梅乐葡萄果实3种酚类物质CND法营养诊断指标的建立

王小龙, 张正文, 邵学东, 钟晓敏, 王福成, 史祥宾, 王志强, 王海波

(1.中国农业科学院果树研究所/农业农村部园艺作物种质资源利用重点实验室/辽宁省落叶果树矿质营养与肥料高效利用重点实验室,辽宁兴城125100; 2.君顶酒庄有限公司,山东蓬莱 265600; 3.烟台市蓬莱区葡萄与葡萄酒产业发展服务中心,山东烟台 265600)

由梅乐葡萄酿制的葡萄酒颜色深、乙醇度高、酒体饱满,具有红色水果的香气,深受消费者喜爱。长期以来,蓬莱产区梅乐葡萄种植户的田间管理主要凭借经验施肥,缺乏理论依据,致使生产中葡萄酒的平衡感、浓郁度、复杂度和余味等品质降低问题尤为突出。葡萄酒品质与酿酒葡萄果实的糖酸比、酚类物质含量、香气物质浓度等因素紧密相关[1],其中酚类物质是葡萄酒最重要的风味物质之一,包括总酚、黄酮类、花色苷、单宁、黄烷醇等。研究表明,总酚、总类黄酮、黄烷醇含量与葡萄酒抗氧化活性显著相关,是葡萄酒抗氧化活性变化的物质基础[2]。

科学施肥是生产优质酿酒葡萄的重要技术环节,而植株营养诊断是科学施肥的理论基础和先进技术,常用的植株营养诊断方法包括适宜偏差百分数法(DOP)、充足范围法(SRA)、诊断施肥综合法(DRIS)、组分营养诊断法(CND)等[3]。CND叶营养诊断分析法由Parent等于1992年提出[4],其多元分析诊断的准确性更高,可达87.5%。目前,CND叶营养诊断在我国主要运用于龙眼[5]、鲜食葡萄[6]、荔枝[7]、柑橘[8]、苹果[9],在酿酒葡萄中鲜有报道。CND作为多元营养分析法,计算量小,且能够反映元素间的协同与拮抗作用;CND法对高产/高优群组的划分标准是基于果园调查,并通过数学统计的方法得到的,能降低人为因素的干扰,增强其结果的科学性[10]。因此,本研究选择CND法对蓬莱产区梅乐多种酚类物质进行营养诊断分析。

叶片营养诊断的结果能否科学有效判断树体营养需求,关键取决于样品的取样部位、取样时间及营养诊断方法的选择。其中,取样部位和时间的确定要与营养诊断的目标一致。因此,本研究首先测定梅乐葡萄3个关键生育期(盛花期、转色期、成熟期)、3个组织部位(叶片、叶柄、花序/果实)的11种矿质元素(N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo)含量;其次,计算梅乐葡萄成熟期果实的果皮/种子总酚、总类黄酮、黄烷醇的综合品质指数;最后,通过不同生育期、不同组织部位各矿质元素含量与综合品质指数相关性比对,确定样品的取样部位和取样时间,即营养诊断因子。CND法对梅乐葡萄园的叶片、叶柄、花序/果实营养状况进行诊断分析,以期为蓬莱产区的梅乐葡萄园的科学施肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2018—2020年,在山东省烟台市蓬莱区连续3年调查16个固定配方施肥条件下的酿酒葡萄梅乐果园,砧木为SO4,树龄10～13年,株距为2 m、行距为2 m,共48个。上述16个固定配方施肥是基于梅乐葡萄7 500 kg/hm2的目标产量,设定非完全正交试验(5416)各肥料原料的基础用量分别为: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非完全正交试验是指5个因素(N、P、K、Ca、Mg)、4个水平(单位面积各肥料原料的基础用量的倍数,即0倍、0.5倍、1.0倍、1.5倍),共计16个处理(T)。依据“5416”正交处理(表1),将表中1、2、3、4分别定义为单位面积各肥料原料的基础用量的0倍、0.5倍、1.0倍、1.5倍,具体施肥方法和施肥量参照王小龙等的研究[11]。土壤碱解氮、速效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁含量分别为0.078、1.097、0.139、6.511、0.644 mg/g,pH值为7.4。管理水平较好,树体健康,树势中庸,产量较稳定。

表1 “5416”试验处理

1.2 试验方法与项目测定

于盛花期(FBS)、转色期(VS)、成熟期(MS)进行叶片(L_)、花序/果实(F_)取样,去离子水冲洗干净后,105 ℃下杀青20 min,然后在85 ℃下烘干至恒质量,粉碎后过筛,测定叶片、花/果实矿质元素含量。结合H2SO4-H2O2消解法,用流动分析仪测定植株N,用电感耦合等离子发射光谱仪测定植株P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo全量。于2018—2020年成熟期采集果实,每处理随机采集果穗30个,然后从上述果穗的上、中、下各部位随机采集果粒720粒,用于测定果皮/种子总酚、总类黄酮和黄烷醇含量,其测定方法参照苏鹏飞的研究方法[12],以上所有测定指标均进行3次生物学重复。

1.3 高优果园的确定

将采样园品质指数由高到低排序,根据公式(1)～公式(5)计算植株样品的营养含量参数。

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、…为各元素在植株中所占百分含量,R为添加值,n表示研究元素的个数,Vn、Vp、Vk、…VR代表分析参数,以下用Vx表示。

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

(4)

式中:n为所有采样群体个数,n1为每次循环中品质指数最高采样个数,n2为每次循环中剩余采样个数,分子s2Vxn1为n1的参数Vx的方差,分母s2Vxn2为n2的参数Vx的方差。第1次循环n1=2,n2=n-2;以后每次循环n1+1,n2-1,直到最后n2=2,并始终保持n=n1+n2。

(5)

式中:分子表示前n1-1个分析参数fi(Vx)的和,分母表示所有分析参数fi(Vx)的和。

(6)

1.4 低优果园的确定

(7)

(8)

(9)

CND营养不平衡指数以CNDr2值表示,为各个矿质元素营养诊断指数的平方之和,计算公式如下:

(10)

1.5 数据处理

采用Excel2016和SPSS 20.0软件对3年的叶片和果实矿质养分数据进行统计分析。采用DPS 7.5软件完成果皮/种子总酚、总类黄酮和黄烷醇的Topsis评价法分析,将分析结果中的指数CI值定义为果实品质指数(CI),CI值越高表示综合品质越佳,即高优。同时,基于Topsis结果中的果实品质指数(CI),利用SAS软件计算土壤肥力因子对品质指数的影响力排序和理论最佳配比。

2 结果与分析

2.1 不同组织中各矿质元素含量的相关性

各生育期、各组织不同元素间相互关系存在显著差异(表2)。其中,在盛花期,果实N-P显著负相关,叶片N-K极显著负相关,叶柄N-Mn极显著负相关;在转色期,果实和叶片N-P极显著正相关,叶柄N-P极显著负相关;在成熟期,果实和叶片N-P极显著正相关,叶柄N-P显著负相关。说明蓬莱产区梅乐葡萄不同生育期、不同组织各元素间存在协同与拮抗作用。各生育期、各组织不同元素间的显著关系中,除转色期叶柄外,其他生育期各组织不同元素间均以协同作用为主。

表2 梅乐葡萄不同组织中各矿质元素含量之间及品质指数的相关性

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与品质指数相关性最强,且均达到显著或极显著水平,其相关系数分别为-0.293*、0.625**、0.355*、0.445**、0.568**、0.410**、-0.400**、-0.579**、0.505**、0.459**、-0.500**。因此,选择上述各生育期、不同组织所对应的元素作为植株营养诊断因子。

2.2 高优园的划分

表3 各矿质元素分析参数与品质指数之间的函数关系式

2.3 蓬莱产区梅乐葡萄植株矿质元素状况

根据高优果园品质指数的临界值,蓬莱产区果园采样中有22个高优园和26个低优果园,分别得到该产区高、低优果园的植株矿质元素含量状况(表4)。由高优园确定蓬莱产区梅乐葡萄植株矿质元素含量适宜范围为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。同时,高优和低优果园植株矿质元素含量除N、K和Ca外均存在显著性差异(P<0.05)。其中,低优果园的P、Mg、Fe、Cu、B含量分别显著较高优果园低16.14%、16.97%、29.82%、54.50%、13.88%,而低优果园的Mn、Zn、Mo含量分别显著较高优果园高33.17%、32.44%、102.94%。

表4 不同果园梅乐葡萄各组织矿质元素含量

2.4 低优果园植株营养诊断与施肥顺序

蓬莱产区整体低优梅乐果园的各矿质营养元素的诊断指数为: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。结果表明,Fe、P、Cu、B、Mg、Ca、K元素含量表现偏低,其他元素含量充足。根据以上营养诊断结果得到蓬莱产区低优梅乐葡萄园的需肥顺序为Fe>P>Cu>B>Mg>Ca>K>N>Mn>Zn>Mo。根据植株营养诊断计算出高优园的营养不平衡指数CNDr2为11.45,而低优果园的营养CNDr2显著高于高优园(P<0.05),为14.54,因此,依据植株营养诊断得出低优果园营养平衡状况较差。

由正交试验方差分析(表5)可知,各土壤肥力因子对品质指数的影响力大小排序为K>P>N>Mg>Ca;以获得最高的果实品质指数为目标,各土壤矿质元素的最佳理论配比为N2P3K1Ca2Mg3,即所对应的施肥量分别为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 土壤肥力因子对品质指数的影响力与最佳施肥配比

3 讨论与结论

3.1 植株营养诊断因子的确定

叶片营养诊断的结果能够科学有效判断树体营养需求,关键取决于叶片样本的取样时间和取样部位。酿酒葡萄的植株营养诊断是判断树体营养状况的重要方法,对关键组织部位的营养分析可以快速准确判断树体营养水平。只有在确定合适的采样部位/时期和预分析元素的基础上,所获得的植株营养诊断结果才更为可靠[16]。采样时选取植株各个方向组织做多个重复,混合后方可测定[17]。由叶片同化物分配特点可知,果实与距离其最近的健康叶片存在较强的“库-源”关系,这个部位叶片矿质元素含量的变化在一定程度上表征了果实对矿质营养的需求特征[16]。有研究表明,葡萄叶柄内矿质元素含量能够反映树体对各矿质营养的需求状况,可用于果树营养诊断分析[18]。因此,本研究选择盛花期、转色期、成熟期的叶片、叶柄、花序/果实作为营养诊断预分析因子。

果树体内的各个元素都不是单独存在的,都是相辅相成的。元素间的拮抗作用会抑制植株对营养的吸收,反之元素间的协同作用会促进植株的生长[19]。相关性分析结果表明,蓬莱产区梅乐葡萄在不同生育期、不同组织各元素间同时存在协同与拮抗作用。在各生育期、各组织不同元素间的显著关系中,除转色期叶柄外,其他生育期各组织不同元素间均以协同作用为主。此外,盛花期果实N/P、叶柄K/Ca、叶片B;转色期叶柄Mn/Zn/Mo、叶片Fe;成熟期叶柄Mg、叶片Cu与品质指数相关性最强,且均达到显著或极显著水平。因此,选择上述各生育期、不同组织所对应的元素作为植株营养诊断因子。

3.2 植株营养诊断标准的制定

果树在正常生长发育过程中,对各种矿质元素的需求量是有一定比例的,植株体内任何一种元素的缺乏或过多,都会引起矿质元素含量的比例失衡,最终造成果树生长发育受阻和产量品质的严重下降[20]。本研究中,高优果园的品质指数划分临界值为0.386 3,其中共有22个果园满足此条件,占总体样本的45.83%。高优和低优果园植株矿质元素含量除N、K和Ca外均存在显著性差异。其中,低优果园的P、Mg、Fe、Cu、B含量分别显著较高优果园低16.14%、16.97%、29.82%、54.50%和13.88%,而低优果园的Mn、Zn、Mo含量分别显著较高优果园高33.17%、32.44%和102.94%。本研究为开展蓬莱产区梅乐葡萄叶片、叶柄、花序/果实矿质营养诊断提供了良好的试验材料,研究结果将有利于诊断方法理论研究。

根据本研究结果,蓬莱产区梅乐葡萄的植株矿质元素含量适宜值分别为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,可为低优园判断树体营养状况以及指导施肥提供参考。其中Cu适宜范围较大,可能是受栽培管理过程中的铜制剂杀菌剂影响较大。柑橘的CND法营养诊断结果表明,低优果园营养平衡状况较差[8]。与之相似,本研究中高优园的营养不平衡指数CNDr2为11.45,而低优果园的营养不平衡指数CNDr2显著高于高优园,为14.54。

3.3 低优园树体营养状况及施肥建议

本研究中,通过对蓬莱产区梅乐葡萄48个代表性酿酒葡萄园的植株营养诊断发现,其需肥顺序为Fe>P>Cu>B>Mg>Ca>K>N>Mn>Zn>Mo,Fe、P、Cu、B、Mg、Ca、K较缺乏。研究表明,K在促进果实成熟、提高果实品质方面的效果尤为突出[21]。植物中50%的B和70%的Ca集中于细胞壁中,施用B、Ca肥可增大果皮厚度或密度[22]。Mg和Fe在果树的光合作用中起着重要作用,是影响果树光和效率的核心元素[23]。梅乐葡萄缺乏Fe、P、Cu、B、Mg、Ca、K会显著影响果实品质,因此在果实成熟前应针对这一问题及时采取应对措施,以提高梅乐葡萄园的产出效益及果实商品价值。

通过SAS正交分析,已获得最高果实品质指数为目标,其土壤各矿质元素的影响力排序为K>P>N>Mg>Ca,各土壤矿质元素的最佳理论配比为N2P3K1Ca2Mg3,所对应的施肥量分别为N 62.51 kg/hm2(基础用量的0.5倍)、P2O546.88 kg/hm2(基础用量的1倍)、K2O 0 kg/hm2(基础用量的0倍)、CaO 56.25 kg/hm2(基础用量的0.5倍)、MgO 46.88 kg/hm2(基础用量的1倍)。由此说明,土壤中K含量过量,土壤中P、Ca、Mg含量不足。通过植株营养诊断和土壤养分正交分析,元素丰缺情况并不完全一致。这可能与不同年龄自然环境以及肥水管理有关,不同土壤的不同养分比例也会影响作物对其他养分的吸收,这与相关研究结果[9,19]相似。由此可知,本研究中梅乐植株的P、Ca、Mg元素缺乏可能是由肥料施用不足或土壤保肥能力较弱所致;因此,P、Ca、Mg肥应采用少量多次原则,合理控制施肥生育期,同时避开雨量较大的季节。植株的K元素缺乏可能是由土壤中矿质元素比例失衡或肥水配用不合理,影响植株对K元素的吸收所致;因此,日后的果园管理中应注重肥水协调管理。在生产上,微量元素倡议喷雾的形式施于叶面,这种方法简单而有效。

蓬莱产区梅乐葡萄低优果园需肥顺序为Fe>P>Cu>B>Mg>Ca>K>N>Mn>Zn>Mo,表现为Fe、P、Cu、B、Mg、Ca、K偏低。P、Ca、Mg肥施用应采用少量多次的原则;加强果园肥水管理,提高树体对K元素吸收;通过叶面喷施,适当补充缺乏的Fe、Cu、B元素。