滴灌量和有机无机肥等氮配施对葡萄产量及品质的影响

常宏达，吕德生，王振华，朱 艳，李海强，李诗莹

(1. 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000; 2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

2014年至今，我国葡萄种植面积位居世界第二，产量稳据世界第一[1]。新疆作为我国最大的葡萄种植区，占全国种植面积的19%，总产量的24%。吐哈地区光热资源丰富，昼夜温差大，占新疆葡萄种植面积的28.4%，总产量的40%[2]，是我国著名的葡萄生产基地[1]。水肥利用效率低下一直是制约新疆农业发展的重要原因。自1974年我国引入滴灌技术，我国滴灌技术理论的发展有巨大的提高，滴灌技术体系也在不断完善[3]。滴灌技术在节水的同时，将水分均匀地施加在作物根系周围，为作物提供充足的水分与肥料。因此，新疆滴灌葡萄的种植模式，使得葡萄种植在节水的同时获得增产的效果[4]。

无机肥中含有大量作物生长发育必须的营养元素，能有效提高作物产量[5]，但20世纪80年代至今，我国无机肥使用量增加325.8%，而耕地面积仅增加53.0%[2]。过度使用无机肥造成的水污染、土壤板结以及土壤酸化等现象日益严重[6]。有机肥中富含大量有机质，能防止土壤被侵蚀，改良土壤结构，保持土壤温度，增大土壤微生物和酶的活性，降解重金属含量[7]，除了必要的氮磷钾元素外，还富含各种微量元素[8]，对于作物的生长发育、高产优质有良好的效果。但同时，有机肥也存在着养分含量较低，肥效发挥较慢，必须大量施加的缺陷[9]。因此，结合无机肥高效性和有机肥长效性[10-11]，确定合理配比施用有机肥和无机肥是现代农业发展研究热点。

2019年新疆无机肥使用量高达254万吨，而有机肥仅有59万吨[2]，一是无机肥施用方便，耗费人力较少，二是缺乏合理的灌溉施肥制度，无法合理施用有机肥。国内对有机肥配施的研究虽多，但针对其对吐哈盆地无核白葡萄生长发育及产量品质的影响鲜有研究，极端干旱地区有机肥使用效果尚不明确。因此本研究以提高新疆吐哈盆地滴灌葡萄的水肥利用效率为目标，通过水肥双因素耦合试验探究适合于吐哈盆地葡萄的有机无机配施比例，旨在为建立高效高产的水肥灌溉制度、促进地区社会经济的可持续发展提供理论依据。

1.1 试验地概况

试验于2020年4月至2020年10月在新疆生产建设兵团第十三师哈密垦区灌溉试验站(北纬42°41′57″，东经93°37′22″)进行。试验区位于新疆维吾尔自治区的最东端，全年干燥少雨，昼夜温差大，年平均气温9.8℃，年平均降水量仅33.8 mm，年蒸发量高达3 300 mm，年均日照时间3 358 h，全年太阳总辐射量6 397.35 MJ·m-2，≥10℃积温4 058.3℃，无霜期182 d，年平均风速2.3～4.9 m·s-1，盛行偏东风。地下水埋深大于8.0 m，灌溉水源采用地下井水。试验地各小区长46.0 m，宽7 m，株距1 m，行间距5 m，滴灌带铺设模式为一行三管。

哈密地处新疆东北部，属极端干旱地区，2020年全生育期总降水量仅16.1 mm，主要集中在6—8月，故作物生长发育主要依靠灌溉水。由图1可知，在全生育期，无核白葡萄的参考作物蒸发蒸腾量表现为先增大后减小的趋势。而在全生育期动态变化过程中，参考作物蒸发蒸腾量在生育期前有较多的峰值，主要在5月10日—7月20日，这是由于当地在4月10日—7月15日间有较多的大风天气，峰值的出现并无明显规律。且4月20日至8月20日间，当地气温有明显的上升，平均气温为26.43℃，日平均气温最高达到32.06℃。

图1 试验地温度、风速及降雨量Fig.1 Temperature, wind speed and rainfall in the test area

1.2 试验设计

以新疆生产建设兵团第十三师哈密垦区灌溉试验站内17 a(2003年定植)成龄无核白葡萄树为试验材料，试验设置630、675、720 mm和765 mm 4个灌水水平。依照等氮替换原则，以100%CF为对照(CK)，设置3种有机化肥(OF)和无机化肥(CF)配施方案：F1(70%OF+30%CF)、F2(50%OF+50%CF)、F3(30%OF+70%CF)。试验采用完全组合设计，共16个小区。有机肥选用当地常用水溶性有机肥黄腐酸钾(其中N=2.32%，P2O5=1.10%，K2O=0.97%，由于磷钾含量过低，故不纳入计算，由无机肥补齐)；
无机肥分别选用尿素(N=46.4%)、硫酸钾(K2O=57%)、磷酸氢二铵(P2O5=60.5%)，各无机肥以N∶K2O∶P2O5为2∶1∶2比例施加。灌水及施肥设计方案见表1。全生育期共计灌水20次，施肥10次，共计163 d，具体施肥时间见表2。

表1 各处理灌水和施肥情况Table 1 Water and fertilization of different treatments

表2 灌水及施肥时间Table2 Irrigation and fertilization time design

每次灌水前后，在距葡萄根部20 cm处选取3个样方，使用土钻采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80 cm土层土壤样品，使用烘干法测定土壤含水率。在浆果成熟期末，每个处理随机选取5棵植株进行产量测定，同时采取葡萄鲜样进行品质测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 葡萄产量与品质 在浆果成熟期末，每个小区随机选定5棵葡萄树进行采摘称重，取平均值；
每棵随机选取10串葡萄称重，取平均值；
从每串葡萄上、中、下3个部位摘取果实，共计100颗，称重后取平均值。

可溶性固形物含量采用日本ATAGO公司生产的手持数显折射仪PAL-1测定[12]；
可滴定酸含量采用酸碱滴定法测定[13]；
Vc含量采用分光光度法测定[14]；
还原性糖含量采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[15]。

1.3.2 灌溉水分利用效率 灌溉水分利用效率(IWUE，kg·m-3)的计算公式[16]：

IWUE=Y/I

(1)

式中，Y为各处理无核白葡萄产量(kg·hm-3)，I为各处理全生育期灌水量(m3·hm-2)。

1.3.3 作物耗水量 作物耗水量(ET, mm)的计算公式[17]：

ET=P+I+U-D-R-ΔW

(2)

式中，ET为作物生育期内的耗水量(mm)，P为有效降水量(mm)，U为地下水补给量(mm)，D为地下渗漏量(mm)，R为地表径流量(mm)，ΔW为0～80 cm土层含水量的变化(mm)。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2017进行数据统计，SPSS 22.0进行方差分析，Origin 2017进行数据绘图。

2.1 滴灌量与有机无机肥配施对灌溉水分利用效率(IWUE)及作物耗水量(ET)的影响

由表3可以看出，灌水因素(W)、施肥因素(F)及水肥耦合(W×F)均对葡萄IWUE的影响达到极显著水平(P<0.01)。在同一施肥水平下，随着灌水水平的增大，IWUE呈现先增大后减小的规律，在W3灌水水平下达到最大，分别比W1、W2和W4灌水水平提高5.81%～23.78%、1.51%～6.58%及3.87%～11.13%(图2)。在W2、W3和W4灌水水平下，相比CK施肥水平，配施有机肥处理IWUE提高8.34%～26.37%，且F2处理与F1、F3和CK施肥水平间均有显著差异(P<0.05)。而在W1灌水水平下，F1、F3和CK施肥水平间无显著差异(P>0.05)。

表3 滴灌量与有机无机肥配施对灌溉水分利用效率(IWUE)的双因素方差分析(F值检验)Table 3 Two-factor analysis of variance for IWUE of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application (F value test)

注：不同字母表示同一灌水水平下施肥处理间差异显著(P<0.05)。Note: Different letters in the same irrigation level indicate significant different (P<0.05) among fertilization treatments.图2 滴灌量与有机无机肥配施对葡萄灌溉水利用效率的影响Fig.2 Effect of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application on the grape irrigation water use efficiency

灌水因素对葡萄各生育期耗水量及总耗水量影响均达到极显著水平(P<0.01)，而施肥因素对萌芽期无显著性影响(表4)。随着生育期的推进，葡萄ET呈现先增大后减小、再增大再减小的趋势，并在浆果生长期达到最大值。在同一施肥水平下，同一生育期内，随着灌水量的增加，ET逐渐增加。以浆果生长期为例，W4的ET分别比W1、W2和W3提高13.84%～18.69%，3.52%～6.01%和1.58%～2.97%。在同一灌水水平下，同一生育期内，随着有机肥含量的增加，ET逐渐增大。同样以浆果生长期为例，与CK相比，F1、F2和F3的ET分别提高6.98%～10.02%，2.20%～8.09%和1.11%～3.82%。

表4 滴灌量与有机无机肥配施对不同生育期滴灌葡萄耗水量(ET)的影响/mmTable 4 Effect of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application on water consumption of grape at different growth stages

2.2 滴灌量与有机无机肥配施对葡萄产量的影响

由表5可见，灌水因素(W)、施肥因素(F)及水肥耦合(W×F)均对葡萄产量的影响达到极显著水平(P<0.01)。在同一施肥水平下，随着灌水水平的增大，葡萄总产量呈现先增大后减小的趋势，在W3灌水水平下达到最大，分别比W1、W2和W4灌水水平提高20.93%～41.48%、8.28%～13.69%及0.26%～4.60%。在同一灌水水平下，相比单施无机肥，有机肥和无机肥3种配施分别提高10.16%～16.25%、6.71%～26.38%及8.33%～13.75%。

灌水和施肥因素对葡萄单串重和百粒重的影响见表5。灌水因素、施肥因素及水肥耦合均对葡萄单串重和百粒重的影响均达到极显著水平(P<0.01)。葡萄单串重和百粒重均在W3F2处理达到最大，W1CK处理均最低。在同一施肥水平下，随着灌水水平的增大，葡萄单串重呈现逐渐增大的趋势，在W3灌水水平下达到最大，分别比W1、W2和W4灌水水平提高23.43%～37.71%、13.23%～15.01%及0.35%～0.48%；
葡萄百粒重呈现先增大后减小的趋势，在W3灌水水平下达到最大，分别比W1、W2和W4灌水水平提高90.07%～142.94%、29.46%～60.97%及1.13%～21.47%。在同一灌水水平下，葡萄单串重和百粒重，F1、F2和F3施肥水平相比单施CK施肥水平分别提高11.44%～25.45%和18.36%～44.78%，20.31%～33.39%和15.60%～47.76%，4.69%～18.18%和13.47%～42.91%。

表5 滴灌量与有机无机肥配施对葡萄产量的影响Table 5 Effect of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application on the grape yield

2.3 滴灌量与有机无机肥配施对葡萄品质的影响

灌水因素对可溶性固形物、可滴定酸和维生素C含量的影响均达到显著水平(P<0.05)，施肥因素对可溶性固形物含量的影响达到显著水平(P<0.05，表6)。W4F2处理葡萄可溶性固形物和维生素C含量最高；
W4CK处理葡萄可滴定酸含量最高；
W3F2处理葡萄还原性糖含量最高。W1CK处理葡萄可溶性固形物、维生素C和还原性糖含量均最低；
W1F2处理葡萄可滴定酸含量最低。

表6 滴灌量与有机无机肥配施对葡萄品质的影响Table 6 Effect of irrigation amount and organic-inorganic fertilizer application on the grape quality

在同一施肥水平下，葡萄可溶性固形物、可滴定酸和维生素C呈现逐渐增大的趋势，W4达到最大含量，分别比W1、W2和W3增加14.96%～20.27%、12.34%～26.92%和15.86%～41.71%，9.05%～18.00%、0.62%～11.76%和3.73%～23.69%，3.18%～7.77%、1.69%～2.87%和0.11%～4.89%；
葡萄还原性糖含量随着灌溉水平的增大而呈现先增大后减小的趋势。在W3灌水水平可溶性固形物含量达到最大，分别比W1、W2和W4灌水水平提高15.52%～23.67%、0.57%～13.86%及0.08%～1.58%。

在同一灌水水平下，相比单施无机肥，F1、F2和F3施肥水平可溶性固形物、维生素C和还原性糖含量分别提高2.25%～8.72%、3.21%～21.58%和20.49%～32.94%，4.49%～27.80%、18.88%～25.95%和28.57%～40.59%，10.48%～18.34%、11.06%～18.11%和15.53%～28.41%；
可滴定酸含量分别降低1.24%～8.84%、2.90%～22.96%及1.69%～12.19%。

在新疆蒸发量大且少雨的气候条件下，葡萄作为高耗水作物，IWUE的测定对于研究葡萄水肥调控的效果有着重要意义[16,18-19]。本试验得出，从灌水角度，随着灌溉水平增大，葡萄IWUE表现为先增大后减小的趋势，过高的灌水导致其降低。从施肥角度，相比CK施肥水平，有机肥和无机肥3种施肥水平均能显著提高葡萄的IWUE；
其中F2施肥水平比F1和F3施肥水平分别提高8.11%～11.33%和7.19%～14.68%。这与刘星等[20]研究结果不同。可能是由于新疆地区降雨稀少，蒸发量大，且试验区域土壤以沙壤土为主，导致低灌水水平下灌溉水被植物利用较少，IWUE较低。

作物耗水规律是地区水利资源规划、灌排工程规划及设计和农田灌排工程运行管理的基本依据, 在地区农业生产实践中占据重要地位[21]。本研究结果表明，葡萄ET在浆果生长期达到最大，在花期达到最小。这与侯裕生等[21]的研究结果相同。这是由于浆果生长期是葡萄发育结果的最关键时期，需要大量的水分和养分。而在同一灌水水平下，葡萄ET随着有机肥配施比例的增多而逐渐增大。这可能是因为有机肥能够改善土壤结构，改善土壤透气性，增加了土壤水分蒸发[22―24]，使得作物生育期耗水量(ET)增大。而由于试验站土壤以沙壤土为主，本身土壤透气性较好，所以ET变化较小。

现代化的灌溉制度，要求适量的水分和合理的肥料配比及配施[12,25-26]。本试验中，从灌水角度，随着灌水量的增大，无核白葡萄产量、单串重及百粒重均表现出先增大后降低的趋势，而过多的灌水不利于葡萄产量的提高。这可能是由于过多的灌水抑制作物生长，延长成熟进程。从施肥角度，F1、F2和F3施肥水平总产量、单串重和百粒重均显著高于CK施肥水平，表现为F2>F1>F3>CK。分析原因可能是有机肥和无机肥的配施中，大量的有机质减少氮肥的固定，使得氮肥随水的质流运动效率更高，更容易被吸收，提高了养分的利用率[27-28]；
滴灌模式将水分集中在植物周围，为植物根系提供良好的水分环境，促使根系发育，进而促进植物生长发育[29]。而过多的有机肥反而抑制土壤中有效养分的作用，使其作用较慢，从而对作物的吸收产生一定抑制效果，导致产量降低。

葡萄品质是衡量作物营养、确定其经济价值的重要指标[30-32]，合理的灌溉制度在影响葡萄生长的同时，也能显著提高葡萄各项品质指标，达到营养价值和经济价值的提高[33-34]。本研究表明，从灌溉角度，随着灌水水平的增加，可溶性固形物、可滴定酸和维生素C含量呈现逐渐增加的趋势，而还原性糖表现为先增大后减小。这可能是由于过高的灌水对还原性糖有一定的稀释作用，从而导致葡萄品质下降[35]。施用有机肥能够显著提高葡萄品质[36]，而配施有机肥不仅能够影响作物产量构成要素，提升作物质量[37]，还能提高作物品质。本试验表明，从施肥角度而言，F2施肥水平的可溶性固形物含量比F1和F3施肥水平分别提高11.14%～17.42%和3.62%～10.81%，还原性糖含量比F1和F3施肥水平分别提高4.56%～7.11%及7.23%～18.31%，维生素C含量比F1和F3施肥水平分别提高1.24%～7.51%及5.38%～8.19%。这和左达等[37]研究类似，说明合理的有机肥和无机肥配施改善了土壤环境，提高养分吸收利用[38]，保障植株生理功能的正常运转，对葡萄品质有一定的提高。

本试验研究了不同灌水量和有机无机肥配施对极端干旱区无核白葡萄的产量、灌溉水分利用效率、耗水量及品质的影响，得出以下结论：

1)随着灌水量的增大，灌溉水分利用效率呈现先增大后减小的趋势；
不同配比有机肥中，F2处理的灌溉水分利用效率比F1、F3分别提高9.74%和10.38%。不同生育期内葡萄耗水量表现为先增后减再增再减的趋势，其中浆果生长期是葡萄需水最大的生育期。随着灌水量的增大，ET表现为逐渐增大；
随着有机肥配比比例的增大，ET逐渐增大。

2)无核白葡萄产量和还原性糖随灌水水平的增大呈现先增大后减小的趋势，可溶性固形物、可滴定酸和维生素C呈现逐渐增大的规律；
有机肥和无机肥配比3种施肥水平较单施无机肥施肥水平均可增加葡萄产量、可溶性固形物、维生素C和还原性糖含量，但降低了可滴定酸含量。

3)综合考虑作物产量、灌溉水分利用效率、作物耗水量及品质，研究认为W3F2处理，灌溉定额720 mm，有机肥50%+无机肥50%(N 150 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，KCl 300 kg·hm-2)是适合吐哈盆地滴灌无核白葡萄的灌溉施肥制度。