冰糖橙果園土壤養分與果實品質關系的多元分析及優化方案①

曹 勝，周衛軍，劉 沛，譚 潔，宋 彪

冰糖橙果園土壤養分與果實品質關系的多元分析及優化方案①

曹 勝，周衛軍*，劉 沛，譚 潔，宋 彪

(湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128)

對湖南省74個冰糖橙果園土壤礦質養分和果實品質含量進行測定分析，運用R和LINGO軟件多元統計分析篩選了影響果實品質因子的主要土壤養分因子，探明了果實品質最佳時的土壤養分優化方案。研究結果表明，調查果園中超過86.20% 的樣點果園土壤pH處于酸性至強酸性環境，65.52% 的果園土壤缺鈣，75.86% 的果園缺鎂，82.76% 的果園缺硼。冰糖橙果實品質是多個土壤養分因子綜合作用的結果，偏最小二乘回歸分析表明對冰糖橙單果質量影響較大的因子為土壤堿解氮、交換性鈣；果形指數主要受土壤有效磷、有效銅、有效鋅和pH影響；可溶性固形物含量主要受有機質、有效銅、有效鋅和pH影響；可滴定酸含量主要受土壤速效鉀、有效硼和pH的影響；Vc含量主要受土壤有機質、有效磷、速效鉀、交換性鎂和pH的影響。線性規劃求解出pH為5.50 ~ 6.50、有機質含量大于39.68 g/kg、堿解氮為169.17 ~ 170.41 mg/kg、有效磷34.50 mg/kg、速效鉀158.95 ~ 160.88 mg/kg、交換性鈣1 954.69 mg/kg、交換性鎂123.81 mg/kg、有效鐵468.31 mg/kg、有效錳96.09 mg/kg、有效銅1.73 mg/kg、有效鋅10.93 mg/kg、有效硼0.33 ~ 0.85 mg/kg時，冰糖橙果實品質最佳。調節土壤酸堿度，增施有機肥，及時補充鈣、鎂和硼肥是今后果實品質管理的關鍵。

冰糖橙；土壤養分；果實品質；多元統計分析；優化方案

冰糖橙屬蕓香科柑橘屬常綠喬木，是普通甜橙的一個優良芽變品種。永興縣是湖南省冰糖橙主產區，現有冰糖橙栽培面積4 330 hm2，素有“冰糖橙之鄉”的美稱，是全國唯一的“中國優質冰糖橙基地重點縣”[1]。土壤是柑橘生產的基礎，土壤養分和肥力狀況直接影響柑橘的產量和品質，篩選影響果實品質的主要土壤養分障礙因子，才能有針對性地為優質果品生產提供指導[2]。近年來，國內外果樹工作者對芒果[3]、蘋果[4]、獼猴桃[5]等果園土壤理化性狀與果實品質的關系已進行大量的報道。對柑橘而言，主要種植在南方酸性土壤上，由于長期大量施用化肥，特別是生理酸性肥料，加上酸沉降等外部環境的影響，導致柑橘園土壤養分失衡、土壤酸化嚴重，柑橘生長環境變劣、營養吸收受阻、果實品質下降等問題。礦質元素參與植物有機體代謝和調節機體酶活性，是果樹生長發育、產量形成和品質提高的物質基礎。馬小川等[6]分析了湖南省不同緯度溫州蜜柑園果實礦質養分變化規律及需肥特點，表明多數果園土壤有效養分處于缺失狀態，果實鉀含量受緯度的影響；張涓涓等[7]認為，土壤中諸多因子直接影響江西省馬家柚的生長發育和品質表現，土壤pH、有機質和有效銅含量顯著影響果實可溶性固形物含量和出汁率；鮑江峰等[8]研究表明，湖北省紐荷爾臍橙果實可溶性固形物含量與土壤有效磷和速效鉀含量存在顯著線性關系。上述研究為篩選冰糖橙果實品質的影響因子提供了參考，但關于湖南冰糖橙果實營養與土壤養分的關系以及優質果品的土壤養分適宜方案鮮見報道，而這正是指導柑橘園土肥管理、明確改善果實品質的關鍵因素。于2017—2018年對湖南省永興縣74個冰糖橙的柑橘主產區土壤養分及果實品質含量進行采樣測試分析，明確了柑橘園土壤養分豐缺狀況，查明了影響柑橘園果實品質提升的土壤養分限制因子，通過應用偏最小二乘回歸與線性規劃方法定量化探討冰糖橙果實品質含量豐富的土壤養分優化方案，為果樹多自變量、多因變量關系的變量篩選提供方法，為指導湖南省柑橘園科學施肥、果樹營養診斷提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2017年11月至2018年12月，在湖南省永興縣冰糖橙果園選擇74個典型的柑橘園定點調查和采樣(圖1)，本次調查以甜橙為研究對象，主栽品種為冰糖橙((L.) Osbeck)，砧木為枳殼((L.) Raf.)，樹齡15 ~ 30 a，株行距為3 m × 4 m，柑橘園0 ~ 40 cm土層的土壤容重為 1.22 ~ 1.64 g/cm3、孔隙度為38.11% ~ 53.96%、硬度為25.40 ~ 46.40 kg/cm2。在果實成熟期同時采集土壤和果實樣，每個果園按照S型布點法隨機選取5株樹，每株為1個取樣小區，用土鉆采集距樹冠滴水線內側10 cm位置0 ~ 40 cm土層土壤樣品，混合均勻后，按四分法分取1 kg左右土樣于室內自然風干，分別過2 mm和0.149 mm篩，測定土壤養分。在土壤取樣樹的樹冠四周隨機取8個果實，每個果園共取果實40個左右，帶回實驗室測定果實品質。

1.2 測定指標與方法

土壤養分測定：重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量；堿解擴散法測定土壤堿解氮；氟化銨–碳酸氫鈉–鹽酸浸提–鉬銻抗比色法測定土壤有效磷；乙酸銨浸提–火焰光度法測定土壤速效鉀；乙酸銨浸提–電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤交換性鈣和鎂；DTPA浸提–電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤中的鐵、錳、銅和鋅含量；沸水–EDTA–電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP–MS，Agilent 7900，USA)測定土壤有效硼；電位法測定土壤pH[9]。

果實品質測定：百分之一天平稱量單果質量，數顯游標卡尺測量果形橫縱徑，TZ-62手持折光儀測定可溶性固形物含量，0.1 mol/L NaOH中和滴定法測定可滴定酸含量，0.01 mol/L碘液測定柑橘果實Vc含量，固酸比為果實的可溶性固形物含量與可滴定酸含量之比[10]。

所有數據采用Microsoft Excel 2013(美國，微軟公司)和R語言(新西蘭，奧克蘭大學)統計分析，LINGO 11 軟件進行土壤養分優化方案求解。

2 結果與分析

2.1 柑橘園土壤和樹體營養狀況

2.1.1 土壤養分 通過對土壤養分分析，明確果園土壤肥力狀況，并查明樹體營養狀況的土壤養分限制因子，是果樹營養診斷的重要輔助手段。參照柑橘園土壤養分分級標準，研究結果(表1)顯示，湖南省柑橘園土壤養分含量差異較大，有機質含量在15.00 ~ 30.00 g/kg的樣點比例達到65.52%，堿解氮含量大于100.00 mg/kg的占100.00%，有效磷含量大于 15.00 mg/kg的占65.52%，速效鉀含量大于100.00 mg/kg的占82.76%，有效鋅含量大于1.00 mg/kg的占96.55%；鐵、錳、銅含量處于高量水平的果園占比分別為86.21%、37.93% 和72.41%，果園養分差異較大；樣點果園中65.52% 的果園土壤缺鈣，75.86% 的果園土壤缺鎂，82.76% 的果園土壤缺硼。柑橘園0 ~ 40 cm土層土壤pH平均值為4.30，pH≤5.5處于酸性至強酸性環境的樣點果園占86.20%，而適宜柑橘生長的土壤pH 5.5 ~ 6.5的果園僅占6.90%。

2.1.2 果實品質 從冰糖橙品質測定數據可知，果園間果實可滴定酸含量和固酸比差異較大，果形指數和可溶性固形物含量差異較小(表2)。果實單果質量，Vc、可溶性固形物、可滴定酸含量和固酸比平均值分別為137.17 g、693.7mg/L、134.1 mg/g、4.6 mg/g和32.79%，符合國家甜橙水果質量標準(NY/T 426—2012)[13]。與永興縣冰糖橙果實品質含量比較，曾柏全等[14]報道的湖南洪江成熟期冰糖橙果實中的可溶性固形物、可滴定酸和Vc含量平均值分別只有109.8 mg/g、5.5 mg/g和465.8 mg/L；周先艷等[15]研究的云南新平縣冰糖橙果實中的可溶性固形物、可滴定酸含量和固酸比分別只有103.0 mg/g、6.4 mg/g 和16.87，說明了永興縣近幾年開展的柑橘園土壤改良培肥后，果實品質水平有了較大提高。

表1 柑橘園土壤養分概況及豐缺評價

表2 柑橘園果實品質概況

2.2 柑橘園果實品質與土壤養分含量關系

2.2.1 土壤養分指標間的相關性 果園土壤養分間各因素的關系十分復雜，元素間存在協同與拮抗作用。從表3可知，除土壤pH、交換性鈣和交換性鎂外，土壤有機質含量與其他指標均呈正相關，其相關系數較大的為有效磷(0.38*)、有效鋅(0.73**)、有效硼(0.59**)，說明提高土壤有機質含量可以有效提高土壤中各礦質元素的含量；土壤pH與交換性鈣(0.91**)、交換性鎂(0.74**)呈極顯著正相關，說明湖南冰糖橙果園土壤pH酸化是導致果樹缺鈣和缺鎂的主要障礙因子。此外，土壤礦質元素含量間相關性顯著的還有土壤交換性鈣與交換性鎂(0.71**)，有效鐵與有效磷(0.62**)、有效銅(0.67**)，有效鋅與有效銅(0.53**)、有效硼(0.43*)。

表3 土壤養分間的相關性

注：= 74，** 和 * 表示相關性分別達<0.01和<0.05顯著水平(皮爾遜相關分析)，下表同。

2.2.2 果實品質與土壤養分間的相關性 果園土壤養分與樹體營養水平間的關系比較復雜，有時候土壤養分含量并不高，而果樹中有充足的營養；相反，高的土壤養分含量又不能滿足對樹體的營養供應。從土壤養分與果實品質間的相關關系(表4)可知，果園土壤養分含量與果實品質含量相關性較弱，可能是因為土壤養分主要影響植株的其他器官，進而間接影響果實品質。本研究中相關性顯著的僅有土壤堿解氮與單果質量(–0.43*)、果形指數(0.43*)，土壤有效磷與果形指數(–0.57**)，速效鉀與可滴定酸(0.56**)、固酸比(–0.49**)，交換性鈣與單果質量(0.48**)，有效鐵與果形指數(–0.40*)，土壤有效硼與可溶性固形物(0.41*)。不同土壤養分因子與果實品質之間的相關系數差異較大，即便同一養分對果實不同品質參數的影響也不相同，而簡單的相關分析不包括自變量之間的相互作用，因此在單一因子分析的基礎上，還需要進行多元統計分析。

表4 果實品質與土壤養分相關性

2.3 影響果實品質的土壤養分因子篩選及回歸方程的建立

土壤養分與冰糖橙品質的關系屬于多自變量和多因變量間的關系，應用偏最小二乘回歸方法，將土壤養分因子作為自變量，果實品質因子作為因變量，建立土壤養分與果實品質的回歸方程以及篩選影響冰糖橙果實品質含量的土壤養分因子，對回歸方程進行顯著性檢驗，均達到顯著性差異水平，表明建立的方程穩定可靠。從表5可知，在果實品質() 與土壤養分()的正態總體中，單果質量主要受堿解氮和交換性鈣影響，果形指數主要受堿解氮、有效銅、有效鋅和土壤pH的影響，可溶性固形物含量主要受有機質、有效銅、有效鋅和土壤pH的影響，可滴定酸含量主要受速效鉀、有效硼和土壤pH的影響，Vc含量主要受有機質、有效磷、速效鉀、交換性鎂和土壤pH的影響，固酸比主要受速效鉀含量的影響。綜上表明，柑橘果實品質的含量直接受相應土壤有效養分含量的影響，建議通過提高土壤pH，根據果實需肥特性選取養分配比合適的肥料，可直接顯著提高果實品質。

注：1有機質，2堿解氮，3有效磷，4速效鉀，5交換性鈣，6交換性鎂，7有效鐵，8有效錳，9有效銅，10有效鋅，11有效硼，12pH。

2.4 果園土壤養分含量優化方案

為了進一步探明果實品質最佳時的土壤養分含量的適宜范圍，在果實品質()與土壤養分()正態總體中，以果實某一品質最大值(max)為目標函數(A)，果實其余品質指標與土壤養分、pH為約束條件(B)，建立求解各果實品質指標最大時的線性規劃方程組。當求解某一果實品質因子最大時，確保其他果實品質因素達到優質，同時給定土壤養分因子一定的約束范圍。本研究中果實品質指標約束值下限為湖南省永興縣74個典型的柑橘園果實品質平均值，土壤養分因子約束值以調查果園最大值為上限，下限為調查果園平均值，土壤pH選擇適宜冰糖橙生長的范圍5.5 ~ 6.5。

果實品質與土壤養分線性規劃方程組，以果實單果質量最大值(max1)為例：

max1=295.060–1.1372+0.0035(A)

0.032+0.0042–0.0359+0.01110+0.09212≥0.95 (B)

8.982+0.0761–0.9689+0.21110+0.93512≥13.41

0.210+0.0014+0.26211+0.10812≤0.46

43.401+0.6101–0.1173+0.0424–0.0576+3.56712≥69.37

45.339–0.0784≥32.79

其中，24.57≤1≤39.68；169.17≤2≤177.81；34.50≤3≤99.83；158.95≤4≤372.56；789.15≤5≤1954.69；123.81≤6≤391；106.49≤7≤468.31；25.37≤8≤96.09；1.73≤9≤3.79；3.76≤10≤10.93；0.33≤11≤0.85；5.5≤12≤6.5。

應用相同的方法，可建立求解果實中果形指數最大值(max2)、可溶性固形物最大值(max3)、可滴定酸最小值(min4)、Vc最大值(max5)和固酸比最大值(max6)的線性規劃方程。從表6可知，當柑橘園土壤酸堿度和養分范圍：pH 5.50 ~ 6.50、有機質含量39.68 g/kg、堿解氮169.17 ~ 170.41 mg/kg、有效磷34.50 mg/kg、速效鉀158.95 ~ 160.88 mg/kg、交換性鈣1 954.69 mg/kg、交換性鎂123.81 mg/kg、有效鐵468.31 mg/kg、有效錳96.09 mg/kg、有效銅1.73 mg/kg、有效鋅10.93 mg/kg、有效硼0.33 ~ 0.85 mg/kg時，冰糖橙果實品質最佳：單果質量138.58 g、果形指數1.37、可溶性固形物含量187.1 mg/g、可滴定酸含量4.6 mg/g、Vc含量864.5 mg/L、固酸比32.94。

表6 果實品質最佳的土壤養分含量和pH

注：單果質量單位g，可溶性固形物單位mg/g，可滴定酸單位mg/g，Vc含量單位mg/L。

3 討論

3.1 柑橘園土壤養分現狀特征

果園土壤養分間存在錯綜復雜的協同、拮抗作用，相互作用的同時又共同影響果樹根系養分的吸收。馬小川等[6]和曹勝等[16]分別利用典型相關分析方法研究了溫州蜜柑果實礦質養分與土壤養分的關系，揭示了影響不同果實礦質元素的土壤養分因子。但國內外鮮見關于“冰糖橙”果園土壤養分與果實品質的多元分析及優質果園土壤養分優化方案的報道。本研究參照魯劍巍[11]、沈兆敏和劉煥東[12]制定的養分分級標準，對湖南省永興縣冰糖橙主產區74個柑橘園土壤營養狀況和果實品質展開系統調查，研究結果表明永興縣超過86.20% 的樣點果園土壤pH≤5.5，處于酸性至強酸性環境，這可能與柑橘栽培過程中果農長期偏施化肥有關。土壤有機質含量是土壤肥力的物質基礎，國外豐產果園有機質甚至高達20 ~ 60 g/kg，本研究發現有機質不僅可以調節土壤營養成分，還能直接影響果實品質的提高。調查顯示近幾年果農對于有機肥的施用意識普遍提高，在柑橘果園養分管理時，常施用菜枯、桐麩和畜禽糞等有機物料代替化肥使用，同時果園生草還田、修剪還田等措施也是近代果園土壤管理制度的變化趨勢。合理施用堿性有機肥能夠調節土壤酸堿性，改善土壤肥力。吳志丹等[17]通過連續5 a田間定位試驗研究配施有機肥茶園土壤pH的變化狀況，結果發現0 ~ 20 cm土層土壤pH提高了0.27 ~ 1.05。鄧小華等[18]研究發現石灰+生物有機肥協同改良酸性煙田土壤，不僅可以緩解土壤酸性，還可提高土壤容重和有機質含量。南方酸性土壤中發生缺鈣、缺鎂的現象較為普遍，這可能與湖南亞熱帶氣候地區土壤風化和淋溶作用強烈有關，當土壤pH下降時土壤中正電荷增加，對鈣和鎂等養分離子的吸附量顯著減少[19]。部分柑橘園土壤微量元素鐵、錳和銅含量處于高量水平，這可能是因為柑橘病蟲害防治時大量使用銅制劑、波爾多液和代森錳鋅等殺菌劑引起局部的土壤含量過高問題。另外，柑橘園施肥時忽視硼肥的補充也是造成土壤缺硼的重要原因。

3.2 柑橘園果實品質與土壤養分關系

對柑橘進行營養診斷時，有必要將果實品質診斷與土壤營養診斷相結合，比較二者的異同點可以找出施肥中存在的問題。本文對冰糖橙果園12種土壤理化性質和6個果實品質因子進行關聯分析，運用pearson相關性分析土壤養分與果實品質間關系，研究結果表明兩者之間的相關性非常弱，各指標間關系比較復雜，而僅用簡單的相關分析不夠全面，需要應用多元統計分析方法進一步研究其相關性。偏最小二乘回歸是一種新型的多元統計分析方法，包括了多元線性回歸分析、典型相關分析和主成分分析，主要研究的是多因變量對多自變量的回歸建模。國內外學者[20-22]應用偏最小二乘回歸方法在果樹方面研究了土壤養分、葉片養分和果實品質特性之間的相互關系，研究認為土壤養分是果樹生長的基礎，土壤中某種養分含量不但對植株吸收該種養分產生直接的影響，同時還會影響到樹體對其他養分的吸收，從而顯示出土壤中養分與果實中養分元素間關系的復雜性。本研究應用偏最小二乘回歸方法獲得了影響湖南冰糖橙果實品質的土壤養分限制因子，回歸方程的系數可以判斷出變量對果實品質影響的正負效應和重要程度，研究指出果園土壤中有機質、堿解氮、速效鉀、有效銅、有效鋅含量和土壤pH是今后果園土壤管理的重點，與前人對蘋果[23]、獼猴桃[5]和越橘[24]等的研究結果較一致。

3.3 柑橘園土壤養分優化方案

施肥是柑橘栽培中的一項重要技術措施，“以果定肥、因土補肥”是柑橘優質豐產的營養保證[25]。本研究通過線性規劃法定量獲得湖南省冰糖橙果園果實品質含量最佳的土壤養分含量優化方案，把理論計算出的土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂和有效硼等12項養分指標的最優閾值，與目前調查的果園土壤養分實測值進行比較，分析存在的關鍵問題，進而指導柑橘施肥。柑橘果實品質最優時土壤有機質和交換鈣含量均取最大值，說明提高這些養分指標含量能直接影響果實品質的提高。土壤堿解氮含量除果實單果質量取最低值169.17 mg/kg，其余果實品質指標均取170.41 mg/kg，調查果園中50%土壤堿解氮低于優化閾值；速效鉀含量除可滴定酸和固酸比取最低值158.95 mg/kg，其余果實品質指標均取160.88 mg/kg，而60.00% 土壤速效鉀含量低于優化值；有效磷和交換性鎂均取下限值34.50和123.81 mg/kg，56.66% 土壤缺磷和70.00% 缺鎂；土壤有效硼除果實的可滴定酸含量取最低值0.33 mg/kg，其余果實品質指標均取最大值0.85 mg/kg，60.00% 果園土壤缺硼。與蘇婷婷等[26]基于重慶市104個果園土壤養分平均值相比，本優化方案中土壤堿解氮、有效磷和速效鉀偏高，交換性鈣、交換性鎂和有效硼偏低，有效鐵、錳、銅和鋅相當，可能與果園土壤條件、氣候條件、樹種和樹齡等因素有關。由于本研究是根據現有的柑橘園土壤養分和果實品質的調查資料進行理論計算結果，還需要根據不同地區果園土壤養分水平進行田間驗證與調整，最終量化配方施肥，避免“一刀切”的管理模式。

4 結論

湖南永興冰糖橙品質整體優良，但可滴定酸含量差異較大。被調查果園土壤普遍呈酸性，土壤養分肥力總體偏低且分布不平衡，土壤交換性鈣、交換性鎂和有效硼含量嚴重不足。偏最小二乘回歸方法篩選出了影響果實品質的土壤養分因子，線性回歸定量求解出了果園果實品質最佳時的土壤養分、pH優化方案。同一果實品質指標受到多個土壤養分因子的共同作用且影響大小不一，盲目地施肥不僅造成浪費、污染環境，還對果樹造成毒害作用，導致果實品質下降，因此在果園土壤養分管理中應根據果實品質的需肥特性科學合理施肥。

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Multivariate Analysis and Optimization of Relationship Between Soil Nutrients and Fruit Quality in(L.) Osbeck Orchard

CAO Sheng, ZHOU Weijun*, LIU Pei, TAN Jie, SONG Biao

(College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Soil mineral nutrients and fruit qualities of 74Osbeck orchards in the main producing areas of Hunan Province were investigated and analyzed in order to explore the effects of soil nutrients on fruit quality, find out the problems in soil nutrients, and provide reference for guiding scientific fertilization to improve fruit quality. The multivariate statistical analysis of R and LINGO software were used to screen the main soil nutrient factors affecting fruit quality, and the optimal soil nutrient optimization plan was found with the best fruit quality. The results showed that more than 86.20% of the orchard soils were acidic to strong acid, 65.52%, 75.86% and 82.76% of the orchard soils were deficient in exchangeable Ca, Mg, and available B. The fruit quality ofOsbeck was the result of the combined action of multiple soil nutrient factors. Partial least squares regression analysis showed that the factors that have greater impact on the fruit mass ofOsbeck were soil alkaline N and exchangeable Ca. The fruit shape index was mainly affected by soil available P, Cu, Zn and pH.Total soluble solid content mainly affected by soil organic matter, available Cu, Zn and pH. Titratable acid content mainly affected by soil available K, B and pH. Vc content mainly affected by soil organic matter, available P, K, Mg and pH. The linear programming solution found that the quality ofOsbeck was the best with pH of 5.50–6.50, soil organic matter content greater than 39.68 g/kg, alkaline nitrogen within 169.17–170.41 mg/kg, effective phosphorus of 34.50 mg/kg, available potassium within 158.95–160.88 mg/kg, exchangeable calcium of 1 954.69 mg/kg, exchangeable magnesium of 123.81 mg/kg, effective iron of 468.31 mg/kg, effective manganese of 96.09 mg/kg, effective copper of 1.73 mg/kg, effective zinc of 10.93 mg/kg, effective boron of 0.33–0.85 mg/kg. Adjusting soil pH, adding organic fertilizer, timely supplying Ca, Mg and B fertilizers are key to fruit quality management in the future.

Osbeck; Soil nutrition; Fruit quality; Multivariate statistical analysis; Optimum proposal

S666

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.013

曹勝, 周衛軍, 劉沛, 等. 冰糖橙果園土壤養分與果實品質關系的多元分析及優化方案. 土壤, 2021, 53(1): 97–104.

現代農業(柑橘)產業技術體系專項基金(CARS-27)資助。

(wjzh0108@163.com)

曹勝(1991—)，男，湖南長沙人，博士研究生，主要從事土地/土壤環境過程及模擬研究。E-mail: 513173361@qq.com