滴灌施肥对红地球葡萄产量、品质及土体氮磷钾分布的影响

张 杰，韩 建，孙卓玲，张丽娟，尹 兴，汪新颖，吉艳芝

（河北农业大学资源与环境学院/河北省农田生态环境重点实验室/河北农业大学邸洪杰土壤与环境实验室，保定 071000）

葡萄 (Vitis vinifera Linn.) 是“世界四大水果”之一，其种植面积及产量均居世界前列。中国是世界上主要的葡萄种植国家，其中2016年种植面积已达8.09 × 105hm2，产量达 1.37 × 107t，居世界首位。河北省作为我国的葡萄主产区之一，2016年种植面积和产量分别为 8.83 × 104hm2、1.71 × 106t，居全国第二位[1]。红地球葡萄 (Vitis vinifera L.cv) 属欧亚品种，因其风味鲜美、耐储运而受人喜爱，目前种植面积已超过2.70 × 104hm2，成为巨峰之后的第二大鲜食葡萄品种[2]。随着果园集约化程度的提高，水肥投入管理逐渐受到果农的重视[3]，然而在经济利益的驱使下，部分果农在管理过程中长期盲目地过量投入化肥，不仅导致养分资源的严重流失，而且还使土壤环境进一步恶化[4-5]，并且氮、磷、钾等养分的不合理施用还易造成枝条徒长、果品下降等一系列问题[6-7]。合理施肥可以改善土壤环境，提高作物品质及产量[8]，马振朝等[9]研究发现河北省葡萄园氮、磷、钾养分投入量均远超过果树需求量，致使土壤中养分累积量过高，同时发现合理降低投入量能够实现葡萄优质高产，土壤环境改善。滴灌施肥技术可以精准地调控灌水用量与频率、肥料投入量与比例，在节水节肥的条件下，使葡萄产量及品质得到显著提升[10-11]。Kang等[12-13]研究发现在滴灌施肥情况下，降低75%的氮肥投入量能够显著提高葡萄产量，之后研究又发现减少50%的钾肥投入量能够显著提高产量，品质无明显差异；张兴国等[14]研究发现较传统水肥管理，滴灌施肥技术可以在节水节肥的同时显著提高葡萄果实中的含糖量及糖酸比，且产量无显著差异；林华等[15]试验表明，滴灌在节水50%的条件下，可使‘红地球'葡萄产量提高17%，含糖量升高1.9%；杜军等[16]研究发现滴灌施肥可节水48%，葡萄产量提高67%，糖度提高3～5度。滴灌施肥能有效降低土壤养分淋失，减少养分投入量[17-18]。黄丽华等[19]研究发现滴灌施肥可以有效地减少14.5%～56.4%的氮素流失；Hebbar等[20]发现滴灌施肥可以有效地减轻土壤中硝态氮和钾的渗漏现象。可见滴灌施肥不仅可以提高葡萄园水肥的利用效率，而且还能优化土壤环境，改善果实品质。前人研究主要集中在滴灌施肥对葡萄产量、品质或土体养分等单方面的影响，未能综合分析滴灌施肥对经济效益及生态环境的影响，因此本研究以河北省葡萄园为研究对象，针对葡萄生产过程中盲目水肥投入现状，共设置了5个不同的水肥投入水平，分析不同水肥投入量对果实产量、品质及关键生育期0—100 cm土层中N、P2O5、K2O分布特征的影响，明确河北省‘红地球'葡萄适宜的水肥投入水平，为科学合理地制定葡萄水肥管理策略提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012年5月—2013年10月进行，地点为河北怀来县葡萄科技示范园，地处北纬40.4°，与法国波尔多地区纬度一致，属温带大陆性季风气候，≥ 10℃的活动积温在3500℃以上，光照充足，昼夜温差大，年降水量为413 mm，非常适合葡萄生长。

果园土壤为褐土，质地偏砂，基本理化性质如表1。土壤有机质含量较低，硝态氮分布不均匀，浅层含量较高，深层含量较低[17]，速效磷、速效钾含量较高，依据河北省果园地力评价指标，该葡萄园土壤的肥力状况处于中等水平。

1.2 试验设计

试材为15年‘红地球'葡萄，共设5个处理，分别为传统灌溉施肥 (CK)、传统施肥 + 滴灌 (FCK +D)、滴灌施肥Ⅰ (F1 + D)、滴灌施肥Ⅱ (F2 + D)、滴灌施肥Ⅲ (F3 + D)。其中CK与FCK + D施肥总量相同 (N、P2O5、K2O总施入量分别为2708.7、2615.45、1315.2 kg/hm2)，与CK相比，F1 + D总N、P2O5、K2O施入量分别降低了68.32%、87.61%、40.47%；F2 + D较F1 + D减少17.31%的磷和12.54%钾肥施用量；F3 + D较F1 + D降低18.53%的氮肥施用量，磷、钾肥投入量与F2 + D相同；灌溉处理各时期用水量相同，小区面积为330 m2(5 m × 66 m)，3次重复。每个处理分别在土层30 cm和90 cm处埋设土壤溶液提取器。

传统处理和滴灌处理除水肥管理方式不同外，其他管理方式均一致。各处理均在秋季葡萄收获后施用基肥，有机肥为干鸡粪，氮、磷、钾的有效养分含量分别为2.34%、0.93%、1.61%。传统水肥管理根据当地果农管理习惯进行，沟施有机肥45 t/hm2，沟灌2400 mm，各时期沟施追肥，施肥后灌水；滴灌施肥处理沟施有机肥15 t/hm2[21]，灌水量为传统管理的45%[22-24]，追肥采用水溶肥，施肥量根据葡萄100 kg果实养分吸收量[25]、土壤养分供应状况[26]和2000 kg目标产量等条件确定。各处理养分投入量见表2。

1.3 样品采集与测定

果实产量测定：收获时实收测产。

果实品质测定：果实成熟时，在所选取的5株具有代表性果树的前、中、后各选取果穗1个，混匀后，装在洁净干燥的网兜中，及时带回实验室。测定千粒重、Vc含量、可滴定酸、pH值、可溶性固形物、可溶性固形物与可滴定酸含量的比值 (简称固酸比)[27-29]等指标。

土壤样品测定：在秋施基肥前及各关键生育时期采集0—100 cm (20 cm为间隔) 土样，测定土壤理化性质。土壤pH值、容重、有机质、速效磷、速效钾以及NO3--N含量采用常规农化分析方法测定[30]。土壤溶液NO3--N测定：每次灌溉或降雨后采集30 cm、90 cm土壤溶液，冷冻保存。测定前解冻，用TRACCS2000型连续流动分析仪测定土壤溶液的NO3--N含量。

表 1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

表 2 不同处理的施肥量和灌水量次数、灌水量Table 2 Fertilizer and irrigation amounts of different treatments

肥料偏生产力 = 产量/纯氮、磷、钾总投入量[31]

灌溉水利用效率 = 产量/灌溉水用量[32]

1.4 数据分析

采用SPSS17.0进行数据统计和方差分析，单因素方差分析及多重比较采用Duncan检验。

2 结果与分析

2.1 滴灌施肥对葡萄产量与品质的影响

由表3可以看出，2012年滴灌施肥的F1 + D产量最高，为28830 kg/hm2，传统管理 (CK) 产量为24115 kg/hm2，与F2 + D、F3 + D和FCK + D差异不显著。2013年花期授粉受降雨影响，导致各处理产量较2012年均有所降低，但F1 + D仍显著高于其他处理 (P＜ 0.05)，产量为27272 kg/hm2。由此可见，推荐施肥 (后期增施钾肥) 与滴灌相结合对红地球葡萄具有明显的增产作用。

2012年滴灌处理的千粒重均有高于传统处理的趋势，F3 + D差异显著 (P＜ 0.05)；F1 + D的可溶性固形物和固酸比均表现较高趋势，但各处理间无显著差异；F2 + D的pH和可滴定酸显著高于CK (P ＜0.05)，但与其他处理差异不显著；Vc含量表现为推荐施肥显著高于传统施肥 (P＜ 0.05)；2013年可能受降水影响，各品质指标在处理间均未表现出显著差异，但变化趋势与2012年基本一致，因此，推荐施肥结合滴灌能够改善葡萄品质。

2.2 滴灌施肥对土体氮素分布及淋移的影响

2.2.1 土壤剖面硝态氮分布 由表4可看出，滴灌施肥能明显减少土壤硝态氮向下淋移 (P＜ 0.05)。各处理0—20 cm土层的硝态氮，均为萌芽期高于其他时期，是由于秋施基肥的分解，树体吸收量较低所致。随着树体的生长，表层硝态氮逐渐降低，20—100 cm土层的硝态氮表现为萌芽期和花前期基本一致，但均高于膨大期和收获期。各处理萌芽期和花前期均在60—80 cm处有一峰值，而后两个时期的峰值下移到80—100 cm，由此说明任何水肥管理均会出现硝态氮在土体剖面中的运移。传统水肥在60 cm以下显著增加，这与大量灌水有关；传统施肥与滴灌处理在0—20 cm硝态氮含量最高，达到87.90 mg/kg，显然也是由于灌水量低于传统灌溉肥导致向下淋移降低，这与许娥[33]的研究结果一致。各时期中，推荐施肥与滴灌结合的NO3--N含量在整个剖面无显著差异性，但与传统水肥存在差异，尤其60 cm以下土层差异显著 (P＜ 0.05)。F1 + D在各土层中分布较均匀，平均含量为27.34 mg/kg，且整体水平较低。

2.2.2 土壤溶液硝态氮动态 由图1可以看出，20—40 cm处随着生育期的延长，硝态氮含量逐渐下降，收获时数值最低；80—100 cm处的硝态氮含量趋于稳定，并出现先降低而后又上升的趋势；由此说明土壤上层的硝态氮在生长后期已经淋移出20—40 cm土层，甚至影响已经到80—100 cm处，因此水肥管理至关重要。生长前期20—40 cm处，传统水肥的硝态氮平均含量为99.54 mg/kg，显著低于滴灌处理 (P＜ 0.05)，滴灌处理间无显著差异；各处理在生长后期均未表现出差异；这也充分说明经过一年试验，传统水肥的硝态氮淋移出20—40 cm土层的数量较多，累积在80—100 cm土层的含量也最高，含量达到244.52 mg/kg。在6月27日左右由于天气干旱，土壤水分蒸发强烈导致硝态氮随水分上移至地表浅层并发生累积，而到生育后期各处理间无显著性差异。由于FCK + D的施氮量高于推荐施肥处理，故表现为较高的累积量；滴灌施肥处理间差异不显著，但F3 + D的含量较低，平均值为95.89 mg/kg。

表 3 不同处理对红地球葡萄产量和品质的影响Table 3 Effect of different treatments on yield and quality of grape

表 4 2013年不同生育期土壤NO3--N的动态变化 (mg/kg)Table 4 Dynamics of soil NO3--N at different stages of grape in different treatments in 2013

图 1 2013年30和90 cm深度不同生育期土壤溶液NO3--N含量动态变化Fig. 1 NO3--N contents in 30 and 90 cm of soil under different treatments at different stages of grape in 2013

2.3 土壤剖面速效磷分布特征

图2显示，土壤速效磷含量随着土层的加深逐渐降低，尤其是萌芽期和花前期0—40 cm土层的速效磷含量下降迅速，到了生长后期，呈现缓慢降低的趋势；各处理在整个生育期，在40 cm以下土层的速效磷含量基本一致，由此说明速效磷淋移速度较慢，能更多地累积在土壤上层，供应树体吸收利用。传统水肥处理施磷量为2625.45 kg/hm2，远高于推荐投入量的207 kg/hm2，致使各时期在0—100 cm土层中的含量高于滴灌施肥，整个生育期的平均含量比滴灌水肥高66.4%。在3个推荐水肥处理中，F1 + D在0—60 cm土层中速效磷平均含量为74.91 mg/kg，高于F2 + D和F3 + D，而60—100 cm平均含量为28.56 mg/kg，低于F2 + D和F3 + D，有利于土壤对植株磷的供应。因此，滴灌施肥因肥料施用与水分投入间比例协调，促进葡萄对磷的吸收利用，降低速效磷的淋溶损失，有利于减少施肥对地下水造成的污染。

2.4 土壤剖面速效钾分布特征

图3显示，各处理在整个土壤剖面中均随深度增加而逐渐减少；0—20 cm土层，膨大期的速效钾含量最高，这与施钾肥有关，因这一时期为葡萄需钾高峰期，无论传统还是推荐施肥，均重视钾肥的投入。20 cm以下土层，各处理在每个时期的含量差异不显著，且速效钾含量数值变化不大。传统水肥管理施钾量为1315.2 kg/hm2，高于推荐水肥处理投入量，致使0—100 cm土层中的速效钾平均含量高于滴灌施肥；但在生育后期由于钾肥投入量减少，0—40 cm土层中速效钾含量降低至417.19 mg/kg，与推荐水肥处理差异不显著，但在40—100 cm土层中仍然显著高于推荐施肥 (P＜ 0.05)。由于FCK +D与传统施肥量相同但灌水量显著低于传统水肥处理，导致土壤各层中表现出较高的累积量，整个生育期内的平均含量为328.87 mg/kg，高于3个推荐施肥处理 (平均值为268 mg/kg)。F1 + D、F2 + D和F3 + D在0—60 cm土层中平均含量分别为355.3、346.72、382.74 mg/kg，60—100 cm分别为126.11、117.75、139.00 mg/kg，各处理间差异不显著；且因F1在膨大期和浆果期投入的钾量最高，符合该时期葡萄大量需钾的要求，因此F1 + D处理的水肥方案更为合理。

2.5 水肥利用效率及经济效益

滴灌施肥对水分利用效率 (WUE) 和肥料偏生产力 (PFP) 均有显著影响 (表5)。2012、2013年CK的WUE分别为5.36、5.12 kg/m3，均显著低于滴灌施肥各处理 (P＜ 0.05)；滴灌处理 (FCK + D、F1 +D、F2 + D和F3 + D) 比较，2012年的F1 + D处理显著高于其他处理 (P＜ 0.05)，较CK提高了10.02 kg/m3，2013年与滴灌施肥各处理无显著差异。PFP的表现趋势与WUE一致，滴灌水肥处理的PFP显著高于传统水肥处理，2012年和2013年平均提高了9.39 kg/kg；2012年FCK + D显著低于F1 + D、F2 + D和F3 + D (P＜ 0.05)，在滴灌施肥处理中以F1 + D最高，较CK提高了17.47 kg/kg。因此推荐水肥管理显著提高了水分利用效率与肥料偏生产力，能够减少水肥的投入成本。

图 3 2013年不同时期土壤剖面速效钾分布状况Fig. 3 Available potassium contents in soil profile under different treatments in 2013

表 5 滴灌施肥对鲜食葡萄成本及收益的影响Table 5 Effect of types of drip irrigation and fertilizer on cost and benefit of fresh grapes

不同施肥和灌溉条件下，成本投入和效益明显不同。如表5所示，2012年滴灌水肥管理节本增效明显，与CK相比，滴灌水肥处理除设备费用每年增加2250 元/hm2外，其他各项费用明显减少 (P＜0.05)；F1 + D、F2 + D、F3 + D在水肥投入及用工成本上较传统管理分别节省了19485、20175、19380元/hm2，节本增效分别达到64385、22475、8180元/hm2。在2013年，滴灌施肥在水费、工本费和设备费与2012年相同，与CK相比，FCK + D、F1 +D、F2 + D、F3 + D在水肥投入及用工成本上较传统管理分别节约了3450、16230、16920、16125元/hm2；F1 + D总收益最明显，为65004 元/hm2，显著高于其他处理 (P＜ 0.05)。

3 讨论

在葡萄生育期间，水肥投入情况直接关系到植株的生殖生长与营养生长[34]，合理的水肥管理状况有助于提高葡萄产量，改善果实品质，优化土壤环境。然而水肥管理是一把无形的“双刃剑”，盲目地加大投入量不仅会导致果品质量下降、水肥利用率降低、土体养分分布失衡，甚至还会造成地下水污染进而破坏人类赖以生存的自然环境[35]，因此平衡施肥与合理灌溉是获得葡萄持续高产高效与降低环境风险的双重保障[36]。

合理施肥可以使葡萄产量提高12.4%～38.0%，滴灌水肥管理技术能够根据葡萄生长情况适时、适量地调节水肥投入量，进而实现果实优质高产。魏延珍等[37]研究表明水肥一体化能够显著提高葡萄产量、可溶性固形物及Vc含量，并且能够降低果实可滴定酸含量。本试验中滴灌施肥能够提高葡萄的产量与品质，其中2012年表现较为明显，F1 + D处理产量达到了28830 kg/hm2，较CK提高了19.55%；千粒重、糖度、可滴定酸、固酸比等品质指标均有所改善，尤以果实Vc含量增加显著，平均提高13.51%；相比于2012年，2013年产量和品质有所降低，各处理间无显著差异，可能与葡萄生长季内降雨频繁，致使开花授粉受到影响。

养分投入水平是关系到土壤环境的重要因素，合理施用能优化土壤质量，过量则易给环境带来巨大压力，赵同科等[38]研究表明，近年来由于大量施用氮肥已导致河北省地下水总体上污染严重。滴灌水肥管理技术能够根据葡萄不同时期的需肥特性及时作出合理调整，较传统水肥管理节水节肥效果显著。许娥[33]研究发现滴灌施肥在可节水25.6%、节肥33.2%的情况下，果实的产量与品质没有显著下降；山东省土肥总站灌溉施肥示范效果统计，灌溉施肥每公顷节肥585～1395 kg，节约37.2%左右，降低了肥料向下淋移的风险。本试验结果表明，采用滴灌水肥处理能够使河北省怀来县葡萄生产节肥67.3%，节水61.33%，同时显著减少了深层土壤中NO3--N的累积，降低了向下淋洗的风险。

与传统水肥管理相比，滴灌施肥技术节本增效明显。研究表明滴灌施肥节水率达30%以上，节肥50%～70%[39-40]，刘艾英等[41]研究表明，与传统水肥管理相比较，采用滴灌水肥可使葡萄增产2.3%～14.1%，肥料投入成本可节约9.1%～24.5%，肥料偏生产力可提高2.3～3.2倍；钟勇法等[42]研究也发现采用水肥一体化不仅可以实现节水节肥，而且还能提高亩产、节约人工成本，从而有效地实现葡萄园节本增效。本试验3个推荐水肥管理节水60%，养分总投入节约70.3%～85.4%，节本增效收益显著高于传统施肥。水肥投入时期和投入比例对葡萄产量、品质与经济效益有很大影响，3个推荐水肥管理水肥投入量基本一致，后期增施钾肥的F1 + D处理在产量、品质和节本增效等方面均高于F2 + D (膨大期增加氮肥) 和F3 + D (花后期增施磷肥)，其中F1 + D增收最高，2012年和2013年分别达47150、51024 元/hm2。

4 结论

1) 采用滴灌施肥技术能够提高红地球葡萄产量与果实品质，与传统水肥管理相比，在不降低施肥水平和比例的前提下，采用滴灌施肥的产量和Vc含量分别提高19.6%、16.7%，减少肥料投入水平，采用滴灌施肥单粒重提升10.8%。

2) 采用滴灌施肥技术能够减少养分淋移，显著降低深层土壤中硝态氮、速效磷和速效钾含量。

3) 采用滴灌施肥技术显著提高了水肥利用效率，降低水肥投入及用工成本，年收入较传统水肥平均提高64800元/hm2。

4) 综合比较各处理，滴灌施肥Ⅰ的管理方式在实际生产中表现效果最优，即提高了葡萄产量、品质，又优化了土体养分分布，同时增加了果园经济效益。