基于Meta 分析的調控灌溉對中國北方葡萄產量及灌溉水分利用效率的影響研究

楊 凡，劉 園，劉布春，楊興元，朱永昶，劉珊珊，劉觀止，崔 成

（1.中國農業(yè)科學院 農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.新疆農業(yè)大學 食品科學與藥學學院，烏魯木齊 710048）

0 引 言1

【研究意義】中國北方葡萄種植面積占全國葡萄種植總面積的58%[1]，產量占全國葡萄總產量的70%[2]。然而，中國北方屬于干旱或半干旱區(qū)，葡萄生育期內降水量普遍不足，需補充灌溉以保證其正常的生長發(fā)育。最佳灌溉制度不僅需保障葡萄產量與品質，還需考慮灌溉水分利用效率（WUE）。國內專家為探索葡萄最優(yōu)灌溉制度，開展了大量田間試驗研究，發(fā)現(xiàn)主動為植株施加水分脅迫的調控灌溉技術是葡萄節(jié)水、增產、提質的有效水分管理措施之一[3]。受氣候、品種、栽培管理措施以及果園條件等因素的影響和限制，多數(shù)葡萄果園試驗得到的最優(yōu)灌溉定額、最優(yōu)灌溉制度、最佳灌溉方式存在區(qū)域異質性。因此，本研究對已公開發(fā)表的中國北方葡萄灌溉文獻進行回顧和系統(tǒng)分析，評價現(xiàn)行灌溉制度的合理性，以期為中國北方葡萄節(jié)水增效、增產和保質提供科學參考。

【研究進展】自20 世紀90 年代以來，國內學者在中國北方不同地區(qū)開展了果園葡萄節(jié)水試驗。趙金龍等[4]在流沙地開展了葡萄滴灌試驗，得出669 L/a的滴灌量可以促進巨峰葡萄的生長發(fā)育，相比溝灌節(jié)水72%。針對不同灌溉方式和灌溉技術，學者又開展了一系列田間試驗，如大水漫灌、滴灌、溝灌、滲灌、小管出流灌等[4-14]；大量的田間試驗明確了調控灌溉技術對葡萄產量、品質的影響。隨著研究的不斷深入，張振文等[11]認為葡萄果實著色到采收期時，采用調控灌溉技術可比常規(guī)灌溉方式節(jié)水36%，且對葡萄漿果品質具有促進作用。房玉林等[3]發(fā)現(xiàn)，調控灌溉不僅節(jié)水，而且能夠有效提高果實品質。鄧浩亮等[12]認為，葡萄萌芽期耗水強度最小，漿果膨大期耗水強度最大，著色成熟期中度水分脅迫最有利于葡萄品質的提高。張玥等[13]通過減少50%的灌溉量和灌溉次數(shù)，發(fā)現(xiàn)寒香蜜和紫甜無核葡萄的可溶性固形物量和果皮中酚類物質的量增加顯著。李昭楠等[14]認為，西北干旱荒漠氣候區(qū)葡萄全生育期需灌溉12 次10～20 mm 的水量，結合覆膜技術可顯著提高葡萄水分利用效率和產量?！厩腥朦c】前人的研究結果側重于灌溉量對果園尺度不同葡萄品種的生理、產量和品質的影響，與區(qū)域氣候條件相結合的研究較少，結論普適性較低，不利于區(qū)域推廣。

【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究基于Meta分析，通過回顧以往公開發(fā)表的中國北方區(qū)域葡萄田間試驗研究，定量分析調控灌溉技術對北方葡萄產量及灌溉水分利用效率的影響。結合區(qū)域氣候特征，探明葡萄的生育期水分缺額及最佳灌溉定額，綜合評價果園試驗最佳灌溉定額的區(qū)域合理性，以期為我國北方葡萄種植提供最佳的調控灌溉技術模式。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究基于中國知網數(shù)據(jù)庫，以“葡萄”、“灌溉”為關鍵詞，搜集了自2000 年以來公開發(fā)表的關于中國北方不同灌溉條件下葡萄產量和水分利用效率的學術論文和學位論文。為了得到有效的田間試驗數(shù)據(jù)，進一步對搜集的文獻進行分類篩選，具體標準如下：①試驗區(qū)位于我國秦嶺-淮河線以北區(qū)域；②盆栽、水分池及設有防雨棚的試驗均被排除；③試驗設計是圍繞葡萄調控灌溉技術開展，且具有相應的充分灌溉或近似灌溉處理作為對照組（非調控灌溉），具有相應的調控灌溉為試驗組，或經試驗得到最佳灌溉定額；④田間試驗至少列出2 種處理下的葡萄產量或水分利用效率的平均值、標準差和樣本量，灌溉量、產量和水分利用效率至少包括2 個及以上指標。經過嚴格篩選和復核，共獲取到中國北方新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、陜西省、河北省、北京市、遼寧省、吉林省8 個省（市）的葡萄灌溉試驗的中文文獻59 篇。

提取文獻中的試驗地點、土壤田間持水率、葡萄品種、樹齡、灌溉方式、調控時期、最優(yōu)灌溉定額。文獻中的數(shù)據(jù)以表格、柱狀圖與折線圖3 種方式呈現(xiàn)，對表格中的數(shù)據(jù)進行直接提??；對以柱狀圖或折線圖形式呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)，采用GetData Graph Digitizer 2.24軟件進行數(shù)字化轉換后再提取?？偨Y歸納同類數(shù)據(jù)，將葡萄全生育期分為萌芽期、開花期、新稍生長期、膨大期、著色成熟期5 個關鍵生育期；灌溉方式按照漫灌、溝灌、微噴灌、小管出流灌、滴灌、滲灌6 種進行分類，用于統(tǒng)計分析。

1.2 研究方法

利用Excel 和R studio 軟件對數(shù)據(jù)進行處理、分析。利用ArcMAP 10.8 軟件，依據(jù)中國秦嶺—淮河分界線對中國地理底圖（來源于自然資源部標準地圖服務系統(tǒng)底圖，審圖號為GS(2019)1822 號）進行裁剪。基于Meta 分析，采用隨機效應模型計算加權均值差（MD）作為產量和灌溉水分利用效率（WUE）的效應量，并進行異質性檢驗、回歸分析和亞組分析。以生育期水分缺額反映研究時段內葡萄需水量與降水量的差異，得到的點數(shù)據(jù)通過反距離權重法（IDW）插值得到最佳灌溉定額的區(qū)域分布[15-17]。

2 結果與分析

2.1 調控灌溉對北方葡萄產量、灌溉水分利用效率的綜合效應分析

將收集到的有效數(shù)據(jù)依據(jù)是否使用調控措施再次篩選，得到45 對數(shù)據(jù)。將每個試驗的不同處理次數(shù)視為重復次數(shù)，計算其標準偏差。部分試驗中對照組僅有1 個處理，則參考文獻[17]，假定偏差為平均值的10%進行Meta 分析。調控灌溉對葡萄產量和灌溉水分利用效率的Meta 分析結果如表1 所示。中國北方葡萄調控灌溉相比充分灌溉平均減產710.37 kg/hm2（p<0.05，95%的置信區(qū)間為-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%的置信區(qū)間為0.77～1.62 kg/m3）。I2分別為51.4%、92.4%，異質性均大于50%，表明所納入的各研究間存在異質性，需要確定異質性來源。因此，進一步分析葡萄品種、土壤質地、田間持水量、樹齡、調控程度等因素影響下的葡萄產量和水分利用效率對調控灌溉的響應。

表1 調控灌溉對葡萄產量和灌溉水分利用效率的綜合效應分析Table 1 Effect of regulated deficit irrigation on greap yield and WUE

2.2 調控灌溉對北方葡萄產量、灌溉水分利用效率影響的異質性分析

基于316 對調控灌溉與充分灌溉的中國北方葡萄產量及灌溉水分利用效率的對比數(shù)據(jù)，按照不同分組進行回歸分析及亞組分析，如圖1 所示。

圖1 中國北方葡萄不同分類下的產量與WUEFig.1 Yield and WUE under different grape classifications in North China

由表2 可知，葡萄品種、調控程度、品種大類、土壤類型、調控時間均不同程度地影響WUE，解釋了其7.44%的異質性。調控程度、土壤類型、田間持水率不同程度地影響產量，解釋了其18.37%的異質性。

表2 調控灌溉下中國北方葡萄產量與水分利用效率的異質性分析Table 2 Heterogeneity analysis of irrigated grape yield and WUE in North China

根據(jù)Meta回歸分析結果對相關因素進行多次亞組分析。不同分類下調控灌溉對葡萄WUE影響的結果如圖2 所示。與充分灌溉相對比，全生育期、著色成熟期的調控灌溉對WUE具有顯著的正效應，分別使葡萄WUE增加1.57、0.91 kg/m3。除砂壤土外，不同土壤類型均對葡萄WUE具有顯著的正效應。不同程度的調控灌溉均對葡萄WUE具有顯著的正效應。調控灌溉下，僅“戶太8 號”的WUE顯著降低了0.62 kg/m3（95%置信區(qū)間為-0.89～-0.35 kg/m3）；在具有顯著正效應的結果中，鮮食葡萄“陽光玫瑰”、“巨峰”、“遼峰”、“612”和“寒香蜜”表現(xiàn)出更高的正效應（＞2.5 kg/m3），“陽光玫瑰”的WUE受調控灌溉影響最大，為30.13 kg/m3（95%置信區(qū)間為25.25～35.01 kg/m3）。調控灌溉使鮮食葡萄WUE平均提高1.68 kg/m3，使釀酒葡萄WUE平均提高0.66 kg/m3。

圖2 調控灌溉措施下不同因素對中國北方葡萄WUE 影響Fig.2 Effects of different factors on WUE of grape in North China under controlled regulated irrigation

調控灌溉下，不同因素對葡萄產量的影響如圖3所示。砂壤土與黏質土對葡萄產量具有顯著負效應，分別為-1 844.56、-1 067.57 kg/hm2。在20%～30%的土壤田間持水率下，調控灌溉對葡萄產量表現(xiàn)出最高的負效應，為-1 233.85 kg/hm2。中度與重度調控灌溉分別使葡萄產量減少1 130.78、1 330.74 kg/hm2。

圖3 調控灌溉措施下不同因素對中國北方葡萄產量影響Fig.3 Effects of different factors on yield of grape in North China under controlled regulated irrigation

2.3 中國北方葡萄最佳灌溉定額的區(qū)域化分析

基于不同試驗環(huán)境與管理措施，前人得到了北方葡萄最佳灌溉定額的點數(shù)據(jù)，其中低于500 mm 共32個站點，主要分布在甘肅、陜西和河北；最佳灌溉定額在500～1 500 mm 之間的共有8 個果園，主要分布在新疆、寧夏。

利用反距離權重法得到中國北方釀酒葡萄及鮮食葡萄最佳灌溉量的區(qū)域分布，如圖4（a）和圖4（b）所示。中國北方釀酒葡萄全生育期最佳灌溉定額均介于200～500 mm 之間，呈自南向北逐漸減少的趨勢，黃土高原區(qū)所需灌溉量較高，在300～500 mm 之間，平均值為356 mm。鮮食葡萄全生育期的最佳灌溉定額呈自東向西的增加趨勢。中國北方葡萄生育期水分缺額如圖4（c）所示。吉林、遼寧南部、陜西南部、甘肅西南部、河北東部地區(qū)的葡萄全生育期水分缺額為負值，即降水基本可滿足葡萄生長發(fā)育需求；其余地區(qū)葡萄全生育期水分缺額＞0 mm，表明需要補充灌溉以滿足葡萄生長發(fā)育。

圖4 中國北方葡萄最佳灌溉定額和生育期水分缺額空間分布Fig.4 Spatial distribution of the actual optimum irrigation amount and water deficit during growth period during grape growing season in North China

3 討 論

定量分析調控灌溉對葡萄產量及WUE的影響，對農業(yè)水資源的高效利用具有重要意義。Meta 分析可將已有研究進行歸納總結，并將眾多影響因素作為協(xié)變量進行分析，但在大量納入分析的數(shù)據(jù)中，灌溉定額為試驗因素，因此并未將其列入Meta 分析的影響因素中，僅提取各試驗點得到的最佳灌溉定額進行反距離權重插值得到中國北方葡萄灌溉定額區(qū)域分布。所納入的文獻中，不同試驗年的降水量不同，可能會造成一定誤差。

隨著田間持水率的增加，葡萄產量呈先升高后降低再升高的變化趨勢，總結試驗條件發(fā)現(xiàn)，葡萄根系在砂土的生長與定植方向基本一致，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較快，在沒有明顯鈣積層阻隔的情況下，根系生長速度與灰鈣土分布深度有關[18]。在所有納入研究的葡萄品種中，僅“戶太八號”的WUE在調控灌溉下呈顯著負效應，可能是由于“戶太八號”是高產品種，通過犧牲一定的產量來提高WUE并不可行[19]。除產量與WUE外，提升葡萄品質也是栽培管理的目的之一。調控灌溉主要集中對WUE的研究，對葡萄品質研究較少，品質因子中又側重于調控灌溉對葡萄糖酸類物質影響的研究，對葡萄總酚、花色苷、單寧及鮮食葡萄的粒徑、維生素C 等一系列品質關注較少，所以本研究中未將其列入研究范圍。我國北方葡萄最佳灌溉定額的空間分布與生育期水分缺額基本吻合，與李雅善[20]基于水分虧缺指數(shù)的寧夏釀酒葡萄各生育期旱情等級空間分布類似。最優(yōu)灌溉定額區(qū)間略低于生育期水分缺額，造成這種差異的原因可能是葡萄不同生育期降水分布不均[21-25]。黃土高原區(qū)釀酒葡萄的最優(yōu)灌溉定額高于鮮食葡萄的最優(yōu)灌溉定額，可能是研究站點和試驗年份的不同所致。

4 結 論

1）與充分灌溉相比，調控灌溉使中國北方葡萄減產710.37 kg/hm2，灌溉水分利用效率提高1.19 kg/m3。

2）鮮食葡萄比釀酒葡萄對調控灌溉更敏感，WUE可提高61%。

3）中國北方釀酒葡萄最佳灌溉定額介于200～500 mm 之間，新疆區(qū)鮮食葡萄最佳灌溉定額介于500～1 500 mm 之間。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）