任小通，马娟娟，孙西欢，郭向红，郑利剑，孙瑞峰，郭佳昌

（太原理工大学，太原030024）

0 引言

吐哈地区是我国重要的瓜果生产基地之一，其独特的光热资源，使得当地以葡萄为主的林果园艺产业十分发达，葡萄种植已成为吐哈地区重要的支柱产业，现葡萄果园灌溉面积约3.92 万hm2，并且种植规模呈逐年增大的趋势[1]，但该地区蒸发量大、降水量少且大多采用大水漫灌、沟灌等传统灌水方式进行灌溉，加剧了葡萄果园供水短缺的现象，因此农业节水灌溉尤为重要，而制定合理的灌水方案是关键。目前常用的节水灌溉方式有喷灌[2]、微灌[3]、滴灌[4]等，它们都是利用灌溉方式的调节作用，有效降低水资源浪费，保障农作物的用水需求，在一定程度上缓解了上述问题，而根区灌溉，可使水分直达作物根区供根系吸收利用，诱导根系深扎，提高作物抗旱能力，在该地区具有较好的应用前景。土壤水分状况是影响葡萄生长的重要因子之一[5,6]，合理的灌水上限可以提高根系吸水能力，保障葡萄需水过程的合理、有效，唐雅莹[7]等研究发现灌水上限为基质相对含水量的85%时，番茄茎粗、叶面积、植株干重、根冠比、壮苗指数以及根系活力等指标均最优；辣椒全生育期耗水量随着灌水上限的增大而增加，控制灌水上限为70%田间持水量的灌溉制度为最佳[8]，由此可见灌水上限对作物的生长发育有重要影响。目前国内外提出的诸多节水灌溉（WSI）概念与方法[9-12]的研究主要集中在探究水分胁迫对葡萄生长的影响[13-17]，针对灌水上限[18]对葡萄生长影响的研究相对较少。本文拟从土壤水分分布、根系（孙三民[19,20]等研究结果表明根径在1.5～2.0 mm 为主要吸水根，本文定义为根径小于2 ㎜的根为吸水根）、产量和果形指数对根区灌溉下不同灌水上限的响应进行研究，探明适用于当地葡萄生产的最佳灌水方案，为新疆干旱区葡萄节水高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年4月1日至8月15日在新疆维吾尔自治区吐鲁番市鄯善县（90.31°N，42.91°E，海拔419 m）新疆维吾尔自治区瓜果研究所试验基地内进行。试验地属于典型的温带大陆性干旱气候，全年日照时数2 900～3 100 h，7月平均气温20.4～33.0 ℃，年平均降水量25.3 mm，年蒸发量2 751 mm以上，10 ℃以上有效积温4 522.6～5 548.9 ℃，无霜期192～224 d，土壤质地为壤土，0～130m 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

试验选取长势相当的6年生无核白葡萄树作为试验用树，大沟定植，东西走向，株距2 m，行距4 m。本次试验为单因素控水试验，试验共设根区灌溉和地面沟灌两种方式，其中根区灌溉设置3 个处理，地面沟灌为对照处理，共4 个处理，每个处理设置3 个重复，共12 棵葡萄树，各处理灌水下限均为60%，灌水上限设定见表1，其他管理措施与当地农艺管理相同。根区灌溉技术在每颗葡萄树下对称布置4个灌水器，灌水器为直径20 cm，深度40 cm 的顶部与底部密封不透水、侧壁渗水的圆柱形结构，灌水器中心距树干50 cm，田间布置示意图如图1所示。将葡萄生育期划分为4 个时期，分别为新梢生长期（4月15日-5月10日）、开花期（5月11日-5月25日）、果实膨大期（5月26日-7月15日）和果实成熟期（7月16日-8月15日）。

表1 试验设计方案Tab.1 Experimental design scheme

图1 田间布置示意图（单位：cm）Fig.1 Schematic diagram of field arrangement

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水分

本试验中，土壤体积含水率采用TDR 土壤剖面水分测量系统测定,每20 cm 一层，垂直向下测至100 cm 处，每5 d 测定一次，灌水后和每生育期始末加测一次。

1.3.2 根系指标

根系指标测定采用根钻法进行取样，以地面为基准垂直向下取样，每隔20 cm 土层作为一个取样深度，取至100 cm[21,22]，各生育期末进行1 次取样，根系样品采用EPSON Expression 2400 型扫描仪（EPSON，Japan）和WinRHIZOTRO图像分析软件（Regent Instrument Inc.,Canda）进行扫描和分析。基于各层根系的根长和表面积计算相应根长密度（RLD）和根表面积密度（RSAD），计算公式分别如下：

式中：Rd为根长密度，cm/cm3；RL为根长，cm；Rv为根钻体积，cm3。

式中：RA为根表面积密度，cm2/cm3；Rs为根表面积cm2。

1.3.3 产量、果实形态

葡萄成熟季节，各处理单独采收，用精度为0.01 g 电子称，称取各处理的葡萄产量；葡萄果实的纵、横径采用游标卡尺进行测定，并用果实的纵径与横径的比值来描述葡萄果实的果形指数。

1.4 数据处理

试验所得数据利用Excel 2020 进行处理和分析，采用Origin 2021 （OriginLab，USA）作图，采用Spss （Statistical Product and Service Solutions，USA）进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率垂向分布特点

不同处理各生育期的土壤水分分布规律如图2所示，根区灌溉处理下土壤体积含水率均呈现随土壤深度增大先增大后减小的趋势，处理之间随灌水上限的升高，灌水量增大，土壤体积含水率大小关系为T3＞T2＞T1，且各处理土壤体积含水率差异显著；T1、T2 在新梢生长期80～100 cm 土层差异不显著，是因为新梢生长期根系生长旺盛、需水量大，水分主要被0～80 cm 土层根系吸收；T3 处理相较于T2 处理，各生育期不同土层土壤体积含水率高1.25%～2.47%；T2 处理相较于T1 处理，各生育期不同土层土壤体积含水率高1.09%～4.82%；沟灌处理表现为随深度增大，土壤体积含水率逐渐减小的变化规律，相较于根区灌溉处理，0～20 cm 表层土壤体积含水率差异显著（p＜0.05），这是因为水分从地面下渗，水分集中于表层土壤。

图2 不同处理各生育期土壤体积含水率Fig.2 Soil volumetric water content at different growth stages under different treatments

2.2 不同水分处理下葡萄各生育期吸水根系分布情况

2.2.1 各生育期不同土壤深度吸水根系根长密度分布规律

图3为各处理在不同生育期不同土层深度的吸水根系根长密度（RLD）分布。由图分析可知，根区灌溉处理下，吸水根系根长密度垂向分布规律基本一致，均呈现随土层深度增大，根长密度先增大后减小的现象，这与郑利剑等[20,23,24]根区灌溉方式下苹果树根长密度分布规律基本一致；T1、T2、T3 处理吸水根系主要分布在20～60 cm 的土层中，在不同生育期该范围吸水根系根长密度分别占总吸水根系根长密度的73.92%～89.50%、78.71%～91.12%、79.58%～89.66%；不同的灌水上限对葡萄吸水根系生长产生显著影响，T2、T3 处理在不同生育期的根长密度基本较T1 处理大，这是因为灌水上限高，根系生长所需的水分充足，更有利于根系生长；T2 处理较T3 处理根长密度在20～60 cm 土层中大，在60～100 cm 土层中要小，这是因为T3 处理20～60 cm 土层中土壤含水率高于土壤田间持水量，降低了土壤通透性，反而抑制了吸水根系的生长发育，但在60～100 cm 土层中含水率随着深度的增加而减小，土壤水分含量更适宜吸水根系生长发育，使得T3 处理吸水根系根长密度大于T2 处理；CK 处理根长密度随土层深度的增大而减小，吸水根系主要分布在0～60 cm 的土层中，不同生育期该土层范围内吸水根系根长密度占总吸水根系根长密度的81.54%～84.62%，这是因为地面沟灌土壤水分主要分布在土壤表层，更利于表层吸水根系的生长；在40～100 cm 土层中，相同的灌水上限处理下，与CK 处理相比吸水根系根长密度T2＞CK，这是因为在相同的灌水上限时，根区灌溉中深层土壤中的水分高于沟灌处理，有利于提高中层土壤中的根系生长发育。

图3 各处理不同生育期根长密度分布Fig.3 Distribution of root length density in different growth stages under different treatments

2.2.2 各生育期不同土壤深度吸水根系根表面积密度分布规律

土壤中的水分和养分均需通过根系表面吸收，才能够被植株所利用，因此根表面积密度也是表征根系吸水能力强弱的重要指标[25]。图4为各处理不同生育期不同土层深度的葡萄吸水根系根表面积密度（RSAD）分布情况。由图对比分析可知，各处理不同生育期不同土层深度的吸水根系根表面积密度与根长密度分布规律相似；T1、T2、T3 处理分布规律基本一致，沿垂向呈先增大后减小的趋势，而CK 处理土壤水分主要分布在表层土壤中，更有利于靠近土壤表层的根系生长，根表面积密度随着土层深度增大而减小；根区灌溉下T1、T2、T3 处理的吸水根根系表面积密度集中分布在20～60 cm 土层中，其不同生育期在此范围内的吸水根系根表面积密度分别占总根表面积密度的67.54%～78.52%、69.12%～82.32%、68.34%～81.93%；CK 处理吸水根系根表面积密度高值区主要分布在0～40 cm 土层，占吸水根系总根表面积密度的79.45%～83.32%；T1 处理相较于T2、T3 处理，因为土壤水分不充足，吸水根系根表面积密度较低；在相同灌水上下限的条件下，由于根区灌溉40～100 cm 土层中的土壤体积含水率高于沟灌处理，而根系的生长具有向水性，因此该范围内土层中T2 处理的吸水根系根表面积密度大于CK处理。

图4 各处理不同生育期根表面积密度分布Fig.4 Distribution of root surface area density at different growth stages under different treatments

2.2.3 吸水根系总根长密度和总根表面积密度分布规律

图5 为不同处理各个生育期0～100 cm 土层内吸水根系总根长密度和总根表面积密度分布情况。从图5可知，0～100 cm土层内吸水根系总根长密度和总根表面积密度随生育期变化规律基本一致。结合表2对比分析可知，不同处理的开花期根系日平均生长旺盛，这是因为开花期葡萄地上植株部分需水量不高[26]，大量水分和养分供给根系；各个处理在果实膨大期根系生长速度逐渐减慢，这是因为此时期大量水分供给果实生长；果实成熟期根系又以较快速度生长，这是因为该时期果实并不需要更多的水分，水分再次供给给根系生长。

图5 总根长密度和总根表面积密度分布Fig.5 Total root length density and total root surface area density distribution

表2 不同处理各生育期总根长密度和总根表面积密度平均增长率 %Tab.2 Growth rates of total root length density and total root surface area density at different growth stages under different treatments

2.3 不同水分处理下各生育期吸水根系分布函数方程

图6 和图7 为各生育期土壤体积含水率与根长密度和根表面积密度的关系，可以看出不同土壤体积含水率对根系生长发育产生显著影响，各生育期根长密度和根表面积密度均呈现随土壤体积含水率增大先增大后减小趋势，由图可知当土壤体积含水率在23.0%～24.2% 时，相当于田间持水量的88.46%～93.08%，各生育期根长密度和根表面积密度均较大，其Rd＞0.61 cm/cm3，RA＞0.005 8 cm2/cm3，但当土壤水分超过88.46%田间持水量时，增长速度减缓；在葡萄树需水量相对较大的新梢生长期和果实膨大期，土壤水分在90.38%～94.23%田间持水量时，根长密度和根表面积密度达到最大值，而开花期和果实成熟期土壤水分在89.23%～91.92%田间持水量时，根长密度和根表面积密度最大；在根长密度和根表面积密度达到最大值之后，随土壤体积含水率增大而减小，由此可见，较高灌水上限只会导致葡萄灌水量增加，并不会促进葡萄吸水根系的生长，将土壤水分控制在田间持水量的88.46%～93.08%范围内时，对葡萄根系的生长发育最为有利，本试验对应的为T2处理。

图6 各生育期土壤体积含水率与根长密度的关系Fig.6 Relationship between soil volume moisture content and root length density at different growth stages

图7 各生育期土壤体积含水率与根表面积密度的关系Fig.7 Relationship between soil volume moisture content and root surface density at each growth stage

2.4 不同水分处理对葡萄果形指数和产量的影响

不同水分处理会对葡萄的产量产生显著的影响[27]。由表3可知，不同水分处理中，各处理产量差异显著，T2 处理最高28 464.38 kg/hm2，与T1、T3、CK处理相比，T2增产率分别为12.62%、6.45%、15.74%，说明当灌水下限为60%时，灌水上限控制在田间持水量的90%最有利于葡萄高产。

表3 不同水分处理下葡萄果实形态和产量Tab.3 Grape shape index and yield under different water treatments

不同的灌水上限不仅影响葡萄产量，还会对葡萄果实形态产生影响[28,29]。对于果实纵、横径而言，最大值分别是T2处理的20.35 mm 和14.52 mm，且二者与其他处理的纵、横径均存在显著差异（p＜0.05）。不同水分处理下，T2 与T3 处理果形指数均出现最大值为1.40，CK处理最小。

3 结论

通过研究不同灌水上限对葡萄土壤水分分布、吸水根系分布、产量及果形指数的影响，结论如下：

（1）根区灌溉处理下土壤体积含水率随土壤深度的增大先增大后减小，土壤体积含水率呈T3＞T2＞T1 的规律，沟灌处理随深度增大土壤体积含水率减小。

（2）根区灌溉方式下，吸水根系根长密度和根表面积密度随土层深度增加均表现为先增大后减小的趋势，吸水根系集中分布在20～60 cm 土层；而沟灌处理表现为随土层深度增大而减小，吸水根系主要分布在0～40 cm 土层。表明采用根区灌溉的灌水方式较地面沟灌更有利于葡萄根系深扎，有利于提高葡萄树的抗旱性。

（3）吸水根系根长密度和根表面积密度均随土壤体积含水率增大先增大后减小，土壤水分为田间持水量的88.46%～93.08%时，各生育期根长密度和根表面积密度均较大；土壤水分在超过田间持水量的88.46%时，吸水根系生长缓慢或抑制生长。由此可见，较高灌水上限，只会导致葡萄灌水量增加，并不会促进葡萄吸水根系的生长。

（4）相同的灌水上限处理，T2 处理比CK 处理灌水量低21.84%，但产量显著提高18.68%，说明根区灌溉方法是一种更适用于该地区的节水、高产的灌水方案。综合考虑葡萄根系的生长、产量和果实形态，根区灌溉处理下，灌水上限为90%田间持水量是最优水分处理。