水肥耦合對(duì)溫室葡萄產(chǎn)量和水肥利用的影響

張興國(guó)，胡笑濤，冉 輝，杜 斌，郝 哲，弓俊武

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.陜西省榆林市農(nóng)墾農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)站，陜西 榆林 719000；3.陜西省榆林市魚(yú)河農(nóng)場(chǎng)，陜西 榆林 719000)

0 引 言

葡萄是我國(guó)五大果樹(shù)之一，其中以鮮食葡萄為主體，約占80%[1]。在葡萄的生長(zhǎng)過(guò)程中，水肥是影響其產(chǎn)量、水分利用效率和養(yǎng)分利用率的主要因素[2-4]。土壤水分過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致葡萄根系獲氧量不足，甚至引起爛根[5,6]，土壤含水率過(guò)少時(shí)，作物根系無(wú)法吸收足夠的水分，致使葡萄根系對(duì)其地上部分的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和傳輸受到阻礙，從而抑制葡萄的生長(zhǎng)發(fā)育；過(guò)量的施肥不僅無(wú)法得到充分利用，還會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡，破壞作物生長(zhǎng)環(huán)境以及污染地下水等[7,8]，施肥量不足又會(huì)造成植株?duì)I養(yǎng)不良，影響作物生長(zhǎng)，產(chǎn)量就減少[9]。只有水肥關(guān)系協(xié)調(diào)，“以肥調(diào)水”，“以水促肥”，才有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、水分和養(yǎng)分利用率的提高[10-12]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于不同作物水肥耦合條件下的產(chǎn)量和水肥利用的響應(yīng)研究已有大量報(bào)道。研究表明，在一定范圍內(nèi)，水肥對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率具有相互促進(jìn)的關(guān)系，超過(guò)此范圍后繼續(xù)增加水肥用量不利于產(chǎn)量和水分利用效率的提高[13]；Ierna等[7]的研究結(jié)果表明，灌水與施肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)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(chǎn)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(duì)大棚西瓜的研究結(jié)果表明，水肥對(duì)西瓜產(chǎn)量具有明顯的協(xié)同作用，節(jié)水節(jié)肥效果顯著；王連君等[15]采用膜下滴灌水肥耦合對(duì)葡萄的影響研究發(fā)現(xiàn)，灌水量和施肥量對(duì)葡萄產(chǎn)量存在閥值效應(yīng)，超過(guò)閥值后，繼續(xù)增加水肥用量不僅會(huì)造成浪費(fèi)，產(chǎn)量也會(huì)隨之下降，得出產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的最優(yōu)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(guó)內(nèi)關(guān)于水肥耦合對(duì)作物產(chǎn)量和水肥利用效率的研究多集中在大田作物[16-18]，對(duì)于果樹(shù)的水肥研究則主要針對(duì)不同灌溉或施肥方式對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響方面，研究水肥耦合調(diào)控對(duì)設(shè)施葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的報(bào)道較少。本文通過(guò)設(shè)置不同滴灌水肥處理，重點(diǎn)研究溫室葡萄產(chǎn)量和水肥利用對(duì)水肥耦合的響應(yīng)規(guī)律，以期得到適合陜北風(fēng)沙區(qū)設(shè)施葡萄栽培的最優(yōu)水肥組合，為當(dāng)?shù)氐脑O(shè)施葡萄高產(chǎn)、增效生產(chǎn)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)執(zhí)行時(shí)間為2017年2月13日至2017年6月11日，試驗(yàn)地點(diǎn)為陜西省榆林市魚(yú)河鎮(zhèn)魚(yú)河農(nóng)場(chǎng)，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(fēng)氣候。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?.3℃，年平均日照時(shí)數(shù)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(fēng)沙土，1 m深土壤部分物理性質(zhì)和肥力狀況見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用葡萄為早熟品種五年生“6-12”，溫室大棚東西長(zhǎng)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(kāi)始于白天收起保溫被，同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行人工升溫。

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

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用滴灌對(duì)葡萄植株進(jìn)行灌溉施肥，灌水量設(shè)3個(gè)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(shí)膨大期采用70%田間持水率；計(jì)劃濕潤(rùn)層深度50 cm，滴灌濕潤(rùn)比為80%。M計(jì)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(jì)劃濕潤(rùn)層深度，m；p為滴灌濕潤(rùn)比，%；γ在數(shù)值上等于土壤容重[無(wú)量綱]。

灌水時(shí)間按照W1處理小區(qū)是否到達(dá)下限確定，所有處理同時(shí)灌水。施肥設(shè)置高肥(F1，930 kg/hm2)、中肥(F2，840 kg/hm2)和低肥(F3，750 kg/hm2)3個(gè)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(shí)膨大期、著色成熟期3個(gè)時(shí)期進(jìn)行，折算為液態(tài)肥數(shù)量按灌水次數(shù)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(jìn)行完全組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共9個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共27個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。滴灌施肥設(shè)備由陜西楊凌示范區(qū)秦川節(jié)水公司生產(chǎn)，采用壓差式施肥罐，滴灌管內(nèi)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(cè)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(nèi)總灌水量以及各生育期單次施肥用量具體見(jiàn)表2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與計(jì)算方法

在葡萄采收期，對(duì)各處理隨機(jī)選取并采摘6株葡萄的果穗進(jìn)行稱量，算出其單株平均產(chǎn)量，按照各實(shí)驗(yàn)小區(qū)面積和栽培株數(shù)，換算為單位面積產(chǎn)量(kg/hm2)[15]。

表2 各處理全生育期內(nèi)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(jìn)行測(cè)定，每個(gè)處理選定3個(gè)取樣點(diǎn)，取土位置為滴灌管每?jī)蓚€(gè)滴頭中間，取土深度為1 m，每10 cm取一次，以3個(gè)點(diǎn)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(jìn)行計(jì)算[20]：

Wh+A-B=Wk

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

按照下式計(jì)算水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力：

水分利用效率WUE=單位面積產(chǎn)量/作物耗水量

肥料偏生產(chǎn)力PFP=單位面積產(chǎn)量/單位面積施肥量[7]

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算；利用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析；利用Sigmaplot 12.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對(duì)溫室葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的影響

表3為不同灌水施肥處理下溫室葡萄產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的測(cè)定計(jì)算結(jié)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(chǎn)量先增加后降低，在W3灌水水平下，葡萄產(chǎn)量隨施肥量的提高逐漸增加；在相同施肥量水平下，葡萄產(chǎn)量隨著灌水量的提高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在相同灌水水平下，水分利用效率與葡萄產(chǎn)量的變化趨勢(shì)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(duì)于肥料偏生產(chǎn)力，在同一施肥量水平下，隨著灌水量的提高呈現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，在相同的灌水量情況下，隨著施肥量的增加，肥料偏生產(chǎn)力沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。滴灌施肥條件下，灌水量對(duì)葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力具有極顯著的影響(p<0.01)，施肥量對(duì)肥料偏生產(chǎn)力影響顯著(p<0.05)，但水肥交互作用對(duì)葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的影響。

表3 不同水肥處理耗水量、葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)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(xiě)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(duì)葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的回歸方程的建立

為揭示灌水量和施肥量對(duì)葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的定量關(guān)系，建立了葡萄產(chǎn)量Y產(chǎn)、水分利用效率Y水、肥料偏生產(chǎn)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(chǎn)為產(chǎn)量，kg/hm2；Y水為水分利用效率，kg/m3；Y肥為肥料偏生產(chǎn)力函數(shù)；X1、X2分別表示灌水量和施肥量(下同)。

分別對(duì)式(1)、式(2)、式(3)進(jìn)行F檢驗(yàn)，結(jié)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(dá)到顯著水平，說(shuō)明模型具有較好的回歸關(guān)系。圖1為根據(jù)所建模型繪制的葡萄產(chǎn)量、水分利用效率、肥料偏生產(chǎn)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(chǎn)量受到灌水量和施肥量的交互影響，當(dāng)施肥量一定時(shí)，產(chǎn)量隨著灌水量的增加呈現(xiàn)開(kāi)口向下的拋物線變化趨勢(shì)；當(dāng)灌水量一定時(shí)，產(chǎn)量隨著施肥量的增加表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)不如產(chǎn)量隨灌水量的變化明顯，這與表3中的分析結(jié)果一致；從圖中可以看出，水肥供給對(duì)于葡萄產(chǎn)量的影響存在一個(gè)閥值，低于或超過(guò)這個(gè)值時(shí)都會(huì)使葡萄產(chǎn)量降低，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬尋優(yōu)，求得：當(dāng)灌水量為3 172 m3/hm2、施肥量為859 kg/hm2時(shí)，葡萄產(chǎn)量最大達(dá)到31 244 kg/hm2。由圖1(b)可知，當(dāng)施肥量一定時(shí)，水分利用效率先隨灌水量的增加短暫緩慢上升，在達(dá)到最大值之后快速下降；當(dāng)灌水量一定時(shí)，水分利用效率隨施肥量的增加呈現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)，但變化幅度較小，說(shuō)明施肥量對(duì)水分利用效率的影響弱于灌水量，計(jì)算得出：當(dāng)灌水量為2 357 m3/hm2、施肥量為924 kg/hm2時(shí)，水分利用效率達(dá)到最高為10.80 kg/m3，小于W2F1處理下的11.07 kg/m3,這與計(jì)算機(jī)本身的擬合方法有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。由圖1(c)可知，肥料偏生產(chǎn)力隨灌水量和施肥量的變化呈現(xiàn)開(kāi)口向下的拋物面形狀，過(guò)多或過(guò)少的水肥供給均不利于肥料偏生產(chǎn)力的提高，當(dāng)施肥量一定時(shí)，肥料偏生產(chǎn)力隨著灌水量的增加先升高后降低，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)增加灌水量有助于葡萄植株對(duì)肥料的吸收利用，但過(guò)高的灌水量會(huì)使肥料偏生產(chǎn)力降低；當(dāng)灌水量一定時(shí)，肥料偏生產(chǎn)力隨著施肥量的增加先緩慢升高之后快速下降，通過(guò)計(jì)算得到：當(dāng)灌水量為3 321 m3/hm2、施肥量為760 kg/hm2時(shí)，肥料偏生產(chǎn)力達(dá)到最大為38.59。綜合考慮葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力，設(shè)定當(dāng)滿足以下條件時(shí)：葡萄產(chǎn)量大于30 000 kg/hm2、水分利用效率大于9 kg/m3、肥料偏生產(chǎn)力大于35，為本地區(qū)溫室葡萄栽培適宜的水肥組合，計(jì)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(duì)葡萄產(chǎn)量、水分利用效率、肥料偏生產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的兩項(xiàng)重要因素，適當(dāng)?shù)乃謼l件和養(yǎng)分供給是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、降低農(nóng)業(yè)投入的基本保證[21,22]。本研究表明，灌水量對(duì)葡萄產(chǎn)量有極顯著的影響(P<0.01)，在同一施肥量水平下，葡萄產(chǎn)量隨灌水量的增加均表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)。在一定范圍內(nèi)增加水肥供給可使葡萄產(chǎn)量增加，但隨著水肥用量的繼續(xù)提高，葡萄產(chǎn)量開(kāi)始呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，說(shuō)明水肥供給對(duì)葡萄產(chǎn)量存在閥值反應(yīng)，低于閥值時(shí)，增加水肥供給增產(chǎn)效果明顯，高于閥值后再繼續(xù)增加水肥用量將會(huì)給葡萄產(chǎn)量帶來(lái)不利影響，這與前人研究結(jié)果類似[23,24]。前人研究認(rèn)為，水肥用量對(duì)作物產(chǎn)量存在顯著的交互作用[7,13,25]，但本試驗(yàn)結(jié)果表明，水肥耦合對(duì)葡萄產(chǎn)量存在交互作用，但沒(méi)有達(dá)到顯著水平，這可能是由于環(huán)境條件差異和試驗(yàn)材料不同所致。對(duì)于干旱缺水地區(qū)而言，在防止作物產(chǎn)量顯著降低的同時(shí)提高水資源的利用效率尤為重要，“以肥調(diào)水”，適當(dāng)?shù)乃时壤梢源龠M(jìn)葡萄根系的生長(zhǎng)和冠層發(fā)育，擴(kuò)大葡萄植株對(duì)于水分吸收的空間，在總灌水量不變的情況下對(duì)于水分的吸收更加充分，調(diào)節(jié)、促進(jìn)了水分利用過(guò)程，從而使水分利用效率提高[13,21,26,27]。

本研究發(fā)現(xiàn)，在W1、W2灌水水平下，水分利用效率隨施肥量的提高均呈現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明了肥料在調(diào)節(jié)植物對(duì)水分吸收利用的過(guò)程中發(fā)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?yàn)樵谳^低的灌水水平下，肥料對(duì)水分利用效率的影響起主導(dǎo)作用，其原因有待進(jìn)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(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢(shì)，尤其在相同施肥水平下，當(dāng)灌水量超過(guò)一定量之后，水分利用效率快速下降，說(shuō)明過(guò)多的水分供給會(huì)給水分利用效率帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)效應(yīng)[28-31]。利用滴灌將肥隨水施入，“以水促肥”，有利于改善養(yǎng)分在土壤中的擴(kuò)散和運(yùn)移，從而提高根系對(duì)于養(yǎng)分的吸收[7,21,32]，與傳統(tǒng)撒施相比可以顯著提高肥料的利用效率[22,33]。

本研究發(fā)現(xiàn)，肥料偏生產(chǎn)力隨著水肥用量的增加同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這與Thompson等[34]的研究結(jié)果類似。但Di Paola等[35]研究發(fā)現(xiàn)，肥料偏生產(chǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致，其原因有待研究。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬尋優(yōu)，得出本地區(qū)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(jié)果存在一定的差異，可能是因?yàn)樗x試驗(yàn)品種或處理方法不同所致。

4 結(jié) 論

通過(guò)不同滴灌水肥處理對(duì)溫室葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的影響分析，得出以下結(jié)論：

(1)灌水量對(duì)葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的影響均大于施肥量，施肥對(duì)肥料偏生產(chǎn)力的影響顯著；葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力均受到水肥交互作用的影響，在一定范圍內(nèi)增加水肥用量有利于產(chǎn)量和水肥利用率的提高，但過(guò)高的水肥供給會(huì)帶來(lái)明顯的負(fù)效應(yīng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響。

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

(3)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬尋優(yōu)，綜合考慮葡萄產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的大小，得出適宜本地區(qū)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。