滴灌模式對蘋果光合特性、產(chǎn)量及灌溉水利用的影響

劉星，曹紅霞，廖陽，周宸光，李黃濤

滴灌模式對蘋果光合特性、產(chǎn)量及灌溉水利用的影響

劉星，曹紅霞，廖陽，周宸光，李黃濤

西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院/旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌 712100

【】探明黃土區(qū)蘋果優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的滴灌模式。該研究以8年生寒富蘋果樹為研究對象，試驗設(shè)3種滴灌方式：分根交替滴灌（ADI）、單管滴灌（UDI）和雙管滴灌（BDI），及3個灌水梯度：高水（W1）、中水（W2）和低水（W3），采用正交試驗設(shè)計，共9個處理。研究滴灌方式與灌水處理對蘋果冠層、光合、外觀品質(zhì)、產(chǎn)量及灌水利用效率的影響。與W1相比，減少灌水量顯著減少葉面積指數(shù)、葉傾角和叢生指數(shù)（＜0.05）。與單管滴灌相比，分根交替處理顯著增加葉面積指數(shù)（＜0.05），顯著降低葉傾角與叢生指數(shù)（＜0.05）。在果實膨大期（DAF=80 d），ADI-W2處理的凈光合速率、羧化效率和葉片瞬時水分利用效率達到最大值。蘋果葉片11：00的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和羧化效率隨開花后天數(shù)（DAF）增加呈先增加后減小的趨勢。各水分處理下蘋果葉片凈光合速率日變化呈“M”型規(guī)律，ADI處理凈光合速率“午休”現(xiàn)象不明顯，各處理的葉片瞬時水分利用效率(除ADI-W2外）處理峰值均出現(xiàn)在上午10：00，ADI-W2處理推遲了峰值的時間，其葉片瞬時水分利用效率的日均值為各處理的最大值（3.22 μmol·mmol-1）。ADI與W2組合能夠提高產(chǎn)量，在兩年內(nèi)，ADI-W2處理的蘋果硬度（9.09 kg·cm-2）、果形指數(shù)（0.88）、大果率（63.46%）、單果重（224.12 g）和產(chǎn)量（33 010.15 kg·hm-2）均最大，ADI與W3組合能夠提高灌溉水利用效率，ADI-W3處理灌溉水利用效率（36.21 kg·m-3）最高。運用綜合評分法得到ADI-W2處理為最優(yōu)組合，因此黃土區(qū)蘋果節(jié)水增產(chǎn)應(yīng)采用中水量分根交替滴灌的方式。

滴灌方式；灌水量；光合特性；產(chǎn)量；分根交替灌溉；綜合評價；黃土區(qū)

0 引言

【研究意義】中國是世界上蘋果的重要產(chǎn)地，種植面積和產(chǎn)量的占比達到世界50%以上，而黃土高原的自然條件滿足了優(yōu)質(zhì)蘋果（）適生區(qū)生長7項氣候指標(biāo)的要求[1]。黃土高原處于干旱半干旱的典型地區(qū)，干旱缺水制約著果園的可持續(xù)發(fā)展。該區(qū)域季節(jié)性干旱、降雨量少且分配不均以及粗放式灌溉管理導(dǎo)致蘋果產(chǎn)量不穩(wěn)定[2]?；诖耍瑢崿F(xiàn)有限水資源高效利用，是黃土高原區(qū)蘋果豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要基礎(chǔ)[3]。因此，構(gòu)建合理的滴灌模式是保證黃土區(qū)蘋果高效生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的前提。分根區(qū)交替灌溉是1996年康紹忠等提出的高效節(jié)水新技術(shù)，其中濕潤根區(qū)的水分提供植物生長，干燥區(qū)刺激根系的吸水補償效應(yīng)，從而根系出現(xiàn)的根源化學(xué)信號（主要是脫落酸ABA）能夠控制作物葉片氣孔的開閉，減少蒸騰而使光合作用維持在較高水平，最終達到提高水分利用效率的目的[4]。【前人研究進展】通過多年的研究結(jié)果表明，分根區(qū)交替灌溉能夠在提高作物灌溉水利用效率（）的同時不明顯降低產(chǎn)量，能夠節(jié)水約30%[5]，還有研究表明分根區(qū)交替灌溉對果實的硬度、優(yōu)果率等外觀品質(zhì)有所提高[6]。滴灌處理會影響土壤水分變化，土壤水分與作物的生長及光合特性之間有著密切的聯(lián)系，而作物葉片的氣孔導(dǎo)度與光合速率等直接影響著干物質(zhì)的運轉(zhuǎn)與積累，進而間接影響作物的產(chǎn)量及灌水利用效率[7]。研究表明作物葉片氣孔會隨虧水而出現(xiàn)關(guān)閉，進而光合速率受到限制，以及作物激素、各種合成酶與可溶性物質(zhì)的功能會被削弱，從而因水分傳導(dǎo)受到抑制而影響其生長[8]。而作物重度虧水會加劇對葉片光合各指標(biāo)功能的抑制，凈光合速率（P）、蒸騰速率（T）和氣孔導(dǎo)度（G）被嚴(yán)重限制，光合生產(chǎn)力受限而導(dǎo)致減產(chǎn)[9]。部分研究表明，適度脅迫的分根交替灌溉會使蘋果的T及G減小，而P不受到顯著影響，根系受水分脅迫產(chǎn)生ABA，再由蒸騰作用使ABA隨莖流運送至冠層，促使部分氣孔關(guān)閉，其有利于減少G，降低T，因此能夠通過提高葉片水分利用效率（）實現(xiàn)干物質(zhì)的快速積累，進而增產(chǎn)[10]。劉賢趙[11]通過對分根交替灌溉的研究發(fā)現(xiàn)，灌水下限（50%θ）的交替灌溉處理的得到大幅度提升，交替灌溉的相較于常規(guī)灌溉提高了43.4%，進而增產(chǎn)10.8%；趙志成等[12]對分根交替膜下黃瓜滴灌模式研究發(fā)現(xiàn)，以65%θ為灌水下限，90%θ為上限的分根交替滴灌顯著降低葉片蒸騰速率，使葉片處于適宜的水分范圍來維持適宜光合性能，保證了光合氣體交換及光能轉(zhuǎn)運過程的正常進行，灌水量減少的同時提高灌水利用效率，節(jié)水效果顯著提高。另外，交替滴灌模式在節(jié)水的同時能夠滿足作物正常生長的水分需求，減少深層滲漏和棵間蒸發(fā)的水分流失，從而提高[13]。在一定范圍內(nèi)，合適的滴灌方式與適度灌水量對作物生長、外觀品質(zhì)與產(chǎn)量的影響具有相互促進的關(guān)系，合理有效的滴灌管理是實現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提[9]。【本研究切入點】目前，關(guān)于黃土高原區(qū)滴灌方式與灌水量對蘋果生長、產(chǎn)量及灌水利用的影響研究較少，且滴灌方式與灌水量耦合的效益評價指標(biāo)比較單一[14]，很難找出綜合效益最佳的灌溉方式和灌水量組合?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文以綜合提高蘋果外觀品質(zhì)、產(chǎn)量和為目的，研究滴灌方式與灌水處理對蘋果冠層、光合、外觀品質(zhì)、產(chǎn)量及的響應(yīng)規(guī)律。運用隸屬綜合評價法，尋求蘋果節(jié)水優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的滴灌方式與灌水量的最優(yōu)解，探索出黃土高原區(qū)蘋果滴灌的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年3月下旬到2019年10月下旬在陜西省榆林市子洲縣前清水溝村現(xiàn)代農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社（37°27′N，110°2′E，海拔1 020 m）進行。試驗地位于典型的黃土高原山地區(qū)，屬溫帶半干旱性氣候。圖1為2018—2019年試驗期間溫度和降雨量。多年年均降雨量453.6 mm，且年內(nèi)分布不均，70%以上降雨主要集中于7—10月，年均蒸發(fā)量2 290 mm。多年年平均氣溫9.1℃，無霜期164 d，多年年平均日照時數(shù)2 543.3 h（日照百分率達60%）。試驗地選在背風(fēng)向陽的緩坡地山地蘋果園，該地區(qū)土層厚實，光照輻射強，晝夜溫差大，供試土壤為砂壤土，pH 8.5，偏堿性，土壤容重為1.41 g·cm-3，塬面地下水埋深在150—250 m以下，是典型旱作中、晚熟蘋果適生區(qū)。

圖1 2018—2019年試驗期間溫度和降雨量

1.2 試驗設(shè)計

將蘋果生育期劃分為4個階段：萌芽展葉期（I：4月8日至5月21日）、開花坐果期（II：5月22日至6月22日）、果實膨大期（Ⅲ：6月23日至10月4日）、果實成熟期（Ⅳ：10月5日至10月23日）。試驗選取8年生矮化晚熟品種寒富為試驗樹，八棱海棠作砧木。種植株行距為2 m×3 m。試驗地東西長約30 m，南北寬約31.5 m，面積約945 m2。試驗共設(shè)有3種滴灌方式、3個灌水水平，共9個處理，每個處理均隨機選取長勢良好、大小均一的5株蘋果樹，各處理重復(fù)3次。3種滴灌方式分別為：單管滴灌（UDI）、雙管滴灌（BDI）、分根交替滴灌（ADI）。UDI：沿樹行方向緊貼樹干平行鋪設(shè)滴灌管（?16 mm），滴灌管位置緊貼樹干；BDI：兩側(cè)滴灌管平行于樹行布置且距離樹行0.6 m；ADI：同雙管滴灌（BDI）布置，采用交替滴灌灌溉方式灌水。設(shè)置3個灌水量處理。高水（W1）：灌水上限為85%θ（θ為田間持水量）；中水（W2）：75%W1；低水（W3）：55%W1；W1根據(jù)UDI-W1處理灌水上限為85%θ確定。在不同滴灌方式下，同一灌水處理灌水量相同，采用滴灌灌水，滴頭流量3 L·h-1，滴頭間距30 cm，用水表控制每個小區(qū)灌水。

根據(jù)TRIME-TDR系統(tǒng)測定的UDI-W1處理土壤含水量是否達到70%田間持水量作為灌水依據(jù)，若低于70%θ則進行灌水。土壤含水量每7 d進行測定，低于下限時進行灌水，高于下限則不灌。灌水量計算公式為：

式中，為每棵樹灌水量（L）；為計劃濕潤比，取0.3；為計劃濕潤層深度（m），取0.8 m；為單棵試驗樹控制灌溉面積，為2 m×3 m=6 m2；max和TRIME分別代表灌水上限（85%θ）和TRIME-TDR測定土壤實際含水量經(jīng)換算成的土壤重量含水量（%）；γ為土壤容重，取1.41 g·cm-3；2018—2019年蘋果處理的灌水量見表1。每個處理設(shè)有3次重復(fù)，小區(qū)之間埋設(shè)有不透水膜隔阻每個獨立小區(qū)之間進行水分流動，同時在每個獨立小區(qū)周圍設(shè)置保護樹。

蘋果樹于10月末（采摘后），采用水肥一體化系統(tǒng)施用700kg P2O5·hm-2、570 kg K2O·hm-2和430 kg·hm-2尿素作為基肥，第2年6月中旬再施用430 kg K2O·hm-2和300 kg·hm-2尿素作為追肥。各小區(qū)除試驗處理外其他管理措施一致。

表1 2018—2019 年各處理的灌水量

1.3 觀測項目與方法

葉面積指數(shù)、葉傾角和叢生指數(shù)在開花后（days after flowering，DAF）第20天（開花坐果期）、第80天（果實膨大期）、第140天（果實成熟期），每個處理選取3棵試驗樹，采用北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司W(wǎng)inScanopy 2014a進行測定，叢生指數(shù)計算公式為：

式中，為線性擬合法計算的葉面積指數(shù)，為對數(shù)擬合法計算的葉面積指數(shù)。

采用美國LI-COR公司的便攜式光合儀（Li-6400）在晴朗無云的太陽光照條件下測定DAF 第 20天（開花坐果期）、第80 天（果實膨大期）、第140天（果實成熟期）11：00的蘋果葉片光合各指標(biāo)，日期均為灌水后3 d左右，并在DAF第80天測定當(dāng)天的日變化，測定時間為8：00—18：00，間隔2 h測定，包括凈光合速率（P）、蒸騰速率（T）、氣孔導(dǎo)度（G）、胞間CO2濃度（C）。每個處理選取3棵樹，每棵樹測定3片葉。羧化效率（）與葉片瞬時水分利用效率（）分別為凈光合速率與胞間CO2濃度的比值和凈光合速率與蒸騰速率的比值。

蘋果收獲后，測定每株蘋果樹的果實數(shù)量、質(zhì)量，得到每處理單棵產(chǎn)量后換算每公頃產(chǎn)量。灌溉水利用效率（）由式（3）計算：

式中，為蘋果樹灌溉水利用效率（kg·m-3）；為蘋果總產(chǎn)量（kg·hm-2）；為蘋果的種植面積（m2）；為累計灌水量（m3）。

果實成熟后，對每株蘋果樹的各方位以及冠層上中下位置各取蘋果1個，共計12個，分別測得單果質(zhì)量、優(yōu)果率、果實著色度、硬度等指標(biāo)。用手持GY-4-J型水果硬度計測定樣品上中下3個不同位置果實硬度，計算結(jié)果取平均。果實的橫徑縱徑由電子游標(biāo)卡尺進行測定，果形指數(shù)由縱徑與橫徑的比值進行計算。蘋果等級劃分標(biāo)準(zhǔn)由水平直徑（dd）確定；以當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)分類，蘋果等級分為：三級果（dd＜60 mm），二級果（60 mm≤dd＜75 mm），一級果（75 mm≤dd＜90 mm）和特級果（dd＞90 mm），其為dd≥75為大果。

1.4 統(tǒng)計分析

用SPSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（SPSS 23.0）進行蘋果樹生長、光合、外觀品質(zhì)與產(chǎn)量等指標(biāo)的方差分析，采用Duncan新復(fù)極差多重比較法對果實著色度、葉傾角及葉叢生指數(shù)等進行顯著性分析。采用Origin 2018進行繪圖。利用模糊隸屬函數(shù)法對外觀品質(zhì)與產(chǎn)量等指標(biāo)進行綜合評價。隸屬函數(shù)分析：將原始指標(biāo)進行隸屬函數(shù)分析，正向指標(biāo)（對產(chǎn)量、外觀品質(zhì)有利的指標(biāo)）依據(jù)式（4）計算隸屬函數(shù)值。

式中，表示某水分處理，表示某個指標(biāo)，（X）表示第個處理第個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，X為第個水分處理第個指標(biāo)的數(shù)值，Xmin與Xmax分別表示第個指標(biāo)的最小值和最大值。

權(quán)重的確定：根據(jù)指標(biāo)的變異系數(shù)依據(jù)式（5）求出各指標(biāo)的權(quán)重。

式中，W值表示第個指標(biāo)在所有指標(biāo)中的權(quán)重，CV為第個指標(biāo)的變異系數(shù)。

綜合評價：根據(jù)式（6）計算各水分處理的綜合評價值。

式中，值為每個水分處理用綜合指標(biāo)評價所得的綜合評價值。

2 結(jié)果

2.1 對蘋果冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

滴灌方式和灌水量對蘋果樹冠層結(jié)構(gòu)的影響見表2。由表2可知，不同水分處理對葉面積指數(shù)（）、葉傾角（）和叢生指數(shù)（）在2018和2019年均影響顯著（＜0.05）。隨DAF的增加而增高，而與隨DAF的增加而降低。在果實成熟期，ADI-W2處理的和最大，BDI-W1處理次之，UDI-W3處理最小。此外，BDI-W1處理的顯著高于其余處理，且ADI-W3處理的最小。當(dāng)DAF為140 d時，與UDI-W3相比，ADI-W2處理的和在2018年分別顯著增加20.4%和16.0%（＜0.05），2019年分別為25.7%和14.7%（＜0.05），而在兩年顯著減少12.3%和16.1%（＜0.05）。與W1相比，減少灌水量顯著減少、與（＜0.05）。與單管滴灌與雙管滴灌相比，分根交替處理顯著增加（＜0.05），顯著減低與（＜0.05）。由上述可得，ADI-W2處理能夠提高葉面積指數(shù)以及降低葉傾角與叢生指數(shù)。通過雙因素方差分析可知，滴灌方式與灌水量對、和在兩年的果實成熟期（DAF=80 d與140 d）均有顯著的影響（＜0.05），而其對、和在兩年的DAF=20 d均無顯著影響（＞0.05）。二者的交互作用對在DAF=140 d有顯著的影響（＜0.05），但對在各時期均無顯著性影響（＞0.05）。

2.2 對蘋果樹光合特性的影響

2.2.1 對蘋果樹不同生育時期光合特性的影響 圖2為滴灌方式與灌水量在2019年對蘋果葉片3個生育階段的11：00凈光合速率（P）、蒸騰速率（T）、氣孔導(dǎo)度（G）、胞間CO2濃度（C）、羧化效率（）和葉片瞬時水分利用效率（）的影響規(guī)律。限于篇幅，僅列出2019年。蘋果葉片11：00的P、T、G和隨開花后天數(shù)（DAF）增加呈先增加后減小的趨勢，除BDI-W3和ADI-W2處理外，其余各處理的隨DAF增加而逐漸增大。與W1相比，W3減小P、T、G和，但提高C，大多W2下的P、G和顯著高于W3（＜0.05），而ADI處理下W2與W1對P、C無顯著性差異（＞0.05），但在DAF=20和80 d，ADI-W2處理的顯著高于ADI-W1處理（＜0.05）。在果實膨大期（DAF=80 d），ADI處理的和高于BDI處理，且顯著高于UDI處理（＜0.05），而其P與BDI處理無顯著性差異（＞0.05）；其中ADI-W2處理達到同灌水水平最大值（P=15.77 μmol·m-2·s-1；=78.34 mmol·m-2·s-1；=3.68 μmol·mmol-1）。BDI-W1處理的T、G最大，均顯著高于ADI各灌水量處理（＜0.05），且BDI-W1與UDI-W1對T和G的影響無顯著性差異（＞0.05）。通過雙因素方差分析可知，滴灌方式與灌水量對P、T、G在果實膨大期（DAF=80 d）均有顯著的影響（＜0.05），而兩者的交互作用不顯著（＞0.05）。滴灌方式與灌水量及其交互作用對C的影響均不顯著（＞0.05），滴灌方式對的影響在各時期均顯著（＜0.05），而灌水量以及交互作用在各時期均不顯著（＞0.05）。

圖2 滴灌方式和灌水量對蘋果樹各生育時期光合特性的影響

表2 滴灌方式和灌水量對蘋果樹冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

葉面積指數(shù) Leaf area index葉傾角 Leaf inclination叢生指數(shù) Clumping index 開花后天數(shù) Days after flowering (d)開花后天數(shù) Days after flowering (d)開花后天數(shù) Days after flowering (d) 201820192018201920182019 208014020801402080140208014020801402080140 滴灌方式Methodns**ns***ns***nsns*ns***ns*ns 灌水量Irrigation amount**nsns***ns***ns************* 滴灌方式×灌水量Method×Irrigation amountnsns*nsns**nsns*nsns*nsnsnsnsnsns

同列不同字母表示 0.05 水平時差異顯著；*、**分別表示在＜0.05 和＜0.01 水平差異顯著。ns表示不顯著，滴灌方式為M，灌水量為I，滴灌方式×灌水量為M×I。下同

Values followed by different small letters in the same column mean significantly different at=0.05; *and ** mean significant differences at the levels of＜0.05 and＜0.01,NS means not significant respectively. The drip irrigation method is M, the irrigation amount is I, the drip irrigation method×irrigation amount is M×I. The same as below

2.2.2 對蘋果樹光合特性日變化的影響 圖3為滴灌方式與灌水在（DAF＝80 d）對蘋果葉片各參數(shù)日變化的影響。在不同滴灌條件下，蘋果葉片P的日變化呈“M”曲線。上午10：00左右出現(xiàn)全天最高值，其中ADI處理達到最高，中午10：00—12：00有所下降，各處理在12：00除ADI-W2、ADI-W3處理均出現(xiàn)不同程度的光合“午休”現(xiàn)象，ADI處理、BDI處理與UDI處理在12：00的光合速率峰值分別為15.38、13.22和10.98 μmol·m-2·s-1；第二高峰出現(xiàn)在下午14：00左右，隨后下降。葉片P隨灌水量減少而降低，大小排序為W1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3。

各處理的T日變化曲線與P曲線基本一致，各處理T峰值出現(xiàn)在11：00左右，BDI處理T的峰值分別比ADI處理與UDI處理峰值高7.9%和3.3%，各灌水處理蘋果T的大小排序為BDI＞UDI＞ADI。ADI處理有助于P的升高，“午休”的減弱，且降低T。

不同水分處理的G的日變化規(guī)律與相似，8：00—10：00期間G逐步上升，10：00左右達最高，隨后G下降，之后有所回升，并于14：00左右出現(xiàn)第二高峰。在相同水分條件下，各時刻葉片G平均值BDI處理高于ADI與UDI處理，且ADI處理的G平均值最小。在相同滴灌方式條件下，G均隨灌水量的增加而升高，其中BDI與UDI處理升高幅度隨灌水量的增加逐漸減少，而ADI處理下G升高幅度逐漸增大。

蘋果葉片的C日變化呈“W”字型的規(guī)律，從8：00開始呈快速下降趨勢，在中午10：00達到了全天的最低值，之后又開始回升。在15：00后變化平緩，下午14：00左右出現(xiàn)第二個低值，隨后開始緩慢上升。各灌水處理C排序為W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1。

的日變化與P日變化規(guī)律相似，均呈“雙峰型”曲線，在8：00和18：00處于較低值。除ADI-W2各處理均在10：00左右達到峰值。BDI-W2、ADI-W2和UDI-W2處理的日平均值分別為42.40、55.94、33.50 mmol·m-2·s-1。

蘋果葉片日變化波動范圍為1.70—3.61 μmol·mmol-1；ADI-W2處理推遲了峰值的出現(xiàn)。從8：00開始，開始緩慢上升，10：00時出現(xiàn)第一高峰。中午10：00除ADI-W2的其他各處理的LWUE明顯下降，在12：00左右降至谷底，此時ADI-W2處理的最高，隨后在14：00左右又出現(xiàn)第二高峰，之后又逐漸降低。其中ADI-W1、ADI-W2和ADI-W3的日平均值分別為3.17、3.22、2.85 μmol·mmol-1；BDI-W2、ADI-W2和UDI-W2的日平均值分別為2.54、3.22、2.27 μmol·mmol-1。

2.3 蘋果光合因子與冠層指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

影響蘋果光合作用過程的因子復(fù)雜多變，選取果實膨大期（DAF=80）測定的光合及冠層數(shù)據(jù)，通過對蘋果葉光合特征參數(shù)日平均值及冠層數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析（表3）。結(jié)果表明，蘋果葉P與和均有極顯著正相關(guān)性（R=0.85**，R= 0.80**），且與T、G呈正相關(guān)關(guān)系但不顯著、與有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（=-0.93**）；蘋果葉與有顯著正相關(guān)關(guān)系（=0.68*），且與C有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（=-0.65*）；T、G有極顯著正相關(guān)性（=0.85**）；與有極顯著正相關(guān)性（=0.87**），且各葉光合特征參數(shù)與冠層指標(biāo)之間也存在一定相關(guān)性。

圖3 滴灌方式和灌水量對蘋果樹光合特性日變化的影響

表3 光合特征參數(shù)與冠層指標(biāo)的相關(guān)性分析

2.4 各處理對蘋果外觀、產(chǎn)量、灌水利用效率影響

不同處理對蘋果外觀、產(chǎn)量、灌水利用效率的影響如表4所示。不同水分處理對果實硬度的影響存在差異。在2018—2019年，ADI-W2處理在2018年的果實硬度最高，為9.09 kg·cm-2，2019年最高為ADI-W3處理，為9.51 kg·cm-2，而UDI-W1處理的果實硬度分別為6.03和5.65 kg·cm-2。在相同滴灌方式下，果實硬度隨灌水量增加而降低。與UDI和BDI處理相比，ADI處理顯著增加果實硬度（＜0.05）。

2018—2019年不同水分處理對果實著色度影響較小，而對單果質(zhì)量和果實數(shù)影響較大。在這兩年中，ADI-W1和ADI-W2處理顯著增加了單果質(zhì)量（＜0.05），與UDI-W3處理相比，2018年ADI-W1和ADI-W2處理后的單果質(zhì)量分別高16.3%和20.9%，2019年分別高17.0%和22.7%；除ADI滴灌方式，其他兩種方式下，減少灌水量會降低單果質(zhì)量，但無顯著影響（＞0.05）。ADI-W1與ADI-W2處理相較于UDI-W3處理顯著提高了單株果實數(shù)量（＜0.05）；與UDI-W3處理相比，ADI-W1與ADI-W2處理使2018年單株果實數(shù)量分別提高18.26%和27.83%，2019年單株果實數(shù)量分別提高34.59%和33.33%。從表4還可看出，不同水分處理影響蘋果大果率。與UDI處理相比，ADI和BDI處理顯著提高了大果率（＜0.05），在相同滴灌方式下，蘋果大果率隨灌水量增大而顯著增加，與BDI-W3相比，2018年BDI-W1和BDI-W2處理分別增加了28.1%和17.9%；而2018年ADI-W1、ADI-W2和BDI-W1處理與2019年ADI-W1、ADI-W2處理的蘋果大果率相較于其他處理顯著提高（＜0.05）。2018—2019年的試驗結(jié)果表明，與UDI處理相比，ADI和BDI處理會提高果形指數(shù)，但影響不顯著（＞0.05）。在相同滴灌方式下，不同灌水量下處理間無顯著性差異（＞0.05）。

對于BDI與UDI處理，產(chǎn)量隨灌水量增加增產(chǎn)效果顯著（＜0.05），但蘋果產(chǎn)量與其灌水量之間并非簡單呈正比關(guān)系，耗水量最高的ADI-W1處理并未使蘋果產(chǎn)量達到最大值。2年中ADI-W2與ADI-W1處理的蘋果產(chǎn)量較其他各處理增產(chǎn)效果顯著（＜0.05）。與UDI-W3處理相比，2018年ADI-W2和ADI-W1處理后的產(chǎn)量分別高56.21%和37.81%，2019年分別高62.26%和57.83%；表明ADI處理后能有效提高蘋果樹產(chǎn)量。通過對表4中的蘋果樹灌溉水分利用效率（）分析可知，蘋果樹的在ADI-W2和ADI-W3處理下最大，均大于32 kg·m-3；隨灌水量增加而顯著降低（＜0.05）；UDI-W1、UDI-W2和UDI-W3處理其最小，2018年分別為18.44、15.92、19.40 kg·m-3，2019年分別為21.98、26.16、33.46 kg·m-3。均低于34 kg·m-3；在相同灌水量下，蘋果不同滴灌方式下大小排序為ADI＞BDI＞UDI。雙因素方差分析表明，在兩年內(nèi)，滴灌方式與灌水量對蘋果著色度均無顯著性影響（＞0.05），滴灌方式對蘋果硬度、優(yōu)果率、單株果實數(shù)量、單果質(zhì)量、產(chǎn)量與均有顯著性影響（＜0.05），而灌水量對果形指數(shù)、單株果實數(shù)量與單果質(zhì)量無顯著性影響（＞0.05），兩者的交互作用對優(yōu)果率、產(chǎn)量與均有顯著性影響（＜0.05）。

表4 各處理對蘋果外觀、產(chǎn)量、灌水利用效率影響

雙因素方差分析（F 值檢驗）Two-Way ANOVA (F value test) 2018Mns**ns******* Ins**ns*nsns**** M×Insnsns*nsns*** 2019Mns*ns******** Ins*ns**ns*** M×Insnsns**ns****

2.5 綜合評價

不同滴灌方式及灌水量對蘋果外觀、產(chǎn)量、灌水利用效率的影響存在差異，單純根據(jù)某一指標(biāo)難以確定最佳滴灌組合，本文采用模糊隸屬函數(shù)法對外觀品質(zhì)、產(chǎn)量、灌水利用效率指標(biāo)進行綜合評價，以期找到利于蘋果滴灌的最佳灌水組合。通過計算蘋果外觀、產(chǎn)量、灌水利用效率等8個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，各指標(biāo)的權(quán)重以變異系數(shù)法為依據(jù)確定，最后加權(quán)得出各處理的綜合分?jǐn)?shù)，對得分進行排序。結(jié)果如表5所示，最有利的前3種水分處理依次為ADI-W2、ADI-W3和ADI-W1，其2018年綜合得分別為0.89、0.78和0.73；2019分別為0.95、0.75和0.59。由此可見，ADI處理能一定程度上提高蘋果的外觀品質(zhì)、產(chǎn)量以及灌水利用效率，由綜合評價表可以看出，當(dāng)選用BDI和UDI滴灌方式時，最佳灌水量為W1，選用ADI滴灌方式時，最佳灌水量為W2。

3 討論

黃土高原區(qū)降雨少且季節(jié)性分布不均、水資源緊缺是果園發(fā)展的重要約束因子，且果園生產(chǎn)中雨養(yǎng)或依據(jù)經(jīng)驗粗放灌溉普遍存在，嚴(yán)重影響該區(qū)蘋果生產(chǎn)向優(yōu)質(zhì)高效轉(zhuǎn)型的進程。蘋果園在黃土區(qū)覆蓋面積大以及集約化程度高，便于滴灌技術(shù)的應(yīng)用[15]，但不同的滴灌方式對于作物光合等生長作用效應(yīng)不同，而光合作用與最終產(chǎn)量形成密切相關(guān)[16]，為提高蘋果產(chǎn)量及灌水利用效率，選取合理的灌溉模式十分重要。因此在之前的研究基礎(chǔ)上，本研究探討了黃土高原區(qū)蘋果冠層結(jié)構(gòu)、光合特性、外觀品質(zhì)、產(chǎn)量及對灌溉方式與灌水量耦合的響應(yīng)規(guī)律。運用隸屬函數(shù)評分法分析得出了蘋果優(yōu)質(zhì)節(jié)水豐產(chǎn)的滴灌組合，為黃土高原區(qū)蘋果的滴灌應(yīng)用提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

表5 各處理對蘋果外觀、產(chǎn)量、灌水利用效率影響隸屬函數(shù)綜合評價

作物冠層結(jié)構(gòu)是光能接收與轉(zhuǎn)化的重要工具，適宜的冠層結(jié)構(gòu)能夠提高對光能的接收和轉(zhuǎn)化效率來增大光合物質(zhì)積累進而增產(chǎn)[17]。而葉面積指數(shù)和葉傾角作為冠層的重要結(jié)構(gòu)構(gòu)建對冠層功能的發(fā)揮起到了關(guān)鍵影響，因此與作物光合作用及蒸騰作用的關(guān)系高度相關(guān)（本研究1=0.66*，2= 0.67*），直接反映其光合生產(chǎn)性能與植株體內(nèi)水分運轉(zhuǎn)能力[18]。金劍等[19]研究表明，高葉面積指數(shù)的蘋果葉片各方位分布均勻，輻射透過系數(shù)小，光能截獲效率高，而較小的葉傾角能更大可能的接收太陽輻射。適度增加灌水量有利于的增加，依靠合理的冠層光能截獲面積能夠增強整體的光合作用進而加快干物質(zhì)的積累速度，而低灌水量通過限制葉片的發(fā)育來抑制單葉片表面積擴張進而減少[20]，本研究W3灌水量處理下的顯著低于W2灌水量處理（＜0.05）。此外，分根交替滴灌（ADI）處理提高，其葉傾角和叢生指數(shù)較小，從而對合理的蘋果冠層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建有積極的影響，使冠層上部、下部光照均勻，整體冠層結(jié)構(gòu)緊湊，減少單葉片間對光照能量競爭損耗，各葉層的葉片的光能被均勻分配，進而提高光能截獲率，形成蘋果對光能高效截獲-利用-轉(zhuǎn)化過程的重要基礎(chǔ)[21]。

有研究表明，脫落酸ABA由受干旱脅迫的根系產(chǎn)生，通過木質(zhì)部的液流將信號傳遞到冠層來調(diào)控葉片開度進而限制光合速率與蒸騰速率[22]。本研究發(fā)現(xiàn)W3處理對蘋果葉片的凈光合速率（P）、蒸騰速率（T）、氣孔導(dǎo)度（G）、羧化效率（）及葉片瞬時水分利用效率（）有顯著抑制的影響（＜0.05），這可能是由于干旱脅迫對蘋果產(chǎn)生一系列的生理反應(yīng)。土壤氮素是作物葉片葉綠素等光合物質(zhì)形成的關(guān)鍵，而適度灌溉下蘋果對氮素吸收效率提高進而增大葉片的含氮量，而依靠氮素形成的葉綠素和相應(yīng)的光合酶的含量得到增多進而增強光合作用[23]。ADI處理提高蘋果葉片的P，而顯著影響其G并降低T，其中ADI-W2處理顯著提高和（＜0.05）。這表明適度灌水的分根交替模式能促進蘋果光合生產(chǎn)力，可為其高產(chǎn)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。這與其他研究者進行控制性分根交替灌溉，在適度虧缺條件下使園藝作物、果樹等的G降低的結(jié)果相似[24-25]。這主要是因為交替灌溉干燥側(cè)根系產(chǎn)生的ABA使部分氣孔關(guān)閉進而減少G，從而在不降低光合速率的前提下降低T，達到提高的目的。

本研究中蘋果樹的光合日進程呈現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，許大全等[26]認(rèn)為中午太陽輻射強，光合作用的相關(guān)酶受高溫的影響抑制了活性進而限制光合功能，以及空氣濕度降低、作物出現(xiàn)缺水從而導(dǎo)致氣孔的部分關(guān)閉，同時ABA含量的升高減少了氣孔交換的通道，葉片細(xì)胞通道受阻造成CO2補給受限進而限制P。本研究中，上午10：00時P最高，T、G此時也達到高峰，隨著溫度升高和光照輻射繼續(xù)增強，蒸騰使得植物體水分快速流失，水勢降低，從而G逐漸減小而限制P，各處理P、T、G在12：00左右大幅度降低，ADI處理的T相比于BDI和UDI處理出現(xiàn)大幅度下降，而T與G基本保持同步變化（本研究=0.85**），G的關(guān)閉但未導(dǎo)致光合出現(xiàn)明顯的“午休”現(xiàn)象，同時ADI-W2相比于同一時間的其他水分處理光合速率得到輕微提升，這可能是因為在適度虧缺的分根交替條件下，脅迫釋放的ABA提前使得氣孔部分關(guān)閉，減少T抑制水勢降低，能夠維持12：00左右基本葉片水分供應(yīng)[27]。同時由根系傳遞到葉片的ABA會使葉片大量茉莉酸被合成，灌水區(qū)根系通過韌皮部通道積累的茉莉酸進而調(diào)控根系蛋白含量與活性，根系的吸水能力增強后能夠及時補給到冠層。研究同時發(fā)現(xiàn)ADI-W2處理的峰值（3.60 μmol·mmol-1）較其他處理出現(xiàn)延后且高于各處理。此類T、G大幅度下降而對P影響不大的現(xiàn)象在棉花[28]、玉米[29]、葡萄[30]、番茄[31]等多種作物的交替根區(qū)灌溉上也有報道，而氣孔開度的變化對P與T的不同時影響是交替根區(qū)灌溉能夠節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。

合理滴灌模式能改善蘋果的P與T，從而形成其高產(chǎn)的干物質(zhì)積累基礎(chǔ)[32]。W3顯著減少植株單株果實數(shù)量、果形指數(shù)和產(chǎn)量，一方面可能是光合功能的抑制作用，另一方面可能由于根系解剖結(jié)構(gòu)因重度虧缺發(fā)生改變對干旱條件的適應(yīng)性變?nèi)?，根系吸收能力被弱化后進而限制光合作用的各個進程[33]；但W3對果實硬度有所提高，這與CUI等[34]的結(jié)論相似，水分虧缺會使果實中細(xì)胞的增殖和擴張受到抑制，各細(xì)胞間排布緊密后整體硬度變高；果實硬度大小排序為W3處理＞W(wǎng)2處理＞W(wǎng)1處理，這可能是因為水分虧缺會加劇抑制生物降解酶的活性，而細(xì)胞壁纖維素和果膠主要因酶活性影響而產(chǎn)生硬度上的差異。減少灌水量會使蘋果單株數(shù)量減少，而單果質(zhì)量會隨之增大但無顯著性差異。這可能由于單株數(shù)量與果實尺寸因兩者的競爭關(guān)系往往呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，因此蘋果單株數(shù)量減少后的蘋果尺寸較大，進而能達到更高的單果質(zhì)量[35]。W1能提高產(chǎn)量和優(yōu)果率，而W3能夠提高。相比于UDI處理，ADI處理能夠提高果實硬度增加單果重與產(chǎn)量，顯著提高。同時能夠提高果實硬度、果形指數(shù)和大果率，提高蘋果的商品價值。這可能是ADI處理顯著提高了光合產(chǎn)物向產(chǎn)量品質(zhì)形成器官的分配比例，同時也提高了非葉綠色光合器官的光合生產(chǎn)能力和產(chǎn)量貢獻率[18]。同時區(qū)別于部分分根交替灌溉對灌水量的設(shè)置，本試驗不同滴灌方式的灌水量保持一致的設(shè)計也為果樹的生長發(fā)育提高良好的水量支撐。

選擇滴灌方式與灌水量最優(yōu)組合的主要目標(biāo)是提效增產(chǎn)，但涉及的評價指標(biāo)較多且彼此關(guān)聯(lián)，大多數(shù)對蘋果滴灌方式與灌水量耦合的研究，都只針對某一指標(biāo)或者某幾個指標(biāo)進行單獨的評價。本文為了研究滴灌對蘋果生長發(fā)育及產(chǎn)量、等指標(biāo)的影響，通過采用隸屬函數(shù)綜合評價法對蘋果各指標(biāo)進行綜合評價，發(fā)現(xiàn)選用ADI滴灌方式和灌水量為W2時能實現(xiàn)產(chǎn)量和灌水利用效率等綜合效益最佳。研究結(jié)果對黃土區(qū)蘋果高效生產(chǎn)具有一定的實踐參考意義。

4 結(jié)論

4.1 不同水分處理對葉面積指數(shù)（）、葉傾角（）和叢生指數(shù)（）影響顯著（＜0.05）。減少灌水量顯著減少、與（＜0.05）。分根交替處理顯著增加（＜0.05），顯著減低和（＜0.05）。

4.2 在果實膨大期（DAF=80 d），ADI-W2處理的凈光合速率（P）、羧化效率（）和葉片瞬時水分利用效率（）達到最大值。蘋果葉片11：00時的P、T、G和隨開花后天數(shù)增加呈先增加后減小的趨勢。各水分處理下蘋果葉片P日變化曲線呈“M”型，其中ADI處理P“午休”現(xiàn)象不明顯，各處理除ADI-W2處理的峰值均出現(xiàn)在上午10：00，ADI-W2處理推遲了峰值的出現(xiàn)，其的日平均值達到最大值（3.22 μmol·mmol-1）。

4.3 ADI-W2處理的蘋果硬度、果形指數(shù)、大果率、單果重和產(chǎn)量最高，ADI-W3處理灌溉水利用效率（）最高。ADI與W2滴灌組合能夠提高產(chǎn)量，與W3組合能夠提高。運用隸屬函數(shù)綜合評分法得到 ADI-W2為最優(yōu)組合處理，因此黃土區(qū)蘋果節(jié)水增產(chǎn)的最佳滴灌模式為分根交替滴灌，灌水量為W2。

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Effects of Drip Irrigation Methods on Photosynthetic Characteristics, Yield and Irrigation Water Use of Apple

LIU Xing, CAO HongXia, LIAO Yang, ZHOU ChenGuang, LI HuangTao

College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Northwest A＆F University/Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas of Ministry of Education, Yangling 712100, Shaanxi

【】The aim of this study was to explore a high-efficient production drip irrigation model of apple tree in Loess Plateau.【】In this study, 8-year-old Hanfu apple trees were took as the research object with different irrigation amount and pattern experiments. These experiments were divided into three treatment groups of root-divided alternative irrigation(ADI), single pipe drip irrigation(UDI) and double pipe drip irrigation(BDI). ADI, UDI and BDI were supplied with three different irrigation levels: high water (W1), middle water (W2) and low water (W3), respectively. Therefore, there were nine treatments based on orthogonal experiment design in number. Then, the responses of the important apple tree parameters, including canopy structure, photosynthetic characteristics, yield and irrigation efficiency, were studied.【】The results showed that less irrigation amount (W2 and W3) significantly reduced leaf area index, leaf inclination angle and clumping index (＜0.05), and increase the irrigation water use efficiency. Compared with single pipe drip irrigation, the drip pattern of alternate root division significantly increased leaf area index (＜0.05), and significantly decreased leaf inclination angle and clumping index (＜0.05). The net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance and carboxylation efficiency of apple leaves at 11:00 increased at first and then decreased with the increase of DAF. At the fruit expansion stage (DAF=80d), the net photosynthetic rate, carboxylation efficiency and leaf instantaneous water use efficiency under ADI-W2 were higher than that under other patterns. The diurnal variation curve of net photosynthetic rate of apple leaves under different water treatments showed “M” pattern. The phenomenon of “midday depression” of net photosynthetic rate under ADI treatment was not obvious. The peak value of instantaneous water use efficiency of leaves of all treatments appeared at 10:00 a.m, besides the treatment of ADI-W2. ADI-W2 delayed the emergence of peak value, and exhibited a highest daily average instantaneous water use efficiency (3.22μmol·mmol-1). Furthermore, ADI-W2 had the best hardness (9.09 kg·cm-2), fruit shape index (0.88), big fruit rate (63.46%), single fruit weight (224.12 g) and yield (33 010.15 kg·hm-2). The combination with W3 could improve the irrigation water use efficiency, and the irrigation water use efficiency under ADI-W3 treatment (36.21 kg·m-3) was the highest.【】Finally, ADI-W2 treatment could be defined to be the best drip irrigation mode of water-saving and yield increasing of apple comprehensive scoring method in Loess Plateau area in this study. The results provided a scientific theoretical support for apple drip irrigation management in Loess Plateau.

drip irrigation method; irrigation amount; photosynthetic characteristics; yield; root-divided alternative irrigation; comprehensive evaluation; Loess Plateau region

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.15.011

2020-09-08；

2020-12-25

“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0400204）、陜西省水利廳科技計劃項目（2020slkj-08）

劉星，E-mail：507612359@qq.com。通信作者曹紅霞，E-mail：nschx225@nwafu.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）