梨树叶片营养状况的诊断与评价

陈启亮，范 净，杨晓平，张靖国，杜 威，胡红菊

（湖北省农业科学院果树茶叶研究所，武汉 430064）

0 引言

利川市梨树栽培面积为2826.67 hm2，梨主产区主要集中在汪营、凉雾、南坪、柏杨、团堡等乡镇。‘长十郎’梨是湖北省利川市砂梨主栽品种，栽培面积占利川市梨树面积的80%以上，以抗性强、丰产性好等优点深受人们喜爱，在利川市梨产业中具有重要地位，为农民脱贫致富做出了重要贡献。但存在肉质较粗、果肉较硬等缺点，使得其售价较低，属低端销售，难以满足市场多样化需求[1-2]。施肥是果树生产管理的重要环节，生产上盲目施肥、经验施肥造成梨树营养失衡，进而影响梨果实品质[3]，需要对梨树叶片营养状况进行诊断和评价。

通过叶片矿质营养分析判断果树营养状况是指导果树施肥的重要手段[4]。各种营养元素的缺乏或过量都有可能使果树产量和品质下降，适宜的矿质元素含量及比例是果树高产优质的前提[5-6]。果树叶内各种矿质营养元素含量标准值，是应用叶分析进行营养诊断的基础。李港丽等[7]在1987年提出了国内梨叶片矿质元素标准值，随后徐季娥[8]、张玉星[9]、姜远茂[10]、李美佳[11]等分别提出了不同地区不同品种的梨叶片营养标准值。应用标准值法对环渤海湾地区[4]、山西省[12]、桂北‘丰水’梨[13]、辽宁省‘南果’梨[14]、新疆‘库尔勒香’梨[15]、上海‘翠冠’[16]等地不同品种梨园进行叶片营养诊断，找出关键限制因子，科学指导了当地梨园的合理施肥。

主成分分析(principal component analysis，PCA)[17]已广泛应用在梨果实品质评价[18-20]、品种制汁性能评价[21]、果肉质地性状[22]、可溶性糖组分[23]、果皮花色素苷组分[24]、资源多样性[25-27]研究等方面，也应用于土壤肥力评价中[28-29]，但应用主成分分析对梨叶片营养进行综合评价的报道较少。

本研究连续2年对湖北省利川市9个代表性的‘长十郎’梨园叶片的10种营养元素进行测定，通过叶片营养诊断和主成分分析的方法对利川市‘长十郎’梨叶片营养状况进行诊断和评价，以期摸清利川市‘长十郎’梨叶片营养状况，为合理施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验地概况 湖北省利川市地处鄂西山区丘陵地带，平均海拔1100 m，年降雨量1300 mm，月平均气温12.8℃。梨园土壤pH 4.00～6.50，平均pH 5.14，有机质含量1.4%～2.6%[30]。

1.1.2 采样地点 在湖北省利川市梨主产区南坪乡、汪营镇、凉雾乡分别选取有代表性的‘长十郎’梨园（产量37500～60000 kg/hm2）各3个作为试验材料的采集地点，共计9个梨园，分别编号为NP1（利川市南坪乡刘晓梅梨园）、NP2（利川市南坪乡牟方军梨园）、NP3（利川市南坪乡王永红梨园）、WY4（利川市汪营镇王诗权梨园）、WY5（利川市汪营镇张先志梨园）、WY6（利川市汪营镇张春秀梨园）、LW7（利川市凉雾乡吕崇林梨园）、LW8（利川市凉雾乡孙永林梨园）、LW9（利川市凉雾乡冉艳梅梨园）。梨园株行距2 m×3 m，树形为开心形，树龄15～20年。

1.1.3 叶样采集 2017年8月31日和2018年8月24日，于梨果成熟期连续2年在9个梨园进行叶片采样，沿对角线选取梨园中具有代表性的树20株，在树冠外围东南西北4个方位各选取1个正常生长的一年生新梢，采集其中部1片无病虫害的正常叶片混合。样品在尽可能短的时间内带回试验室，按照标准的清洗、杀酶、烘干和粉碎后，用于叶片营养元素的测定分析。

1.2 样品测定方法

测定参考鲍士旦[31]、刘玖芬[32]的方法进行，采用硫酸-双氧水消煮，连续流动分析仪测定N含量、分光光度计比色测定P含量、火焰光度计法测定K含量；采用硝酸-高氯酸消解，ICP-AES测定Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量，干灰化-姜黄素比色法测定B含量。

1.3 数据处理与分析

应用Excel进行数据处理，用SPSS进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 梨树叶片营养状况

从表1可以看出，梨叶片N、P、K、Ca、Mg含量范围分别为 8.78～22.88、0.75～1.41、8.53～17.84、18.31～23.26、1.5～2.45 g/kg，梨园叶片Ca、K含量基本适宜，梨园叶片缺Mg最严重，大部分梨园叶片P含量缺乏，2017年梨园叶片整体N含量偏低。叶片Ca含量变幅最小，为7.37%，为弱变异；叶片N、P、K、Mg含量变异系数介于10%～40%之间，为中等变异，其中叶片N含量变幅较大。

表1 利川市‘长十郎’梨树的叶片营养状况

叶片Fe、Mn、Cu、Zn、B含量范围分别为 68.72～126.32、292.76～1072.60、8.73～12.04、31.4～72.0、9.98～23.60 mg/kg，叶片Cu、Zn含量基本适宜，大部分梨园叶片B含量缺乏，部分梨园叶片Fe含量偏低。叶片Fe、Mn、Zn、B含量变异系数在10%～40%之间，为中等变异。叶片Mn含量平均值为608.45 mg/kg，远高于梨园叶片Mn适宜值30～60 mg/kg，且变异系数达到36.18%，说明利川市‘长十郎’梨叶片Mn含量丰富且变异较大。叶片Cu含量变异系数为9.87%，为弱变异，表明叶片Cu含量较稳定。

2.2 梨树叶片营养的主成分分析

为避免计算结果受变量量纲和数量级不同的影响，保证其客观性和科学性，利用SPSS的零-均值化方法进行数据标准化，得出各指标的相关系数（表2）。叶片营养的多个指标之间表现出显著或极显著相关性，说明这些叶片营养评价指标存在大量的重叠信息，表明采用主成分分析进行叶片营养综合评价的可行性和必要性。

表2 梨树叶片营养评价指标间的相关性

根据主成分特征值大于1且累积贡献率＞80%的原则，共提取4个主成分（表3），第1、2、3、4主成分特征值分别为3.706、1.869、1.589和1.087，4个主成分可反映原始数据的82.512%的信息量。从表4中特征向量可以看出，第1主成分主要是N、Mn、B的信息，决定第2主成分是Ca、P、Fe、Zn，第3主成分主要包括K、Mg、B，第4主成分主要是Zn、Cu的信息。其中，B在第1、第3主成分，Zn在第2、第4主成分同时具有主要地位，表明B、Zn在‘长十郎’梨树叶片营养评价中可能具有重要作用。

表3 10个主成分的特征向量、特征值、贡献率及累积贡献率

第1主成分主要是N、Mn、B的信息，第2主成分是Ca、P、Fe、Zn，第3主成分主要包括K、Mg、B，第4主成分主要是Zn、Cu的信息。

2.3 基于主成分的梨树叶片营养综合评价

依据主成分的计算公式，可以得出4个主成分与10个营养元素指标的线性方程，如式(1)～(4)。根据各主成分的得分和其对应权重，可建立基于主成分的梨树叶片营养综合评价模型，如式(5)～(6)。

Z1=0.443N+0.249P+0.210K-0.305Ca-0.221Mg+0.335Fe+0.426Mn+0.311Cu-0.108Zn-0.392B ……(1)

Z2=0.029N-0.468P+0.069K+0.462Ca+0.126Mg+0.459Fe+0.166Mn+0.322Cu+0.449Zn+0.046B…… (2)

Z3=0.119N-0.030P+0.672K-0.106Ca-0.412Mg-0.181Fe-0.297Mn+0.178Cu+0.208Zn+0.395B……(3)

Z4=0.374N+0.226P+0.078K+0.081Ca+0.128Mg-0.200Fe+0.164Mn-0.549Cu+0.630Zn-0.126B ……(4)

Z=0.449Z1+0.227Z2+0.193Z3+0.132Z4………… (5)

Z=0.278N+0.030P+0.250K-0.042Ca-0.133Mg+0.193Fe+0.193Mn+0.174Cu+0.177Zn-0.106B……(6)

按公式计算综合得分并进行排序（表4）可以看出，梨园WY4、NP1 2年的综合得分均相对靠前，而梨园NP3 2年的综合得分均排名最后，说明梨园WY4、NP1梨树叶片营养水平较高，梨园NP3叶片营养水平较低；2018年梨园叶片营养整体水平高于2017年。

表4 各主成分得分及综合评价得分

3 结论与讨论

（1）采用标准值法对湖北省利川市‘长十郎’梨园叶片进行营养诊断，结果表明，‘长十郎’梨树叶片的Ca、K、Cu、Zn含量基本适宜，Mg、B、P含量偏低，Mn含量高；部分梨园叶片Fe含量缺乏，2017年梨园叶片整体N含量偏低。梨树在土壤pH 5.4～8.5的条件下均可生长，最适土壤pH 6.0～7.5[33]，小于pH 6.0时，许多必需的大量元素(N、P、K、Ca、Mg)被果树根系吸收利用率低[14]。利川市梨园土壤平均pH 5.14[30]，大部分梨园呈强酸性，强降雨、酸雨、偏施化肥及有机肥投入不足等造成了利川市土壤持续酸化[34]。有研究显示土壤酸化加剧了土壤营养元素的淋溶和固定[35]，如镁淋溶是导致南方土壤缺镁的关键因素之一[36]，酸化土壤对磷酸根、硼酸根的吸附能力增加[37]，土壤中存在的大量游离Fe3+与PO43-反应生成稳定的FePO4而被土壤固定[35]，造成土壤P、B、Fe的有效性降低；土壤酸化促进土壤中H、Al和Mn元素浓度增加，活动性增强[37]，Mn元素容易被土壤吸附[34]，因此梨树叶片中Mn含量十分丰富。土壤酸化是造成利川市梨园叶片营养失衡的主要原因，利川市长期存在“重化肥轻有机肥、重大量元素轻微量元素”[38]，这也可能是导致梨园叶片Mg、Fe、B中微量元素缺乏的原因之一。

为改善梨果实品质，利川市‘长十郎’梨在生产中应通过施用酸性土壤调理剂如生石灰、硼泥类等碱性肥料提高土壤pH，增施有机肥提高土壤有机质含量，并重视补充Mg、B、Fe等中微量元素，实现‘长十郎’梨的提质增效。

（2）本研究根据主成分特征值大于1且累积贡献率＞80%的原则，提取4个主成分，反映原始数据的82.512%的信息量，决定第1主成分是N、Mn、B，第2主成分是Ca、P、Fe、Zn，第3主成分是K、Mg、B，第4主成分是Zn、Cu的信息。其中，B在第1、第3主成分，Zn在第2、第4主成分同时具有主要地位，说明B、Zn 2个指标在‘长十郎’梨树叶片营养评价中可能具有重要作用。建立了基于主成分的叶片营养综合评价模型Z=0.278N+0.030P+0.250K-0.042Ca-0.133Mg+0.193Fe+0.193Mn+0.174Cu+0.177Zn-0.106B。从评价结果看，梨园WY4、NP1叶片营养水平较高，而梨园NP3叶片营养水平最低；2018年梨园叶片营养整体水平高于2017年，2年间存在一定差异。通过主成分分析对同一品种不同年份、不同梨园进行叶片营养综合评价简单快捷，能够客观反映梨园叶片营养水平，可较好地应用于梨树叶片营养的综合评价。

常规叶片营养诊断方法可以分析出梨树叶片营养的限制因子，给出具体的施肥指导；主成分分析方法可从复杂的叶片营养关系中提炼出综合规律，可较宏观地比较不同年份、不同梨园叶片营养水平的差异。将营养诊断和主成分分析两者结合进行叶片营养诊断和评价，可以为湖北省利川市‘长十郎’梨园合理施肥提供更为科学的依据。