“5416”配方施肥對梅樂葡萄礦質元素和果實酚類物質含量的影響

王小龍，張正文，邵學東，鐘曉敏，王福成，史祥賓，張藝燦，王海波

(1.中國農業(yè)科學院 果樹研究所，遼寧 興城 125100；2.農業(yè)部園藝作物種質資源利用重點實驗室，遼寧 興城 125100；3.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；4.君頂酒莊有限公司，山東 蓬萊 265600；5.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 蓬萊 265600)

釀酒葡萄果實品質決定葡萄酒的品質，釀酒葡萄果實中的花色苷、單寧等酚類物質在其發(fā)酵過程中大量浸出，直接影響葡萄酒的顏色、口感、風味等品質[1-3]，還決定葡萄酒的一些生理活性功能[4]。紅葡萄酒的顏色成分主要源于釀酒葡萄果皮組織中的花色苷，其對葡萄酒的色調、澄清度、穩(wěn)定性等方面影響較大[5]。單寧具有鞣革能力，增強葡萄酒醇厚性[6]。葡萄酒中的酚類物質含量主要取決于葡萄皮和種子，其含量遠超過果肉，使紅葡萄酒具有顏色和特殊的味覺特征[7-8]。

在果樹的生長發(fā)育過程中，不斷地從土壤中吸收用以形成果實產量及品質的礦質元素，因此，肥料是植株獲取養(yǎng)分的重要來源。長期以來，我國多因經驗施肥造成肥料施用量大且失衡，并且植物生長受最小養(yǎng)分制約[9]，過量施肥對果樹產量及品質的積極影響已達上限。單一或多個元素的豐缺均會引起樹體營養(yǎng)的失衡，并造成該元素特有的缺素癥，甚至對果實產量、品質、抗性、果園經濟效益產生重大影響[10]。因此，樹體營養(yǎng)診斷作為研究果樹營養(yǎng)狀況的有效手段和指導果園精準施肥的重要依據[11]，已逐漸成為農業(yè)發(fā)展的新方向和新趨勢。前人采用CND法對馬鈴薯進行營養(yǎng)診斷，克服DRIS方法僅能通過雙元素比例實現的局限，其確診率在87.5%以上[12-13]。近年來，CND法在果樹上的應用較為廣泛，如龍眼[14]、柑橘[15]、蘋果[16]、香蕉[17]、荔枝[18]、87-1葡萄[19]等。由于不同生長發(fā)育期，樹體不同組織部位對各礦質元素的需求不同，且采收前樹體營養(yǎng)狀況直接影響果實品質。因此，研究盛花期、轉色期、成熟期的葉片、葉柄、花序/果實營養(yǎng)元素含量的變化與果實品質的關系，可為果樹的標準化施肥管理提供指導依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

于2018—2020年在山東省煙臺市君頂酒莊有限公司，在相同試驗田選擇16個“5416”配方施肥處理的梅樂葡萄園進行調查，共48個?！?416”配方施肥是基于產量目標為7 500 kg/hm2進行設計，N、P2O5、K2O、CaO、MgO的基礎用量分別設定為：124.5，46.5，112.5，112.5，46.5 kg/hm2?！?416”試驗包括N、P、K、Ca、Mg，即5個研究因素；各肥料基礎用量的0，0.5，1，1.5倍，即 4個施用水平；經非完全正交組合，共計16個施肥處理(T)。根據“5416”試驗處理，將表1中1、2、3、4定義為4個施用水平，分別為各肥料基礎用量的0，0.5，1.0，1.5倍。具體施肥管理方式和各生育期的施肥量參照王小龍等[20]的研究。研究對象為紅色釀酒葡萄梅樂，以SO4為砧木，樹齡10～13 a，株行距為2 m×2 m。土壤理化性質分別為：土壤堿解氮0.078 mg/g、速效磷1.097 mg/g、速效鉀0.139 mg/g、交換性鈣6.511 mg/g、交換性鎂0.644 mg/g，pH值7.4。

表1 “5416”試驗處理Tab.1 Treatments of "5416"

1.2 試驗方法與項目測定

在盛花期(FBS)、轉色期(VS)和成熟期(MS)均采集不同組織部位樣品，包括葉片(L)、葉柄(P)和花序/果實(F)，各樣品經去離子水沖洗干凈后，于105 ℃條件下進行20 min殺青前處理，85 ℃烘箱烘干至恒定質量，粉碎后過篩，測定葉片、花/果實礦質元素含量。結合H2SO4-H2O2消解法，用全自動流動分析儀測定葉片、葉柄和花序/果實全氮(N)，用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)測定葉片、花序/果實磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)、硼(B)、鉬(Mo)全量。成熟期采集果實，每處理隨機采集果穗20～30個，然后從上述果穗的“上、中、下”各部位隨機采集果粒720 粒，用于測定花色苷、果皮單寧和種子單寧含量，其測定方法參照蘇鵬飛[21]的研究方法，進行3次生物學重復。每年3次重復，連續(xù)3 a取平均值。

1.3 數據處理

首先，利用SPSS 20.0軟件Topsis評價法計算果實花色苷、果皮單寧和種子單寧的綜合評價得分，即品質指數(CI)，CI值越高表示綜合品質越佳；其次，依據CI和植株礦質元素含量的相關系數，選擇相關性最強的礦質元素作為營養(yǎng)診斷因子；最后，采用CND法[16]對CI進行診斷，確定高優(yōu)品質指數的果園(即高優(yōu)園)劃分標準和參比值。利用SAS軟件計算土壤各元素對各品質的影響力排序和最佳理論配比。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對果實酚類物質含量和品質指數的影響

由表2可知，各品質指標極值的施肥處理組在各年份存在相似性和特異性。2018年，皮單寧含量、籽單寧含量、品質指數最小值的施肥處理均為T1，分別為0.65 mg/g、0.08 mg/g、0.09；其最大值的施肥處理均為T13，分別為2.48 mg/g、4.10 mg/g、0.44。2019年，皮花色苷和皮單寧含量最小值施肥處理均為T12，分別為1.79，0.76 mg/g；籽單寧含量和品質指數最小值施肥處理均為T5，分別為0.31 mg/g 和0.23。2020年，皮花色苷含量和品質指數的最小值施肥處理均為T2，分別為1.10 mg/g和0.12；皮花色苷、籽單寧含量和品質指數的最大值施肥處理均為T11，分別為3.55 mg/g、12.26 mg/g和0.88。其他指標的極值處理組表現不同。由此說明，各施肥效果可能還會受當年氣象因子的影響，如降雨量和溫度等。

表2 不同施肥處理對果實酚類物質含量和品質指數的影響Tab.2 Effects of different fertilization treatments on fruit phenolic content and CI

2.2 各組織部位礦質元素之間及與品質指數的相關性分析

由表3可知，葉片、葉柄與果實礦質元素含量間存在較為復雜的協(xié)同與拮抗作用。葉片、葉柄Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、B與果實N均極顯著相關(P<0.01)。葉片、葉柄Ca、Mn、Zn、B與果實P均極顯著相關(P<0.01)。葉片、葉柄N、Ca、Mg與果實K均極顯著相關(P<0.01)。葉片、葉柄N、P、Ca、Mn、Zn、Cu與果實Ca均極顯著相關(P<0.01)。葉片、葉柄Ca、Mg、Fe與果實Fe均極顯著相關(P<0.01)。葉片、葉柄N、P、Mn、Zn、Cu與果實Mn均極顯著相關。葉片、葉柄P、Ca、Mg與果實Zn均極顯著相關(P<0.01)。葉片、葉柄N、P、Mn、Zn、Cu與果實Cu均極顯著相關(P<0.01)。葉片、葉柄Mn、Zn、B與果實Cu均極顯著相關。由表4可知，轉色期果實N、成熟期果實P、轉色期果實K、轉色期葉片Ca、盛花期花序Mg、轉色期果實Fe、盛花期葉片Mn、成熟期果實Zn、盛花期葉柄Cu、轉色期葉柄B、盛花期葉片Mo與品質指數相關性最強，且均達到顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平，其相關系數分別為-0.500，-0.459，0.461，0.523，0.434，-0.534，0.491，-0.440，-0.488，-0.543，-0.345。因此，選擇上述各生育期、組織部位的元素作為植株營養(yǎng)診斷因子。

表4 梅樂葡萄植株礦質元素含量與品質指數的相關系數Tab.4 Correlation coefficient of mineral element content and CI of Merlot plant

2.3 基于品質指數的高優(yōu)園營養(yǎng)診斷

根據植株營養(yǎng)診斷因子元素含量的累積方差函數與品質指數的關系得知(圖1)，各元素高優(yōu)園的拐點值分別為：YN=0.724 8，YP=0.819 2，YK=0.675 7，

YCa=0.675 4，YMg=0.714 3，YFe=0.674 6，YMn=0.684 4，YZn=0.729 0，YCu=0.628 5，YB=0.643 2，YMo=0.735 5，YR=0.696 7。高優(yōu)園臨界值選取原則是取研究數據范圍內拐點值最高，且高優(yōu)群體數量達12%以上[22]。因此，選擇0.735 5作為劃分高優(yōu)園的臨界值，有7個滿足此條件的果園，占總體采樣園的14.58%。同時，依據高、低優(yōu)果園的植株礦質元素含量特征分布(表5)，確定高優(yōu)園礦質元素含量適宜范圍為：N(8.85～11.81)mg/g、P(1.98～4.26)mg/g、K(14.97～20.70)mg/g、Ca(35.57～68.83)mg/g、Mg(3.69～15.51)mg/g、Fe(70.96～103.26)mg/kg、Mn(166.20～277.67)mg/kg、Zn(10.71～20.27)mg/kg、Cu(9.54～14.90)mg/kg、B(11.44～17.07)mg/kg、Mo(0.69～1.60)mg/kg。

由表5可知，高優(yōu)園和低優(yōu)園植株礦質元素含量除Zn、Cu和Mo外均存在顯著性差異(P<0.05)。其中，低優(yōu)園的K、Ca、Mg、Mn含量分別顯著較高優(yōu)園低24.32%，42.52%，45.75%和25.27%，而低優(yōu)園的N、P、Fe、B含量分別顯著較高優(yōu)園高38.74%，72.72%，144.97%和48.11%。低優(yōu)園除Mg外，其他元素含量的變異系數均高于高優(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。由此說明，蓬萊產區(qū)梅樂葡萄葉片、葉柄、花序/果實礦質元素為開展營養(yǎng)診斷提供了良好的試驗材料。

2.4 基于品質指數的低優(yōu)果園需肥順序

圖1 植株礦質元素含量累積方差函數與品質指數之間的關系Fig.1 Relationship between cumulative variance function and CI

表5 不同果園梅樂葡萄各組織礦質元素含量Tab.5 Contents of mineral elements in various tissues of Merlot grapes in different orchards

3 結論與討論

3.1 元素間的相互作用影響果實品質

礦質元素的豐缺狀況與釀酒葡萄品質有著密切關系。然而，礦質元素在植株體內并不是孤立地發(fā)揮作用，而是相互間存在著協(xié)同與拮抗等復雜聯系[23]。本研究表明，蓬萊產區(qū)梅樂葡萄葉片、葉柄與果實各礦質元素間同樣存在顯著的協(xié)同與拮抗關系。其中，梅樂葡萄葉片K與果實Fe、葉片B與果實P均極顯著正相關，與馬宗桓等[24]關于黑比諾釀酒葡萄葉片K與果實Fe、葉片B與果實P均顯著負相關的研究結果相似。葡萄葉片是其執(zhí)行光合作用，并合成營養(yǎng)的重要組織部位[25]，對果實的生長發(fā)育和品質形成至關重要。有研究表明，葉片中N、Fe、Mn、Zn元素在促進葉綠素合成、增強光合作用等方面發(fā)揮重要作用[26]。梅樂葡萄果實P與葉片N、Mn、Zn顯著負相關，果實中適量的P能促進果實發(fā)育和提高果實品質[27]。梅樂葡萄果實K與葉片N、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、B顯著或極顯著正相關，K對果實膨大、著色、成熟和改善果實品質等方面影響較大[27]。梅樂葡萄果實Cu與葉片Mg、Fe、Mn、Zn、Cu極顯著負相關，Cu可以催化果實內部蛋白質和碳水化合物的形成[26]。梅樂葡萄果實Ca與葉片、葉柄Ca極顯著負相關，說明葉片、葉柄Ca能夠有效地轉運到果實，供其參與細胞壁的合成[28]。由此可見，在梅樂葡萄生長發(fā)育過程中，各組織部位的礦質元素均衡利用非常重要，明確各組織部位、各礦質元素含量的適宜值范圍，對于指導其合理施肥尤為重要。

表6 土壤肥力因子對品質指數的影響力與最佳施肥配比Tab.6 The influence of soil fertility factors on CI and the theoretical optimum fertilization ratio

3.2 各礦質元素含量適宜值范圍的確定

目前，釀酒葡萄植株營養(yǎng)診斷標準多依靠經驗或年平均高產園礦質元素含量進行制定，鮮見涉及基于果實品質綜合評價的診斷標準[29-30]?；ㄆ谧鳛楣麡渖L發(fā)育的關鍵階段，直接影響果實產量及品質，與葉片營養(yǎng)診斷相比，花器官診斷具有一定的前瞻性[31-32]。另有研究表明，葉柄可作為馬哈密地區(qū)葡萄[33]、山葡萄[34]、葡萄[35]、赤霞珠[36]等營養(yǎng)診斷的取樣部位。因此，與過去憑借單一品質、單一器官或單一生育期的營養(yǎng)診斷研究相比，本研究通過不同生育期、不同組織部位各礦質元素含量的累積方差函數與品質指數建立關系，由此獲得的診斷結果對實際生產的指導意義更強。相關性分析結果表明，轉色期果實N、成熟期果實P、轉色期果實K、轉色期葉片Ca、盛花期花序Mg、轉色期果實Fe、盛花期葉片Mn、成熟期果實Zn、盛花期葉柄Cu、轉色期葉柄B、盛花期葉片Mo與品質指數相關性最強，所以將其定義為蓬萊產區(qū)梅樂葡萄基于品質指數的營養(yǎng)診斷因子。

選擇使用CND多元分析法，計算出本研究是針對蓬萊產區(qū)梅樂葡萄植株營養(yǎng)元素含量開展的，利用單一產區(qū)的標準參比值針對性更強[16]，誤差小、確診率高。根據CND多元分析法[16]，確定高低優(yōu)果園品質指數的臨界值為0.735 5，其中高優(yōu)果園共有7個，占總體采樣園的14.58%。依據高優(yōu)果園礦質元素特征，確定各營養(yǎng)診斷因子的適宜范圍分別為：N(8.85～11.81)mg/g、P(1.98～4.26)mg/g、K(14.97～20.70)mg/g、Ca(35.57～68.83)mg/g、Mg(3.69～15.51)mg/g、Fe(70.96～103.26)mg/kg、Mn(166.2～277.67)mg/kg、Zn(10.71～20.27)mg/kg、Cu(9.54～14.90)mg/kg、B(11.44～17.07)mg/kg、Mo(0.69～1.60)mg/kg。與鄭永強等[37]研究結果相似，本研究中，低優(yōu)果園除Mg外，其他元素的變異系數均高于高優(yōu)果園。由于植株營養(yǎng)元素含量隨砧木、樹齡、品種、采樣時期、氣候條件等因素的不同而存在很大差別[38-39]。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)診斷中使用的可靠性。

3.3 低優(yōu)園樹體營養(yǎng)狀況及施肥建議

本研究表明，蓬萊產區(qū)梅樂葡萄低優(yōu)園植株K、Ca、Mn、Mg表現偏低。由“5416”試驗的研究因素的限制，目前只能研究N、P、K、Ca、Mg共5個因素，以獲得最高的果實品質指數為目標，其肥力因子最佳配比為N2P3K1Ca2Mg3，建議減施N、Ca肥，平衡施用P、Mg肥，不施K肥。Ca和Mg營養(yǎng)診斷結果與正交試驗方差分析結果一致，所以植株Ca和Mg元素缺乏可能是由肥料施用不足或土壤保肥能力較弱造成的，因此Ca和Mg肥施用原則應少量多次，合理控制施用時間，以避開雨量較大的生育期。K元素植株營養(yǎng)診斷結果與正交試驗方差分析結果不一致，土壤中K、含量表現為豐富，說明植株K元素的缺乏可能是蓬萊產區(qū)的灌溉條件較差，水肥得不到合理的配合施用，影響了樹體營養(yǎng)的吸收，造成了營養(yǎng)缺乏。由于土壤酸化趨勢日益嚴重，多種植物所需微量元素難以從土壤中吸收[40]。因此，在今后的果園管理中應對水肥進行科學管理，通過葉面噴施適當補充Mn元素。