和灌溉定额的影响,各处理总成本为17 597.73～26193.73元·hm-2。C-S(WL)处理总成本为 17 597.73元·hm-2,C-D(WL)和PRD(WL)处理总成本均为18 087.73元·hm-2,C-S(WM)处理总成本为20 975.73元·hm-2,C-D(WM)和PRD(WM)处理总成本均为21 465.73元·hm-2,C-S(WH) 处理总成本为25 703.73元·hm-2,C-D(WH)和PRD(WH)处理总成本均为26 193.73元·hm-2。

2.4 灌溉定额与灌溉布局对葡萄园经济效益的影响

灌溉定额与灌溉布局对酿酒葡萄园经济效益具有显著影响(表7)。净利润(NM)、投资效益费用比(NM/I)与成本利润率(NM/C)均随灌溉定额的增加先增加后减小,并在WM处理达到峰值;C-S处理NM、NM/I及NM/C值大于C-D与PRD处理。灌水效率(IE)随灌溉定额的增加而减小,并分别在WL和WH处理达到最大值和最小值,灌溉布局对IE则无明显影响;单位产出成本(PC)随灌溉定额的增加先降低再增加,并在WM处理下最低,灌溉布局对PC则无明显影响,这主要是由于灌溉布局对酿酒葡萄产量没有显著影响,而灌溉定额显著影响酿酒葡萄产量与总成本,不同灌溉定额下,总成本表现为WH>WM>WL,产量表现为WH、WM>WL,故在WM处理下单位产出酿酒葡萄的成本最低。

表7 灌溉定额与灌溉布局对酿酒葡萄园经济效益的影响Table 7 Effects of irrigation quota and drip irrigation layout on economic benefit of vineyard

净利润由酿酒葡萄产量、价格、固定成本及可变成本共同决定,C-S(WL)、C-D(WL)、PRD(WL)处理葡萄产量分别为6 082.21、6 259.11、6 259.11 kg·hm-2,葡萄园可达到收支平衡;C-S(WM)、C-D(WM)、PRD(WM)处理葡萄产量分别为6 974.39、7 143.36、7 143.36 kg·hm-2,葡萄园可达到收支平衡;C-S(WH)、C-D(WH)、PRD(WH)处理9 709.62、9 900.28、9 900.28 kg·hm-2,葡萄园可达到收支平衡。

在产量处于收支平衡点时,净利润要大于7 500元·hm-2,C-S(WL)、C-D(WL)与PRD(WL)处理下,每1 m3水政府需要分别补贴2.78元、3.44元及2.98元;C-S(WM)、C-D(WM)和PRD(WM)处理下,水价可以高达0.67元·m-3、0.70元·m-3及0.64元·m-3;C-S(WH)、C-D(WH)与PRD(WH)处理下,每1 m3水政府需要分别补贴0.78元、0.92元及0.41元。

在此现状下,要使净利润大于7 500元·hm-2,各处理预计产量随灌溉定额的增加而增加,C-S(WL)、C-D(WL)、PRD(WL)处理下,预计产量分别为9 060.55、9 237.45、9 237.45 kg·hm-2;C-S(WM)、C-D(WM)、PRD(WM)处理下,预计产量分别为9 819.22、9 988.18、9 988.18 kg·hm-2;C-S(WH)、C-D(WH)、PRD(WH)处理下,预计产量分别为12 919.74、13 110.40、13 110.40 kg·hm-2。

收支平衡点与成本利润率(NM/C)>40%时,即净利润大于7 500元·hm-2,酿酒葡萄价格如图1所示。C-S(WL)、C-D(WL)与PRD(WL)处理下,当酿酒葡萄价格分别为2.52元·kg-1、2.69元·kg-1、2.52元·kg-1时,可达收支平衡;C-S(WM)、C-D(WM)和PRD(WM)处理下,酿酒葡萄价格分别为2.09元·kg-1、2.09元·kg-1、2.11元·kg-1,可达收支平衡;C-S(WH)、C-D(WH)与PRD(WH)处理下,酿酒葡萄价格分别为2.29元·kg-1、2.33元·kg-1、2.19元·kg-1,可达收支平衡。

图1 酿酒葡萄价格对NM/C的影响Fig.1 Effect of wine grape on Net Margin/Cost of vineyard

C-S(WL)、C-D(WL)与PRD(WL)处理下,当酿酒葡萄价格分别为3.53元·kg-1、3.76元·kg-1、3.60元·kg-1,NM/C>40%,净利润大于7500元·hm-2;C-S(WM)、C-D(WM)和PRD(WM)处理下,当酿酒葡萄价格分别为2.92元·kg-1、2.93元·kg-1、2.95元·kg-1,NM/C>40%,净利润大于7 500元·hm-2;C-S(WH)、C-D(WH)与PRD(WH)处理下,当酿酒葡萄价格分别为3.20元·kg-1、3.26元·kg-1、3.07元·kg-1,NM/C>40%,净利润大于7 500元·hm-2。

处于收支平衡与NM/C>40%,净利润大于7 500元·hm-2时,酿酒葡萄的价格大小为WL>WH>WM,主要原因为酿酒葡萄在WM处理下,灌溉定额较低,产量较高,即使价格显著低于WL和WH处理,也能达到收支平衡点或NM/C>40%,净利润大于7 500元·hm-2。

3 讨 论

3.1 灌溉定额与灌溉布局对酿酒葡萄生长的影响

葡萄生长过程中受到干旱胁迫时,其生理代谢与生长状况均会随之变化。本研究表明,灌溉布局对葡萄修剪量与产量的影响不显著,灌溉定额显著影响葡萄修剪量与产量,产量随灌溉定额的增加呈先增加再趋于稳定的趋势,修剪量随着灌溉定额的增加而增加,灌溉定额为2 700 m3·hm-2时,其产量最高,与常规灌溉定额相比,滴灌量降低25%,可显著提高葡萄产量,降低修剪量。温越等[13]研究表明,适宜的灌水量可以在降低灌溉定额的前提下提高葡萄生理活性,为产量提升奠定基础。张超等[14]研究表明,葡萄产量随着灌溉定额的增加呈先增后减趋势,灌溉定额过高或过低均会影响土壤养分的有效性,使得产量达不到预期目标,与本研究的产量随灌溉定额的增加呈先增加后稳定的趋势不一致,这可能是高水处理下灌溉定额量不一致造成的。綦伟等[15]研究表明,适度干旱胁迫能减少葡萄营养生长,提高生殖生长,与本研究结果一致,灌溉定额的增加会增加营养生长,进而增加酿酒葡萄修剪量。Reynolds等[16]研究水分胁迫可以减少‘雷司令’与‘黑比诺’的侧蔓长度、叶面积与果实大小。本研究结果表明,低水(1 800 m3·hm-2)处理下,酿酒葡萄产量较低,可能是由于严重水分亏缺,会造成葡萄植株落花落果,且随着亏缺程度的加大,葡萄直径会减少,果粒变小、皱缩,致使产量降低[17]。

3.2 灌溉定额与灌溉布局对酿酒葡萄品质的影响

灌溉定额显著影响葡萄品质的形成。花色苷和多酚化合物具有清除自由基和预防心血管疾病的作用[18],是影响葡萄颜色与香气形成的重要物质[17],与葡萄果实和葡萄酒的品质息息相关,决定着葡萄酒的感官与价格[19]。因此本研究除采用传统的仅用葡萄果实糖酸含量来评估酿酒葡萄品质的方法,还测定了多酚和花色苷含量。研究结果表明,灌溉布局(1管1行、2管1行及2管1行分根区灌溉)对酿酒葡萄的品质影响不显著。而Castellarn等[20]研究表明灌溉方式能显著提高酿酒葡萄产量与品质,这与本研究结果不一致,其原因可能是在本试验处理中,2管1行与2管1行分根区灌溉,2个滴灌带的间距为1 m,而Bouzas-cid等[21]研究表明,2个滴灌带之间的距离对酿酒葡萄产量与品质起决定性作用,两个滴灌带的间距大于1.5 m,分根区灌溉的作用方能体现。灌溉定额显著影响酿酒葡萄品质,这与房玉林等[17]研究结果一致,其研究表明降低灌溉定额使葡萄果实变小,进而增加了葡萄表面积与体积之比,增加了葡萄含糖量、酚类、花色苷浓度。Bucchetti等[22]研究表明降低灌溉定额可增加葡萄酚类与花色苷等物质的生物合成;Castellarin[20]研究证实葡萄受到生物或者非生物胁迫时,合成酚类与花色苷等物质的基因会发生上调,然而,随着灌溉定额的减少,酿酒葡萄果实中可溶性固形物、多酚及花色苷含量均呈增大趋势;Casassa等[23]也研究证明水分亏缺改善了赤霞珠葡萄的品质,而房玉林等[17]研究表明适度的灌溉定额有利于增加果实着色度与甜度,灌溉定额对酿酒葡萄的品质影响不一致,其原因可能是水分亏缺时期及调亏时间的长短不一引起的。

3.3 灌溉定额与灌溉布局对酿酒葡萄经济效益的影响

酿酒葡萄价格需根据酿酒葡萄生产成本和合理利润进行测算,合理的价格是市场供求平衡的前提与基础,更是保护葡农积极性,实现酿酒葡萄产业健康可持续发展的关键[24]。本研究表明,灌溉布局对酿酒葡萄价格影响不显著,灌溉定额对酿酒葡萄价格影响显著,价格随着灌溉定额的增加呈先增后减的趋势,且在2 700 m3·hm-2处理下达到最高,1 800 m3·hm-2处理酿酒葡萄即使品质上乘,但其果粒变小、皱缩,严重影响其外观品质,因此其价格会下降。王锐、翟英剑等[24-25]研究表明,当赤霞珠葡萄产量达到一定水平后,产量继续增加葡萄果实品质会降低,这与本研究结果一致。

通过灌溉定额与灌溉布局对酿酒葡萄园的总成本和净利润进行定量评估,优选出最适合该区域的灌水制度,降低资金投入风险,有利于实现综合效益的最大化。本研究表明,灌溉定额与灌溉布局均显著影响葡萄园的总成本。对于C-D与PRD处理,前期增加了1条滴管带,其固定成本增加了7 350元·hm-2;灌溉定额显著影响葡萄园的可变成本,水费、修剪费、电费及采摘费随着灌溉定额的增加而增加,因此,在WH处理下,其可变成本最大。总成本在C-D(WH)和PRD(WH)处理最大(均为26 193.73元·hm-2)、在C-S(WL)处理下最小(17 597.73元·hm-2),这与García等[5]研究结果一致,规范葡萄的灌水制度,可以减少水资源浪费,节约成本,提质增效,实现水资源的可持续利用。

适宜的灌溉布局与灌溉定额均能增加葡萄产量,以此达到较高的水分利用效益与经济效益[5]。本研究证明,灌溉定额对酿酒葡萄园经济效益的影响显著大于灌溉方式,在WM处理下,净利润、投资效益费用比、成本利润率与灌水效率最高,且生产1 kg葡萄的费用最低(2.03元)。葡萄园收支平衡点产量随着灌溉定额的增加而增加,WM处理下,收支平衡点产量远远小于实际产量,WM处理下,净利润大于7 500元·hm-2,WL与WH处理下,净利润均小于7 500元·hm-2。在净利润大于7 500元·hm-2时,WM处理下,水费可高达0.67元·m-3,WL与WH处理下,每1 m3水政府需要分别补贴3.06元和0.67元。

甘肃河西水资源在短缺的同时,水资源低效利用和浪费等问题进一步加剧了水资源的供需矛盾[26]。本研究表明,适宜的灌水定额较传统灌水定额相比,每公顷种植地水费减少了1 200元。农业节水技术应用主体是农民,但由于灌溉水价低,作物节水仅可降低少量水费成本,其经济效益有限,而在实际生产中并未体现出多节水多补偿,因此葡农缺乏自觉节水的内在动力。故应从政治制度、运行机制入手,通过创新管理体制,应用政策手段,建立农业节水长效经济补偿和激励机制,调动农民自觉节水的内在动力,促进农业节水发展。此外,国内绝大部分酒庄与葡萄收购商未制定按质论价的规则,仅按照可溶性固形物大于20°Brix收购酿酒葡萄,挫伤了葡农种植高质量酿酒葡萄和节约用水的积极性。为确保酿酒葡萄品质,在生产中应该严格控产,“限产优质、优质优价”是今后酿酒葡萄生产的发展方向。

4 结 论

与当地传统灌溉方式与灌水定额(2管1行与灌溉定额3 600 m3·hm-2)相比,1管1行与灌溉定额2 700 m3·hm-2的组合模式,可在保证赤霞珠酿酒葡萄获得较高产量的同时,提高果实可溶性固形物、酚类、花色苷浓度,从而改善了果实品质,提高了酿酒葡萄的水分利用效率与经济效益,净利润要大于7 500元·hm-2。综上所述,适宜的灌溉布局与灌溉定额(灌溉定额2 700 m3·hm-2与1管1行)具有较大的节水增产提质增效潜力,适宜在西北旱区酿酒葡萄种植区进行推广应用。