根区灌溉下不同灌水上下限对极端干旱区葡萄生长及产量的影响

郭佳昌，孙西欢，马娟娟，郭向红，郑利剑，孙瑞峰

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引 言

吐鲁番是享誉中外的葡萄生产基地，但也是严重缺水的极端干旱区[1,2]，年平均蒸发能力高达3 300 mm，2020 年水资源总量仅为12.60 亿m3，而农业用水量高达10.27 亿m3[3]，灌溉供需矛盾日益加剧。当地长期以来在葡萄生产管理中使用沟灌进行灌溉，灌溉定额高达1 650 mm[4]，一方面造成水资源严重浪费，另一方面导致树体营养生长过剩，消耗过多的光合产物，不利于产量提高[5]，因此采用高效节水灌溉技术与科学灌水方案对极端干旱区葡萄产业可持续发展具有重要意义。

近年来，极端干旱区节水灌溉技术蓬勃发展，其中滴灌技术应用面积大、范围广，众多学者研究表明与传统灌溉方式相比，使用滴灌技术对葡萄进行灌溉，节水增产效果明显[6-8]。极端干旱区地表蒸发强度高，滴灌灌水在地表形成的湿润面会加大无效蒸腾损失，而根区灌溉方式可以将水分直接补充到作物根系部位，从而减少地面无效蒸发，这种灌溉特点在极端干旱区葡萄产业中有较好的应用前景。众多学者针对极端干旱区根区灌溉方式展开了研究，深层坑渗灌[9]、垂直线源灌[10]等均促进了土壤水分下渗，减少了表层土壤蒸发，达到了提高产量的目的，然而葡萄吸水根系水平分布范围较广，现有根区灌溉方式下灌溉水水平运移能力还需进一步增强，以促进果树对水分、养分的吸收利用，提高抗旱能力，因此本试验借鉴蓄水坑灌法[11]边壁环形入渗特点引入一种新型根区灌溉方式，以期进一步提高根区灌溉方式在极端干旱区的节水增产能力。

适宜葡萄生长的土壤水分上下限因节水灌溉技术的不同而变化。前人研究表明综合考虑葡萄灌水量、产量、品质等，小管出流灌溉技术下，葡萄适宜灌水上下限为田间持水率60%～90%[12]，李波等[13]采用膜下滴灌技术探明葡萄灌溉控制指标为田间持水率的75%～90%，关于土壤水分调控的大量研究均是在一定的灌水方式下得到的结论[14,15]，而本文所采用的根区灌水方法还尚无研究。综上，本文采用大田试验，以沟灌技术为对照，探讨新型根区灌溉方式对不同深度土层土壤含水率的影响，明确新型根区灌溉方式下土壤水分分布规律以及贮水保墒效果；分析不同灌水方式和灌水上下限下葡萄生长、产量及水分利用效率，以期为根区灌溉方式在葡萄灌溉中应用提供理论与实践依据，促进极端干旱区葡萄产业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所中心试验基地（地理坐标：42°54＇36＂N，90°18＇36＂E），年平均降水量25.3 mm，年蒸发量3 300 mm 以上，全年日照时数2 900～3 100 h。土壤质地为壤土，0～130 cm 土壤容重平均值为1.53 g/cm3，田间持水量为26%（体积含水率）。

1.2 试验设计

试验区气温和日降雨量如图1 所示，种植葡萄为无核白，树龄7 a，株距约2 m，行距4 m，定植沟为东西走向，沟尺寸采用当地普遍使用的尺寸（如图2 所示）。选取植株长势均一且无病虫害的葡萄树为试材，葡萄物候期按新梢生长期（4月15日-5月25日）、果实膨大期（5月26日-7月12日）、果实成熟期（7 月13 日-8 月10 日）3 个时期划分。本试验采用根区灌溉方式（RI），以地面沟灌（FI）作为对照，分别设置3 种灌水上下限：W1（田间持水率50%～80%）、W2（田间持水率60%～90%）、W3（田间持水率70%～100%），采用完全组合设计，共6 个处理：分别为RIW1、RIW2、RIW3、FIW1、FIW2、FIW3，每个处理设6 个重复。葡萄出土上架后按当地田间管理措施，采用沟灌方式灌溉开墩水，全生育期葡萄树灌水次数及灌水量如表1所示；施肥措施参照当地标准，生育初期施用120 kg/hm2的尿素作为基肥，新梢生长期施尿素225 kg/hm2和磷酸二胺185 kg/hm2，果实膨大期施尿素150 kg/hm2和磷酸二铵190 kg/hm2，果实成熟期施硫酸钾90 kg/hm2，各处理施肥措施相同。根区灌溉方式的灌水器是直径为20 cm、埋设深度为40 cm，顶部与底部不透水，通过边壁环形入渗的圆柱形结构，距葡萄树树干50 cm 处对称布置4 个灌水器，灌水器通过软管与支管相接，图3为根区灌溉田间布置示意图。

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

图1 试验区日平均温度、最高温、最低温及日降雨量Fig.1 Daily average temperature, maximum temperature, minimum temperature and daily rainfall in the test area

图2 沟灌田间布置示意图（单位：cm）Fig.2 Schematic diagram of ditch irrigation field layout

图3 根区灌溉田间布置示意图（单位：cm）Fig.3 Schematic diagram of root zone irrigation field layout

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水分

采用TRIME-PICO-IPH 管式TDR 含水率监测仪对0～100 cm 土层（其中垄侧以40 cm 土层作为0 cm 土层）进行含水率测定，每层深度为20 cm，每5 d 测定一次，灌水后和每个生育期始末加测一次。

1.3.2 新梢生长指标

每个处理选取大小均一、长势良好、具有代表性的3个枝条挂牌标记，不修剪，分别在新梢生长期、果实膨大期、果实成熟期后期使用卷尺测定新梢长度，使用游标卡尺测定新梢直径。

1.3.3 果实生长指标、产量及灌溉水利用效率

进入果实膨大期后监测果实生长动态，每隔7 d 随机选取3 串葡萄，从每串葡萄的上、中、下分别选取9 颗葡萄使用精度为0.01 g的电子天平测量并记录葡萄单果重，采用公式（1）计算葡萄单果重增长速率，果实成熟期末测定各处理产量，并采用公式（2）计算灌溉水利用效率。

式中：v为葡萄果实单果重增长速率，g/d；w1为时段初单果重，g；w2为时段末单果重，g；Δt为时段天数，本试验中为7 d。

式中：IWUE为灌溉水利用效率，kg/m3；Y为葡萄产量，kg/hm2；I为葡萄全生育期灌水量，m3/hm2。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 25.0 软件进行数据整理和统计分析，不同处理间的差异采用单因素方差分析，均采用LSD 法进行显著性检验（P＜0.05），通过双因素方差分析法研究灌溉方式和灌水上下限以及两者的交互作用对土壤水分分布、新梢生长、果实生长和产量指标影响的显著性。使用Origin 2021软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 根区灌溉方式下土壤水分分布特征

2.1.1 根区灌溉方式下不同土层深度的土壤水分分布特征

由于每个灌水周期内土壤水分分布规律相似，因此选取果实膨大期灌水周期内不同处理的土壤垂向平均含水率进行分析，如图4 所示。同一灌溉方式下，土壤含水率随着灌水上下限的提高而增大，0～20 cm 土层FIW3 比FIW2、FIW2比FIW1 分别增加了6.24%、15.50%，40～60 cm 土层RIW3 较RIW2、RIW2 较RIW1 分别增加了8.44%、16.44%。同一灌水上下限条件下，根区灌溉与沟灌相比，沟灌处理0～20 cm土层平均含水率比根区灌溉提高了6.23%，而40～60cm、60～80 cm 土层分别下降了6.77%、2.31%，即根区灌溉方式促进了水分向中深层土壤渗透，使得40～80 cm 处含水率增大。

图4 果实膨大期不同处理下各土层土壤平均含水率Fig.4 Average soil moisture content of each soil layer under different treatments during fruit expansion

2.1.2 根区灌溉方式下土壤水分分布二维分布特征

为进一步分析不同灌水方式对土壤湿润体分布的影响，选取果实膨大期灌水周期内RIW2、FIW2 处理距葡萄树干水平距离-90～90 cm（以葡萄树干为原点，左侧为负，右侧为正，其中-40～80 cm 处为沟，剩余部分为垄）处不同深度的土壤平均含水率，绘制土壤水分二维分布图，如图5所示。垂直方向上RIW2 土壤含水率呈现单峰变化趋势，即在0～40 cm 土层快速增大，40～60 cm 土层达到峰值后趋于减小；而FIW2 土壤含水率在0～40 cm 土层土壤含水率处于较高水平，40～100 cm 土层土壤含水率逐渐减小。水平方向上，以葡萄树干为原点，RIW2 表现为随着距离的增加土壤含水率先增加再减小，距树干60 cm 处含水率达到最大，其中-60 cm 处含水率较-30 cm 处提高了1.77%；而FIW2 土壤含水率随着距离的增加而逐渐减小，30 cm 较60 cm，60 cm 较90 cm 分别增加了1.53%、9.06%，即RIW2 水平土壤含水率变化趋势为双峰曲线，而FIW2 为单峰曲线。整体来看，FIW2、RIW2 沟垄水分分布上有所差异，FIW2沟侧土壤平均含水率较垄侧增加了15.37%，而RIW2 垄侧相较于沟侧减小了8.20%，根区灌溉方式下沟垄水分分布更均匀。

图5 果实膨大期不同灌水方式下土壤水分二维分布Fig.5 Two-dimensional distribution of soil water under different irrigation methods during fruit expansion

2.2 根区灌溉方式对葡萄生长的影响

2.2.1 根区灌溉方式对葡萄新梢生长的影响

表2 为不同处理下葡萄各生育期内新梢长度生长量，图6表示不同处理对葡萄新梢直径生长的影响，不同处理新梢长度、直径的增长趋势大致相同，即新梢生长期生长快速，新梢长度、直径的平均生长速率分别为3.49 cm/d、0.25 mm/d；进入果实膨大期后生长缓慢，新梢长度、直径的增速与新梢生长期相比下降了54.03%、88.08%；果实成熟期新梢生长基本停止。不同处理新梢生长规律相似，但各生育期内生长速率不同，新梢生长期RIW2 新梢长度生长速率较RIW1 增加了29.41%；果实膨大期RIW2 新梢长度生长速率较FIW2 减小了18.41%。

表2 不同处理对葡萄新梢长度的影响cmTab.2 Effect of different treatments on the length of grape shoots

图6 不同处理对葡萄新梢直径的影响Fig.6 Effect of different treatments on the diameter of grape shoots

土壤含水量的高低与新梢生长有密切联系，同一灌水上下限、不同灌溉方式下，土壤含水率分布规律不同，导致新梢最终生长量存在极显著差异，沟灌处理新梢平均长度、直径比根区灌溉处理分别增加了12.08%、1.66%。同一灌溉方式、不同灌水上下限下，RIW3 新梢长度分别比RIW1、RIW2增加了69.39%、12.44%；FIW3 处理新梢直径分别比FIW1、FIW2 处理增加了13.74%、1.87%。RIW1、FIW1 新梢生长量远低于其他处理，可能是由于新梢生长期是新梢生长的关键时期，而在此时期RIW1、FIW1 处理土壤平均含水率处于较低水平，导致新梢生长受到一定程度抑制。灌溉方式与灌水上下限二者耦合极显著影响了新梢最终长度，RIW1 处理较FIW3减小了47.11%。

2.2.2 根区灌溉方式对葡萄果实生长的影响

单果重是葡萄果实生长的重要指标之一，图7表示不同处理下葡萄单果重生长速率随时间的变化规律，表3为各处理葡萄最终单果重。果实生长速率呈现先增高后降低的趋势，单果生长速率在6 月26 日达到最大，RIW2 葡萄单果生长速率快，最大生长速率为0.08 g/d，分别比RIW1、FIW1 增大61.11%、70.59%。同一灌溉方式、不同灌水上下限下，RIW2单果重较RIW1增加了51.15%；同一灌水上下限、不同灌溉方式下，沟灌处理葡萄单果最大生长速率及单果重均小于根区灌溉方式，RIW3 单果重较FIW3 增加了20.56%；灌溉方式、灌水上下限及其交互作用对葡萄单果重的影响达到了极显著水平（P＜0.01），RIW2单果重较FIW1增加了77.70%。

表3 不同处理对葡萄最终单粒重的影响gTab.3 Effect of different treatments on final single grain weight of grapes

图7 不同处理下葡萄单粒重增长速率Fig.7 Growth rate of grape single grain weight under different treatments

2.3 根区灌溉方式对葡萄产量及灌溉水利用效率的影响

灌溉水利用效率是衡量农业生产高效水平的重要指标，图8表示不同处理下葡萄最终产量及灌溉水利用效率的变化规律。各处理间产量大小表现RIW2＞RIW3＞FIW3＞FIW2＞RIW1＞FIW1，同一灌溉方式、不同灌水上下限下，FIW3处理灌水量较FIW1、FIW2 分别增加了40.84%、27.79%，产量只提高了33.14%、5.20%；RIW2 处理产量略高于RIW3，二者无明显差异（P＞0.05），但RIW2 处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，根区灌溉条件下W1、W2、W3 产量较沟灌处理分别增加了12.15%、13.83%、7.84%，节水10.65%～24.39%，灌溉水利用效率提高27.40%～42.64%。不同的灌溉技术与灌水上下限耦合显著影响了灌溉水利用效率，FIW1 比RIW2 产量减小了30.56%，灌溉水利用效率下降了31.62%。

图8 不同处理对葡萄产量及灌溉水利用效率的影响Fig.8 Effect of different treatments on grape yield and irrigation water use efficiency

3 讨 论

3.1 灌溉方式、灌水上下限对土壤水分分布的影响

灌溉方式以及灌水上下限能直接引起土壤水分分布变化[18,19]。试验研究表明根区灌溉方式下土壤垂向含水率在40～60 cm 土层达到最大，这主要是由于灌溉水由灌水器边壁环形入渗，灌溉水在重力作用下进一步向中深层土壤渗透[20]；沟灌技术下灌溉水自地表入渗，水分集中于土壤表层，0～40 cm 处含水率高于根区灌溉处理。要家威等[21]研究表明地下滴灌相对于地面灌溉处理，有效降低地表0～20 cm 土壤含水率，棵间蒸发减小了30%，即根区灌溉下土壤垂向水分分布特点有利于减少地面无效蒸发。不同灌溉方式下水平方向上土壤水分分布存在差异，与沟灌相比，根区灌溉下沟垄两侧水分分布更均匀，这是由于沟灌时灌溉水集中于灌水沟，而根区灌溉灌水器距葡萄树50 cm 处对称布设，沟垄两侧水分分布均匀，灌溉水水平运移能力提高。前人研究表明，不同深度土层的含水率随着灌水下限的提高而增大[20]，与本试验研究结论类似，同时试验结果表明随着灌水上下限的增加，土壤平均含水率增幅变小，这是由于相对土面蒸发强度与表层土壤含水率之间呈正相关关系[22]，W3 灌水上限达到田间持水率，果树棵间蒸发变大，造成水分无效损失。

3.2 灌溉方式、灌水上下限对葡萄生长发育的影响

土壤水分分布方式及湿润层含水率的高低会直接影响果树的水分状况，经过一系列生理生化反应，最终表现在果树形态与产量构成上[23-25]。本试验中根区灌溉方式下新梢生长量小于沟灌，但果实生长优于沟灌处理，这是由于新梢生长期沟灌处理表层含水率高，新梢生长旺盛，同时根区灌溉方式水分聚集在中深层土壤，表层含水率较低，这种水分分布特点会减少浅层根系充分吸收水分，从而限制了新梢的徒长[26]；杨凡等[27]研究表明与无膜滴灌相比，膜下滴灌的增产机理为土壤蒸发较小、水分较高，从而有利于作物生长发育；陈丽楠等[28]指出根区交替滴灌处理可以降低树体冗余生长量，提高果实生长量；而根区灌溉方式一方面针对极端干旱区地表蒸发强度大的特点，提高了深层保水能力，减小了水分无效蒸腾损失，使灌溉水能更多地用于果树生长发育；另一方面抑制果树营养生长，最终促进了果实生长。李蕊等[17]研究表明随着灌水上、下限的增大，苹果新梢累计增长量增大；过低的灌水下限虽然可以提高灌溉水利用效率，但植株受旱易发生早衰，导致产量降低[29]；何平如等[30]指出土壤水分下限过高引起灌水量的增加，导致棉花侧重营养生长且产量未明显提高。本试验研究结果表明：根区灌溉方式下，新梢生长量随着灌水上下限的提高而增加，而果实生长则表现为RIW2处理果实生长速率及单果重均优于RIW3，RIW1 处理单果重最小，这可能是因为果实膨大期是果实生长发育的关键时期，当灌水下限为田间持水率50%时会造成一定的水分胁迫，不能完全满足果实生长发育需求[31]；灌水下限为田间持水率70%，上限为田间持水率100%时，果实生长的水分需求得到满足，但灌水量大也容易导致葡萄营养生长旺盛，不利于果实单果重的提高[32]。高效节水灌溉方式与合理的灌水量对作物生长发育具有相互促进的关系[33]，李中杰[34]研究表明灌溉技术和灌水量二者的交互作用对苹果树新梢长度、苹果果径和果实体积产生极显著影响（P＜0.01），与本试验研究结论类似。

3.3 根区灌溉下灌溉效果评价

根区灌溉方式抑制了土壤蒸发，促进了灌溉水高效利用，调节了葡萄生长过程中营养生长与生殖生长的比例，最终起到了节水增产的作用。节水增产能力是灌溉技术的重要评价指标，张建丰等[9]研究表明总产量减产1%时，深层坑渗灌与沟灌相比可以节水52%，本试验中根区灌溉方式较沟灌处理节水10.65%～24.39%，却能增产7.84%～13.83%；王永杰等[10]研究表明垂直线源灌下灌溉水利用效率为3.78 kg/m3，根区灌溉方式较垂直线源灌的灌溉水利用效率平均提高了65.87%。综上，本文提出的根区灌溉方式节水增产能力强，在葡萄灌溉中具有一定优越性。

4 结 论

本文针对极端干旱区的葡萄灌溉提出了一种新型的根区灌溉方式，与传统的沟灌比较研究，得到如下结论：

（1）本试验条件下，根区灌溉方式土壤水分沟垄两侧分布均匀，随着土壤深度的增加，土壤垂向含水率呈现先增加后下降的趋势；与沟灌相比提高了深层土壤含水率，具有保墒抑蒸的效果。

（2）根区灌溉方式抑制了新梢徒长，促进了果实生长，显著提高了单果重，其中根区灌溉处理RIW2 单果重最大，FIW1最小。

（3）不同灌水上下限条件下，根区灌溉处理葡萄产量和水分利用效率均高于沟灌处理。其中，RIW2 处理即采用根区灌溉方式，灌水上下限为60%～90%田间持水率时产量及灌溉水利用效率均最大，分别为24 829.17 kg/hm2、6.60 kg/m3，可为极端干旱区葡萄产业实现节水高产提供参考。