局部根區(qū)交替灌溉與氮素耦合對(duì)葡萄生長(zhǎng)及15N-尿素利用的影響

陳麗楠 韓曉日 孫占祥 劉秀春

(1遼寧省果樹(shù)科學(xué)研究所，遼寧 熊岳 115009；2沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866；3遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

遼寧省是我國(guó)鮮食葡萄主產(chǎn)區(qū)，葡萄產(chǎn)量和面積居全國(guó)第一[1]，是該省重要的經(jīng)濟(jì)作物。葡萄是耗水耗肥的果樹(shù)，且營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)，氮素吸收和干物質(zhì)積累受水肥供應(yīng)的影響較大。目前，果園平均施氮量高達(dá)400 kg·hm-2以上，而氮肥的當(dāng)季利用率僅為30%左右[2]。氮肥損失主要由大水漫灌等造成，果園漫灌不僅引起氮素徑流損失，還會(huì)抑制果樹(shù)根系的呼吸作用，減少根系對(duì)肥料的吸收。因此，減少對(duì)水、肥資源的消耗，探索能協(xié)同提升葡萄品質(zhì)及水肥利用效率的灌水模式與施肥管理措施，對(duì)果樹(shù)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

氮素是影響植株源庫(kù)關(guān)系建立和發(fā)展的重要因素，在一定范圍內(nèi)增施氮肥可以提高葉片的干物質(zhì)生產(chǎn)能力，但不合理施氮?jiǎng)t會(huì)降低肥料利用率，并使殘留氮素向下遷移，造成環(huán)境污染[3]。李洪娜等[4]研究表明隨著氮肥施用量的增加蘋(píng)果幼樹(shù)植株全氮和植株生物量顯著增加，但15N 利用率顯著降低；韋劍鋒等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮水平提高，甘蔗干物質(zhì)積累、氮素積累及來(lái)源于肥料氮素的比率顯著增加，同時(shí)蔗葉對(duì)氮素的吸收利用呈上升趨勢(shì)，但蔗莖對(duì)氮素的吸收利用呈下降趨勢(shì)，氮肥利用率也顯著降低。根區(qū)交替灌溉技術(shù)是一種高效可行的節(jié)水技術(shù)[6]，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在果樹(shù)根系分區(qū)灌水方面進(jìn)行了大量探討和研究，得出根區(qū)交替灌溉能夠提高果樹(shù)水分利用效率、增加產(chǎn)量、改善果實(shí)品質(zhì)等結(jié)論[7-11]。Wang 等[12]研究表明根區(qū)交替灌溉在減少36.6%灌溉水量的條件下促進(jìn)了番茄根系生長(zhǎng)，特別是細(xì)根的生長(zhǎng)，并促進(jìn)了氮從莖葉向果實(shí)的轉(zhuǎn)移。水氮之間存在以水促氮、以氮調(diào)水的關(guān)系，目前關(guān)于果樹(shù)水肥耦合對(duì)氮素吸收利用的研究多集中在水肥對(duì)根區(qū)的均勻供應(yīng)上[13-15]，而關(guān)于葡萄在根區(qū)交替灌溉施肥條件下的氮素吸收與分配的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。葡萄為多年生作物，利用傳統(tǒng)差減法研究果樹(shù)氮素的吸收、利用和分配存在較大困難和不準(zhǔn)確性，而利用示蹤法可以了解葡萄植株對(duì)來(lái)自于肥料氮素的吸收、利用情況。因此，本試驗(yàn)在避雨栽培條件下，以?xún)赡晟柙云咸褬?shù)為研究對(duì)象，采用15N同位素示蹤技術(shù)，研究局部根區(qū)灌溉方式與不同施氮水平耦合對(duì)植株氮素吸收利用的影響以及氮素在葡萄各器官中的分配，以期為環(huán)渤海灣地區(qū)葡萄高產(chǎn)與水氮高效協(xié)調(diào)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

供試材料為兩年生巨峰葡萄幼樹(shù)。試驗(yàn)于2018年在遼寧省營(yíng)口市鲅魚(yú)圈區(qū)熊岳鎮(zhèn)遼寧省果樹(shù)科學(xué)研究所(122°8′851′′E，40°10′670′′N(xiāo))進(jìn)行，該地區(qū)屬溫帶海洋季風(fēng)氣候，早春干旱，年均溫度9.6℃，年降雨量582.9 mm。供試土壤為棕壤土，土壤含有機(jī)質(zhì)23.1 g·kg-1。全氮1.0 g·kg-1、速效磷62.7 mg·kg-1、速效鉀114.0 mg·kg-1，pH 值6.9，田間持水率為21.32%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

葡萄幼苗于上一年春季栽入直徑30 cm、高30 cm的盆缽中，統(tǒng)一管理1年后，選生長(zhǎng)一致的葡萄做試材，在主蔓上留6 個(gè)飽滿芽，其余全部剪掉，上一年平均生物量干重為27.24 g。第二年春季，將葡萄試材根系分為大體相等的兩部分用隔板隔開(kāi)，隔板中央做“Ⅴ”形缺口，在表土上方“Ⅴ”形口側(cè)面插入高8 cm的隔板，阻止兩側(cè)進(jìn)行水分交流。試驗(yàn)用土取自遼寧省果樹(shù)科學(xué)研究所葡萄園區(qū)內(nèi)大田土壤，風(fēng)干后碾碎過(guò)篩并去除石塊，缽底放5 cm 厚沙子，每缽裝16 kg土壤，放入盆栽場(chǎng)內(nèi)，葡萄栽植后統(tǒng)一澆水保證根系與土壤充分接觸。

試驗(yàn)設(shè)灌溉方式和施氮量?jī)蓚€(gè)因素，灌溉方式設(shè)3 種模式:①常規(guī)滴灌(conventional drip irrigation，CDI)，雙側(cè)根區(qū)同時(shí)滴灌；②固定根區(qū)滴灌(fixed partial drip irrigation，F(xiàn)DI)，固定一側(cè)根區(qū)滴灌，另一側(cè)不進(jìn)行灌水；③根區(qū)交替滴灌(alternative partial drip irrigation，ADI)，雙側(cè)根區(qū)交替灌水。滴灌滴頭為壓力補(bǔ)償式滴頭，滴頭流量為1.7 L·h-1，盆內(nèi)安裝張力計(jì)(美國(guó)土壤水分設(shè)備公司)監(jiān)測(cè)土壤水勢(shì)，土壤水勢(shì)達(dá)到15 kPa 時(shí)開(kāi)始灌溉。施氮量設(shè)3 個(gè)水平:①低氮(N1，0.4 g·kg-1土)，每株施1.2 g15N-尿素＋13 g 普通尿素；②中氮(N2，0.8 g·kg-1土)，每株施1.2 g15N-尿素＋27 g 普通尿素；③高氮(N3，1.2 g·kg-1土)，每株施1.2 g15N-尿素＋41 g 普通尿素。15N-尿素豐度為10.11%，氮含量為46%(上?；ぱ芯吭禾峁?。共9個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組排列。各處理磷、鉀肥均一致，每盆施用5 g 過(guò)磷酸鈣(以P2O5計(jì))，15 g 硫酸鉀(以K2O計(jì))，肥料于萌芽期一次性施入。每處理10 次重復(fù)，單株為1 次重復(fù)。每缽葡萄留主蔓上2 個(gè)枝條，分別為營(yíng)養(yǎng)枝和結(jié)果枝，統(tǒng)一控制病蟲(chóng)害。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 新梢長(zhǎng)度與生長(zhǎng)量 于6月5日新梢摘心前，采用卷尺進(jìn)行葡萄新梢長(zhǎng)度測(cè)定；對(duì)不同時(shí)期修剪的新梢分葉片、枝條和卷須進(jìn)行稱(chēng)重，并于80℃烘箱烘至恒重，測(cè)定各部位水分含量，計(jì)算全年新梢修剪總量。

1.3.2 干物質(zhì)積累量 于葡萄成熟期將植株按果實(shí)、葉片、葉柄、當(dāng)年枝、主蔓、根砧、粗根(直徑＞0.2 cm)、細(xì)根(直徑≤0.2 cm)等器官分解，每部分器官稱(chēng)鮮重后，采集樣品，用清水沖洗干凈，于105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，測(cè)定各器官水分含量，計(jì)算各器官干物質(zhì)量。

1.3.3 氮素含量測(cè)定 將植株不同器官樣品用球磨機(jī)粉碎，采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮后，采用UDK142K＋DK20 型全自動(dòng)凱氏定氮儀(意大利VELP 公司)測(cè)定氮含量[16]，植株15N 豐度采用EA-IRMS 型質(zhì)譜聯(lián)用儀(德國(guó)元素分析系統(tǒng)有限公司)測(cè)定。

葡萄植株不同部位氮吸收量、植株吸收的氮素來(lái)自氮肥的百分比(N derived from fertilizer，Ndff)等指標(biāo)參照王富林等[17]的方法計(jì)算:

Ndff=(植物樣品中15N 豐度-自然豐度)/(肥料中15N 豐度-自然豐度)×100%

15N 分配率=各器官?gòu)牡手形盏?5N 量/總吸收15N 量×100%

植株總吸氮量=植株生物量×氮含量

器官15N 吸收量=Ndff×器官全氮量

15N 利用率=器官15N 吸收量/施肥量×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和Origin 2017 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖，采用DPS Ⅴ7.65 軟件進(jìn)行方差分析，不同處理間的多重比較采用Duncan 新復(fù)極差法檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對(duì)葡萄幼樹(shù)植株生長(zhǎng)的影響

由表1 可知，灌溉方式和施氮水平對(duì)葡萄新梢長(zhǎng)度、新梢修剪量、果實(shí)干物質(zhì)量和當(dāng)年生物量存在極顯著的互作影響。相同施氮水平下，葡萄新梢長(zhǎng)度和新梢修剪量均表現(xiàn)為CDI＞ADI＞FDI，其中FDI 和ADI 的新梢長(zhǎng)度分別較CDI 平均降低了16.4%和11.3%(P＜0.05)，新梢修剪量分別平均降低了21.3%和13.5%(P＜0.05)；葡萄平均果實(shí)干物質(zhì)量和當(dāng)年生物量均表現(xiàn)為ADI＞CDI＞FDI，其中，與CDI 相比，ADI 的當(dāng)年生物量平均提高了6.3%(P＜0.05)，F(xiàn)DI 當(dāng)年生物量平均降低了8.8%(P＜0.05)。在相同灌溉方式下，葡萄新梢長(zhǎng)度和當(dāng)年生物量隨著施氮量的增加而增加；新梢修剪量整體表現(xiàn)為隨著施氮量的增加而增加，在CDI 條件下，N3 顯著高于N1 和N2，而在FDI 和ADI條件下，N2 與N3 差異不顯著；果實(shí)干物質(zhì)量表現(xiàn)為在FDI 和ADI 條件下，果實(shí)干物質(zhì)量隨著施氮量增加而增加，而在CDI 條件下，N2 最高。結(jié)果表明，常規(guī)灌溉方式和高施氮量使葡萄植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)旺，根區(qū)交替灌溉和適宜的施氮量耦合在降低新梢生長(zhǎng)量的同時(shí)，可以提高果實(shí)干物質(zhì)積累量和樹(shù)體生長(zhǎng)量。

表1 水氮耦合對(duì)葡萄生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Table 1 Coupling effects of alternate partial root-zone irrigation and nitrogen rate on grape growth index

2.2 水氮耦合對(duì)葡萄幼樹(shù)成熟期各器官Ndff 的影響

Ndff 反映植株各器官對(duì)土壤施入肥料15N 的吸收與征調(diào)能力[18]。表2 為水氮耦合對(duì)葡萄幼樹(shù)各部位Ndff 的影響，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反正弦進(jìn)行試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，各器官中以果實(shí)和葉片的Ndff 較高，不同灌溉方式下，以ADI 果實(shí)的Ndff 最高，平均為CDI 和FDI 的1.10 和1.16 倍；CDI 葉片的Ndff 較高，果實(shí)成熟期生殖生長(zhǎng)旺盛，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)開(kāi)始向貯藏器官分配積累，表明ADI 灌溉方式向果實(shí)中轉(zhuǎn)運(yùn)的礦質(zhì)養(yǎng)分高于CDI。主蔓和根砧等貯藏器官的Ndff 在不同灌溉方式間差異不顯著；而養(yǎng)分主要吸收器官細(xì)根表現(xiàn)為ADI 的Ndff平均為CDI 和FDI 的1.16 倍和1.22 倍。

不同施氮水平，不同器官的Ndff 均隨著施氮量的增加逐漸降低，除了主蔓、根砧和細(xì)根，其他器官的Ndff 在不同施氮水平間存在極顯著差異。由此可見(jiàn)，根區(qū)交替灌溉方式(ADI)葡萄植株對(duì)15N 吸收征調(diào)能力較強(qiáng)，且與中等施氮量(N2)耦合能夠在較高物質(zhì)積累的同時(shí)，具有較高的氮素吸收征調(diào)能力。

2.3 水氮耦合對(duì)葡萄幼樹(shù)成熟期各器官15 N 分配率的影響

各器官中15N 占全株15N 總量的百分比反映了肥料15N 在樹(shù)體內(nèi)的分布及其在各器官間遷移的規(guī)律。由圖1 可知，生殖器官(果實(shí))的15N 分配率以ADI 較高，其中在CDI 和ADI 條件下，15N 在果實(shí)的分配率隨著施氮量的增加而降低；而在FDI 條件下，果實(shí)的15N分配率則以N2 較高。營(yíng)養(yǎng)器官(葉、葉柄、當(dāng)年枝)的15N 分配率表現(xiàn)為FDI 較高，其中在CDI 條件下，營(yíng)養(yǎng)器官15N 分配率隨著施氮量增加而增加；而在FDI 和ADI 條件下，15N 分配率在中低氮條件下較高。貯藏器官(主蔓、根砧、粗根、細(xì)根)的15N 分配率表現(xiàn)為以ADI 和FDI 較高，其中在CDI 條件下，施氮量對(duì)貯藏器官15N 分配率的影響不顯著，在FDI 條件下，貯藏器官15N 分配率在N2 最高，在ADI 條件下，貯藏器官15N 分配率隨著施氮量增加而增加。結(jié)果表明，ADI 果實(shí)和貯藏器官的15N 分配率相對(duì)較高，營(yíng)養(yǎng)器官的15N 分配率較低，說(shuō)明根區(qū)交替灌溉有利于養(yǎng)分向果實(shí)中轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖1 水氮耦合對(duì)葡萄15 N 分配率的影響Fig.1 Coupling effects of alternate partial root-zone irrigation and nitrogen rate on partition of 15 N

2.4 水氮耦合對(duì)葡萄幼樹(shù)成熟期15N 利用率的影響

由表3 可知，水氮耦合對(duì)植株總吸氮量、吸收15N的量和15N 肥料利用率均有極顯著影響，從灌溉方式來(lái)看，植株總吸氮量和吸收15N 的量均表現(xiàn)為ADI ＞CDI＞FDI，相同灌溉方式下，植株總吸氮量表現(xiàn)為N3＞N2＞N1，吸收15N 的量均表現(xiàn)為N1 ＞N2 ＞N3，其中在FDI 條件下，N2 與N3 間差異不顯著。

相同施氮量下，ADI 的15N 肥料利用率最高，分別比CDI 和FDI 平均提高1.3 和6.0 個(gè)百分點(diǎn)(P＜0.05)，同一灌溉方式下，15N 肥料利用率表現(xiàn)為隨著施氮量的增加而降低。從水氮耦合來(lái)看，ADIN1、ADIN2、CDIN1 的15N 肥料利用率較高，綜合來(lái)看，根區(qū)交替灌溉(ADI)與中等施氮量(N2)耦合既能協(xié)調(diào)葡萄的生長(zhǎng)，獲得較高的果實(shí)物質(zhì)積累量，又能獲得較高的氮肥利用率。

表3 水氮耦合對(duì)葡萄植株15N 利用率的影響Table 3 Coupling effects of alternate partial root-zone irrigation and nitrogen rate on 15N utilization rate

3 討論

合理的灌溉方式與施氮量能促進(jìn)植株的生長(zhǎng)發(fā)育，Du 等[19]研究表明根區(qū)交替灌溉提高了蘋(píng)果的根系長(zhǎng)度，張彥[20]研究表明灌水量相同時(shí)，交替灌溉條件下中氮處理的根系活力最大，趙娣等[21]研究表明根區(qū)交替灌溉能夠改變番茄的根系構(gòu)型，提高根系對(duì)水氮的吸收，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、提高地上部生物量的積累及水肥利用效率。相關(guān)研究表明，分根區(qū)灌溉能明顯抑制植株新梢旺長(zhǎng)，更有利于協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)的關(guān)系[22-24]。本研究結(jié)果表明，相同灌溉方式下，隨著施氮量的增加，新梢長(zhǎng)度和修剪量均增加，但在根區(qū)交替灌溉和根區(qū)固定灌溉條件下，氮素不是促進(jìn)新梢生長(zhǎng)的主要因素。同一施氮水平下，雙側(cè)灌溉處理的新梢冗余生長(zhǎng)量最高，但植株當(dāng)年生物量(干重)與交替根區(qū)灌溉差異不顯著，可能是由于固定根區(qū)灌溉未灌水側(cè)葡萄根系長(zhǎng)期受到水分脅迫的影響，根系木質(zhì)部栓化，吸水功能下降，導(dǎo)致葡萄的水分和養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運(yùn)效率降低，葡萄生長(zhǎng)量等指標(biāo)均明顯低于交替根區(qū)灌溉和常規(guī)灌溉。

植株吸收的氮素在各器官中分配差異較大，氮素在植物體內(nèi)的分布一般集中于生命活動(dòng)最活躍的部分[25]。賈朋等[26]研究表明楸樹(shù)各器官對(duì)氮肥的征調(diào)能力不同，根部和葉片對(duì)氮肥的競(jìng)爭(zhēng)能力較強(qiáng)；黃見(jiàn)良等[27]在水稻中的研究表明，成熟期水稻籽粒的15N 含量最高。本研究得出不同水氮處理下葡萄果實(shí)的Ndff較高，表明在果實(shí)成熟期時(shí)，氮素營(yíng)養(yǎng)主要供應(yīng)果實(shí)的生長(zhǎng)和成熟，果實(shí)是最重要的氮庫(kù)，對(duì)15N 的競(jìng)爭(zhēng)能力在樹(shù)體地上部器官中最強(qiáng)，因此果樹(shù)吸收的15N 優(yōu)先積累在果實(shí)中。有研究表明，相比常規(guī)灌溉，分根區(qū)交替灌溉植株15N 累積量和氮素利用效率顯著提高[28-29]；高方勝等[30]研究表明較低的土壤含水量有利于氮磷鉀向果實(shí)分配。本研究中，根區(qū)交替滴灌明顯提高了果實(shí)、葉片等器官的Ndff，加大了生殖器官和營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)當(dāng)季施氮肥的吸收征調(diào)能力，而主蔓和根砧等貯藏器官的Ndff 在不同灌溉方式間差異較小。且隨著施氮量的增加，CDI 和FDI 葡萄幼樹(shù)各部分的Ndff 明顯降低，這與陳倩等[31]在蘋(píng)果上的研究結(jié)果趨勢(shì)一致；而ADI 的N2 和N3 水平各器官Ndff 差異較小。由此可見(jiàn)，根區(qū)交替灌溉方式葡萄植株對(duì)15N 吸收征調(diào)能力更強(qiáng)，且在適量的氮素供給條件下有更好的吸收征調(diào)能力。交替根區(qū)灌溉的平均15N 肥料利用率顯著高于常規(guī)和固定根區(qū)灌溉模式。因此，在生產(chǎn)中使用根區(qū)交替灌溉方式與適宜施氮量進(jìn)行耦合有利于氮肥利用率的提高，從而有利于增加果實(shí)物質(zhì)積累量并節(jié)約水肥資源?？紤]到灌溉時(shí)各處理均未有氮素滲漏損失，實(shí)際生產(chǎn)中氮素養(yǎng)分滲漏是肥料利用率降低的一個(gè)重要因素，因此葡萄生產(chǎn)中氮素利用率較本試驗(yàn)結(jié)果更低。

4 結(jié)論

與常規(guī)灌溉相比，固定根區(qū)灌溉和交替根區(qū)灌顯著降低了葡萄新梢修剪量，根區(qū)交替灌溉方式下葡萄果實(shí)干物質(zhì)量顯著高于常規(guī)灌溉和固定根區(qū)灌溉，常規(guī)灌溉果實(shí)干物質(zhì)量在中等施氮水平(0.8 g·kg-1土)較高，固定根區(qū)灌溉和交替根區(qū)灌溉果實(shí)干物質(zhì)量隨著施氮量的增加而增加。葡萄不同器官以果實(shí)Ndff最高，其中交替根區(qū)灌溉方式果實(shí)對(duì)氮肥的調(diào)征能力最高，15N 肥料利用率最高，不同灌溉方式下，15N 肥料利用率隨著施氮量的增加呈降低趨勢(shì)?？傮w而言，交替根區(qū)灌溉與中等施氮水平耦合能夠降低冗余生長(zhǎng)量，獲得較高的果實(shí)干物質(zhì)積累及較高的氮肥利用率。