梅樂葡萄果實3種酚類物質CND法營養(yǎng)診斷指標的建立

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)農村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,山東蓬萊 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)

由梅樂葡萄釀制的葡萄酒顏色深、乙醇度高、酒體飽滿,具有紅色水果的香氣,深受消費者喜愛。長期以來,蓬萊產區(qū)梅樂葡萄種植戶的田間管理主要憑借經驗施肥,缺乏理論依據(jù),致使生產中葡萄酒的平衡感、濃郁度、復雜度和余味等品質降低問題尤為突出。葡萄酒品質與釀酒葡萄果實的糖酸比、酚類物質含量、香氣物質濃度等因素緊密相關[1],其中酚類物質是葡萄酒最重要的風味物質之一,包括總酚、黃酮類、花色苷、單寧、黃烷醇等。研究表明,總酚、總類黃酮、黃烷醇含量與葡萄酒抗氧化活性顯著相關,是葡萄酒抗氧化活性變化的物質基礎[2]。

科學施肥是生產優(yōu)質釀酒葡萄的重要技術環(huán)節(jié),而植株營養(yǎng)診斷是科學施肥的理論基礎和先進技術,常用的植株營養(yǎng)診斷方法包括適宜偏差百分數(shù)法(DOP)、充足范圍法(SRA)、診斷施肥綜合法(DRIS)、組分營養(yǎng)診斷法(CND)等[3]。CND葉營養(yǎng)診斷分析法由Parent等于1992年提出[4],其多元分析診斷的準確性更高,可達87.5%。目前,CND葉營養(yǎng)診斷在我國主要運用于龍眼[5]、鮮食葡萄[6]、荔枝[7]、柑橘[8]、蘋果[9],在釀酒葡萄中鮮有報道。CND作為多元營養(yǎng)分析法,計算量小,且能夠反映元素間的協(xié)同與拮抗作用;CND法對高產/高優(yōu)群組的劃分標準是基于果園調查,并通過數(shù)學統(tǒng)計的方法得到的,能降低人為因素的干擾,增強其結果的科學性[10]。因此,本研究選擇CND法對蓬萊產區(qū)梅樂多種酚類物質進行營養(yǎng)診斷分析。

葉片營養(yǎng)診斷的結果能否科學有效判斷樹體營養(yǎng)需求,關鍵取決于樣品的取樣部位、取樣時間及營養(yǎng)診斷方法的選擇。其中,取樣部位和時間的確定要與營養(yǎng)診斷的目標一致。因此,本研究首先測定梅樂葡萄3個關鍵生育期(盛花期、轉色期、成熟期)、3個組織部位(葉片、葉柄、花序/果實)的11種礦質元素(N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo)含量;其次,計算梅樂葡萄成熟期果實的果皮/種子總酚、總類黃酮、黃烷醇的綜合品質指數(shù);最后,通過不同生育期、不同組織部位各礦質元素含量與綜合品質指數(shù)相關性比對,確定樣品的取樣部位和取樣時間,即營養(yǎng)診斷因子。CND法對梅樂葡萄園的葉片、葉柄、花序/果實營養(yǎng)狀況進行診斷分析,以期為蓬萊產區(qū)的梅樂葡萄園的科學施肥提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018—2020年,在山東省煙臺市蓬萊區(qū)連續(xù)3年調查16個固定配方施肥條件下的釀酒葡萄梅樂果園,砧木為SO4,樹齡10～13年,株距為2 m、行距為2 m,共48個。上述16個固定配方施肥是基于梅樂葡萄7 500 kg/hm2的目標產量,設定非完全正交試驗(5416)各肥料原料的基礎用量分別為:N 124.5 kg/hm2、P2O546.5 kg/hm2、K2O 112.5 kg/hm2、CaO 112.5 kg/hm2、MgO 46.5 kg/hm2。5416非完全正交試驗是指5個因素(N、P、K、Ca、Mg)、4個水平(單位面積各肥料原料的基礎用量的倍數(shù),即0倍、0.5倍、1.0倍、1.5倍),共計16個處理(T)。依據(jù)“5416”正交處理(表1),將表中1、2、3、4分別定義為單位面積各肥料原料的基礎用量的0倍、0.5倍、1.0倍、1.5倍,具體施肥方法和施肥量參照王小龍等的研究[11]。土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂含量分別為0.078、1.097、0.139、6.511、0.644 mg/g,pH值為7.4。管理水平較好,樹體健康,樹勢中庸,產量較穩(wěn)定。

表1 “5416”試驗處理

1.2 試驗方法與項目測定

于盛花期(FBS)、轉色期(VS)、成熟期(MS)進行葉片(L_)、花序/果實(F_)取樣,去離子水沖洗干凈后,105 ℃下殺青20 min,然后在85 ℃下烘干至恒質量,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2018—2020年成熟期采集果實,每處理隨機采集果穗30個,然后從上述果穗的上、中、下各部位隨機采集果粒720粒,用于測定果皮/種子總酚、總類黃酮和黃烷醇含量,其測定方法參照蘇鵬飛的研究方法[12],以上所有測定指標均進行3次生物學重復。

1.3 高優(yōu)果園的確定

將采樣園品質指數(shù)由高到低排序,根據(jù)公式(1)～公式(5)計算植株樣品的營養(yǎng)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、…為各元素在植株中所占百分含量,R為添加值,n表示研究元素的個數(shù),Vn、Vp、Vk、…VR代表分析參數(shù),以下用Vx表示。

fi(Vx)=s2Vxn1/s2Vxn2(n=n1+n2,i=n-3);

(4)

式中:n為所有采樣群體個數(shù),n1為每次循環(huán)中品質指數(shù)最高采樣個數(shù),n2為每次循環(huán)中剩余采樣個數(shù),分子s2Vxn1為n1的參數(shù)Vx的方差,分母s2Vxn2為n2的參數(shù)Vx的方差。第1次循環(huán)n1=2,n2=n-2;以后每次循環(huán)n1+1,n2-1,直到最后n2=2,并始終保持n=n1+n2。

(5)

式中:分子表示前n1-1個分析參數(shù)fi(Vx)的和,分母表示所有分析參數(shù)fi(Vx)的和。

(6)

1.4 低優(yōu)果園的確定

(7)

(8)

(9)

CND營養(yǎng)不平衡指數(shù)以CNDr2值表示,為各個礦質元素營養(yǎng)診斷指數(shù)的平方之和,計算公式如下:

(10)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016和SPSS 20.0軟件對3年的葉片和果實礦質養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用DPS 7.5軟件完成果皮/種子總酚、總類黃酮和黃烷醇的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),CI值越高表示綜合品質越佳,即高優(yōu)。同時,基于Topsis結果中的果實品質指數(shù)(CI),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。

2 結果與分析

2.1 不同組織中各礦質元素含量的相關性

各生育期、各組織不同元素間相互關系存在顯著差異(表2)。其中,在盛花期,果實N-P顯著負相關,葉片N-K極顯著負相關,葉柄N-Mn極顯著負相關;在轉色期,果實和葉片N-P極顯著正相關,葉柄N-P極顯著負相關;在成熟期,果實和葉片N-P極顯著正相關,葉柄N-P顯著負相關。說明蓬萊產區(qū)梅樂葡萄不同生育期、不同組織各元素間存在協(xié)同與拮抗作用。各生育期、各組織不同元素間的顯著關系中,除轉色期葉柄外,其他生育期各組織不同元素間均以協(xié)同作用為主。

表2 梅樂葡萄不同組織中各礦質元素含量之間及品質指數(shù)的相關性

FBS_F_N、FBS_F_P、FBS_P_K、FBS_P_Ca、MS_P_Mg、VS_L_Fe、VS_P_Mn、VS_P_Zn、MS_L_Cu、FBS_L_B、VS_P_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-0.293*、0.625**、0.355*、0.445**、0.568**、0.410**、-0.400**、-0.579**、0.505**、0.459**、-0.500**。因此,選擇上述各生育期、不同組織所對應的元素作為植株營養(yǎng)診斷因子。

2.2 高優(yōu)園的劃分

表3 各礦質元素分析參數(shù)與品質指數(shù)之間的函數(shù)關系式

2.3 蓬萊產區(qū)梅樂葡萄植株礦質元素狀況

根據(jù)高優(yōu)果園品質指數(shù)的臨界值,蓬萊產區(qū)果園采樣中有22個高優(yōu)園和26個低優(yōu)果園,分別得到該產區(qū)高、低優(yōu)果園的植株礦質元素含量狀況(表4)。由高優(yōu)園確定蓬萊產區(qū)梅樂葡萄植株礦質元素含量適宜范圍為N(23.53～32.06)mg/g、P(6.16～11.26)mg/g、K(14.97～43.88)mg/g、Ca(14.74～66.57)mg/g、Mg(9.33～26.51)mg/g、Fe(88.63～504.42)mg/kg、Mn(126.16～767.25)mg/kg、Zn(22.13～75.19)mg/kg、Cu(20.92～1 193.58)mg/kg、B(20.90～42.22)mg/kg、Mo(0.02～0.97)mg/kg。同時,高優(yōu)和低優(yōu)果園植株礦質元素含量除N、K和Ca外均存在顯著性差異(P<0.05)。其中,低優(yōu)果園的P、Mg、Fe、Cu、B含量分別顯著較高優(yōu)果園低16.14%、16.97%、29.82%、54.50%、13.88%,而低優(yōu)果園的Mn、Zn、Mo含量分別顯著較高優(yōu)果園高33.17%、32.44%、102.94%。

表4 不同果園梅樂葡萄各組織礦質元素含量

2.4 低優(yōu)果園植株營養(yǎng)診斷與施肥順序

蓬萊產區(qū)整體低優(yōu)梅樂果園的各礦質營養(yǎng)元素的診斷指數(shù)為:IN=0.34,IP=-0.69,IK=-0.15,ICa=-0.27,IMg=-0.40,IFe=-0.83,IMn=0.59,IZn=0.72,ICu=-0.65,IB=0.92,IMo=0.34。結果表明,Fe、P、Cu、B、Mg、Ca、K元素含量表現(xiàn)偏低,其他元素含量充足。根據(jù)以上營養(yǎng)診斷結果得到蓬萊產區(qū)低優(yōu)梅樂葡萄園的需肥順序為Fe>P>Cu>B>Mg>Ca>K>N>Mn>Zn>Mo。根據(jù)植株營養(yǎng)診斷計算出高優(yōu)園的營養(yǎng)不平衡指數(shù)CNDr2為11.45,而低優(yōu)果園的營養(yǎng)CNDr2顯著高于高優(yōu)園(P<0.05),為14.54,因此,依據(jù)植株營養(yǎng)診斷得出低優(yōu)果園營養(yǎng)平衡狀況較差。

由正交試驗方差分析(表5)可知,各土壤肥力因子對品質指數(shù)的影響力大小排序為K>P>N>Mg>Ca;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N2P3K1Ca2Mg3,即所對應的施肥量分別為N 62.51 kg/hm2、P2O546.88 kg/hm2、K2O 0 kg/hm2、CaO 56.25 kg/hm2、MgO 46.88 kg/hm2。

表5 土壤肥力因子對品質指數(shù)的影響力與最佳施肥配比

3 討論與結論

3.1 植株營養(yǎng)診斷因子的確定

葉片營養(yǎng)診斷的結果能夠科學有效判斷樹體營養(yǎng)需求,關鍵取決于葉片樣本的取樣時間和取樣部位。釀酒葡萄的植株營養(yǎng)診斷是判斷樹體營養(yǎng)狀況的重要方法,對關鍵組織部位的營養(yǎng)分析可以快速準確判斷樹體營養(yǎng)水平。只有在確定合適的采樣部位/時期和預分析元素的基礎上,所獲得的植株營養(yǎng)診斷結果才更為可靠[16]。采樣時選取植株各個方向組織做多個重復,混合后方可測定[17]。由葉片同化物分配特點可知,果實與距離其最近的健康葉片存在較強的“庫-源”關系,這個部位葉片礦質元素含量的變化在一定程度上表征了果實對礦質營養(yǎng)的需求特征[16]。有研究表明,葡萄葉柄內礦質元素含量能夠反映樹體對各礦質營養(yǎng)的需求狀況,可用于果樹營養(yǎng)診斷分析[18]。因此,本研究選擇盛花期、轉色期、成熟期的葉片、葉柄、花序/果實作為營養(yǎng)診斷預分析因子。

果樹體內的各個元素都不是單獨存在的,都是相輔相成的。元素間的拮抗作用會抑制植株對營養(yǎng)的吸收,反之元素間的協(xié)同作用會促進植株的生長[19]。相關性分析結果表明,蓬萊產區(qū)梅樂葡萄在不同生育期、不同組織各元素間同時存在協(xié)同與拮抗作用。在各生育期、各組織不同元素間的顯著關系中,除轉色期葉柄外,其他生育期各組織不同元素間均以協(xié)同作用為主。此外,盛花期果實N/P、葉柄K/Ca、葉片B;轉色期葉柄Mn/Zn/Mo、葉片F(xiàn)e;成熟期葉柄Mg、葉片Cu與品質指數(shù)相關性最強,且均達到顯著或極顯著水平。因此,選擇上述各生育期、不同組織所對應的元素作為植株營養(yǎng)診斷因子。

3.2 植株營養(yǎng)診斷標準的制定

果樹在正常生長發(fā)育過程中,對各種礦質元素的需求量是有一定比例的,植株體內任何一種元素的缺乏或過多,都會引起礦質元素含量的比例失衡,最終造成果樹生長發(fā)育受阻和產量品質的嚴重下降[20]。本研究中,高優(yōu)果園的品質指數(shù)劃分臨界值為0.386 3,其中共有22個果園滿足此條件,占總體樣本的45.83%。高優(yōu)和低優(yōu)果園植株礦質元素含量除N、K和Ca外均存在顯著性差異。其中,低優(yōu)果園的P、Mg、Fe、Cu、B含量分別顯著較高優(yōu)果園低16.14%、16.97%、29.82%、54.50%和13.88%,而低優(yōu)果園的Mn、Zn、Mo含量分別顯著較高優(yōu)果園高33.17%、32.44%和102.94%。本研究為開展蓬萊產區(qū)梅樂葡萄葉片、葉柄、花序/果實礦質營養(yǎng)診斷提供了良好的試驗材料,研究結果將有利于診斷方法理論研究。

根據(jù)本研究結果,蓬萊產區(qū)梅樂葡萄的植株礦質元素含量適宜值分別為N(23.53～32.06)mg/g、P(6.16～11.26)mg/g、K(14.97～43.88)mg/g、Ca(14.74～66.57)mg/g、Mg(9.33～26.51)mg/g、Fe(88.63～504.42)mg/kg、Mn(126.16～767.25)mg/kg、Zn(22.13～75.19)mg/kg、Cu(20.92～1 193.58)mg/kg、B(20.90～42.22)mg/kg、Mo(0.02～0.97)mg/kg,可為低優(yōu)園判斷樹體營養(yǎng)狀況以及指導施肥提供參考。其中Cu適宜范圍較大,可能是受栽培管理過程中的銅制劑殺菌劑影響較大。柑橘的CND法營養(yǎng)診斷結果表明,低優(yōu)果園營養(yǎng)平衡狀況較差[8]。與之相似,本研究中高優(yōu)園的營養(yǎng)不平衡指數(shù)CNDr2為11.45,而低優(yōu)果園的營養(yǎng)不平衡指數(shù)CNDr2顯著高于高優(yōu)園,為14.54。

3.3 低優(yōu)園樹體營養(yǎng)狀況及施肥建議

本研究中,通過對蓬萊產區(qū)梅樂葡萄48個代表性釀酒葡萄園的植株營養(yǎng)診斷發(fā)現(xiàn),其需肥順序為Fe>P>Cu>B>Mg>Ca>K>N>Mn>Zn>Mo,Fe、P、Cu、B、Mg、Ca、K較缺乏。研究表明,K在促進果實成熟、提高果實品質方面的效果尤為突出[21]。植物中50%的B和70%的Ca集中于細胞壁中,施用B、Ca肥可增大果皮厚度或密度[22]。Mg和Fe在果樹的光合作用中起著重要作用,是影響果樹光和效率的核心元素[23]。梅樂葡萄缺乏Fe、P、Cu、B、Mg、Ca、K會顯著影響果實品質,因此在果實成熟前應針對這一問題及時采取應對措施,以提高梅樂葡萄園的產出效益及果實商品價值。

通過SAS正交分析,已獲得最高果實品質指數(shù)為目標,其土壤各礦質元素的影響力排序為K>P>N>Mg>Ca,各土壤礦質元素的最佳理論配比為N2P3K1Ca2Mg3,所對應的施肥量分別為N 62.51 kg/hm2(基礎用量的0.5倍)、P2O546.88 kg/hm2(基礎用量的1倍)、K2O 0 kg/hm2(基礎用量的0倍)、CaO 56.25 kg/hm2(基礎用量的0.5倍)、MgO 46.88 kg/hm2(基礎用量的1倍)。由此說明,土壤中K含量過量,土壤中P、Ca、Mg含量不足。通過植株營養(yǎng)診斷和土壤養(yǎng)分正交分析,元素豐缺情況并不完全一致。這可能與不同年齡自然環(huán)境以及肥水管理有關,不同土壤的不同養(yǎng)分比例也會影響作物對其他養(yǎng)分的吸收,這與相關研究結果[9,19]相似。由此可知,本研究中梅樂植株的P、Ca、Mg元素缺乏可能是由肥料施用不足或土壤保肥能力較弱所致;因此,P、Ca、Mg肥應采用少量多次原則,合理控制施肥生育期,同時避開雨量較大的季節(jié)。植株的K元素缺乏可能是由土壤中礦質元素比例失衡或肥水配用不合理,影響植株對K元素的吸收所致;因此,日后的果園管理中應注重肥水協(xié)調管理。在生產上,微量元素倡議噴霧的形式施于葉面,這種方法簡單而有效。

蓬萊產區(qū)梅樂葡萄低優(yōu)果園需肥順序為Fe>P>Cu>B>Mg>Ca>K>N>Mn>Zn>Mo,表現(xiàn)為Fe、P、Cu、B、Mg、Ca、K偏低。P、Ca、Mg肥施用應采用少量多次的原則;加強果園肥水管理,提高樹體對K元素吸收;通過葉面噴施,適當補充缺乏的Fe、Cu、B元素。