蘋(píng)果園水分管理研究進(jìn)展

劉曉偉，田 歌，王 海，李慧峰

(1.山東省果樹(shù)研究所，山東 泰安 271000；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271000)

我國(guó)蘋(píng)果栽培面積和產(chǎn)量分別達(dá)193.86萬(wàn)hm2和3 923.34萬(wàn)t，在世界蘋(píng)果生產(chǎn)和全國(guó)水果生產(chǎn)中均居第一位[1]。我國(guó)蘋(píng)果大多栽植于丘陵、山地等極易缺水的半干旱或干旱地帶，果園土壤的保肥保水能力較弱，容易遭受水分脅迫。而蘋(píng)果園的灌水模式很多還是傳統(tǒng)的大水漫灌，水分利用效率極低，造成了大量的水資源浪費(fèi)，果樹(shù)根系的呼吸作用也隨之受到抑制，根系對(duì)養(yǎng)分的吸收能力遭到削弱，極易造成硝態(tài)氮等養(yǎng)分的淋失，增加生產(chǎn)成本，也降低了蘋(píng)果的產(chǎn)量和品質(zhì)，在一定程度上還導(dǎo)致了環(huán)境污染。因此，基于我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源短缺和多數(shù)旱地果園很難實(shí)施有效灌水的現(xiàn)狀，必須大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，探尋干旱和半干旱果園的高效節(jié)水灌概方法，開(kāi)發(fā)低耗水、抗旱、耐旱的果樹(shù)砧木潛能，有效提高農(nóng)業(yè)水資源利用率，緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 蘋(píng)果園土壤水分動(dòng)態(tài)變化

對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征的深入研究，可提高灌溉利用效率，改善根區(qū)水肥狀況。崔世勇等[2]研究了土壤水分運(yùn)動(dòng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)果園土壤水分具有不穩(wěn)定性和一定的波動(dòng)性。表層土壤水分含量變化劇烈，深層相對(duì)穩(wěn)定。渭北地區(qū)因?yàn)闅夂蛟蚬麡?shù)的蒸騰作用較強(qiáng)，耗水量較大，深層土壤含水量也相對(duì)較低，進(jìn)而導(dǎo)致果樹(shù)產(chǎn)量受影響[3]。相關(guān)研究認(rèn)為，果園0～30 cm土層的土壤含水量在不斷變化而不能保持穩(wěn)定，果園30～220 cm土壤水分含量在15%左右波動(dòng)，而且與土壤深度呈負(fù)相關(guān)。0～10 cm 土層范圍內(nèi)的土壤水分含量受降雨影響最顯著，隨土層深度增加，降水對(duì)土壤水分含量的影響減小[4]。

2 土壤水分對(duì)蘋(píng)果生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1 根系形態(tài)

干旱脅迫能顯著降低果樹(shù)的根系活力，抑制根系生長(zhǎng)。根系超微結(jié)構(gòu)在水分脅迫條件下也發(fā)生顯著變化，如導(dǎo)管組織分子直徑變大，新根中柱加粗顯著，在嚴(yán)重干旱條件下甚至?xí)儽獾?，這些結(jié)構(gòu)變化顯著增加了水養(yǎng)的橫向運(yùn)輸空間，也增加了水養(yǎng)的運(yùn)輸途徑。楊洪強(qiáng)等[5]研究發(fā)現(xiàn)，延長(zhǎng)根受到干旱脅迫時(shí)，其多胺代謝的反應(yīng)非常敏感，而吸收根的反應(yīng)相對(duì)來(lái)說(shuō)并不強(qiáng)烈，這是因?yàn)樗置{迫能使果樹(shù)的吸收根中柱加粗，大大降低了其活力，延長(zhǎng)根就能夠在水分脅迫的壓力下迅速生長(zhǎng)。另外，一些果樹(shù)(如柑橘、板栗、龍眼等)具有菌根，可顯著增加果樹(shù)根系的有效吸收面積，使果樹(shù)對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力提高[6]。

2.2 葉片水勢(shì)

Zhu等[7]研究表明，幼齡蘋(píng)果樹(shù)受到水分脅迫時(shí)，葉片水勢(shì)會(huì)降低；劉洪波等[8]認(rèn)為土壤含水量與葡萄葉片水勢(shì)呈正相關(guān)關(guān)系，葉片水勢(shì)與土壤含水量的相關(guān)性達(dá)極顯著水平。水分脅迫下，幼嫩葉片相對(duì)于成熟葉片的反應(yīng)更為敏感，干旱時(shí)，幼嫩葉片會(huì)出現(xiàn)一系列生理反應(yīng)，如失水卷曲等，這是由于幼嫩葉片處于形態(tài)建造的中間階段，有一定的可塑性，適應(yīng)環(huán)境的能力較強(qiáng)，感受到水分虧缺后，它會(huì)朝著利于自身生長(zhǎng)發(fā)育的方向產(chǎn)生一系列變化來(lái)適應(yīng)環(huán)境變化，如細(xì)胞質(zhì)濃度增大，細(xì)胞纖維結(jié)構(gòu)更具有彈性等。

2.3 枝干生長(zhǎng)

干旱脅迫時(shí)，蘋(píng)果的枝干是所有營(yíng)養(yǎng)器官中反應(yīng)最敏感的。干旱脅迫影響蘋(píng)果枝條的生長(zhǎng)情況，相對(duì)縱向方面，橫向?qū)Ω珊得{迫更加敏感。李新建等[9]研究表明隨著干旱脅迫的緩解，果樹(shù)新梢長(zhǎng)度在達(dá)到峰值后出現(xiàn)不同程度的下降。陳曉東等[10]研究表明葡萄的新梢生長(zhǎng)量隨灌水量增加而增大。嘎啦蘋(píng)果幼樹(shù)的新梢長(zhǎng)度也隨干旱脅迫的加強(qiáng)而降低[11]。

2.4 光合特性

光合速率是反映光合作用強(qiáng)烈程度的一個(gè)指標(biāo)，它體現(xiàn)了果樹(shù)葉片合成光合產(chǎn)物的強(qiáng)弱。土壤水分減少時(shí)，石榴[12]、蘋(píng)果[13]的光合熒光參數(shù)都表現(xiàn)出顯著差異。干旱脅迫促使植株的葉面積擴(kuò)大，葉綠體的化學(xué)活性降低，葉片光合速率也隨之降低[14]。當(dāng)植株未遭到水分脅迫時(shí)，蒸騰作用主要由植株的生理特性和氣象因子決定，水分脅迫時(shí)，氣孔相應(yīng)隨之關(guān)閉[15]，水分和CO2進(jìn)入受到阻礙，植株的蒸騰作用和光合作用直接受到影響。

3 果樹(shù)水分虧缺診斷

果園精準(zhǔn)灌概中最有應(yīng)用前景的幾種水分虧缺診斷指標(biāo)為葉片光合參數(shù)、莖液流通量及葉片水勢(shì)等。光合參數(shù)中的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度均與水分虧缺顯著相關(guān)。氣孔是植物與外界間的水氣通道，干旱脅迫可使氣孔擴(kuò)散阻力增大，進(jìn)而大幅降低凈光合速率和蒸騰速率。水分脅迫下，葉片胞間CO2濃度降低，光合作用的原料CO2供應(yīng)不足，光合電子傳遞鏈被破壞，光合器官葉綠體形態(tài)和結(jié)構(gòu)、類囊體的膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，葉片光合色素含量減少，光合酶活性下降。但基于光合參數(shù)的水分虧缺診斷對(duì)儀器要求比較高。

莖流通量常被用來(lái)對(duì)果樹(shù)水分狀況進(jìn)行診斷[16]，其測(cè)定方法有熱擴(kuò)散探針?lè)?、熱脈沖法、熱平衡法等，其中熱脈沖法最受歡迎，它有著高自動(dòng)化、高時(shí)間分辨率且操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于具有現(xiàn)代化智能灌溉系統(tǒng)的果園。李煥波等[17]采用熱脈沖法對(duì)紅富士蘋(píng)果樹(shù)干的液流通量進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)同一棵樹(shù)的不同邊材位置的液流速率隨著時(shí)間的變化表現(xiàn)為單峰曲線，晴天多為單峰曲線或雙峰曲線，而陰天則多為多峰曲線。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)紅富士蘋(píng)果樹(shù)在開(kāi)花期的晴天為單峰曲線，而在新梢生長(zhǎng)期的晴天則呈現(xiàn)出雙峰曲線[18]。

果樹(shù)莖葉水勢(shì)與土壤水分含量高度相關(guān)，因而葉片水勢(shì)成為果樹(shù)水分虧缺診斷的重要指標(biāo)，在葡萄、蘋(píng)果等果樹(shù)上廣泛應(yīng)用，但以水勢(shì)代表水分虧缺程度仍有一些不足。因高等植物歷經(jīng)多年進(jìn)化，早已形成各自獨(dú)特的相應(yīng)機(jī)制應(yīng)對(duì)水分脅迫，單憑水勢(shì)的變化不足以準(zhǔn)確反映果樹(shù)水分虧缺的程度。目前測(cè)定水勢(shì)的主要方法有小液流法、壓力室法、熱電耦法，這幾種測(cè)定方法不同程度上存在精度不高、測(cè)定條件要求嚴(yán)苛等不足。

4 蘋(píng)果需水特性與水分管理

4.1 蘋(píng)果需水量及需水特性

丘陵山區(qū)蘋(píng)果樹(shù)滴灌日均補(bǔ)水強(qiáng)度在不同生長(zhǎng)期表現(xiàn)不同，其中開(kāi)花期是2.23 mm,坐果期到果實(shí)膨大期達(dá)2.14 mm,果實(shí)成熟期是1.31 mm[19]。蘋(píng)果樹(shù)年耗水量 433.5～478.5 mm，最佳灌水時(shí)期是在萌芽期、新梢旺長(zhǎng)期、果實(shí)迅速膨大期以及封凍前[20]。渭北高原紅富士蘋(píng)果樹(shù)，在果實(shí)膨大期需水量高達(dá)約310 mm。山東省濟(jì)寧市嘉祥縣的紅富士蘋(píng)果樹(shù)，在果實(shí)膨大期需水量高達(dá)約315 mm。也有研究表明，蘋(píng)果果實(shí)膨大期到采收期需水量占生育期總需水量比例最高，為 86.9%。

4.2 灌溉方式與節(jié)水保水技術(shù)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式水分利用效率低，對(duì)果樹(shù)生長(zhǎng)尤其是根系生長(zhǎng)起到抑制作用。因此前人對(duì)于不同灌溉方式、滴灌的不同位置、滴灌滲灌對(duì)比以及水肥一體化對(duì)蘋(píng)果生長(zhǎng)、產(chǎn)量品質(zhì)、養(yǎng)分吸收等方面進(jìn)行了大量研究。調(diào)虧灌溉(減量40%)對(duì)蘋(píng)果產(chǎn)量的影響不顯著，且有效抑制了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)；蘋(píng)果根區(qū)進(jìn)行交替灌溉對(duì)蘋(píng)果營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用；前人在灌水量梯度、灌水的定位方式等方面進(jìn)行了大量研究。結(jié)果表明限水灌溉、局部灌溉和調(diào)虧灌溉等方法，有效提高了果樹(shù)水分利用效率?！翱刂菩宰魑锔捣謪^(qū)交替灌溉”的方法，更是拓展了農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的新思路。

5 展 望

在蘋(píng)果生產(chǎn)中，通過(guò)精準(zhǔn)有效的灌溉，既可以滿足樹(shù)體生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分的需求，又能夠提高果實(shí)品質(zhì)和節(jié)約水資源，這對(duì)蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而現(xiàn)在我國(guó)蘋(píng)果主產(chǎn)區(qū)水資源可用量持續(xù)減少，尤其如黃土高原等產(chǎn)區(qū)，雖然擁有得天獨(dú)厚的光和熱，但是年降水量較少，且分布不均，已經(jīng)極大地限制了當(dāng)?shù)靥O(píng)果產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。構(gòu)建蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)節(jié)水技術(shù)體系迫在眉睫。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的不斷發(fā)展，與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距逐漸縮小。下一步應(yīng)根據(jù)各個(gè)蘋(píng)果產(chǎn)區(qū)的自然資源現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)?shù)靥O(píng)果栽培模式和立地條件，研發(fā)區(qū)域性和針對(duì)性強(qiáng)的現(xiàn)代果樹(shù)水分高效管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)果園水分精準(zhǔn)管理。