釀酒葡萄水肥一體化灌溉定額與灌溉布局成本效益分析

陳 娟,馬忠明,牛小霞,邊金霞,王 平

(1. 甘肅省農業科學院經濟作物與啤酒原料研究所,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省農業科學院, 甘肅 蘭州 730070;3. 蘭州市農業科技研究推廣中心,甘肅 蘭州 730000)

甘肅河西走廊因其氣候干燥、降水量少、光照強度及晝夜溫差大等條件非常適合種植優質釀酒葡萄,業界稱之為“葡萄酒風土產區”[1]。隨著國家對釀酒葡萄種植業優惠政策的不斷出臺,加之新架形與水肥一體化技術的廣泛使用[2]和機械化修剪技術的不斷革新[3],釀酒葡萄在河西地區種植面積不斷增加。為獲得高產和高收益,過量施肥與灌水現象突出[4],而不合理的管理措施使釀酒葡萄產量與品質只降不增[5];釀酒葡萄種植成本不斷增加,而其收購價停滯增長,葡農收入下降,致使葡農種植釀酒葡萄的積極性受挫。傳統釀酒葡萄的價格僅以釀酒葡萄的可溶性固形物與產量為考核指標[4],這顯然對栽培葡萄產量較高的葡農有利,但對產量相對較低而追求高品質的葡農不利,也不利于地域品牌戰略發展。

河西灌區水資源匱缺,需采用各種節水灌溉技術來提高水分利用率[6]。目前,虧缺灌溉(RDI)與根區分區灌溉(PRD)是兩種行之有效的灌溉技術,均能限制釀酒葡萄營養生長,改善葡萄水分利用率與果實品質[7-8]。研究證實,采用RDI技術能顯著改善葡萄水分利用率與果實品質[9],Permanhani等[10]研究表明RDI技術最終效果與釀酒葡萄的物候期與水分脅迫程度有關。PRD是利用交替灌溉技術,使作物根部形成水分空間異質性,一部分根系處于水分干旱脅迫狀態,另一部分根系處于濕潤區域;干旱脅迫誘導根系產生激素ABA,傳輸至木質部,減緩氣孔導度與植株蒸騰作用,從而降低作物營養生長與水分利用率,而處在濕潤的根系能為作物生長提供充足的水分,保證作物正常生長[11]。目前,PRD技術對釀酒葡萄栽培效果的研究結論尚未統一。杜太生等[8]研究表明應用PRD技術能減少水分散失、提高灌水效率,改善鮮食葡萄與釀酒葡萄品質,提高產量。De La Hera等[12]研究表明,與傳統滴灌相比,在相同灌溉定額下,PRD技術不能顯著改善葡萄生長、水分利用效率、產量及品質。以往的研究大多集中于傳統滴灌與PRD技術對釀酒葡萄產量與品質的研究,有關2種灌溉模式經濟效益的研究有限。鑒于此,本研究擬采用成本函數分析與實證、收支平衡分析法,以民勤大漠明珠葡萄種植園為例,分析該葡萄園采用不同灌溉布局的平均成本、收支平衡點下的凈利潤,以期為葡萄園經營者選擇灌溉方式提供經濟學的解決方案。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2019—2021連續3年在甘肅省民勤縣大漠明珠葡萄種植園(38°30′N, 103°30′E,海拔1 340 m)進行。種植園所在地區屬溫帶大陸性干旱氣候,多年平均降水量113.2 mm,且多為無效降雨(<5 mm),60%的降雨集中在7—9月;年均蒸發量為2 675.6 mm,無霜期183 d,日照時數>3 013 h,>10℃的活動積溫約3 152.4℃。供試材料為7年生赤霞珠,采用單壁籬架栽培,種植株距0.7 m,行距3 m,南北行向;0～60 cm為沙壤土,平均土壤容重1.52 g·cm-3,有機質含量0.79%,全氮含量0.054%,速效磷含量169 mg·kg-1,速效鉀含量160～190 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

設置灌溉定額和灌溉布局2個因素,采取裂區設計,灌溉定額為主區,灌溉布局為副區。灌溉定額設置3個水平,分別為2 400 m3·hm-2(低水,WL)、3 600 m3·hm-2(中水,WM)和4 800 m3·hm-2(高水,WH);灌溉布局分別設置為1管1行(C-S)、2管1行(C-D)及2管分1行根區灌溉(PRD)。試驗包含9個處理,各處理設3個重復,共計27個小區,每小區60株葡萄。在灌溉管理方面,C-D(WH)處理采用當地普遍使用的灌溉定額與灌溉模式,為1行葡萄鋪2條滴灌帶,且均灌水,C-S處理為1行葡萄鋪1條滴灌帶,固定在葡萄行一側灌溉,PRD處理為2管1行分根區灌溉,即本次灌這一側,下次灌另一側,具體灌溉定額、滴灌布局、灌水定額及灌水時間列于表1和表2。灌溉施肥采取少量多次原則實施,采用耐特菲姆公司內嵌式壓力補償滴灌管供水,滴頭間距0.5 m,采用比例施肥器進行施肥。施肥時先將肥料完全溶解于施肥罐中,滴灌開始30 min后開始滴肥,施肥結束后再用清水滴灌 30 min。施肥量為580 kg·hm-2(全生育期N∶P2O5∶KO2=1.0∶0.6∶1.2),其中,萌芽期施肥量145 kg·hm-2(N∶P2O5∶KO2=16∶4∶5),開花期與初果期施肥量各為72.5 kg·hm-2(N∶P2O5∶KO2=3∶4∶3),果實膨大期與轉色期施肥量各為145 kg·hm-2(N∶P2O5∶KO2=1∶1∶3)。葡萄園的日常田間管理參照當地高產優質葡萄園的管理模式進行。

表1 各灌水處理下灌溉定額及灌溉布局(2019—2021)Table 1 Irrigation volume and drip irrigation layout for each irrigation treatment during the experimental period (2019-2021)

表2 各處理灌水定額與灌水時間(2019—2021)Table 2 Irrigation time and irrigation quota for each irrigation treatment during the experimental period (2019—2021)

1.3 測定項目與方法

1.3.1 單株修剪量 釀酒葡萄生育期內各處理單株修剪量(kg·株-1) =修剪枝葉總質量/總株數

1.3.2 產量 人工采摘各處理小區所有的果穗,分小區稱取質量,各處理3個重復的平均值即為該處理的實際產量,并換算為標準產量 (kg·hm-2)。

1.3.3 品質 各重復選取10株長勢相同的植株,于樹體上、中、下3個部位各取1穗葡萄果實,用于測定果實品質?？扇苄怨绦挝?°Brix)采用WZB-45數顯折光儀測定;多酚含量(mg·g-1)采用Folin-Ciocalteu法測定;花色苷含量(mg·g-1)采用pH示差法測定[4]。

1.3.4 經濟效益分析 固定資產年折舊額=(原價-預計凈殘值)/預計使用年限;凈收益=收入-固定成本-可變成本;投資效益費用比=凈利潤/總投資額×100%;成本利潤率=凈利潤/總成本×100%;收支平衡點=收入-固定成本-可變成本=0;灌水生產力(kg·m-3)=釀酒葡萄產量(kg)/灌溉定額(m3);

單位產出成本(元·kg-1)=成本(元) /釀酒葡萄產量(kg)[5]。

1.4 數據分析

采用SPSS 19.0進行差異顯著性分析,Microsoft Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 灌溉定額與灌溉布局對釀酒葡萄果實品質的影響

如表3所示,2019—2021年,灌溉定額顯著影響釀酒葡萄可溶性固形物、多酚及花色苷含量,大小表現為低水(WL)>中水(WM)>高水(WH);灌溉布局對釀酒葡萄可溶性固形物、多酚及花色苷含量影響不顯著。與WL處理相比,WM和WH處理的可溶性固形物、多酚與花色苷含量在2019、2020與2021年平均分別降低了5.90%和17.69%、19.35%和46.85%、24.88%和39.71%?？梢姕p少灌溉定額有助于顯著提升釀酒葡萄果實品質。

2.2 灌溉定額與灌溉布局對釀酒葡萄修剪量、產量及價格的影響

從表4可以看出,灌溉定額顯著影響釀酒葡萄修剪量、產量及價格,灌溉布局對釀酒葡萄修剪量、產量及價格的影響不顯著。2019—2021年,釀酒葡萄產量均隨灌溉定額增加呈現出先增加后保持穩定的趨勢;釀酒葡萄修剪量隨灌溉定額增加而增加;釀酒葡萄價格隨灌溉定額增加呈現出先增加后減小的趨勢。與WL處理相比,WM與WH處理釀酒葡萄平均產量分別提高46.20%與65.84%,平均修剪量分別增加96.97%與248.48%;與WL處理相比,WM和WH處理釀酒葡萄價格分別提高7.22%和降低4.69%。

2.3 灌溉定額與灌溉布局對釀酒葡萄園總成本的影響

以甘肅省民勤縣大漠明珠葡萄種植園為例,面積為13.33 hm2(200畝),葡萄園初始投資與年折舊率不受灌溉定額影響,與灌溉布局密切相關(表5)。C-S處理下,投資總額為75 264元·hm-2,年折舊額為3 341.73元,對于C-D與PRD兩種灌溉方式,在建設初期,每一行葡萄鋪設了2條滴灌帶,灌溉管網投資額為17 850元·hm-2,因此,C-D與PRD處理下,投資總額為82 614元·hm-2,年折舊額為3 831.73元。與C-D、PRD處理相比,C-S處理投資總額降低了8.9%,年折舊額降低了12.79%。

表5 葡萄園初始投資與年折舊率Table 5 Investment and annual depreciation in vineyard trellis system

總成本等于固定成本與可變成本之和,其中灌溉布局決定固定成本(3 341.73～3 831.73元·hm-2),可變成本由機耕費、肥料費、電費、修剪費、采摘費、水費與安裝維修(維修材料)構成(14 256.00～22 362.00元·hm-2),占總費用的78.82%～87.00% (表6)。灌溉定額對可變成本影響顯著,電費、修剪費、采摘費與水費隨著灌溉定額的增加而增加,與WL處理相比,WM和WH處理電費分別增加了66.67%和166.67%,修剪費分別增加了50.00%和140.00%,采摘費分別增加了36.36%和72.73%,水費分別增加了50.00%和100.00%。受灌溉布局和灌溉定額的影響,各處理總成本為17 597.73～26193.73元·hm-2。C-S(WL)處理總成本為 17 597.73元·hm-2,C-D(WL)和PRD(WL)處理總成本均為18 087.73元·hm-2,C-S(WM)處理總成本為20 975.73元·hm-2,C-D(WM)和PRD(WM)處理總成本均為21 465.73元·hm-2,C-S(WH) 處理總成本為25 703.73元·hm-2,C-D(WH)和PRD(WH)處理總成本均為26 193.73元·hm-2。

2.4 灌溉定額與灌溉布局對葡萄園經濟效益的影響

灌溉定額與灌溉布局對釀酒葡萄園經濟效益具有顯著影響(表7)。凈利潤(NM)、投資效益費用比(NM/I)與成本利潤率(NM/C)均隨灌溉定額的增加先增加后減小,并在WM處理達到峰值;C-S處理NM、NM/I及NM/C值大于C-D與PRD處理。灌水效率(IE)隨灌溉定額的增加而減小,并分別在WL和WH處理達到最大值和最小值,灌溉布局對IE則無明顯影響;單位產出成本(PC)隨灌溉定額的增加先降低再增加,并在WM處理下最低,灌溉布局對PC則無明顯影響,這主要是由于灌溉布局對釀酒葡萄產量沒有顯著影響,而灌溉定額顯著影響釀酒葡萄產量與總成本,不同灌溉定額下,總成本表現為WH>WM>WL,產量表現為WH、WM>WL,故在WM處理下單位產出釀酒葡萄的成本最低。

表7 灌溉定額與灌溉布局對釀酒葡萄園經濟效益的影響Table 7 Effects of irrigation quota and drip irrigation layout on economic benefit of vineyard

凈利潤由釀酒葡萄產量、價格、固定成本及可變成本共同決定,C-S(WL)、C-D(WL)、PRD(WL)處理葡萄產量分別為6 082.21、6 259.11、6 259.11 kg·hm-2,葡萄園可達到收支平衡;C-S(WM)、C-D(WM)、PRD(WM)處理葡萄產量分別為6 974.39、7 143.36、7 143.36 kg·hm-2,葡萄園可達到收支平衡;C-S(WH)、C-D(WH)、PRD(WH)處理9 709.62、9 900.28、9 900.28 kg·hm-2,葡萄園可達到收支平衡。

在產量處于收支平衡點時,凈利潤要大于7 500元·hm-2,C-S(WL)、C-D(WL)與PRD(WL)處理下,每1 m3水政府需要分別補貼2.78元、3.44元及2.98元;C-S(WM)、C-D(WM)和PRD(WM)處理下,水價可以高達0.67元·m-3、0.70元·m-3及0.64元·m-3;C-S(WH)、C-D(WH)與PRD(WH)處理下,每1 m3水政府需要分別補貼0.78元、0.92元及0.41元。

在此現狀下,要使凈利潤大于7 500元·hm-2,各處理預計產量隨灌溉定額的增加而增加,C-S(WL)、C-D(WL)、PRD(WL)處理下,預計產量分別為9 060.55、9 237.45、9 237.45 kg·hm-2;C-S(WM)、C-D(WM)、PRD(WM)處理下,預計產量分別為9 819.22、9 988.18、9 988.18 kg·hm-2;C-S(WH)、C-D(WH)、PRD(WH)處理下,預計產量分別為12 919.74、13 110.40、13 110.40 kg·hm-2。

收支平衡點與成本利潤率(NM/C)>40%時,即凈利潤大于7 500元·hm-2,釀酒葡萄價格如圖1所示。C-S(WL)、C-D(WL)與PRD(WL)處理下,當釀酒葡萄價格分別為2.52元·kg-1、2.69元·kg-1、2.52元·kg-1時,可達收支平衡;C-S(WM)、C-D(WM)和PRD(WM)處理下,釀酒葡萄價格分別為2.09元·kg-1、2.09元·kg-1、2.11元·kg-1,可達收支平衡;C-S(WH)、C-D(WH)與PRD(WH)處理下,釀酒葡萄價格分別為2.29元·kg-1、2.33元·kg-1、2.19元·kg-1,可達收支平衡。

圖1 釀酒葡萄價格對NM/C的影響Fig.1 Effect of wine grape on Net Margin/Cost of vineyard

C-S(WL)、C-D(WL)與PRD(WL)處理下,當釀酒葡萄價格分別為3.53元·kg-1、3.76元·kg-1、3.60元·kg-1,NM/C>40%,凈利潤大于7500元·hm-2;C-S(WM)、C-D(WM)和PRD(WM)處理下,當釀酒葡萄價格分別為2.92元·kg-1、2.93元·kg-1、2.95元·kg-1,NM/C>40%,凈利潤大于7 500元·hm-2;C-S(WH)、C-D(WH)與PRD(WH)處理下,當釀酒葡萄價格分別為3.20元·kg-1、3.26元·kg-1、3.07元·kg-1,NM/C>40%,凈利潤大于7 500元·hm-2。

處于收支平衡與NM/C>40%,凈利潤大于7 500元·hm-2時,釀酒葡萄的價格大小為WL>WH>WM,主要原因為釀酒葡萄在WM處理下,灌溉定額較低,產量較高,即使價格顯著低于WL和WH處理,也能達到收支平衡點或NM/C>40%,凈利潤大于7 500元·hm-2。

3 討 論

3.1 灌溉定額與灌溉布局對釀酒葡萄生長的影響

葡萄生長過程中受到干旱脅迫時,其生理代謝與生長狀況均會隨之變化。本研究表明,灌溉布局對葡萄修剪量與產量的影響不顯著,灌溉定額顯著影響葡萄修剪量與產量,產量隨灌溉定額的增加呈先增加再趨于穩定的趨勢,修剪量隨著灌溉定額的增加而增加,灌溉定額為2 700 m3·hm-2時,其產量最高,與常規灌溉定額相比,滴灌量降低25%,可顯著提高葡萄產量,降低修剪量。溫越等[13]研究表明,適宜的灌水量可以在降低灌溉定額的前提下提高葡萄生理活性,為產量提升奠定基礎。張超等[14]研究表明,葡萄產量隨著灌溉定額的增加呈先增后減趨勢,灌溉定額過高或過低均會影響土壤養分的有效性,使得產量達不到預期目標,與本研究的產量隨灌溉定額的增加呈先增加后穩定的趨勢不一致,這可能是高水處理下灌溉定額量不一致造成的。綦偉等[15]研究表明,適度干旱脅迫能減少葡萄營養生長,提高生殖生長,與本研究結果一致,灌溉定額的增加會增加營養生長,進而增加釀酒葡萄修剪量。Reynolds等[16]研究水分脅迫可以減少‘雷司令’與‘黑比諾’的側蔓長度、葉面積與果實大小。本研究結果表明,低水(1 800 m3·hm-2)處理下,釀酒葡萄產量較低,可能是由于嚴重水分虧缺,會造成葡萄植株落花落果,且隨著虧缺程度的加大,葡萄直徑會減少,果粒變小、皺縮,致使產量降低[17]。

3.2 灌溉定額與灌溉布局對釀酒葡萄品質的影響

灌溉定額顯著影響葡萄品質的形成?；ㄉ蘸投喾踊衔锞哂星宄杂苫皖A防心血管疾病的作用[18],是影響葡萄顏色與香氣形成的重要物質[17],與葡萄果實和葡萄酒的品質息息相關,決定著葡萄酒的感官與價格[19]。因此本研究除采用傳統的僅用葡萄果實糖酸含量來評估釀酒葡萄品質的方法,還測定了多酚和花色苷含量。研究結果表明,灌溉布局(1管1行、2管1行及2管1行分根區灌溉)對釀酒葡萄的品質影響不顯著。而Castellarn等[20]研究表明灌溉方式能顯著提高釀酒葡萄產量與品質,這與本研究結果不一致,其原因可能是在本試驗處理中,2管1行與2管1行分根區灌溉,2個滴灌帶的間距為1 m,而Bouzas-cid等[21]研究表明,2個滴灌帶之間的距離對釀酒葡萄產量與品質起決定性作用,兩個滴灌帶的間距大于1.5 m,分根區灌溉的作用方能體現。灌溉定額顯著影響釀酒葡萄品質,這與房玉林等[17]研究結果一致,其研究表明降低灌溉定額使葡萄果實變小,進而增加了葡萄表面積與體積之比,增加了葡萄含糖量、酚類、花色苷濃度。Bucchetti等[22]研究表明降低灌溉定額可增加葡萄酚類與花色苷等物質的生物合成;Castellarin[20]研究證實葡萄受到生物或者非生物脅迫時,合成酚類與花色苷等物質的基因會發生上調,然而,隨著灌溉定額的減少,釀酒葡萄果實中可溶性固形物、多酚及花色苷含量均呈增大趨勢;Casassa等[23]也研究證明水分虧缺改善了赤霞珠葡萄的品質,而房玉林等[17]研究表明適度的灌溉定額有利于增加果實著色度與甜度,灌溉定額對釀酒葡萄的品質影響不一致,其原因可能是水分虧缺時期及調虧時間的長短不一引起的。

3.3 灌溉定額與灌溉布局對釀酒葡萄經濟效益的影響

釀酒葡萄價格需根據釀酒葡萄生產成本和合理利潤進行測算,合理的價格是市場供求平衡的前提與基礎,更是保護葡農積極性,實現釀酒葡萄產業健康可持續發展的關鍵[24]。本研究表明,灌溉布局對釀酒葡萄價格影響不顯著,灌溉定額對釀酒葡萄價格影響顯著,價格隨著灌溉定額的增加呈先增后減的趨勢,且在2 700 m3·hm-2處理下達到最高,1 800 m3·hm-2處理釀酒葡萄即使品質上乘,但其果粒變小、皺縮,嚴重影響其外觀品質,因此其價格會下降。王銳、翟英劍等[24-25]研究表明,當赤霞珠葡萄產量達到一定水平后,產量繼續增加葡萄果實品質會降低,這與本研究結果一致。

通過灌溉定額與灌溉布局對釀酒葡萄園的總成本和凈利潤進行定量評估,優選出最適合該區域的灌水制度,降低資金投入風險,有利于實現綜合效益的最大化。本研究表明,灌溉定額與灌溉布局均顯著影響葡萄園的總成本。對于C-D與PRD處理,前期增加了1條滴管帶,其固定成本增加了7 350元·hm-2;灌溉定額顯著影響葡萄園的可變成本,水費、修剪費、電費及采摘費隨著灌溉定額的增加而增加,因此,在WH處理下,其可變成本最大?？偝杀驹贑-D(WH)和PRD(WH)處理最大(均為26 193.73元·hm-2)、在C-S(WL)處理下最小(17 597.73元·hm-2),這與García等[5]研究結果一致,規范葡萄的灌水制度,可以減少水資源浪費,節約成本,提質增效,實現水資源的可持續利用。

適宜的灌溉布局與灌溉定額均能增加葡萄產量,以此達到較高的水分利用效益與經濟效益[5]。本研究證明,灌溉定額對釀酒葡萄園經濟效益的影響顯著大于灌溉方式,在WM處理下,凈利潤、投資效益費用比、成本利潤率與灌水效率最高,且生產1 kg葡萄的費用最低(2.03元)。葡萄園收支平衡點產量隨著灌溉定額的增加而增加,WM處理下,收支平衡點產量遠遠小于實際產量,WM處理下,凈利潤大于7 500元·hm-2,WL與WH處理下,凈利潤均小于7 500元·hm-2。在凈利潤大于7 500元·hm-2時,WM處理下,水費可高達0.67元·m-3,WL與WH處理下,每1 m3水政府需要分別補貼3.06元和0.67元。

甘肅河西水資源在短缺的同時,水資源低效利用和浪費等問題進一步加劇了水資源的供需矛盾[26]。本研究表明,適宜的灌水定額較傳統灌水定額相比,每公頃種植地水費減少了1 200元。農業節水技術應用主體是農民,但由于灌溉水價低,作物節水僅可降低少量水費成本,其經濟效益有限,而在實際生產中并未體現出多節水多補償,因此葡農缺乏自覺節水的內在動力。故應從政治制度、運行機制入手,通過創新管理體制,應用政策手段,建立農業節水長效經濟補償和激勵機制,調動農民自覺節水的內在動力,促進農業節水發展。此外,國內絕大部分酒莊與葡萄收購商未制定按質論價的規則,僅按照可溶性固形物大于20°Brix收購釀酒葡萄,挫傷了葡農種植高質量釀酒葡萄和節約用水的積極性。為確保釀酒葡萄品質,在生產中應該嚴格控產,“限產優質、優質優價”是今后釀酒葡萄生產的發展方向。

4 結 論

與當地傳統灌溉方式與灌水定額(2管1行與灌溉定額3 600 m3·hm-2)相比,1管1行與灌溉定額2 700 m3·hm-2的組合模式,可在保證赤霞珠釀酒葡萄獲得較高產量的同時,提高果實可溶性固形物、酚類、花色苷濃度,從而改善了果實品質,提高了釀酒葡萄的水分利用效率與經濟效益,凈利潤要大于7 500元·hm-2。綜上所述,適宜的灌溉布局與灌溉定額(灌溉定額2 700 m3·hm-2與1管1行)具有較大的節水增產提質增效潛力,適宜在西北旱區釀酒葡萄種植區進行推廣應用。