郭佳昌，孫西歡，馬娟娟，郭向紅，鄭利劍，孫瑞峰

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

0 引 言

吐魯番是享譽中外的葡萄生產(chǎn)基地，但也是嚴(yán)重缺水的極端干旱區(qū)[1,2]，年平均蒸發(fā)能力高達3 300 mm，2020 年水資源總量僅為12.60 億m3，而農(nóng)業(yè)用水量高達10.27 億m3[3]，灌溉供需矛盾日益加劇。當(dāng)?shù)亻L期以來在葡萄生產(chǎn)管理中使用溝灌進行灌溉，灌溉定額高達1 650 mm[4]，一方面造成水資源嚴(yán)重浪費，另一方面導(dǎo)致樹體營養(yǎng)生長過剩，消耗過多的光合產(chǎn)物，不利于產(chǎn)量提高[5]，因此采用高效節(jié)水灌溉技術(shù)與科學(xué)灌水方案對極端干旱區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來，極端干旱區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)蓬勃發(fā)展，其中滴灌技術(shù)應(yīng)用面積大、范圍廣，眾多學(xué)者研究表明與傳統(tǒng)灌溉方式相比，使用滴灌技術(shù)對葡萄進行灌溉，節(jié)水增產(chǎn)效果明顯[6-8]。極端干旱區(qū)地表蒸發(fā)強度高，滴灌灌水在地表形成的濕潤面會加大無效蒸騰損失，而根區(qū)灌溉方式可以將水分直接補充到作物根系部位，從而減少地面無效蒸發(fā)，這種灌溉特點在極端干旱區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)中有較好的應(yīng)用前景。眾多學(xué)者針對極端干旱區(qū)根區(qū)灌溉方式展開了研究，深層坑滲灌[9]、垂直線源灌[10]等均促進了土壤水分下滲，減少了表層土壤蒸發(fā)，達到了提高產(chǎn)量的目的，然而葡萄吸水根系水平分布范圍較廣，現(xiàn)有根區(qū)灌溉方式下灌溉水水平運移能力還需進一步增強，以促進果樹對水分、養(yǎng)分的吸收利用，提高抗旱能力，因此本試驗借鑒蓄水坑灌法[11]邊壁環(huán)形入滲特點引入一種新型根區(qū)灌溉方式，以期進一步提高根區(qū)灌溉方式在極端干旱區(qū)的節(jié)水增產(chǎn)能力。

適宜葡萄生長的土壤水分上下限因節(jié)水灌溉技術(shù)的不同而變化。前人研究表明綜合考慮葡萄灌水量、產(chǎn)量、品質(zhì)等，小管出流灌溉技術(shù)下，葡萄適宜灌水上下限為田間持水率60%～90%[12]，李波等[13]采用膜下滴灌技術(shù)探明葡萄灌溉控制指標(biāo)為田間持水率的75%～90%，關(guān)于土壤水分調(diào)控的大量研究均是在一定的灌水方式下得到的結(jié)論[14,15]，而本文所采用的根區(qū)灌水方法還尚無研究。綜上，本文采用大田試驗，以溝灌技術(shù)為對照，探討新型根區(qū)灌溉方式對不同深度土層土壤含水率的影響，明確新型根區(qū)灌溉方式下土壤水分分布規(guī)律以及貯水保墑效果；分析不同灌水方式和灌水上下限下葡萄生長、產(chǎn)量及水分利用效率，以期為根區(qū)灌溉方式在葡萄灌溉中應(yīng)用提供理論與實踐依據(jù)，促進極端干旱區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于新疆維吾爾自治區(qū)葡萄瓜果研究所中心試驗基地（地理坐標(biāo)：42°54＇36＂N，90°18＇36＂E），年平均降水量25.3 mm，年蒸發(fā)量3 300 mm 以上，全年日照時數(shù)2 900～3 100 h。土壤質(zhì)地為壤土，0～130 cm 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 試驗設(shè)計

試驗區(qū)氣溫和日降雨量如圖1 所示，種植葡萄為無核白，樹齡7 a，株距約2 m，行距4 m，定植溝為東西走向，溝尺寸采用當(dāng)?shù)仄毡槭褂玫某叽纾ㄈ鐖D2 所示）。選取植株長勢均一且無病蟲害的葡萄樹為試材，葡萄物候期按新梢生長期（4月15日-5月25日）、果實膨大期（5月26日-7月12日）、果實成熟期（7 月13 日-8 月10 日）3 個時期劃分。本試驗采用根區(qū)灌溉方式（RI），以地面溝灌（FI）作為對照，分別設(shè)置3 種灌水上下限：W1（田間持水率50%～80%）、W2（田間持水率60%～90%）、W3（田間持水率70%～100%），采用完全組合設(shè)計，共6 個處理：分別為RIW1、RIW2、RIW3、FIW1、FIW2、FIW3，每個處理設(shè)6 個重復(fù)。葡萄出土上架后按當(dāng)?shù)靥镩g管理措施，采用溝灌方式灌溉開墩水，全生育期葡萄樹灌水次數(shù)及灌水量如表1所示；施肥措施參照當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)，生育初期施用120 kg/hm2的尿素作為基肥，新梢生長期施尿素225 kg/hm2和磷酸二胺185 kg/hm2，果實膨大期施尿素150 kg/hm2和磷酸二銨190 kg/hm2，果實成熟期施硫酸鉀90 kg/hm2，各處理施肥措施相同。根區(qū)灌溉方式的灌水器是直徑為20 cm、埋設(shè)深度為40 cm，頂部與底部不透水，通過邊壁環(huán)形入滲的圓柱形結(jié)構(gòu)，距葡萄樹樹干50 cm 處對稱布置4 個灌水器，灌水器通過軟管與支管相接，圖3為根區(qū)灌溉田間布置示意圖。

表1 葡萄全生育期灌水方案m3/hm2Tab.1 Irrigation scheme for grapes in the whole growth period

圖1 試驗區(qū)日平均溫度、最高溫、最低溫及日降雨量Fig.1 Daily average temperature, maximum temperature, minimum temperature and daily rainfall in the test area

圖2 溝灌田間布置示意圖（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of ditch irrigation field layout

圖3 根區(qū)灌溉田間布置示意圖（單位：cm）Fig.3 Schematic diagram of root zone irrigation field layout

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤水分

采用TRIME-PICO-IPH 管式TDR 含水率監(jiān)測儀對0～100 cm 土層（其中壟側(cè)以40 cm 土層作為0 cm 土層）進行含水率測定，每層深度為20 cm，每5 d 測定一次，灌水后和每個生育期始末加測一次。

1.3.2 新梢生長指標(biāo)

每個處理選取大小均一、長勢良好、具有代表性的3個枝條掛牌標(biāo)記，不修剪，分別在新梢生長期、果實膨大期、果實成熟期后期使用卷尺測定新梢長度，使用游標(biāo)卡尺測定新梢直徑。

1.3.3 果實生長指標(biāo)、產(chǎn)量及灌溉水利用效率

進入果實膨大期后監(jiān)測果實生長動態(tài)，每隔7 d 隨機選取3 串葡萄，從每串葡萄的上、中、下分別選取9 顆葡萄使用精度為0.01 g的電子天平測量并記錄葡萄單果重，采用公式（1）計算葡萄單果重增長速率，果實成熟期末測定各處理產(chǎn)量，并采用公式（2）計算灌溉水利用效率。

式中：v為葡萄果實單果重增長速率，g/d；w1為時段初單果重，g；w2為時段末單果重，g；Δt為時段天數(shù)，本試驗中為7 d。

式中：IWUE為灌溉水利用效率，kg/m3；Y為葡萄產(chǎn)量，kg/hm2；I為葡萄全生育期灌水量，m3/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 25.0 軟件進行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析，不同處理間的差異采用單因素方差分析，均采用LSD 法進行顯著性檢驗（P＜0.05），通過雙因素方差分析法研究灌溉方式和灌水上下限以及兩者的交互作用對土壤水分分布、新梢生長、果實生長和產(chǎn)量指標(biāo)影響的顯著性。使用Origin 2021軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 根區(qū)灌溉方式下土壤水分分布特征

2.1.1 根區(qū)灌溉方式下不同土層深度的土壤水分分布特征

由于每個灌水周期內(nèi)土壤水分分布規(guī)律相似，因此選取果實膨大期灌水周期內(nèi)不同處理的土壤垂向平均含水率進行分析，如圖4 所示。同一灌溉方式下，土壤含水率隨著灌水上下限的提高而增大，0～20 cm 土層FIW3 比FIW2、FIW2比FIW1 分別增加了6.24%、15.50%，40～60 cm 土層RIW3 較RIW2、RIW2 較RIW1 分別增加了8.44%、16.44%。同一灌水上下限條件下，根區(qū)灌溉與溝灌相比，溝灌處理0～20 cm土層平均含水率比根區(qū)灌溉提高了6.23%，而40～60cm、60～80 cm 土層分別下降了6.77%、2.31%，即根區(qū)灌溉方式促進了水分向中深層土壤滲透，使得40～80 cm 處含水率增大。

圖4 果實膨大期不同處理下各土層土壤平均含水率Fig.4 Average soil moisture content of each soil layer under different treatments during fruit expansion

2.1.2 根區(qū)灌溉方式下土壤水分分布二維分布特征

為進一步分析不同灌水方式對土壤濕潤體分布的影響，選取果實膨大期灌水周期內(nèi)RIW2、FIW2 處理距葡萄樹干水平距離-90～90 cm（以葡萄樹干為原點，左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正，其中-40～80 cm 處為溝，剩余部分為壟）處不同深度的土壤平均含水率，繪制土壤水分二維分布圖，如圖5所示。垂直方向上RIW2 土壤含水率呈現(xiàn)單峰變化趨勢，即在0～40 cm 土層快速增大，40～60 cm 土層達到峰值后趨于減??；而FIW2 土壤含水率在0～40 cm 土層土壤含水率處于較高水平，40～100 cm 土層土壤含水率逐漸減小。水平方向上，以葡萄樹干為原點，RIW2 表現(xiàn)為隨著距離的增加土壤含水率先增加再減小，距樹干60 cm 處含水率達到最大，其中-60 cm 處含水率較-30 cm 處提高了1.77%；而FIW2 土壤含水率隨著距離的增加而逐漸減小，30 cm 較60 cm，60 cm 較90 cm 分別增加了1.53%、9.06%，即RIW2 水平土壤含水率變化趨勢為雙峰曲線，而FIW2 為單峰曲線。整體來看，F(xiàn)IW2、RIW2 溝壟水分分布上有所差異，F(xiàn)IW2溝側(cè)土壤平均含水率較壟側(cè)增加了15.37%，而RIW2 壟側(cè)相較于溝側(cè)減小了8.20%，根區(qū)灌溉方式下溝壟水分分布更均勻。

圖5 果實膨大期不同灌水方式下土壤水分二維分布Fig.5 Two-dimensional distribution of soil water under different irrigation methods during fruit expansion

2.2 根區(qū)灌溉方式對葡萄生長的影響

2.2.1 根區(qū)灌溉方式對葡萄新梢生長的影響

表2 為不同處理下葡萄各生育期內(nèi)新梢長度生長量，圖6表示不同處理對葡萄新梢直徑生長的影響，不同處理新梢長度、直徑的增長趨勢大致相同，即新梢生長期生長快速，新梢長度、直徑的平均生長速率分別為3.49 cm/d、0.25 mm/d；進入果實膨大期后生長緩慢，新梢長度、直徑的增速與新梢生長期相比下降了54.03%、88.08%；果實成熟期新梢生長基本停止。不同處理新梢生長規(guī)律相似，但各生育期內(nèi)生長速率不同，新梢生長期RIW2 新梢長度生長速率較RIW1 增加了29.41%；果實膨大期RIW2 新梢長度生長速率較FIW2 減小了18.41%。

表2 不同處理對葡萄新梢長度的影響cmTab.2 Effect of different treatments on the length of grape shoots

圖6 不同處理對葡萄新梢直徑的影響Fig.6 Effect of different treatments on the diameter of grape shoots

土壤含水量的高低與新梢生長有密切聯(lián)系，同一灌水上下限、不同灌溉方式下，土壤含水率分布規(guī)律不同，導(dǎo)致新梢最終生長量存在極顯著差異，溝灌處理新梢平均長度、直徑比根區(qū)灌溉處理分別增加了12.08%、1.66%。同一灌溉方式、不同灌水上下限下，RIW3 新梢長度分別比RIW1、RIW2增加了69.39%、12.44%；FIW3 處理新梢直徑分別比FIW1、FIW2 處理增加了13.74%、1.87%。RIW1、FIW1 新梢生長量遠低于其他處理，可能是由于新梢生長期是新梢生長的關(guān)鍵時期，而在此時期RIW1、FIW1 處理土壤平均含水率處于較低水平，導(dǎo)致新梢生長受到一定程度抑制。灌溉方式與灌水上下限二者耦合極顯著影響了新梢最終長度，RIW1 處理較FIW3減小了47.11%。

2.2.2 根區(qū)灌溉方式對葡萄果實生長的影響

單果重是葡萄果實生長的重要指標(biāo)之一，圖7表示不同處理下葡萄單果重生長速率隨時間的變化規(guī)律，表3為各處理葡萄最終單果重。果實生長速率呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，單果生長速率在6 月26 日達到最大，RIW2 葡萄單果生長速率快，最大生長速率為0.08 g/d，分別比RIW1、FIW1 增大61.11%、70.59%。同一灌溉方式、不同灌水上下限下，RIW2單果重較RIW1增加了51.15%；同一灌水上下限、不同灌溉方式下，溝灌處理葡萄單果最大生長速率及單果重均小于根區(qū)灌溉方式，RIW3 單果重較FIW3 增加了20.56%；灌溉方式、灌水上下限及其交互作用對葡萄單果重的影響達到了極顯著水平（P＜0.01），RIW2單果重較FIW1增加了77.70%。

表3 不同處理對葡萄最終單粒重的影響gTab.3 Effect of different treatments on final single grain weight of grapes

圖7 不同處理下葡萄單粒重增長速率Fig.7 Growth rate of grape single grain weight under different treatments

2.3 根區(qū)灌溉方式對葡萄產(chǎn)量及灌溉水利用效率的影響

灌溉水利用效率是衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效水平的重要指標(biāo)，圖8表示不同處理下葡萄最終產(chǎn)量及灌溉水利用效率的變化規(guī)律。各處理間產(chǎn)量大小表現(xiàn)RIW2＞RIW3＞FIW3＞FIW2＞RIW1＞FIW1，同一灌溉方式、不同灌水上下限下，F(xiàn)IW3處理灌水量較FIW1、FIW2 分別增加了40.84%、27.79%，產(chǎn)量只提高了33.14%、5.20%；RIW2 處理產(chǎn)量略高于RIW3，二者無明顯差異（P＞0.05），但RIW2 處理灌溉水利用效率比RIW3 提高了8.50%。同一灌水上下限、不同灌溉方式下，根區(qū)灌溉條件下W1、W2、W3 產(chǎn)量較溝灌處理分別增加了12.15%、13.83%、7.84%，節(jié)水10.65%～24.39%，灌溉水利用效率提高27.40%～42.64%。不同的灌溉技術(shù)與灌水上下限耦合顯著影響了灌溉水利用效率，F(xiàn)IW1 比RIW2 產(chǎn)量減小了30.56%，灌溉水利用效率下降了31.62%。

圖8 不同處理對葡萄產(chǎn)量及灌溉水利用效率的影響Fig.8 Effect of different treatments on grape yield and irrigation water use efficiency

3 討 論

3.1 灌溉方式、灌水上下限對土壤水分分布的影響

灌溉方式以及灌水上下限能直接引起土壤水分分布變化[18,19]。試驗研究表明根區(qū)灌溉方式下土壤垂向含水率在40～60 cm 土層達到最大，這主要是由于灌溉水由灌水器邊壁環(huán)形入滲，灌溉水在重力作用下進一步向中深層土壤滲透[20]；溝灌技術(shù)下灌溉水自地表入滲，水分集中于土壤表層，0～40 cm 處含水率高于根區(qū)灌溉處理。要家威等[21]研究表明地下滴灌相對于地面灌溉處理，有效降低地表0～20 cm 土壤含水率，棵間蒸發(fā)減小了30%，即根區(qū)灌溉下土壤垂向水分分布特點有利于減少地面無效蒸發(fā)。不同灌溉方式下水平方向上土壤水分分布存在差異，與溝灌相比，根區(qū)灌溉下溝壟兩側(cè)水分分布更均勻，這是由于溝灌時灌溉水集中于灌水溝，而根區(qū)灌溉灌水器距葡萄樹50 cm 處對稱布設(shè)，溝壟兩側(cè)水分分布均勻，灌溉水水平運移能力提高。前人研究表明，不同深度土層的含水率隨著灌水下限的提高而增大[20]，與本試驗研究結(jié)論類似，同時試驗結(jié)果表明隨著灌水上下限的增加，土壤平均含水率增幅變小，這是由于相對土面蒸發(fā)強度與表層土壤含水率之間呈正相關(guān)關(guān)系[22]，W3 灌水上限達到田間持水率，果樹棵間蒸發(fā)變大，造成水分無效損失。

3.2 灌溉方式、灌水上下限對葡萄生長發(fā)育的影響

土壤水分分布方式及濕潤層含水率的高低會直接影響果樹的水分狀況，經(jīng)過一系列生理生化反應(yīng)，最終表現(xiàn)在果樹形態(tài)與產(chǎn)量構(gòu)成上[23-25]。本試驗中根區(qū)灌溉方式下新梢生長量小于溝灌，但果實生長優(yōu)于溝灌處理，這是由于新梢生長期溝灌處理表層含水率高，新梢生長旺盛，同時根區(qū)灌溉方式水分聚集在中深層土壤，表層含水率較低，這種水分分布特點會減少淺層根系充分吸收水分，從而限制了新梢的徒長[26]；楊凡等[27]研究表明與無膜滴灌相比，膜下滴灌的增產(chǎn)機理為土壤蒸發(fā)較小、水分較高，從而有利于作物生長發(fā)育；陳麗楠等[28]指出根區(qū)交替滴灌處理可以降低樹體冗余生長量，提高果實生長量；而根區(qū)灌溉方式一方面針對極端干旱區(qū)地表蒸發(fā)強度大的特點，提高了深層保水能力，減小了水分無效蒸騰損失，使灌溉水能更多地用于果樹生長發(fā)育；另一方面抑制果樹營養(yǎng)生長，最終促進了果實生長。李蕊等[17]研究表明隨著灌水上、下限的增大，蘋果新梢累計增長量增大；過低的灌水下限雖然可以提高灌溉水利用效率，但植株受旱易發(fā)生早衰，導(dǎo)致產(chǎn)量降低[29]；何平如等[30]指出土壤水分下限過高引起灌水量的增加，導(dǎo)致棉花側(cè)重營養(yǎng)生長且產(chǎn)量未明顯提高。本試驗研究結(jié)果表明：根區(qū)灌溉方式下，新梢生長量隨著灌水上下限的提高而增加，而果實生長則表現(xiàn)為RIW2處理果實生長速率及單果重均優(yōu)于RIW3，RIW1 處理單果重最小，這可能是因為果實膨大期是果實生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，當(dāng)灌水下限為田間持水率50%時會造成一定的水分脅迫，不能完全滿足果實生長發(fā)育需求[31]；灌水下限為田間持水率70%，上限為田間持水率100%時，果實生長的水分需求得到滿足，但灌水量大也容易導(dǎo)致葡萄營養(yǎng)生長旺盛，不利于果實單果重的提高[32]。高效節(jié)水灌溉方式與合理的灌水量對作物生長發(fā)育具有相互促進的關(guān)系[33]，李中杰[34]研究表明灌溉技術(shù)和灌水量二者的交互作用對蘋果樹新梢長度、蘋果果徑和果實體積產(chǎn)生極顯著影響（P＜0.01），與本試驗研究結(jié)論類似。

3.3 根區(qū)灌溉下灌溉效果評價

根區(qū)灌溉方式抑制了土壤蒸發(fā)，促進了灌溉水高效利用，調(diào)節(jié)了葡萄生長過程中營養(yǎng)生長與生殖生長的比例，最終起到了節(jié)水增產(chǎn)的作用。節(jié)水增產(chǎn)能力是灌溉技術(shù)的重要評價指標(biāo)，張建豐等[9]研究表明總產(chǎn)量減產(chǎn)1%時，深層坑滲灌與溝灌相比可以節(jié)水52%，本試驗中根區(qū)灌溉方式較溝灌處理節(jié)水10.65%～24.39%，卻能增產(chǎn)7.84%～13.83%；王永杰等[10]研究表明垂直線源灌下灌溉水利用效率為3.78 kg/m3，根區(qū)灌溉方式較垂直線源灌的灌溉水利用效率平均提高了65.87%。綜上，本文提出的根區(qū)灌溉方式節(jié)水增產(chǎn)能力強，在葡萄灌溉中具有一定優(yōu)越性。

4 結(jié) 論

本文針對極端干旱區(qū)的葡萄灌溉提出了一種新型的根區(qū)灌溉方式，與傳統(tǒng)的溝灌比較研究，得到如下結(jié)論：

（1）本試驗條件下，根區(qū)灌溉方式土壤水分溝壟兩側(cè)分布均勻，隨著土壤深度的增加，土壤垂向含水率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；與溝灌相比提高了深層土壤含水率，具有保墑抑蒸的效果。

（2）根區(qū)灌溉方式抑制了新梢徒長，促進了果實生長，顯著提高了單果重，其中根區(qū)灌溉處理RIW2 單果重最大，F(xiàn)IW1最小。

（3）不同灌水上下限條件下，根區(qū)灌溉處理葡萄產(chǎn)量和水分利用效率均高于溝灌處理。其中，RIW2 處理即采用根區(qū)灌溉方式，灌水上下限為60%～90%田間持水率時產(chǎn)量及灌溉水利用效率均最大，分別為24 829.17 kg/hm2、6.60 kg/m3，可為極端干旱區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)提供參考。