水肥耦合對溫室葡萄產量和水肥利用的影響

張興國，胡笑濤，冉 輝，杜 斌，郝 哲，弓俊武

(1.西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.陜西省榆林市農墾農業技術服務站，陜西 榆林 719000；3.陜西省榆林市魚河農場，陜西 榆林 719000)

0 引 言

葡萄是我國五大果樹之一，其中以鮮食葡萄為主體，約占80%[1]。在葡萄的生長過程中，水肥是影響其產量、水分利用效率和養分利用率的主要因素[2-4]。土壤水分過多，會導致葡萄根系獲氧量不足，甚至引起爛根[5,6]，土壤含水率過少時，作物根系無法吸收足夠的水分，致使葡萄根系對其地上部分的營養供應和傳輸受到阻礙，從而抑制葡萄的生長發育；過量的施肥不僅無法得到充分利用，還會導致土壤養分失衡，破壞作物生長環境以及污染地下水等[7,8]，施肥量不足又會造成植株營養不良，影響作物生長，產量就減少[9]。只有水肥關系協調，“以肥調水”，“以水促肥”，才有利于實現產量、水分和養分利用率的提高[10-12]。

目前，國內外關于不同作物水肥耦合條件下的產量和水肥利用的響應研究已有大量報道。研究表明，在一定范圍內，水肥對產量和水分利用效率具有相互促進的關系，超過此范圍后繼續增加水肥用量不利于產量和水分利用效率的提高[13]；Ierna等[7]的研究結果表明，灌水與施肥對馬鈴薯產量、水分利用效率和肥料偏生產力存在顯著的相互作用，水分利用效率隨著灌水量的增加逐漸降低，而肥料偏生產力隨著灌水量的增加逐漸增大；楊小振等[14]利用滴灌施肥對大棚西瓜的研究結果表明，水肥對西瓜產量具有明顯的協同作用，節水節肥效果顯著；王連君等[15]采用膜下滴灌水肥耦合對葡萄的影響研究發現，灌水量和施肥量對葡萄產量存在閥值效應，超過閥值后，繼續增加水肥用量不僅會造成浪費，產量也會隨之下降，得出產量對應的最優水肥組合為灌水量360 mm、施肥量N 225 kg/hm2+P2O5180 kg/hm2+K2O 248 kg/hm2。

國內關于水肥耦合對作物產量和水肥利用效率的研究多集中在大田作物[16-18]，對于果樹的水肥研究則主要針對不同灌溉或施肥方式對其生長發育、產量和品質的影響方面，研究水肥耦合調控對設施葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力的報道較少。本文通過設置不同滴灌水肥處理，重點研究溫室葡萄產量和水肥利用對水肥耦合的響應規律，以期得到適合陜北風沙區設施葡萄栽培的最優水肥組合，為當地的設施葡萄高產、增效生產提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗點簡介

本試驗執行時間為2017年2月13日至2017年6月11日，試驗地點為陜西省榆林市魚河鎮魚河農場，海拔961 m，東徑108°58′，北緯37°49′，該地氣候類型為典型的大陸性邊緣季風氣候。當地年平均氣溫為8.3℃，年平均日照時數2 893.5 h，且5-8月日照較多，12月-次年2月份較少，年平均降水量為365.7 mm，多集中在夏季。土壤類型為風沙土，1 m深土壤部分物理性質和肥力狀況見表1。試驗所用葡萄為早熟品種五年生“6-12”，溫室大棚東西長70 m，南北寬9 m，葡萄行南北向種植，采用寬窄行種植方式，大行寬1.0 m，小行寬0.5 m，每行栽植14株葡萄，株距為0.6 m。溫室從2017年1月5日開始于白天收起保溫被，同時開始進行人工升溫。

表1 1 m土層土壤部分物理性質和肥力狀況Tab.1 Partial physical Properties and Fertility of soil in 1 metres soil layer

1.2 試驗方法

試驗采用滴灌對葡萄植株進行灌溉施肥，灌水量設3個水平，分別為W1(100%M)、W2(80%M)和W3(60%M)。M為灌水定額，采用土壤水分上限與下限控制，上限均為田間持水率，下限在萌芽期、抽蔓期和著色成熟期采用65%田間持水率，花期和果實膨大期采用70%田間持水率；計劃濕潤層深度50 cm，滴灌濕潤比為80%。M計算公式如下[19]：

M=0.1 (β田-β0)Hpγ

式中：M為灌水定額，mm；β田為田間持水量，%；β0為土壤水分下限，%；H為計劃濕潤層深度，m；p為滴灌濕潤比，%；γ在數值上等于土壤容重[無量綱]。

灌水時間按照W1處理小區是否到達下限確定，所有處理同時灌水。施肥設置高肥(F1，930 kg/hm2)、中肥(F2，840 kg/hm2)和低肥(F3，750 kg/hm2)3個水平，N、P、K比例為1∶0.6∶1.2。施肥分萌芽期和抽蔓期、花期和果實膨大期、著色成熟期3個時期進行，折算為液態肥數量按灌水次數平均隨水滴灌施入田間，全生育期共施肥7次。灌水和施肥進行完全組合試驗設計，共9個處理，每個處理3次重復，共27個小區，隨機區組排列。滴灌施肥設備由陜西楊凌示范區秦川節水公司生產，采用壓差式施肥罐，滴灌管內徑20 mm，滴頭間距為30 cm，滴頭流量4 L/h,滴灌管沿葡萄種植行向布置，每行葡萄兩側各布置一根滴灌管，與葡萄植株根部距離為25 cm。各處理全生育期內總灌水量以及各生育期單次施肥用量具體見表2。

1.3 測定項目與計算方法

在葡萄采收期，對各處理隨機選取并采摘6株葡萄的果穗進行稱量，算出其單株平均產量，按照各實驗小區面積和栽培株數，換算為單位面積產量(kg/hm2)[15]。

表2 各處理全生育期內總灌水量和各生育期單次施肥用量Tab.2 Total irrigation quantity during the whole growth period and fertilizer consumption with one application in the different growth period of each treatment

注：W1、W2和W3分別表示滴灌灌水量為3 810、3 045和2 280 m3/hm2；F1、F2和F3分別表示滴灌施肥量為930、840和750 kg/hm2。

土壤含水率采用取土烘干法進行測定，每個處理選定3個取樣點，取土位置為滴灌管每兩個滴頭中間，取土深度為1 m，每10 cm取一次，以3個點的土壤含水率平均值作為該處理的土壤含水率。

作物耗水量采用水量平衡法進行計算[20]：

Wh+A-B=Wk

式中：Wh為某一時段開始時土壤中的儲水量；Wk為某一時段終止時土壤中的儲水量；A為該時段內土壤從外部獲得的水量(在溫室內即為灌溉水量)；B為作物耗水量(在本試驗中，通過觀測土壤剖面的水分入滲過程發現，在一次灌水周期內，滴頭下方灌溉水最大垂直入滲深度不超過50 cm，因此不考慮深層滲漏)。

按照下式計算水分利用效率和肥料偏生產力：

水分利用效率WUE=單位面積產量/作物耗水量

肥料偏生產力PFP=單位面積產量/單位面積施肥量[7]

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2013進行數據計算；利用SPSS 19.0進行方差分析；利用Sigmaplot 12.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 水肥耦合對溫室葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力的影響

表3為不同灌水施肥處理下溫室葡萄產量、耗水量、水分利用效率和肥料偏生產力的測定計算結果。從表3中可以看出，在W1、W2灌水水平下，隨著施肥量的提高，葡萄產量先增加后降低，在W3灌水水平下，葡萄產量隨施肥量的提高逐漸增加；在相同施肥量水平下，葡萄產量隨著灌水量的提高呈現先增加后降低的趨勢。在相同灌水水平下，水分利用效率與葡萄產量的變化趨勢一致；在F1施肥量情況下，水分利用效率隨著灌水量的提高逐漸降低，在F2、F3施肥量情況下，水分利用效率隨著灌水量的提高先增加后減小。對于肥料偏生產力，在同一施肥量水平下，隨著灌水量的提高呈現為先增加后降低的趨勢，在相同的灌水量情況下，隨著施肥量的增加，肥料偏生產力沒有表現出明顯的變化規律。滴灌施肥條件下，灌水量對葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力具有極顯著的影響(p<0.01)，施肥量對肥料偏生產力影響顯著(p<0.05)，但水肥交互作用對葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力沒有表現出顯著的影響。

表3 不同水肥處理耗水量、葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力Tab.3 Water consumption, grape yield, water use efficiency and fertilizer productivity under different water and fertilizer treatments

注：同一列中不同的小寫字母表示差異顯著。*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。下同。

2.2 基于灌水量和施肥量對葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力的回歸方程的建立

為揭示灌水量和施肥量對葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力的定量關系，建立了葡萄產量Y產、水分利用效率Y水、肥料偏生產力Y肥與灌水量X1和施肥量X2之間的二元二次回歸模型：

(1)

(2)

(3)

式中：Y產為產量，kg/hm2；Y水為水分利用效率，kg/m3；Y肥為肥料偏生產力函數；X1、X2分別表示灌水量和施肥量(下同)。

分別對式(1)、式(2)、式(3)進行F檢驗，結果顯示式(1)(F=15.96，sig.=0.022 5<0.05，R2=0.903 4)、式(2)(F=23.38，sig.=0.013 1<0.05，R2=0.933 3)、式(3)(F=20.65，sig.=0.015 7<0.05，R2=0.924 7)均達到顯著水平，說明模型具有較好的回歸關系。圖1為根據所建模型繪制的葡萄產量、水分利用效率、肥料偏生產力與灌水量和施肥量之間的三維圖形。由圖1(a)可知，葡萄產量受到灌水量和施肥量的交互影響，當施肥量一定時，產量隨著灌水量的增加呈現開口向下的拋物線變化趨勢；當灌水量一定時，產量隨著施肥量的增加表現為先增加后減小的趨勢，且變化趨勢不如產量隨灌水量的變化明顯，這與表3中的分析結果一致；從圖中可以看出，水肥供給對于葡萄產量的影響存在一個閥值，低于或超過這個值時都會使葡萄產量降低，通過計算機模擬尋優，求得：當灌水量為3 172 m3/hm2、施肥量為859 kg/hm2時，葡萄產量最大達到31 244 kg/hm2。由圖1(b)可知，當施肥量一定時，水分利用效率先隨灌水量的增加短暫緩慢上升，在達到最大值之后快速下降；當灌水量一定時，水分利用效率隨施肥量的增加呈現為先增加后減少的趨勢，但變化幅度較小，說明施肥量對水分利用效率的影響弱于灌水量，計算得出：當灌水量為2 357 m3/hm2、施肥量為924 kg/hm2時，水分利用效率達到最高為10.80 kg/m3，小于W2F1處理下的11.07 kg/m3,這與計算機本身的擬合方法有關，有待進一步研究。由圖1(c)可知，肥料偏生產力隨灌水量和施肥量的變化呈現開口向下的拋物面形狀，過多或過少的水肥供給均不利于肥料偏生產力的提高，當施肥量一定時，肥料偏生產力隨著灌水量的增加先升高后降低，說明在一定范圍內增加灌水量有助于葡萄植株對肥料的吸收利用，但過高的灌水量會使肥料偏生產力降低；當灌水量一定時，肥料偏生產力隨著施肥量的增加先緩慢升高之后快速下降，通過計算得到：當灌水量為3 321 m3/hm2、施肥量為760 kg/hm2時，肥料偏生產力達到最大為38.59。綜合考慮葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力，設定當滿足以下條件時：葡萄產量大于30 000 kg/hm2、水分利用效率大于9 kg/m3、肥料偏生產力大于35，為本地區溫室葡萄栽培適宜的水肥組合，計算得出：灌水量為2 784～3 462 m3/hm2，施肥量784～893 kg/hm2。

圖1 水肥耦合對葡萄產量、水分利用效率、肥料偏生產力影響分析Fig.1 Effect of Water and Fertilizer Coupling on Grape Yield , WUE and PFP

3 討 論

水肥是農業生產中的兩項重要因素，適當的水分條件和養分供給是實現作物高產優質、降低農業投入的基本保證[21,22]。本研究表明，灌水量對葡萄產量有極顯著的影響(P<0.01)，在同一施肥量水平下，葡萄產量隨灌水量的增加均表現為先增加后減小的趨勢。在一定范圍內增加水肥供給可使葡萄產量增加，但隨著水肥用量的繼續提高，葡萄產量開始呈現降低的趨勢，說明水肥供給對葡萄產量存在閥值反應，低于閥值時，增加水肥供給增產效果明顯，高于閥值后再繼續增加水肥用量將會給葡萄產量帶來不利影響，這與前人研究結果類似[23,24]。前人研究認為，水肥用量對作物產量存在顯著的交互作用[7,13,25]，但本試驗結果表明，水肥耦合對葡萄產量存在交互作用，但沒有達到顯著水平，這可能是由于環境條件差異和試驗材料不同所致。對于干旱缺水地區而言，在防止作物產量顯著降低的同時提高水資源的利用效率尤為重要，“以肥調水”，適當的水肥比例，可以促進葡萄根系的生長和冠層發育，擴大葡萄植株對于水分吸收的空間，在總灌水量不變的情況下對于水分的吸收更加充分，調節、促進了水分利用過程，從而使水分利用效率提高[13,21,26,27]。

本研究發現，在W1、W2灌水水平下，水分利用效率隨施肥量的提高均呈現為先增加后減小的趨勢，說明了肥料在調節植物對水分吸收利用的過程中發揮著重要作用。在W3灌水水平下，水分利用效率隨著施肥量的提高逐漸增加，這可能是因為在較低的灌水水平下，肥料對水分利用效率的影響起主導作用，其原因有待進一步研究。本研究中，隨著灌水量和施肥量的增加，水分利用效率均呈現為先增大后減小的變化趨勢，尤其在相同施肥水平下，當灌水量超過一定量之后，水分利用效率快速下降，說明過多的水分供給會給水分利用效率帶來嚴重的負效應[28-31]。利用滴灌將肥隨水施入，“以水促肥”，有利于改善養分在土壤中的擴散和運移，從而提高根系對于養分的吸收[7,21,32]，與傳統撒施相比可以顯著提高肥料的利用效率[22,33]。

本研究發現，肥料偏生產力隨著水肥用量的增加同樣呈現先增大后減小的趨勢，這與Thompson等[34]的研究結果類似。但Di Paola等[35]研究發現，肥料偏生產力在同一施肥量水平下隨著灌水量的增加逐漸增大，這與本實驗結果不一致，其原因有待研究。通過計算機模擬尋優，得出本地區溫室葡萄栽培適宜的水肥組合為灌水量2 784～3 462 m3/hm2，施肥量784～893 kg/hm2，這與王連君等[15]的研究結果存在一定的差異，可能是因為所選試驗品種或處理方法不同所致。

4 結 論

通過不同滴灌水肥處理對溫室葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力的影響分析，得出以下結論：

(1)灌水量對葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力的影響均大于施肥量，施肥對肥料偏生產力的影響顯著；葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力均受到水肥交互作用的影響，在一定范圍內增加水肥用量有利于產量和水肥利用率的提高，但過高的水肥供給會帶來明顯的負效應，對農業生產造成不利影響。

(2)建立了灌水量和施肥量與葡萄產量、水分利用效率以及肥料偏生產力之間的函數模型，均達到顯著水平，能夠較好地反映水肥用量與葡萄產量、水分利用效率以及肥料偏生產力之間的關系。

(3)通過計算機模擬尋優，綜合考慮葡萄產量、水分利用效率和肥料偏生產力的大小，得出適宜本地區溫室葡萄栽培的水肥用量為：灌水量2 784～3 462 m3/hm2，施肥量784～893 kg/hm2。