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        彌霧微噴對葡萄光合特性、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

        2020-10-16 07:24:46鄭明張江輝白云崗劉洪波丁平
        排灌機械工程學(xué)報 2020年9期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)量

        鄭明,張江輝,白云崗,劉洪波,丁平

        (新疆水利水電科學(xué)研究院,新疆 烏魯木齊 830049)

        葡萄在中國具有廣泛的種植歷史,尤其在吐魯番地區(qū),是當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟收入來源,有著舉足輕重的地位.吐魯番地區(qū)處于極端干旱地區(qū),葡萄在果粒膨大期易受干熱風(fēng)的影響,葉片光合作用受阻導(dǎo)致植物“午休”時間較長,有機質(zhì)累積時間變短,對葡萄品質(zhì)和產(chǎn)量造成不利影響[1],因此在當(dāng)?shù)亻_展緩解葡萄“午休”現(xiàn)象的試驗對提高葡萄產(chǎn)量與品質(zhì)具有深遠(yuǎn)的意義.有研究顯示作物在中午會出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象,主要與溫度過高有關(guān)[2].丁友芳等[3]研究認(rèn)為葛根凈光合速率與葉溫、環(huán)境溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān).金莉等[4]研究表明:引起葡萄“午休”的主要因素為空氣濕度和溫度,對葡萄進行降溫增濕措施可能會減輕其“午休”.張衡等[5]研究顯示對葡萄進行彌霧微噴可以達到增濕降溫的效果,在棚架下50 cm處布設(shè)噴頭降溫增濕效果最為明顯.在作物“午休”研究方面已有許多成果,但分析微噴時長對葡萄光合特性、果粒發(fā)育以及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響的報道鮮見.

        目前,對灌溉制度試驗多采用產(chǎn)量與其他指標(biāo)來直觀判斷最優(yōu)處理,但在不同指標(biāo)上可能會存在不同評價標(biāo)準(zhǔn),此時需要一種客觀的方法來篩選.最優(yōu)處理熵值法是通過統(tǒng)一評價指標(biāo)在不同對象中的差異性程度確定權(quán)重系數(shù),以此來避免主觀因素,又稱客觀賦權(quán)法.目前熵值法已成功應(yīng)用在各學(xué)科領(lǐng)域[6],但在篩選最優(yōu)處理的方面的應(yīng)用較少,因此研究使用熵值法篩選最優(yōu)處理果粒體積的正常發(fā)育直接影響產(chǎn)量與品質(zhì),每日對果粒體積進行測定會對果粒正常發(fā)育產(chǎn)生一定的物理損傷,進而影響果粒體積數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,需采取合理方法對果粒體積進行預(yù)測.曲線方程可以描述曲線變化情況,方程導(dǎo)數(shù)可以得到該函數(shù)的斜率(曲線增長速率),可以將其推廣應(yīng)用在研究葡萄果粒體積生長規(guī)律,預(yù)測果粒體積增長速率較快的時期,保證果粒體積正常生長.

        試驗基于前人研究成果,于2018年在棚架下50 cm處布設(shè)彌霧微灌噴頭,設(shè)置微噴0 h/d(CK),1 h/d(WP1),2 h/d(WP2)與3 h/d(WP3)這4個處理,監(jiān)測不同處理的光合特性、果實體積以及產(chǎn)量和品質(zhì)等指標(biāo),運用求果粒體積生長函數(shù)導(dǎo)數(shù)的方法得到果粒體積增長速率函數(shù),計算并比較不同處理下葡萄果粒增長速率及最大增長速率,并且使用熵值法客觀評價不同處理下葡萄產(chǎn)量與品質(zhì)的優(yōu)劣性,旨在從不同處理之間篩選出最優(yōu)處理,為提高葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)提供參考依據(jù).

        1 材料與方法

        1.1 試驗區(qū)概況

        試驗于2018年4—9月在新疆鄯善縣的新疆葡萄瓜果開發(fā)研究中心試驗基地(90.30° E,42.91° N,海拔419 m)進行,該地年降雨量為25.3 mm,年蒸發(fā)量為2 751 mm,10 ℃以上有效積溫為4 522.6~5 548.9 ℃,全年日照時間為2 900~3 100 h,無霜期長為192~224 d.土壤質(zhì)地主要為礫石沙壤土.供試材料為38a“無核白”葡萄樹,大溝定植,東西走向,溝寬1.0~1.2 m,溝深0.5 m左右;株距約1.2~1.5 m,行距3.5 m;栽培方式為小棚架栽培,棚架前端高1.5 m,后端高0.8 m.

        1.2 試驗設(shè)計

        試驗田灌溉方式采用滴灌,滴灌帶布置方式為一溝三管,即在葡萄主根兩側(cè)30 cm處各放置1條滴灌帶,在主根部位放置1條滴灌帶,滴頭流量3.2 L/h,滴頭間距30 cm,灌溉定額9 150 m3/hm2.試驗共設(shè)3個彌霧微噴時長調(diào)控處理,各微噴灌水技術(shù)處理均在常規(guī)滴灌的基礎(chǔ)上通過與微噴疊加,組成微噴彌霧調(diào)控灌水技術(shù)處理.3個處理分別為微噴1 h/d(WP1),2 h/d(WP2),3 h/d(WP3),對照處理(CK)采用常規(guī)滴灌,不微噴,共計4個處理,每個處理設(shè)置2個重復(fù),每個試驗小區(qū)面積約0.03 hm2.微噴彌霧灌溉裝置采用噴射直徑200 cm,流量40 L/h,噴頭間距2 m,噴頭位置為藤架下50 cm處.微噴在葡萄果粒膨大初期(5月29日—7月4日)12:00開啟.

        1.3 指標(biāo)測定

        1.3.1 光合數(shù)據(jù)測定

        在葡萄樹果粒發(fā)育期內(nèi)選擇3個典型晴天,在葡萄藤頂、藤中和藤底位置各選擇1片樹葉.從早上8:00到晚上20:00使用便攜式光合測定系統(tǒng)CIRAS-3(PP SYSTEMS, USA)每間隔2 h測定被選定樣樹葉片的光合數(shù)據(jù),1 d共計測定7組數(shù)據(jù),同一時間測定3片樹葉光合數(shù)據(jù)的平均值作為此時刻光合數(shù)據(jù).在果粒膨大期選取7個晴天日,在12:30測定葉片光合數(shù)據(jù),將7 d光合數(shù)據(jù)求均值得到果粒膨大期的光合數(shù)據(jù).

        1.3.2 果實體積測定

        每個處理分別從葡萄藤頂,藤中和藤底各選擇一串長勢均勻適中的果穗,共計3穗,在選中的果穗的上部,中部和下部各選擇1粒體積適中的果粒,1個處理共計9粒果粒,從6月28日至8月14日期間,每間隔7 d左右,使用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量果粒的縱徑和橫徑,將9粒果??v徑和橫徑求均值,得到這一處理的葡萄果??v徑和橫徑.由果??v徑和橫徑計算果粒體積,計算公式為

        (1)

        式中:V為葡萄果粒體積,cm3;π取值3.14;b為果粒橫直徑,cm;c為果??v直徑,cm.

        在數(shù)學(xué)方法上對函數(shù)進行求導(dǎo)可得該函數(shù)每一點的斜率(增長速率),基于此理論,對各處理的果粒體積與日序的擬合方程進行求導(dǎo),得到對應(yīng)處理體積增長速率(潛力),函數(shù)求導(dǎo)方程為

        V=F(x),

        (2)

        a=V′=F′(x),

        (3)

        式中:V為果粒體積,cm3;x為日序,d;F(x)為果粒體積與日序的擬合方程;a為果粒體積增長速率,cm3/d,為符合果粒體積發(fā)育規(guī)律,當(dāng)a為負(fù)值時,將a修正為0;V′為V的導(dǎo)數(shù);F′(x)為F(x)的導(dǎo)數(shù).

        1.3.3 產(chǎn)量測定

        在收獲葡萄時,在同一個處理隨機摘取20穂完整的果穗進行稱重,求均值得到單穗質(zhì)量,同時統(tǒng)計每個處理果穗數(shù),總產(chǎn)量由平均單穗質(zhì)量乘以穂數(shù)(果實腐爛和果實完整總穗數(shù))計算得出.

        1.3.4 果粒品質(zhì)測定

        每個處理隨機選取3串健康無病蟲害的果穗,使用手持式折光儀測定可溶性固形物含量;采用 NaOH滴定法測定可滴定酸含量,以酒石酸含量計;采用鉬藍(lán)比色法測定維生素C含量;葡萄果皮總酚采用福林—肖卡法測定,結(jié)果用沒食子酸表示;單寧采用福林—丹尼斯法測定.從每個處理3串果穗選取3粒果粒,使用手持式糖度計測定每個果粒糖度,每個處理的9粒果粒糖度的均值為該處理的糖度.從每個處理中隨機取9粒果粒,使用手持式硬度計與拉力計測定果粒硬度與果柄拉力.

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,計算及繪圖.

        2 結(jié)果與分析

        2.1 果粒膨大期葡萄葉片光合日變化

        將葡萄果粒發(fā)育期內(nèi)3個典型晴天的同一時刻光合數(shù)據(jù)求均值,得到光合數(shù)據(jù)日變化,結(jié)果如圖1所示.分析不同微噴時長對葡萄葉片細(xì)胞間CO2濃度ρCO2的影響,結(jié)果如圖1a所示,處理WP1,WP2,WP3與CK葉片胞間CO2濃度日變化規(guī)律基本一致,均呈現(xiàn)先減小后增大變化特征,其中葉片胞間CO2濃度在14:00達到最小值.不同處理葡萄葉片蒸騰速率Tr結(jié)果如圖1b所示,處理WP1,WP2,WP3與CK的葉片蒸騰速率均呈現(xiàn)“M”型變化規(guī)律,均在14:00出現(xiàn)下降現(xiàn)象,但處理WP1,WP2與WP3蒸騰速率卻明顯高于處理CK,而其他時間段卻低于處理CK,原因可能為處理WP1,WP2與WP3在12:00時進行微噴,使得葡萄藤架下土壤濕潤,降低了藤下空氣溫度,導(dǎo)致處理WP1,WP2和WP3的葡萄葉片的氣孔導(dǎo)度關(guān)閉程度小于CK.而其他時間段處理WP1,WP2和WP3藤架下空氣濕度高于CK,使水汽壓差相比處理CK較小,間接抑制了葉片蒸騰作用.

        不同處理葡萄葉片的凈光合速率變化規(guī)律如圖1c所示,處理WP1,WP2,WP3與CK的凈光合速率均呈現(xiàn)“M”型變化規(guī)律,且處理WP1,WP2與WP3的凈光合速率Pn高于CK.處理WP1,WP2,WP3,CK的凈光合速率均在14:00有所下降,分別為19.09,16.01,16.42與14.23 μmol/(m2·s),分別為12:00時凈光合速率均值的87%,81%,86%與81%,各處理中WP1凈光合速率下降程度最低,說明處理WP1對抑制葉片“午休”效果最好,且對凈光合速率的提升更加明顯.分析不同處理葡萄葉片氣孔導(dǎo)度Gs,結(jié)果如圖1d所示,處理WP1,WP2,WP3與CK的葉片氣孔導(dǎo)度在8:00—12:00均呈現(xiàn)上升變化規(guī)律,在12:00—14:00呈現(xiàn)下降變化,說明處理WP1,WP2與WP3不能消除葉片“午休”,在14:00時,處理WP1,WP2與WP3的氣孔導(dǎo)度大于CK,說明微噴處理對葡萄葉片的氣孔導(dǎo)度關(guān)閉程度具有一定抑制作用.14:00—20:00間4個處理處于下降變化,在此時間段,CK處理曲線與處理WP1,WP2和WP3曲線相交,說明微噴措施具有一定的時效性.

        圖1 不同處理葡萄葉片光合特性日變化Fig.1 Diurnal variation of photosynthetic characteristics of grape leaves in four treatments

        2.2 果粒膨大期葡萄葉片光合特性變化規(guī)律

        在果粒膨大期選取7個晴天日,在12:30測定葉片光合數(shù)據(jù),將7 d光合數(shù)據(jù)求均值得到果粒膨大期的光合數(shù)據(jù),結(jié)果如表1所示.

        表1 果粒發(fā)育期不同處理葡萄的光合特性Tab.1 Photosynthetic characteristics of grape in four treatments during fruit development

        處理WP1,WP2,WP3和CK之間的葡萄葉片細(xì)胞間CO2濃度呈現(xiàn)大小依次為CK,WP3,WP2,WP1.而在凈光合速率方面,處理WP1,WP2及WP3比CK提升8.38%,6.65%和3.86%;處理WP1,WP2及WP3的蒸騰速率均為處理CK的97%;在氣孔導(dǎo)度方面,處理WP1,WP2及WP3也均大于CK處理,原因可能是微噴處理相比CK處理的空氣相對濕度較高,抑制了氣孔導(dǎo)度的關(guān)閉程度,但減小了冠層內(nèi)空氣飽和水汽壓差,間接抑制了葉片的蒸騰.從結(jié)果可以看出,每日微噴可以提升葡萄果粒發(fā)育期的凈光合速率,且微噴處理中處理WP1的凈光合速率最大,因此處理WP1在光合特性方面最優(yōu).

        2.3 微噴時長對果粒體積及果粒增長速率的影響

        試驗于2018年6月28日—8月14日對葡萄果粒體積進行測定,為擬合葡萄果粒發(fā)育規(guī)律回歸方程,文中將日期改為日序,即規(guī)定果粒發(fā)育期第1天(5月28日)為日序第1天,以此類推.不同處理葡萄果粒體積變化規(guī)律和擬合方程結(jié)果如圖2.

        圖2 不同處理葡萄果粒體積變化規(guī)律Fig.2 Variation of grape fruit grain volume in four treatments

        處理WP1,WP2,WP3和CK在第78天(8月14日)體積分別為3.25,3.05,2.98和3.00 cm3,處理WP1,WP2與WP3果粒體積分別為處理CK果粒體積1.08,1.02與0.99倍,處理WP1與WP2對果粒體積發(fā)育具有促進作用,處理WP3對果粒體積發(fā)育有一定的抑制作用.對處理WP1,WP2,WP3以及CK的果粒體積增長規(guī)律與日序分別進行擬合,4個處理的擬合方程的R2分別為0.984 2,0.978 1,0.982 6和0.977 9,各處理的擬合方程的擬合度較高,說明各處理的擬合方程均能模擬各處理果粒體積發(fā)育規(guī)律.

        對各處理果粒體積發(fā)育擬合方程進行求導(dǎo),得到各處理果粒體積增長速率a,結(jié)果如表2,各處理的果粒體積增長速率方程F′(x)為開口向下的二次函數(shù),存在最大值,計算各處理的果粒體積最大增長速率及對應(yīng)日序,結(jié)果發(fā)現(xiàn)各處理最大增長速率均在7月15日(日序為第48天),在數(shù)值保留2位小數(shù)的前提下,各處理最大增長速率與7月16日的增長速率相同.各處理中,處理WP1在各時間段的增長速率最大,各處理增長速率大小依次為WP1,WP2,WP3,CK,說明微噴處理能提升果粒體積增長速率與成熟果粒體積,同時處理WP1與WP2可以延長果粒發(fā)育周期,微噴處理中以WP1為最優(yōu).

        表2 不同處理葡萄果實體積增長速率Tab.2 Growth rate of grape fruit grain volume in four treatments

        2.4 微噴時長對葡萄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

        在果實成熟期收獲時,對葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)進行測定,結(jié)果由表3可知,各處理產(chǎn)量(Y)由大到小依次為WP1,WP2,CK,WP3,相比處理CK,WP1,WP2及WP3的產(chǎn)量提升6.52%,1.89%和-6.04%.在含糖量方面,處理WP1的葡萄含糖量(S)最高,WP2次之,CK為最低.葡萄果粒硬度(H)和果柄拉力(F)可以反映葡萄的耐儲存性,硬度和果柄拉力越大,葡萄可儲存時間越長.處理WP1,WP2與WP3的硬度和果柄拉力均大于CK處理,說明微噴措施可以提高葡萄的耐儲存性,耐存儲性時長順序由大到小依次為WP1,WP2,WP3,CK.處理WP1,WP2與WP3在可溶性固形物(SS),VC含量,總酸(TA),多酚(P)和單寧含量(T)方面均高于CK,其中處理WP1提升值最高,相比CK分別提高1.91%,0.06 mg/100g,0.23%,0.45 mg/g和0.07 mg/g,因此從直觀角度判斷處理WP1為最優(yōu).但處理WP1的果??偹岷枯^高會影響果實的口感,從而降低果實品質(zhì),此外WP1的果實硬度也并非最大,其耐儲存時長也會低于WP2,此時直觀判斷的處理WP1并不一定為最優(yōu),因此可采用熵值法對各處理品質(zhì)進行打分,從客觀角度篩選更優(yōu)處理.

        表3 不同處理葡萄產(chǎn)量及品質(zhì)的對比分析Tab.3 Comparative analysis of grape yield and quality in four treatments

        采用熵值法對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行量綱一化轉(zhuǎn)換,其中總酸為負(fù)向指標(biāo),即總酸數(shù)值越大,葡萄口味越差,因此設(shè)定總酸修正為正向指標(biāo),將總酸數(shù)值改為(1-總酸數(shù)值),然后將其進行量綱一化轉(zhuǎn)換,不同處理葡萄品質(zhì)數(shù)據(jù)最終得分的結(jié)果如表4.

        表4 不同處理葡萄品質(zhì)數(shù)據(jù)量綱一化預(yù)處理及各處理最終得分Tab.4 Dimensionless pretreatment of grape quality data in four treatments and final score of each treatment

        糖度、硬度果柄拉力、可溶性固形物、VC含量等指標(biāo)差異性較小,因此以上這些指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)相對較小,而總酸,多酚含量,單寧含量各處理之間的差異性較大,因此這些指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)差別較大,由權(quán)重系數(shù)與量綱一的數(shù)據(jù)計算,得到處理WP1,WP2,WP3及CK得分分別為0.274 9,0.273 0,0.218 8和0.233 3, 處理WP1得分最高,基本相等,說明微噴1 h/d有利于提高葡萄品質(zhì),處理WP3得分低于CK,說明微噴3 h/d會降低葡萄品質(zhì).

        3 討 論

        研究發(fā)現(xiàn)對照處理的凈光合速率在14:00時會有所下降,即出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象,但微噴處理凈光合速率與氣孔導(dǎo)度下降趨勢較緩,原因為每日在12:00進行微噴措施可以降溫增濕,前人研究認(rèn)為空氣濕度是氣孔導(dǎo)度的主要調(diào)控途徑[7],說明微噴處理可以緩解葡萄“午休”現(xiàn)象,但處理WP3的凈光合速率卻低于處理WP1與WP2,這也說明較高的濕度會抑制葡萄的光合特性,這與朱雨晴等[8]研究結(jié)論一致.由試驗結(jié)果判斷處理WP1在光合特性為最優(yōu),這與劉洪波等[9]研究葉綠素結(jié)論基本一致.

        研究擬合不同處理下日序與葡萄果粒體積回歸方程,擬合程度較高,但處理WP1與WP2的擬合方程在8月6日之后函數(shù)出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象,而處理WP3與CK處的擬合方程在8月3日之后函數(shù)出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象,即果粒體積出現(xiàn)變小現(xiàn)象,果粒體積增長速率的負(fù)增長不符合果粒體積發(fā)育的客觀規(guī)律,但根據(jù)果粒體積增長規(guī)律的客觀數(shù)據(jù)分析,葡萄果粒體積在8月份基本不再變化,因此擬合方程可以描述果粒體積發(fā)育規(guī)律,但需要將負(fù)值修正為0,即認(rèn)為出現(xiàn)負(fù)值的階段為果粒不再發(fā)育時期.根據(jù)熵值法綜合評價結(jié)果,處理WP1品質(zhì)最優(yōu),即微噴1 h/d對果實品質(zhì)提升效果最優(yōu),這與張衡等[5]研究結(jié)論基本一致.

        4 結(jié) 論

        1) 微噴處理可以提高葡萄葉片凈光合速率,減緩葉片“午休”現(xiàn)象.在日變化尺度及果粒膨大期尺度,微噴處理中WP1凈光合速率提高和胞間CO2濃度降低效果最為明顯,且微噴時長較短,可以有效節(jié)約水資源.

        2) 各處理果粒體積增長速率最快日期為7月15日,處理WP1,WP2,WP3及CK最大增長速率分別為0.074,0.064,0.064及0.063 cm3/d.各處理增長速率由大到小依次為WP1,WP2,WP3,CK.微噴處理可以提高果粒增長速率,且處理WP1為最優(yōu).

        3) 在各處理中,處理WP1,WP2及WP3相比CK的產(chǎn)量提升6.52%,1.89%和-6.04%.微噴3 h/d會相應(yīng)降低葡萄產(chǎn)量,而微噴1 h/d對產(chǎn)量提高較為明顯,但在品質(zhì)方面,處理WP1在硬度方面低于WP2,總酸含量高于其他3個處理,使用熵值法對各處理進行評價,處理WP1為最優(yōu).

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