基于果實(shí)品質(zhì)的夏黑葡萄園土壤營養(yǎng)診斷研究

李玉梅， 王小龍， 馬玉全， 張藝燦， 王海波

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所/農(nóng)業(yè)部園藝作物種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/遼寧省落葉果樹常量營養(yǎng)與肥料高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧興城 125100)

土壤作為陸生植物生活的基質(zhì)，不僅為植物的生存提供必需的營養(yǎng)和水分，更是影響植物的生長發(fā)育和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。因此，對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行全面客觀的評(píng)價(jià)是制定科學(xué)合理的土壤施肥制度的基礎(chǔ)[1]，對(duì)于提高肥料利用率、減少盲目施肥與過量施肥造成的農(nóng)業(yè)污染和資源浪費(fèi)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大的指導(dǎo)意義。對(duì)于營養(yǎng)診斷的研究很早就已經(jīng)開始，且診斷方法與技術(shù)也已經(jīng)非常成熟。目前，常用的營養(yǎng)診斷方法主要有Beaufils提出的營養(yǎng)診斷與施肥建議綜合法(DRIS)[2]和Parent提出的成分營養(yǎng)診斷法(CND)[3]，而CND是通過數(shù)據(jù)分析將二元分析方法DRIS拓展得到的一種多元分析方法，因該方法可以同時(shí)明確所有分析元素間的互作關(guān)系，所以是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較常用的一種營養(yǎng)診斷方法。而營養(yǎng)診斷對(duì)象的選擇目前的研究主要集中于對(duì)農(nóng)作物本身的診斷研究[4-6]，對(duì)于土壤的營養(yǎng)診斷較少，且主要基于對(duì)某單一或少數(shù)元素[7-11]或基于建立產(chǎn)量與土壤營養(yǎng)診斷之間關(guān)系的研究[10，12-14]。所以，在此基礎(chǔ)上本研究致力于建立全面可靠的葡萄果實(shí)品質(zhì)與土壤營養(yǎng)診斷的關(guān)系，通過利用CND法構(gòu)建土壤礦質(zhì)養(yǎng)分與果實(shí)品質(zhì)指數(shù)關(guān)系模型，明確針對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)葡萄果品的適宜土壤礦質(zhì)養(yǎng)分含量范圍，初步明確限制葡萄果實(shí)品質(zhì)發(fā)展的土壤礦質(zhì)養(yǎng)分因子，明確葡萄園土壤中有效態(tài)礦質(zhì)元素的豐缺情況并制定基于獲得優(yōu)質(zhì)果品時(shí)的各礦質(zhì)元素對(duì)應(yīng)的精確采樣時(shí)期和土層指標(biāo)，能很大程度上減少成本和工作量，并盡可能地減少全范圍取土對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，以期為葡萄栽培生產(chǎn)中獲得優(yōu)質(zhì)果品提供理論指導(dǎo)和因地制宜施肥提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究于2018年5—9月底分別于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院豫東試驗(yàn)基地(113.69°E，34.76°N)采集16個(gè)試驗(yàn)園的土壤樣品192份和湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹茶葉研究所基地(114.34°E，30.50°N)采集16個(gè)試驗(yàn)園的土壤樣品192份。河南省(豫東)葡萄園土壤類型為輕質(zhì)潮土，土壤pH 值為6.9，有機(jī)質(zhì)含量為12.9 g/kg，中等肥力水平[15]；栽植行距×株距為 3 m×1 m，南北行向，高寬垂架勢，樹齡4年，施肥灌水按常規(guī)管理進(jìn)行。湖北省(武漢)葡萄園為紅壤土、低洼地壟田，土壤pH值為7.0～7.5、有機(jī)質(zhì)含量為13.6 g/kg，肥力中等，栽植行距×株距為 3 m×1.7 m，高干“Y”樹形；樹齡5年，肥水常規(guī)管理。

土壤樣品采集方式：以樹體主干為圓心，30 cm為半徑的圓周采集8～10處0～20、20～40、40～60 cm 的土樣，然后分層混合均勻獲得0～20、20～40、40～60 cm的土樣各1份，共3份，每份500 g，采樣時(shí)期選擇初花期、末花期、轉(zhuǎn)色期和成熟期4個(gè)生育期。32個(gè)試驗(yàn)園共計(jì)采樣384份。

果實(shí)采集方式：于果實(shí)成熟期采集果粒，每試驗(yàn)園選擇長勢中庸且健康的樹體3棵，每棵樹采集2串果穗，32個(gè)試驗(yàn)區(qū)共采集(3×2×32)串果穗用于測定品質(zhì)指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)方法與測定指標(biāo)

土壤樣品采集后置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，風(fēng)干后研磨去除雜質(zhì)并過2 mm篩，保存待測。土壤樣品測定有效態(tài)礦質(zhì)元素氮(速效氮)、磷(速效磷)、鉀(速效鉀)、鈣(交換性鈣)、鎂(交換性鎂)、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬(下文提及的各礦質(zhì)元素均為有效態(tài)的元素)的含量。其中，速效氮和速效磷含量的測定使用流動(dòng)分析儀[16-17]；有效態(tài)鉀、鈣、鎂等其他礦質(zhì)元素的測定使用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)[18]。

果實(shí)品質(zhì)測定的指標(biāo)參照王海波等的方法[19]確定為單粒質(zhì)量和可溶性固形物含量2個(gè)指標(biāo)，單粒質(zhì)量通過電子天平測量，而可溶性固形物含量利用手持式折光儀測定。所有測定指標(biāo)均進(jìn)行3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010對(duì)土壤礦質(zhì)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS 20.0軟件，通過單因素(One-Way ANOVA)和Duncan’s法進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05)；利用Pearson’s法對(duì)土壤各礦質(zhì)元素間以及礦質(zhì)元素與果實(shí)綜合品質(zhì)指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析(α=0.01)；綜合品質(zhì)指數(shù)是采用DPS 7.5數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的Topsis綜合評(píng)價(jià)法對(duì)品質(zhì)指標(biāo)賦予固定權(quán)重后計(jì)算而得，而各品質(zhì)指標(biāo)所占權(quán)重采用李思佳研究提供的經(jīng)過國家葡萄產(chǎn)業(yè)體系通過對(duì)消費(fèi)者和零售商的實(shí)際調(diào)研，然后利用層次分析法確定的值，即代表外觀品質(zhì)的單粒質(zhì)量的權(quán)重是0.236，代表口感的可溶性固形物權(quán)重是0.573[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中各礦質(zhì)養(yǎng)分含量

對(duì)照第2次全國土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]，由表1知，在河南地區(qū)的葡萄園土壤中，速效氮含量在果實(shí)成熟期較高，處于很豐富甚至極豐富的水平；有效磷含量則在末花期相對(duì)較高，超過分級(jí)表的極豐富(>40 mg/kg)水平；速效鉀含量在0～20、20～40、40～60 cm等3個(gè)土層中都表現(xiàn)為在果實(shí)轉(zhuǎn)色至成熟階段較高，且均超出極豐富(>200 mg/kg)水平；土壤可交換性鈣含量在各時(shí)期的不同土層中均處于中等水平；可交換性鎂含量在不同土層中則呈現(xiàn)出隨土層深度增加而遞增的趨勢。微量元素中，鐵、錳、銅和鋅元素的含量較高，鐵和錳元素均超出了很豐富水平，銅和鋅元素則都在豐富水平以上，硼元素處于中等至豐富水平，而鉬元素則處于極缺乏水平。在湖北地區(qū)的葡萄園土壤中，3個(gè)土層的速效氮含量都在末花期相對(duì)較高，而轉(zhuǎn)色至成熟階段則相對(duì)較低，處于中等甚至以下水平；有效磷含量在3個(gè)土層中均集中在轉(zhuǎn)色期較高，遠(yuǎn)超出極豐富水平，而速效鉀含量在0～20 cm土層中表現(xiàn)為初花期較高，但在20～40、40～60 cm土層中均表現(xiàn)為果實(shí)轉(zhuǎn)色期含量高，土壤可交換性鈣含量在3個(gè)土層中均較低，呈缺乏水平。土壤可交換性鎂含量也表現(xiàn)為0～20 cm土層中初花期較高，而20～40、40～60 cm土層中則集中在果實(shí)轉(zhuǎn)色至成熟期相對(duì)較高。而微量元素中，鐵、錳、銅和鋅元素含量較高，均超出了分級(jí)表上各自的最高水平；硼元素含量則位于中等甚至缺乏水平，鉬元素含量較低，處于極缺乏(<0.1 mg/kg)水平。

2.2 土壤各礦質(zhì)養(yǎng)分診斷因子確定

由表2知， 不同生育期的各礦質(zhì)元素與果實(shí)品質(zhì)存在不同程度的相關(guān)性，尤其表現(xiàn)在鈣、鐵、錳、銅和鋅元素與果實(shí)品質(zhì)相關(guān)性較強(qiáng)。鈣元素和鐵元素在各時(shí)期與果實(shí)品質(zhì)均呈極顯著相關(guān)；錳元素除在0～20 cm土層中的轉(zhuǎn)色期和成熟期與果實(shí)品質(zhì)無顯著相關(guān)性以及在20～40 cm土層的末花期、40～60 cm土層的轉(zhuǎn)色期與果實(shí)品質(zhì)呈顯著相關(guān)外，其他時(shí)期與果實(shí)品質(zhì)均呈極顯著相關(guān)；3個(gè)土層的銅元素除了在成熟期與果實(shí)品質(zhì)的顯著性較弱外，其他時(shí)期與果實(shí)品質(zhì)均呈極顯著相關(guān)；而鋅元素僅在20～40 cm土層中成熟期時(shí)與果實(shí)品質(zhì)呈顯著相關(guān)，其他時(shí)期也均呈極顯著相關(guān)。根據(jù)CND理論，應(yīng)按照土壤中各礦質(zhì)元素與果實(shí)品質(zhì)最相關(guān)且相關(guān)系數(shù)最大的原則確定各礦質(zhì)元素診斷的最佳取樣時(shí)期和取樣部位。因此確定的土壤各礦質(zhì)元素的最佳取樣時(shí)期和取樣部位分別為：選擇轉(zhuǎn)色期40～60 cm土層中的速效氮含量進(jìn)行土壤氮素營養(yǎng)診斷；選擇初花期20～40 cm土層的有效磷含量進(jìn)行土壤磷營養(yǎng)診斷；選擇末花期40～60 cm土層的有效鉀、鈣、鎂、銅和鋅元素，成熟期40～60 cm土層的有效硼，轉(zhuǎn)色期0～20 cm土層的有效鐵和轉(zhuǎn)色期20～40 cm土層的有效錳以及轉(zhuǎn)色期40～60 cm的有效鉬元素含量分別進(jìn)行鉀、鈣、鎂、銅、鋅、硼、鐵、錳、鉬的土壤營養(yǎng)診斷，且各元素的相關(guān)性及相關(guān)系數(shù)分別為-0.569**、0.830**、0.649**、0.503**、-0.585**、-0.567**、-0.572**、0.474**、-0.477**。

表2 土壤中各礦質(zhì)元素含量與品質(zhì)指數(shù)相關(guān)性分析

2.3 高優(yōu)園的劃分

將32個(gè)采樣園的果實(shí)品質(zhì)指數(shù)由高到低排序，并根據(jù)公式(1)～(5)計(jì)算土壤樣品中的礦質(zhì)元素含量參數(shù)。

R=100%-(N+P+K+…)；

(1)

G=(N×P×K×…×R)1/(n+1)；

(2)

VN=ln(N/G)，VP=ln(P/G)，VK=ln(K/G)，…，VR=ln(R/G)；VN+VP+VK+…+VR=0。

(3)

式中：N、P、K、…為各元素在土壤樣品中的百分含量；R為添加值；n表示研究元素的總個(gè)數(shù)；VN、VP、VK、…、VR代表分析參數(shù)，以下公式中用Vx表示。

fi(Vx)=s2Vxn1/s2Vxn2(n=n1+n2，i=n-3)。

(4)

式中：n為所有采樣園個(gè)數(shù)；n1為每次循環(huán)中品質(zhì)指數(shù)最高的采樣園數(shù)；n2為循環(huán)中剩余采樣園數(shù)；分子s2Vxn1為n1的參數(shù)Vx的方差；分母s2Vxn1為n2的參數(shù)Vx的方差。第1次循環(huán)中n1=2，n2=n-n1；以后每次循環(huán)中總是n1+1、n2-1，循環(huán)直到最后n2=2時(shí)結(jié)束，并始終保持n=n1+n2。

(5)

(6)

表3 土壤礦質(zhì)元素分析參數(shù)與品質(zhì)指數(shù)的函數(shù)模型

2.4 低優(yōu)園土壤營養(yǎng)進(jìn)一步分析診斷

(7)

(8)

(9)

經(jīng)計(jì)算得本研究中夏黑葡萄低優(yōu)園土壤中各礦質(zhì)元素的CND診斷指數(shù)分別為：IN=-0.70，IP=2.60，IK=-0.67，ICa=-2.89，IMg=-2.60，IB=-6.97，ICu=1.19，IFe=1.41，IMn=3.14，IMo=-2.13，IZn=3.38，IR=-1.86。即表明低優(yōu)葡萄園土壤中有效態(tài)氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬含量偏低，有效磷、銅、鐵、錳、鋅含量相對(duì)充足，所以對(duì)于低優(yōu)葡萄園的土壤管理應(yīng)更注重于對(duì)氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬等含量偏低元素的檢測應(yīng)適時(shí)補(bǔ)施，以提升土壤礦質(zhì)養(yǎng)分總體含量，從而促進(jìn)樹體發(fā)育，提升果實(shí)品質(zhì)。

2.5 適宜養(yǎng)分范圍以及分級(jí)

依據(jù)CND法原理，高優(yōu)園土壤中各礦質(zhì)元素的含量即作為獲得優(yōu)質(zhì)果品的適宜養(yǎng)分范圍：速效氮為27.16～157.24 mg/kg，有效磷為0.81～5.77 mg/kg，速效鉀為106.80～131.50 mg/kg，可交換性鈣為6 492.00～14 260.00 mg/kg，可交換性鎂為517.15～708.75 mg/kg，有效硼為0.90～1.20 mg/kg，有效銅為0.86～2.40 mg/kg，有效鐵為58.93～100.24 mg/kg，有效錳為81.77～ 88.05 mg/kg，有效鉬為0.01～0.03 mg/kg，有效鋅為0.94～1.33 mg/kg。

對(duì)依據(jù)CND營養(yǎng)診斷劃分的高優(yōu)、低優(yōu)葡萄園土壤中各礦質(zhì)養(yǎng)分含量進(jìn)行分級(jí)，鎂元素含量分級(jí)參照李寶鑫等的研究[25]，其他元素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)全國第2次土壤普查結(jié)果[15]。該分級(jí)結(jié)果與CND營養(yǎng)診斷結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CND營養(yǎng)診斷劃分的低優(yōu)園土壤中含量偏低的元素氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬在該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下并不都處于較低水平，鉀、鎂和硼元素含量甚至處于中等至豐富水平。且僅有效銅、鐵、錳和交換性鈣含量在高優(yōu)園、低優(yōu)園土壤中差異顯著外，其余元素含量在高優(yōu)園和低優(yōu)園土壤中差異并不顯著。說明低優(yōu)園土壤中養(yǎng)分總含量并不低，則引起高優(yōu)園和低優(yōu)園果實(shí)品質(zhì)差異的原因可能是低優(yōu)園土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分間的拮抗作用較嚴(yán)重。除速效氮外，低優(yōu)葡萄園土壤中的有效磷、鉀、交換性鈣、鎂等礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)均明顯大于高優(yōu)葡萄園。說明28個(gè)低優(yōu)園之間土壤礦質(zhì)元素含量差異大、礦質(zhì)養(yǎng)分分布不均衡以及元素間互作關(guān)系相對(duì)較嚴(yán)重，從而影響了樹體對(duì)養(yǎng)分的吸收，從而進(jìn)一步導(dǎo)致葡萄果實(shí)品質(zhì)不佳。

表4 高優(yōu)、低優(yōu)園土壤礦質(zhì)養(yǎng)分含量及養(yǎng)分分級(jí)

3 討論

目前，通過營養(yǎng)診斷技術(shù)科學(xué)高效掌握土壤養(yǎng)分含量狀況以及明確影響果實(shí)品質(zhì)提升的土壤養(yǎng)分限制因子，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)施肥、獲得優(yōu)質(zhì)果品都有重要意義。前人雖然已對(duì)不少農(nóng)作物根際土壤中的部分養(yǎng)分進(jìn)行了診斷研究，并提出了相應(yīng)的施肥策略，例如，孫德生等針對(duì)黑土區(qū)玉米土壤的氮磷鉀等進(jìn)行了營養(yǎng)診斷[8]；佟鑫等對(duì)于河北產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄園0～30 cm土層的礦質(zhì)元素進(jìn)行了營養(yǎng)診斷，并提出了施肥指導(dǎo)[26]；王莉等對(duì)江蘇省高產(chǎn)、中產(chǎn)和低產(chǎn)梨園的土壤養(yǎng)分進(jìn)行了診斷研究[27]；田雪利等測定分析了天津玫瑰香葡萄園土壤養(yǎng)分與葡萄產(chǎn)量的關(guān)系[12]。但是，這些研究的不足在于所分析的元素?cái)?shù)量少、植物生育期單一、涉及土層單一以及診斷模型主要建立在產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系上等。而本研究則是選擇夏黑葡萄的4個(gè)關(guān)鍵生育期，且包含0～20、20～40、40～60 cm等3個(gè)土層的11種礦質(zhì)養(yǎng)分進(jìn)行營養(yǎng)診斷研究，最終構(gòu)建了關(guān)于夏黑果實(shí)品質(zhì)與土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的關(guān)系模型。因此相對(duì)來講診斷結(jié)果更全面可靠，對(duì)葡萄甚至其他果樹栽培生產(chǎn)的實(shí)踐指導(dǎo)意義也更強(qiáng)。

本研究中對(duì)于各礦質(zhì)養(yǎng)分診斷的具體采樣時(shí)期和土層，以及對(duì)于土壤各元素適宜養(yǎng)分范圍的確定與龐國成的研究結(jié)果[28]不一致。本研究認(rèn)為對(duì)于氮、鉀、鈣、鎂的營養(yǎng)診斷主要應(yīng)在40～60 cm土層取樣，而龐國成認(rèn)為主要應(yīng)在0～20 cm 土層取樣，主要可能是因?yàn)辇媷傻难芯恐胁蓸由疃炔⑽瓷婕暗?0～60 cm土層；另外本研究的試驗(yàn)材料是在露地條件下栽培管理，龐國成的試驗(yàn)材料是在設(shè)施盆栽中栽培管理，因此土壤結(jié)構(gòu)、葡萄品種和砧木年限以及樹體主根系分布規(guī)律等都可能會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果的差異。并且龐國成的研究中在選取各元素的營養(yǎng)診斷因子時(shí)其與果實(shí)品質(zhì)的相關(guān)性均未達(dá)極顯著，而本研究則全部選擇與果實(shí)品質(zhì)呈極顯著相關(guān)的因子進(jìn)行分析。鑒于與以上的不同研究結(jié)果，且為了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和對(duì)實(shí)踐指導(dǎo)的可靠性考慮，對(duì)于葡萄園土壤診斷時(shí)確切的取土?xí)r期和土層還有待進(jìn)一步深入研究，以便更好地指導(dǎo)我國葡萄生產(chǎn)栽培，從而獲得優(yōu)質(zhì)果品。

本研究中高優(yōu)園土壤中各礦質(zhì)養(yǎng)分的含量即獲得優(yōu)質(zhì)果品的適宜土壤養(yǎng)分含量范圍的確定是依據(jù)CND的診斷原理[3]進(jìn)行的，同時(shí)也有前人大量的試驗(yàn)研究[29-31]加以佐證，因此其結(jié)果理應(yīng)是符合理論原理和客觀實(shí)際的，但是本研究中有效磷含量的適宜范圍是0.81～5.77 mg/kg，明顯低于低優(yōu)園的土壤有效磷含量，且與龐國成提出的適宜范圍[28，32]相差很大，可能是由本研究樣本數(shù)和高優(yōu)園數(shù)相對(duì)較少而使數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)導(dǎo)致的，所以有效磷含量的適宜范圍也需進(jìn)一步研究確定。而本研究對(duì)低優(yōu)園進(jìn)一步營養(yǎng)診斷的結(jié)果表明夏黑低優(yōu)葡萄園土壤中有效態(tài)氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬含量偏低，有效磷、銅、鐵、錳、鋅含量相對(duì)充足。但將含量偏低的元素與第2次全國土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鉀、鎂、硼元素的含量處于中等或豐富水平，由此說明全國性的且以大田作物為試材的土壤普查分級(jí)結(jié)果可能并不一定適用于果樹，而目前針對(duì)葡萄的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[25，33-34]已有不少，但各方法的劃分標(biāo)準(zhǔn)并不一致，所以在以獲得優(yōu)質(zhì)果品為目標(biāo)的基礎(chǔ)上制定一個(gè)科學(xué)合理、可信度高的葡萄園土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)生產(chǎn)栽培是非常有理論意義和實(shí)踐需求的。

4 結(jié)論

河南和湖北2地夏黑葡萄園土壤中鈣含量在高優(yōu)園和低優(yōu)園中普遍處于中等甚至缺乏水平，而微量元素基本處于中等至豐富水平，所以在保證不影響植株正常生長發(fā)育的情況下，應(yīng)減少微量元素的施用，并適量補(bǔ)充鈣肥。除了鈣、銅、鐵和錳元素之外，其他元素含量在高優(yōu)園和低優(yōu)園土壤中差異并不顯著，可見導(dǎo)致低優(yōu)葡萄園果實(shí)品質(zhì)劣勢的原因可能是土壤養(yǎng)分不均衡以及土壤養(yǎng)分利用率低。因此，對(duì)于低優(yōu)園的土壤管理除了對(duì)含量較低的氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬等礦質(zhì)養(yǎng)分進(jìn)行補(bǔ)充外，更多地應(yīng)注意土壤養(yǎng)分的平衡關(guān)系，提升養(yǎng)分利用率，進(jìn)一步提升果實(shí)品質(zhì)。