滴灌水肥一體化對(duì)溫室葡萄生理特性及水肥利用效率的影響

付詩(shī)寧，魏新光，鄭思宇，吳琳琳，李 波，王鐵良

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽(yáng) 110866）

0 引 言

葡萄作為世界最古老的果樹(shù)樹(shù)種之一，其種植范圍約95%集中分布在北半球，葡萄不僅味美可口，而且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高[1]。中國(guó)是世界主要葡萄生產(chǎn)國(guó)之一，其中鮮食葡萄的年產(chǎn)值約800 萬(wàn)t，居世界首位[2]。中國(guó)的東北地區(qū)四季分明，晝夜溫差大，其獨(dú)特的氣候條件為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)葡萄提供了所必需的日照和溫度條件[3]。然而在葡萄生長(zhǎng)季節(jié)，由于該地區(qū)降水分布不均，霜凍、冰雹等災(zāi)害性天氣較為頻繁[4]，嚴(yán)重制約了中國(guó)東北地區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。而設(shè)施種植可以為葡萄生長(zhǎng)提供相對(duì)穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，有效避免極端天氣對(duì)葡萄生長(zhǎng)的影響。水和肥料是設(shè)施作物管理中兩個(gè)最重要的環(huán)節(jié)，在設(shè)施種植條件下水肥管理基本依靠人工進(jìn)行控制，掌握科學(xué)合理的水肥管理對(duì)于保障設(shè)施葡萄綠色生產(chǎn)至關(guān)重要。

葡萄生長(zhǎng)需要適宜的水分[5-6]。許多學(xué)者研究了適合葡萄生長(zhǎng)的灌溉模式，并指出了灌溉對(duì)葡萄生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響[7-8]。有研究結(jié)果表明[9]，水分虧缺使果樹(shù)光合速率略有下降，蒸騰速率顯著降低，但葉片水分利用效率顯著提高，說(shuō)明果樹(shù)可以通過(guò)控制氣孔開(kāi)度來(lái)適應(yīng)一定程度的水分脅迫。此外，合理的灌溉措施可以達(dá)到節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的效果[10]。Ma 等[11]研究發(fā)現(xiàn)減少35%的用水量，會(huì)使葡萄水分利用效率提高14%～23%，在不影響品質(zhì)的前提下，葡萄產(chǎn)量?jī)H降低15%～18%。Olak 等[12]對(duì)地中海鮮食葡萄的研究表明，在灌水量為75%充分灌溉的條件下產(chǎn)量?jī)H比全生育期充分灌溉平均降低9.93%，但水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）最大提高41.82%。Hou等[13]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄中度虧水（灌溉量750 mm）處理產(chǎn)量和水分利用效率均較高，同時(shí)該處理的葡萄品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到優(yōu)良水平。

在一定范圍內(nèi)，隨著水肥投入的增加，產(chǎn)量和水肥利用效率也會(huì)提高，且水肥兩因素會(huì)對(duì)于植物生長(zhǎng)起到協(xié)同作用[14-15]。鄭睿等[16]以荒漠綠洲區(qū)釀酒葡萄為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)土壤水分虧缺會(huì)導(dǎo)致光合特性的下降，且輕度和重度水分虧缺會(huì)使葡萄產(chǎn)量降低32.2%～49.9%，而施氮量的增加能消減下降趨勢(shì)，即在氮肥充足的情況下，盡管水分不足，葡萄產(chǎn)量并沒(méi)有顯著下降。張江輝等[17]以陜北風(fēng)沙地區(qū)的設(shè)施葡萄為研究對(duì)象，通過(guò)建立灌水量、施肥量與產(chǎn)量、水分利用效率等參數(shù)的函數(shù)模型，獲得適合于該地區(qū)的最佳水肥用量。盡管上述研究已經(jīng)根據(jù)水、肥及水肥耦合對(duì)葡萄眾多指標(biāo)的影響進(jìn)行了討論，但是這些研究主要集中在陸地果園或處于中低緯度地區(qū)的溫室環(huán)境，適用于年溫差較小的地區(qū)，且水、肥因素對(duì)葡萄生長(zhǎng)、光合作用、產(chǎn)量、及水肥利用效率等多目標(biāo)優(yōu)化尚未得到統(tǒng)一結(jié)論。

中國(guó)東北地區(qū)獨(dú)特的氣候條件下，高緯度、高寒地區(qū)溫室水肥一體化與果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育以及水肥利用率互作相關(guān)研究還不多見(jiàn)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)中國(guó)東北寒區(qū)日光溫室氣候特點(diǎn)，采用雙因素試驗(yàn)，合理設(shè)置3 個(gè)灌水和3 個(gè)施肥水平及一組對(duì)照試驗(yàn)，研究滴灌水肥一體化對(duì)設(shè)施葡萄生長(zhǎng)及生理過(guò)程的影響，以及滴灌水肥一體化對(duì)設(shè)施葡萄產(chǎn)量和水肥利用效率的調(diào)控機(jī)制，以期為溫室葡萄，特別是中國(guó)東北冷寒區(qū)溫室葡萄水肥一體化下最優(yōu)灌溉施肥模式的確定提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017－2019 年在位于中國(guó)東北地區(qū)的遼寧省沈陽(yáng)市的沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地內(nèi)展開(kāi)（123°57′E，42°82′N(xiāo)），該地屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)日間平均溫度25.6 ℃，夜間平均溫度16.6 ℃。溫室類(lèi)型為遼沈Ⅲ型日光節(jié)能溫室，溫室結(jié)構(gòu)為單面采光拋物面式結(jié)構(gòu)，棚高4 m，長(zhǎng)60 m，寬9 m。棚膜采用PVC 防老化塑料無(wú)滴膜，以防雨棉被作為保溫措施，防雨棉被的卷起放下由溫度進(jìn)行自動(dòng)控制。日間室內(nèi)溫度由一個(gè)較為狹窄的可調(diào)節(jié)的通風(fēng)系統(tǒng)控制，棚頂上的通風(fēng)系統(tǒng)最大開(kāi)口為0.3 m。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以3 年生的葡萄“醉金香”為供試品種，（Vitis vinifera L.cv. Muscat Ham-burg）。該品種品質(zhì)優(yōu)良，具有較強(qiáng)的抗病毒性[18]。種植方式采用“倒L”型葡萄棚架，南北兩側(cè)對(duì)稱(chēng)種植。每年4 月初期進(jìn)行修剪，11 月葡萄正式進(jìn)入休眠期。依照作物的生長(zhǎng)性狀將生育期劃分為5個(gè)階段：新梢生長(zhǎng)期（3 月初—5 月中旬）、開(kāi)花坐果期（5 月中旬—7 月初）、果實(shí)膨大期（7 月初—8 月中旬）、果實(shí)成熟期（8 月中旬—9 月中上旬）和落葉期（9 月中上旬—11 月）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用雙因素完全試驗(yàn)設(shè)計(jì)，3 個(gè)灌水水平，3個(gè)施肥水平，1 個(gè)對(duì)照處理，共計(jì)10 個(gè)處理，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)，共計(jì)30 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，各小區(qū)面積為4.8 m2（1.2 m×4.0 m）。葡萄樹(shù)耐旱性較強(qiáng)，適宜的土壤含水率為50%θf(wàn)～80%θf(wàn)（θf(wàn)為田間持水率，cm3/cm3），因此本試驗(yàn)設(shè)置輕度（W3）、中度（W2）、重度（W1）3個(gè)程度水分脅迫，W1～W3 灌水控制下限分別為50%θf(wàn)、60%θf(wàn)、70%θf(wàn)，灌水上限統(tǒng)一為90%θf(wàn)，對(duì)照處理CK為充分灌溉，灌水控制上下限為80%θf(wàn)～90%θf(wàn)，均采用膜下滴灌，試驗(yàn)選擇0.006 mm 的白色地膜，滴頭流量為2.0 L/h。在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)埋設(shè)土壤水分探頭（Time Domain Transmissometry，TDT）（Campbell Scientific, Inc., Logan,UT, USA），埋設(shè)深度10～60 cm，對(duì)水分、溫度及電導(dǎo)率3 個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)采集，采用烘干法進(jìn)行水分校核，并在每個(gè)支管的末端用水表記錄每個(gè)地塊的灌溉量。為防止各小區(qū)之間土壤水橫向擴(kuò)散，在各小區(qū)鋪設(shè)厚度為2 mm的PVC 板進(jìn)行水分隔離，垂埋深為60 cm。0～60 cm 土壤基本理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)土壤0～60 cm 耕層基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the experimental soil plow layer at 0-60 cm

設(shè)置輕度（F3）、中度（F2）、重度（F1）3 個(gè)程度肥量脅迫，參考當(dāng)?shù)毓r(nóng)對(duì)葡萄的施肥量和葡萄各生育期的需肥規(guī)律設(shè)定對(duì)照處理CK，CK 施肥量N-P2O5-K2O為260-119-485 kg/hm2，3 個(gè)施肥水平：F1（60%CK，N-P2O5-K2O 為 160-75-300 kg/hm2）、F2（75%CK，N-P2O5-K2O 為 200-92-374 kg/hm2）、F3（90%CK，N-P2O5-K2O 為240-110-449 kg/hm2）。供試肥料：尿素（N：46%）、磷酸二銨（N：18%，P2O5：42%）、硫酸鉀（K2O：50%），其中新梢生長(zhǎng)期、開(kāi)花期、果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期施氮比例為4∶4∶5∶3，除新梢生長(zhǎng)期外，均施用磷肥和鉀肥，開(kāi)花期、果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期施入比例為3∶3∶4。2017－2019 年葡萄各生育期的灌水量、施肥量如表2 所示。其他田間農(nóng)藝管理，如修剪分枝莖和所有處理的病蟲(chóng)害防治方法均參考當(dāng)?shù)卦O(shè)施葡萄生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行相同處理。

1.4 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

1.4.1 氣象數(shù)據(jù)

為監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境因子的變化，在溫室內(nèi)布設(shè)小型氣象站，測(cè)量要素包括太陽(yáng)總輻射（Rs，W/m2）、光合有效輻射（PAR，μmol/(m2·s)）、氣溫（Ta，℃）、相對(duì)濕度（RH，%）以及水汽壓差（Δe，kPa）。利用 CR1000數(shù)據(jù)采集器（Campbell Scientific, Inc., Logan, UT, USA）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與采集，測(cè)定頻率為10 min/次。

1.4.2 生物量測(cè)定

在葡萄新梢生長(zhǎng)至果實(shí)成熟期內(nèi)，定期觀測(cè)葉面積、新梢生長(zhǎng)長(zhǎng)度等指標(biāo)。測(cè)定頻率為7～10 d/次。采用抽樣調(diào)查的方法每個(gè)小區(qū)在冠層上部、中上部，中下部和基部4 個(gè)代表位置選取具有代表性的植株4 株進(jìn)行測(cè)定取其平均值，掛牌標(biāo)記，用鋼卷尺（精度0.1 cm）測(cè)定新梢生長(zhǎng)長(zhǎng)度。用鋼卷尺測(cè)定每株各葉片的葉長(zhǎng)和最大葉寬。通過(guò)imageJ 軟件算出準(zhǔn)確的葉面積[19]，并以此估算整株、整個(gè)小區(qū)的葉面積，最后根據(jù)小區(qū)種植面積估算葡萄樹(shù)的葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）。

1.4.3 光合指標(biāo)測(cè)定

采用 LI-6400XT 便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)（Li-Cor,Lincoln, Nebraska, USA）對(duì)葡萄樹(shù)葉片生理指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。測(cè)定指標(biāo)包括凈光合速率（Pn，μmol/(m2·s)）、蒸騰速率（Tr，mmol/(m2·s)）、氣孔導(dǎo)度（Cond，mmol/(m2·s)）和胞間二氧化碳濃度（Ci，μmol/mol）等指標(biāo)的日變化過(guò)程。所有測(cè)定均于晴朗天氣07:00—17:00 之間進(jìn)行，每隔2 h 測(cè)定一次。光源采用自然光源，CO2濃度為溫室葡萄園CO2濃度；每棵樹(shù)選取枝條外側(cè)完全展開(kāi)、無(wú)病蟲(chóng)害及機(jī)械損傷的3 個(gè)葡萄葉片進(jìn)行測(cè)定并取其均值。測(cè)定前對(duì)葉片做好標(biāo)記。

葉片瞬時(shí)水分利用效率計(jì)算公式[20-21]為

式中WUEi為瞬時(shí)水分利用效率，μmol/(mmol)。

羧化速率計(jì)算公式[20-21]如下：

式中ET1-2為階段耗水量，mm；γi為第i層的土壤容重，g/cm3；Hi為第i層的土壤厚度，mm；θi1，θi2為第i層土壤在計(jì)算時(shí)段始末的質(zhì)量含水率；M，Pr，K為時(shí)段內(nèi)灌水量、降雨量、地下水補(bǔ)給量，mm。由于溫室內(nèi)沒(méi)有降雨，故Pr=0，本試驗(yàn)地下水埋深在5 m 以下，故K也可忽略不計(jì)。

1.4.6 水分利用效率、肥料偏生產(chǎn)力的測(cè)定

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 和SPSS19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)不同處理間各指標(biāo)進(jìn)行方差分析，采用Duncan 多重比較進(jìn)行分析。運(yùn)用Origin9.1 軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌水肥一體化不同處理對(duì)葡萄生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 不同水肥處理對(duì)葡萄新梢生長(zhǎng)的影響

本文選取2017、2018 和2019 年典型生育期的新梢生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行分析（圖1）。由圖1 可知，新梢長(zhǎng)度的增長(zhǎng)主要集中在新梢生長(zhǎng)期（stage I），此階段的新梢生長(zhǎng)量約占全生育期生長(zhǎng)量的54.20%～60.10%，在開(kāi)花坐果期（stage II）各處理對(duì)新梢生長(zhǎng)影響逐漸顯現(xiàn)，在果實(shí)膨大期（stage III）至果實(shí)成熟期（stage IV），新梢的生長(zhǎng)量很小，在果實(shí)成熟期各處理無(wú)顯著差異（P>0.05），但是隨著生育期的推進(jìn)，新梢生長(zhǎng)總量的差異逐漸明顯。對(duì)于全生育期而言，W3F1、W2F3、W1F3（2017、2018、2019）、W2F2、W1F2（2018、2019）等處理的新梢生長(zhǎng)量均優(yōu)于CK 處理，其中，W3F1處理的新梢生長(zhǎng)量達(dá)到最大值，在2017、2018 和2019 年分別達(dá)到75.69、79.19 和86.57 cm，較CK 分別提高了11.55%、12.08%和13.13%，均達(dá)到顯著水平（P<0.05）。3a 中W1F1 處理均不利于新梢生長(zhǎng)，該處理新梢生長(zhǎng)量與CK 相比降幅最大達(dá)到4.99%（2018 年），達(dá)到顯著性水平（P<0.05），與W3F1 處理相比，降幅范圍為10.68%～19.72%，達(dá)到顯著性水平（P<0.05）。

不同水肥處理對(duì)溫室葡萄新梢生長(zhǎng)的交互作用分析見(jiàn)表3。除果實(shí)成熟期（stage IV）外，灌水量對(duì)不同生育期的新梢生長(zhǎng)均會(huì)產(chǎn)生顯著影響，特別是在果實(shí)膨大期（stage III）影響達(dá)到極顯著水平（P<0.01），但不同施肥對(duì)新梢的影響僅在于開(kāi)花坐果期（stage II）和果實(shí)膨大期（stage III），水肥交互對(duì)新梢生長(zhǎng)的影響僅存在于果實(shí)膨大期（stage III），其他生育期則沒(méi)有明顯的交互作用。在水肥一體化條件下，水分比肥料對(duì)于植株新梢生長(zhǎng)量的影響更為明顯，肥料所發(fā)揮的作用相對(duì)滯后于水分。綜上，對(duì)溫室果樹(shù)新梢生長(zhǎng)而言，果實(shí)膨大期（stage III）的新梢總量受到水肥調(diào)控作用最為顯著。

2.1.2 不同水肥處理對(duì)葡萄LAI 的影響

表4 展示了各生育期不同水肥處理對(duì)溫室葡萄LAI 的影響。葡萄LAI 在全生育期均呈現(xiàn)先迅速增長(zhǎng)后基本穩(wěn)定或略微下降的變化趨勢(shì)，即在新梢生長(zhǎng)期（stage I）和開(kāi)花坐果期（stage II）先快速增加，果實(shí)膨大期（stage III）至果實(shí)成熟期（stage IV）基本保持穩(wěn)定。2018 和2019 年，CK 均在果實(shí)膨大期（stage III）達(dá)到最大值，同時(shí)W2F3、W2F2、W3F3、W3F2 與CK 相比無(wú)顯著差異（P>0.05）。由此可見(jiàn)，足水足肥對(duì)促進(jìn)LAI 的增長(zhǎng)至關(guān)重要。此外適度的節(jié)水節(jié)肥對(duì)LAI 影響并不顯著。表3 表明，灌水量對(duì)LAI 的影響主要集中于開(kāi)花坐果期（stage II）和果實(shí)膨大期（stage III），肥料以及水肥交互對(duì)LAI 的影響則主要集中于開(kāi)花坐果期（stage II）和果實(shí)膨大期（stage III），在葡萄的新梢生長(zhǎng)期（stage I）、果實(shí)成熟期 （stage IV），水、肥以及水肥交互均不會(huì)對(duì)葡萄LAI 產(chǎn)生顯著影響。由此可見(jiàn)，開(kāi)花坐果期（stage II）和果實(shí)膨大期（stage III）是利用水肥對(duì)葡萄LAI 進(jìn)行調(diào)控最關(guān)鍵的時(shí)期。

表3 不同水肥處理對(duì)溫室葡萄新梢生長(zhǎng)與葉面積指數(shù)的交互作用分析Table 3 Interaction analysis of different water and fertilizer treatments on greenhouse grapevine length of lateral branch and leaf area index

表4 不同水肥處理對(duì)溫室葡萄葉面積指數(shù)的影響Table 4 Effects of different water and fertilizer treatments on leaf area index of greenhouse grapevine

2.2 滴灌水肥一體化不同處理對(duì)葉片光合特性影響

2.2.1 日光合特性

水肥是植物進(jìn)行各項(xiàng)生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而光合作用是存在于植物體內(nèi)最重要的代謝過(guò)程[22]。圖2 分別展示了不同水肥處理下葡萄的光合指標(biāo)日變化特征。從圖2a 和圖2b 可知，葡萄葉片凈光合速率（Pn）日變化趨勢(shì)為“M”形，峰值基本出現(xiàn)在09:00 和15:00。12:00－14:00 出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。蒸騰速率（Tr）在日內(nèi)呈低高低趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在13:00。這是由于溫室內(nèi)13:00的飽和水汽壓差較低，太陽(yáng)輻射充足，導(dǎo)致氣孔開(kāi)度較高，Tr較大。對(duì)比不同水肥處理間的差異可以發(fā)現(xiàn)，Pn最大值均出現(xiàn)在W3 水平下，說(shuō)明低水水平對(duì)Pn起到了抑制作用，而CK 處理下Pn和Tr未達(dá)到最優(yōu)處理，說(shuō)明過(guò)高的水肥處理會(huì)對(duì)光合特性產(chǎn)生抑制作用。而W1F1 處理導(dǎo)致Tr最弱。到了11:00 時(shí)，各處理間的Tr差異性最為明顯，W3F1 處理下Tr比W1F1 處理提高了45.12%，而到了17:00 各處理Tr達(dá)到日內(nèi)最低值，且差異性并不顯著。

圖2c 為不同水肥處理?xiàng)l件下葡萄葉片氣孔導(dǎo)度（Cond）的變化情況。日內(nèi)Cond 的最大值出現(xiàn)在09:00，此后呈下降趨勢(shì)，到達(dá)13:00 后又呈現(xiàn)小幅度上升趨勢(shì)。這是由葉片的“自我保護(hù)”造成的，避免水分的過(guò)度流失。W3F2 處理09:00－12:00 數(shù)值較高。Cond 的變化范圍為0.01～0.18 mmol/(m2·s)，與CK 相比，W3F2、W3F3處理均為正向處理（正向處理指優(yōu)于該處理或與該處理無(wú)顯著性差異）。圖2e 中顯示Ci在日內(nèi)變化呈現(xiàn)“V”形，日內(nèi)最低值出現(xiàn)在11:00－13:00 之間，Ci在07:00－11:00呈下降趨勢(shì)，這主要是由于Pn在07:00－11:00上升，消耗了大量CO2，11:00－13:00 氣孔開(kāi)度降低顯著增大氣孔阻力，限制CO2進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。不同處理下的Ci最大值均出現(xiàn)在W3 水平下，其次為CK，最小值出現(xiàn)在W1 水平下。Ci的變化范圍為305～435μmol/mol。

圖2d 顯示瞬時(shí)水分利用效率（WUEi）變化趨勢(shì)同樣接近于“ V ” 形， 日內(nèi)變化范圍在 2.97 ～10.88μmol/(mmol)之間，11:00 時(shí)刻WUEi最大值出現(xiàn)在W2F3 處理下，最小值出現(xiàn)在CK 處理。WUEi在07:00－09:00 明顯大于13:00，這主要是由于07:00－09:00 的Tr較低，而Pn隨PAR 增大而提高，13:00 時(shí)刻由于Pn降低速率大于Tr，導(dǎo)致WUEi在13:00 達(dá)到最低值。圖2f 中CE 變化呈單峰形式，最大值出現(xiàn)在09:00－11:00，日變化范圍在0.012～0.035 mmol/(m2·s)之間。W1F3 處理為CE 較大的處理。

2.2.2 不同生育期的光合特性

表5 展示了各生育期不同水肥處理對(duì)葡萄葉片光合特性（Pn、Tr、WUEi）的影響。由表可知，Pn、Tr的變化隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在果實(shí)膨大期達(dá)到峰值。且各生育期的差異性顯著（P<0.05)。對(duì)比不同水肥處理下葡萄葉片的Pn和Tr，發(fā)現(xiàn)W3F2、W3F1、W2F3、W3F3 處理各生育期均是相對(duì)于CK 的正向處理，其中W3F2 處理下葉片的Pn最大達(dá)到8.51μmol/(m2·s)（stage III），相對(duì)于CK 處理提高39.51%（P<0.05）。Tr最大達(dá)到3.43 mmol/(m2·s)（stage III），相對(duì)于CK 處理提高了10.65%（P<0.05），而W1F1 處理光合特性最弱。WUEi變化范圍在1.60～3.74μmol/(mmol)之間，W2F2、W3F1、W3F3 均為相對(duì)于CK 的正向處理。其中，W2F2 處理達(dá)到最大值3.74μmol/(mmol)（stage III），相對(duì)于CK 處理最大提高了96.84%（P<0.05）。

表5 不同水肥處理對(duì)光合指標(biāo)的日均值影響Table 5 Effects of different water and fertilizer treatments on daily mean values of photosynthetic indexes

總體而言，在果實(shí)膨大期的Pn、Tr的數(shù)值高于其他時(shí)期。這主要是由于此時(shí)為果實(shí)成熟需水關(guān)鍵期，且隨著PAR 的提高，溫室內(nèi)的蓄熱升溫明顯，使得葉片蒸騰量較大，對(duì)水和肥的需求量顯著提升，光合作用較強(qiáng)。當(dāng)對(duì)比不同水肥處理對(duì)溫室葡萄光合特性的交互作用分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于Pn、Tr、WUEi，水分均對(duì)其產(chǎn)生顯著或極顯著的影響（P<0.05 或0.01），除果實(shí)膨大期Pn和新梢生長(zhǎng)期WUEi外，施肥對(duì)其影響不顯著（P>0.05），水肥交互只在開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期對(duì)其影響顯著（P<0.05）。

2.3 滴灌水肥一體化光合參數(shù)驅(qū)動(dòng)因素分析

復(fù)水后2 d（6 月21 日）溫室氣象因子日變化如圖3所示。溫室內(nèi)的PAR 和Ta均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。峰值出現(xiàn)在11:00，隨后急劇下降。6 月21 的PAR均值為524.15μmol/(m2·s)，Ta均值為30.50 ℃。Δe在09:00達(dá)到日內(nèi)峰值，為3.41 kPa。RH 在日內(nèi)呈下降趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在07:00，17:00 后又呈上升趨勢(shì)。

植物葉片的Pn不僅受Cond 和Ci等自身生理因子的影響，同時(shí)也受諸如PAR、Ta以及Δe等環(huán)境因子的綜合影響[23]。為進(jìn)一步分析不同水分處理?xiàng)l件下植物葉片的光合參數(shù)與各環(huán)境因子間的關(guān)系，采用常見(jiàn)的線(xiàn)性模型擬合Pn-PAR，并采用常用的拋物線(xiàn)模型擬合Cond-Δe、Tr-PAR 的關(guān)系（圖4）。不同水分處理?xiàng)l件下，隨著PAR的提升，Pn呈增加趨勢(shì)，且Pn和PAR 具有良好的正相關(guān)關(guān)系，R2范圍在0.606～0.693 之間，在W1 水平下，Pn和PAR 相關(guān)性最好。Cond-Δe、Tr-PAR 也具有良好的相關(guān)關(guān)系，總體呈二次曲線(xiàn)關(guān)系。不同水分處理?xiàng)l件下Cond和Δe的R2范圍在0.689～0.851 之間，Tr和PAR 的R2范圍在0.568～0.606 之間，W3 水平下的相關(guān)性最好，W1 水平最弱。當(dāng)PAR 大于650μmol/(m2·s)時(shí)，Tr出現(xiàn)下降趨勢(shì)，此時(shí)的葉肉細(xì)胞極易容易失水，氣孔開(kāi)度減小導(dǎo)致Tr的下降。不同的灌溉處理對(duì)光合參數(shù)與氣象因子的響應(yīng)關(guān)系并未造成顯著性影響（P>0.05）。

2.4 滴灌水肥一體化不同處理對(duì)葡萄產(chǎn)量、耗水量及水肥利用效率的影響

不同水肥處理對(duì)葡萄的產(chǎn)量、耗水量、WUE 和PFP的影響如表6 所示。由表可知，灌水量和施肥量以及水肥交互作用對(duì)葡萄的產(chǎn)量起到顯著或極顯著的影響（P<0.05 或0.01），其中灌水量和水肥交互對(duì)產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。隨著灌水量和施肥量的增加，葡萄的產(chǎn)量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在相同施肥條件下，隨著灌水水平的提高產(chǎn)量均顯著提高。以中肥水平為例，2017年，W1F2、W2F2、W3F2 產(chǎn)量分別達(dá)到37.78、40.51 和45.89 t/hm2，相對(duì)低水而言，中水和高水的增產(chǎn)幅度分別達(dá)到2.84%和3.22%，達(dá)顯著性水平（P<0.05）。但在相同的灌水水平下，隨著施肥量的增加，產(chǎn)量的變化規(guī)律不盡相同，在低水水平下，隨著施肥量的增加，產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，W1F2 最高，W1F3 產(chǎn)量比W1F2下降了2.41 t/hm2，達(dá)顯著性水平（P<0.05）。在中水水平下，隨著施肥水平的升高，產(chǎn)量逐漸升高，W2F3 產(chǎn)量最高，達(dá)到43.96 t/hm2，而在高水水平下產(chǎn)量則呈現(xiàn)先升高后基本不變的趨勢(shì)，整體達(dá)到較高水平。各處理與CK產(chǎn)量的差異均不顯著。由此可見(jiàn)，在高水條件下，較高的施肥量對(duì)產(chǎn)量提升意義不大，2018 和2019 年也得到類(lèi)似的研究結(jié)果。3a 試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，W3F2、W3F1、W3F3、W2F3 處理為相對(duì)CK 的正向處理，與CK 相比無(wú)顯著性差異（P>0.05）。灌溉水平對(duì)葡萄的耗水量產(chǎn)生顯著影響（P<0.05），而施肥量對(duì)葡萄的耗水無(wú)顯著影響（P>0.05）。隨著灌溉水平的提升，葡萄的耗水量基本呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，CK 與W3 水平的各處理未出現(xiàn)顯著性差異（P>0.05），但與 W1 水平下的耗水量差異性顯著（P<0.05）。

表6 不同水肥處理對(duì)葡萄產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的影響Table 6 Effects of different irrigation and fertilization treatments on the yield, water consumption , Water Use Efficiency (WUE) and Partial Factor Productivity (PFP) of grapevine

葡萄的WUE 隨灌水量的提高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。W1 水平下WUE 普遍較高，但此灌溉水平下，提高施肥量對(duì)WUE 產(chǎn)生先上升后降低的趨勢(shì)，而在W2 和W3 水平下，隨著施肥量的增加，葡萄的WUE 也隨之增加。2017、2018年WUE 的最低值出現(xiàn)在中水低肥處理下，2019 年出現(xiàn)在高水低肥和CK 處理下。隨著灌水量的增加葡萄的PFP呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而隨著施肥量的增加，PFP 呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。灌溉對(duì)PFP 的影響僅2019 年達(dá)到顯著水平（P<0.05），而施肥量對(duì)各年P(guān)FP 均產(chǎn)生顯著影響（P<0.05）。綜上，在本試驗(yàn)條件中，CK 處理下WUE、PFP 均較低，說(shuō)明水肥脅迫均有利于WUE、PFP 的提高。W1F2 處理下，WUE 達(dá)到最大值，2017—2019 年分別為16.93、15.20、18.19 kg/m3，W3F1 處理下，PFP 達(dá)到最大值，2017—2019年分別為81.42、84.50、88.62 kg/kg。由此可見(jiàn)，適度減少施肥和提高灌溉水平均是提高葡萄PFP 的關(guān)鍵，但過(guò)高的灌溉水平會(huì)導(dǎo)致葡萄WUE 的顯著降低。綜合產(chǎn)量、耗水量、WUE 和PFP 指標(biāo)而言，W3 水平下的各處理雖有利于提高葡萄產(chǎn)量，但WUE 和PFP 均相對(duì)該指標(biāo)的最優(yōu)處理出現(xiàn)顯著性下降，而W2F3 處理可在PFP 未產(chǎn)生大幅下降的同時(shí)，產(chǎn)量、WUE 均較優(yōu)，并能夠保證作物良好生長(zhǎng)，為本試驗(yàn)中的最優(yōu)處理。該處理在節(jié)水21.19%～23.27%，節(jié)肥7.52%基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)東北寒區(qū)設(shè)施葡萄節(jié)水節(jié)肥穩(wěn)產(chǎn)高效生產(chǎn)。

3 討 論

有研究表明，過(guò)高養(yǎng)分供應(yīng)會(huì)造成鹽脅迫抑制養(yǎng)分的吸收，過(guò)低的養(yǎng)分供應(yīng)難以滿(mǎn)足植株生長(zhǎng)的需求，不利于植株對(duì)養(yǎng)分的吸收和生物量的積累[24]，而適量施氮促進(jìn)作物干物質(zhì)積累，使開(kāi)花前“源”器官儲(chǔ)存的干物質(zhì)在開(kāi)花后向“庫(kù)”庫(kù)器官轉(zhuǎn)運(yùn)增多[25]。LAI 作為一種綜合植被指數(shù)，與冠層特征密切相關(guān)[26]。李澤霞等[27]發(fā)現(xiàn)當(dāng)灌水量增加時(shí)，葡萄的LAI 也會(huì)增加，本文的研究結(jié)果與上述一致。本文CK 處理下葉面積指數(shù)增長(zhǎng)與W2F3、W2F2、W3F3、W3F2 無(wú)顯著差異，這可能是由于此時(shí)的水肥交互作用有利于葡萄葉片的生長(zhǎng)發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)器官貯存的干物質(zhì)吸收。

植物的光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，鄭睿等[16]對(duì)釀酒葡萄的研究發(fā)現(xiàn)，不同生育期葡萄樹(shù)葉片光合速率變化趨勢(shì)均呈“M”形變化，在相同水分處理下高肥水平的葉片水分利用效率高于低肥水平，此結(jié)果與本研究光合速率變化趨勢(shì)相同。本研究在F2 水平下新梢生長(zhǎng)期和開(kāi)花坐果期，WUEi的大小依次為W2、W3、W1。W1 水平下WUEi最低，這主要是由于過(guò)度的水分脅迫會(huì)導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度的降低，從而降低凈光合速率，導(dǎo)致WUEi較低[28]。W2 水平下適度的水分脅迫造成了氣孔導(dǎo)度的降低，但是凈光合效率影響不大，此時(shí)的WUEi達(dá)到最大值。此時(shí)蒸騰的減少，未減少物質(zhì)同化和干物質(zhì)的積累[29]。W3 水平下WUEi次之，說(shuō)明當(dāng)無(wú)水分脅迫時(shí)，此時(shí)氣孔導(dǎo)度較大，瞬時(shí)蒸騰較大，在光合效率一定的條件下WUEi同樣較低。肥料通過(guò)控制葉片氣孔開(kāi)度，調(diào)節(jié)蒸騰速率，并有助于改善植株生理特性，提高植株的最大凈光合速率，從而達(dá)到提高葉片水分利用效率的目的[30]。此外本研究發(fā)現(xiàn)，在全生育期下，W3F2 處理使葡萄葉片的Pn達(dá)到最大值，這可能是由于適宜的灌水條件下有利于提高葉片的Cond，適宜的施肥條件下有利于植物葉綠素和光合酶的合成，亦或是此時(shí)的土壤條件可以提供最適宜植物生長(zhǎng)的環(huán)境。但在CK 水平下，葡萄葉片的光合特性均受到抑制。一些學(xué)者的研究也得到了類(lèi)似結(jié)論[31-32]，一方面是由于植物的特性不同導(dǎo)致其施氮量達(dá)到一定程度后，其光合能力和生長(zhǎng)可能會(huì)對(duì)施氮量的增加反應(yīng)不明顯甚至受到抑制。水肥的供應(yīng)通過(guò)影響葉片中的葉綠素合成、氣孔和非氣孔因素等影響植株葉片的光合作用[33]。另一方面，適當(dāng)?shù)乃拭{迫提高了根系的抗旱能力，降低了根壓，有利于植株根系從土壤中吸收水分和養(yǎng)分（即增加了毛根數(shù)量和吸水深度）[34]，同時(shí)適度水肥脅迫降低了氣孔導(dǎo)度，凈光合速率降低緩慢，導(dǎo)致WUEi達(dá)到最大值。

Intrigliolo 等[35]研究表明水肥耦合會(huì)顯著影響葡萄的產(chǎn)量，在一定范圍內(nèi)，葡萄產(chǎn)量隨著水肥投入的增加而增加，但當(dāng)水肥投入超過(guò)一定閾值時(shí)，產(chǎn)量下降。這與本研究類(lèi)似。當(dāng)水肥投入適宜時(shí)，更有利于獲得高產(chǎn)[36]。溫室內(nèi)高溫促進(jìn)了蒸騰，但是溫室內(nèi)濕度較大，風(fēng)速很低，因此部分環(huán)境因子的作用可相互抵消，此外溫室內(nèi)積溫累積加快，導(dǎo)致葡萄生育期縮短，導(dǎo)致葡萄耗水量的降低。本研究中W3F3 處理與W2F3 處理的產(chǎn)量差異不大，但生物量差異較大，主要是因?yàn)樵诟咚叻蕳l件下，葡萄吸收的水肥雖然增加了植株同化量，但光合產(chǎn)物向莖、葉等營(yíng)養(yǎng)器官的分配比例并無(wú)影響，即增加了無(wú)效養(yǎng)分的損耗，而向果實(shí)器官的累積并未顯著增加[37]，因而產(chǎn)量增加不明顯。水肥一體化條件下，適度的水肥虧缺，葡萄水肥交互效應(yīng)明顯，葡萄水肥吸收能力顯著增強(qiáng)，彌補(bǔ)了一部分水肥脅迫對(duì)葡萄產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)，這也是本研究中W2F3 處理產(chǎn)量沒(méi)有明顯降低，但WUE 顯著提高的原因之一。由此可見(jiàn)，在水肥一體化條件下，適度的節(jié)水節(jié)肥可以實(shí)現(xiàn)葡萄穩(wěn)產(chǎn)條件下葡萄WUE、PFP 的明顯提高。

4 結(jié) 論

本論文在滴灌水肥一體化不同水肥處理?xiàng)l件下，以設(shè)施葡萄為研究對(duì)象，設(shè)置不同水肥條件下的雙因素試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)溫室葡萄的生長(zhǎng)指標(biāo)、光合指標(biāo)、產(chǎn)量以及水肥利用效率指標(biāo)的綜合分析主要得出以下結(jié)論：

1）W3F1、W2F3、W1F3（2017、2018、2019）、W2F2、W1F2（2018、2019）等處理的新梢生長(zhǎng)量均優(yōu)于CK。2a 中W2F3、W2F2、W3F3、W3F2 處理的葉面積指數(shù)與CK 相比無(wú)顯著差異（P>0.05）。

2）不同水肥處理下光合參數(shù)的變化趨勢(shì)相同，就全生育期而言，凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度的變化隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在果實(shí)膨大期達(dá)到峰值。其中W2F2、W3F1、W3F3 均為瞬時(shí)水分利用效率相對(duì)于CK 的正向處理。葉片的光合參數(shù)的日變化與環(huán)境因子光合有效輻射、水汽壓差呈現(xiàn)良好的相關(guān)關(guān)系。

3）葡萄的產(chǎn)量、水分利用效率、肥料偏生產(chǎn)力受到灌溉、施肥和水肥交互作用的綜合影響。其中，水分對(duì)產(chǎn)量起到極顯著的影響（P<0.01），W3F2、W3F1、W3F3、W2F3 處理為相對(duì)CK 的產(chǎn)量正向處理。低水處理下水分利用效率普遍較高，中水條件下隨著施肥水平的提高，水分利用效率呈上升趨勢(shì)，高水處理下的水分利用效率較低。低肥處理中肥料偏生產(chǎn)力較高，且隨著灌水量的提升，肥料偏生產(chǎn)力呈增加趨勢(shì)。

4）基于生理指標(biāo)、產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力綜合分析得出，W2F3 處理為最優(yōu)水肥一體化管理模式，該處理可在肥料偏生產(chǎn)力未產(chǎn)生下降的同時(shí)，產(chǎn)量、水分利用效率、生長(zhǎng)指標(biāo)均較優(yōu)。即灌水上下限分別為田間持水率的 60%和 90%，施肥量 N-P2O5-K2O 為240-110-449 kg/hm2是中國(guó)東北寒區(qū)設(shè)施葡萄適宜的水肥一體化處理，該處理可以在節(jié)水21.19%～23.27%，節(jié)肥7.52%基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)東北寒區(qū)設(shè)施葡萄節(jié)水節(jié)肥穩(wěn)產(chǎn)高效生產(chǎn)。