‘美樂’葡萄植株礦質元素與果實品質指數(shù)的關聯(lián)性分析

王小龍，張正文，邵學東，鐘曉敏，王福成，史祥賓，王志強，王海波*

（1. 中國農業(yè)科學院果樹研究所/農業(yè)部園藝作物種質資源利用重點實驗室/遼寧省落葉果樹礦質營養(yǎng)與肥料高效利用重點實驗室，遼寧興城 125100；2. 君頂酒莊有限公司，山東煙臺 265600；3. 煙臺市蓬萊區(qū)葡萄與葡萄酒產業(yè)發(fā)展服務中心，山東煙臺 265600）

‘美樂’葡萄栽培較為容易，產量高。但隨著樹齡的增加，表現(xiàn)出產量不穩(wěn)、抗逆性差、病蟲害頻繁發(fā)生等問題，嚴重影響了經濟效益。其中，土肥水管理粗放是上述問題頻發(fā)的主要原因之一。果樹營養(yǎng)診斷是一種以葉營養(yǎng)分析為基礎，對樹體營養(yǎng)狀況進行判斷的重要方法，能夠作為評價、預測肥效和指導施肥的一項綜合性技術，在改善果實品質、提高果園生產效率和養(yǎng)分管理水平等方面發(fā)揮重要作用。因此，通過樹體營養(yǎng)診斷制定施肥方案，用以指導葡萄園施肥可以很好地解決‘美樂’葡萄營養(yǎng)失衡的問題。

因果樹種類和品種不同，其不同生育階段礦質元素在各器官的吸收、運轉和分配規(guī)律等方面差異較大，因此，營養(yǎng)診斷的采樣時期和采樣部位均有所差異[1]。在不同產量的梨葉片營養(yǎng)診斷中，N和Cu元素營養(yǎng)診斷部位應為當年生枝條的下部，K、Ca、Mg元素營養(yǎng)診斷部位應為當年生枝條的中部，P、Fe、Mn、Zn、B營養(yǎng)診斷部位應為當年生枝條的中上部[2]。在遼西富士蘋果的產量和多個品質指標營養(yǎng)診斷中，葉片采自當年生新梢的中部[3]。對于診斷樹莓大量元素N、P、K時應采取枝條7～12節(jié)位的成齡葉片，而其他中微量元素，除Mg之外，都采取枝條頂端幼葉進行分析[4]。春季生理落果期和夏季果實膨大期分別是中熟品種‘紐荷爾’臍橙水分和礦質養(yǎng)分介導的果實產量和品質調控的關鍵物候期，可用以建立柑橘高產和優(yōu)質葉片養(yǎng)分適宜值標準[5]。在賀蘭山東麓的自然條件下，葡萄葉分析的取樣時期在樹體生長緩慢期，即8月份為宜[6]，對歐洲種葡萄在盛花期采取第一穗花絮上的葉柄或花后4周取結果新梢中部的葉柄；對美洲種葡萄與圓葉葡萄在盛花后4～8周取果穗上一節(jié)的葉柄[7]。由此可見，過去葉片營養(yǎng)診斷研究中多是基于單一取樣部位或單一取樣時期進行。因此，葡萄生產中營養(yǎng)診斷的取樣方法是需要解決的首要問題。

本研究以君頂酒莊的‘美樂’葡萄為研究對象，開展“5416”配方施肥試驗[8]，對供試果園盛花期、轉色期和成熟期的葉片、葉柄、花序/果實礦質營養(yǎng)元素、成熟期果實多個品質因子進行檢測分析，探討基于營養(yǎng)成分診斷（Compositional Nutrient Diagnosis, CND）法實現(xiàn)優(yōu)質果園植株養(yǎng)分適宜標準的自動生成，并結合低質小區(qū)的診斷結果實現(xiàn)推薦施肥方案。以期建立‘美樂’葡萄園高效、實時、輕簡的葉片營養(yǎng)診斷技術，對提高葡萄的肥料利用率、合理利用養(yǎng)分資源、提高果實品質及保護生態(tài)環(huán)境均具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2020年進行，選取山東省煙臺市蓬萊區(qū)君頂酒莊釀酒葡萄‘美樂’為試材，樹齡10～13年，砧木為SO4，株行距2 m×2 m。生長季（4—11月）的年有效積溫為2240.8 ℃，降雨量為414.1 mm。試驗地葡萄根系的富集深度為0～40 cm，該土層基礎理化性質為土壤容重1.3 g·cm-3，pH值7.6，堿解氮60.6 mg·kg-1、速效鉀675.7 mg·kg-1、速效磷107.8 mg·kg-1、可交換性鈣6.5 mg·kg-1、可交換性鎂406.5 mg·kg-1。

1.2 施肥處理

2018—2020年，選擇16個樹體健康、長勢中庸、產量較穩(wěn)定的園區(qū)作為固定試驗區(qū)，進行“5416”配方肥施用試驗[8-9]?！?416”配方肥是指5因素（N、P、K、Ca、Mg）、4水平（每公頃各肥料的基礎用量的倍數(shù)，即0倍、0.5倍、1倍、1.5倍），共計16個肥料處理（表1）。配方肥是基于每公頃7500 kg果實的產量目標，設定“5416”試驗每公頃各肥料的基礎用量分別為：N 124.5 kg、P2O546.5 kg、K2O 112.5 kg、CaO 112.5 kg、MgO 46.5 kg。各肥料在萌芽期、初花期、末花期、轉色期和成熟期的施用量參考王小龍[10]的研究。

表1 5416試驗處理Table1 Treatments of 5416

1.3 樣品采集及項目測定

于盛花期（FBS）、轉色期（VS）和成熟期（MS）采集花序/果穗上或對生的葉片（L）、葉柄（P）及花序/果實（F），帶回實驗室，洗凈，105 ℃下殺青20 min，85 ℃下烘干，粉碎混勻，待測其礦質元素含量。結合H2SO4-H2O2消解法，用流動分析儀測定植株N，用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定植株P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo全量。

于每年成熟期采集果實，每處理隨機采集30穗，分別從上述果穗的上、中、下部位隨機采集720粒果。籽粒數(shù)，統(tǒng)計30粒果實的種子數(shù)量。籽果比和皮果比、30粒果實的種子和果皮質量分別與果實質量比的平均值。用手持式糖量計測定30～50粒果實的混合果汁的可溶性固形物。采用DPS 7.5軟件完成100粒果實可溶性固形物、百粒質量、籽粒數(shù)、籽果比、皮果比的Topsis評價法分析，將分析結果中的指數(shù)CI值定義為果實品質指數(shù)，CI值越高表示綜合品質越佳，即高優(yōu)?；谄焚|指數(shù)，利用CND法對葡萄植株進行營養(yǎng)診斷分析[3]，利用SAS軟件計算土壤肥力因子對品質指數(shù)的影響力排序和理論最佳配比。以上所有測定指標均進行3次生物學重復。

1.4 數(shù)據處理

采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件對2018—2020年的果實品質和葉片/葉柄/花序/果實礦質元素含量進行統(tǒng)計分析和數(shù)據處理。

2 結果與分析

2.1 果實品質在不同施肥處理下的差異及其相關性

由表2可知，各品質指標的不同施肥處理平均值在年際間存在顯著差異。皮果比和品質指數(shù)年際變化規(guī)律相似，2018年均顯著大于2019和2020年。籽果比和籽粒數(shù)年際變化規(guī)律相似，均表現(xiàn)為2020年顯著高于2018和2019年。2018和2020年百粒質量無顯著差異，較2019年分別顯著提高24.11%和18.33%。與百粒質量相似，2018和2020年可溶性固形物無顯著差異，但較2019年分別顯著降低了21.10%和22.94%。各品質指標的極值分布在不同年際的施肥條件間存在相似性和特異性。2018年，百粒質量和可溶性固形物最高值施肥處理均為T3，籽果比和品質指數(shù)最高值的施肥處理均為T1。2019年，籽果比和品質指數(shù)最高值的施肥處理均為T11。2020年，皮果比和籽果比最高值的施肥處理均為T15，籽粒數(shù)和可溶性固形物最高值的施肥處理均為T11。2018和2019年，百粒質量、品質指數(shù)的最低值施肥處理均為T13，籽果比的最低值施肥處理均為T14。由此說明，施肥效果可能還受其他因素影響，如溫度、降雨量等氣象因子。此外，各品質間相關系數(shù)表明（表3），籽粒數(shù)與籽果比、百粒質量均極顯著正相關；可溶性固形物與籽粒數(shù)和百粒質量顯著或極顯著負相關；品質指數(shù)與皮果比、籽果比極顯著正相關，與籽粒數(shù)顯著正相關。

表2 不同施肥處理條件下的果實品質Table 2 Fruit quality under different fertilization treatments

表3 各果實品質之間的相關系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between fruit quality

2.2 不同生育期各組織部位礦質元素含量與果實品質的相關性

由表4、5、6可知，不同生育期各組織部位礦質元素與果實品質之間存在復雜的顯著相關關系，顯著或極顯著相關中存在相似性和特異性。皮果比與盛花期/轉色期/成熟期的花序/果實、葉片、葉柄Mn均顯著或極顯著相關，與盛花期/轉色期的花序/果實、葉片、葉柄Cu均顯著或極顯著相關，與轉色期/成熟期的果實、葉片、葉柄N均極顯著相關。籽果比與成熟期果實、葉片、葉柄B和Mo均極顯著相關。與籽果比相似，籽粒數(shù)與成熟期果實、葉片、葉柄B和Mo均顯著或極顯著相關。百粒質量與轉色期果實、葉片、葉柄Ca和Mn均極顯著相關，與成熟期果實、葉片、葉柄Ca均極顯著相關?？扇苄怨绦挝锱c轉色期果實、葉片、葉柄Ca、Fe和Mn均顯著或極顯著相關，與成熟期果實、葉片、葉柄Ca、Cu和B均顯著或極顯著相關。品質指數(shù)與轉色期果實、葉片、葉柄Fe均顯著相關。由此可見，蓬萊產區(qū)‘美樂’葡萄不同生育期各組織部位礦質元素與果實品質之間同時存在協(xié)同與拮抗作用。

表4 各生育期花序/果實礦質元素含量與果實品質的相關系數(shù)Table 4 Correlation coefficients of mineral element content in inflorescence/fruit and fruit quality in each growth stage

表5 各生育期葉片礦質元素含量與果實品質的相關系數(shù)Table 5 Correlation coefficients of mineral element content in leaf and fruit quality in each growth stage

另外，轉色期果實N、盛花期花序P、盛花期葉柄K、轉色期葉片Ca、成熟期葉柄Mg、盛花期花序Fe、轉色期葉柄Mn、轉色期葉柄Zn、成熟期葉片Cu、轉色期葉片B、盛花期葉片Mo與品質指數(shù)相關性最強，且均達到顯著或極顯著水平，其相關系數(shù)分別為0.398、-0.335、-0.486、-0.376、-0.345、0.489、0.395、0.429、-0.399、0.396、0.436。因此，選擇上述生育期各器官所對應的元素作為植株營養(yǎng)診斷因子。

表6 各生育期葉柄礦質元素含量與果實品質的相關系數(shù)Table 6 Correlation coefficients of mineral element content in petiole and fruit quality in each growth stage

2.3 基于品質指數(shù)的高優(yōu)園植株礦質元素適宜范圍

各礦質元素累計方差函數(shù)參數(shù)FCi(Vx)與品質指數(shù)（X）之間存在函數(shù)關系見圖1。根據CND法的理論計算[11]，各元素所對應的拐點值分別為XN=0.4237、XP=0.6827、XK=0.4218、XCa=0.4061、XMg=0.3922、XFe=0.4164、XMn=0.4236、XZn=0.3932、XCu=0.4231、XB=0.3044、XMo=0.4187、XR=0.4266。本研究中品質指數(shù)的最高值為0.6827，最低值為0.3044。根據CND法關于高優(yōu)群體比例≥12%的要求[11]，劃分高優(yōu)園臨界值應選擇0.4266，高優(yōu)園則有27個，占總體采樣園的56.25%。同時，依據高優(yōu)園劃分結果，可獲得高優(yōu)園和低優(yōu)園的植株礦質元素含量狀況（表7）。由高優(yōu)園確定蓬萊產區(qū)‘美樂’葡萄植株礦質元素含量適宜范圍為：N 9.03～21.8、P 5.13～10.87、K 15.66～35.74、Ca 6.19～72.09、Mg 9.33～20.13 mg·g-1；Fe 153.42～454.84、Mn 162.24～899.08、Zn 27.72～97.55、Cu 20.06～1150.75、B 18.49～36.7、Mo 0.66～1.87 mg·kg-1。高優(yōu)和低優(yōu)園植株礦質元素含量除N、Ca和B外均存在顯著性差異。低優(yōu)園的P、K、Mg和Cu含量分別高于高優(yōu)園11.20%、20.98%、33.29%和78.84%，而低優(yōu)園的Fe、Mn、Zn、Mo含量分別低于高優(yōu)園19.88%、29.00%、26.17%和17.70%。低優(yōu)園除Ca、Cu和B外，其他元素的變異系數(shù)均高于高優(yōu)園，說明高優(yōu)園各礦質營養(yǎng)比較均衡，而低優(yōu)園礦質營養(yǎng)存在較大差異。

表7 不同‘美樂’葡萄園各組織礦質元素含量Table 7 Contents of mineral elements in various tissues of 'Merlot' in different vineyards

2.4 基于品質指數(shù)的低優(yōu)園植株營養(yǎng)狀況與需肥順序

根據CND法營養(yǎng)診斷計算得出，高優(yōu)園的營養(yǎng)不平衡指數(shù)CND r2為11.56，而低優(yōu)園的營養(yǎng)CND r2顯著高于高優(yōu)園，為16.35。由此可見，蓬萊產區(qū)‘美樂’葡萄低優(yōu)園植株營養(yǎng)平衡狀況較差。同時，計算得出低優(yōu)園各礦質元素的診斷指數(shù)分別為：IN=-0.43、IP=0.49、IK=0.77、ICa=0.46、IMg=0.79、IFe=-0.60、IMn=-0.84、IZn=-0.90、ICu=0.52、IB=-0.51、IMo=-0.54。結果表明，低優(yōu)園的需肥順序為Zn＞Mn＞Fe＞Mo＞B＞N＞Ca＞P＞Cu＞K＞Mg，其中N、Fe、Mn、Zn、B、Mo元素含量表現(xiàn)偏低，其他元素含量充足。由“5416”試驗結果得出各土壤肥力因子對品質指數(shù)的影響力大小排序為：Ca＞Mg＞N＞P＞K；以獲得最高的果實品質指數(shù)為目標，各土壤礦質元素的最佳理論配比為N3P3K1Ca4Mg1，即所對應的每公頃施肥量分別為N 124.50 kg、P2O546.50 kg、K2O 0 kg、CaO 168.75 kg、MgO 0 kg。

3 討論與結論

3.1 植株礦質元素對果實品質的影響

樹體礦質元素的累積主要源于根系對土壤或葉片對葉表面各礦質營養(yǎng)的吸收、運輸和同化過程，樹體礦質營養(yǎng)元素含量與果實品質密切相關[12]。本研究表明，‘美樂’葡萄盛花期花序Fe、轉色期/成熟期果實N和Fe均與品質指數(shù)顯著或極顯著正相關，與張強[13]關于果實N、Fe含量對‘富士’蘋果果實綜合性狀影響較大的結論一致。徐慧等[14]研究認為，‘富士’蘋果P對可溶性固形物正作用最大，而N負作用最大。與之相似，‘美樂’葡萄果實可溶性固形物含量與盛花期/轉色期/成熟期的花序/果實N均極顯著負相關，與盛花期花序P極顯著正相關。Mg元素能夠提高碳水化合物的累積量，促使單糖轉化為蔗糖；柑橘缺Mg會顯著降低可溶性固形物含量[15]?！罉贰咸岩灿蓄愃瓢l(fā)現(xiàn)，盛花期/轉色期/成熟期葉片、葉柄Mg與可溶性固形物均呈極顯著正相關。轉色期/成熟期果實Ca與百粒質量均極顯著正相關，與余陽[16]關于葡萄果面噴Ca可增加果實Ca含量和單果質量的研究結果一致?！罉贰⒒ㄆ?轉色期/成熟期果實K與可溶性固形物顯著或極顯著正相關，與K元素能夠提高果實可溶性固形物含量的研究結果一致[17]。

微量元素的種類和含量也是影響果實產量和品質的重要因素之一[18-19]。文婷[20]研究表明，金柑果實單果質量與葉片Zn、果實B均呈正相關，可溶性固形物與葉片Mn、果實Cu呈正相關。‘美樂’葡萄與之不盡相同，其百粒質量與成熟期葉片Zn、盛花期葉片B均呈極顯著負相關；可溶性固形物與盛花期/轉色期/成熟期葉片Mn均呈極顯著正相關、與轉色期/成熟期果實Cu均顯著負相關。元素與品質間的相關性差異可能是果樹種類及土壤肥力條件等因素差異所造成?！罉贰咸咽⒒ㄆ谌~片Mo與百粒質量呈極顯著正相關，與黃其穎[21]關于B/Zn/Cu/Mo肥配施能夠提高香榧產量的結果相似。‘美樂’葡萄成熟期果實/葉片/葉柄B和Mo與皮果比和籽果比相關性相似，均達顯著或極顯著水平。有研究表明，葡萄酒中優(yōu)質酚類物質主要是從果皮和種子中浸提得到[9]，較高的皮果比和籽果比將影響葡萄酒的口感和營養(yǎng)價值[22]。因此，通過調控‘美樂’葡萄成熟期果實/葉片/葉柄B和Mo含量來提升葡萄酒品質。綜上所述，‘美樂’葡萄果實的品質的形成是由各種元素協(xié)同調控的結果。

3.2 植株礦質元素含量與品質指數(shù)的關聯(lián)性分析

營養(yǎng)診斷的取樣部位會隨果樹生長發(fā)育期和預分析的元素種類不同而不同，如花期應采集葉柄，果實成熟期應采集葉片；葉片用以診斷N，葉柄用以診斷P和K[23-24]。與本研究結果相似，‘美樂’葡萄葉柄在盛花期的K、轉色期的Mn/Zn和成熟期的Mg與品質指數(shù)呈顯著或極顯著相關；葉片在盛花期的Mo、轉色期的Ca/B、成熟期的Cu與品質指數(shù)相關性最強，且均達到顯著或極顯著水平?；ㄆ谧鳛楣麡湓耘喙芾淼年P鍵性階段，對果實產量和品質具有直接的影響；與葉片營養(yǎng)診斷相比，花的營養(yǎng)診斷具有一定的前瞻性[25-26]?！罉贰咸咽⒒ㄆ诨ㄐ騊/Fe與品質指數(shù)顯著或極顯著相關，且相關系數(shù)最大?！罉贰咸艳D色期果實N與品質指數(shù)呈極顯著正相關，且相關系數(shù)最大，與張強[13]和宋少華[27]研究結果相似。因此，可將上述各生育期、組織部位的礦質元素作為高優(yōu)品質指數(shù)‘美樂’葡萄園的營養(yǎng)診斷因子。本研究中，根據CND法確定‘美樂’葡萄高、低優(yōu)園臨界值應選擇0.4266，占總體采樣園的56.25%。依據高優(yōu)園礦質元素特征確定各營養(yǎng)診斷因子的適宜范圍為：N 9.03～21.8、P 5.13～10.87、K 15.66～35.74、Ca 6.19～72.09、Mg 9.33～20.13 mg·g-1；Fe 153.42～454.84、Mn 162.24～899.08、Zn 27.72～97.55、Cu 20.06～1150.75、B 18.49～36.7、Mo 0.66～1.87 mg·kg-1。果樹營養(yǎng)元素的豐缺和元素間的平衡是果樹生長發(fā)育、果實產量和品質生成的物質基礎，也是礦質元素在果樹的生理循環(huán)中各有其不可替代的地位[28]。

研究表明，植株營養(yǎng)元素含量隨砧木、樹齡、品種、采樣時期、氣候條件等的不同而存在很大差別[29-30]。因此，不同葡萄品種間營養(yǎng)診斷中礦質元素含量適宜值區(qū)別較大。河北省‘赤霞珠’高產園葉片在果實膨大期各礦質元素的適宜范圍：N 16.5～37.5、P 2.6～6.2、K 10.2～24.2、Ca 5.6～77.3、Mg 2.3～12.7 mg·g-1；Fe 17.5～92.4、Mn 9.2～239.8 、Zn 20.4～243、Cu 1.0～78.5、B 8.7～130.4 mg·kg-1[31]。其中，Cu元素的適宜范圍在‘美樂’和‘赤霞珠’中差別最為明顯，可能是由于大量銅制劑（如波爾多液）的使用造成了‘美樂’葡萄成熟期葉片Cu大量積累[32]。此外，由于 ‘赤霞珠’和‘美樂’的營養(yǎng)診斷目標分別為高產和高優(yōu)，導致‘赤霞珠’N含量高于‘美樂’，而P、K含量低于‘美樂’，這可能是由于N元素供應充足，枝條和根系生長良好[33]，從而提高了‘赤霞珠’產量；隨著N肥用量的減少，P、K肥用量的增多，果實中的可溶性固形物增加[34]，從而提高了‘美樂’葡萄果實的品質指數(shù)。因此，為保證營養(yǎng)診斷的確診率，應針對性地進行試驗論證，以期提高其在我國主產區(qū)釀酒葡萄營養(yǎng)診斷中的可靠性。

3.3 低優(yōu)園施肥方案

‘美樂’葡萄低優(yōu)園的P、K、Mg和Cu含量分別顯著高于高優(yōu)園11.20%、20.98%、33.29%和78.84%，而低優(yōu)園的Fe、Mn、Zn、Mo含量分別顯著低于高優(yōu)園19.88%、29.00%、26.17%和17.70%。低優(yōu)園除Ca、Cu和B外，其他元素的變異系數(shù)均高于高優(yōu)園。因此，供試果園為開展營養(yǎng)診斷提供了良好的試驗材料和數(shù)據支撐。根據營養(yǎng)診斷結果，蓬萊產區(qū)‘美樂’低優(yōu)葡萄園的需肥順序為Zn＞Mn＞Fe＞Mo＞B＞N＞Ca＞P＞Cu＞K＞Mg，其中N、Fe、Mn、Zn、B、Mo元素含量偏低，其他元素含量充足。有研究表明，N是果樹生長的重要物質基礎，也是蛋白質、核酸、磷脂、葉綠素等重要組分[35]。Fe是植物體內多種酶的重要組成成分和活化劑，參與光合、呼吸作用以及物質能量的轉換[36]。外源Mn對作物的效應受劑量影響，適量Mn可以促進植株生長，增加產量，但過量Mn將產生毒害作用，而使作物輸導組織受阻，體內激素平衡遭到破壞，阻礙作物生長，導致產量下降[37]。Zn是多種酶的輔助因子，影響果樹的根莖葉等器官的生長發(fā)育，也對植株的抗逆性、生長素合成、光合作用、呼吸作用產生影響，從而影響到果實產量和品質[38]。B對花粉萌發(fā)、花粉管的伸長起重要作用，影響果樹碳水化合物轉運[39]。Mo參與植物代謝中的硝酸還原過程，同時具有增強光合作用、消除土壤中有毒物質活性鋁在植物體內的積累等功能[40]。因此，‘美樂’葡萄低優(yōu)園植株礦質營養(yǎng)的補充對其綜合品質的提升具有重要作用。

由于“5416”配方肥研究因素的限制，目前只能選擇N、P、K、Ca、Mg5個因素，以獲得最高的果實品質指數(shù)為目標，其肥力因子最佳配比為N3P3K1Ca4Mg1。針對蓬萊產區(qū)‘美樂’葡萄，建議平衡N肥、P肥；不施K肥、Mg肥；增施Ca肥。N元素植株營養(yǎng)診斷結果與正交試驗方差分析結果一致，所以植株N元素缺乏可能是由于肥料施用不足或土壤保肥能力較弱所造成，因此N肥施用應采用少量多次的原則，合理控制施用時間，避開雨量較大的季節(jié)。微量元素在土壤中容易轉化成無效態(tài)，其后期肥效較弱，且土壤施用成本較高[41]，應以根外施肥及葉面噴施為主。