付詩寧,魏新光,鄭思宇,吳琳琳,李 波,王鐵良
(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,沈陽 110866)
葡萄作為世界最古老的果樹樹種之一,其種植范圍約95%集中分布在北半球,葡萄不僅味美可口,而且營養(yǎng)價值很高[1]。中國是世界主要葡萄生產(chǎn)國之一,其中鮮食葡萄的年產(chǎn)值約800 萬t,居世界首位[2]。中國的東北地區(qū)四季分明,晝夜溫差大,其獨特的氣候條件為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)葡萄提供了所必需的日照和溫度條件[3]。然而在葡萄生長季節(jié),由于該地區(qū)降水分布不均,霜凍、冰雹等災(zāi)害性天氣較為頻繁[4],嚴(yán)重制約了中國東北地區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。而設(shè)施種植可以為葡萄生長提供相對穩(wěn)定的生長環(huán)境,有效避免極端天氣對葡萄生長的影響。水和肥料是設(shè)施作物管理中兩個最重要的環(huán)節(jié),在設(shè)施種植條件下水肥管理基本依靠人工進(jìn)行控制,掌握科學(xué)合理的水肥管理對于保障設(shè)施葡萄綠色生產(chǎn)至關(guān)重要。
葡萄生長需要適宜的水分[5-6]。許多學(xué)者研究了適合葡萄生長的灌溉模式,并指出了灌溉對葡萄生長和生理指標(biāo)的影響[7-8]。有研究結(jié)果表明[9],水分虧缺使果樹光合速率略有下降,蒸騰速率顯著降低,但葉片水分利用效率顯著提高,說明果樹可以通過控制氣孔開度來適應(yīng)一定程度的水分脅迫。此外,合理的灌溉措施可以達(dá)到節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的效果[10]。Ma 等[11]研究發(fā)現(xiàn)減少35%的用水量,會使葡萄水分利用效率提高14%~23%,在不影響品質(zhì)的前提下,葡萄產(chǎn)量僅降低15%~18%。Olak 等[12]對地中海鮮食葡萄的研究表明,在灌水量為75%充分灌溉的條件下產(chǎn)量僅比全生育期充分灌溉平均降低9.93%,但水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)最大提高41.82%。Hou等[13]研究發(fā)現(xiàn),葡萄中度虧水(灌溉量750 mm)處理產(chǎn)量和水分利用效率均較高,同時該處理的葡萄品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到優(yōu)良水平。
在一定范圍內(nèi),隨著水肥投入的增加,產(chǎn)量和水肥利用效率也會提高,且水肥兩因素會對于植物生長起到協(xié)同作用[14-15]。鄭睿等[16]以荒漠綠洲區(qū)釀酒葡萄為研究對象,發(fā)現(xiàn)土壤水分虧缺會導(dǎo)致光合特性的下降,且輕度和重度水分虧缺會使葡萄產(chǎn)量降低32.2%~49.9%,而施氮量的增加能消減下降趨勢,即在氮肥充足的情況下,盡管水分不足,葡萄產(chǎn)量并沒有顯著下降。張江輝等[17]以陜北風(fēng)沙地區(qū)的設(shè)施葡萄為研究對象,通過建立灌水量、施肥量與產(chǎn)量、水分利用效率等參數(shù)的函數(shù)模型,獲得適合于該地區(qū)的最佳水肥用量。盡管上述研究已經(jīng)根據(jù)水、肥及水肥耦合對葡萄眾多指標(biāo)的影響進(jìn)行了討論,但是這些研究主要集中在陸地果園或處于中低緯度地區(qū)的溫室環(huán)境,適用于年溫差較小的地區(qū),且水、肥因素對葡萄生長、光合作用、產(chǎn)量、及水肥利用效率等多目標(biāo)優(yōu)化尚未得到統(tǒng)一結(jié)論。
中國東北地區(qū)獨特的氣候條件下,高緯度、高寒地區(qū)溫室水肥一體化與果樹生長發(fā)育以及水肥利用率互作相關(guān)研究還不多見。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,針對中國東北寒區(qū)日光溫室氣候特點,采用雙因素試驗,合理設(shè)置3 個灌水和3 個施肥水平及一組對照試驗,研究滴灌水肥一體化對設(shè)施葡萄生長及生理過程的影響,以及滴灌水肥一體化對設(shè)施葡萄產(chǎn)量和水肥利用效率的調(diào)控機制,以期為溫室葡萄,特別是中國東北冷寒區(qū)溫室葡萄水肥一體化下最優(yōu)灌溉施肥模式的確定提供參考。
試驗于2017-2019 年在位于中國東北地區(qū)的遼寧省沈陽市的沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地內(nèi)展開(123°57′E,42°82′N),該地屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗期間溫室內(nèi)日間平均溫度25.6 ℃,夜間平均溫度16.6 ℃。溫室類型為遼沈Ⅲ型日光節(jié)能溫室,溫室結(jié)構(gòu)為單面采光拋物面式結(jié)構(gòu),棚高4 m,長60 m,寬9 m。棚膜采用PVC 防老化塑料無滴膜,以防雨棉被作為保溫措施,防雨棉被的卷起放下由溫度進(jìn)行自動控制。日間室內(nèi)溫度由一個較為狹窄的可調(diào)節(jié)的通風(fēng)系統(tǒng)控制,棚頂上的通風(fēng)系統(tǒng)最大開口為0.3 m。
試驗以3 年生的葡萄“醉金香”為供試品種,(Vitis vinifera L.cv. Muscat Ham-burg)。該品種品質(zhì)優(yōu)良,具有較強的抗病毒性[18]。種植方式采用“倒L”型葡萄棚架,南北兩側(cè)對稱種植。每年4 月初期進(jìn)行修剪,11 月葡萄正式進(jìn)入休眠期。依照作物的生長性狀將生育期劃分為5個階段:新梢生長期(3 月初—5 月中旬)、開花坐果期(5 月中旬—7 月初)、果實膨大期(7 月初—8 月中旬)、果實成熟期(8 月中旬—9 月中上旬)和落葉期(9 月中上旬—11 月)。
本試驗采用雙因素完全試驗設(shè)計,3 個灌水水平,3個施肥水平,1 個對照處理,共計10 個處理,每個處理3 個重復(fù),共計30 個試驗小區(qū),各小區(qū)面積為4.8 m2(1.2 m×4.0 m)。葡萄樹耐旱性較強,適宜的土壤含水率為50%θf~80%θf(θf為田間持水率,cm3/cm3),因此本試驗設(shè)置輕度(W3)、中度(W2)、重度(W1)3個程度水分脅迫,W1~W3 灌水控制下限分別為50%θf、60%θf、70%θf,灌水上限統(tǒng)一為90%θf,對照處理CK為充分灌溉,灌水控制上下限為80%θf~90%θf,均采用膜下滴灌,試驗選擇0.006 mm 的白色地膜,滴頭流量為2.0 L/h。在試驗小區(qū)內(nèi)埋設(shè)土壤水分探頭(Time Domain Transmissometry,TDT)(Campbell Scientific, Inc., Logan,UT, USA),埋設(shè)深度10~60 cm,對水分、溫度及電導(dǎo)率3 個參數(shù)實時采集,采用烘干法進(jìn)行水分校核,并在每個支管的末端用水表記錄每個地塊的灌溉量。為防止各小區(qū)之間土壤水橫向擴散,在各小區(qū)鋪設(shè)厚度為2 mm的PVC 板進(jìn)行水分隔離,垂埋深為60 cm。0~60 cm 土壤基本理化性質(zhì)如表1 所示。
表1 試驗土壤0~60 cm 耕層基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the experimental soil plow layer at 0-60 cm
設(shè)置輕度(F3)、中度(F2)、重度(F1)3 個程度肥量脅迫,參考當(dāng)?shù)毓r(nóng)對葡萄的施肥量和葡萄各生育期的需肥規(guī)律設(shè)定對照處理CK,CK 施肥量N-P2O5-K2O為260-119-485 kg/hm2,3 個施肥水平:F1(60%CK,N-P2O5-K2O 為 160-75-300 kg/hm2)、F2(75%CK,N-P2O5-K2O 為 200-92-374 kg/hm2)、F3(90%CK,N-P2O5-K2O 為240-110-449 kg/hm2)。供試肥料:尿素(N:46%)、磷酸二銨(N:18%,P2O5:42%)、硫酸鉀(K2O:50%),其中新梢生長期、開花期、果實膨大期和果實成熟期施氮比例為4∶4∶5∶3,除新梢生長期外,均施用磷肥和鉀肥,開花期、果實膨大期和果實成熟期施入比例為3∶3∶4。2017-2019 年葡萄各生育期的灌水量、施肥量如表2 所示。其他田間農(nóng)藝管理,如修剪分枝莖和所有處理的病蟲害防治方法均參考當(dāng)?shù)卦O(shè)施葡萄生產(chǎn)實際進(jìn)行相同處理。
1.4.1 氣象數(shù)據(jù)
為監(jiān)測溫室內(nèi)環(huán)境因子的變化,在溫室內(nèi)布設(shè)小型氣象站,測量要素包括太陽總輻射(Rs,W/m2)、光合有效輻射(PAR,μmol/(m2·s))、氣溫(Ta,℃)、相對濕度(RH,%)以及水汽壓差(Δe,kPa)。利用 CR1000數(shù)據(jù)采集器(Campbell Scientific, Inc., Logan, UT, USA)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與采集,測定頻率為10 min/次。
1.4.2 生物量測定
在葡萄新梢生長至果實成熟期內(nèi),定期觀測葉面積、新梢生長長度等指標(biāo)。測定頻率為7~10 d/次。采用抽樣調(diào)查的方法每個小區(qū)在冠層上部、中上部,中下部和基部4 個代表位置選取具有代表性的植株4 株進(jìn)行測定取其平均值,掛牌標(biāo)記,用鋼卷尺(精度0.1 cm)測定新梢生長長度。用鋼卷尺測定每株各葉片的葉長和最大葉寬。通過imageJ 軟件算出準(zhǔn)確的葉面積[19],并以此估算整株、整個小區(qū)的葉面積,最后根據(jù)小區(qū)種植面積估算葡萄樹的葉面積指數(shù)(Leaf Area Index,LAI)。
1.4.3 光合指標(biāo)測定
采用 LI-6400XT 便攜式光合測定系統(tǒng)(Li-Cor,Lincoln, Nebraska, USA)對葡萄樹葉片生理指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測。測定指標(biāo)包括凈光合速率(Pn,μmol/(m2·s))、蒸騰速率(Tr,mmol/(m2·s))、氣孔導(dǎo)度(Cond,mmol/(m2·s))和胞間二氧化碳濃度(Ci,μmol/mol)等指標(biāo)的日變化過程。所有測定均于晴朗天氣07:00—17:00 之間進(jìn)行,每隔2 h 測定一次。光源采用自然光源,CO2濃度為溫室葡萄園CO2濃度;每棵樹選取枝條外側(cè)完全展開、無病蟲害及機械損傷的3 個葡萄葉片進(jìn)行測定并取其均值。測定前對葉片做好標(biāo)記。
葉片瞬時水分利用效率計算公式[20-21]為
式中WUEi為瞬時水分利用效率,μmol/(mmol)。
羧化速率計算公式[20-21]如下:
式中ET1-2為階段耗水量,mm;γi為第i層的土壤容重,g/cm3;Hi為第i層的土壤厚度,mm;θi1,θi2為第i層土壤在計算時段始末的質(zhì)量含水率;M,Pr,K為時段內(nèi)灌水量、降雨量、地下水補給量,mm。由于溫室內(nèi)沒有降雨,故Pr=0,本試驗地下水埋深在5 m 以下,故K也可忽略不計。
1.4.6 水分利用效率、肥料偏生產(chǎn)力的測定
采用Excel 2013 和SPSS19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,對不同處理間各指標(biāo)進(jìn)行方差分析,采用Duncan 多重比較進(jìn)行分析。運用Origin9.1 軟件進(jìn)行圖表繪制。
2.1.1 不同水肥處理對葡萄新梢生長的影響
本文選取2017、2018 和2019 年典型生育期的新梢生長過程進(jìn)行分析(圖1)。由圖1 可知,新梢長度的增長主要集中在新梢生長期(stage I),此階段的新梢生長量約占全生育期生長量的54.20%~60.10%,在開花坐果期(stage II)各處理對新梢生長影響逐漸顯現(xiàn),在果實膨大期(stage III)至果實成熟期(stage IV),新梢的生長量很小,在果實成熟期各處理無顯著差異(P>0.05),但是隨著生育期的推進(jìn),新梢生長總量的差異逐漸明顯。對于全生育期而言,W3F1、W2F3、W1F3(2017、2018、2019)、W2F2、W1F2(2018、2019)等處理的新梢生長量均優(yōu)于CK 處理,其中,W3F1處理的新梢生長量達(dá)到最大值,在2017、2018 和2019 年分別達(dá)到75.69、79.19 和86.57 cm,較CK 分別提高了11.55%、12.08%和13.13%,均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。3a 中W1F1 處理均不利于新梢生長,該處理新梢生長量與CK 相比降幅最大達(dá)到4.99%(2018 年),達(dá)到顯著性水平(P<0.05),與W3F1 處理相比,降幅范圍為10.68%~19.72%,達(dá)到顯著性水平(P<0.05)。
不同水肥處理對溫室葡萄新梢生長的交互作用分析見表3。除果實成熟期(stage IV)外,灌水量對不同生育期的新梢生長均會產(chǎn)生顯著影響,特別是在果實膨大期(stage III)影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01),但不同施肥對新梢的影響僅在于開花坐果期(stage II)和果實膨大期(stage III),水肥交互對新梢生長的影響僅存在于果實膨大期(stage III),其他生育期則沒有明顯的交互作用。在水肥一體化條件下,水分比肥料對于植株新梢生長量的影響更為明顯,肥料所發(fā)揮的作用相對滯后于水分。綜上,對溫室果樹新梢生長而言,果實膨大期(stage III)的新梢總量受到水肥調(diào)控作用最為顯著。
2.1.2 不同水肥處理對葡萄LAI 的影響
表4 展示了各生育期不同水肥處理對溫室葡萄LAI 的影響。葡萄LAI 在全生育期均呈現(xiàn)先迅速增長后基本穩(wěn)定或略微下降的變化趨勢,即在新梢生長期(stage I)和開花坐果期(stage II)先快速增加,果實膨大期(stage III)至果實成熟期(stage IV)基本保持穩(wěn)定。2018 和2019 年,CK 均在果實膨大期(stage III)達(dá)到最大值,同時W2F3、W2F2、W3F3、W3F2 與CK 相比無顯著差異(P>0.05)。由此可見,足水足肥對促進(jìn)LAI 的增長至關(guān)重要。此外適度的節(jié)水節(jié)肥對LAI 影響并不顯著。表3 表明,灌水量對LAI 的影響主要集中于開花坐果期(stage II)和果實膨大期(stage III),肥料以及水肥交互對LAI 的影響則主要集中于開花坐果期(stage II)和果實膨大期(stage III),在葡萄的新梢生長期(stage I)、果實成熟期 (stage IV),水、肥以及水肥交互均不會對葡萄LAI 產(chǎn)生顯著影響。由此可見,開花坐果期(stage II)和果實膨大期(stage III)是利用水肥對葡萄LAI 進(jìn)行調(diào)控最關(guān)鍵的時期。
表3 不同水肥處理對溫室葡萄新梢生長與葉面積指數(shù)的交互作用分析Table 3 Interaction analysis of different water and fertilizer treatments on greenhouse grapevine length of lateral branch and leaf area index
表4 不同水肥處理對溫室葡萄葉面積指數(shù)的影響Table 4 Effects of different water and fertilizer treatments on leaf area index of greenhouse grapevine
2.2.1 日光合特性
水肥是植物進(jìn)行各項生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ),而光合作用是存在于植物體內(nèi)最重要的代謝過程[22]。圖2 分別展示了不同水肥處理下葡萄的光合指標(biāo)日變化特征。從圖2a 和圖2b 可知,葡萄葉片凈光合速率(Pn)日變化趨勢為“M”形,峰值基本出現(xiàn)在09:00 和15:00。12:00-14:00 出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。蒸騰速率(Tr)在日內(nèi)呈低高低趨勢,最大值出現(xiàn)在13:00。這是由于溫室內(nèi)13:00的飽和水汽壓差較低,太陽輻射充足,導(dǎo)致氣孔開度較高,Tr較大。對比不同水肥處理間的差異可以發(fā)現(xiàn),Pn最大值均出現(xiàn)在W3 水平下,說明低水水平對Pn起到了抑制作用,而CK 處理下Pn和Tr未達(dá)到最優(yōu)處理,說明過高的水肥處理會對光合特性產(chǎn)生抑制作用。而W1F1 處理導(dǎo)致Tr最弱。到了11:00 時,各處理間的Tr差異性最為明顯,W3F1 處理下Tr比W1F1 處理提高了45.12%,而到了17:00 各處理Tr達(dá)到日內(nèi)最低值,且差異性并不顯著。
圖2c 為不同水肥處理條件下葡萄葉片氣孔導(dǎo)度(Cond)的變化情況。日內(nèi)Cond 的最大值出現(xiàn)在09:00,此后呈下降趨勢,到達(dá)13:00 后又呈現(xiàn)小幅度上升趨勢。這是由葉片的“自我保護(hù)”造成的,避免水分的過度流失。W3F2 處理09:00-12:00 數(shù)值較高。Cond 的變化范圍為0.01~0.18 mmol/(m2·s),與CK 相比,W3F2、W3F3處理均為正向處理(正向處理指優(yōu)于該處理或與該處理無顯著性差異)。圖2e 中顯示Ci在日內(nèi)變化呈現(xiàn)“V”形,日內(nèi)最低值出現(xiàn)在11:00-13:00 之間,Ci在07:00-11:00呈下降趨勢,這主要是由于Pn在07:00-11:00上升,消耗了大量CO2,11:00-13:00 氣孔開度降低顯著增大氣孔阻力,限制CO2進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。不同處理下的Ci最大值均出現(xiàn)在W3 水平下,其次為CK,最小值出現(xiàn)在W1 水平下。Ci的變化范圍為305~435μmol/mol。
圖2d 顯示瞬時水分利用效率(WUEi)變化趨勢同樣接近于“ V ” 形, 日內(nèi)變化范圍在 2.97 ~10.88μmol/(mmol)之間,11:00 時刻WUEi最大值出現(xiàn)在W2F3 處理下,最小值出現(xiàn)在CK 處理。WUEi在07:00-09:00 明顯大于13:00,這主要是由于07:00-09:00 的Tr較低,而Pn隨PAR 增大而提高,13:00 時刻由于Pn降低速率大于Tr,導(dǎo)致WUEi在13:00 達(dá)到最低值。圖2f 中CE 變化呈單峰形式,最大值出現(xiàn)在09:00-11:00,日變化范圍在0.012~0.035 mmol/(m2·s)之間。W1F3 處理為CE 較大的處理。
2.2.2 不同生育期的光合特性
表5 展示了各生育期不同水肥處理對葡萄葉片光合特性(Pn、Tr、WUEi)的影響。由表可知,Pn、Tr的變化隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在果實膨大期達(dá)到峰值。且各生育期的差異性顯著(P<0.05)。對比不同水肥處理下葡萄葉片的Pn和Tr,發(fā)現(xiàn)W3F2、W3F1、W2F3、W3F3 處理各生育期均是相對于CK 的正向處理,其中W3F2 處理下葉片的Pn最大達(dá)到8.51μmol/(m2·s)(stage III),相對于CK 處理提高39.51%(P<0.05)。Tr最大達(dá)到3.43 mmol/(m2·s)(stage III),相對于CK 處理提高了10.65%(P<0.05),而W1F1 處理光合特性最弱。WUEi變化范圍在1.60~3.74μmol/(mmol)之間,W2F2、W3F1、W3F3 均為相對于CK 的正向處理。其中,W2F2 處理達(dá)到最大值3.74μmol/(mmol)(stage III),相對于CK 處理最大提高了96.84%(P<0.05)。
表5 不同水肥處理對光合指標(biāo)的日均值影響Table 5 Effects of different water and fertilizer treatments on daily mean values of photosynthetic indexes
總體而言,在果實膨大期的Pn、Tr的數(shù)值高于其他時期。這主要是由于此時為果實成熟需水關(guān)鍵期,且隨著PAR 的提高,溫室內(nèi)的蓄熱升溫明顯,使得葉片蒸騰量較大,對水和肥的需求量顯著提升,光合作用較強。當(dāng)對比不同水肥處理對溫室葡萄光合特性的交互作用分析時,發(fā)現(xiàn)對于Pn、Tr、WUEi,水分均對其產(chǎn)生顯著或極顯著的影響(P<0.05 或0.01),除果實膨大期Pn和新梢生長期WUEi外,施肥對其影響不顯著(P>0.05),水肥交互只在開花坐果期和果實膨大期對其影響顯著(P<0.05)。
復(fù)水后2 d(6 月21 日)溫室氣象因子日變化如圖3所示。溫室內(nèi)的PAR 和Ta均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。峰值出現(xiàn)在11:00,隨后急劇下降。6 月21 的PAR均值為524.15μmol/(m2·s),Ta均值為30.50 ℃。Δe在09:00達(dá)到日內(nèi)峰值,為3.41 kPa。RH 在日內(nèi)呈下降趨勢,最大值出現(xiàn)在07:00,17:00 后又呈上升趨勢。
植物葉片的Pn不僅受Cond 和Ci等自身生理因子的影響,同時也受諸如PAR、Ta以及Δe等環(huán)境因子的綜合影響[23]。為進(jìn)一步分析不同水分處理條件下植物葉片的光合參數(shù)與各環(huán)境因子間的關(guān)系,采用常見的線性模型擬合Pn-PAR,并采用常用的拋物線模型擬合Cond-Δe、Tr-PAR 的關(guān)系(圖4)。不同水分處理條件下,隨著PAR的提升,Pn呈增加趨勢,且Pn和PAR 具有良好的正相關(guān)關(guān)系,R2范圍在0.606~0.693 之間,在W1 水平下,Pn和PAR 相關(guān)性最好。Cond-Δe、Tr-PAR 也具有良好的相關(guān)關(guān)系,總體呈二次曲線關(guān)系。不同水分處理條件下Cond和Δe的R2范圍在0.689~0.851 之間,Tr和PAR 的R2范圍在0.568~0.606 之間,W3 水平下的相關(guān)性最好,W1 水平最弱。當(dāng)PAR 大于650μmol/(m2·s)時,Tr出現(xiàn)下降趨勢,此時的葉肉細(xì)胞極易容易失水,氣孔開度減小導(dǎo)致Tr的下降。不同的灌溉處理對光合參數(shù)與氣象因子的響應(yīng)關(guān)系并未造成顯著性影響(P>0.05)。
不同水肥處理對葡萄的產(chǎn)量、耗水量、WUE 和PFP的影響如表6 所示。由表可知,灌水量和施肥量以及水肥交互作用對葡萄的產(chǎn)量起到顯著或極顯著的影響(P<0.05 或0.01),其中灌水量和水肥交互對產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。隨著灌水量和施肥量的增加,葡萄的產(chǎn)量均呈現(xiàn)增加趨勢。在相同施肥條件下,隨著灌水水平的提高產(chǎn)量均顯著提高。以中肥水平為例,2017年,W1F2、W2F2、W3F2 產(chǎn)量分別達(dá)到37.78、40.51 和45.89 t/hm2,相對低水而言,中水和高水的增產(chǎn)幅度分別達(dá)到2.84%和3.22%,達(dá)顯著性水平(P<0.05)。但在相同的灌水水平下,隨著施肥量的增加,產(chǎn)量的變化規(guī)律不盡相同,在低水水平下,隨著施肥量的增加,產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低趨勢,W1F2 最高,W1F3 產(chǎn)量比W1F2下降了2.41 t/hm2,達(dá)顯著性水平(P<0.05)。在中水水平下,隨著施肥水平的升高,產(chǎn)量逐漸升高,W2F3 產(chǎn)量最高,達(dá)到43.96 t/hm2,而在高水水平下產(chǎn)量則呈現(xiàn)先升高后基本不變的趨勢,整體達(dá)到較高水平。各處理與CK產(chǎn)量的差異均不顯著。由此可見,在高水條件下,較高的施肥量對產(chǎn)量提升意義不大,2018 和2019 年也得到類似的研究結(jié)果。3a 試驗結(jié)果綜合分析,W3F2、W3F1、W3F3、W2F3 處理為相對CK 的正向處理,與CK 相比無顯著性差異(P>0.05)。灌溉水平對葡萄的耗水量產(chǎn)生顯著影響(P<0.05),而施肥量對葡萄的耗水無顯著影響(P>0.05)。隨著灌溉水平的提升,葡萄的耗水量基本呈現(xiàn)增加趨勢,CK 與W3 水平的各處理未出現(xiàn)顯著性差異(P>0.05),但與 W1 水平下的耗水量差異性顯著(P<0.05)。
表6 不同水肥處理對葡萄產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的影響Table 6 Effects of different irrigation and fertilization treatments on the yield, water consumption , Water Use Efficiency (WUE) and Partial Factor Productivity (PFP) of grapevine
葡萄的WUE 隨灌水量的提高呈現(xiàn)下降趨勢。W1 水平下WUE 普遍較高,但此灌溉水平下,提高施肥量對WUE 產(chǎn)生先上升后降低的趨勢,而在W2 和W3 水平下,隨著施肥量的增加,葡萄的WUE 也隨之增加。2017、2018年WUE 的最低值出現(xiàn)在中水低肥處理下,2019 年出現(xiàn)在高水低肥和CK 處理下。隨著灌水量的增加葡萄的PFP呈現(xiàn)增加趨勢,而隨著施肥量的增加,PFP 呈現(xiàn)降低的趨勢。灌溉對PFP 的影響僅2019 年達(dá)到顯著水平(P<0.05),而施肥量對各年P(guān)FP 均產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)。綜上,在本試驗條件中,CK 處理下WUE、PFP 均較低,說明水肥脅迫均有利于WUE、PFP 的提高。W1F2 處理下,WUE 達(dá)到最大值,2017—2019 年分別為16.93、15.20、18.19 kg/m3,W3F1 處理下,PFP 達(dá)到最大值,2017—2019年分別為81.42、84.50、88.62 kg/kg。由此可見,適度減少施肥和提高灌溉水平均是提高葡萄PFP 的關(guān)鍵,但過高的灌溉水平會導(dǎo)致葡萄WUE 的顯著降低。綜合產(chǎn)量、耗水量、WUE 和PFP 指標(biāo)而言,W3 水平下的各處理雖有利于提高葡萄產(chǎn)量,但WUE 和PFP 均相對該指標(biāo)的最優(yōu)處理出現(xiàn)顯著性下降,而W2F3 處理可在PFP 未產(chǎn)生大幅下降的同時,產(chǎn)量、WUE 均較優(yōu),并能夠保證作物良好生長,為本試驗中的最優(yōu)處理。該處理在節(jié)水21.19%~23.27%,節(jié)肥7.52%基礎(chǔ)上,能夠?qū)崿F(xiàn)東北寒區(qū)設(shè)施葡萄節(jié)水節(jié)肥穩(wěn)產(chǎn)高效生產(chǎn)。
有研究表明,過高養(yǎng)分供應(yīng)會造成鹽脅迫抑制養(yǎng)分的吸收,過低的養(yǎng)分供應(yīng)難以滿足植株生長的需求,不利于植株對養(yǎng)分的吸收和生物量的積累[24],而適量施氮促進(jìn)作物干物質(zhì)積累,使開花前“源”器官儲存的干物質(zhì)在開花后向“庫”庫器官轉(zhuǎn)運增多[25]。LAI 作為一種綜合植被指數(shù),與冠層特征密切相關(guān)[26]。李澤霞等[27]發(fā)現(xiàn)當(dāng)灌水量增加時,葡萄的LAI 也會增加,本文的研究結(jié)果與上述一致。本文CK 處理下葉面積指數(shù)增長與W2F3、W2F2、W3F3、W3F2 無顯著差異,這可能是由于此時的水肥交互作用有利于葡萄葉片的生長發(fā)育和營養(yǎng)器官貯存的干物質(zhì)吸收。
植物的光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ),鄭睿等[16]對釀酒葡萄的研究發(fā)現(xiàn),不同生育期葡萄樹葉片光合速率變化趨勢均呈“M”形變化,在相同水分處理下高肥水平的葉片水分利用效率高于低肥水平,此結(jié)果與本研究光合速率變化趨勢相同。本研究在F2 水平下新梢生長期和開花坐果期,WUEi的大小依次為W2、W3、W1。W1 水平下WUEi最低,這主要是由于過度的水分脅迫會導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度的降低,從而降低凈光合速率,導(dǎo)致WUEi較低[28]。W2 水平下適度的水分脅迫造成了氣孔導(dǎo)度的降低,但是凈光合效率影響不大,此時的WUEi達(dá)到最大值。此時蒸騰的減少,未減少物質(zhì)同化和干物質(zhì)的積累[29]。W3 水平下WUEi次之,說明當(dāng)無水分脅迫時,此時氣孔導(dǎo)度較大,瞬時蒸騰較大,在光合效率一定的條件下WUEi同樣較低。肥料通過控制葉片氣孔開度,調(diào)節(jié)蒸騰速率,并有助于改善植株生理特性,提高植株的最大凈光合速率,從而達(dá)到提高葉片水分利用效率的目的[30]。此外本研究發(fā)現(xiàn),在全生育期下,W3F2 處理使葡萄葉片的Pn達(dá)到最大值,這可能是由于適宜的灌水條件下有利于提高葉片的Cond,適宜的施肥條件下有利于植物葉綠素和光合酶的合成,亦或是此時的土壤條件可以提供最適宜植物生長的環(huán)境。但在CK 水平下,葡萄葉片的光合特性均受到抑制。一些學(xué)者的研究也得到了類似結(jié)論[31-32],一方面是由于植物的特性不同導(dǎo)致其施氮量達(dá)到一定程度后,其光合能力和生長可能會對施氮量的增加反應(yīng)不明顯甚至受到抑制。水肥的供應(yīng)通過影響葉片中的葉綠素合成、氣孔和非氣孔因素等影響植株葉片的光合作用[33]。另一方面,適當(dāng)?shù)乃拭{迫提高了根系的抗旱能力,降低了根壓,有利于植株根系從土壤中吸收水分和養(yǎng)分(即增加了毛根數(shù)量和吸水深度)[34],同時適度水肥脅迫降低了氣孔導(dǎo)度,凈光合速率降低緩慢,導(dǎo)致WUEi達(dá)到最大值。
Intrigliolo 等[35]研究表明水肥耦合會顯著影響葡萄的產(chǎn)量,在一定范圍內(nèi),葡萄產(chǎn)量隨著水肥投入的增加而增加,但當(dāng)水肥投入超過一定閾值時,產(chǎn)量下降。這與本研究類似。當(dāng)水肥投入適宜時,更有利于獲得高產(chǎn)[36]。溫室內(nèi)高溫促進(jìn)了蒸騰,但是溫室內(nèi)濕度較大,風(fēng)速很低,因此部分環(huán)境因子的作用可相互抵消,此外溫室內(nèi)積溫累積加快,導(dǎo)致葡萄生育期縮短,導(dǎo)致葡萄耗水量的降低。本研究中W3F3 處理與W2F3 處理的產(chǎn)量差異不大,但生物量差異較大,主要是因為在高水高肥條件下,葡萄吸收的水肥雖然增加了植株同化量,但光合產(chǎn)物向莖、葉等營養(yǎng)器官的分配比例并無影響,即增加了無效養(yǎng)分的損耗,而向果實器官的累積并未顯著增加[37],因而產(chǎn)量增加不明顯。水肥一體化條件下,適度的水肥虧缺,葡萄水肥交互效應(yīng)明顯,葡萄水肥吸收能力顯著增強,彌補了一部分水肥脅迫對葡萄產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng),這也是本研究中W2F3 處理產(chǎn)量沒有明顯降低,但WUE 顯著提高的原因之一。由此可見,在水肥一體化條件下,適度的節(jié)水節(jié)肥可以實現(xiàn)葡萄穩(wěn)產(chǎn)條件下葡萄WUE、PFP 的明顯提高。
本論文在滴灌水肥一體化不同水肥處理條件下,以設(shè)施葡萄為研究對象,設(shè)置不同水肥條件下的雙因素試驗,通過對溫室葡萄的生長指標(biāo)、光合指標(biāo)、產(chǎn)量以及水肥利用效率指標(biāo)的綜合分析主要得出以下結(jié)論:
1)W3F1、W2F3、W1F3(2017、2018、2019)、W2F2、W1F2(2018、2019)等處理的新梢生長量均優(yōu)于CK。2a 中W2F3、W2F2、W3F3、W3F2 處理的葉面積指數(shù)與CK 相比無顯著差異(P>0.05)。
2)不同水肥處理下光合參數(shù)的變化趨勢相同,就全生育期而言,凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度的變化隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在果實膨大期達(dá)到峰值。其中W2F2、W3F1、W3F3 均為瞬時水分利用效率相對于CK 的正向處理。葉片的光合參數(shù)的日變化與環(huán)境因子光合有效輻射、水汽壓差呈現(xiàn)良好的相關(guān)關(guān)系。
3)葡萄的產(chǎn)量、水分利用效率、肥料偏生產(chǎn)力受到灌溉、施肥和水肥交互作用的綜合影響。其中,水分對產(chǎn)量起到極顯著的影響(P<0.01),W3F2、W3F1、W3F3、W2F3 處理為相對CK 的產(chǎn)量正向處理。低水處理下水分利用效率普遍較高,中水條件下隨著施肥水平的提高,水分利用效率呈上升趨勢,高水處理下的水分利用效率較低。低肥處理中肥料偏生產(chǎn)力較高,且隨著灌水量的提升,肥料偏生產(chǎn)力呈增加趨勢。
4)基于生理指標(biāo)、產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力綜合分析得出,W2F3 處理為最優(yōu)水肥一體化管理模式,該處理可在肥料偏生產(chǎn)力未產(chǎn)生下降的同時,產(chǎn)量、水分利用效率、生長指標(biāo)均較優(yōu)。即灌水上下限分別為田間持水率的 60%和 90%,施肥量 N-P2O5-K2O 為240-110-449 kg/hm2是中國東北寒區(qū)設(shè)施葡萄適宜的水肥一體化處理,該處理可以在節(jié)水21.19%~23.27%,節(jié)肥7.52%基礎(chǔ)上,實現(xiàn)東北寒區(qū)設(shè)施葡萄節(jié)水節(jié)肥穩(wěn)產(chǎn)高效生產(chǎn)。