任小通，馬娟娟，孫西歡，郭向紅，鄭利劍，孫瑞峰，郭佳昌

（太原理工大學(xué)，太原030024）

0 引言

吐哈地區(qū)是我國重要的瓜果生產(chǎn)基地之一，其獨(dú)特的光熱資源，使得當(dāng)?shù)匾云咸褳橹鞯牧止麍@藝產(chǎn)業(yè)十分發(fā)達(dá)，葡萄種植已成為吐哈地區(qū)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)葡萄果園灌溉面積約3.92 萬hm2，并且種植規(guī)模呈逐年增大的趨勢[1]，但該地區(qū)蒸發(fā)量大、降水量少且大多采用大水漫灌、溝灌等傳統(tǒng)灌水方式進(jìn)行灌溉，加劇了葡萄果園供水短缺的現(xiàn)象，因此農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉尤為重要，而制定合理的灌水方案是關(guān)鍵。目前常用的節(jié)水灌溉方式有噴灌[2]、微灌[3]、滴灌[4]等，它們都是利用灌溉方式的調(diào)節(jié)作用，有效降低水資源浪費(fèi)，保障農(nóng)作物的用水需求，在一定程度上緩解了上述問題，而根區(qū)灌溉，可使水分直達(dá)作物根區(qū)供根系吸收利用，誘導(dǎo)根系深扎，提高作物抗旱能力，在該地區(qū)具有較好的應(yīng)用前景。土壤水分狀況是影響葡萄生長的重要因子之一[5,6]，合理的灌水上限可以提高根系吸水能力，保障葡萄需水過程的合理、有效，唐雅瑩[7]等研究發(fā)現(xiàn)灌水上限為基質(zhì)相對含水量的85%時(shí)，番茄莖粗、葉面積、植株干重、根冠比、壯苗指數(shù)以及根系活力等指標(biāo)均最優(yōu)；辣椒全生育期耗水量隨著灌水上限的增大而增加，控制灌水上限為70%田間持水量的灌溉制度為最佳[8]，由此可見灌水上限對作物的生長發(fā)育有重要影響。目前國內(nèi)外提出的諸多節(jié)水灌溉（WSI）概念與方法[9-12]的研究主要集中在探究水分脅迫對葡萄生長的影響[13-17]，針對灌水上限[18]對葡萄生長影響的研究相對較少。本文擬從土壤水分分布、根系（孫三民[19,20]等研究結(jié)果表明根徑在1.5～2.0 mm 為主要吸水根，本文定義為根徑小于2 ㎜的根為吸水根）、產(chǎn)量和果形指數(shù)對根區(qū)灌溉下不同灌水上限的響應(yīng)進(jìn)行研究，探明適用于當(dāng)?shù)仄咸焉a(chǎn)的最佳灌水方案，為新疆干旱區(qū)葡萄節(jié)水高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年4月1日至8月15日在新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市鄯善縣（90.31°N，42.91°E，海拔419 m）新疆維吾爾自治區(qū)瓜果研究所試驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，全年日照時(shí)數(shù)2 900～3 100 h，7月平均氣溫20.4～33.0 ℃，年平均降水量25.3 mm，年蒸發(fā)量2 751 mm以上，10 ℃以上有效積溫4 522.6～5 548.9 ℃，無霜期192～224 d，土壤質(zhì)地為壤土，0～130m 土壤容重平均值為1.53 g/cm3，田間持水量為26%（體積含水率）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取長勢相當(dāng)?shù)?年生無核白葡萄樹作為試驗(yàn)用樹，大溝定植，東西走向，株距2 m，行距4 m。本次試驗(yàn)為單因素控水試驗(yàn)，試驗(yàn)共設(shè)根區(qū)灌溉和地面溝灌兩種方式，其中根區(qū)灌溉設(shè)置3 個(gè)處理，地面溝灌為對照處理，共4 個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，共12 棵葡萄樹，各處理灌水下限均為60%，灌水上限設(shè)定見表1，其他管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝管理相同。根區(qū)灌溉技術(shù)在每顆葡萄樹下對稱布置4個(gè)灌水器，灌水器為直徑20 cm，深度40 cm 的頂部與底部密封不透水、側(cè)壁滲水的圓柱形結(jié)構(gòu)，灌水器中心距樹干50 cm，田間布置示意圖如圖1所示。將葡萄生育期劃分為4 個(gè)時(shí)期，分別為新梢生長期（4月15日-5月10日）、開花期（5月11日-5月25日）、果實(shí)膨大期（5月26日-7月15日）和果實(shí)成熟期（7月16日-8月15日）。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.1 Experimental design scheme

圖1 田間布置示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of field arrangement

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤水分

本試驗(yàn)中，土壤體積含水率采用TDR 土壤剖面水分測量系統(tǒng)測定,每20 cm 一層，垂直向下測至100 cm 處，每5 d 測定一次，灌水后和每生育期始末加測一次。

1.3.2 根系指標(biāo)

根系指標(biāo)測定采用根鉆法進(jìn)行取樣，以地面為基準(zhǔn)垂直向下取樣，每隔20 cm 土層作為一個(gè)取樣深度，取至100 cm[21,22]，各生育期末進(jìn)行1 次取樣，根系樣品采用EPSON Expression 2400 型掃描儀（EPSON，Japan）和WinRHIZOTRO圖像分析軟件（Regent Instrument Inc.,Canda）進(jìn)行掃描和分析。基于各層根系的根長和表面積計(jì)算相應(yīng)根長密度（RLD）和根表面積密度（RSAD），計(jì)算公式分別如下：

式中：Rd為根長密度，cm/cm3；RL為根長，cm；Rv為根鉆體積，cm3。

式中：RA為根表面積密度，cm2/cm3；Rs為根表面積cm2。

1.3.3 產(chǎn)量、果實(shí)形態(tài)

葡萄成熟季節(jié)，各處理單獨(dú)采收，用精度為0.01 g 電子稱，稱取各處理的葡萄產(chǎn)量；葡萄果實(shí)的縱、橫徑采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測定，并用果實(shí)的縱徑與橫徑的比值來描述葡萄果實(shí)的果形指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)利用Excel 2020 進(jìn)行處理和分析，采用Origin 2021 （OriginLab，USA）作圖，采用Spss （Statistical Product and Service Solutions，USA）進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率垂向分布特點(diǎn)

不同處理各生育期的土壤水分分布規(guī)律如圖2所示，根區(qū)灌溉處理下土壤體積含水率均呈現(xiàn)隨土壤深度增大先增大后減小的趨勢，處理之間隨灌水上限的升高，灌水量增大，土壤體積含水率大小關(guān)系為T3＞T2＞T1，且各處理土壤體積含水率差異顯著；T1、T2 在新梢生長期80～100 cm 土層差異不顯著，是因?yàn)樾律疑L期根系生長旺盛、需水量大，水分主要被0～80 cm 土層根系吸收；T3 處理相較于T2 處理，各生育期不同土層土壤體積含水率高1.25%～2.47%；T2 處理相較于T1 處理，各生育期不同土層土壤體積含水率高1.09%～4.82%；溝灌處理表現(xiàn)為隨深度增大，土壤體積含水率逐漸減小的變化規(guī)律，相較于根區(qū)灌溉處理，0～20 cm 表層土壤體積含水率差異顯著（p＜0.05），這是因?yàn)樗謴牡孛嫦聺B，水分集中于表層土壤。

圖2 不同處理各生育期土壤體積含水率Fig.2 Soil volumetric water content at different growth stages under different treatments

2.2 不同水分處理下葡萄各生育期吸水根系分布情況

2.2.1 各生育期不同土壤深度吸水根系根長密度分布規(guī)律

圖3為各處理在不同生育期不同土層深度的吸水根系根長密度（RLD）分布。由圖分析可知，根區(qū)灌溉處理下，吸水根系根長密度垂向分布規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)隨土層深度增大，根長密度先增大后減小的現(xiàn)象，這與鄭利劍等[20,23,24]根區(qū)灌溉方式下蘋果樹根長密度分布規(guī)律基本一致；T1、T2、T3 處理吸水根系主要分布在20～60 cm 的土層中，在不同生育期該范圍吸水根系根長密度分別占總吸水根系根長密度的73.92%～89.50%、78.71%～91.12%、79.58%～89.66%；不同的灌水上限對葡萄吸水根系生長產(chǎn)生顯著影響，T2、T3 處理在不同生育期的根長密度基本較T1 處理大，這是因?yàn)楣嗨舷薷?，根系生長所需的水分充足，更有利于根系生長；T2 處理較T3 處理根長密度在20～60 cm 土層中大，在60～100 cm 土層中要小，這是因?yàn)門3 處理20～60 cm 土層中土壤含水率高于土壤田間持水量，降低了土壤通透性，反而抑制了吸水根系的生長發(fā)育，但在60～100 cm 土層中含水率隨著深度的增加而減小，土壤水分含量更適宜吸水根系生長發(fā)育，使得T3 處理吸水根系根長密度大于T2 處理；CK 處理根長密度隨土層深度的增大而減小，吸水根系主要分布在0～60 cm 的土層中，不同生育期該土層范圍內(nèi)吸水根系根長密度占總吸水根系根長密度的81.54%～84.62%，這是因?yàn)榈孛鏈瞎嗤寥浪种饕植荚谕寥辣韺樱诒韺游档纳L；在40～100 cm 土層中，相同的灌水上限處理下，與CK 處理相比吸水根系根長密度T2＞CK，這是因?yàn)樵谙嗤墓嗨舷迺r(shí)，根區(qū)灌溉中深層土壤中的水分高于溝灌處理，有利于提高中層土壤中的根系生長發(fā)育。

圖3 各處理不同生育期根長密度分布Fig.3 Distribution of root length density in different growth stages under different treatments

2.2.2 各生育期不同土壤深度吸水根系根表面積密度分布規(guī)律

土壤中的水分和養(yǎng)分均需通過根系表面吸收，才能夠被植株所利用，因此根表面積密度也是表征根系吸水能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[25]。圖4為各處理不同生育期不同土層深度的葡萄吸水根系根表面積密度（RSAD）分布情況。由圖對比分析可知，各處理不同生育期不同土層深度的吸水根系根表面積密度與根長密度分布規(guī)律相似；T1、T2、T3 處理分布規(guī)律基本一致，沿垂向呈先增大后減小的趨勢，而CK 處理土壤水分主要分布在表層土壤中，更有利于靠近土壤表層的根系生長，根表面積密度隨著土層深度增大而減?。桓鶇^(qū)灌溉下T1、T2、T3 處理的吸水根根系表面積密度集中分布在20～60 cm 土層中，其不同生育期在此范圍內(nèi)的吸水根系根表面積密度分別占總根表面積密度的67.54%～78.52%、69.12%～82.32%、68.34%～81.93%；CK 處理吸水根系根表面積密度高值區(qū)主要分布在0～40 cm 土層，占吸水根系總根表面積密度的79.45%～83.32%；T1 處理相較于T2、T3 處理，因?yàn)橥寥浪植怀渥?，吸水根系根表面積密度較低；在相同灌水上下限的條件下，由于根區(qū)灌溉40～100 cm 土層中的土壤體積含水率高于溝灌處理，而根系的生長具有向水性，因此該范圍內(nèi)土層中T2 處理的吸水根系根表面積密度大于CK處理。

圖4 各處理不同生育期根表面積密度分布Fig.4 Distribution of root surface area density at different growth stages under different treatments

2.2.3 吸水根系總根長密度和總根表面積密度分布規(guī)律

圖5 為不同處理各個(gè)生育期0～100 cm 土層內(nèi)吸水根系總根長密度和總根表面積密度分布情況。從圖5可知，0～100 cm土層內(nèi)吸水根系總根長密度和總根表面積密度隨生育期變化規(guī)律基本一致。結(jié)合表2對比分析可知，不同處理的開花期根系日平均生長旺盛，這是因?yàn)殚_花期葡萄地上植株部分需水量不高[26]，大量水分和養(yǎng)分供給根系；各個(gè)處理在果實(shí)膨大期根系生長速度逐漸減慢，這是因?yàn)榇藭r(shí)期大量水分供給果實(shí)生長；果實(shí)成熟期根系又以較快速度生長，這是因?yàn)樵摃r(shí)期果實(shí)并不需要更多的水分，水分再次供給給根系生長。

圖5 總根長密度和總根表面積密度分布Fig.5 Total root length density and total root surface area density distribution

表2 不同處理各生育期總根長密度和總根表面積密度平均增長率 %Tab.2 Growth rates of total root length density and total root surface area density at different growth stages under different treatments

2.3 不同水分處理下各生育期吸水根系分布函數(shù)方程

圖6 和圖7 為各生育期土壤體積含水率與根長密度和根表面積密度的關(guān)系，可以看出不同土壤體積含水率對根系生長發(fā)育產(chǎn)生顯著影響，各生育期根長密度和根表面積密度均呈現(xiàn)隨土壤體積含水率增大先增大后減小趨勢，由圖可知當(dāng)土壤體積含水率在23.0%～24.2% 時(shí)，相當(dāng)于田間持水量的88.46%～93.08%，各生育期根長密度和根表面積密度均較大，其Rd＞0.61 cm/cm3，RA＞0.005 8 cm2/cm3，但當(dāng)土壤水分超過88.46%田間持水量時(shí)，增長速度減緩；在葡萄樹需水量相對較大的新梢生長期和果實(shí)膨大期，土壤水分在90.38%～94.23%田間持水量時(shí)，根長密度和根表面積密度達(dá)到最大值，而開花期和果實(shí)成熟期土壤水分在89.23%～91.92%田間持水量時(shí)，根長密度和根表面積密度最大；在根長密度和根表面積密度達(dá)到最大值之后，隨土壤體積含水率增大而減小，由此可見，較高灌水上限只會導(dǎo)致葡萄灌水量增加，并不會促進(jìn)葡萄吸水根系的生長，將土壤水分控制在田間持水量的88.46%～93.08%范圍內(nèi)時(shí)，對葡萄根系的生長發(fā)育最為有利，本試驗(yàn)對應(yīng)的為T2處理。

圖6 各生育期土壤體積含水率與根長密度的關(guān)系Fig.6 Relationship between soil volume moisture content and root length density at different growth stages

圖7 各生育期土壤體積含水率與根表面積密度的關(guān)系Fig.7 Relationship between soil volume moisture content and root surface density at each growth stage

2.4 不同水分處理對葡萄果形指數(shù)和產(chǎn)量的影響

不同水分處理會對葡萄的產(chǎn)量產(chǎn)生顯著的影響[27]。由表3可知，不同水分處理中，各處理產(chǎn)量差異顯著，T2 處理最高28 464.38 kg/hm2，與T1、T3、CK處理相比，T2增產(chǎn)率分別為12.62%、6.45%、15.74%，說明當(dāng)灌水下限為60%時(shí)，灌水上限控制在田間持水量的90%最有利于葡萄高產(chǎn)。

表3 不同水分處理下葡萄果實(shí)形態(tài)和產(chǎn)量Tab.3 Grape shape index and yield under different water treatments

不同的灌水上限不僅影響葡萄產(chǎn)量，還會對葡萄果實(shí)形態(tài)產(chǎn)生影響[28,29]。對于果實(shí)縱、橫徑而言，最大值分別是T2處理的20.35 mm 和14.52 mm，且二者與其他處理的縱、橫徑均存在顯著差異（p＜0.05）。不同水分處理下，T2 與T3 處理果形指數(shù)均出現(xiàn)最大值為1.40，CK處理最小。

3 結(jié)論

通過研究不同灌水上限對葡萄土壤水分分布、吸水根系分布、產(chǎn)量及果形指數(shù)的影響，結(jié)論如下：

（1）根區(qū)灌溉處理下土壤體積含水率隨土壤深度的增大先增大后減小，土壤體積含水率呈T3＞T2＞T1 的規(guī)律，溝灌處理隨深度增大土壤體積含水率減小。

（2）根區(qū)灌溉方式下，吸水根系根長密度和根表面積密度隨土層深度增加均表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，吸水根系集中分布在20～60 cm 土層；而溝灌處理表現(xiàn)為隨土層深度增大而減小，吸水根系主要分布在0～40 cm 土層。表明采用根區(qū)灌溉的灌水方式較地面溝灌更有利于葡萄根系深扎，有利于提高葡萄樹的抗旱性。

（3）吸水根系根長密度和根表面積密度均隨土壤體積含水率增大先增大后減小，土壤水分為田間持水量的88.46%～93.08%時(shí)，各生育期根長密度和根表面積密度均較大；土壤水分在超過田間持水量的88.46%時(shí)，吸水根系生長緩慢或抑制生長。由此可見，較高灌水上限，只會導(dǎo)致葡萄灌水量增加，并不會促進(jìn)葡萄吸水根系的生長。

（4）相同的灌水上限處理，T2 處理比CK 處理灌水量低21.84%，但產(chǎn)量顯著提高18.68%，說明根區(qū)灌溉方法是一種更適用于該地區(qū)的節(jié)水、高產(chǎn)的灌水方案。綜合考慮葡萄根系的生長、產(chǎn)量和果實(shí)形態(tài)，根區(qū)灌溉處理下，灌水上限為90%田間持水量是最優(yōu)水分處理。