山東省不同釀酒葡萄種植園土壤質(zhì)量現(xiàn)狀分析

任艷華，王超萍，房經(jīng)貴，盧素文，胡文效

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇 南京 210018；2.山東省葡萄研究院，山東 濟(jì)南 250100；3.齊魯工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353）

山東省位于我國東部沿海，處于黃河下游，東部丘陵眾多、中部山地聳立、西部低洼平坦，形成以山地丘陵為骨架、平原盆地相交的地形。土壤類型眾多，土壤資源豐實(shí)，以棕壤、褐土、潮土、鹽堿土、風(fēng)沙土等為主，為釀酒葡萄種植提供了有利條件。同時適宜的水熱系數(shù)和光溫優(yōu)勢使山東成為全國葡萄酒產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)最好的省份和主要的釀酒葡萄產(chǎn)區(qū)。從最早的張?jiān)＞魄f發(fā)展至今，山東省釀酒葡萄企業(yè)數(shù)量、葡萄酒產(chǎn)量等一直居于全國之首。截至2018年，全省16個地市分布兩百多家葡萄酒企業(yè)，主要集中在膠東半島地區(qū)，魯南、魯中、魯西北地區(qū)少量分布［1］。

土壤和氣候是決定釀酒葡萄生長發(fā)育及其品質(zhì)的兩大主要環(huán)境因素［2］。關(guān)于氣候因素對山東不同種植園葡萄品質(zhì)的研究較多，但影響該地區(qū)釀酒葡萄生長發(fā)育的關(guān)鍵土壤因子尚不明確。土壤作為葡萄賴以生存的養(yǎng)分庫，是對葡萄生長、果實(shí)品質(zhì)起重要作用的自然生態(tài)因素，其地域性賦予了葡萄獨(dú)特的感官特性，基于此形成了“風(fēng)土”的概念［3，4］，良好的土壤環(huán)境能滿足葡萄對水分、養(yǎng)分、空氣、熱量等的需求，從而使葡萄獲得高產(chǎn)［5］。土壤質(zhì)地類型和營養(yǎng)成分影響著釀酒葡萄的生長和品質(zhì)的形成［6，7］，對其獨(dú)特風(fēng)味物質(zhì)的產(chǎn)生具有關(guān)鍵作用。有研究表明，葡萄園海拔、朝向、坡度的不同，其土壤理化性質(zhì)差異較大［8，9］，并且土壤理化性質(zhì)會隨著土壤管理措施的不同而有所差異，進(jìn)而影響葡萄的生長發(fā)育［10］。前人對山東釀酒葡萄種植園土壤狀況多有研究，但是由于試驗(yàn)材料、鑒定指標(biāo)和鑒定方法的局限性而不能對影響釀酒葡萄種植園土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因子有全面深入的認(rèn)識。本研究以山東省12個釀酒葡萄種植園土壤為研究對象，對釀酒葡萄種植園的土壤酸堿性、有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等10個土壤理化指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查分析，并采用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法進(jìn)行綜合評價，明確影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因子，以期為不同釀酒葡萄種植園土壤管理和改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

以山東省12個釀酒葡萄種植園土壤為研究對象（表1），葡萄園采用統(tǒng)一的常規(guī)管理模式進(jìn)行園區(qū)土壤管理。土壤樣品采集依照“S”形取樣法進(jìn)行，每地塊取15個點(diǎn)，除去地面植被和枯枝落葉，鏟除表面1 cm左右的表土，每個樣點(diǎn)用土鉆取表層（0～20 cm）、中層（20～40 cm）、下層（40～60 cm）三個土層土壤。將每個土層土壤充分混勻，以四分法進(jìn)行樣品分裝，每個樣品重約1 kg，裝入無菌袋后帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

表1 不同釀酒葡萄種植園試驗(yàn)點(diǎn)信息

1.2 測定指標(biāo)及方法

土壤測定指標(biāo)及理化性質(zhì)分析：參照《土壤農(nóng)化分析》，土壤pH值采用電位法測定，按照2.5∶1的水土比制成浸提液；土壤水分含量（SWC）采用烘干法測定；全氮（TN）含量采用凱式定氮儀測定；堿解氮（AN）含量采用堿解擴(kuò)散法測定；有效磷（AP）含量采用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法測定；速效鉀（AK）含量用醋酸銨浸提，火焰光度計(jì)法測定；土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量采用外加熱重鉻酸鉀容重法測定；微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸－K2SO4浸提法－TOC法測定；微生物量磷（MBP）采用氯仿熏蒸－銻抗比色法測定。

1.3 土壤質(zhì)量綜合評價

近年來，常采用土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）評價法對土壤綜合質(zhì)量進(jìn)行評價［11，12］，首先采用主成分分析方法對選取的指標(biāo)進(jìn)行降維，使土壤各個指標(biāo)實(shí)現(xiàn)量綱歸一化，所評價指標(biāo)具有可比性。

評價土壤質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)變化呈現(xiàn)一定的連續(xù)性且存在特性差異，不同指標(biāo)的隸屬度函數(shù)類型有所不同。在一定的評價范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮磷鉀和微生物量碳氮磷含量與對應(yīng)的土壤功能呈正相關(guān)，在計(jì)算上述指標(biāo)的隸屬函數(shù)值時采用上升型函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式：

土壤含水量和pH值對土壤功能有一個最適宜的范圍值，超出最適值時，評價指標(biāo)與土壤功能的對應(yīng)函數(shù)呈拋物線形，計(jì)算這些指標(biāo)的隸屬函數(shù)值時采用下降型函數(shù)進(jìn)行，公式［13，14］：

其中Xi為各評價指標(biāo)實(shí)測值；Ximax和Ximin分別為評價指標(biāo)測定數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。

以權(quán)重系數(shù)來表征評價指標(biāo)對土壤質(zhì)量的重要程度，這是由于土壤各指標(biāo)對土壤質(zhì)量的影響存在差異性。根據(jù)主成分分析分別計(jì)算土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的主成分負(fù)荷量（Ci）、方差貢獻(xiàn)率和積累方差貢獻(xiàn)率，進(jìn)而計(jì)算各土壤質(zhì)量指標(biāo)在土壤質(zhì)量評價中的權(quán)重（Wi）；最后，計(jì)算出土壤質(zhì)量綜合指數(shù)（SQI）值。SQI的值為0～1，SQI數(shù)值越大，土壤綜合質(zhì)量越好。公式為：

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

利用Microsoft Excel 365、SPSS 18.0和Origin Pro 8.0等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪制圖像。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同釀酒葡萄種植園土壤養(yǎng)分的分布特征

山東省不同釀酒葡萄種植園的土壤養(yǎng)分含量因地理位置和土層深度的不同有較大差異，且同一區(qū)域隨著土層深度的增加，有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分含量呈下降趨勢（圖1）。在土壤有機(jī)質(zhì)方面，大部分樣本屬于4級（2、3、4級分別占16.70%、25.00%和58.33%）；在全氮含量方面，大部分樣本屬于4、5級（8.33%、33.33%、33.33%和25.00%的樣本分屬于3、4、5、6級）；在堿解氮方面，大部分樣本屬于3、4級（8.33%、25.00%、50.00%和16.67%的樣本分屬于2、3、4、5級）；在有效磷含量方面，50.00%的樣本處于中等水平（16.67%、50.00%、16.67%和16.67%的樣本分屬2、3、4、5級）；在速效鉀含量方面，大部分樣本屬于3、4級（25.00%、33.33%、33.33%和8.33%的樣本分屬于2、3、4、5級）。山東省大部分釀酒葡萄種植園的土壤質(zhì)量指標(biāo)處于中等水平，可以為葡萄生長提供正常生長發(fā)育所需的土壤環(huán)境條件。不同釀酒葡萄種植園土壤各項(xiàng)指標(biāo)的差異賦予了葡萄及其副產(chǎn)品不同的感官特性。

圖1 土壤有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分的分布差異以及等級

2.2 不同釀酒葡萄種植園的土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

2.2.1 不同釀酒葡萄種植園土壤理化性質(zhì)差異

參照第二次全國土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)分級，山東省釀酒葡萄種植園土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量為3級，分別是22.60 g／kg、680.99、13.07 mg／kg和114.10 mg／kg，堿解氮含量平均值為82.96 mg／kg，屬于4級，總體養(yǎng)分含量處于中等水平，有利于釀酒葡萄的種植。

山東省不同釀酒葡萄種植園土壤以弱堿性、中性和弱酸性為主，適宜釀酒葡萄的種植。表2可知，DZ土壤pH值最高，為強(qiáng)堿性土壤；LX、RS、WF和ZZ土壤呈弱堿性，pH值分別為7.65、7.84、7.67和7.70；PL2、PL3、TA和YT為中性土壤，pH值分別為7.43、7.43、7.35和6.75；HY、PL1和RZ為弱酸性土壤，pH值分別為6.42、6.27和6.24。

表2 不同釀酒葡萄種植園土壤理化指標(biāo)變化差異

土壤有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分含量差異較大，多個種植園的差異達(dá)到顯著水平。YT有機(jī)質(zhì)含量為38.79 g／kg，顯著高于其他種植園，LX有機(jī)質(zhì)含量最低，為10.80 g／kg。LX土壤全氮含量最高，達(dá)1 163.14 mg／kg，約為PL1的6.13倍。不同釀酒葡萄種植園的土壤堿解氮含量占全氮含量的比例在4.50%～24.86%，PL2的堿解氮含量最高，為116.98 mg／kg，占全氮含量的21.12%；其次是WF，堿解氮含量為108.27 mg／kg，占全氮含量的11.74%；PL1和RS的堿解氮含量較低，分別為40.91 mg／kg和55.84 mg／kg，分別占全氮含量的21.57%和9.91%。ZZ和YT的土壤有效磷含量比較豐富，分別為22.06 mg／kg和22.57 mg／kg，PL3、RS有效磷含量較為缺乏，分別為8.89、8.16 mg／kg，PL1和TA的有效磷含量極低，僅為有3.70 mg／kg和3.78 mg／kg。WF、PL2和DZ的速效鉀含量豐富，分別為193.89、176.11 mg／kg和164.79 mg／kg；YT、HY、TA和ZZ的速效鉀含量中等，分別為133.32、122.52、119.43 mg／kg和119.15 mg／kg；RZ、PL1和PL3的土壤速效鉀含量缺乏，分別為89.22、81.11 mg／kg和75.84 mg／kg；RS和LX的土壤速效鉀含量比較缺乏，分別為59.71 mg／kg和30.07 mg／kg，在果實(shí)膨大期需要大量補(bǔ)充，以達(dá)到葡萄正常生長需求。

2.2.2 不同釀酒葡萄種植園土壤的生物學(xué)指標(biāo)變化 不同種植園土壤微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷含量隨著土層深度的增加而降低。由圖2a可知，土壤微生物量碳主要集中在土壤表層，且差異較大，其中TA土壤微生物量碳含量最高，為360.80 mg／kg，RZ含量最低，為158.73 mg／kg，TA是RZ的2.27倍。由圖2b可知，土微生物量氮差異較小，介于12.33～16.62 mg／kg，且主要集中在表層和中層土壤。微生物量磷是植物有效磷的重要來源，是預(yù)測土壤供磷能力的重要指標(biāo)。由圖2c可知，土壤微生物量磷差異較大，DZ最高，為55.33 mg／kg，是PL1的3.28倍。表層土壤中微生物量磷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中層和底層土壤。

圖2 不同釀酒葡萄種植園土壤微生物量碳（a）、微生物量氮（b）、微生物量磷（c）

2.3 土壤性質(zhì)間相關(guān)性分析

根據(jù)各項(xiàng)土壤質(zhì)量評價指標(biāo)之間的相關(guān)性分析可知（圖3），土壤水分含量與堿解氮、速效鉀之間具有顯著相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮、速效鉀之間具有顯著相關(guān)性，全氮與微生物磷顯著相關(guān)，堿解氮與有效磷、速效鉀之間具有顯著相關(guān)性。由此可見，土壤性質(zhì)在不同的種植環(huán)境中存在差異，不能簡單地通過某一土壤性質(zhì)對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價，因此需要對土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價。

2.4 土壤質(zhì)量綜合評價

采用主成分分析法對不同釀酒葡萄種植區(qū)的土壤評價指標(biāo)進(jìn)行降維處理，結(jié)果（表3）表明，評價指標(biāo)的特征值大于1的主成分有4個，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到86.847%。當(dāng)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率高于85%時，各主成分即可反映系統(tǒng)的變異性信息。由此表明4個主成分能代表最初的10個指標(biāo)來分析山東省不同釀酒葡萄種植園土壤質(zhì)量的差異。其中土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮、有效磷和速效鉀等指標(biāo)在第1主成分上有較高載荷，相關(guān)性強(qiáng)；pH值和微生物量磷在第2主成分上有較高載荷，相關(guān)性強(qiáng)；全氮和微生物量碳在第3主成分上有較高載荷，相關(guān)性強(qiáng)；微生物量氮在第4主成分上有較高載荷，相關(guān)性強(qiáng)。第1主成分集中反映了土壤質(zhì)量狀況，是最重要的影響因子。

表3 土壤屬性主成分因子載荷矩陣、公因子方差和因子權(quán)重

根據(jù)各土壤屬性的公因子方差，計(jì)算土壤質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重，將質(zhì)量指標(biāo)數(shù)值轉(zhuǎn)換成0～1間的數(shù)值，作為單項(xiàng)評價指標(biāo)的權(quán)重值Wi。

基于上述分析確定的隸屬函數(shù)值和權(quán)重，計(jì)算土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)SQI。從圖4可以看出，山東省不同釀酒葡萄種植園土壤質(zhì)量指數(shù)介于0.32～0.71之間，其從大到小排序依次為YT、TA、HY、WF、PL2、DZ、LX、ZZ、PL3、RZ、PL1、RS。YT的SQI值最高，為0.71，該葡萄園土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量相對較高，且在第1主成分上具有較高的載荷，貢獻(xiàn)率大。RS的SQI值最低，為0.32，該葡萄園土壤表征主成分載荷的理化指標(biāo)含量相對較低，貢獻(xiàn)率較小。

圖4 不同種植園土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)

根據(jù)土壤質(zhì)量指數(shù)的大小，將研究區(qū)土壤質(zhì)量分為5級（表4），分別為低（Ⅴ）、較低（Ⅳ）、中（Ⅲ）、較高（Ⅱ）和高（Ⅰ）。對所有種植園土壤質(zhì)量指數(shù)在各質(zhì)量分級中的分布頻率進(jìn)行計(jì)算得出，33.33%的種植園土壤質(zhì)量屬于較低（Ⅳ）級；41.67%的種植園土壤質(zhì)量屬于中等（Ⅲ）級；25.00%的種植園的土壤質(zhì)量屬于較高（Ⅱ）級。總體而言，山東省不同釀酒葡萄種植區(qū)土壤質(zhì)量處于中等偏低水平。

表4 土壤綜合質(zhì)量分級

3 討論

3.1 不同釀酒葡萄種植園土壤養(yǎng)分的分布特征

土壤是植物養(yǎng)分吸收的重要來源，其養(yǎng)分的多少和存在形態(tài)是制定施肥方案的重要依據(jù)，也是植物獲得優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的重要保障［15－17］。土壤作為連續(xù)的時空變異體，其空間異質(zhì)性普遍存在，研究田間土壤養(yǎng)分空間變異情況既是土壤養(yǎng)分管理的必要手段，也是精確施肥的理論基礎(chǔ)［18］。研究表明，土壤養(yǎng)分具有表層聚集特性，即隨著土壤取樣深度的加深，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量等逐漸降低，可能是由于植被殘枝凋落腐化、農(nóng)耕操作和根系微生物活動造成的。但是相同種植園區(qū)不同土層深度的pH值變幅不大，不同種植區(qū)的pH值差異較大，可能與種植區(qū)的成土母質(zhì)類型、土壤結(jié)構(gòu)等因素的差異性有關(guān)。因此，在后期園區(qū)施肥時應(yīng)注重肥料的酸堿性，調(diào)節(jié)土壤的pH值至最適宜釀酒葡萄生長的狀態(tài)。研究表明，云南省主要葡萄園土壤整體養(yǎng)分水平較高，依據(jù)全國養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，全氮磷鉀含量分別處于1級、2級、3級，速效氮磷鉀含量分別處于3級、1級、1級，但不同地區(qū)間存在明顯差異［19］。相對于云南省葡萄園土壤的養(yǎng)分水平，山東省釀酒葡萄種植園的養(yǎng)分含量有待提高，大部分種植區(qū)的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量處于3級和4級。養(yǎng)分含量低的原因與有機(jī)肥施用量低有直接關(guān)系，也與土壤質(zhì)地有極大關(guān)系。如砂質(zhì)土，土壤疏松程度高，保肥鎖水能力差，難以達(dá)到增加土壤養(yǎng)分的目的。因此，不同種植園區(qū)應(yīng)針對性地制定適宜的施肥方案和土地管理措施，以提高土壤肥力水平。

3.2 不同釀酒葡萄種植園的土壤質(zhì)量現(xiàn)狀

不同種植園土壤pH值介于6.16～8.82之間，適宜釀酒葡萄生長。這與釀酒葡萄種植園區(qū)長期實(shí)施免耕栽培，以有機(jī)肥代替化肥有關(guān)，以此達(dá)到適于釀酒葡萄生長的土壤生態(tài)環(huán)境。

土壤有機(jī)質(zhì)作為衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，是植物最重要的養(yǎng)分來源庫。其受成土母質(zhì)、地形和植被分布等因素影響［20］，從而造成不同種植園的土壤有機(jī)質(zhì)含量存在顯著差異。山東省釀酒葡萄園區(qū)有機(jī)質(zhì)含量為10.8～38.79 mg／kg，差異較大，這與山東省土壤類型各異息息相關(guān)。且有機(jī)質(zhì)含量與有效磷、堿解氮含量呈顯著正相關(guān)，說明土壤有機(jī)質(zhì)與土壤肥力狀況存在密不可分的關(guān)系。氮磷鉀是葡萄園土壤的主要養(yǎng)分元素，也是決定葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵元素［21］。其中鉀有助于葡萄莖的生長，磷有利于葡萄果實(shí)的成熟，氮可使葉片生長茂盛，鎂有助于增加葡萄的糖分和降低酸味［22］。有研究表明山西省葡萄園土壤全氮、速效磷鉀的含量分別為0.71 g／kg、20.6、149.7 mg／kg，土壤有效氮含量較低［23］。本研究結(jié)果表明，山東省釀酒葡萄種植園區(qū)面臨同樣的問題，有效氮含量較低，這可能與釀酒葡萄園區(qū)多為砂質(zhì)土有關(guān)，其土表徑流和揮發(fā)會大量損失可溶性氮，導(dǎo)致土壤有效氮含量低。唐美玲等［24］對煙臺地區(qū)的土壤狀況進(jìn)行了調(diào)查分析，結(jié)果顯示該地區(qū)土壤堿解氮和速效磷含量偏低，速效鉀含量偏高。本研究結(jié)果表明，多年來隨著葡萄園增施有機(jī)肥，平衡土壤酸堿性，速效氮磷鉀含量達(dá)到中等水平，適于釀酒葡萄生長。

通過對14個國家不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物量碳含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤微生物碳約占土壤有機(jī)碳的1%～5%，微生物量氮約占土壤全氮的1%～5%［25，26］。本研究結(jié)果表明，山東省不同釀酒葡萄園土壤的微生物量碳約占有機(jī)碳比例的變幅為0.6%～2.2%，略低于上述測定水平；不同種植園土壤的微生物量氮約占土壤全氮的比例變幅在1.15%～6.28%，略高于上述測定水平，這可能是釀酒葡萄園富集的微生物量種類不同導(dǎo)致的，還需做進(jìn)一步的研究。

3.3 不同釀酒葡萄種植園土壤質(zhì)量評價

通過特定的評價方法對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價，其目的是為了反映在人為干擾或是在自然條件下土壤質(zhì)量的變化及優(yōu)劣程度，為改善和提高土壤質(zhì)量提供科學(xué)的理論依據(jù)［27］。常用的評價方法有土壤質(zhì)量綜合評價法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)法等，但目前并沒有統(tǒng)一的土壤質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，也沒有固定的評價方法，需要綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)的類型、土壤的功能、土地利用方式等［28－30］。本研究采用土壤綜合質(zhì)量指數(shù)法對不同釀酒葡萄種植園的土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，計(jì)算出各指標(biāo)隸屬值，根據(jù)篩選出的主成分權(quán)重值計(jì)算出土壤質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行評價，其結(jié)果對于不同釀酒葡萄種植園的土壤生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)經(jīng)營管理具有重要實(shí)際意義。

4 結(jié)論

對山東省不同釀酒葡萄種植園土壤理化指標(biāo)及生物學(xué)指標(biāo)的研究表明：不同釀酒葡萄種植園土壤指標(biāo)之間有較大差異，因此，應(yīng)針對不同葡萄園制定適宜的土壤管理和改良措施，提高土壤質(zhì)量。葡萄種植園土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分含量呈現(xiàn)表聚性，隨著土層深度的增加逐漸降低。采用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)評價法對不同葡萄種植園土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價得出：YT＞TA＞HY＞W(wǎng)F＞PL2＞DZ＞LX＞ZZ＞PL3＞RZ＞PL1＞RS，YT種植園評分最高，土壤綜合質(zhì)量最好。本研究對于釀酒葡萄的種植和土壤養(yǎng)分管理具有重要實(shí)際意義。為全面了解該地區(qū)土壤肥力狀況對葡萄品質(zhì)影響，下一步需進(jìn)行土壤肥力對葡萄品質(zhì)影響等方面研究。