基于果實品質的夏黑葡萄園土壤營養診斷研究

李玉梅， 王小龍， 馬玉全， 張藝燦， 王海波

(中國農業科學院果樹研究所/農業部園藝作物種質資源利用重點實驗室/遼寧省落葉果樹常量營養與肥料高效利用重點實驗室，遼寧興城 125100)

土壤作為陸生植物生活的基質，不僅為植物的生存提供必需的營養和水分，更是影響植物的生長發育和高產優質。因此，對土壤養分進行全面客觀的評價是制定科學合理的土壤施肥制度的基礎[1]，對于提高肥料利用率、減少盲目施肥與過量施肥造成的農業污染和資源浪費以及農業生產具有重大的指導意義。對于營養診斷的研究很早就已經開始，且診斷方法與技術也已經非常成熟。目前，常用的營養診斷方法主要有Beaufils提出的營養診斷與施肥建議綜合法(DRIS)[2]和Parent提出的成分營養診斷法(CND)[3]，而CND是通過數據分析將二元分析方法DRIS拓展得到的一種多元分析方法，因該方法可以同時明確所有分析元素間的互作關系，所以是農業生產中較常用的一種營養診斷方法。而營養診斷對象的選擇目前的研究主要集中于對農作物本身的診斷研究[4-6]，對于土壤的營養診斷較少，且主要基于對某單一或少數元素[7-11]或基于建立產量與土壤營養診斷之間關系的研究[10，12-14]。所以，在此基礎上本研究致力于建立全面可靠的葡萄果實品質與土壤營養診斷的關系，通過利用CND法構建土壤礦質養分與果實品質指數關系模型，明確針對獲得優質葡萄果品的適宜土壤礦質養分含量范圍，初步明確限制葡萄果實品質發展的土壤礦質養分因子，明確葡萄園土壤中有效態礦質元素的豐缺情況并制定基于獲得優質果品時的各礦質元素對應的精確采樣時期和土層指標，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土壤結構的破壞，以期為葡萄栽培生產中獲得優質果品提供理論指導和因地制宜施肥提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究于2018年5—9月底分別于河南省農業科學院豫東試驗基地(113.69°E，34.76°N)采集16個試驗園的土壤樣品192份和湖北省農業科學院果樹茶葉研究所基地(114.34°E，30.50°N)采集16個試驗園的土壤樣品192份。河南省(豫東)葡萄園土壤類型為輕質潮土，土壤pH 值為6.9，有機質含量為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，施肥灌水按常規管理進行。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、有機質含量為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，采樣時期選擇初花期、末花期、轉色期和成熟期4個生育期。32個試驗園共計采樣384份。

果實采集方式：于果實成熟期采集果粒，每試驗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個試驗區共采集(3×2×32)串果穗用于測定品質指標。

1.2 試驗方法與測定指標

土壤樣品采集后置于室內陰涼通風處自然風干，風干后研磨去除雜質并過2 mm篩，保存待測。土壤樣品測定有效態礦質元素氮(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(下文提及的各礦質元素均為有效態的元素)的含量。其中，速效氮和速效磷含量的測定使用流動分析儀[16-17]；有效態鉀、鈣、鎂等其他礦質元素的測定使用電感耦合等離子發射光譜儀(ICP)[18]。

果實品質測定的指標參照王海波等的方法[19]確定為單粒質量和可溶性固形物含量2個指標，單粒質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。所有測定指標均進行3次重復。

1.3 數據分析

采用Excel 2010對土壤礦質養分數據進行統計分析，采用SPSS 20.0軟件，通過單因素(One-Way ANOVA)和Duncan’s法進行方差分析和多重比較(α=0.05)；利用Pearson’s法對土壤各礦質元素間以及礦質元素與果實綜合品質指數進行相關性分析(α=0.01)；綜合品質指數是采用DPS 7.5數據處理系統中的Topsis綜合評價法對品質指標賦予固定權重后計算而得，而各品質指標所占權重采用李思佳研究提供的經過國家葡萄產業體系通過對消費者和零售商的實際調研，然后利用層次分析法確定的值，即代表外觀品質的單粒質量的權重是0.236，代表口感的可溶性固形物權重是0.573[20]。

2 結果與分析

2.1 土壤中各礦質養分含量

對照第2次全國土壤普查的養分分級標準[15]，由表1知，在河南地區的葡萄園土壤中，速效氮含量在果實成熟期較高，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較高，超過分級表的極豐富(>40 mg/kg)水平；速效鉀含量在0～20、20～40、40～60 cm等3個土層中都表現為在果實轉色至成熟階段較高，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。在湖北地區的葡萄園土壤中，3個土層的速效氮含量都在末花期相對較高，而轉色至成熟階段則相對較低，處于中等甚至以下水平；有效磷含量在3個土層中均集中在轉色期較高，遠超出極豐富水平，而速效鉀含量在0～20 cm土層中表現為初花期較高，但在20～40、40～60 cm土層中均表現為果實轉色期含量高，土壤可交換性鈣含量在3個土層中均較低，呈缺乏水平。土壤可交換性鎂含量也表現為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轉色至成熟期相對較高。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 土壤各礦質養分診斷因子確定

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

表2 土壤中各礦質元素含量與品質指數相關性分析

2.3 高優園的劃分

將32個采樣園的果實品質指數由高到低排序，并根據公式(1)～(5)計算土壤樣品中的礦質元素含量參數。

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數；VN、VP、VK、…、VR代表分析參數，以下公式中用Vx表示。

fi(Vx)=s2Vxn1/s2Vxn2(n=n1+n2，i=n-3)。

(4)

式中：n為所有采樣園個數；n1為每次循環中品質指數最高的采樣園數；n2為循環中剩余采樣園數；分子s2Vxn1為n1的參數Vx的方差；分母s2Vxn1為n2的參數Vx的方差。第1次循環中n1=2，n2=n-n1；以后每次循環中總是n1+1、n2-1，循環直到最后n2=2時結束，并始終保持n=n1+n2。

(5)

(6)

表3 土壤礦質元素分析參數與品質指數的函數模型

2.4 低優園土壤營養進一步分析診斷

(7)

(8)

(9)

經計算得本研究中夏黑葡萄低優園土壤中各礦質元素的CND診斷指數分別為：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。即表明低優葡萄園土壤中有效態氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬含量偏低，有效磷、銅、鐵、錳、鋅含量相對充足，所以對于低優葡萄園的土壤管理應更注重于對氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬等含量偏低元素的檢測應適時補施，以提升土壤礦質養分總體含量，從而促進樹體發育，提升果實品質。

2.5 適宜養分范圍以及分級

依據CND法原理，高優園土壤中各礦質元素的含量即作為獲得優質果品的適宜養分范圍：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。

對依據CND營養診斷劃分的高優、低優葡萄園土壤中各礦質養分含量進行分級，鎂元素含量分級參照李寶鑫等的研究[25]，其他元素分級標準依據全國第2次土壤普查結果[15]。該分級結果與CND營養診斷結果對比發現，CND營養診斷劃分的低優園土壤中含量偏低的元素氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬在該分級標準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園、低優園土壤中差異顯著外，其余元素含量在高優園和低優園土壤中差異并不顯著。說明低優園土壤中養分總含量并不低，則引起高優園和低優園果實品質差異的原因可能是低優園土壤中礦質養分間的拮抗作用較嚴重。除速效氮外，低優葡萄園土壤中的有效磷、鉀、交換性鈣、鎂等礦質元素含量的變異系數均明顯大于高優葡萄園。說明28個低優園之間土壤礦質元素含量差異大、礦質養分分布不均衡以及元素間互作關系相對較嚴重，從而影響了樹體對養分的吸收，從而進一步導致葡萄果實品質不佳。

表4 高優、低優園土壤礦質養分含量及養分分級

3 討論

目前，通過營養診斷技術科學高效掌握土壤養分含量狀況以及明確影響果實品質提升的土壤養分限制因子，對于指導農業生產精準施肥、獲得優質果品都有重要意義。前人雖然已對不少農作物根際土壤中的部分養分進行了診斷研究，并提出了相應的施肥策略，例如，孫德生等針對黑土區玉米土壤的氮磷鉀等進行了營養診斷[8]；佟鑫等對于河北產區赤霞珠葡萄園0～30 cm土層的礦質元素進行了營養診斷，并提出了施肥指導[26]；王莉等對江蘇省高產、中產和低產梨園的土壤養分進行了診斷研究[27]；田雪利等測定分析了天津玫瑰香葡萄園土壤養分與葡萄產量的關系[12]。但是，這些研究的不足在于所分析的元素數量少、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量與土壤養分之間的關系上等。而本研究則是選擇夏黑葡萄的4個關鍵生育期，且包含0～20、20～40、40～60 cm等3個土層的11種礦質養分進行營養診斷研究，最終構建了關于夏黑果實品質與土壤礦質養分的關系模型。因此相對來講診斷結果更全面可靠，對葡萄甚至其他果樹栽培生產的實踐指導意義也更強。

本研究中對于各礦質養分診斷的具體采樣時期和土層，以及對于土壤各元素適宜養分范圍的確定與龐國成的研究結果[28]不一致。本研究認為對于氮、鉀、鈣、鎂的營養診斷主要應在40～60 cm土層取樣，而龐國成認為主要應在0～20 cm 土層取樣，主要可能是因為龐國成的研究中采樣深度并未涉及到40～60 cm土層；另外本研究的試驗材料是在露地條件下栽培管理，龐國成的試驗材料是在設施盆栽中栽培管理，因此土壤結構、葡萄品種和砧木年限以及樹體主根系分布規律等都可能會導致研究結果的差異。并且龐國成的研究中在選取各元素的營養診斷因子時其與果實品質的相關性均未達極顯著，而本研究則全部選擇與果實品質呈極顯著相關的因子進行分析。鑒于與以上的不同研究結果，且為了試驗結果的準確性和對實踐指導的可靠性考慮，對于葡萄園土壤診斷時確切的取土時期和土層還有待進一步深入研究，以便更好地指導我國葡萄生產栽培，從而獲得優質果品。

本研究中高優園土壤中各礦質養分的含量即獲得優質果品的適宜土壤養分含量范圍的確定是依據CND的診斷原理[3]進行的，同時也有前人大量的試驗研究[29-31]加以佐證，因此其結果理應是符合理論原理和客觀實際的，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和高優園數相對較少而使數據代表性不強導致的，所以有效磷含量的適宜范圍也需進一步研究確定。而本研究對低優園進一步營養診斷的結果表明夏黑低優葡萄園土壤中有效態氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬含量偏低，有效磷、銅、鐵、錳、鋅含量相對充足。但將含量偏低的元素與第2次全國土壤普查的養分分級標準[15]對比發現，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結果可能并不一定適用于果樹，而目前針對葡萄的土壤養分分級標準[25，33-34]已有不少，但各方法的劃分標準并不一致，所以在以獲得優質果品為目標的基礎上制定一個科學合理、可信度高的葡萄園土壤養分分級標準，用以指導生產栽培是非常有理論意義和實踐需求的。

4 結論

河南和湖北2地夏黑葡萄園土壤中鈣含量在高優園和低優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育的情況下，應減少微量元素的施用，并適量補充鈣肥。除了鈣、銅、鐵和錳元素之外，其他元素含量在高優園和低優園土壤中差異并不顯著，可見導致低優葡萄園果實品質劣勢的原因可能是土壤養分不均衡以及土壤養分利用率低。因此，對于低優園的土壤管理除了對含量較低的氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬等礦質養分進行補充外，更多地應注意土壤養分的平衡關系，提升養分利用率，進一步提升果實品質。