不同地面覆盖方式对‘新郁’葡萄果际光环境及果实品质的影响

户金鸽,白世践,陈 光,赵荣华,蔡军社

(新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所,新疆 鄯善 838200)

【研究意义】‘新郁’葡萄果粒椭圆形,果皮紫红色,果粉中等,肉质较脆,味酸甜,备受消费者青睐。然而,‘新郁’葡萄栽培过程中存在诸多问题。如传统栽培方式因果实所处微环境不同导致不同结果部位着色不一致,强光照、较大的昼夜温差往往导致‘新郁’葡萄着色过深、颜色黯淡、缺乏光泽,郁闭的微环境导致‘新郁’葡萄着色困难。因此有必要开展‘新郁’葡萄栽培新模式的探索。【前人研究进展】以清耕为主的传统果园地面管理方式造成水土及养分流失,不利于果树生产[1]。近年来生态栽培在我国果园中得到广泛推广,主要包括生草栽培、覆盖栽培、间作等模式[2-3]。相比传统果园普遍采用的“清耕制”,生态栽培可使果园径流量减少59.5%,总氮流失量减少52.2%,总磷流失量减少65.4%[4],适宜的下垫面也是合理农业技术与生态对策的作用面和着眼点[5]。地面覆盖技术具有改良土壤结构、蓄水保墒、调节微域生态环境等功能,现已成为世界上许多国家和地区广泛采用的土壤管理调控技术之一[6]。地布覆盖可以稳定土壤热环境、提高土壤含水量、改变果园耗水结构[7-8],还可以提高平均单果质量、可溶性固形物、Vc含量、可溶性糖、葡萄糖、果糖和蔗糖含量,提高果面红色着色程度,还具有显著增产作用[7, 9-10],但也有研究表明,地布覆盖下0～20 cm有机碳浓度和清耕无显著差异[11]。地布覆盖和生草能够调节果际、根际微气候[12],改善土壤物质性状,提升土壤有机质和全氮含量、土壤酶活性和微生物数量[13-16],提高单果重、果实品质和产量[15,17]。在光合特性方面,地布可显著提高夏末、中秋和初冬叶片的净光合速率[18],生草可以延长光合作用时间,提高净光合速率,并使净光合速率最高峰有所提前[19-23]。【本研究切入点】前人研究主要围绕地面覆盖方式对气候微环境和果实品质的影响,而关于地面覆盖方式对果际光环境的影响鲜有报道。【拟解决的关键问题】本文以7年生‘新郁’葡萄为研究对象,以清耕为对照,通过地面覆盖园艺地布和生草栽培,探讨2种地面覆盖处理下果际光环境、叶片光合特性和果实品质的差异性,为葡萄果园地面管理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所试验地内7年生长势一致的‘新郁’葡萄,东西行向,株行距1.5 m×5.0 m,顺行龙干+(V+水平)叶幕,叶幕高160 cm,果穗结果高140 cm,单面叶幕长180 cm,新梢间距统一设置为15 cm,单穗果粒数为80粒左右,田间统一水肥管理及病虫害防控。

1.2 试验设计

试验共设行间生草(马齿苋,CMC)和行间铺设黑色园艺地布(BGF)2种地面覆盖方式,以清耕(Clean tillage)为对照(CK),每处理525 m2,重复3次。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 果际叶幕透射强度和地面反射辐射强度的测定 选择晴朗无风的天气,用光合有效辐射仪(SPECTRUM,3415F)于8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00和20:00测定果际叶幕透射强度和地面反射辐射强度。测定位置为垂直方向距离果穗 5 cm处,传感器水平向上测定透过叶幕后剩余的有效辐射为叶幕透射辐射(PARtran),传感器水平向下测定土壤向上反射的有效辐射为土壤反射辐射(PARsoil),每处理轮回测不低于20个位点。

1.3.2 果际光谱的测定与分类 使用UniSpec-SC单通道便携式光谱测定仪(最佳感应范围:100～1100 nm;分辨率:<10 nm;精确度:<0.3 nm)对各处理果际区域光谱组成进行测定,每个处理测定5次。选择晴朗无风的天气,分别于8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00和20:00测定,以相同时段空旷地测定值为自然光对照(探头高度与其对应的测点保持一致,不同时间测定时保持探头高度与果穗结果高度一致)。将测得的果际光谱根据Fu等[24]的方法将光波长分为12类:UV-A(350～400 nm)、紫光(400～455 nm)、蓝光(455～490 nm)、蓝绿光(490～515 nm)、绿光(515～540 nm)、黄绿光(540～580 nm)、黄光(580～600 nm)、黄红光(600～610 nm)、红光(610～710 nm)、远红光(716～810 nm)、远红外1(810～1100 nm)、远红外2(1100～2200 nm)。将每个时间段的光强进行累计并计算每种光所占的比例。

1.3.3 光合特性测定 在晴朗无风的天气,选择健康无病虫害、叶龄一致、着生方位一致的成龄叶片,测定前将叶片表面擦拭干净,用CI-340型光合仪于8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00测定叶片的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率,测定时为保证试验的一致性,选择轮回测定方法,每个处理重复3次。

水分利用效率(WUE)=光合速率/蒸腾速率

1.3.4 果实大小及品质测定 果粒质量用分析电子天平称量(g),平均单粒重(g)=果粒重量/果粒个数,果粒纵横径(mm)用游标卡尺测定,果实硬度(kg/cm2)用GY-4水果硬度计测量,果实可溶性固形物(°Brix)用PAL-1型测糖仪测定(日本),各指标测定10次。将剩余的果实置于-60 ℃冰箱内,测定果实可滴定酸含量(%)和Vc含量(mg/100 g),可滴定酸用酸碱滴定法[25],Vc含量用钼蓝比色法[25]测定,各处理重复3次,取平均值。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010计算平均值±标准误(SE),显著性分析采用SPSS 16.0统计软件LSD法,在显著水平为5%和1%条件下进行比较。

2 结果与分析

2.1 不同地面覆盖方式对果际光环境的影响

2.1.1 不同地面覆盖方式下果际光强日变化 由图1可知,果际光照强度(叶幕透射强度和地面反射辐射强度)随时间日变化先升后降。生草的叶幕透射光强略高于CK(0.62%),且时间较CK提前,园艺地布的叶幕透射光强和CK叶幕透射光强度大小一样且出现时间一致(图1-A);园艺地布和生草栽培的地面反射辐射强度明显低于CK,分别比CK降低20.43%和28.57%,出现时间均较CK提前(图1-B)。

图1 不同地面覆盖方式下光强日变化Fig.1 Diurnal variation of light intensity under different ground mulching types

2.1.2 不同地面覆盖方式下果际光质日变化 果际处紫外光、紫光、蓝光、蓝绿光、绿光、黄绿光、黄光、黄红、红光、远红外2和红光/远红光值随时间变化呈“降—升”趋势,“V”型,远红光呈单峰曲线,远红外1变化趋势不明显,总体上呈“降—升—降”趋势(图2)。

A.紫外光;B.紫光;C.蓝光;D.蓝绿光;E.绿光;F.黄绿光;G.黄光;H.黄红光;I.红光;J.远红光;K.远红外1;L.远红外2;M.红光/远红光。A.Ultraviolet light;B.Purple light;C.Blue light;D.Blue-green light;E.Green light;F.Yellow-green light;G.Yellow light;H.Yellow-red light;I.Red light;J.Far-red light;K.Near-infrared light 1;L.Near-infrared light 2;M.Red and far red ratio.图2 不同地面覆盖方式下果际光质日变化Fig.2 Diurnal variation of bunch region light quality under different ground mulching ground types

2.1.3 不同地面覆盖方式下果际光谱吸收值分布 以上午10:00为例,3种地面覆盖方式下果际光谱有2个吸收高峰,第一个吸收高峰在746.7 nm处,CK(480.30 bit)>园艺地布(454.40 bit)>生草(430.20 bit),第二个吸收高峰在773 nm处,CK(529.10 bit)>园艺地布(486.60 bit)>生草(469.40 bit),且果际处第二个光谱吸收值高于第一个吸收高峰(图3)。

图3 不同地面覆盖方式下果际光谱吸收值分布(上午10:00)Fig.3 Distribution of inter fruit spectral absorption values under different ground mulching types (10:00 a.m.)

2.1.4 不同地面覆盖方式下果际光质比例 远红外1(35.77%)>远红光(33.68%)>红光(8.35%)>黄绿光(3.93%)>紫光(3.54%)>紫外(2.95%)>蓝光(2.74%)>绿光(2.34%)>远红外2(2.22%)>黄光(1.85%)>蓝绿光(1.74%)>黄红光(0.90%)(对照,图4-A)。远红外1(35.31%)>远红光(32.40%)>红光(8.38%)>黄绿光(4.23%)>紫光(3.71%)>紫外(3.25%)>蓝光(3.07%)>绿光(2.55%)>远红外2(2.43%)>黄光(1.90%)>蓝绿光(1.85%)>黄红(0.91%)(园艺地布,图4-B)。远红外1(36.52%)>远红光(34.28%)>红光(7.61%)>黄绿光(3.60%)>紫光(3.53%)>紫外(3.12%)>蓝光(2.63%)>远红外2(2.40%)>绿光(2.21%)>蓝绿光(1.66%)>黄光(1.64%)>黄红光(0.80%)(生草,图4-C)。和CK相比,园艺地布的光质比例无变化,生草栽培的远红光、绿光、蓝绿光和黄光比例发生变化。

图4 不同地面覆盖方式下果际光质比例Fig.4 The proportion of light quality of bunch region under different ground mulching types

2.2 不同地面覆盖方式对叶片光合特性的影响

CK、园艺地布和生草的净光合速率日变化总体呈双峰曲线,大峰在上午,小峰在下午,10:00达到第一个高峰,CK的净光合速率为25.40 μmol/(m2·s),园艺地布和生草的均低于CK,分别比CK降低9.48%和2.60%,16:00出现午休现象,18:00时CK和园艺地布出现小峰,此时园艺地布的净光合速率略高于CK,生草在12:00出现午休现象,16:00出现小峰,净光合速率为22.16 μmol/(m2·s),随后缓慢下降,20:00时CK和园艺地布的净光合速率迅速下降为负值,而此时生草仍在进行光合作用,净光合速率为1.21 μmol/(m2·s)。生草栽培上午的净光合速率低于CK而高于园艺地布覆盖,14:00后生草的净光合速率保持较高水平,可能是由于生草改变了微环境,此时种植的马齿苋和葡萄都在进行光合作用,彼此间争夺CO2导致(图5-A)。

A.净光合速率; B.蒸腾速率;C.气孔导度;D.胞间CO2浓度。A.Net photosynthetic rate (Pn); B.Transpiration rate (Tr);C.Diurnal change of stomatal conductance (Gs);D.Intercellular CO2 concentration (Ci).图5 不同地面覆盖方式对‘新郁’葡萄叶片光合特性的影响Fig.5 Effects of different ground mulching types on photosynthetic characteristics in ‘Xinyu’ grape leaf

CK、园艺地布和生草的蒸腾速率呈单峰曲线,08:00—14:00蒸腾速率迅速增加,14:00—16:00变化趋势平缓,16:00达到较高水平,分别是6.32、7.86和9.69 mmol/(m2·s),16:00—20:00迅速下降(图5-B)。

CK、园艺地布和生草的气孔导度总体上呈先升后降趋势,CK和生草在10:00达到最大值,分别为260.57 和264.01 mmol/(m2·s),而园艺地布覆盖的气孔导度最大值出现在12:00,为192.63 mmol/(m2·s),比CK降低26.07%,18:00—20:00 CK的气孔导度远远大于园艺地布和生草覆盖。整体上看,生草的气孔导度保持较高水平,园艺地布覆盖的气孔导度降低(图5-C)。

胞间CO2浓度总体上变化比较平稳,上午10:00略有上升,20:00时CK和园艺地布覆盖的胞间CO2浓度大幅度上升,生草的也有所增加,但增加幅度低于CK和园艺地布覆盖(图5-D)。

水分利用效率总体上呈“降—平—升—降”趋势,08:00—12:00水分利用效率下降,12:00—14:00水分利用效率较平稳,16:00—20:00水分利用效率先升后降(图6)。

图6 不同地面覆盖下水分利用效率日变化Fig.6 Diurnal variation of water use efficiency under different ground mulching types

2.3 不同地面覆盖方式对‘新郁’果实品质的影响

园艺地布覆盖栽培下,果粒重量、纵径和横径变小,生草栽培的果粒重量、纵径和横径增大,均和CK存在显著差异;园艺地布栽培的果形指数较CK显著下降,而生草栽培的果形指数和CK无差异;园艺地布栽培的果粒硬度略有增加,而生草栽培略有下降,均与CK无显著差异;园艺地布栽培可以显著促进可溶性固形物的积累,比CK提高6.84%,生草栽培的果实可溶性固形物略有下降,比CK下降5.08%,均和CK间存在显著差异。2种地面覆盖方式下可滴定酸含量略有上升,但和CK无显著差异,园艺地布和生草栽培也提高了Vc含量,但与CK无显著差异(表1)。

表1 不同地面覆盖方式对‘新郁’葡萄果实品质的影响

2.4 不同地面覆盖方式对‘新郁’果实着色的影响

园艺地布覆盖栽培的L、a、b和C值均低于CK,L和a值与CK无显著差异,b和C值显著低于CK,CIRG显著高于CK;生草栽培的L、b和CIRG高于CK,但无显著差异,a和C值略低于CK,CIRG略高于CK,但无显著差异(表2)。

表2 不同地面覆盖方式对‘新郁’果实着色的影响

2.5 不同地面覆盖方式对‘新郁’果皮花色苷的影响

果皮花色苷含量随果皮颜色的变红而增加,7月13日和7月19日迅速积累,随后缓慢增加,尤其是在园艺地布覆盖模式下,7月19日花色苷含量急剧增加,7月25日略有下降,而CK的花色苷含量在7月31日也略有下降(图7),造成这种现象的原因可能是花色苷合成过程中遇到高温,部分花色苷被降解,园艺地布覆盖比CK的花色苷被降解的时间提前。生草栽培的花色苷含量始终呈缓慢上升趋势。

不同小写字母表示处理间显著差异(P<0.05)。The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).图7 不同地面覆盖方式对‘新郁’果皮花色苷含量的影响Fig.7 Effects of different ground mulching types on anthocyanin content in ‘Xinyu’ grape

3 讨 论

3.1 不同地面覆盖方式对光环境的影响

果园气候条件除受地理位置因素外,还与栽培措施息息相关。葡萄果园下垫面由裸露的地表变为园艺地布覆盖或生草覆盖栽培,改变了果园下垫面环境,致使果际光环境随之发生改变。本研究从果际光强、光质、光谱吸收和各光所占比例4个方面较为全面地分析了果际光环境条件。叶幕透射强度和地面反射辐射强度呈单峰曲线,这与高方胜等[27]的研究结果一致。生草栽培的叶幕透射强度高于CK,且时间提前;园艺地布和生草栽培的地面反射辐射强度低于CK,且时间提前。

3.2 不同地面覆盖方式对叶片光合特性的影响

光合作用是植物生长的能量和物质来源。生草栽培由于地面有植被进行光合作用,因而生草栽培果园的蓝紫光、红橙光和总辐射强度均显著低于清耕果园,生草的光强度降低,总辐射降低[28]。本研究发现生草栽培下蓝光、黄绿光、红光、绿光、黄光、蓝绿光、黄红光比例和果际光强总辐射较CK降低,这与白岗栓等[28]的研究结果一致。

园艺地布又名防草布,是近年来新型覆盖材料,由抗紫外线的聚丙烯扁丝编织而成,具有很强的遮光效应,可防止杂草生长,省工省力,近年来被应用到现代果园的省力化栽培种植上[29-30]。园艺地布覆盖可以提高果树的光合作用[18,31-32],而本研究发现园艺地布的净光合速率总体上低于CK。

杨燕燕等[23]、陈久红等[33]认为生草栽培的净光合速率呈双峰曲线,且生草栽培的净光合速率始终高于清耕栽培,刘博等[34]也认为不同地面覆盖方式可不同程度提高叶片净光合速率,而本研究发现生草栽培的净光合速率日变化亦呈双峰曲线,但14:00前生草的净光合速率低于CK,14:00后的净光合速率高于CK,与杨燕燕等[23]研究结果部分一致。在白光的基础上增加适当比例的红蓝光可提高生菜的光合特性[35],红、蓝光单色光可导致净光合速率显著降低[36],生草栽培下红光和蓝光的比例较CK低,14:00前生草的净光合速率低于CK,这与高勇等[35]的部分研究结果一致;程亚娇等[37]认为低的红光和远红光比值显著提高大豆光合速率,依据此研究结果,14:00前,红光/远红光值低于CK,净光合速率应高于CK,14:00之后红光/远红光值高于CK,净光合速率应低于CK,而本研究结果与此结论完全相反,本研究发现,14:00前,红光/远红光值低于CK,但其光合速率亦低于CK,14:00后,红光/远红光值高于CK,其光合效率也高于CK。下午净光合效率下降的原因除与红光/远红光值有关外,还与栽培环境息息相关,可能还与光比例的变化有关,生草栽培下远红外2、绿光、蓝绿光和黄光的比例发生了改变。值得一提的是,20:00时,CK和园艺地布覆盖栽培的净光合速率为负值,说明此时叶片已停止光合作用,而生草栽培的净光合速率为正值,可初步推测生草可以延长叶片光合作用时间。

3.3 不同地面覆盖方式对果实品质的影响

地面覆盖方式不仅可以改变果际光环境和光合特性,对果实品质也有一定的影响。园艺地布覆盖可以明显改善果实品质[38],提高果实可溶性固形物,降低苹果酸、柠檬酸含量,显著提高果面红色着色程度[10,17],本研究发现园艺地布覆盖提高了果实可溶性固形物、可滴定酸含量、Vc含量,CIRG(果皮着色指数)增大,与前人研究结果一致[10,17,38]。园艺地布栽培还可以显著提高单果质量[8,10,17],但本研究发现园艺地布覆盖降低了果粒质量、果粒纵横径和果形指数,造成这种现象的原因可能与吐鲁番极端干旱地域环境条件有关。

生草栽培不仅可以改善微气候环境条件,在果实品质方面也有积极作用。生草栽培可以提高单果质量,降低可溶性固形物、可滴定酸和Vc含量,还可以提高果实红色和花色苷含量[9,13,17,33,39-40],在极端干旱的吐鲁番地区生草栽培提高了果粒质量、纵横径、可滴定酸和Vc含量,降低了可溶性固形物,这与前人的研究结果一致。虽然果皮CIRG指数高于CK,但与CK无差异。对于鲜食葡萄来说,果面颜色是一项重要的品质指标,本研究发现园艺地布覆盖和生草栽培的果皮花色苷含量高于CK,段鑫垚等[41]和刘思等[42]也认为地面覆盖可提高果实的成熟系数及果皮中的总花色苷含量。

花色苷的积累是外界环境因子和内部基因调控共同作用结果。外部因子主要有温度、光照以及其他生物与非生物胁迫,内部因子主要有内源激素水平、糖酸含量及pH等[43-44]。光照影响花青苷合成已经成为人们的共识,光照是花青苷合成的必须因子,光照强度和光质都会影响花青苷的合成。在强光下花青素苷表达量上调,在黑暗活弱光条件下不表达或表达量下降[45]。套袋的苹果果实不能很好的着色,摘除果袋后迅速变红[46],遮光处理后花青素含量也显著降低[47]。通过对全天测定的7次果际叶幕透射强度和地面反射辐射强度计算发现,对照的光强最大,为203.04 μmol/(m2·s),其次是园艺地布覆盖,为180.37 μmol/(m2·s),生草栽培的光强最低,为117.03 μmol/(m2·s)。本研究结果似乎与前人的研究结论不一致,造成这种现象的原因可能是测定值只是偶然的一个数据,由于该研究没有年度重复,该数据并不能完全代表全天的光照强度,也有可能是对照的地面没有覆盖物,造成地面反射辐射强度过大所致。在下一步工作中可继续关注光照强度和花色苷积累的关系。Vlohr等[48]研究表明,紫外光对花青苷的合成影响最大,Benjamin等[49]研究也发现,紫外光可以促进苹果果皮花色苷的积累,宁云山[50]在苹果梨上也得到同样结论。通过光质数据发现,园艺地布的紫外光占比最大(3.25%),其花色苷含量最高(75.04 mg/kg),最小的是对照(2.95%),花色苷含量最低(57.82 mg/kg)。还有研究发现,蓝光是调控花青素合成的有效光质[35]。园艺地布覆盖的蓝光占总光质的3.07%,其花色苷含量相对较高。该试验中花色苷含量的积累是一个内因和外因共同作用的结果,但本研究发现紫外光和蓝光比例较高,其花色苷含量也较高。

4 结 论

不同地面覆盖方式下果际光照强度(叶幕透射强度和地面反射辐射强度)随时间日变化先升后降。生草的叶幕透射光强略高于CK且时间提前,园艺地布和生草栽培的地面反射辐射强度明显低于CK且出现时间提前;果际处紫外、紫光、蓝光、蓝绿光、绿光、黄绿光、黄光、黄红、红光和远红外2随时间变化呈“V”型,远红光呈倒“V”型,远红外1变化趋势不明显;光谱有2个吸收高峰,第一个吸收高峰在746.7 nm处,第二个吸收高峰在773 nm处,且果际处第二个光谱吸收值高于第一个吸收高峰;生草覆盖的远红外2、绿光、蓝绿光和黄光的比例发生改变。

净光合速率呈双峰曲线,园艺地布覆盖的净光合速率整体上低于CK,14:00前生草的净光合速率低于CK,14:00后生草栽培的叶片净光合速率高于CK,20:00时园艺地布和CK的光合作用停止,而生草栽培仍在进行光合作用,生草栽培可延长光合作用时间。

园艺地布覆盖降低了果粒质量,但提高了果实品质和果面着色,生草栽培提高了果粒质量,但果实可溶性固形物降低,果面着色和CK无差异。高比例的蓝光可以促进果实花色苷的积累。