滴灌施肥對紅地球葡萄產量、品質及土體氮磷鉀分布的影響

張 杰，韓 建，孫卓玲，張麗娟，尹 興，汪新穎，吉艷芝

（河北農業大學資源與環境學院/河北省農田生態環境重點實驗室/河北農業大學邸洪杰土壤與環境實驗室，保定 071000）

葡萄 (Vitis vinifera Linn.) 是“世界四大水果”之一，其種植面積及產量均居世界前列。中國是世界上主要的葡萄種植國家，其中2016年種植面積已達8.09 × 105hm2，產量達 1.37 × 107t，居世界首位。河北省作為我國的葡萄主產區之一，2016年種植面積和產量分別為 8.83 × 104hm2、1.71 × 106t，居全國第二位[1]。紅地球葡萄 (Vitis vinifera L.cv) 屬歐亞品種，因其風味鮮美、耐儲運而受人喜愛，目前種植面積已超過2.70 × 104hm2，成為巨峰之后的第二大鮮食葡萄品種[2]。隨著果園集約化程度的提高，水肥投入管理逐漸受到果農的重視[3]，然而在經濟利益的驅使下，部分果農在管理過程中長期盲目地過量投入化肥，不僅導致養分資源的嚴重流失，而且還使土壤環境進一步惡化[4-5]，并且氮、磷、鉀等養分的不合理施用還易造成枝條徒長、果品下降等一系列問題[6-7]。合理施肥可以改善土壤環境，提高作物品質及產量[8]，馬振朝等[9]研究發現河北省葡萄園氮、磷、鉀養分投入量均遠超過果樹需求量，致使土壤中養分累積量過高，同時發現合理降低投入量能夠實現葡萄優質高產，土壤環境改善。滴灌施肥技術可以精準地調控灌水用量與頻率、肥料投入量與比例，在節水節肥的條件下，使葡萄產量及品質得到顯著提升[10-11]。Kang等[12-13]研究發現在滴灌施肥情況下，降低75%的氮肥投入量能夠顯著提高葡萄產量，之后研究又發現減少50%的鉀肥投入量能夠顯著提高產量，品質無明顯差異；張興國等[14]研究發現較傳統水肥管理，滴灌施肥技術可以在節水節肥的同時顯著提高葡萄果實中的含糖量及糖酸比，且產量無顯著差異；林華等[15]試驗表明，滴灌在節水50%的條件下，可使‘紅地球'葡萄產量提高17%，含糖量升高1.9%；杜軍等[16]研究發現滴灌施肥可節水48%，葡萄產量提高67%，糖度提高3～5度。滴灌施肥能有效降低土壤養分淋失，減少養分投入量[17-18]。黃麗華等[19]研究發現滴灌施肥可以有效地減少14.5%～56.4%的氮素流失；Hebbar等[20]發現滴灌施肥可以有效地減輕土壤中硝態氮和鉀的滲漏現象。可見滴灌施肥不僅可以提高葡萄園水肥的利用效率，而且還能優化土壤環境，改善果實品質。前人研究主要集中在滴灌施肥對葡萄產量、品質或土體養分等單方面的影響，未能綜合分析滴灌施肥對經濟效益及生態環境的影響，因此本研究以河北省葡萄園為研究對象，針對葡萄生產過程中盲目水肥投入現狀，共設置了5個不同的水肥投入水平，分析不同水肥投入量對果實產量、品質及關鍵生育期0—100 cm土層中N、P2O5、K2O分布特征的影響，明確河北省‘紅地球'葡萄適宜的水肥投入水平，為科學合理地制定葡萄水肥管理策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2012年5月—2013年10月進行，地點為河北懷來縣葡萄科技示范園，地處北緯40.4°，與法國波爾多地區緯度一致，屬溫帶大陸性季風氣候，≥ 10℃的活動積溫在3500℃以上，光照充足，晝夜溫差大，年降水量為413 mm，非常適合葡萄生長。

果園土壤為褐土，質地偏砂，基本理化性質如表1。土壤有機質含量較低，硝態氮分布不均勻，淺層含量較高，深層含量較低[17]，速效磷、速效鉀含量較高，依據河北省果園地力評價指標，該葡萄園土壤的肥力狀況處于中等水平。

1.2 試驗設計

試材為15年‘紅地球'葡萄，共設5個處理，分別為傳統灌溉施肥 (CK)、傳統施肥 + 滴灌 (FCK +D)、滴灌施肥Ⅰ (F1 + D)、滴灌施肥Ⅱ (F2 + D)、滴灌施肥Ⅲ (F3 + D)。其中CK與FCK + D施肥總量相同 (N、P2O5、K2O總施入量分別為2708.7、2615.45、1315.2 kg/hm2)，與CK相比，F1 + D總N、P2O5、K2O施入量分別降低了68.32%、87.61%、40.47%；F2 + D較F1 + D減少17.31%的磷和12.54%鉀肥施用量；F3 + D較F1 + D降低18.53%的氮肥施用量，磷、鉀肥投入量與F2 + D相同；灌溉處理各時期用水量相同，小區面積為330 m2(5 m × 66 m)，3次重復。每個處理分別在土層30 cm和90 cm處埋設土壤溶液提取器。

傳統處理和滴灌處理除水肥管理方式不同外，其他管理方式均一致。各處理均在秋季葡萄收獲后施用基肥，有機肥為干雞糞，氮、磷、鉀的有效養分含量分別為2.34%、0.93%、1.61%。傳統水肥管理根據當地果農管理習慣進行，溝施有機肥45 t/hm2，溝灌2400 mm，各時期溝施追肥，施肥后灌水；滴灌施肥處理溝施有機肥15 t/hm2[21]，灌水量為傳統管理的45%[22-24]，追肥采用水溶肥，施肥量根據葡萄100 kg果實養分吸收量[25]、土壤養分供應狀況[26]和2000 kg目標產量等條件確定。各處理養分投入量見表2。

1.3 樣品采集與測定

果實產量測定：收獲時實收測產。

果實品質測定：果實成熟時，在所選取的5株具有代表性果樹的前、中、后各選取果穗1個，混勻后，裝在潔凈干燥的網兜中，及時帶回實驗室。測定千粒重、Vc含量、可滴定酸、pH值、可溶性固形物、可溶性固形物與可滴定酸含量的比值 (簡稱固酸比)[27-29]等指標。

土壤樣品測定：在秋施基肥前及各關鍵生育時期采集0—100 cm (20 cm為間隔) 土樣，測定土壤理化性質。土壤pH值、容重、有機質、速效磷、速效鉀以及NO3--N含量采用常規農化分析方法測定[30]。土壤溶液NO3--N測定：每次灌溉或降雨后采集30 cm、90 cm土壤溶液，冷凍保存。測定前解凍，用TRACCS2000型連續流動分析儀測定土壤溶液的NO3--N含量。

表 1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

表 2 不同處理的施肥量和灌水量次數、灌水量Table 2 Fertilizer and irrigation amounts of different treatments

肥料偏生產力 = 產量/純氮、磷、鉀總投入量[31]

灌溉水利用效率 = 產量/灌溉水用量[32]

1.4 數據分析

采用SPSS17.0進行數據統計和方差分析，單因素方差分析及多重比較采用Duncan檢驗。

2 結果與分析

2.1 滴灌施肥對葡萄產量與品質的影響

由表3可以看出，2012年滴灌施肥的F1 + D產量最高，為28830 kg/hm2，傳統管理 (CK) 產量為24115 kg/hm2，與F2 + D、F3 + D和FCK + D差異不顯著。2013年花期授粉受降雨影響，導致各處理產量較2012年均有所降低，但F1 + D仍顯著高于其他處理 (P＜ 0.05)，產量為27272 kg/hm2。由此可見，推薦施肥 (后期增施鉀肥) 與滴灌相結合對紅地球葡萄具有明顯的增產作用。

2012年滴灌處理的千粒重均有高于傳統處理的趨勢，F3 + D差異顯著 (P＜ 0.05)；F1 + D的可溶性固形物和固酸比均表現較高趨勢，但各處理間無顯著差異；F2 + D的pH和可滴定酸顯著高于CK (P ＜0.05)，但與其他處理差異不顯著；Vc含量表現為推薦施肥顯著高于傳統施肥 (P＜ 0.05)；2013年可能受降水影響，各品質指標在處理間均未表現出顯著差異，但變化趨勢與2012年基本一致，因此，推薦施肥結合滴灌能夠改善葡萄品質。

2.2 滴灌施肥對土體氮素分布及淋移的影響

2.2.1 土壤剖面硝態氮分布 由表4可看出，滴灌施肥能明顯減少土壤硝態氮向下淋移 (P＜ 0.05)。各處理0—20 cm土層的硝態氮，均為萌芽期高于其他時期，是由于秋施基肥的分解，樹體吸收量較低所致。隨著樹體的生長，表層硝態氮逐漸降低，20—100 cm土層的硝態氮表現為萌芽期和花前期基本一致，但均高于膨大期和收獲期。各處理萌芽期和花前期均在60—80 cm處有一峰值，而后兩個時期的峰值下移到80—100 cm，由此說明任何水肥管理均會出現硝態氮在土體剖面中的運移。傳統水肥在60 cm以下顯著增加，這與大量灌水有關；傳統施肥與滴灌處理在0—20 cm硝態氮含量最高，達到87.90 mg/kg，顯然也是由于灌水量低于傳統灌溉肥導致向下淋移降低，這與許娥[33]的研究結果一致。各時期中，推薦施肥與滴灌結合的NO3--N含量在整個剖面無顯著差異性，但與傳統水肥存在差異，尤其60 cm以下土層差異顯著 (P＜ 0.05)。F1 + D在各土層中分布較均勻，平均含量為27.34 mg/kg，且整體水平較低。

2.2.2 土壤溶液硝態氮動態 由圖1可以看出，20—40 cm處隨著生育期的延長，硝態氮含量逐漸下降，收獲時數值最低；80—100 cm處的硝態氮含量趨于穩定，并出現先降低而后又上升的趨勢；由此說明土壤上層的硝態氮在生長后期已經淋移出20—40 cm土層，甚至影響已經到80—100 cm處，因此水肥管理至關重要。生長前期20—40 cm處，傳統水肥的硝態氮平均含量為99.54 mg/kg，顯著低于滴灌處理 (P＜ 0.05)，滴灌處理間無顯著差異；各處理在生長后期均未表現出差異；這也充分說明經過一年試驗，傳統水肥的硝態氮淋移出20—40 cm土層的數量較多，累積在80—100 cm土層的含量也最高，含量達到244.52 mg/kg。在6月27日左右由于天氣干旱，土壤水分蒸發強烈導致硝態氮隨水分上移至地表淺層并發生累積，而到生育后期各處理間無顯著性差異。由于FCK + D的施氮量高于推薦施肥處理，故表現為較高的累積量；滴灌施肥處理間差異不顯著，但F3 + D的含量較低，平均值為95.89 mg/kg。

表 3 不同處理對紅地球葡萄產量和品質的影響Table 3 Effect of different treatments on yield and quality of grape

表 4 2013年不同生育期土壤NO3--N的動態變化 (mg/kg)Table 4 Dynamics of soil NO3--N at different stages of grape in different treatments in 2013

圖 1 2013年30和90 cm深度不同生育期土壤溶液NO3--N含量動態變化Fig. 1 NO3--N contents in 30 and 90 cm of soil under different treatments at different stages of grape in 2013

2.3 土壤剖面速效磷分布特征

圖2顯示，土壤速效磷含量隨著土層的加深逐漸降低，尤其是萌芽期和花前期0—40 cm土層的速效磷含量下降迅速，到了生長后期，呈現緩慢降低的趨勢；各處理在整個生育期，在40 cm以下土層的速效磷含量基本一致，由此說明速效磷淋移速度較慢，能更多地累積在土壤上層，供應樹體吸收利用。傳統水肥處理施磷量為2625.45 kg/hm2，遠高于推薦投入量的207 kg/hm2，致使各時期在0—100 cm土層中的含量高于滴灌施肥，整個生育期的平均含量比滴灌水肥高66.4%。在3個推薦水肥處理中，F1 + D在0—60 cm土層中速效磷平均含量為74.91 mg/kg，高于F2 + D和F3 + D，而60—100 cm平均含量為28.56 mg/kg，低于F2 + D和F3 + D，有利于土壤對植株磷的供應。因此，滴灌施肥因肥料施用與水分投入間比例協調，促進葡萄對磷的吸收利用，降低速效磷的淋溶損失，有利于減少施肥對地下水造成的污染。

2.4 土壤剖面速效鉀分布特征

圖3顯示，各處理在整個土壤剖面中均隨深度增加而逐漸減少；0—20 cm土層，膨大期的速效鉀含量最高，這與施鉀肥有關，因這一時期為葡萄需鉀高峰期，無論傳統還是推薦施肥，均重視鉀肥的投入。20 cm以下土層，各處理在每個時期的含量差異不顯著，且速效鉀含量數值變化不大。傳統水肥管理施鉀量為1315.2 kg/hm2，高于推薦水肥處理投入量，致使0—100 cm土層中的速效鉀平均含量高于滴灌施肥；但在生育后期由于鉀肥投入量減少，0—40 cm土層中速效鉀含量降低至417.19 mg/kg，與推薦水肥處理差異不顯著，但在40—100 cm土層中仍然顯著高于推薦施肥 (P＜ 0.05)。由于FCK +D與傳統施肥量相同但灌水量顯著低于傳統水肥處理，導致土壤各層中表現出較高的累積量，整個生育期內的平均含量為328.87 mg/kg，高于3個推薦施肥處理 (平均值為268 mg/kg)。F1 + D、F2 + D和F3 + D在0—60 cm土層中平均含量分別為355.3、346.72、382.74 mg/kg，60—100 cm分別為126.11、117.75、139.00 mg/kg，各處理間差異不顯著；且因F1在膨大期和漿果期投入的鉀量最高，符合該時期葡萄大量需鉀的要求，因此F1 + D處理的水肥方案更為合理。

2.5 水肥利用效率及經濟效益

滴灌施肥對水分利用效率 (WUE) 和肥料偏生產力 (PFP) 均有顯著影響 (表5)。2012、2013年CK的WUE分別為5.36、5.12 kg/m3，均顯著低于滴灌施肥各處理 (P＜ 0.05)；滴灌處理 (FCK + D、F1 +D、F2 + D和F3 + D) 比較，2012年的F1 + D處理顯著高于其他處理 (P＜ 0.05)，較CK提高了10.02 kg/m3，2013年與滴灌施肥各處理無顯著差異。PFP的表現趨勢與WUE一致，滴灌水肥處理的PFP顯著高于傳統水肥處理，2012年和2013年平均提高了9.39 kg/kg；2012年FCK + D顯著低于F1 + D、F2 + D和F3 + D (P＜ 0.05)，在滴灌施肥處理中以F1 + D最高，較CK提高了17.47 kg/kg。因此推薦水肥管理顯著提高了水分利用效率與肥料偏生產力，能夠減少水肥的投入成本。

圖 3 2013年不同時期土壤剖面速效鉀分布狀況Fig. 3 Available potassium contents in soil profile under different treatments in 2013

表 5 滴灌施肥對鮮食葡萄成本及收益的影響Table 5 Effect of types of drip irrigation and fertilizer on cost and benefit of fresh grapes

不同施肥和灌溉條件下，成本投入和效益明顯不同。如表5所示，2012年滴灌水肥管理節本增效明顯，與CK相比，滴灌水肥處理除設備費用每年增加2250 元/hm2外，其他各項費用明顯減少 (P＜0.05)；F1 + D、F2 + D、F3 + D在水肥投入及用工成本上較傳統管理分別節省了19485、20175、19380元/hm2，節本增效分別達到64385、22475、8180元/hm2。在2013年，滴灌施肥在水費、工本費和設備費與2012年相同，與CK相比，FCK + D、F1 +D、F2 + D、F3 + D在水肥投入及用工成本上較傳統管理分別節約了3450、16230、16920、16125元/hm2；F1 + D總收益最明顯，為65004 元/hm2，顯著高于其他處理 (P＜ 0.05)。

3 討論

在葡萄生育期間，水肥投入情況直接關系到植株的生殖生長與營養生長[34]，合理的水肥管理狀況有助于提高葡萄產量，改善果實品質，優化土壤環境。然而水肥管理是一把無形的“雙刃劍”，盲目地加大投入量不僅會導致果品質量下降、水肥利用率降低、土體養分分布失衡，甚至還會造成地下水污染進而破壞人類賴以生存的自然環境[35]，因此平衡施肥與合理灌溉是獲得葡萄持續高產高效與降低環境風險的雙重保障[36]。

合理施肥可以使葡萄產量提高12.4%～38.0%，滴灌水肥管理技術能夠根據葡萄生長情況適時、適量地調節水肥投入量，進而實現果實優質高產。魏延珍等[37]研究表明水肥一體化能夠顯著提高葡萄產量、可溶性固形物及Vc含量，并且能夠降低果實可滴定酸含量。本試驗中滴灌施肥能夠提高葡萄的產量與品質，其中2012年表現較為明顯，F1 + D處理產量達到了28830 kg/hm2，較CK提高了19.55%；千粒重、糖度、可滴定酸、固酸比等品質指標均有所改善，尤以果實Vc含量增加顯著，平均提高13.51%；相比于2012年，2013年產量和品質有所降低，各處理間無顯著差異，可能與葡萄生長季內降雨頻繁，致使開花授粉受到影響。

養分投入水平是關系到土壤環境的重要因素，合理施用能優化土壤質量，過量則易給環境帶來巨大壓力，趙同科等[38]研究表明，近年來由于大量施用氮肥已導致河北省地下水總體上污染嚴重。滴灌水肥管理技術能夠根據葡萄不同時期的需肥特性及時作出合理調整，較傳統水肥管理節水節肥效果顯著。許娥[33]研究發現滴灌施肥在可節水25.6%、節肥33.2%的情況下，果實的產量與品質沒有顯著下降；山東省土肥總站灌溉施肥示范效果統計，灌溉施肥每公頃節肥585～1395 kg，節約37.2%左右，降低了肥料向下淋移的風險。本試驗結果表明，采用滴灌水肥處理能夠使河北省懷來縣葡萄生產節肥67.3%，節水61.33%，同時顯著減少了深層土壤中NO3--N的累積，降低了向下淋洗的風險。

與傳統水肥管理相比，滴灌施肥技術節本增效明顯。研究表明滴灌施肥節水率達30%以上，節肥50%～70%[39-40]，劉艾英等[41]研究表明，與傳統水肥管理相比較，采用滴灌水肥可使葡萄增產2.3%～14.1%，肥料投入成本可節約9.1%～24.5%，肥料偏生產力可提高2.3～3.2倍；鐘勇法等[42]研究也發現采用水肥一體化不僅可以實現節水節肥，而且還能提高畝產、節約人工成本，從而有效地實現葡萄園節本增效。本試驗3個推薦水肥管理節水60%，養分總投入節約70.3%～85.4%，節本增效收益顯著高于傳統施肥。水肥投入時期和投入比例對葡萄產量、品質與經濟效益有很大影響，3個推薦水肥管理水肥投入量基本一致，后期增施鉀肥的F1 + D處理在產量、品質和節本增效等方面均高于F2 + D (膨大期增加氮肥) 和F3 + D (花后期增施磷肥)，其中F1 + D增收最高，2012年和2013年分別達47150、51024 元/hm2。

4 結論

1) 采用滴灌施肥技術能夠提高紅地球葡萄產量與果實品質，與傳統水肥管理相比，在不降低施肥水平和比例的前提下，采用滴灌施肥的產量和Vc含量分別提高19.6%、16.7%，減少肥料投入水平，采用滴灌施肥單粒重提升10.8%。

2) 采用滴灌施肥技術能夠減少養分淋移，顯著降低深層土壤中硝態氮、速效磷和速效鉀含量。

3) 采用滴灌施肥技術顯著提高了水肥利用效率，降低水肥投入及用工成本，年收入較傳統水肥平均提高64800元/hm2。

4) 綜合比較各處理，滴灌施肥Ⅰ的管理方式在實際生產中表現效果最優，即提高了葡萄產量、品質，又優化了土體養分分布，同時增加了果園經濟效益。