基于主成分和聚类分析法评价不同有机滴灌肥处理对酿酒葡萄和葡萄酒品质的影响

王振龙，张筠筠，孙 权，王 锐

（宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

目前，我国酿酒葡萄的种植面积以及酿酒葡萄的总体产量表现出增长的趋势［1］，宁夏自治区有着适宜葡萄酒酿造业发展的优越自然资源，因此该地区发展葡萄酒产业的潜力很大。到目前为止，宁夏葡萄产业的发展已初具规模。

水溶性有机肥采用纯天然精细食品级原料，是一种精细化粉末状的全溶性高含量有机肥料，通常是用有机废弃物经过一定的处理后制成的一类肥料，对原料品质和处理工艺都有严格的要求［2-3］。在大力推广滴灌技术的大环境下，将肥料溶于灌溉水中，随灌溉水施入葡萄园土壤，从而消除土壤板结，提高肥料利用率，减少化肥的施用量，提高酿酒葡萄品质，而且可降低生产成本，防止环境污染［4］。酿酒葡萄生育关键时期追施肥料也是提高葡萄品质的栽培措施，根据酿酒葡萄需肥特征进行有机滴灌施肥，达到精准施肥的目的。

葡萄酒是用新鲜的葡萄或者葡萄汁经过发酵酿成的酒精饮料，通常分为红葡萄酒和白葡萄酒两种。在日常生活中，人们会从葡萄酒的外观、香气、口感等方面来评价酒品质的好坏，而酒的这些特质很大程度上是酿酒葡萄本身的各项理化指标所体现的，如花色苷等物质的含量体现了葡萄酒的外观，糖、酸、单宁等决定了葡萄酒的口感，芳香物质决定了葡萄酒的香气［5］。为了探究酿酒葡萄与葡萄酒的理化指标之间的内在联系，考虑到许多外在因素，葡萄酒的理化指标并不完全等同于酿酒葡萄的理化指标［6］。本研究利用SPSS软件对酿酒葡萄和葡萄酒各项数据进行典型的相关分析，由于各项指标参数较多，采用主成分分析和聚类分析将各项指标分为几个主要成分，将各个处理进行等分排名以及等级分类。本试验选择在宁夏自治区永宁县闽宁镇地区，为典型灰钙土，以酿酒葡萄（赤霞珠）为主要农作物的种植基地，通过有机滴灌肥的施用，研究不同施肥处理下对该产地赤霞珠果实和所酿葡萄酒品质的差异，以期为贺兰山东麓地区进一步发展葡萄与葡萄酒产业提供有力的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与供试肥料

试验地位于宁夏银川永宁县闽宁镇立兰酒庄（N38°12′19″，E106°02′39″），试验区属于温带大陆性半干旱气候，年均日照数在2 800 h以上，昼夜温差10～15℃，年均气温8.8℃，有利于酿酒葡萄糖分积累；年均降水量220 mm，适合生育期在150 d以下的酿酒葡萄品种。该试验以灰钙土为主，基本化学性质见表1。

表1 土壤基本化学性质

本试验供试肥料：羊粪生物有机肥（N+P2O5+K2O≥5%）、沼液复合微生物肥（N+P2O5+K2O≥6%）、海藻生物有机肥（N+P2O5+K2O≥36%）、氨基酸水溶肥（N+P2O5+K2O≥20%）。

1.2 试验设计

本试验于2018年4～10月进行，采用单因素随机区组设计，在生育期初期所有处理全部基施4.5 t/hm2羊粪腐熟发酵的生物有机肥（含氮量2.5%），等氮条件下通过滴灌的方式追施不同种类有机滴灌肥，共设置5个不同处理，CK：（不追施）；T1：追施羊粪生物有机肥发酵提取液4.5 t/hm2（含氮量2.5%）；T2：追施氨基酸水溶肥（含氮量13%）0.84 t/hm2；T3：追施海藻生物有机肥（含氮量12.5%）0.9 t/hm2；T4：追施沼液复合微生物肥（含氮量4%）2.8 t/hm2，根据生育期需肥特征分6次追施，各处理重复3次。肥料施用量除CK外，T1～T4处理是在等氮的条件下，根据基施羊粪生物有机肥的氮含量乘以施用量，得到追施有机滴灌肥的总氮含量，再根据不同种类有机滴灌肥氮含量折算出具体追肥施用量。

1.3 测定方法

1.3.1 酿酒葡萄品质的测定

在酿酒葡萄收获后，随机采集各处理具有代表性果穗30串，每穗随机取1粒共选取30粒葡萄用搅拌机打成匀浆测定品质。部分指标如单宁、花色苷、总酚则需要用液氮保存24 h后测定。采用手持糖量计测定果实可溶性固形物（SS）含量；NaOH滴定法测定果实可滴定酸（TA）含量（以酒石酸计）；斐林试剂滴定法测定还原糖（RS）含量（以葡萄糖计）［7］；福林-丹尼斯法测定单宁（TN）含量（以单宁酸计）［8］，单宁酸标准曲线为：y=0.001 5x-0.015 8；福林-肖卡法测定总酚（TP）含量（以没食子酸计）［9］；总酚酸标准曲线为：y=0.010 7x-0.000 8；pH示差法测定花色苷（AY）含量［10］；SAR代表糖酸比。

1.3.2 酿造葡萄酒品质的测定

在葡萄成熟时随机选取5 kg酿酒葡萄果实，剪掉梗并挤压破皮后倒入2.5 L发酵罐中，并且添加20 mg/L果胶酶，50 mg/L偏重亚硫酸钾。在25～30℃进行发酵，3周后发酵完成，将葡萄酒与葡萄皮渣分离，过滤澄清后装瓶。葡萄酒pH值用pH计测定；比重法测定乙醇度（AH）；密度瓶法测定葡萄酒干浸出物（DE）；分光光度计法测定色度（CI）；用斐林试剂热滴定法测定残糖（RES）含量；氢氧化钠标准溶液滴定法测定总酸（TAC）含量；用福林酚法测定总酚含量；用福林-丹尼斯法测定单宁含量；用pH示差法测定花色苷含量（以矢车菊色素-3-葡萄糖苷计）［11-12］。

1.4 统计分析

试验数据以Excel 2010软件整理，采用SPSS 21.0软件进行统计分析，用LSD法进行显著性检验，显著性水平P＜0.05（n=5），结合权重，隶属函数法进行相关值的评价。

2 结果与分析

2.1 不同处理对酿酒葡萄及葡萄酒品质的影响

2.1.1 不同处理对酿酒葡萄糖、酸含量的影响

由表2可知，施用不同有机滴灌肥可提高酿酒葡萄可溶性固形物的含量，并与CK处理存在显著性差异，其中，T4处理下的固形物含量达到了最高（25.60%），比CK提高了10.11%（P＜0.05），其次是T1，可溶性固形物含量是对酿酒葡萄总糖含量的反映，而糖分含量决定酿造葡萄酒的乙醇度；有机滴灌肥也可提高酿酒葡萄还原糖的含量，除T1外，其它处理与CK均表现出显著性差异，且T4处理下的还原糖含量最高，达到了20.10%，较CK增加了12.48%（P＜0.05）；与CK相比，施用有机滴灌肥处理可有效降低可滴定酸的含量，但各处理间无显著性差异；适当的糖酸比可提高酿造葡萄酒的风味，并且提高酿酒葡萄品质，总体来看，有机滴灌肥处理下的葡萄糖酸比均有明显提高，相较CK处理均存在显著差异，其中，T2处理下的葡萄糖酸比达到了最高（48.15），具体表现为T2＞T4＞T3＞T1＞CK。

表2 不同处理对酿酒葡萄糖、酸含量的影响

2.1.2 不同处理对酿酒葡萄单宁、花色苷、总酚的影响

由表3可看出，不同有机滴灌肥的施用可有效降低酿酒葡萄单宁含量，且都在合理范围以内，从而降低了葡萄酒的涩味，提升口感，相对于CK处理都存在显著性差异，其中T4处理下的单宁含量较CK处理降低幅度最大，达到了15.77 mg/g，降低了34.24%（P＜0.05），其次是T2；有机滴灌肥的追施对酿酒葡萄花色苷的提高有着积极的作用，与不追施处理（CK）相比，T3、T4在同一显著水平上，相比CK分别提高了26.11%、18.47%（P＜0.05），T1、T2在同一显著水平上，相比CK分别提高了10.83%、9.55%（P＜0.05）；有机滴灌肥的追施也可提高酿酒葡萄总酚的含量，与不追施处理（CK）相比，各处理都有不同程度的提高，其中，T4处理下的总酚含量达到了最高（13.70 mg/g），且存在显著性差异，其它处理与CK相比不存在显著性差异。

表3 不同处理对酿酒葡萄单宁、花色苷、总酚含量的影响 （mg/g）

2.1.3 不同处理对酿造葡萄酒基本理化性质的影响

由表4可知，追施有机滴灌肥处理对酿造葡萄酒pH值与不追施（CK）相比无显著性差异；除T3处理下的酒精度相比CK略有偏高，其余处理低于CK，但总体变化不大，差值基本保持在0.03～0.33个百分点之间；T2和T3处理下的残糖含量相比CK存在显著性差异，且两个处理在同一显著水平上，其中，T3处理的残糖含量达到了最高（3.04 g/L），相比CK提高了17.37%（P＜0.05），其次是T2，其它处理较CK无显著差异；追施有机滴灌肥处理可提高葡萄酒干浸出物的含量，且各处理相比CK都存在显著性差异，其中T4处理下的干浸出物含量达到了最高（25.44 g/L），其次是T2；除T1外，其它追施有机滴灌肥处理的总酸含量相比CK都有所下降，且都存在显著性差异，T2和T4处理下的总酸含量降低幅度最大，达到了最低（6.52 g/L），比CK降低了2.98%（P＜0.05）。

表4 不同处理对酿造葡萄酒基本理化性质的影响

2.1.4 不同处理对酿造葡萄酒单宁、花色苷、总酚含量的影响

由表5可知，追施有机滴灌肥可降低酿造葡萄酒单宁含量，从而降低葡萄酒的涩味，除T2处理外，其它处理与CK存在显著性差异，其中，T3处理最为显著，达到最低（16.39 g/L），比CK降低了21.38%（P＜0.05）；追施有机滴灌肥还可提高葡萄酒花色苷的含量，且各处理较CK都存在显著性差异，各追施处理之间没有显著性差异，具体表现为T4＞T2＞T1＞T3＞CK；追施有机滴灌肥处理还可提升葡萄酒总酚含量，各处理与CK存在显著性差异，T1、T2、T3在同一显著水平上，T4处理下的葡萄酒总酚含量达到最高（3.70 g/L）；葡萄酒的色度体现了葡萄酒外观质量，总体与花色苷含量成正比关系。

表5 不同处理对酿造葡萄酒单宁、花色苷、总酚含量的影响

2.2 酿酒葡萄品质与葡萄酒品质的相关关系

由表6可见，酿酒葡萄还原糖含量与葡萄酒pH值和干浸出物存在极显著的正相关关系，相关系数分别为0.995和0.947，与总酚含量呈显著正相关关系，相关系数为0.886，与葡萄酒总酸含量呈显著负相关关系，相关系数为-0.893；酿酒葡萄可滴定酸含量与葡萄单宁含量呈显著正相关关系，相关系数为0.910，与酿酒葡萄糖酸比、葡萄酒花色苷含量呈极显著负相关关系，相关系数分别为-0.963和-0.929；酿酒葡萄糖酸比与葡萄的单宁含量呈极显著负相关关系，系数为-0.969，与葡萄酒的干浸出物和花色苷含量呈显著正相关关系；酿酒葡萄单宁含量与葡萄酒的干浸出物和花色苷含量呈显著负相关关系；酿酒葡萄花色苷含量与葡萄酒色度呈显著正相关关系；除葡萄酒的干浸出物含量与pH值呈极显著的正相关关系，相关系数为0.928，与其余指标均未达到显著水平；葡萄酒酒精度、残糖含量与各指标存在正或负相关关系，但未达到显著水平；葡萄酒干浸出物含量与总酸含量呈显著负相关关系，与葡萄酒色度呈正相关关系；葡萄酒单宁含量与总酚含量呈极显著负相关关系，相关系数为-0.919。

2.3 有机滴灌肥对酿酒葡萄与葡萄酒品质的综合质量评价

2.3.1 影响葡萄与葡萄酒品质指标的主成分分析

影响葡萄与葡萄酒品质的因素很多，且诸因素间存在一定的交互关系，致使反映各品质状况的许多指标信息发生交织和重叠。主成分分析是将多个指标重新组合成一组新的互相无关的几个综合指标，以达到尽可能多地反映指标信息的分析方法［13］，应用主成分分析法可在多个品质指标体系中筛选出若干个彼此不相关的综合性指标，且能够反映出原来全部指标所提供大部分信息。本试验选取了葡萄与葡萄酒品质指标共16项数据进行主成分分析，组成5×16的原始矩阵，分析之后最终产生3个主成分，由表7可知，所产生的特征值分别为10.172、2.654、1.826，通过考虑贡献量化所产生的贡献率，第1主成分对总方差的贡献率为63.58%，第2主成分对总方差的贡献率为16.59%，第3主成分对总方差的贡献率为11.42%。3个主成分的方差累积贡献率能够反映葡萄与葡萄酒各品质指标方差91.58%的信息，说明3个主成分可以衡量这16个指标的所有信息。

通过表7可看出，由特征值产生的特征向量说明了主成分与原始变量之间的关系，关系与特征向量的绝对值成正比，在第1主成分上，还原糖、可滴定酸、糖酸比、单宁、花色苷、总酚、pH值、干浸出物、总酸（酒）、花色苷（酒）、总酚（酒）、色度（酒）等指标有较大的向量值，这些指标既是酿酒葡萄最基本的品质指标，也是葡萄酒质量最直观的体现；在第2主成分上，葡萄可溶性固形物与葡萄酒酒精度和残糖含量有较大的向量值，它们之间关系密切；在第3主成分上，葡萄酒单宁含量有较大的负向量值。

）酒1（IC）2酒（P 1 55.0 T）77酒（YA 1 66.0 76.0）酒（NT 1 626.0-**919.0-775.0-）酒（CAT 1 600.0 765.0-652.0-346.0-）酒（ED 1*288.0-144.0-728.0 375.0*288.0数系关相）酒（SER 1 865.0 944.0-780.0-623.0 70.0-87.0性）线的间酒（HA 1 134.0 111.0 602.0-890.0 714.0-380.0-163.0之质品酒与Hp 1 124.0 605.0**829.0 278.0-993.0-495.0 975.0 68.0质品萄葡PT 1 348.0 800.0-930.0 338.0 818.0-14.0-396.0 307.0 755.0酒酿6表YA 1 206.0 518.0 562.0 975.0 428.0 205.0-597.0-517.0 77.0*059.0 NT1 586.0-858.0-197.0-202.0 673.0-*649.0-48.0 214.0*129.0-275.0-717.0-。）10.0 RAS 1**969.0-836.0 327.0 537.0 681.0-245.0*829.0 838.0-682.0-*198.0 93.0 437.0＜P（著显AT1**369.0-*019.0 485.0-275.0-655.0-673.0 25.0-428.0-566.0 433.0**929.0-953.0-66.0-极异差表代*SR1 506.0-677.0 48.0-108.0*688.0**599.0 533.0 64.0**749.0*398.0-704.0-846.0 406.0 938.0*，）50.0＜P SS 1 625.0 634.0-174.0 466.0-744.0 128.0 954.0 614.0-263.0-225.0 373.0-926.0-496.0 848.0 352.0（著显异））））））））差标指SS SR AT RAS NT YA PT Hp酒（HA酒（SER酒（ED酒（CAT酒（NT酒（YA酒（PT酒（IC表代*：注

表7 影响葡萄与葡萄酒品质各指标的主成分分析

2.3.2 基于主成分和聚类分析评价不同生物有机滴灌肥对酿酒葡萄和葡萄酒质量评价

鉴于本试验中16个品质指标具有不同的量纲，同时它们的数量级差别也很大，因此需要对原始数据进行标准化处理，以排除不同量纲和数量级对评价结果的影响，确保主成分分析结果的客观性和科学性。标准化后的指标计作ZX1、ZX2、ZX3、ZX4、ZX5、ZX6、ZX7、ZX8、ZX9、ZX10、ZX11、ZX12、ZX13、ZX14、ZX15、ZX16。

主成分是16个标准化指标的线性组合，权重系数分别为各指标相对应的特征向量（表7），因此，可得各主成分的函数表达式：

F2、F3同样可以由表7的标准化标量表示。

由表8可得，通过隶属函数u（XJ-Xmin）/（Xmax-Xmin），（j=1，2.....n）求得 u1，u2，u3，进一步通过权重以及综合评价价值D值：计算可得T3处理的得分最高，为2.285，其次为T4，得分为1.955，顺序依次是 T3＞T4＞T2＞T1＞CK，说明常规施肥 + 海藻肥处理的葡萄与葡萄酒品质最好。通过图1以欧式距离作为衡量不同处理品质差异大小的标准，采用最短距离法对各施肥处理进行系统聚类，可以把品质质量分为3等，CK处理单独聚为一类，品质质量为三等，T1和T2聚为一类，品质质量为二等，T3和T4聚为一类，品质质量为一等，最好。

表8 有机滴灌肥对酿酒葡萄及葡萄酒品质指标综合评价

图1 各处理葡萄及葡萄酒品质聚类分析

3 讨论

酿酒葡萄的品质决定葡萄酒的品质，酿酒葡萄进入成熟期，浆果内的糖、酸等物质都会有一定的积累，糖类物质不仅改善酿酒葡萄风味，同时，对酿酒葡萄其他品质起到特别重要的作用［14-15］。施肥是改善作物品质及提高作物产量的重要措施，不同的肥料及施用模式对作物生长的效果及作用机制不同［16-17］。本文测定了酿酒葡萄与葡萄酒的各类糖、酸和酚类含量的差异，结果表明，追施有机滴灌肥的效果要好于常规处理，其中，在常规施肥的基础上追施海藻肥效果最为明显，这与郭洁等［18］的研究结果基本一致。糖、酸、单宁、色素、芳香物质是决定酿酒葡萄品质高低的重要因素，可溶性固形物是对酿酒葡萄总糖的反映［19］，适宜的糖酸比是判断葡萄果实成熟的重要指标，本试验通过追施有机滴灌肥可提高固形物的含量，从而提高葡萄糖酸比，这与许晓瑞等［20］的研究结果一致。葡萄酒的质量与其基本的理化性质息息相关，通过测定葡萄酒基本的理化性质，葡萄酒各项指标均达到了国家标准（GB/T 15037-2006）［21-22］。本试验结果表明，追施生物有机肥对葡萄酒pH值和酒精度影响不大，但对色度、干浸出物的增加起到促进作用；葡萄酒中的酚类化合物是必不可少的感官品质，该物质的存在对葡萄酒的质量以及葡萄酒富含的营养价值起着重要作用，同时，花色苷作为葡萄酒中的色素，对葡萄酒颜色的深浅产生一定的影响，此外，单宁作为葡萄酒中的灵魂物质，对葡萄酒的口感意义重大［23-25］。结果表明，追施有机滴灌肥处理下的葡萄酒花色苷和总酚含量相对于CK有明显提升，使葡萄酒的口感柔和并且芳香浓郁，其中在常规处理的基础上追施沼液肥处理效果最为明显；单宁的存在会使葡萄酒的口感略显苦涩，本试验结果表明，追施生物有机肥处理可降低葡萄酒中单宁含量，从而提升葡萄酒的口感，其中在常规施肥的基础上追施海藻肥处理效果最为明显。本研究通过简单相关分析发现，代表酿酒葡萄与葡萄酒的各种糖酸含量、理化指标和酚类物质含量之间存在极显著或显著的相关关系。

酿酒葡萄生理指标和葡萄酒理化指标是品质的最直观体现，国内外已在葡萄与葡萄酒品质评价体系和评价方法方面展开了大量的研究工作，但尚未有统一的评价标准，也没有固定的方法。近年来，随着统计学在相关领域的应用，主成分分析和聚类分析法在酿酒葡萄与葡萄酒品质评价中得到大量的应用［26-30］，此方法能够减少计算量，降低主观随意性，增强品质评价的可靠性。本研究利用主成分分析方法，将原始表征酿酒葡萄与葡萄酒品质的16个指标降维，提取3个主成分，累积贡献率达91.58%，还原糖、可滴定酸、糖酸比、单宁、花色苷、总酚、pH值、干浸出物、总酸（酒）、花色苷（酒）、总酚（酒）、色度（酒）在第1主成分上有较高的载荷值，葡萄可溶性固形物与葡萄酒酒精度和残糖含量在第2主成分上有较高的载荷值，葡萄酒单宁含量在第3个主成分上有较高的载荷值，3个主成分涵盖了16个品质指标，原变量信息无丢失，说明利用主成分分析衡量不同施肥处理的葡萄与葡萄酒质量是可靠的。

4 结论

追施不同有机滴灌肥在等氮量条件下，通过对16个酿酒葡萄与葡萄酒品质指标进行主成分得分评价和聚类比较的方法，综合评价表明，在常规处理基础上追施海藻肥对提高葡萄与葡萄酒品质的效果最为显著；聚类分析结果表明，追施有机滴灌肥相对于不追施处理可明显提高葡萄与葡萄酒质量，追施不同种类有机滴灌肥处理的葡萄与葡萄酒质量要高于追施单一有机滴灌肥处理。