水肥耦合對葡萄土壤環(huán)境及品質(zhì)的影響

李青青，張 芮，高彥婷，王旺田，李鴻雁

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

葡萄是我國主要水果之一，深受人們的喜愛，其用途廣泛，具有很高的社會經(jīng)濟(jì)效益和豐富的營養(yǎng)價(jià)值，除此之外還具有較高的醫(yī)藥價(jià)值[1-2]。葡萄在我國的栽培歷史已有2 000 多年，國外已有一系列的設(shè)施葡萄栽培技術(shù)，而國內(nèi)設(shè)施葡萄栽培相關(guān)研究在栽培結(jié)構(gòu)、面積及栽培技術(shù)等方面尚不完善，國內(nèi)設(shè)施葡萄栽培方式主要有促早栽培、延遲栽培、避雨栽培[3-4]。

水和肥料是影響作物生長發(fā)育的兩個重要因子，兩者之間相互制約、相互影響。水肥相互制約結(jié)果是水肥耦合效應(yīng)（couple effect of water and fertility）[5]。水是發(fā)揮肥效的關(guān)鍵，而肥料則是提高土壤和土壤系統(tǒng)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，合理的水肥耦合可以達(dá)到以水調(diào)肥、以肥控水的效果[6-7]。利用滴灌方式，將肥料隨灌溉水供給作物，以水促肥，有利于改善土壤中養(yǎng)分的運(yùn)移，從而提高植物根系對養(yǎng)分的充分吸收與傳統(tǒng)施肥方法相比可以顯著提高肥料的利用效率[8]。王連君等[9]研究發(fā)現(xiàn)，水肥耦合的增產(chǎn)效應(yīng)存在一個臨界值，在臨界值以下，增加水和肥料的用量，可以明顯增加作物的產(chǎn)量；當(dāng)水和肥料的水平高于臨界值時，其增產(chǎn)效果并不明顯，反而對作物增產(chǎn)效果有不利的影響，并且嚴(yán)重浪費(fèi)水和肥料。土壤水分與肥料之間的相互作用有3 種效應(yīng)，分別為協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)和拮抗效應(yīng)[10]。水肥耦合也被引入葡萄栽培中提高種植效益。

目前，國內(nèi)外就水肥耦合作用對作物產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用率的影響已有廣泛研究。王海藝等[11]研究結(jié)果表明，植物吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)養(yǎng)分主要依賴于土壤水分，同時化肥用量又受到一定的限制。史星雲(yún)等[12]研究結(jié)果顯示，在滴灌條件下，水肥協(xié)同對釀酒葡萄新梢生長和發(fā)育、果實(shí)形態(tài)及葡萄品質(zhì)等有顯著的影響，對生長發(fā)育和品質(zhì)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。水肥耦合交互變換能夠引起土壤養(yǎng)分濃度的變化，并且對植株根系吸水能力也有一定的影響，因而植株凈光合速率呈現(xiàn)波浪形的變化趨勢[13]。曹毅等[14]研究表明，水肥耦合對葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)具有極其顯著的影響，并且灌溉水量對葡萄產(chǎn)量的影響更加明顯。在一定范圍內(nèi)，葡萄產(chǎn)量和灌溉水利用效率隨著水和肥料的供給呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。

水肥耦合技術(shù)是我國節(jié)約型可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑之一，特別是在我國干旱和半干旱地區(qū)，發(fā)揮著越來越大的積極作用，并且具有較大的推廣空間。前人對作物水肥耦合的研究主要集中在對玉米、馬鈴薯和水稻等大田作物和部分蔬菜作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)影響上，而對葡萄土壤環(huán)境、水肥利用效率和品質(zhì)影響的研究涉及較少，尤其缺少對設(shè)施葡萄栽培條件下的相關(guān)研究，因此，為了探索水肥耦合在生產(chǎn)上的優(yōu)勢，重點(diǎn)探討水肥耦合對葡萄生長的土壤環(huán)境及品質(zhì)的影響，為葡萄節(jié)水節(jié)肥和優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 水肥耦合對葡萄土壤環(huán)境的影響

1.1 土壤水熱特性

水分是葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)形成的決定性因素[15]。不同生長期的葡萄對水分的需求有所不同。在整個生育期，水分通過蒸發(fā)、蒸騰和入滲等過程，在空間和時間上發(fā)生一系列的變化，土壤中的水分多少以土壤含水率的形式表現(xiàn)。翟春華[16]指出，含水率60%～70%（20～40 cm）的松軟肥沃土壤最適合葡萄根系的生長，過高或過低都不利于葡萄根系的正常生長。當(dāng)土壤含水率<40%（20～40 cm）時，葡萄的生長速度較慢或停滯；當(dāng)含水率>80%（20～40 cm）時，根系因缺氧而漚根，容易腐爛。

何建斌[17]研究表明，在葡萄處于營養(yǎng)生長生育期，土壤含水率的降低速度是緩慢的，但隨著生育期的延長，含水率的降低速度會顯著增加，因此，在葡萄的整個生長發(fā)育過程中，不同生育期內(nèi)合理、有選擇地灌溉，可以使作物達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目的。溫越等[18]研究表明，灌溉是影響作物在不同生長階段耗水量和耗水強(qiáng)度的主要因素。有研究表明，在葡萄全生育期耗水最多的生育期是漿果生長期，耗水最少的是花期；從耗水強(qiáng)度來看，耗水強(qiáng)度最大的生育期是漿果成熟期，耗水強(qiáng)度最弱的是枝蔓成熟期。綜合考慮，葡萄的漿果生長期和成熟期需水量最大，需要充分灌溉，以保證葡萄正常生長[19-20]。水肥耦合能夠促進(jìn)水分的轉(zhuǎn)化利用，提高葡萄的水分利用效率。

灌溉是設(shè)施葡萄生長發(fā)育階段重要的補(bǔ)水手段，不同的灌溉方式對一定時間內(nèi)土壤含水率的影響不同，同時對葡萄產(chǎn)量及品質(zhì)有不同的影響。在國內(nèi)，滴灌在葡萄栽培中的應(yīng)用已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[21]。國內(nèi)外已有研究表明，滴灌是節(jié)水型灌溉技術(shù)，對提高葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)具有重要意義，是改善葡萄品質(zhì)的有效途徑[22-23]。灌溉水量和灌溉方式對葡萄生長均有影響，灌溉水量間接地通過影響葡萄植株對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收進(jìn)而影響葡萄產(chǎn)量，水肥耦合調(diào)控條件下，在一定的施肥量水平下，提高灌溉水量可以提高葡萄產(chǎn)量。

溫度是解除落葉果樹芽休眠的關(guān)鍵環(huán)境因子[24]。土壤溫度不但對植株初期芽的萌發(fā)、幼苗生長及中期階段的開花結(jié)果有影響，而且對作物根系的水分運(yùn)輸和養(yǎng)分吸收也有重要的意義，水分和養(yǎng)分對果樹的生長、品質(zhì)及產(chǎn)量具有顯著的影響，因此，土壤溫度也會影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。葡萄萌芽必須滿足一定的需熱量和需冷量，對土壤的有效積溫要求較高[25-26]。地溫對葡萄的生長起著至關(guān)重要的作用，在20～30 cm土層的土壤溫度超過7 °C 時，葡萄的根系就會活躍起來；當(dāng)土壤溫度為12～14 °C（20～40 cm）時，根系開始吸收水分和養(yǎng)分，并進(jìn)入生長期；土壤溫度為20～24 °C（20～40 cm）時根系的生長環(huán)境最好[27]。土壤溫度在7 °C 以下時，根系停止生長，25 °C 以上時根系的生長會被抑制，超過28 °C 時根系的生長停滯或逐漸死亡。

土壤溫度與土壤水分具有交互作用，有研究表明，膜下滴灌的交互作用比噴灌更加顯著，水肥一體化滴灌條件下，灌溉水量越大土壤有效積溫越小，較大的灌溉水量能夠有效的控制地溫的變幅[28]。灌溉水量對地溫有顯著的影響，土壤含水量與施肥量有密切的關(guān)系，在保證施肥量相同的情況下，灌溉水量與作物生長各個土層的土壤溫度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[29]。適宜的土壤溫度是葡萄生長發(fā)育良好的必要條件，因而通過水肥耦合控制土壤溫度是必要的。

1.2 土壤養(yǎng)分

葡萄雖然是藤本植物，但是它的根系較發(fā)達(dá)，枝蔓多、葉片較大，生長較旺盛，果實(shí)產(chǎn)量高，而且壽命較長，因此，生長發(fā)育過程中需要更多的養(yǎng)分來保證葡萄正常生長。葡萄生長發(fā)育過程中需要從土壤中獲取多種元素來調(diào)節(jié)自身的生長，保障土壤肥力是作物正常生長的關(guān)鍵。葡萄生長所需元素有氮、磷、鉀，以及微量元素鐵、硼、鎂、鋅、鉬、銅等，雖然作物對氮、磷、鉀的需求最高，但也不能忽略微量元素的施用[30-31]。肥料是葡萄生長所需養(yǎng)分的重要保障，合理有效地施肥能夠促進(jìn)土壤肥力的發(fā)展、保障生態(tài)環(huán)境的平衡。

1.2.1 氮、磷、鉀

氮、磷、鉀是作物營養(yǎng)來源不可缺少的重要組成部分，謝海霞[1]研究表明，在一定的施肥水平下，氮、磷、鉀肥對葡萄產(chǎn)量有明顯的提高作用，氮肥的增產(chǎn)效果則最為明顯，鉀肥次之，磷肥的增產(chǎn)效果最不顯著。研究表明，葡萄從發(fā)芽到開花階段，滴灌條件下對氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥的追施比為1.00∶0.26∶0.12；果在實(shí)生長期追施N、P2O5、K2O 的比例為1.00∶1.54∶1.97 時，對葡萄的增產(chǎn)效果最明顯，氮、磷、鉀肥的最佳施肥配比為N∶P2O5∶K2O=1∶0.39∶0.98[32]。

利用水肥耦合技術(shù)進(jìn)行肥料的追施，能夠顯著地提高肥料的利用效率，當(dāng)季氮、磷、鉀肥利用率可以提高70%～80%、40%～50%、80%～90%[33]。但是與其他國家相比較，我國的水肥協(xié)同技術(shù)水平相對較低，水肥一體化灌溉施肥條件下的氮、磷、鉀肥利用率分別為60%、40%和70%[34]。

1.2.2 微量元素

微量元素的攝入是植物生長發(fā)育過程中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對其產(chǎn)量、品質(zhì)等有顯著的影響，盡管植物對微量元素需求較低，但在植物生長發(fā)育過程中卻是不可或缺的一部分。研究表明，在葡萄植株葉面噴灑微量元素能夠顯著改善葡萄樹體的營養(yǎng)，同時能夠起到提高葡萄品質(zhì)的作用[35-37]。葉面噴灑氨基酸能夠提高葉片的葉綠素含量，增強(qiáng)葡萄葉面的凈光合速率，改善果實(shí)品質(zhì)，明顯提高1 年生枝條的成熟度，增加貯藏營養(yǎng)[38]。史祥賓等[39]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄葉面噴灑氨基酸肥和微量元素能夠顯著提高成熟期果實(shí)的氮、鉀、鎂、鐵、鋅、銅和鉬等的含量，提高葡萄果實(shí)中礦質(zhì)元素含量，同時提高了其營養(yǎng)價(jià)值。VYSTAVNA Y 等[40]和HOPFER H 等[41]的研究表明，在劣質(zhì)種植區(qū)，在土壤中增施中量元素（Ca、Mg、S），釀制葡萄產(chǎn)量能夠明顯增加，同時能夠提高其品質(zhì)。張磊等[42]研究認(rèn)為，將鋅肥和氮、磷、鉀配合施用，可以提高單粒葡萄質(zhì)量，糖酸比也有所增加，同時還有利于品質(zhì)的改善。適時、適量地增施微量元素肥料，可以防治病蟲害。土壤微量元素含量與果實(shí)中相應(yīng)元素的含量有明顯的正相關(guān)關(guān)系，這符合植物對養(yǎng)分的吸收特征[43]。

吳壽華[44]研究表明，采用水肥耦合技術(shù)，能夠顯著地改善葡萄種植土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低植株根區(qū)土壤堿解氮和有效鉀殘留量，并且能夠有效地改善土壤的酸堿度，緩解根區(qū)土壤的酸化程度。此外，還可以增加葡萄葉片中全氮、全磷和全鉀的含量，同時增加葡萄葉片的質(zhì)量，這說明水肥一體化技術(shù)有利于葡萄葉片的發(fā)育，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的累積，這與植物根系對養(yǎng)分的吸收有密切關(guān)系。

葡萄生長發(fā)育、品質(zhì)和產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)是礦質(zhì)營養(yǎng)元素，然而葡萄對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的獲取途徑主要是土壤，因此合理、科學(xué)地施肥是保證葡萄正常生長的重要措施。施肥方式對葡萄生長也有一定的影響，為了提高肥料利用效率，減少不必要的損失，選擇最適宜的施肥方式，按照最合理的追施比例進(jìn)行施肥，是提高肥料利用率的主要措施，可提高葡萄產(chǎn)量，改善葡萄品質(zhì)。

1.3 土壤酶活性

土壤酶是植物的生物活性庫，它在土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的生物化學(xué)循環(huán)、有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)換等方面起著重要作用，土壤酶與土壤中水分狀況、施肥制度、物理化學(xué)因素、微生物及其他的農(nóng)業(yè)措施等有密切的關(guān)系[45-46]。研究表明，土壤中的脲酶、蔗糖酶和磷酸酶能夠促進(jìn)土壤中主要養(yǎng)分的循環(huán)利用[47]。在噴灌條件下，利用水肥耦合技術(shù)對葡萄葉面噴施鈣肥可以顯著提高根區(qū)土層不同深度的土壤酶活性，土壤脲酶、土壤酸性磷酸酶、土壤蔗糖酶等的活性提高更加顯著，酶活性隨著土層深度的增加而降低，土壤蔗糖酶活性則呈相反的趨勢[48]。楊昌鈺等[49]研究表明，水分不足對葡萄生長期根際土壤中過氧化氫酶的影響不大，但輕度和中度水分虧缺對葡萄果實(shí)膨大期和著色期根區(qū)土壤中蔗糖酶和脲酶有一定程度的抑制作用。水肥耦合能夠提高葡萄根際土壤酶的活性，并使土壤中的養(yǎng)分礦化，將有利于植物的吸收，進(jìn)而在一定程度上提高葡萄的生長發(fā)育，在此方面有關(guān)葡萄的研究較少，是今后研究的重點(diǎn)。

2 水肥耦合對葡萄品質(zhì)的影響

品質(zhì)是衡量作物種植效果的一個主要因素，而合理的灌水和有效地施肥可以改善作物的品質(zhì)，侯裕生等[50]、曹毅等[14]研究發(fā)現(xiàn)，水肥對葡萄品質(zhì)存在顯著的交互作用。

2.1 外觀品質(zhì)

果實(shí)的外觀品質(zhì)直接影響到其商品化程度，而果實(shí)的大小和形狀指數(shù)則是影響其外觀品質(zhì)的主要因素[51]。葡萄粒徑大小作為葡萄的表觀品質(zhì)，是衡量葡萄質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，張超等[52]、黃英等[53]研究表明，水肥耦合作用對葡萄的粒徑和果實(shí)形態(tài)有顯著的影響，適當(dāng)?shù)乃痔澣焙瓦m當(dāng)?shù)姆柿嫌昧靠梢蕴岣咂咸训膯瘟Ｙ|(zhì)量，葡萄果粒的縱徑、橫徑生長動態(tài)呈現(xiàn)先快速增長后逐漸平緩的趨勢，灌溉水量和施氮量對葡萄外觀品質(zhì)均具有極顯著影響。何振嘉等[54]、張超等[52]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的水肥施用量對果粒生長有更好的促進(jìn)作用。

2.2 營養(yǎng)品質(zhì)

衡量葡萄營養(yǎng)品質(zhì)的指標(biāo)有可溶性固形物、維生素C、花色苷、可滴定酸含量等。

營養(yǎng)品質(zhì)是鮮食葡萄最重要的商品品質(zhì)。研究表明，通過水肥結(jié)合，可以減弱因灌溉水量過大而不利于葡萄糖分的積累，因而在水分充足、可溶性固形物含量高的情況下，適當(dāng)?shù)乃痔澣焙褪┓识寄芴岣咂涓黜?xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)[9]。黃英等[53]的研究結(jié)果顯示，水分脅迫達(dá)到一定程度后，糖酸比逐漸降低，當(dāng)肥料用量達(dá)到一定程度后，可溶性固形物、維生素C 和花色苷含量也表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。此外，灌溉水量對可滴定酸（以酒石酸計(jì)）和維生素C 的影響較大，而灌溉水量和施肥量對花色苷的含量均有極其顯著的影響。

葡萄的品質(zhì)優(yōu)劣主要體現(xiàn)在可溶性固形物、可溶性糖含量、可滴定酸含量及葡萄果實(shí)硬度等指標(biāo)，合理的施肥量和灌溉水量對改善葡萄品質(zhì)較為理想。水肥施用量過高或過低對葡萄品質(zhì)都有不利影響，因此在高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的條件下選擇最優(yōu)的灌溉水量和施肥量。張超等[52]研究表明，綜合考慮葡萄生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)，最優(yōu)的水肥耦合模式為灌溉水量9 150 m3/hm2、施氮量450 kg/hm2，既能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，又提高了水和肥料利用效率。

3 結(jié)束語

水肥耦合能夠促進(jìn)土壤中水分的轉(zhuǎn)化和利用，提高水分利用效率，也可以顯著地提高土壤中氮、磷、鉀肥的利用率，改善土壤性質(zhì)，提高產(chǎn)量，同時利用水肥一體化，噴施微量元素能夠達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目的。水肥耦合還能夠提高葡萄根區(qū)土壤酶的活性，影響葡萄的生長，進(jìn)而提高葡萄產(chǎn)量。灌溉水量過大，或者施肥量過高不利于葡萄品質(zhì)的提高，同時水肥利用效率也會降低，合理的水肥用量能夠使葡萄具有外表優(yōu)異、富含營養(yǎng)價(jià)值的特點(diǎn)，從而改善葡萄品質(zhì)。綜合得出，水肥耦合對葡萄水熱條件、土壤養(yǎng)分、土壤酶活性及品質(zhì)有顯著的影響。