楊 凡，劉 園，劉布春，楊興元，朱永昶，劉珊珊，劉觀止，崔 成

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 710048）

0 引 言1

【研究意義】中國北方葡萄種植面積占全國葡萄種植總面積的58%[1]，產(chǎn)量占全國葡萄總產(chǎn)量的70%[2]。然而，中國北方屬于干旱或半干旱區(qū)，葡萄生育期內(nèi)降水量普遍不足，需補(bǔ)充灌溉以保證其正常的生長(zhǎng)發(fā)育。最佳灌溉制度不僅需保障葡萄產(chǎn)量與品質(zhì)，還需考慮灌溉水分利用效率（WUE）。國內(nèi)專家為探索葡萄最優(yōu)灌溉制度，開展了大量田間試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)為植株施加水分脅迫的調(diào)控灌溉技術(shù)是葡萄節(jié)水、增產(chǎn)、提質(zhì)的有效水分管理措施之一[3]。受氣候、品種、栽培管理措施以及果園條件等因素的影響和限制，多數(shù)葡萄果園試驗(yàn)得到的最優(yōu)灌溉定額、最優(yōu)灌溉制度、最佳灌溉方式存在區(qū)域異質(zhì)性。因此，本研究對(duì)已公開發(fā)表的中國北方葡萄灌溉文獻(xiàn)進(jìn)行回顧和系統(tǒng)分析，評(píng)價(jià)現(xiàn)行灌溉制度的合理性，以期為中國北方葡萄節(jié)水增效、增產(chǎn)和保質(zhì)提供科學(xué)參考。

【研究進(jìn)展】自20 世紀(jì)90 年代以來，國內(nèi)學(xué)者在中國北方不同地區(qū)開展了果園葡萄節(jié)水試驗(yàn)。趙金龍等[4]在流沙地開展了葡萄滴灌試驗(yàn)，得出669 L/a的滴灌量可以促進(jìn)巨峰葡萄的生長(zhǎng)發(fā)育，相比溝灌節(jié)水72%。針對(duì)不同灌溉方式和灌溉技術(shù)，學(xué)者又開展了一系列田間試驗(yàn)，如大水漫灌、滴灌、溝灌、滲灌、小管出流灌等[4-14]；大量的田間試驗(yàn)明確了調(diào)控灌溉技術(shù)對(duì)葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)的影響。隨著研究的不斷深入，張振文等[11]認(rèn)為葡萄果實(shí)著色到采收期時(shí)，采用調(diào)控灌溉技術(shù)可比常規(guī)灌溉方式節(jié)水36%，且對(duì)葡萄漿果品質(zhì)具有促進(jìn)作用。房玉林等[3]發(fā)現(xiàn)，調(diào)控灌溉不僅節(jié)水，而且能夠有效提高果實(shí)品質(zhì)。鄧浩亮等[12]認(rèn)為，葡萄萌芽期耗水強(qiáng)度最小，漿果膨大期耗水強(qiáng)度最大，著色成熟期中度水分脅迫最有利于葡萄品質(zhì)的提高。張玥等[13]通過減少50%的灌溉量和灌溉次數(shù)，發(fā)現(xiàn)寒香蜜和紫甜無核葡萄的可溶性固形物量和果皮中酚類物質(zhì)的量增加顯著。李昭楠等[14]認(rèn)為，西北干旱荒漠氣候區(qū)葡萄全生育期需灌溉12 次10～20 mm 的水量，結(jié)合覆膜技術(shù)可顯著提高葡萄水分利用效率和產(chǎn)量?！厩腥朦c(diǎn)】前人的研究結(jié)果側(cè)重于灌溉量對(duì)果園尺度不同葡萄品種的生理、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，與區(qū)域氣候條件相結(jié)合的研究較少，結(jié)論普適性較低，不利于區(qū)域推廣。

【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究基于Meta分析，通過回顧以往公開發(fā)表的中國北方區(qū)域葡萄田間試驗(yàn)研究，定量分析調(diào)控灌溉技術(shù)對(duì)北方葡萄產(chǎn)量及灌溉水分利用效率的影響。結(jié)合區(qū)域氣候特征，探明葡萄的生育期水分缺額及最佳灌溉定額，綜合評(píng)價(jià)果園試驗(yàn)最佳灌溉定額的區(qū)域合理性，以期為我國北方葡萄種植提供最佳的調(diào)控灌溉技術(shù)模式。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究基于中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，以“葡萄”、“灌溉”為關(guān)鍵詞，搜集了自2000 年以來公開發(fā)表的關(guān)于中國北方不同灌溉條件下葡萄產(chǎn)量和水分利用效率的學(xué)術(shù)論文和學(xué)位論文。為了得到有效的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)搜集的文獻(xiàn)進(jìn)行分類篩選，具體標(biāo)準(zhǔn)如下：①試驗(yàn)區(qū)位于我國秦嶺-淮河線以北區(qū)域；②盆栽、水分池及設(shè)有防雨棚的試驗(yàn)均被排除；③試驗(yàn)設(shè)計(jì)是圍繞葡萄調(diào)控灌溉技術(shù)開展，且具有相應(yīng)的充分灌溉或近似灌溉處理作為對(duì)照組（非調(diào)控灌溉），具有相應(yīng)的調(diào)控灌溉為試驗(yàn)組，或經(jīng)試驗(yàn)得到最佳灌溉定額；④田間試驗(yàn)至少列出2 種處理下的葡萄產(chǎn)量或水分利用效率的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和樣本量，灌溉量、產(chǎn)量和水分利用效率至少包括2 個(gè)及以上指標(biāo)。經(jīng)過嚴(yán)格篩選和復(fù)核，共獲取到中國北方新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、陜西省、河北省、北京市、遼寧省、吉林省8 個(gè)?。ㄊ校┑钠咸压喔仍囼?yàn)的中文文獻(xiàn)59 篇。

提取文獻(xiàn)中的試驗(yàn)地點(diǎn)、土壤田間持水率、葡萄品種、樹齡、灌溉方式、調(diào)控時(shí)期、最優(yōu)灌溉定額。文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)以表格、柱狀圖與折線圖3 種方式呈現(xiàn)，對(duì)表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接提??；對(duì)以柱狀圖或折線圖形式呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)，采用GetData Graph Digitizer 2.24軟件進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后再提取。總結(jié)歸納同類數(shù)據(jù)，將葡萄全生育期分為萌芽期、開花期、新稍生長(zhǎng)期、膨大期、著色成熟期5 個(gè)關(guān)鍵生育期；灌溉方式按照漫灌、溝灌、微噴灌、小管出流灌、滴灌、滲灌6 種進(jìn)行分類，用于統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 研究方法

利用Excel 和R studio 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。利用ArcMAP 10.8 軟件，依據(jù)中國秦嶺—淮河分界線對(duì)中國地理底圖（來源于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)底圖，審圖號(hào)為GS(2019)1822 號(hào)）進(jìn)行裁剪?；贛eta 分析，采用隨機(jī)效應(yīng)模型計(jì)算加權(quán)均值差（MD）作為產(chǎn)量和灌溉水分利用效率（WUE）的效應(yīng)量，并進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)、回歸分析和亞組分析。以生育期水分缺額反映研究時(shí)段內(nèi)葡萄需水量與降水量的差異，得到的點(diǎn)數(shù)據(jù)通過反距離權(quán)重法（IDW）插值得到最佳灌溉定額的區(qū)域分布[15-17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)控灌溉對(duì)北方葡萄產(chǎn)量、灌溉水分利用效率的綜合效應(yīng)分析

將收集到的有效數(shù)據(jù)依據(jù)是否使用調(diào)控措施再次篩選，得到45 對(duì)數(shù)據(jù)。將每個(gè)試驗(yàn)的不同處理次數(shù)視為重復(fù)次數(shù)，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差。部分試驗(yàn)中對(duì)照組僅有1 個(gè)處理，則參考文獻(xiàn)[17]，假定偏差為平均值的10%進(jìn)行Meta 分析。調(diào)控灌溉對(duì)葡萄產(chǎn)量和灌溉水分利用效率的Meta 分析結(jié)果如表1 所示。中國北方葡萄調(diào)控灌溉相比充分灌溉平均減產(chǎn)710.37 kg/hm2（p<0.05，95%的置信區(qū)間為-1 130.59～-290.16 kg/hm2），灌溉水分利用效率平均增加1.19 kg/m3（p<0.001，95%的置信區(qū)間為0.77～1.62 kg/m3）。I2分別為51.4%、92.4%，異質(zhì)性均大于50%，表明所納入的各研究間存在異質(zhì)性，需要確定異質(zhì)性來源。因此，進(jìn)一步分析葡萄品種、土壤質(zhì)地、田間持水量、樹齡、調(diào)控程度等因素影響下的葡萄產(chǎn)量和水分利用效率對(duì)調(diào)控灌溉的響應(yīng)。

表1 調(diào)控灌溉對(duì)葡萄產(chǎn)量和灌溉水分利用效率的綜合效應(yīng)分析Table 1 Effect of regulated deficit irrigation on greap yield and WUE

2.2 調(diào)控灌溉對(duì)北方葡萄產(chǎn)量、灌溉水分利用效率影響的異質(zhì)性分析

基于316 對(duì)調(diào)控灌溉與充分灌溉的中國北方葡萄產(chǎn)量及灌溉水分利用效率的對(duì)比數(shù)據(jù)，按照不同分組進(jìn)行回歸分析及亞組分析，如圖1 所示。

圖1 中國北方葡萄不同分類下的產(chǎn)量與WUEFig.1 Yield and WUE under different grape classifications in North China

由表2 可知，葡萄品種、調(diào)控程度、品種大類、土壤類型、調(diào)控時(shí)間均不同程度地影響WUE，解釋了其7.44%的異質(zhì)性。調(diào)控程度、土壤類型、田間持水率不同程度地影響產(chǎn)量，解釋了其18.37%的異質(zhì)性。

表2 調(diào)控灌溉下中國北方葡萄產(chǎn)量與水分利用效率的異質(zhì)性分析Table 2 Heterogeneity analysis of irrigated grape yield and WUE in North China

根據(jù)Meta回歸分析結(jié)果對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行多次亞組分析。不同分類下調(diào)控灌溉對(duì)葡萄WUE影響的結(jié)果如圖2 所示。與充分灌溉相對(duì)比，全生育期、著色成熟期的調(diào)控灌溉對(duì)WUE具有顯著的正效應(yīng)，分別使葡萄WUE增加1.57、0.91 kg/m3。除砂壤土外，不同土壤類型均對(duì)葡萄WUE具有顯著的正效應(yīng)。不同程度的調(diào)控灌溉均對(duì)葡萄WUE具有顯著的正效應(yīng)。調(diào)控灌溉下，僅“戶太8 號(hào)”的WUE顯著降低了0.62 kg/m3（95%置信區(qū)間為-0.89～-0.35 kg/m3）；在具有顯著正效應(yīng)的結(jié)果中，鮮食葡萄“陽光玫瑰”、“巨峰”、“遼峰”、“612”和“寒香蜜”表現(xiàn)出更高的正效應(yīng)（＞2.5 kg/m3），“陽光玫瑰”的WUE受調(diào)控灌溉影響最大，為30.13 kg/m3（95%置信區(qū)間為25.25～35.01 kg/m3）。調(diào)控灌溉使鮮食葡萄WUE平均提高1.68 kg/m3，使釀酒葡萄WUE平均提高0.66 kg/m3。

圖2 調(diào)控灌溉措施下不同因素對(duì)中國北方葡萄WUE 影響Fig.2 Effects of different factors on WUE of grape in North China under controlled regulated irrigation

調(diào)控灌溉下，不同因素對(duì)葡萄產(chǎn)量的影響如圖3所示。砂壤土與黏質(zhì)土對(duì)葡萄產(chǎn)量具有顯著負(fù)效應(yīng)，分別為-1 844.56、-1 067.57 kg/hm2。在20%～30%的土壤田間持水率下，調(diào)控灌溉對(duì)葡萄產(chǎn)量表現(xiàn)出最高的負(fù)效應(yīng)，為-1 233.85 kg/hm2。中度與重度調(diào)控灌溉分別使葡萄產(chǎn)量減少1 130.78、1 330.74 kg/hm2。

圖3 調(diào)控灌溉措施下不同因素對(duì)中國北方葡萄產(chǎn)量影響Fig.3 Effects of different factors on yield of grape in North China under controlled regulated irrigation

2.3 中國北方葡萄最佳灌溉定額的區(qū)域化分析

基于不同試驗(yàn)環(huán)境與管理措施，前人得到了北方葡萄最佳灌溉定額的點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中低于500 mm 共32個(gè)站點(diǎn)，主要分布在甘肅、陜西和河北；最佳灌溉定額在500～1 500 mm 之間的共有8 個(gè)果園，主要分布在新疆、寧夏。

利用反距離權(quán)重法得到中國北方釀酒葡萄及鮮食葡萄最佳灌溉量的區(qū)域分布，如圖4（a）和圖4（b）所示。中國北方釀酒葡萄全生育期最佳灌溉定額均介于200～500 mm 之間，呈自南向北逐漸減少的趨勢(shì)，黃土高原區(qū)所需灌溉量較高，在300～500 mm 之間，平均值為356 mm。鮮食葡萄全生育期的最佳灌溉定額呈自東向西的增加趨勢(shì)。中國北方葡萄生育期水分缺額如圖4（c）所示。吉林、遼寧南部、陜西南部、甘肅西南部、河北東部地區(qū)的葡萄全生育期水分缺額為負(fù)值，即降水基本可滿足葡萄生長(zhǎng)發(fā)育需求；其余地區(qū)葡萄全生育期水分缺額＞0 mm，表明需要補(bǔ)充灌溉以滿足葡萄生長(zhǎng)發(fā)育。

圖4 中國北方葡萄最佳灌溉定額和生育期水分缺額空間分布Fig.4 Spatial distribution of the actual optimum irrigation amount and water deficit during growth period during grape growing season in North China

3 討 論

定量分析調(diào)控灌溉對(duì)葡萄產(chǎn)量及WUE的影響，對(duì)農(nóng)業(yè)水資源的高效利用具有重要意義。Meta 分析可將已有研究進(jìn)行歸納總結(jié)，并將眾多影響因素作為協(xié)變量進(jìn)行分析，但在大量納入分析的數(shù)據(jù)中，灌溉定額為試驗(yàn)因素，因此并未將其列入Meta 分析的影響因素中，僅提取各試驗(yàn)點(diǎn)得到的最佳灌溉定額進(jìn)行反距離權(quán)重插值得到中國北方葡萄灌溉定額區(qū)域分布。所納入的文獻(xiàn)中，不同試驗(yàn)?zāi)甑慕邓坎煌?，可能?huì)造成一定誤差。

隨著田間持水率的增加，葡萄產(chǎn)量呈先升高后降低再升高的變化趨勢(shì)，總結(jié)試驗(yàn)條件發(fā)現(xiàn)，葡萄根系在砂土的生長(zhǎng)與定植方向基本一致，葡萄根系更易吸收水分，WUE也更高；而在灌淤土壤中根系垂直方向延伸較快，在沒有明顯鈣積層阻隔的情況下，根系生長(zhǎng)速度與灰鈣土分布深度有關(guān)[18]。在所有納入研究的葡萄品種中，僅“戶太八號(hào)”的WUE在調(diào)控灌溉下呈顯著負(fù)效應(yīng)，可能是由于“戶太八號(hào)”是高產(chǎn)品種，通過犧牲一定的產(chǎn)量來提高WUE并不可行[19]。除產(chǎn)量與WUE外，提升葡萄品質(zhì)也是栽培管理的目的之一。調(diào)控灌溉主要集中對(duì)WUE的研究，對(duì)葡萄品質(zhì)研究較少，品質(zhì)因子中又側(cè)重于調(diào)控灌溉對(duì)葡萄糖酸類物質(zhì)影響的研究，對(duì)葡萄總酚、花色苷、單寧及鮮食葡萄的粒徑、維生素C 等一系列品質(zhì)關(guān)注較少，所以本研究中未將其列入研究范圍。我國北方葡萄最佳灌溉定額的空間分布與生育期水分缺額基本吻合，與李雅善[20]基于水分虧缺指數(shù)的寧夏釀酒葡萄各生育期旱情等級(jí)空間分布類似。最優(yōu)灌溉定額區(qū)間略低于生育期水分缺額，造成這種差異的原因可能是葡萄不同生育期降水分布不均[21-25]。黃土高原區(qū)釀酒葡萄的最優(yōu)灌溉定額高于鮮食葡萄的最優(yōu)灌溉定額，可能是研究站點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)攴莸牟煌隆?/p>

4 結(jié) 論

1）與充分灌溉相比，調(diào)控灌溉使中國北方葡萄減產(chǎn)710.37 kg/hm2，灌溉水分利用效率提高1.19 kg/m3。

2）鮮食葡萄比釀酒葡萄對(duì)調(diào)控灌溉更敏感，WUE可提高61%。

3）中國北方釀酒葡萄最佳灌溉定額介于200～500 mm 之間，新疆區(qū)鮮食葡萄最佳灌溉定額介于500～1 500 mm 之間。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）