基于15N示蹤的釀酒葡萄氮素營養(yǎng)需求分析

蔣婷婷，閆鵬科，2，于 茹，3，馬婷慧，王 銳，5*

（1．寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021；2．東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，黑龍江 哈爾濱 150030；3．中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；4． 寧夏農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002；5． 寧夏葡萄與葡萄酒研究所，寧夏 銀川 750021）

寧夏賀蘭山東麓得天獨厚的自然條件，成就了中國最佳優(yōu)質(zhì)葡萄酒產(chǎn)區(qū)［1］。全區(qū)葡萄種植面積達到4.07萬hm2，其中釀酒葡萄3.53萬hm2，“赤霞珠”是其主要栽培品種［2］。然而，該產(chǎn)區(qū)土壤多為灰鈣土，富含石礫，土壤質(zhì)地粗，保水保肥性能差，土壤環(huán)境惡劣，pH值一般大于8.5，土壤有機質(zhì)及全氮含量低于六級水平（全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準），不利于釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展［3-4］。氮素是釀酒葡萄生產(chǎn)所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，氮素的分配比例直接決定著釀酒葡萄的生長發(fā)育程度［5-6］。因此，研究寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄氮素分布特征和營養(yǎng)需求規(guī)律，對于指導賀蘭山東麓釀酒葡萄生產(chǎn)實踐具有重要意義。

釀酒葡萄體內(nèi)的氮素循環(huán)是一個復雜的過程［7］。15N示蹤技術(shù)作為研究氮素吸收、運轉(zhuǎn)和代謝的重要手段，可以獨立標記氮素從土壤到作物體內(nèi)的運輸傳遞路徑，排除作物本身和環(huán)境的干擾，還能區(qū)分標記的氮及其他來源的氮［8］。在鮮食葡萄的氮素研究方面取得了一定成果，例如李鑫鑫等［9］研究得出在灌水量為5400 m3·hm-2、施氮量為177 kg·hm-2的條件下，葡萄的15N標記氮肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力達到最高。史祥賓等［10］研究得出巨峰葡萄氮素的最大需求期和最大效率期為果實膨大期至果實成熟期；汪新穎等［11］研究得出紅地球葡萄施肥最佳深度為20 cm的結(jié)論。上述研究均為葡萄氮素合理施肥提供了理論依據(jù)，但是應(yīng)用15N示蹤技術(shù)對釀酒葡萄氮素吸收、分配及利用的研究較少。在寧夏賀蘭山東麓礫質(zhì)灰鈣土滴灌的條件下，釀酒葡萄的氮肥分配率、氮肥利用率以及損失率尚不清楚。

本研究在礫質(zhì)灰鈣土滴灌條件下，以主栽的7年生“赤霞珠”為研究對象，利用15N同位素示蹤技術(shù)，采用“刨根解枝”的微損采樣方法，探究不同生育期氮素運移規(guī)律、各器官氮素分配特性、氮素利用率、殘留率及損失率，確定釀酒葡萄各生育期的合理施氮量，同時掌握賀蘭山東麓釀酒葡萄氮素營養(yǎng)最大效率期，為寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄氮肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于寧夏永寧縣立蘭酒莊葡萄園，該區(qū)域光照充足，屬中溫帶大陸性氣候，年日照時數(shù)2851～3106 h，平均日照時數(shù)7.8～8.3 h，年均氣溫8.9℃，年積溫3289℃，年均降水量200 mm左右，年均蒸發(fā)量1684.3 mm，年無霜期176 d左右。試驗區(qū)地勢平緩，地面坡度約為1%，平均海拔高度為1060 m，葡萄園土壤類型為普通灰鈣土，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)砂土，礫石較多。土壤基本理化性質(zhì)如表1、2所示。

表1 土壤基本物理性質(zhì)

表2 土壤基本化學性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

供試釀酒葡萄品質(zhì)為7年生“赤霞珠”，整形方式為長梢修剪傾斜上架，南北行向定植，株行距0.6 m×3.5 m。2019年4月8日 出 土，10月28日埋土，灌溉、修剪整枝以及病蟲害防治等生產(chǎn)管理措施一致。具體試驗方案如下：在該區(qū)域內(nèi)選取土壤肥力、水分條件等相近，立地條件和長勢較為一致的15棵釀酒葡萄樹掛牌標記，在4月13日，距樹干水平距離30 cm處，左右兩側(cè)挖長40 cm、寬20 cm、深60 cm的條狀施肥溝，氮肥施用量參照張筠筠等［12］，每株施15N-硫酸銨10 g（豐度15.2%），普通硫酸銨（N 21%）245.10 g、重過磷酸鈣（P2O544%）57.23 g、硫酸鉀（K2O 52%）82.82 g，將肥料與浮土拌勻后回填。在施氮后不同時間內(nèi)采集土壤和釀酒葡萄各器官，測定植株各器官全氮含量和15N豐度。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 土壤樣品的采集與測定方法

土壤樣品在施肥前采集1次，在距離植株30cm處，挖取0～60 cm的土壤剖面，按照0～20、20～40、40～60 cm分為3層，用環(huán)刀法取原狀土，并用采樣袋采集每個土層適量的土樣。將每個采樣點同一深度的3份土樣置于潔凈的編織袋中混合均勻后，采用四分法取部分土樣用自封袋收集，使用記號筆編號。將樣品運回實驗室后，把各小份土樣分別攤晾在A4紙上，在室內(nèi)風干、磨細，過1和0.25 mm篩，用于測定pH及全鹽、有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀的含量。具體測定方法為：土壤pH（水土比5∶1）采用PHS-25精密酸度計測定；全鹽（水土比5∶1）采用電導儀測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；全氮采用凱氏定氮法測定；全磷采用鉬銻抗比色法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用火焰光度法測定［13］。

1.3.2 植物樣品的采集與測定方法

在15N標記氮肥施用后35、70、105、140和160 d共采集樣品5次，按不同器官分為根、莖（莖分主干、一級分枝、二級分枝）、葉、果，從第一棵樹開始，用等差法每次選3棵樹采樣，每棵樹取葉樣100片，在0～60 cm土體內(nèi)取體積相等的粗根、中根和細根混合作為根樣，在主干的1/2處采用鉆孔取樣法取樣，一級分枝和二級分枝用剪刀在其1/2處剪10 cm，每株樹剪3枝，作為分枝樣品，每株樹分3層。每棵樹在不同高度取大小相近的5串葡萄作為果實樣品［14］。將采回來的各器官用蒸餾水沖洗干凈，在105℃下殺青30 min，然后在70℃的條件下烘干至恒量，最后用不銹鋼粉碎機粉碎過1 mm篩，混合裝袋，測定各個器官的氮含量和15N豐度。植株全氮含量采用H2SO4消煮-凱式定氮法測定，用元素分析儀-穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀聯(lián)機（Flash EA 1112 HT-Delta V Advantages，Thermo公司）測定15N豐度［13］。

1.3.2.1 體積測定 釀酒葡萄為合軸分枝，有主干、一級分枝和二級分枝。每級分枝均近似看為圓臺，每次采樣均用游標卡尺測量所有標記葡萄主干和一級分枝1/2處的直徑記作d，用卷尺測量其長度記作L，則體積V=π（d/2）2L。因為等高的圓柱和圓臺，圓柱底面半徑是圓臺兩底面半徑的等差中項，則體積相等［13］。

1.3.2.2 密度測定 將三角瓶裝滿水，塞緊，用干潔的濾紙將瓶身粘附的水分擦干凈，稱重記作M1，樣品稱重記作M2，將樣品放入加滿水的三角瓶內(nèi)，塞緊，用干潔的濾紙將瓶身粘附的水分擦干凈，稱重記作M3（為防止樣品表面產(chǎn)生氣泡，將樣品在表面活性劑中浸一下，對密度的影響忽略不計），計算出樣品的體積：V=（M1+M2-M3）/ρ水，式中，ρ水為水的密度，標準狀態(tài)下，ρ水=1g·mL-1，樣品的密度計算式為：ρ=M2/V［15］。

1.3.2.3 干物質(zhì)量測定 整棵樹主干和一級分枝的干物質(zhì)量=V×ρ，二級分枝的干物質(zhì)量=單枝質(zhì)量×二級分枝數(shù)，葉的干物質(zhì)量=百葉重/100×葉片數(shù)，果實的干物質(zhì)量=百粒重/100×果實個數(shù)，根的干物質(zhì)量=根冠比×地上部干物質(zhì)量=根冠比×（主干的干物質(zhì)量+一級分枝的干物質(zhì)量+二級分枝的干物質(zhì)量+葉的干物質(zhì)量+果的干物質(zhì)量）［16］。

各施氮時期干物質(zhì)累積量=這一施氮時期的干物質(zhì)量-上一施氮時期的干物質(zhì)量。

1.4 相關(guān)計算

15N的計算公式如下［17-18］：

Ndff（%）=［植物樣品中15N豐度（0.9478%）-自然豐度（0.3663%）］/［肥料中15N豐度（%）-自然豐度（0.3663%）］×100；式中，Ndff表示植株器官從肥料中吸收分配到的15N量對該器官全氮量的貢獻率，反映了植株器官對肥料15N的吸收征調(diào)能力［19］。

器官全氮量（g）=干物質(zhì)量（g）×器官中全氮含量（%）；

15N吸收量（mg）=器官全氮量（g）×Ndff×1000；

15N分配率（%）=各器官從氮肥中吸收的氮量（g）/總吸收氮量（g）×100；

氮肥利用率（%）=15N吸收量（g）/15N施氮量（g）×100；

氮肥殘留率（%）=（Ndff×土層厚度×土層面積×土壤容重×土層全氮量）/施肥量（g）×100；

氮肥損失率（%）=100%-氮肥利用率（%）-氮肥殘留率（%）。

1.5 統(tǒng)計分析

試驗所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010進行整理，采用SPSS 21.0進行統(tǒng)計分析，采用LSD法進行顯著性檢驗，表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮后不同時間釀酒葡萄各器官干物質(zhì)量

由表3可知，在施氮后35 d，根、主干、一級分枝、二級分枝和葉的干物質(zhì)量最少，分別為342.15、247.64、57.86、41.68和84.62 g·株-1，施氮70 d后果的干物質(zhì)量最少，為78.07 g·株-1。施氮后160 d，根、主干、一級分枝、二級分枝、葉和果的干物質(zhì)量最多，分別為1487.20、271.23、68.57、703.14、613.59和343.31 g·株-1，較施氮70 d后分別增加了234.26%、8.16%、15.71%、113.47%、80.39%和339.75%。根、主 干、一 級分枝、二級分枝、葉和果的干物質(zhì)量均在施氮后70～105 d明顯增加，施氮后105 d的干物質(zhì)量較施氮后70 d分別增加了95.19%、4.23%、6.51%、58.58%、30.00%和219.84%。

表3 施氮后不同時間釀酒葡萄各器官干物質(zhì)量

2.2 施氮后不同時間釀酒葡萄各器官Ndff值

由表4可知，根的Ndff值在施氮后呈現(xiàn)“下降-上升-下降”的趨勢，在施氮后105 d，達到峰值為8.65%。整個施氮時期內(nèi)，主干、一級分枝、二級分枝和葉的Ndff值均呈現(xiàn)上升的趨勢，而果的Ndff值呈“上升-下降-上升”的趨勢，在施氮后160 d最大，為23.30%，較施氮35 d后增加了15.63個百分點。根、主干、一級分枝、二級分枝和葉在施氮后160 d的Ndff較施氮后35 d分別增加了3.23、8.18、16.2、21.5和15.9個百分點。根、主干、一級分枝、二級分枝、葉和果在施氮后105 d的Ndff值較施氮后70 d分別增加了6.38、5.89、5.87、7.25、4.34和7.01個百分點。在施氮后35d，根的Ndff值最大，較主干、一級分枝、二級分枝和葉分別增加了4.22、4.00、2.48和2.61個百分點；在施氮后70 d，葉的Ndff值最大，為9.79%；施氮后105、140、160 d，二級分枝的Ndff值分別為16.81%、17.83%、23.72%，均高于根、主干、一級分枝、葉和果。

表4 施氮后不同時間釀酒葡萄各器官Ndff

2.3 施氮后不同時間釀酒葡萄各器官15N分配率

由表5可知，根的15N分配率在施氮后呈現(xiàn)“上升-下降”的趨勢，在施氮后140 d最大，為9.38%，較施氮后35 d的15N分配率增加了7.92個百分點。在整個施氮時期內(nèi)，主干、一級分枝和二級分枝在施氮后均呈現(xiàn)上升的趨勢，在施氮后160 d最大，分別為1.09%、0.46%和7.59%。葉的15N分配率呈現(xiàn)“上升-下降”的趨勢，在施氮后140 d最大，為17.56%。果的15N分配率呈現(xiàn)“上升-下降-上升”的趨勢，施氮后105 d較施氮后70 d增加了3.21個百分點。根、主干、一級分枝、二級分枝和葉在施氮后105 d的15N分配率較施氮后70 d分別增加了5.26、0.52、0.24、2.55和3.70個百分點。在施氮后35 d，根的15N分配率明顯高于其他器官，為1.46%。施氮后70～160 d，葉的15N分配率分別為6.42%、10.12%、17.56%和15.97%，均高于根、主干、一級分枝、二級分枝和果。

表5 施氮后不同時間釀酒葡萄各器官15N分配率

2.4 施氮后不同時間釀酒葡萄氮素利用率的變化

由表6可知，整個施氮時期內(nèi)，氮肥利用率和氮肥損失率呈上升的趨勢，而土壤氮肥殘留率呈下降的趨勢。氮肥利用率在施氮后35 d僅有1.50%，施氮后160 d最大為38.97%。施氮后160 d的氮肥利用率較施氮后35 d增加了37.47個百分點。土壤氮肥殘留率在施氮后35 d最大，為95.00%，在施氮后105 d下降明顯，較施氮后70 d降低了25.48個百分點。在施氮后160 d降到最低，為17.77%，較施氮后35 d減小了77.23個百分點。氮肥損失率在施氮后35 d最小，為3.50 %。施氮后105 d較施氮后70 d增加了10.16個百分點。在施氮后160 d達到峰值為43.25%，較施氮后35 d增加了39.75個百分點。整個施氮期釀酒葡萄的氮肥利用率為38.97%，土壤氮肥殘留率為17.77%，氮肥損失率為43.25%。

表6 施氮后不同時間釀酒葡萄氮肥利用率

3 討論

3.1 施氮后不同時間釀酒葡萄各器官干物質(zhì)量

干物質(zhì)量表示釀酒葡萄獲取能量的能力［14］。本研究得出，釀酒葡萄各器官干物質(zhì)量隨著施氮時間的推進而增加，根在施氮后35～160 d的干物質(zhì)量較主干、一級分枝、二級分枝、葉和果都大。在施氮后160 d根、主干、一級分枝、二級分枝、葉和果的干物質(zhì)量達到最大。這與彭玲等［18］和柴仲平等［20］的研究結(jié)果相似，原因是生長初期，根系不發(fā)達，吸收氮素的能力低，所以根的干物質(zhì)量最大；生長中期，隨著光合面積的迅速擴大和根系的建立，釀酒葡萄各器官快速生長，干物質(zhì)量增加顯著并且氮素等營養(yǎng)元素逐漸向生殖器官轉(zhuǎn)移，果的干物質(zhì)量逐漸上升；生長后期，樹體漸漸衰老，根系生長緩慢，釀酒葡萄各器官生長減慢以至停止，各器官干物質(zhì)量不再上升。

3.2 施氮后不同時間釀酒葡萄各器官Ndff值

土壤中的氮素和樹體貯藏的氮素是樹體主要的氮來源，然而土壤中氮素無法滿足果樹需求，需通過氮素施入來補充和調(diào)節(jié)［21］，進一步確認樹體對氮素的吸收和分配特性，是釀酒葡萄合理施用氮肥的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Ndff反映了植株器官對肥料15N的吸收征調(diào)能力。施氮后160 d根、主干、一級分枝、二級分枝、葉和果的Ndff值最大，此時期各個器官發(fā)育成熟，生理活性較強，代謝機能完善，故對15N的吸收征調(diào)能力較強，與汪新穎等［11］的結(jié)果一致。初期根和葉片的Ndff值較高，表明樹體吸收的氮素先轉(zhuǎn)運至根系，然后直接向枝葉中轉(zhuǎn)移［22］。在施氮后105 d，葉片、果實的Ndff值明顯升高，說明在此時期，葉片和果實為樹體的生長中心；到了果實成熟期，果實的Ndff值較高，表明此時樹體的生長中心為果實，這與何雪菲等［23］的研究結(jié)果一致。

3.3 施氮后不同時間釀酒葡萄各器官15N分配率

15N分配率是樹體各器官中15N含量占全株15N總量的百分率，反映了肥料氮在樹體內(nèi)的分布及在各器官內(nèi)的轉(zhuǎn)運規(guī)律［24］。馬文娟等［7］、Quinones等［25］、王富林等［26］的研究均表明，15N分配率以葉片最高。這與本研究結(jié)果相似，原因是氮素會優(yōu)先運向根系和葉片，以形成良好的根冠形態(tài)，從而達到提高自身生長能力和養(yǎng)分利用效率的目的。施氮后70～105 d釀酒葡萄樹體的15N分配率增長最快，說明在這一階段是釀酒葡萄樹體氮素吸收和利用的關(guān)鍵時期。葉片在施氮后70 d的15N分配率最高，此階段果實膨大，需要葉片進行光合作用來完成物質(zhì)的合成，而氮素是進行光合作用的重要因素之一。施氮后160 d，根和葉片的15N分配率下降，原因是果實成熟關(guān)鍵階段，果實和其他器官存在競爭關(guān)系，由于庫的增加，葉片合成的物質(zhì)會優(yōu)先分配給生殖器官。

3.4 施氮后不同時間釀酒葡萄氮素利用率的變化

前人研究得出果樹的氮肥利用率在25%～35%之間［27-28］，本試驗中氮肥的利用率為38.00%。高出前人的研究結(jié)果。其原因可能與根系對氮的吸收能力有關(guān)，施入適當?shù)牡士纱龠M根系生長，從而增大根系的有效吸收面積，并提高氮素吸收利用率［23］。但考慮到實際生產(chǎn)中氮素養(yǎng)分滲漏是肥料利用率降低的一個重要因素，所以在實際生產(chǎn)中氮素利用率較本試驗結(jié)果低。朱寶國等［29］研究發(fā)現(xiàn)氮肥深追的條件下土壤氮肥殘留率為14.57%，氮肥損失率為27.62%，本試驗得出整個施氮時間的土壤氮肥殘留率為17.77%，氮肥損失率為43.25%，可能由于寧夏賀蘭山東麓土壤環(huán)境惡劣，富含石礫，保水保肥性能差，使得土壤氮肥殘留率和氮肥損失率偏高。

4 結(jié)論

在寧夏賀蘭山東麓礫質(zhì)灰鈣土滴灌條件下，施氮后70～105 d各器官干物質(zhì)量、Ndff值以及15N分配律均明顯增加，此階段是釀酒葡萄樹體氮素營養(yǎng)的最大效率期。因此，在施氮后70～105 d應(yīng)注重氮肥的投入。整個施氮時期釀酒葡萄的氮肥利用率為38.97%，氮肥殘留率為17.77%，氮肥損失率為43.25%。