山东省不同酿酒葡萄种植园土壤质量现状分析

任艳华，王超萍，房经贵，卢素文，胡文效

（1.南京农业大学园艺学院，江苏 南京 210018；2.山东省葡萄研究院，山东 济南 250100；3.齐鲁工业大学生物工程学院，山东 济南 250353）

山东省位于我国东部沿海，处于黄河下游，东部丘陵众多、中部山地耸立、西部低洼平坦，形成以山地丘陵为骨架、平原盆地相交的地形。土壤类型众多，土壤资源丰实，以棕壤、褐土、潮土、盐碱土、风沙土等为主，为酿酒葡萄种植提供了有利条件。同时适宜的水热系数和光温优势使山东成为全国葡萄酒产业基础最好的省份和主要的酿酒葡萄产区。从最早的张裕酒庄发展至今，山东省酿酒葡萄企业数量、葡萄酒产量等一直居于全国之首。截至2018年，全省16个地市分布两百多家葡萄酒企业，主要集中在胶东半岛地区，鲁南、鲁中、鲁西北地区少量分布［1］。

土壤和气候是决定酿酒葡萄生长发育及其品质的两大主要环境因素［2］。关于气候因素对山东不同种植园葡萄品质的研究较多，但影响该地区酿酒葡萄生长发育的关键土壤因子尚不明确。土壤作为葡萄赖以生存的养分库，是对葡萄生长、果实品质起重要作用的自然生态因素，其地域性赋予了葡萄独特的感官特性，基于此形成了“风土”的概念［3，4］，良好的土壤环境能满足葡萄对水分、养分、空气、热量等的需求，从而使葡萄获得高产［5］。土壤质地类型和营养成分影响着酿酒葡萄的生长和品质的形成［6，7］，对其独特风味物质的产生具有关键作用。有研究表明，葡萄园海拔、朝向、坡度的不同，其土壤理化性质差异较大［8，9］，并且土壤理化性质会随着土壤管理措施的不同而有所差异，进而影响葡萄的生长发育［10］。前人对山东酿酒葡萄种植园土壤状况多有研究，但是由于试验材料、鉴定指标和鉴定方法的局限性而不能对影响酿酒葡萄种植园土壤质量的关键因子有全面深入的认识。本研究以山东省12个酿酒葡萄种植园土壤为研究对象，对酿酒葡萄种植园的土壤酸碱性、有机质、氮磷钾等10个土壤理化指标进行调查分析，并采用土壤质量综合指数法进行综合评价，明确影响土壤质量的关键因子，以期为不同酿酒葡萄种植园土壤管理和改良提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

以山东省12个酿酒葡萄种植园土壤为研究对象（表1），葡萄园采用统一的常规管理模式进行园区土壤管理。土壤样品采集依照“S”形取样法进行，每地块取15个点，除去地面植被和枯枝落叶，铲除表面1 cm左右的表土，每个样点用土钻取表层（0～20 cm）、中层（20～40 cm）、下层（40～60 cm）三个土层土壤。将每个土层土壤充分混匀，以四分法进行样品分装，每个样品重约1 kg，装入无菌袋后带回实验室备用。

表1 不同酿酒葡萄种植园试验点信息

1.2 测定指标及方法

土壤测定指标及理化性质分析：参照《土壤农化分析》，土壤pH值采用电位法测定，按照2.5∶1的水土比制成浸提液；土壤水分含量（SWC）采用烘干法测定；全氮（TN）含量采用凯式定氮仪测定；碱解氮（AN）含量采用碱解扩散法测定；有效磷（AP）含量采用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法测定；速效钾（AK）含量用醋酸铵浸提，火焰光度计法测定；土壤有机质（SOM）含量采用外加热重铬酸钾容重法测定；微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸－K2SO4浸提法－TOC法测定；微生物量磷（MBP）采用氯仿熏蒸－锑抗比色法测定。

1.3 土壤质量综合评价

近年来，常采用土壤质量指数（SQI）评价法对土壤综合质量进行评价［11，12］，首先采用主成分分析方法对选取的指标进行降维，使土壤各个指标实现量纲归一化，所评价指标具有可比性。

评价土壤质量的各项指标变化呈现一定的连续性且存在特性差异，不同指标的隶属度函数类型有所不同。在一定的评价范围内，土壤有机质、全氮、速效氮磷钾和微生物量碳氮磷含量与对应的土壤功能呈正相关，在计算上述指标的隶属函数值时采用上升型函数进行计算，公式：

土壤含水量和pH值对土壤功能有一个最适宜的范围值，超出最适值时，评价指标与土壤功能的对应函数呈抛物线形，计算这些指标的隶属函数值时采用下降型函数进行，公式［13，14］：

其中Xi为各评价指标实测值；Ximax和Ximin分别为评价指标测定数据中的最大值和最小值。

以权重系数来表征评价指标对土壤质量的重要程度，这是由于土壤各指标对土壤质量的影响存在差异性。根据主成分分析分别计算土壤质量评价指标的主成分负荷量（Ci）、方差贡献率和积累方差贡献率，进而计算各土壤质量指标在土壤质量评价中的权重（Wi）；最后，计算出土壤质量综合指数（SQI）值。SQI的值为0～1，SQI数值越大，土壤综合质量越好。公式为：

1.4 数据整理与分析

利用Microsoft Excel 365、SPSS 18.0和Origin Pro 8.0等软件对数据进行统计分析和绘制图像。

2 结果与分析

2.1 不同酿酒葡萄种植园土壤养分的分布特征

山东省不同酿酒葡萄种植园的土壤养分含量因地理位置和土层深度的不同有较大差异，且同一区域随着土层深度的增加，有机质和主要养分含量呈下降趋势（图1）。在土壤有机质方面，大部分样本属于4级（2、3、4级分别占16.70%、25.00%和58.33%）；在全氮含量方面，大部分样本属于4、5级（8.33%、33.33%、33.33%和25.00%的样本分属于3、4、5、6级）；在碱解氮方面，大部分样本属于3、4级（8.33%、25.00%、50.00%和16.67%的样本分属于2、3、4、5级）；在有效磷含量方面，50.00%的样本处于中等水平（16.67%、50.00%、16.67%和16.67%的样本分属2、3、4、5级）；在速效钾含量方面，大部分样本属于3、4级（25.00%、33.33%、33.33%和8.33%的样本分属于2、3、4、5级）。山东省大部分酿酒葡萄种植园的土壤质量指标处于中等水平，可以为葡萄生长提供正常生长发育所需的土壤环境条件。不同酿酒葡萄种植园土壤各项指标的差异赋予了葡萄及其副产品不同的感官特性。

图1 土壤有机质和主要养分的分布差异以及等级

2.2 不同酿酒葡萄种植园的土壤环境质量现状

2.2.1 不同酿酒葡萄种植园土壤理化性质差异

参照第二次全国土壤普查养分分级标准分级，山东省酿酒葡萄种植园土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量为3级，分别是22.60 g／kg、680.99、13.07 mg／kg和114.10 mg／kg，碱解氮含量平均值为82.96 mg／kg，属于4级，总体养分含量处于中等水平，有利于酿酒葡萄的种植。

山东省不同酿酒葡萄种植园土壤以弱碱性、中性和弱酸性为主，适宜酿酒葡萄的种植。表2可知，DZ土壤pH值最高，为强碱性土壤；LX、RS、WF和ZZ土壤呈弱碱性，pH值分别为7.65、7.84、7.67和7.70；PL2、PL3、TA和YT为中性土壤，pH值分别为7.43、7.43、7.35和6.75；HY、PL1和RZ为弱酸性土壤，pH值分别为6.42、6.27和6.24。

表2 不同酿酒葡萄种植园土壤理化指标变化差异

土壤有机质和主要养分含量差异较大，多个种植园的差异达到显著水平。YT有机质含量为38.79 g／kg，显著高于其他种植园，LX有机质含量最低，为10.80 g／kg。LX土壤全氮含量最高，达1 163.14 mg／kg，约为PL1的6.13倍。不同酿酒葡萄种植园的土壤碱解氮含量占全氮含量的比例在4.50%～24.86%，PL2的碱解氮含量最高，为116.98 mg／kg，占全氮含量的21.12%；其次是WF，碱解氮含量为108.27 mg／kg，占全氮含量的11.74%；PL1和RS的碱解氮含量较低，分别为40.91 mg／kg和55.84 mg／kg，分别占全氮含量的21.57%和9.91%。ZZ和YT的土壤有效磷含量比较丰富，分别为22.06 mg／kg和22.57 mg／kg，PL3、RS有效磷含量较为缺乏，分别为8.89、8.16 mg／kg，PL1和TA的有效磷含量极低，仅为有3.70 mg／kg和3.78 mg／kg。WF、PL2和DZ的速效钾含量丰富，分别为193.89、176.11 mg／kg和164.79 mg／kg；YT、HY、TA和ZZ的速效钾含量中等，分别为133.32、122.52、119.43 mg／kg和119.15 mg／kg；RZ、PL1和PL3的土壤速效钾含量缺乏，分别为89.22、81.11 mg／kg和75.84 mg／kg；RS和LX的土壤速效钾含量比较缺乏，分别为59.71 mg／kg和30.07 mg／kg，在果实膨大期需要大量补充，以达到葡萄正常生长需求。

2.2.2 不同酿酒葡萄种植园土壤的生物学指标变化 不同种植园土壤微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷含量随着土层深度的增加而降低。由图2a可知，土壤微生物量碳主要集中在土壤表层，且差异较大，其中TA土壤微生物量碳含量最高，为360.80 mg／kg，RZ含量最低，为158.73 mg／kg，TA是RZ的2.27倍。由图2b可知，土微生物量氮差异较小，介于12.33～16.62 mg／kg，且主要集中在表层和中层土壤。微生物量磷是植物有效磷的重要来源，是预测土壤供磷能力的重要指标。由图2c可知，土壤微生物量磷差异较大，DZ最高，为55.33 mg／kg，是PL1的3.28倍。表层土壤中微生物量磷含量远远高于中层和底层土壤。

图2 不同酿酒葡萄种植园土壤微生物量碳（a）、微生物量氮（b）、微生物量磷（c）

2.3 土壤性质间相关性分析

根据各项土壤质量评价指标之间的相关性分析可知（图3），土壤水分含量与碱解氮、速效钾之间具有显著相关性，有机质含量与碱解氮、速效钾之间具有显著相关性，全氮与微生物磷显著相关，碱解氮与有效磷、速效钾之间具有显著相关性。由此可见，土壤性质在不同的种植环境中存在差异，不能简单地通过某一土壤性质对土壤质量进行评价，因此需要对土壤质量进行综合评价。

2.4 土壤质量综合评价

采用主成分分析法对不同酿酒葡萄种植区的土壤评价指标进行降维处理，结果（表3）表明，评价指标的特征值大于1的主成分有4个，其累计方差贡献率达到86.847%。当主成分的累计方差贡献率高于85%时，各主成分即可反映系统的变异性信息。由此表明4个主成分能代表最初的10个指标来分析山东省不同酿酒葡萄种植园土壤质量的差异。其中土壤含水量、有机质含量、碱解氮、有效磷和速效钾等指标在第1主成分上有较高载荷，相关性强；pH值和微生物量磷在第2主成分上有较高载荷，相关性强；全氮和微生物量碳在第3主成分上有较高载荷，相关性强；微生物量氮在第4主成分上有较高载荷，相关性强。第1主成分集中反映了土壤质量状况，是最重要的影响因子。

表3 土壤属性主成分因子载荷矩阵、公因子方差和因子权重

根据各土壤属性的公因子方差，计算土壤质量指标的权重，将质量指标数值转换成0～1间的数值，作为单项评价指标的权重值Wi。

基于上述分析确定的隶属函数值和权重，计算土壤质量综合评价指数SQI。从图4可以看出，山东省不同酿酒葡萄种植园土壤质量指数介于0.32～0.71之间，其从大到小排序依次为YT、TA、HY、WF、PL2、DZ、LX、ZZ、PL3、RZ、PL1、RS。YT的SQI值最高，为0.71，该葡萄园土壤有机质、碱解氮和有效磷含量相对较高，且在第1主成分上具有较高的载荷，贡献率大。RS的SQI值最低，为0.32，该葡萄园土壤表征主成分载荷的理化指标含量相对较低，贡献率较小。

图4 不同种植园土壤质量综合评价指数

根据土壤质量指数的大小，将研究区土壤质量分为5级（表4），分别为低（Ⅴ）、较低（Ⅳ）、中（Ⅲ）、较高（Ⅱ）和高（Ⅰ）。对所有种植园土壤质量指数在各质量分级中的分布频率进行计算得出，33.33%的种植园土壤质量属于较低（Ⅳ）级；41.67%的种植园土壤质量属于中等（Ⅲ）级；25.00%的种植园的土壤质量属于较高（Ⅱ）级。总体而言，山东省不同酿酒葡萄种植区土壤质量处于中等偏低水平。

表4 土壤综合质量分级

3 讨论

3.1 不同酿酒葡萄种植园土壤养分的分布特征

土壤是植物养分吸收的重要来源，其养分的多少和存在形态是制定施肥方案的重要依据，也是植物获得优质丰产的重要保障［15－17］。土壤作为连续的时空变异体，其空间异质性普遍存在，研究田间土壤养分空间变异情况既是土壤养分管理的必要手段，也是精确施肥的理论基础［18］。研究表明，土壤养分具有表层聚集特性，即随着土壤取样深度的加深，有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量等逐渐降低，可能是由于植被残枝凋落腐化、农耕操作和根系微生物活动造成的。但是相同种植园区不同土层深度的pH值变幅不大，不同种植区的pH值差异较大，可能与种植区的成土母质类型、土壤结构等因素的差异性有关。因此，在后期园区施肥时应注重肥料的酸碱性，调节土壤的pH值至最适宜酿酒葡萄生长的状态。研究表明，云南省主要葡萄园土壤整体养分水平较高，依据全国养分分级标准，全氮磷钾含量分别处于1级、2级、3级，速效氮磷钾含量分别处于3级、1级、1级，但不同地区间存在明显差异［19］。相对于云南省葡萄园土壤的养分水平，山东省酿酒葡萄种植园的养分含量有待提高，大部分种植区的有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量处于3级和4级。养分含量低的原因与有机肥施用量低有直接关系，也与土壤质地有极大关系。如砂质土，土壤疏松程度高，保肥锁水能力差，难以达到增加土壤养分的目的。因此，不同种植园区应针对性地制定适宜的施肥方案和土地管理措施，以提高土壤肥力水平。

3.2 不同酿酒葡萄种植园的土壤质量现状

不同种植园土壤pH值介于6.16～8.82之间，适宜酿酒葡萄生长。这与酿酒葡萄种植园区长期实施免耕栽培，以有机肥代替化肥有关，以此达到适于酿酒葡萄生长的土壤生态环境。

土壤有机质作为衡量土壤肥力的重要指标之一，是植物最重要的养分来源库。其受成土母质、地形和植被分布等因素影响［20］，从而造成不同种植园的土壤有机质含量存在显著差异。山东省酿酒葡萄园区有机质含量为10.8～38.79 mg／kg，差异较大，这与山东省土壤类型各异息息相关。且有机质含量与有效磷、碱解氮含量呈显著正相关，说明土壤有机质与土壤肥力状况存在密不可分的关系。氮磷钾是葡萄园土壤的主要养分元素，也是决定葡萄产量和品质的关键元素［21］。其中钾有助于葡萄茎的生长，磷有利于葡萄果实的成熟，氮可使叶片生长茂盛，镁有助于增加葡萄的糖分和降低酸味［22］。有研究表明山西省葡萄园土壤全氮、速效磷钾的含量分别为0.71 g／kg、20.6、149.7 mg／kg，土壤有效氮含量较低［23］。本研究结果表明，山东省酿酒葡萄种植园区面临同样的问题，有效氮含量较低，这可能与酿酒葡萄园区多为砂质土有关，其土表径流和挥发会大量损失可溶性氮，导致土壤有效氮含量低。唐美玲等［24］对烟台地区的土壤状况进行了调查分析，结果显示该地区土壤碱解氮和速效磷含量偏低，速效钾含量偏高。本研究结果表明，多年来随着葡萄园增施有机肥，平衡土壤酸碱性，速效氮磷钾含量达到中等水平，适于酿酒葡萄生长。

通过对14个国家不同生态系统中微生物量碳含量的统计结果发现，土壤微生物碳约占土壤有机碳的1%～5%，微生物量氮约占土壤全氮的1%～5%［25，26］。本研究结果表明，山东省不同酿酒葡萄园土壤的微生物量碳约占有机碳比例的变幅为0.6%～2.2%，略低于上述测定水平；不同种植园土壤的微生物量氮约占土壤全氮的比例变幅在1.15%～6.28%，略高于上述测定水平，这可能是酿酒葡萄园富集的微生物量种类不同导致的，还需做进一步的研究。

3.3 不同酿酒葡萄种植园土壤质量评价

通过特定的评价方法对土壤质量进行评价，其目的是为了反映在人为干扰或是在自然条件下土壤质量的变化及优劣程度，为改善和提高土壤质量提供科学的理论依据［27］。常用的评价方法有土壤质量综合评价法、主成分分析法、灰色关联法等，但目前并没有统一的土壤质量评价标准，也没有固定的评价方法，需要综合考虑生态系统的类型、土壤的功能、土地利用方式等［28－30］。本研究采用土壤综合质量指数法对不同酿酒葡萄种植园的土壤质量进行综合评价，计算出各指标隶属值，根据筛选出的主成分权重值计算出土壤质量指数进行评价，其结果对于不同酿酒葡萄种植园的土壤生态系统的可持续经营管理具有重要实际意义。

4 结论

对山东省不同酿酒葡萄种植园土壤理化指标及生物学指标的研究表明：不同酿酒葡萄种植园土壤指标之间有较大差异，因此，应针对不同葡萄园制定适宜的土壤管理和改良措施，提高土壤质量。葡萄种植园土壤有机质含量和养分含量呈现表聚性，随着土层深度的增加逐渐降低。采用土壤质量综合指数评价法对不同葡萄种植园土壤质量进行综合评价得出：YT＞TA＞HY＞WF＞PL2＞DZ＞LX＞ZZ＞PL3＞RZ＞PL1＞RS，YT种植园评分最高，土壤综合质量最好。本研究对于酿酒葡萄的种植和土壤养分管理具有重要实际意义。为全面了解该地区土壤肥力状况对葡萄品质影响，下一步需进行土壤肥力对葡萄品质影响等方面研究。