梅樂葡萄果實3種酚類物質(zhì)CND法營養(yǎng)診斷指標(biāo)的建立

王小龍, 張正文, 邵學(xué)東, 鐘曉敏, 王福成, 史祥賓, 王志強, 王海波

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物種質(zhì)資源利用重點實驗室/遼寧省落葉果樹礦質(zhì)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(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)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(chǎn)區(qū)梅樂葡萄種植戶的田間管理主要憑借經(jīng)驗施肥,缺乏理論依據(jù),致使生產(chǎn)中葡萄酒的平衡感、濃郁度、復(fù)雜度和余味等品質(zhì)降低問題尤為突出。葡萄酒品質(zhì)與釀酒葡萄果實的糖酸比、酚類物質(zhì)含量、香氣物質(zhì)濃度等因素緊密相關(guān)[1],其中酚類物質(zhì)是葡萄酒最重要的風(fēng)味物質(zhì)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(guān),是葡萄酒抗氧化活性變化的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。

科學(xué)施肥是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)釀酒葡萄的重要技術(shù)環(huán)節(jié),而植株營養(yǎng)診斷是科學(xué)施肥的理論基礎(chǔ)和先進技術(shù),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(chǎn)/高優(yōu)群組的劃分標(biāo)準是基于果園調(diào)查,并通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法得到的,能降低人為因素的干擾,增強其結(jié)果的科學(xué)性[10]。因此,本研究選擇CND法對蓬萊產(chǎn)區(qū)梅樂多種酚類物質(zhì)進行營養(yǎng)診斷分析。

葉片營養(yǎng)診斷的結(jié)果能否科學(xué)有效判斷樹體營養(yǎng)需求,關(guān)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(biāo)一致。因此,本研究首先測定梅樂葡萄3個關(guān)鍵生育期(盛花期、轉(zhuǎn)色期、成熟期)、3個組織部位(葉片、葉柄、花序/果實)的11種礦質(zhì)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(zhì)指數(shù);最后,通過不同生育期、不同組織部位各礦質(zhì)元素含量與綜合品質(zhì)指數(shù)相關(guān)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(chǎn)區(qū)的梅樂葡萄園的科學(xué)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(diào)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(biāo)產(chǎn)量,設(shè)定非完全正交試驗(5416)各肥料原料的基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量,粉碎后過篩,測定葉片、花/果實礦質(zhì)元素含量。結(jié)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(guān)、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(biāo)均進行3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3 高優(yōu)果園的確定

將采樣園品質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jié)果中的指數(shù)CI值定義為果實品質(zhì)指數(shù)(CI),CI值越高表示綜合品質(zhì)越佳,即高優(yōu)。同時,基于Topsis結(jié)果中的果實品質(zhì)指數(shù)(CI),利用SAS軟件計算土壤肥力因子對品質(zhì)指數(shù)的影響力排序和理論最佳配比。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組織中各礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性

各生育期、各組織不同元素間相互關(guān)系存在顯著差異(表2)。其中,在盛花期,果實N-P顯著負相關(guān),葉片N-K極顯著負相關(guān),葉柄N-Mn極顯著負相關(guān);在轉(zhuǎn)色期,果實和葉片N-P極顯著正相關(guān),葉柄N-P極顯著負相關(guān);在成熟期,果實和葉片N-P極顯著正相關(guān),葉柄N-P顯著負相關(guān)。說明蓬萊產(chǎn)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(guān)系中,除轉(zhuǎn)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(zhì)元素含量之間及品質(zhì)指數(shù)的相關(guān)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(zhì)指數(shù)相關(guān)性最強,且均達到顯著或極顯著水平,其相關(guān)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(yīng)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(zhì)元素分析參數(shù)與品質(zhì)指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式

2.3 蓬萊產(chǎn)區(qū)梅樂葡萄植株礦質(zhì)元素狀況

根據(jù)高優(yōu)果園品質(zhì)指數(shù)的臨界值,蓬萊產(chǎn)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(chǎn)區(qū)高、低優(yōu)果園的植株礦質(zhì)元素含量狀況(表4)。由高優(yōu)園確定蓬萊產(chǎn)區(qū)梅樂葡萄植株礦質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)區(qū)整體低優(yōu)梅樂果園的各礦質(zhì)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(jié)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(jié)果得到蓬萊產(chǎn)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(zhì)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(zhì)指數(shù)為目標(biāo),各土壤礦質(zhì)元素的最佳理論配比為N2P3K1Ca2Mg3,即所對應(yīng)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(zhì)指數(shù)的影響力與最佳施肥配比

3 討論與結(jié)論

3.1 植株營養(yǎng)診斷因子的確定

葉片營養(yǎng)診斷的結(jié)果能夠科學(xué)有效判斷樹體營養(yǎng)需求,關(guān)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(guān)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(yù)分析元素的基礎(chǔ)上,所獲得的植株營養(yǎng)診斷結(jié)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(fù),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(guān)系,這個部位葉片礦質(zhì)元素含量的變化在一定程度上表征了果實對礦質(zhì)營養(yǎng)的需求特征[16]。有研究表明,葡萄葉柄內(nèi)礦質(zhì)元素含量能夠反映樹體對各礦質(zhì)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(zhuǎn)色期、成熟期的葉片、葉柄、花序/果實作為營養(yǎng)診斷預(yù)分析因子。

果樹體內(nèi)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(guān)性分析結(jié)果表明,蓬萊產(chǎn)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(guān)系中,除轉(zhuǎn)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(zhuǎn)色期葉柄Mn/Zn/Mo、葉片F(xiàn)e;成熟期葉柄Mg、葉片Cu與品質(zhì)指數(shù)相關(guān)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(yīng)的元素作為植株營養(yǎng)診斷因子。

3.2 植株營養(yǎng)診斷標(biāo)準的制定

果樹在正常生長發(fā)育過程中,對各種礦質(zhì)元素的需求量是有一定比例的,植株體內(nèi)任何一種元素的缺乏或過多,都會引起礦質(zhì)元素含量的比例失衡,最終造成果樹生長發(fā)育受阻和產(chǎn)量品質(zhì)的嚴重下降[20]。本研究中,高優(yōu)果園的品質(zhì)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(zhì)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(chǎn)區(qū)梅樂葡萄葉片、葉柄、花序/果實礦質(zhì)營養(yǎng)診斷提供了良好的試驗材料,研究結(jié)果將有利于診斷方法理論研究。

根據(jù)本研究結(jié)果,蓬萊產(chǎn)區(qū)梅樂葡萄的植株礦質(zhì)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(dǎo)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(jié)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(chǎn)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(zhì)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(zhì),因此在果實成熟前應(yīng)針對這一問題及時采取應(yīng)對措施,以提高梅樂葡萄園的產(chǎn)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(zhì)指數(shù)為目標(biāo),其土壤各礦質(zhì)元素的影響力排序為K>P>N>Mg>Ca,各土壤礦質(zhì)元素的最佳理論配比為N2P3K1Ca2Mg3,所對應(yīng)的施肥量分別為N 62.51 kg/hm2(基礎(chǔ)用量的0.5倍)、P2O546.88 kg/hm2(基礎(chǔ)用量的1倍)、K2O 0 kg/hm2(基礎(chǔ)用量的0倍)、CaO 56.25 kg/hm2(基礎(chǔ)用量的0.5倍)、MgO 46.88 kg/hm2(基礎(chǔ)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(guān),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(guān)研究結(jié)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(yīng)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(zhì)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(yīng)注重肥水協(xié)調(diào)管理。在生產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(dāng)補充缺乏的Fe、Cu、B元素。