弥雾微喷对葡萄光合特性、产量及品质的影响

2020-10-16郑明张江辉白云岗刘洪波丁平

排灌机械工程学报 2020年9期

郑明，张江辉，白云岗，刘洪波，丁平

(新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐 830049)

葡萄在中国具有广泛的种植历史，尤其在吐鲁番地区，是当地主要经济收入来源，有着举足轻重的地位.吐鲁番地区处于极端干旱地区，葡萄在果粒膨大期易受干热风的影响，叶片光合作用受阻导致植物“午休”时间较长，有机质累积时间变短，对葡萄品质和产量造成不利影响[1]，因此在当地开展缓解葡萄“午休”现象的试验对提高葡萄产量与品质具有深远的意义.有研究显示作物在中午会出现“午休”现象，主要与温度过高有关[2].丁友芳等[3]研究认为葛根净光合速率与叶温、环境温度呈现负相关.金莉等[4]研究表明：引起葡萄“午休”的主要因素为空气湿度和温度，对葡萄进行降温增湿措施可能会减轻其“午休”.张衡等[5]研究显示对葡萄进行弥雾微喷可以达到增湿降温的效果，在棚架下50 cm处布设喷头降温增湿效果最为明显.在作物“午休”研究方面已有许多成果，但分析微喷时长对葡萄光合特性、果粒发育以及产量和品质的影响的报道鲜见.

目前，对灌溉制度试验多采用产量与其他指标来直观判断最优处理，但在不同指标上可能会存在不同评价标准，此时需要一种客观的方法来筛选.最优处理熵值法是通过统一评价指标在不同对象中的差异性程度确定权重系数，以此来避免主观因素，又称客观赋权法.目前熵值法已成功应用在各学科领域[6]，但在筛选最优处理的方面的应用较少，因此研究使用熵值法筛选最优处理果粒体积的正常发育直接影响产量与品质，每日对果粒体积进行测定会对果粒正常发育产生一定的物理损伤，进而影响果粒体积数据的准确性，需采取合理方法对果粒体积进行预测.曲线方程可以描述曲线变化情况，方程导数可以得到该函数的斜率(曲线增长速率)，可以将其推广应用在研究葡萄果粒体积生长规律，预测果粒体积增长速率较快的时期，保证果粒体积正常生长.

试验基于前人研究成果，于2018年在棚架下50 cm处布设弥雾微灌喷头，设置微喷0 h/d(CK),1 h/d(WP1),2 h/d(WP2)与3 h/d(WP3)这4个处理，监测不同处理的光合特性、果实体积以及产量和品质等指标，运用求果粒体积生长函数导数的方法得到果粒体积增长速率函数，计算并比较不同处理下葡萄果粒增长速率及最大增长速率，并且使用熵值法客观评价不同处理下葡萄产量与品质的优劣性，旨在从不同处理之间筛选出最优处理，为提高葡萄产量和品质提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年4—9月在新疆鄯善县的新疆葡萄瓜果开发研究中心试验基地(90.30° E，42.91° N，海拔419 m)进行，该地年降雨量为25.3 mm，年蒸发量为2 751 mm，10 ℃以上有效积温为4 522.6～5 548.9 ℃，全年日照时间为2 900～3 100 h，无霜期长为192～224 d.土壤质地主要为砾石沙壤土.供试材料为38a“无核白”葡萄树，大沟定植，东西走向，沟宽1.0～1.2 m，沟深0.5 m左右；株距约1.2～1.5 m，行距3.5 m；栽培方式为小棚架栽培，棚架前端高1.5 m，后端高0.8 m.

1.2 试验设计

试验田灌溉方式采用滴灌，滴灌带布置方式为一沟三管，即在葡萄主根两侧30 cm处各放置1条滴灌带，在主根部位放置1条滴灌带，滴头流量3.2 L/h，滴头间距30 cm，灌溉定额9 150 m3/hm2.试验共设3个弥雾微喷时长调控处理，各微喷灌水技术处理均在常规滴灌的基础上通过与微喷叠加，组成微喷弥雾调控灌水技术处理.3个处理分别为微喷1 h/d(WP1),2 h/d(WP2),3 h/d(WP3)，对照处理(CK)采用常规滴灌，不微喷，共计4个处理，每个处理设置2个重复，每个试验小区面积约0.03 hm2.微喷弥雾灌溉装置采用喷射直径200 cm，流量40 L/h，喷头间距2 m，喷头位置为藤架下50 cm处.微喷在葡萄果粒膨大初期(5月29日—7月4日)12:00开启.

1.3 指标测定

1.3.1 光合数据测定

在葡萄树果粒发育期内选择3个典型晴天，在葡萄藤顶、藤中和藤底位置各选择1片树叶.从早上8:00到晚上20:00使用便携式光合测定系统CIRAS-3(PP SYSTEMS, USA)每间隔2 h测定被选定样树叶片的光合数据，1 d共计测定7组数据，同一时间测定3片树叶光合数据的平均值作为此时刻光合数据.在果粒膨大期选取7个晴天日，在12:30测定叶片光合数据，将7 d光合数据求均值得到果粒膨大期的光合数据.

1.3.2 果实体积测定

每个处理分别从葡萄藤顶，藤中和藤底各选择一串长势均匀适中的果穗，共计3穗，在选中的果穗的上部，中部和下部各选择1粒体积适中的果粒，1个处理共计9粒果粒，从6月28日至8月14日期间，每间隔7 d左右，使用精度为0.01 mm的游标卡尺测量果粒的纵径和横径，将9粒果粒纵径和横径求均值，得到这一处理的葡萄果粒纵径和横径.由果粒纵径和横径计算果粒体积，计算公式为

(1)

式中：V为葡萄果粒体积，cm3；π取值3.14；b为果粒横直径，cm；c为果粒纵直径，cm.

在数学方法上对函数进行求导可得该函数每一点的斜率(增长速率)，基于此理论，对各处理的果粒体积与日序的拟合方程进行求导，得到对应处理体积增长速率(潜力)，函数求导方程为

V=F(x)，

(2)

a=V′=F′(x)，

(3)

式中：V为果粒体积，cm3；x为日序，d；F(x)为果粒体积与日序的拟合方程；a为果粒体积增长速率，cm3/d，为符合果粒体积发育规律，当a为负值时，将a修正为0；V′为V的导数；F′(x)为F(x)的导数.

1.3.3 产量测定

在收获葡萄时，在同一个处理随机摘取20穂完整的果穗进行称重，求均值得到单穗质量，同时统计每个处理果穗数，总产量由平均单穗质量乘以穂数(果实腐烂和果实完整总穗数)计算得出.

1.3.4 果粒品质测定

每个处理随机选取3串健康无病虫害的果穗，使用手持式折光仪测定可溶性固形物含量；采用 NaOH滴定法测定可滴定酸含量，以酒石酸含量计；采用钼蓝比色法测定维生素C含量；葡萄果皮总酚采用福林—肖卡法测定，结果用没食子酸表示；单宁采用福林—丹尼斯法测定.从每个处理3串果穗选取3粒果粒，使用手持式糖度计测定每个果粒糖度，每个处理的9粒果粒糖度的均值为该处理的糖度.从每个处理中随机取9粒果粒，使用手持式硬度计与拉力计测定果粒硬度与果柄拉力.

1.4 数据处理

采用Excel 2010对数据进行统计，计算及绘图.

2 结果与分析

2.1 果粒膨大期葡萄叶片光合日变化

将葡萄果粒发育期内3个典型晴天的同一时刻光合数据求均值，得到光合数据日变化，结果如图1所示.分析不同微喷时长对葡萄叶片细胞间CO2浓度ρCO2的影响，结果如图1a所示，处理WP1，WP2，WP3与CK叶片胞间CO2浓度日变化规律基本一致，均呈现先减小后增大变化特征，其中叶片胞间CO2浓度在14:00达到最小值.不同处理葡萄叶片蒸腾速率Tr结果如图1b所示，处理WP1，WP2，WP3与CK的叶片蒸腾速率均呈现“M”型变化规律，均在14:00出现下降现象，但处理WP1，WP2与WP3蒸腾速率却明显高于处理CK，而其他时间段却低于处理CK，原因可能为处理WP1，WP2与WP3在12:00时进行微喷，使得葡萄藤架下土壤湿润，降低了藤下空气温度，导致处理WP1，WP2和WP3的葡萄叶片的气孔导度关闭程度小于CK.而其他时间段处理WP1，WP2和WP3藤架下空气湿度高于CK，使水汽压差相比处理CK较小，间接抑制了叶片蒸腾作用.

不同处理葡萄叶片的净光合速率变化规律如图1c所示，处理WP1，WP2，WP3与CK的净光合速率均呈现“M”型变化规律，且处理WP1，WP2与WP3的净光合速率Pn高于CK.处理WP1，WP2，WP3，CK的净光合速率均在14:00有所下降，分别为19.09，16.01，16.42与14.23 μmol/(m2·s)，分别为12:00时净光合速率均值的87%，81%，86%与81%，各处理中WP1净光合速率下降程度最低，说明处理WP1对抑制叶片“午休”效果最好，且对净光合速率的提升更加明显.分析不同处理葡萄叶片气孔导度Gs，结果如图1d所示，处理WP1，WP2，WP3与CK的叶片气孔导度在8:00—12:00均呈现上升变化规律，在12:00—14:00呈现下降变化，说明处理WP1，WP2与WP3不能消除叶片“午休”，在14:00时，处理WP1，WP2与WP3的气孔导度大于CK，说明微喷处理对葡萄叶片的气孔导度关闭程度具有一定抑制作用.14:00—20:00间4个处理处于下降变化，在此时间段，CK处理曲线与处理WP1，WP2和WP3曲线相交，说明微喷措施具有一定的时效性.

图1 不同处理葡萄叶片光合特性日变化Fig.1 Diurnal variation of photosynthetic characteristics of grape leaves in four treatments

2.2 果粒膨大期葡萄叶片光合特性变化规律

在果粒膨大期选取7个晴天日，在12:30测定叶片光合数据，将7 d光合数据求均值得到果粒膨大期的光合数据，结果如表1所示.

表1 果粒发育期不同处理葡萄的光合特性Tab.1 Photosynthetic characteristics of grape in four treatments during fruit development

处理WP1，WP2，WP3和CK之间的葡萄叶片细胞间CO2浓度呈现大小依次为CK，WP3，WP2，WP1.而在净光合速率方面，处理WP1，WP2及WP3比CK提升8.38%，6.65%和3.86%；处理WP1，WP2及WP3的蒸腾速率均为处理CK的97%；在气孔导度方面，处理WP1，WP2及WP3也均大于CK处理，原因可能是微喷处理相比CK处理的空气相对湿度较高，抑制了气孔导度的关闭程度，但减小了冠层内空气饱和水汽压差，间接抑制了叶片的蒸腾.从结果可以看出，每日微喷可以提升葡萄果粒发育期的净光合速率，且微喷处理中处理WP1的净光合速率最大，因此处理WP1在光合特性方面最优.

2.3 微喷时长对果粒体积及果粒增长速率的影响

试验于2018年6月28日—8月14日对葡萄果粒体积进行测定，为拟合葡萄果粒发育规律回归方程，文中将日期改为日序，即规定果粒发育期第1天(5月28日)为日序第1天，以此类推.不同处理葡萄果粒体积变化规律和拟合方程结果如图2.

图2 不同处理葡萄果粒体积变化规律Fig.2 Variation of grape fruit grain volume in four treatments

处理WP1，WP2，WP3和CK在第78天(8月14日)体积分别为3.25，3.05，2.98和3.00 cm3，处理WP1，WP2与WP3果粒体积分别为处理CK果粒体积1.08，1.02与0.99倍，处理WP1与WP2对果粒体积发育具有促进作用，处理WP3对果粒体积发育有一定的抑制作用.对处理WP1，WP2，WP3以及CK的果粒体积增长规律与日序分别进行拟合，4个处理的拟合方程的R2分别为0.984 2，0.978 1，0.982 6和0.977 9，各处理的拟合方程的拟合度较高，说明各处理的拟合方程均能模拟各处理果粒体积发育规律.

对各处理果粒体积发育拟合方程进行求导，得到各处理果粒体积增长速率a，结果如表2，各处理的果粒体积增长速率方程F′(x)为开口向下的二次函数，存在最大值，计算各处理的果粒体积最大增长速率及对应日序，结果发现各处理最大增长速率均在7月15日(日序为第48天)，在数值保留2位小数的前提下，各处理最大增长速率与7月16日的增长速率相同.各处理中，处理WP1在各时间段的增长速率最大，各处理增长速率大小依次为WP1，WP2，WP3，CK，说明微喷处理能提升果粒体积增长速率与成熟果粒体积，同时处理WP1与WP2可以延长果粒发育周期，微喷处理中以WP1为最优.

表2 不同处理葡萄果实体积增长速率Tab.2 Growth rate of grape fruit grain volume in four treatments

2.4 微喷时长对葡萄产量及品质的影响

在果实成熟期收获时，对葡萄产量和品质进行测定，结果由表3可知，各处理产量(Y)由大到小依次为WP1，WP2，CK，WP3，相比处理CK，WP1，WP2及WP3的产量提升6.52%，1.89%和-6.04%.在含糖量方面，处理WP1的葡萄含糖量(S)最高，WP2次之，CK为最低.葡萄果粒硬度(H)和果柄拉力(F)可以反映葡萄的耐储存性，硬度和果柄拉力越大，葡萄可储存时间越长.处理WP1，WP2与WP3的硬度和果柄拉力均大于CK处理，说明微喷措施可以提高葡萄的耐储存性，耐存储性时长顺序由大到小依次为WP1，WP2，WP3，CK.处理WP1，WP2与WP3在可溶性固形物(SS)，VC含量，总酸(TA)，多酚(P)和单宁含量(T)方面均高于CK，其中处理WP1提升值最高，相比CK分别提高1.91%，0.06 mg/100g，0.23%，0.45 mg/g和0.07 mg/g，因此从直观角度判断处理WP1为最优.但处理WP1的果粒总酸含量较高会影响果实的口感，从而降低果实品质，此外WP1的果实硬度也并非最大，其耐储存时长也会低于WP2，此时直观判断的处理WP1并不一定为最优，因此可采用熵值法对各处理品质进行打分，从客观角度筛选更优处理.

表3 不同处理葡萄产量及品质的对比分析Tab.3 Comparative analysis of grape yield and quality in four treatments

采用熵值法对基础数据进行量纲一化转换，其中总酸为负向指标，即总酸数值越大，葡萄口味越差，因此设定总酸修正为正向指标，将总酸数值改为(1-总酸数值)，然后将其进行量纲一化转换，不同处理葡萄品质数据最终得分的结果如表4.

表4 不同处理葡萄品质数据量纲一化预处理及各处理最终得分Tab.4 Dimensionless pretreatment of grape quality data in four treatments and final score of each treatment

糖度、硬度果柄拉力、可溶性固形物、VC含量等指标差异性较小，因此以上这些指标的权重系数相对较小，而总酸，多酚含量，单宁含量各处理之间的差异性较大，因此这些指标的权重系数差别较大，由权重系数与量纲一的数据计算，得到处理WP1，WP2，WP3及CK得分分别为0.274 9，0.273 0，0.218 8和0.233 3，处理WP1得分最高，基本相等，说明微喷1 h/d有利于提高葡萄品质，处理WP3得分低于CK，说明微喷3 h/d会降低葡萄品质.

3 讨论

研究发现对照处理的净光合速率在14:00时会有所下降，即出现“午休”现象，但微喷处理净光合速率与气孔导度下降趋势较缓，原因为每日在12:00进行微喷措施可以降温增湿，前人研究认为空气湿度是气孔导度的主要调控途径[7]，说明微喷处理可以缓解葡萄“午休”现象，但处理WP3的净光合速率却低于处理WP1与WP2，这也说明较高的湿度会抑制葡萄的光合特性，这与朱雨晴等[8]研究结论一致.由试验结果判断处理WP1在光合特性为最优，这与刘洪波等[9]研究叶绿素结论基本一致.

研究拟合不同处理下日序与葡萄果粒体积回归方程，拟合程度较高，但处理WP1与WP2的拟合方程在8月6日之后函数出现负值现象，而处理WP3与CK处的拟合方程在8月3日之后函数出现负值现象，即果粒体积出现变小现象，果粒体积增长速率的负增长不符合果粒体积发育的客观规律，但根据果粒体积增长规律的客观数据分析，葡萄果粒体积在8月份基本不再变化，因此拟合方程可以描述果粒体积发育规律，但需要将负值修正为0，即认为出现负值的阶段为果粒不再发育时期.根据熵值法综合评价结果，处理WP1品质最优，即微喷1 h/d对果实品质提升效果最优，这与张衡等[5]研究结论基本一致.