楊昌鈺，張芮，高彥婷，張小艷，王引弟，趙霞，藺寶軍

甘肅農業(yè)大學水利水電工程學院，蘭州 730070

0 前言

溫室栽培葡萄通過日光溫室的春季避光和冬季增溫調控，增強土壤的蓄熱、保溫、保濕能力，改善土壤的理化性質，提高土壤的質量和生產力。溫室內空氣溫度和土壤溫度是影響作物生長發(fā)育的重要因子[1]，在土壤水鹽運移[2]、碳源代謝[3-4]、氮素轉化[5-6]、農田溫室氣體排放[7]、土壤酶活性以及微生物[8-9]等方面具有重要意義。土壤溫度是土壤熱狀況的綜合表征指標，不同的灌水量能改變溫室作物土壤溫、濕度和物理、化學及生物學性狀，進而直接或間接的影響植株的生長發(fā)育，最終影響葡萄的產量和品質；灌溉水溫度也在一定程度上影響著灌溉后的土壤溫度，對植物根系水分、營養(yǎng)吸收有重要影響[10]。在控制灌溉條件下，土壤通氣性與地溫都有所提高[11]，而地溫的高低變化對近地面氣溫、植物根系的生長發(fā)育、微生物的繁殖及其活動強度均有很大的影響[12-13]。塔娜[14]等研究表明溫室內通過降低土壤含水率能夠有效提高土壤平均溫度。還有研究表明:15 cm土層以上的土壤溫度變化比較活躍，30 cm土層以下的土壤溫度趨于穩(wěn)定，受外界環(huán)境變化的影響很小[15]。而土壤地溫與灌水量密切相關，當灌水量一定時，土層越淺地溫影響程度越大；灌水量不同時，土壤地溫和灌水量呈負相關；同一土層深度地溫變化趨勢基本相同[16]。

糖分是調節(jié)植株代謝工程和基因表達的信號因子，對果實品質起決定性因素。葡萄果實成熟過程中伴隨著大量可溶性糖的轉化、合成與分解，糖分積累主要由轉化酶 (Inv)、蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)這三種酶相互協(xié)同調控。大量研究發(fā)現(xiàn)，植物生長發(fā)育某些階段施加一定的水分脅迫，有利于植株的生殖生長、果實糖分的積累，提高果實品質和產量并且大幅度提高水分利用效率。杜太生、林華[17-18]等人在葡萄滴灌試驗中得出，當節(jié)水效率為 30%時能提高 17%的產量以及 1.9%的含糖量。此外，葡萄果實著色成熟期輕度水分脅迫可使總糖含量提高 22.4%[19]，著色成熟期進行中度脅迫，其還原糖含量比生育期正常供水處理高 6.56%，且有效抑制可滴定酸含量的積累[20]。同時，水分脅迫還會提高轉化酶、SS、SPS的活性[21-22]，從而提高糖含量的積累速率，達到果實的充分發(fā)育和優(yōu)質優(yōu)產。目前的研究多集中在整個發(fā)育期(或某一特定生長階段)水分脅迫對糖分含量的影響，而對糖分積累狀況關注較少，極少見到各生育期條件對葡萄糖分積累及糖相關代謝酶活性影響的研究報告。因此，本試驗基于前人的研究，以5年栽的‘紅地球’為材料，研究了不同時期水分調控對溫室滴灌葡萄土壤溫度及糖分積累的影響，為進一步了解葡萄水分脅迫的生理代謝機制，完善葡萄的水分調控模式和加強葡萄栽培管理奠定了一定的實踐基礎及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年5月—2019年1月在甘肅省蘭州市永登縣設施葡萄栽培試驗基地內完成，土壤是容重為1.41 g·cm-3的壤土，田間持水量(θV)為27.2%，土壤全氮為 0.83 g·kg-1，堿解氮為 36.85 mg·kg-1，硝態(tài)氮為 80.67 mg·kg-1，銨態(tài)氮為 14.65 mg·kg-1，供試品種為2014年定植的“紅地球”。試驗區(qū)位于東經(jīng) 102o38′，北緯 36o12′，海拔高程為 2005 m，平均氣溫為5.9 ℃，年平均降水量為290 mm，蒸發(fā)量約為 4500 mm，年日照時數(shù)為 2659 h，平均無霜期為121 d，屬典型的冷涼型半干旱大陸季風氣候。

圖1 溫室葡萄各月份室溫及平均濕度(采用型號為 Watch Dog 2000 Series溫濕度自動記錄儀)Figure 1 Greenhouse grapes at room temperature and average humidity in each month

1.2 試驗設計

供試材料采用5年樹齡的歐亞葡萄品種“紅地球”，葡萄的架勢為矮單籬架，樹形為單臂 Y 型。葡萄栽培設施為6 m×80 m的土墻草簾塑料溫室大棚，行距2.0 m，株距0.8 m。該試驗采用水分單因素脅迫隨機試驗，將試驗對象劃分為新梢生長期(5月25日—6月 22日)，開花期(6月 23日—7月15日)，果實膨大期(7月16日—9月14日)，著色成熟期(9月14日—12月8日)四個時期，參考已有文獻和前幾年該試驗點研究資料[23-24]，并結合當?shù)卦O施栽培葡萄耗水和灌溉經(jīng)驗，在每個生育期依次設置一個干旱脅迫水平(土壤含水率下限為田間持水率θf55%的水分脅迫水平)，共4個干旱脅迫處理；試驗均以全生育期土壤含水率下限為θf75%為對照，重復3次。

試驗采用 1管 1行控制模式的滴灌灌溉形式，滴頭流量q=3 L·h-1，計劃濕潤層深度為 100 cm，濕潤比 0.5。當實測土壤含水率降低至下限值時灌水，灌水定額為270 m3·hm-2，用每個小區(qū)安裝的閥門和水表控制灌水，灌水后充分供水處理土壤含水率達到 100%FC，重度脅迫達到 80%FC。灌水量和灌水時間由土壤含水率確定，用水表量取。為防止小區(qū)之間土壤水橫向擴散，在小區(qū)邊界垂直鋪設厚度為2 mm的聚乙烯土工膜，鋪設深度100 cm。所有小區(qū)施肥、修剪等農藝措施均相同。

1.3 測試指標及方法

1.3.1 樣品采集

葡萄果實分別于8月1日、8月22日、9月24日、10月25日進行取樣，在每處理小區(qū)東西兩側選擇長勢相近、具代表性的葡萄3—4株，每株選取1穗葡萄，每穗上、中、下部隨機選取1粒果實，共計20粒，混勻并迅速帶回實驗室，貯存于-80 ℃待用。

1.3.2 土壤含水率測定

土壤含水率用烘干法測定，每個試驗小區(qū)取離根橫向距離20—30 cm、縱深分別為10、20、40、60、80、100 cm 處取樣，雨前和雨后加測，采用(型號: DHG-9036A)烘箱，105 ℃下烘8小時。

1.3.3 溫度的測定

地溫測定: 地溫計布設在每個小區(qū)離根 20 cm處，測量深度依次為5、10、15、20、25 cm。自 2018年5月25葡萄新梢生長期開始進行地溫讀數(shù)，至12月10日葡萄著色成熟期結束為止，地溫讀數(shù)每隔2小時讀數(shù)一次，分別為早晨8: 00、10: 00、中午12: 00下午14: 00、16: 00、18: 00。

室溫與濕度的測定: 在距地面1.5 m高度，架設(型號: WatchDog 2000 Series)溫濕度自動記錄儀，溫度測量范圍為-32—100 ℃，精度±0.5 ℃，相對濕度測量范圍為 10%—100%(5-50 ℃時)，精度±3%，每0.5 h記錄1次氣溫和濕度。

各月份平均土壤溫度等于該月每天所測時間點平均土壤溫度(5個土層土壤溫度取平均值)的平均值的和。

表1 不同處理的土壤含水率下限(占田間持水率的百分數(shù)%)Table 1 Lower limit of soil moisture content of different treatments (percentage of field water holding rate)

積溫: 單生育期平均積溫為該生育期內每天所測時間點平均土壤溫度(5個土層土壤溫度取平均值)的平均值的和；全生育期積溫為新梢生長期-著色成熟期4個生育期平均積溫的和。

1.3.4 葡萄品質的測定

(1) 蔗糖、果糖、葡萄糖采用高效液相色譜法測定。

(2) SS(蔗糖合成酶)和SPS (蔗糖磷酸合成酶)參照 Rufty[25]等方法測定，酸性轉化酶(AI)活性和中性轉化酶(NI)活性參照許傳強[26]等的方法測定。

1.3.5 葡萄產量及生長指標的測定

葡萄成熟時，將小區(qū)所有植株的葡萄果穗全部現(xiàn)場收獲測產，用感量為0.1 g電子秤稱量葡萄鮮重，之后根據(jù)小區(qū)實際面積換算為標準產量，kg·hm-2。葡萄粒徑用精度為0.01 mm的游標卡尺測定，產量以各處理單獨采收單獨計量。

計算公式為:M=(M1+M2+……+Mn)—(M0×n)式中:M代表每個小區(qū)的產量(kg)；M0代表箱重(kg)，n代表箱子數(shù)量(個)；M1、M2、……、Mn代表每個小區(qū)的封箱重量(kg)；然后測量其每個處理的產量(kg)，換算為標準產量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用 Excel 2007對數(shù)據(jù)進行整理、SPSS18.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析和作圖。對各指標進行單因素方差分析 (One-way AVONA) ，多重比較采用最小顯著差異法 (LSD)，顯著水平設定為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同時期水分調控對溫室滴灌葡萄土壤溫度的影響

2.1.1 水分脅迫對月平均土壤溫度的影響

各處理2018年5月25日-12月10日在平均土層(5—25 cm)處全天平均氣溫變化如圖2所示，此時段內土壤溫度總體動態(tài)變化呈先上升后下降趨勢，6月份PS處理土壤溫度最高，為17.41 ℃，CS處理最低，與 CK 均無顯著性差異(P＜0.05)；7、8 月份起多陰雨天氣，葡萄葉片生長繁茂，葉面積指數(shù)大，大部分覆蓋根區(qū)地面，根區(qū)地面土壤對太陽輻射的吸收能力減弱，致使此階段地溫逐漸下降，并且各處理間無顯著性(P＜0.05)差異；9月份開始扣塑料大棚(頂部和底部各留有 50 cm 寬的通風處)以延長葡萄漿果成熟期，此時段 FS處理土壤溫度顯著(P＜0.05)低于CK處理，而10月起全封，此階段地溫基本呈平緩變化，分別為10 ℃左右，各處理間均無顯著性變化(P＜0.05)，12 月份 FS 顯著(P＜0.05)高于ES，但與 CK 無顯著性差異(P＜0.05)。

圖2 2018年不同生育期水分脅迫下月平均土壤溫度變化Figure 2 Monthly mean soil temperature changes under water stress at different growth stages in 2018

2.1.2 水分脅迫對不同土層平均積溫的影響

水分脅迫對不同土層平均積溫的影響如圖3所示，新梢生長期PS處理土壤積溫最高，F(xiàn)S次之，顯著(P＜0.05)高于其他處理，依次比CK處理高10.9%、4.0%；進入開花期，PS、FS處理土壤積溫分別為350.95 ℃、351.53 ℃，仍顯著(P＜0.05)高于其他處理，CK處理積溫為331.92 ℃，較ES、CS高1.8%、2.7%；果實膨大期時，此時的PS處理積溫仍為最大值 1213.77 ℃，F(xiàn)S次之，兩處理間不存在顯著性差異(P＜0.05)，但顯著(P＜0.05)高于其他處理，CS 處理土壤積溫最小，為1148.04 ℃，相比CK低1.9%，與ES 間無顯著性差異(P＜0.05)。到漿果成熟期，PS、FS、ES處理的土壤積溫不存在顯著性差異，但顯著高于CK處理，依次高2.9%、2.6%、3.5%。綜合全生育期的積溫可以看出，PS為最大值3140.95 ℃，顯著(P＜0.05)比其他處理高4.7%、1.4%、4.4%、5.3%，而其他各處理均無顯著性差異 (P＜0.05)。

圖3 不同生育期水分脅迫下土壤平均累積溫度的變化Figure 3 Changes in average soil cumulative temperature under water stress at different growth stages

2.2 不同時期水分脅迫對溫室滴灌葡萄糖分積累的影響

不同生育期水分調控下葡萄果實中糖分含量的變化情況如表 2所示，生育期內三種糖分積累均呈緩慢增大趨勢。8月1日(果實膨大前期)，各處理間蔗糖含量不存在顯著性差異(P＜0.05)，到 8月 24日(果實膨大后期)，各處理蔗糖含量差異逐漸顯現(xiàn)，此時 ES 處理蔗糖含量僅 0.31 mg·g-1，顯著(P＜0.05)低于其余處理，較CK低9.7%，9月22日(著色成熟前期)，各處理間蔗糖含量仍不存在顯著性差異(P＜0.05)，10月25日(著色成熟后期)，CS處理蔗糖含量達 0.59 mg·g-1，顯著(P＜0.05)高于其余各處理，較CK 高 25.5%，其余處理間無顯著性差異(P＜0.05)；8月1日FS處理的果糖含量(0.95 mg·g-1)最高，PS處理(0.92 mg·g-1)次之，顯著(P＜0.05)高于其余處理，較CK依次高20.3%、16.5%，8月24日和9月22日，ES處理均顯著(P＜0.05)低于其余各處理，較CK依次低6.3%、5.1%，其余各處理間無顯著性差異(P＜0.05)，10 月 25 日，CS 處理果糖含量最高，為 8.08 mg·g-1，較 CK 高 7.6%，但兩者之間不存在顯著性差異(P＜0.05)，ES 依舊最低，僅為 6.70 mg·g-1；ES 處理的葡萄糖含量在四個時間段均最低，8月1日較CK顯著(P＜0.05)低 28%，其余時間段均無顯著性差異(P＜0.05)，10月25日，CS處理葡萄糖含量明顯高于其余處理，但與 CK 間不存在顯著性差異(P＜0.05)，其含量達 8.41 mg·g-1，較其他處理依次高 13.3%、17.5%、5.0%、18.8%。總糖是評價葡萄果實品質，決定其風味的關鍵因素之一，其含量隨著時間推移含量逐漸積累，但各處理間積累規(guī)律不盡相同，ES處理的總糖含量在四個生育期內均最低，8月24日、9月 22日顯著(P＜0.05)低于 CK，較對照依次低17.6%、8.3%，8月1日、8月24日、9月22日FS處理總糖均最大，分別為 2.43 mg·g-1、12.40 mg·g-1、13.06 mg·g-1，10 月 25 日 CS 處理顯著(P＜0.05)高于其余各處理，依次高10.9%、12.6%、9.1%、20.1%。說明果實膨大期虧水抑制葡萄蔗糖、果糖、葡萄糖積累，但復水后由于復水補償效應能夠恢復增長，著色成熟期虧水均能夠顯著提升蔗糖果糖、葡萄糖含量積累。

表2 不同生育期水分脅迫對葡萄果實糖分含量的影響(mg·g-1)Table 2 Effect of water stress at different growth stages on sugar content of grape fruit.

2.3 水分脅迫對不同時期葡萄果實內糖相關代謝酶活性的影響

表3反映了從果實膨大前期至著色成熟后期水分脅迫對葡萄果實生長過程中糖相關代謝酶活性的影響，果實發(fā)育過程中，中性轉化酶(NI)呈先上升后下降趨勢，8月1日FS顯著(P＜0.05)較CK高36.6%，而著色成熟期各處理間均無顯著性差異(P＜0.05)。8月1日ES處理酸性轉化酶(AI)顯著(P＜0.05)低于其他處理，但與CK間無顯著性差異(P＜0.05)；8月24日，F(xiàn)S 達最大值 93.35 mg (g·h·FW)-1，顯著高于 CS處理(P＜0.05)，但 CS 處理并非最小值，與 CK、PS、ES 間都不存在顯著性(P＜0.05)；到 9 月 22 日，此時PS 最小，ES 處理最高，顯著(P＜0.05)高于其他處理，依次高8.1%、26%、11.9%、15.7%；到10月25日，CS最小，顯著(P＜0.05)低于ES和CK處理。蔗糖磷酸合成酶(SPS)在8月1日和9月22日各處理間均無顯著性差異(P＜0.05)；8月24日，CS處理SPS達到最大值 1.83 mg·(g·h·FW)-1，顯著(P＜0.05)高于 FS 與對照處理，依次高 31.7%、52.5%；到 10 月 25 日，CS為最大值 2.95 mg·(g·h·FW)-1，顯著(P＜0.05)高于其他處理。蔗糖合成酶(SS)在8月1日各處理間無顯著性差異；8月24日和9月 22日 ES最小且顯著(P＜0.05)低于他處理，分別較CK 低43.8%、11.9%；到10月25日，此時CS處理為最大值31.43 mg·(g·h·FW)-1，PS為最小值 24.54 mg·(g·h·FW)-1，CS 顯著高于 FS(P＜0.05)，但 CS、FS 與 CK 無顯著性差異(P＜0.05)。

2.4 不同生育期水分脅迫對葡萄產量的影響

表4反映不同生育期水分脅迫對葡萄產量的影響，PS 處理產量最高，為 26038.89 kg·hm-2，CS 次之，均顯著(P＜0.05)高于 CK，但二者之間不存在顯著性(p＜0.05)差異，ES 減產 9.7%；單個處理穗數(shù) CS、PS均顯著(P＜0.05)高于 CK，依次高 13.9%、10.9%，其他處理間不存在顯著性差異(P＜0.05)；單穗粒數(shù) PS處理最高，達到 98.33 顆，顯著(P＜0.05)高于 CK 處理，而其他處理間均無顯著性差異；單粒重各處理依次為 8.9、10.29、9.96、8.03、10.02 g，PS、CS 處理顯著(p＜0.05)高于 CK，ES 顯著(p＜0.05)低于 CK。

2.5 基于通徑分析的葡萄總糖含量影響因素

通徑分析表明，積溫和AI對總糖含量直接和間接作用很小，可忽略不計，剩余4個自變量中，AI負直接作用最大，通徑系數(shù)為-0.744，SS直接作用次之，SPS直接作用最??；通過分析各間接通徑系數(shù)發(fā)現(xiàn)，灌溉定額通過 NI、AI、SS對總糖均起負間接作用，合計達-0.535，且由于直接作用較小為 0.277，使得二者的簡單相關系數(shù)為-0.338，說明減少灌溉定額(即適當水分脅迫)有利于糖分積累，此外，NI通過灌溉定額對總糖起一定負間接作用，但它通過AI、SS的間接作用較大，因此 NI與總糖的簡單相關系數(shù)達0.857，同理，雖然SS通過AI對總糖產生一定的負間接作用，但是由于SS對總糖直接作用較大(通徑系數(shù)達0.658)因此與總糖的簡單相關系數(shù)的達0.549，說明NI和SS活性對葡萄總糖含量積累有一定積極作用；相反，AI通過灌溉定額、NI、SS對總糖的間接作用較小，對總糖含量影響不大，合計為-0.01，可不必考慮其間接作用，但它對總糖的負直接作用顯著，說明AI對總糖含量積累有抑制作用。

表3 不同生育期水分脅迫對葡萄果實內糖相關代謝酶活性的影響 (mg·(g·h·FW)-1)Table 3 Effect of water stress at different growth stages on sugar-related metabolic enzyme activities in grape fruit

表4 不同生育期水分脅迫對葡萄產量的影響Table 4 Effects of water stress at different growth stages on grape yield

表5 相關系數(shù)及檢驗輸出結果Table 5 correlation coefficient and test output

表6 回歸系數(shù)輸出結果Table 6 Output results of regression coefficient.

表7 簡單相關系數(shù)分解結果Table 7 Results of simple correlation coefficient decomposition

3 討論

本試驗通過研究不同時期水分調控對溫室滴灌葡萄土壤溫度的影響發(fā)現(xiàn): 各生育期水分脅迫均能提高土壤積溫，新梢生長期和開花期對本生育期土壤積溫影響最為明顯，并且該影響具有連續(xù)性和持久性；何釗全[27]等也研究表明土壤含水率與釀酒葡萄地積溫呈負線性相關，與本研究結果相似。

葡萄果實糖分的積累趨勢與糖相關代謝酶不同，蔗糖、果糖、葡萄糖含量從果實膨大期開始逐漸積累，糖相關代謝酶積累趨勢呈現(xiàn)出先增大后減少的變化趨勢，在著色成熟前期達到峰值。果實膨大后期為葡萄生長的關鍵期，此時虧水影響植物正常代謝以及同化物的積累與轉化，從而抑制于蔗糖、葡萄糖、果糖的積累。張芮[28]、何岸镕[29]等人試驗均證明著色成熟期虧水處理下糖分含量積累有明顯優(yōu)勢，本研究發(fā)現(xiàn)著色成熟期水分脅迫蔗糖、果糖、葡萄糖含量顯著高于其余處理，研究結果與其相似。NI、SPS、AI、SS作為糖分代謝的關鍵，對糖分積累起決定性作用，本試驗發(fā)現(xiàn)，NI活性在果實發(fā)育過程中呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，果實膨大期虧水不利于NI的提高，這與趙建華[30]對枸杞進行水分脅迫研究結果相似。葡萄果實NI持續(xù)增加，著色成熟前期達到峰值，隨后，AI含量逐漸下降，著色成熟期水分脅迫會抑制AI活性，與齊紅巖[31]等人研究結果-水分脅迫降低了成熟期轉化酶的活性相相似。果實膨大期和著色成熟期水分脅迫均會促進SPS活性，徐迎春[32]等人研究表明，蘋果果實在水分脅迫作用下，果實中SPS活性高于對照，有利于SPS活性的提高，這與本研究結論相似；但張萍[33]等人在枸杞果實虧水灌溉研究中表明，隨著水分脅迫的減少，SPS顯下降趨勢；這可能源于水分脅迫程度、持續(xù)時間、虧水生育期不同。SS含量在果實膨大前期相對較高，膨大后期SS活性降低，進入著色成熟期，SS含量呈上升趨勢；果實膨大期水分脅迫抑制 SS活性，而著色成熟期促進SS活性。

本試驗研究發(fā)現(xiàn)新梢生長期和著色成熟期虧水處理葡萄產量分別提高44.6%、42.5%，而果實膨大期水分脅迫處理產量降低9.7%。何岸镕[29]等研究表明，著色成熟期輕度水分虧缺可增產 7.20%，紀學偉[34]等對釀造葡萄調虧灌溉研究表明，釀酒葡萄果實膨大期虧水比對照處理減產 28.7%；而 Ojeda[35]等也證實水分虧缺會影響果實開花期至著色成熟期葡萄果皮細胞的擴大進而導致果粒直徑減小。均與本試驗研究結果相似。

通徑分析表明，SS對總糖含量積累的直接作用最大，AI負直接作用最大；灌溉定額通過NI、AI、SS對總糖含量負間接作用最大，且灌溉定額對總糖也產生一定負直接作用，說明減少灌溉定額(即適當水分脅迫)對葡萄總糖含量積累產生直接積極作用，且適當水分脅迫還可以通過調控 NI、AI、SS活性促進總糖含量積累。

基于本試驗研究成果，建議當?shù)卦O施栽培葡萄在其著色成熟期進行水分脅迫以達到節(jié)水和促進糖分積累的作用，其水分調控模式為土壤水為田間持水率的55%-80%，灌水定額為270 m3·hm-2。