基于15N示踪技术的干旱区滴灌葡萄氮素利用分析

李鑫鑫 刘洪光 林 恩

(石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

新疆维吾尔自治区(以下简称“新疆”)是葡萄的优质主产区，但土壤盐渍化、水肥管理不善是葡萄生产的瓶颈。施肥可以提质增产，而水分是影响作物吸收利用肥料的关键因素[1-3]，水肥对作物生长表现出激励与拮抗的双重作用[4-6]。氮素作为三大营养元素之一，对作物生长和产量的影响高于钾元素和磷元素，李鑫等[7]通过盆栽试验研究发现，施氮量为0.10 g·kg-1处理的红小豆产量最高，与其他施氮处理相比，在干旱胁迫和正常灌水条件下的增产幅度分别为95.20%～118.30%和63.80%～137.10%，可见水氮供应是调控作物生长发育的有效手段，适宜的施氮量可以促进作物根系生长，减轻由水分胁迫所造成的不良影响[8-9]，且科学合理的水氮管理措施可促进作物光合产物的累积[10]，对实现作物高产具有重要意义。

氮循环涉及复杂的物理、化学和生物转化过程[11-15]。15N示踪技术可以独立标记氮素从土壤到作物体内的运输传递路径，排除其他环境的干扰，准确分辨作物所吸收氮素的来源[16]。姜佰文等[17]研究发现在生育前期，水稻植株以吸收肥料氮为主，后期则以吸收土壤氮为主；谷海红等[18]研究发现烤烟植株在整个生育期吸收的氮素主要来自土壤氮，且吸收的土壤氮量及其占总吸氮量的比例均随着生育期的推进和烟叶着生部位升高而明显增加。在果树研究方面，张芳芳等[19]研究表明苹果树在幼果期根系吸收15N尿素达到最高点，随后，吸收的15N向外运输，用于建造新梢、叶片与果实等新生器官，至采收期，地上部分新生器官的15N含量明显高于地下部分。赵凤霞等[20]研究发现甜樱桃在盛花期时，粗根15N分配率最高，为54.91%；从盛花期至果实硬核期，细根和贮藏器官15N分配率由85.43%降至55.11%，地上部新生器官15N分配率由14.57%升至44.89%。葡萄是需氮量较高的树种，其体内的氮素循环过程也同样复杂[21]，而目前对于旱区滴灌条件下，利用15N示踪技术研究水氮调控在连续生育期内对葡萄的氮素吸收利用影响特征的研究需进一步深入[22-24]。本研究以新疆特色鲜食葡萄为研究对象，利用15N示踪技术分析水氮调控对葡萄氮素吸收利用的影响，以期为干旱区滴灌葡萄的高产高效种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验区位于新疆石河子市六分场六连，地理坐标位置86°00′～86°15′E，44°22′～44°50′N。该区处于玛纳斯河流域中下游，天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，年降水量106～178 mm，年蒸发量1 723～2 261 mm。试验区春季多风，昼夜温差大，日照时间长，积温高，热量丰，是葡萄的优质产区。该产区土质为砂壤土，土壤盐分以硫酸盐和氯化物为主，具体理化性质见表1。试验葡萄品种为鲜食葡萄弗雷(Vitisviniferacv. Frey)，是石河子市具有代表性的主栽葡萄品种。

表1 试验区土壤主要物理性质Table 1 Main physical properties of soil in test area

图1 葡萄种植模式图Fig.1 Grape planting pattern

1.2 试验设计

试验于2017年5月至8月进行，采用完全随机试验设计，设置2种灌水处理(W1=4 950 m3·hm-2、W2=5 400 m3·hm-2)，3种施氮处理(F1=177 kg·hm-2、F2=235 kg·hm-2、F3=292 kg·hm-2)，共6个处理，每处理设3个重复。如图1所示，葡萄种植株距1.50 m，行距3 m，排架种植，各处理小区种植10棵葡萄，树龄12年，丰产树龄。具体灌溉和施肥设计如表2、表3所示。各处理小区在首部安装球阀、水表，采用单翼迷宫式滴灌带，滴头流量为3.2 L·h-1，用独立施肥系统控制灌水和施肥。

2017年6月5日，试验于各处理小区选取2棵长势均匀的葡萄树，在根区土壤施丰度为5.16%的15N标记复合氮肥(含氮量40%)，并做好标记，其余施肥均施用常规复合氮肥(含氮量40%)。表4展示了弗雷葡萄的物候期，分别于葡萄开花期、坐果期、膨大期、成熟期、采收期，测定各处理小区所选果树的株高、茎粗、枝条长。并从各果树选择3条蔓，每条蔓上、中、下部选择3个枝条，用标识牌做好标记，用钢尺测量枝条长、叶片中主脉长。分别于葡萄膨大期、成熟期、采收期，采集各试验小区所选果树的部分根、茎、叶、果，经烘干、研磨后，用于测定全氮含量和15N丰度。于葡萄成熟期采集土样，在各试验小区所选果树水平方向(距离树干0～100 cm)，垂直方向(0～100 cm土层深度)每20 cm设置一个取样点(数据分析时，以水平取样点均值进行分析)，所取土样于烘箱内105℃烘6～8 h，烘干后研磨、筛分、封存。果树日常维护遵照当地技术模式。

表2 灌溉制度Table 2 Irrigation system

表3 试验施肥设计Table 3 Test fertilization design

表4 弗雷葡萄物候期观察Table 4 Phenological observation of Frey Grape

1.3 测定项目与方法

1.3.1 氮素测定 全氮含量：采用凯氏定氮法[17]。

1.3.2 氮素利用相关指标计算 根据公式计算各指标[25]：

器官吸氮量=器官干重×器官全氮含量

(1)

植株总吸氮量=地上部吸氮量+根吸氮量

(2)

15N原子百分超=样品或15N标记氮肥15N丰度-15N 自然丰度

(3)

肥料贡献率(nitrogen derived from fertilizer，Ndff)=样品15N原子百分超/15N标记氮肥15N原子百分超×100%

(4)

器官吸收15N标记氮肥氮量=器官吸氮量×器官Ndff

(5)

植株吸收15N标记氮肥氮量=地上部吸收15N标记氮量+根吸收15N标记氮量

(6)

植株吸收土壤氮量=植株总吸氮量-植株吸收15N标记氮肥氮量

(7)

15N标记氮肥利用率=植株吸收15N标记氮肥氮量/总施氮量×100%

(8)

15N标记氮肥偏生产力=产量/施肥量

(9)。

1.3.3 葡萄生物量统计 根据公式计算葡萄叶面积[26]：

y=0.859 4x2.082 3

(10)

式中，y为葡萄叶面积，cm2；x为葡萄叶片中主脉长，cm。

根据公式计算葡萄单个枝条生物量[26]，即茎秆生物量：

m=0.000 3A1.525 5

(11)

式中，m为单个枝条生物量，g；A为单个枝条葡萄叶面积总和，cm2。

根据公式计算葡萄地上部单位面积生物量[26]：

M=0.667a×b×m/S

(12)

图2 葡萄成熟期土壤中全氮含量和15N丰度垂直分布Fig.2 Vertical distribution of total nitrogen content and 15N abundance in soil during grape ripening stage

式中，M为葡萄地上部单位面积生物量，kg·677 m-2；a为每个试验行的葡萄蔓数；b为每个蔓上的枝条数；S为每个试验行覆盖面积，m2。

根据公式计算葡萄地下部单位面积生物量[27]：

W=27.126D2H0.689

(13)

式中，W为葡萄地下部单位面积生物量(根系生物量)，kg·hm-2；D2为茎粗平方，cm2；H为株高,m。

其中，叶片、果实生物量由普通实测获得；单株生物量为根、茎、叶、果生物量之和。

1.4 数据处理

使用SPSS 24进行数据多重比较(LSD法)，使用Origin 2017和Excel 2016进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤中氮素分布特征

在7月下旬葡萄成熟期时，15N标记氮肥的施加工作已经完成，此时土样检测结果能较好体现土壤残留氮的分布特征。如图2-A所示，各处理土壤全氮含量均随着土层深度的增加呈降低趋势，上层土壤中全氮含量高于下层土壤，0～20 cm土层内土壤全氮出现富集现象，其中，W1F3的土壤全氮含量最高，为0.09%，W2F1的土壤全氮含量最低，为0.04%，二者相差0.05个百分点。随着土层深度增加，土壤全氮含量明显降低，多介于0.01%～0.07%之间。如图2-B所示，各处理土壤15N丰度随着土层深度的增加也呈降低趋势，变化特征与土壤全氮含量类似，具有一致性。0～20 cm土层内土壤15N丰度较高，出现富集现象，其中，W1F3的土壤15N丰度最高，为0.53%，W2F1、W1F1的土壤15N丰度均较低，约为0.47%，与W1F3相差近0.06个百分点。随着土层深度增加，土壤15N丰度降低，介于0.37%～0.48%之间。

不同的水氮处理对土壤微生物活性影响较大，0～20 cm土层深度内土壤的温度高、灌水后湿度大，为土壤微生物的生长创造了良好条件，所以此土层深度内氮肥分子被大量转化为铵态氮后分解为NH4+，其中一部分被植株根系吸收，一部分被土壤胶体吸附，一部分硝化流失或弥散至下层土壤。然而0～20 cm土层深度内葡萄根系不发达，吸收NH4+速率慢，吸收量也较少，但是此土层深度内土壤常年翻耕，通透性强，灌水后大量NH4+进入下层土壤，随土层深度增加葡萄根系逐渐发达，弥散至此的NH4+能得以充分吸收，所以20 cm以下土层内土壤全氮含量和15N丰度较低，而在0～20 cm土层内土壤全氮含量和15N丰度相对较高。

2.2 葡萄果树中氮素分布特征

由表5可知，在葡萄果树连续的3个生育期内，当灌水量相同时，各器官全氮含量随着施氮量的增加而增加，当施氮量相同时，各器官全氮含量随着灌水量增加而增加，说明水氮丰足促进了果树根系吸收氮素。在葡萄膨大期，W2F3的根系、茎秆、叶片、果实全氮含量最高，分别为1.94%、1.67%、4.66%、1.43%，其中根系和果实全氮含量与W2F2差异不显著。在葡萄成熟期，W2F3的根系、茎秆、叶片、果实全氮含量最高，分别为2.39%、1.54%、3.98%、1.70%；W1F1的各器官全氮含量最低，分别为1.55%、0.95%、3.52%、1.17%，两处理之间各器官全氮含量分别相差0.84、0.59、0.46、0.53个百分点。在采收期，W2F3的根系、茎秆、叶片、果实全氮含量最高，分别为2.70%、1.22%、3.62%、2.07%，其中根系全氮含量与W2F2差异不显著，叶片全氮含量与W1F3、W2F2差异不显著。

表5 不同生育期葡萄果树各器官全氮含量Table 5 Total nitrogen content in various organs of grape fruit trees at different growth stages /%

由表6可知，在果树连续的3个生育期内，当灌水量相同时，各器官15N丰度随着施氮量的增加而增加，当施氮量相同时，各器官15N丰度随着灌水量的增加而增加，低水低氮不利于果树吸收15N标记氮素。在葡萄膨大期，W2F3的根系、茎秆、叶片、果实15N丰度最高，分别为0.49%、0.54%、0.55%、0.47%；W1F1的各器官15N丰度最低，分别为0.43%、0.48%、0.51%、0.42%，两处理之间各器官15N丰度分别相差0.06、0.06、0.04、0.05个百分点。在葡萄成熟期，W2F3的根系、茎秆、叶片、果实15N丰度最高，分别为0.58%、0.52%、0.51%、0.53%；W1F1的各器官15N丰度最低，分别为0.52%、0.47%、0.46%、0.48%，两处理之间各器官15N丰度分别相差0.06、0.05、0.05、0.05个百分点。在采收期，W2F3的根系、茎秆、叶片、果实15N丰度最高，分别为0.72%、0.49%、0.49%、0.57%；W1F1的各器官15N丰度最低，分别为0.67%、0.44%、0.44%、0.52%，两处理之间各器官15N丰度均相差0.05个百分点。

表6 不同生育期葡萄果树各器官15N丰度多重比较表Table 6 15N abundance in various organs of grepe fruit trees at different growth stages /%

由表7可知，在果树连续的3个生育期内，各器官Ndff变化特征与全氮含量、15N丰度变化具有较高的一致性，当灌水量相同时，各器官Ndff随着施氮量的增加而增加，当施氮量相同时，各器官Ndff随着灌水量的增加而增加。在葡萄膨大期，W2F3的根系、茎秆、叶片、果实Ndff最高，分别为2.55%、3.44%、3.69%、2.16%；W1F1的各器官Ndff最低，分别为1.19%、2.31%、2.93%、1.06%，两处理之间各器官Ndff分别相差1.36、1.13、0.76、1.10个百分点。在葡萄成熟期，W2F3的根系、茎秆、叶片、果实Ndff最高，分别为4.28%、3.05%、2.92%、3.29%；W1F1的各器官Ndff最低，分别为3.02%、2.03%、1.80%、2.18%，两处理之间各器官Ndff分别相差1.26、1.02、1.12、1.11个百分点。在采收期，W2F3的根系、茎秆、叶片、果实Ndff最高，分别为7.32%、2.48%、2.58%、4.23%；W1F1的各器官Ndff最低，分别为6.21%、1.39%、1.49%、3.14%，两个处理之间各器官Ndff分别相差1.11、1.09、1.09、1.09个百分点。

根系吸收的氮素一部分支撑自身生长发育，其余转运至茎秆、叶片和果实等器官。叶片是果树储存有机质、无机盐以及进行光合作用的主要场所，随着果树生育期的推进，其叶面积不再增大，茎秆发育基本成熟，此时果实需要更多的氮素来促进可溶性糖类等营养物质的转化合成，这部分氮素的获得首先取决于根系加大对肥料的吸收能力，转运更多氮素，其次是果实自身从叶片和茎秆中调运氮素，所以在3个连续的果树生育期内，叶片和茎秆的全氮含量、15N丰度和Ndff均呈降低的趋势，而根系和果实的全氮含量、15N丰度和Ndff逐渐升高。

2.3 葡萄果树氮素吸收利用情况

由表8可知，在灌水量相同时，果树的根系、茎秆、叶片生物量均随着施氮量的增加而增加，施氮量相同时，各器官生物量均随着灌水量的增加而增加。同一灌水量下，较高的施氮量(F3)导致茎秆、叶片器官徒长且不利于果实器官生物量的积累。W2F3果树根系、茎秆、叶片的生物量极显著高于其他处理，W1F1最不利于果树各器官生物量的积累，生物量最低。W2F3果树的单株生物量最高，为5.40 kg，W1F1果树的单株生物量最低，为4.35 kg，二者相差1.05 kg。灌水量为W1时，W1F2的果树产量最高，为19 987 kg·hm-2， 显著高于其他两处理；灌水量为W2时，W2F2的果树产量最高，为20 253 kg·hm-2，但与W2F1差异不显著。

表7 不同生育期葡萄果树各器官肥料贡献率Table 7 Ndff for each organ of grape fruit trees in different growth stages /%

由表9可知，增大水氮投入，果树吸收的肥料氮量、土壤氮量、总吸氮量均呈增加趋势。其中，W2F3果树的总吸氮量极显著高于其他处理，W1F1的总吸氮量最低。各处理的吸收肥料氮量受水氮调控影响差异极显著，W2F3果树的吸收肥料氮量最高，为6.21 g/株，与W1F1相差3.64 g/株。W1F1果树的15N标记氮肥利用率最低，为27.01%，W2F1果树的15N标记氮肥利用率最高，为38.36%，与W2F2差异不显著，但显著高于其他处理，较W1F1高11.35个百分点。果树的15N标记氮肥偏生产力在灌水量相同时随施氮量的增加而降低，在施氮量相同时随灌水量的增加而提高，W2F1果树的15N标记氮肥偏生产力最大，为114.20 kg·kg-1，极显著高于其他处理，W1F3果树的15N 标记氮肥偏生产力最小，为66.01 kg·kg-1，二者相差48.19 kg·kg-1。

表8 葡萄果树生物量和产量Table 8 Grape fruit biomass and yield

表9 葡萄果树氮素吸收利用情况Table 9 Nitrogen absorption and utilization of grape fruit trees

3 讨论

本试验中，葡萄根区0～20 cm土层深度内，土壤中全氮含量和15N丰度最高，这与王振华等[28]研究结论类似。本研究结果表明，增大水氮投入有效促进了葡萄对养分的吸收利用，根区1 m深度土壤中的全氮含量和15N丰度呈降低趋势。李洪娜等[29]和陈倩等[30]研究发现不同施氮水平与植株生长密切相关，植株全氮含量随着氮肥用量的增加而增加，本试验结论与之类似。另外本研究还发现，在同一生育期内增大水氮投入能显著提高果树各器官吸收氮素的能力，全氮含量和15N丰度也极显著提高。汪新颖等[22]研究发现高氮浓度会提高葡萄根系对15N的吸收率与分配率，各器官的15N分配率为叶>茎>根，但随着果树生育期的推进，根系对氮素的吸收转运情况、15N吸收率以及通过根系转运分配至各器官的全氮与15N有何差异尚未讨论。本研究发现，从葡萄膨大期至采收期，根系和果实的Ndff逐渐提高，其全氮含量和15N丰度也随之增大，而叶片和茎秆则与之相反。分析认为，果实在果树生育后期对氮素需求量较大，此时根系需吸收更多的氮素向果实转运，而叶片和茎秆在果树生育后期已发育成熟，也会将多余氮素转运至果实[22-24]。

产量是衡量种植葡萄经济效益的重要指标，果树各器官氮素含量与其生物量密切相关，也反映了果树产量变化情况。Du等[31]发现与低灌水量相比，高灌水量能显著提高苹果产量；Dinh等[32]认为干旱胁迫显著降低了甘蔗的生物积累量，本研究结论与之类似，葡萄各器官生物量的累积与全氮含量和15N丰度的分布情况具有较高的一致性，增大水氮投入可以显著提高果树的生物量，但对于果实器官来说，当灌水量一定时，过高氮肥投入会减少果实生物量的累积，产量也相应减少。高施氮量会导致果树茎秆、叶片徒长，且并不利于提升葡萄产量，所以应合理搭配适宜的氮肥投入和灌水量，否则既加大了种植成本，也不利于提高产量，且过多未被果树吸收的氮残留在土壤中，会对土壤环境造成不利影响。

葡萄对氮肥的吸收利用效率是选择水氮运筹模式首要考虑的因素，协调的水氮关系是兼顾果树高产与土壤污染最小化的保障。本研究中，加大水氮投入能有效促进果树吸收肥料中的氮素，但从总吸氮量来看，果树从土壤中吸收的氮素量大于从肥料中吸收的氮素量，说明在干旱区盐碱地块土壤基质氮仍是果树生长的主要氮源，这与史祥宾等[24]的研究结论类似。在水分不足或是充盈情况下，过高的氮素投入均不利于提高15N标记氮肥利用率。本研究中，果树产量最高的W2F2，其15N标记氮肥利用率并未达到最高，W2F1的果树产量与W2F2差异不显著，但其15N标记氮肥利用率最高，同时15N标记氮肥偏生产力也达到最高水平，且极显著高于其他水氮组合。因此，从经济效益与生态效应考虑，本研究认为W2F1是此试验条件下最佳的水氮运筹模式。

4 结论

葡萄吸收的肥料氮量受水氮调控影响极显著，果树生育期内吸收的土壤氮量大于肥料氮量，土壤氮是果树生长的主要氮源，水氮投入过多不利于提高15N标记氮肥利用率。灌水量为5 400 m3·hm-2，施氮量为177 kg·hm-2时，葡萄15N标记氮肥利用率和氮肥偏生产力均达到最高，分别为38.36%和114.20 kg·kg-1，是本试验条件下理想的水氮运筹模式。