水肥一体化减量施肥对苹果果实挥发性物质的影响*

张天皓，陶 茹，靳元凯，李凤龙，樊淼淼，高 华

（西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100）

我国是世界上最大的苹果生产国，近年来，我国苹果种植面积和产量快速增长，种植面积和总产量均占全世界的50%左右[1]。富士苹果是我国现阶段晚熟苹果主栽品种之一，其栽培面积占我国苹果总栽培面积的75%以上。

苹果产量和品质与施肥量密切相关，科学合理施肥是苹果产业健康发展的关键[2]。然而，当前我国苹果生产一定程度上依赖于化肥和农药，我国苹果栽培面积仅占全国耕地总面积的1.7%，但化肥和农药消费量却分别高达217.3 万t 和14.1 万t，占全国总消费量的3.7%和7.7%[3]。我国大多数果农根据经验施肥，缺乏科学的依据，造成了化肥施用过量，严重影响了我国的生态环境安全和食品安全[4]。彭福田等研究表明，我国苹果主产区用氮量400～600 kg/hm2，是国外施氮量的2～3 倍，而单位面积产量仅为国外的一半左右[5]。然而，施入果园的大量氮肥并不能被完全吸收，果园吸收利用的氮不足施入量的20%[6]。过度施用化肥不仅造成资源浪费和成本增加，降低了肥料利用率，还导致了土壤质量下降、水体污染、农药残留等环境和食品安全问题[7]。随着“化肥零增长”行动的提出，我国苹果园减施化肥行动势在必行[8]。因此，亟需根据地域特点，减少化肥的施用，建立因地制宜的科学施肥模式，改良土壤，为根系的生长和养分的活化提供最优环境[9]。

随着人们生活水平的提高，人们对果实内在品质的要求越来越高，而香气是果实评价的重要指标，因此对苹果香气物质的研究具有重要意义。香气成分是构成水果风味的重要物质基础，也是决定果实品质的主要因素，现已知苹果产生的挥发性成分有300 多种。果实的香气物质成分受很多因素的影响，如：品种[10]、栽培条件、立地条件、贮藏[11]等。赵玲玲等[12]研究发现，增施2.5 kg 稻壳炭能显著增加富士苹果果实香气物质种类和特征香气成分。唐岩等[13]研究发现，在一定的浓度范围内，随叶面喷施磷酸二氢钾浓度的增加，果实挥发性物质含量和种类均呈逐渐增加的趋势。史沉鱼[14]采用N、P、K 肥三因子二次回归正交设计田间试验，研究了氮磷钾肥料对洛川红富士苹果香气成分的影响发现，红富士苹果主体香气含量最高时为92.03%，各种香气成分在各个处理中所占比例不同。

渭北黄土高原是世界上面积最大、土层最厚最为洁净的一片黄土地，是世界苹果的最佳优生区[15]。本试验选择渭北黄土高原地区典型果园，通过化肥减量及不同施肥模式处理，研究了苹果园减施化肥的可行性以及化肥减量对玉华早富苹果挥发性物质的影响，以期得到渭北黄土高原地区最佳施肥量和相应的施肥模式，为减肥不降效提供实证和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

1.1.1 试验园概况

供试苹果园位于陕西省白水县秋林苹果专业合作社，该地区为渭北高原沟壑区，位于东经109°5′～109°16′，北纬35°4′～35°27′，平均海拔850 m，平均年降水量577.8 mm，年平均气温11.4 ℃，极端最低气温-13 ℃。无霜期227 d，平均年日照时数2 112 h。供试土壤为褐土，pH 值7.57，有机质含量7.37 g/kg，硝态氮含量13.8 mg/kg，铵态氮含量10.6 mg/kg，有效磷含量41.55 mg/kg，速效钾含量111.98 mg/kg。

苹果品种为5 年生盛果期玉华早富，基砧为新疆野苹果（Malus sieversii），中间砧为M26，行株距4.0 m×1.5 m，除试验处理外，其余栽培条件和管理水平一致。

试验所用肥料氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为过磷酸钙（含P2O516%），钾肥为农用硫酸钾（含K2O 54%），有机肥采用腐熟牛粪。

1.1.2 试验设计

挑选长势基本一致且健康的玉华早富果树，按试验设计施肥。试验设6 个处理：根域水肥一体化施肥4 个处理（WF1、WF2、WF3、WF4），用施肥枪将肥料注射入树体根域四周土壤，灌水量4 个处理一致，均为0.12 m3/株；双减模式为当地主推减肥施肥模式；常规施肥模式为当地农户主要施肥模式。具体施肥量见表1。

表1 各试验处理施肥量

根域水肥一体化施肥4 个处理的基肥于上年10月6 日采用条状沟施肥方式施入（施用N 60%，P2O540%，K2O 20%，有机肥100%，不灌水）；追肥均采用根域注射施肥的方式施入，分别于萌芽期4 月7 日（施用N 10%，P2O510%，K2O 5%，灌水0.02 m3/株）、萌芽后5 月6 日（施用N 10%，P2O510%，K2O 5%，灌水0.02 m3/株）及果实膨大期6 月10 日（施用N 5%，P2O510%，K2O 20%，灌水0.02 m3/株）、7 月5 日（施用N 5%，P2O510%，K2O 20%，灌水0.02 m3/株）、7 月21 日（施用N 5%，P2O510%，K2O 20%，灌水0.02 m3/株）和采收前8 月16 日（施用N 5%，P2O510%，K2O 10%，灌水0.02 m3/株）施入，全年共追肥6 次。

常规施肥模式的基肥于上年10 月6 日施入（施用N 60%，P2O540%，K2O 20%，不灌水），追肥分别于萌芽期4 月7 日（施用N 20%，P2O530%，K2O 20%，不灌水）和果实膨大期6 月10 日施入（施用N 20%，P2O530%，K2O 60%，不灌水）；双减施肥模式的基肥于上年10 月6 日施入（施用N 60%，P2O540%，K2O 20%，有机肥100%，不灌水），追肥于果实膨大期6 月10 日施入（施用N 40%，P2O560%，K2O 80%，不灌水）。常规施肥模式、双减施肥模式的基肥和追肥均采用条状沟施肥的方式，即在距离树体主干左右两侧50 cm 处挖深度和宽度大约30 cm 的施肥沟，施肥后覆土。

1.2 测定项目及方法

（1）试剂。内标物质：3-壬酮，购买自Alfa Aesar公司。

（2）仪器与设备。ISQ&Trace ISQ 气相色谱-质谱联用仪，美国赛默飞科技有限公司。

（3）香气成分测定。用顶空固相微萃取法对果实的香气物质成分进行提取。在50 mL 的样品瓶中依次加入1 g NaCl、转子、5 g 样品、内标物0.04 μL/mL 3-壬酮10 μL，加入后迅速用锡箔纸封口，放在磁力搅拌加热板上平衡10 min，平衡后将萃取头插入样品瓶中吸附，吸附40 min 后，插入250 ℃的GC 进样口解析，解析2.5 min 后，取出萃取头，用气相色谱-质谱联用仪测定果实挥发性成分。

（4）色谱条件。采用HP-INNOWas 毛细管色谱柱（柱长60 m，内径0.25 mm，液膜厚度0.25 μm），载气为高纯氦气，流速1.0 mL/min，进样口温度为230 ℃，采用不分流进样方式。采用程序升温，初始温度40 ℃，保持3 min；先以5 ℃/min 升至150℃，再以10 ℃/min 升至220 ℃，保持5 min。

（5）质谱条件。电子电离为EI 源，电子轰击能量为70 eV；离子源温度为240 ℃；传输线温度为240 ℃；采集时间为2.5 min。

（6）香气物质定性与定量。未知化合物质谱图经计算机检索同时与NIST05 质谱库相匹配，确认各种挥发性成分；以3-壬酮为内标进行定量。

1.3 数据处理

试验数据测定取3 次生物学重复，采用Excel 2019 进行处理，采用SPSS 21.0 进行显著性分析及主成分分析，用Duncan’s 统计法计算各处理间差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质成分分析

由表2 可知，利用GC-MS 技术，6 个不同施肥处理共检测出玉华早富果实挥发性成分31种，包括24种酯类，3种醛类，2种醇类，1种酸类和1种其他类物质。

在简易水肥一体化施肥的4 个处理中，WF1 处理中共检测到挥发性物质21种，主要挥发性成分为酯类、醛类、醇类和酸类物质。其中酯类物质16种，主要成分为2-甲基-1-丁基乙酸酯；醛类2种，分别为正己醛和2-己烯醛；醇类2种，分别为2-甲基丁醇和反式2 甲基环戊醇；酸类1种，为2-甲基丁酸。WF2 处理中共检测到挥发性物质29种，主要挥发性成分为酯类、醛类、醇类、酸类和其他类物质。其中酯类物质23种，主要成分为2-甲基-1-丁基乙酸酯、乙酸己酯和异戊酸己酯等；醛类2种，分别为正己醛和2-己烯醛；醇类2种，分别为2-甲基丁醇和反式2 甲基环戊醇；酸类1种，为2-甲基丁酸；其他类1种，为草蒿脑。WF3 处理中共检测到挥发性物质22种，主要挥发性成分为酯类、醛类、醇类、酸类和其他类物质。其中酯类物质16种，主要成分为2-甲基-1-丁基乙酸酯、乙酸己酯和异戊酸己酯等；醛类2种，分别为正己醛和2-己烯醛；醇类2种，分别为2-甲基丁醇和反式2 甲基环戊醇；酸类1种，为2-甲基丁酸；其他类1种，为草蒿脑。WF4 处理中共检测到挥发性物质28种，主要挥发性成分为酯类、醛类、醇类、酸类和其他类物质。其中酯类物质21种，主要成分为2-甲基-1-丁基乙酸酯、乙酸己酯和异戊酸己酯等；醛类3种，分别为正己醛、2-己烯醛和壬醛；醇类2种，分别为2-甲基丁醇和反式2 甲基环戊醇；酸类1种，为2-甲基丁酸；其他类1种，为草蒿脑（表2）。

表2 玉华早富不同施肥处理果实挥发性成分相对含量

双减施肥处理共检测到挥发性物质23种，主要挥发性成分为酯类、醛类、醇类和酸类物质。其中酯类物质19种，主要成分为2-甲基-1-丁基乙酸酯、异戊酸己酯等；醛类2种，分别为正己醛和2-己烯醛；醇类1种，分别为2-甲基丁醇；酸类1种，为2-甲基丁酸（表2）。

常规施肥处理共检测到挥发性物质26种，主要挥发性成分为酯类、醛类、醇类、酸类和其他类物质。其中酯类20种，主要成分为2-甲基-1-丁基乙酸酯、异戊酸己酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸丁酯等；醛类2种，分别为正己醛、2-己烯醛；醇类2种，分别为2-甲基丁醇和反式2 甲基环戊醇；酸类1种，为2-甲基丁酸；其他类1种，为草蒿脑（表2）。

2.2 不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质成分种类相对含量分析

由表3 可知，各处理间玉华早富果实的酯类物质相对含量均无显著性差异，即减施化肥对玉华早富果实的酯类物质相对含量影响不显著。

各处理间玉华早富果实醇类物质、酸类物质和其他类物质差异显著。WF3 处理的醇类物质相对含量最高，为2.81%，常规施肥处理果实醇类物质相对含量为2.11%，与WF3 处理无显著性差异（表3）。

表3 玉华早富不同施肥处理果实挥发性成分分类相对含量 %

双减施肥处理果实酸类物质相对含量最高，达到了1.27%，显著高于WF1、WF2、WF3 和常规施肥模式处理，与WF4 处理无显著性差异（表3）。

WF3 处理果实其他类物质相对含量最高，为0.33%，显著高于其他处理；其次为常规施肥处理和WF4 处理，二者无显著差异，且均显著高于WF2处理；双减施肥处理和WF1 处理果实均没有检测到其他类物质（表3）。

2.3 不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质种类数量及总含量分析

如图1 所示，不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质种类差异显著。其中WF2 中挥发性物质种类最多，共检测到29种，其次为WF4，共检测到28种，常规施肥处理共检测到26种，双减施肥处理共检测到23种，WF3 共检测到22种，WF1 共检测到21种。双减施肥、WF2、WF3、WF4 果实挥发性物质种类与常规施肥处理无显著性差异，WF1果实挥发性物质种类显著低于常规施肥处理。

图1 不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质种类

如图2 所示，不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质总含量差异显著。其中常规施肥处理果实挥发性物质总含量最高，为2 699.41 μg/kg；其次为双减施肥处理，为2 687.28 μg/kg；其他依次为：WF2 2 593.94 μg/kg，WF3 2 088.12 μg/kg，WF4 1 939.14 μg/kg，WF1 1 328.10 μg/kg。双减施肥处理和WF2处理果实挥发性物质总含量与常规施肥处理无显著性差异，WF3 和WF4 果实挥发性物质总含量显著低于常规施肥处理。WF1 处理果实挥发性物质总含量最低，显著低于常规施肥处理。

图2 不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质总含量

2.4 不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质主成分分析

以不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质种类及其相对百分含量为数据源，进行主成分分析，以PC1 为横坐标，PC2 为纵坐标，绘制主成分分析载荷图（图3），并且得分图中处理间距的远近表明其差异性的大小。在PCA 模型中，PC1 和PC2累积方差贡献为99.99%，能够反映样本的绝大部分信息，因此选取2 个主成分（PC1 和PC2）进行分析。由图3 可知，不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质分别聚集在PCA 得分图的同一区域，根据其距离间隔的大小与香气成分的相关性分为一类，表明不同施肥处理对玉华早富果实挥发性物质影响相似性较大。

图3 不同施肥处理玉华早富果实挥发性物质含量PCA 得分图

3 讨论

香气是衡量水果品质的关键因素之一[16]，苹果的香气不仅能刺激人的食欲，还有助于人们对其他物质的吸收，对人体有很重要的作用。研究表明，植物经卡尔文循环生成蔗糖，然后经过糖酵解、莽草酸途径和甲羟戊酸途径生成脂肪酸、类胡萝卜素、苯丙氨酸和支链氨基酸4 类挥发性物质合成底物，进一步转化为酯类、醛类、醇类、酮类、酸类和其他类物质[17]。苹果果实中检测到的香气物质已超过300种，其香味物质一般分为酯类、醛类、醇类、萜类、酮类等，这些化合物以一定比例存在于果肉或果皮，构成了苹果独特的典型香味，起主要作用的有酯类、醛类等[18]。本试验表明，玉华早富果实挥发性物质共检测到31种，主要由酯类和醛类组成，分别占到总挥发性物质的49.47%和44.52%，其余由醇类、酸类和其他类组成。

Jonathan 等[19]研究表明，自然条件下苹果挥发性物质中，低分子酯类占78%～92%，以乙酸、丁酸和己酸分别与乙醇、丁醇和己醇形成的酯类物质为主，它们具有典型的苹果香味。本试验表明，苹果果实中含量较高的香气成分有2-甲基-1-丁基乙酸酯、2-己烯醛、异戊酸己酯、正己醛、乙酸己酯、2-甲基丁酸丁酯，占到总香气成分的80.29%，酯类含量最高，醛类次之，醇类、酸类和其他类较低，这与刘俊灵等[20]的测定结果基本一致。在常规施肥模式和水肥一体化施肥模式条件下，苹果果实中酯类物质含量无显著性差异，可能是由于影响苹果挥发性物质形成的因素不仅与养分供应有关，还可能较大程度受气候特征[21]、管理水平[22]和品种[23]等因素的影响。在传统施肥模式下，苹果果实挥发性物质总含量最高，可能得益于较高的元素供应促进苯丙氨酸代谢，β-葡萄糖苷酶促进苯丙烷合成，脂氧合酶催化多元不饱和脂肪酸降解等一系列生化反应，最终提高苹果果实挥发性物质总含量[24]。

早期学者研究认为，果树缺乏肥料会使其果实风味变差，并认为只有均衡养分才能保证良好的果实风味[25]。Taylor 等[26]研究表明，嘎拉苹果香气成分在一定程度上受到氮素的影响。赵玲玲等[12]研究发现，增施2.5 kg 稻壳炭能显著增加富士苹果果实香气物质种类和特征香气成分。本研究表明，在水肥一体化模式下，过高或过低的化肥施肥量会显著影响苹果果实挥发性物质的含量和种类。在过高或过低的化肥施用量上，均可使玉华早富果实挥发性物质的总含量降低，以WF2 处理下果实挥发性物质种类最多，总含量与常规处理无显著性差异，表现效果最好。这可能是由于挥发性物质属于果实的次级代谢产物，是由果实的基本组成物质，如脂肪酸、氨基酸、碳水化合物等作为前体物质，在果实中生长发育过程中适量的元素供应会促进脂肪酸途径、氨基酸途径和萜类途径合成化合物，而这些前体物质和合成途径均需要多种元素参与完成[27-28]。

苹果中挥发性物质种类繁多，成分差异较大，通过主成分分析，根据其分布区域和间隔大小可确定其种类和成分的差异并对其进行分类。本试验经过主成分分析表明，不同施肥处理的玉华早富果实挥发性物质分别聚集在PCA 得分图的同一区域，表明不同施肥处理对玉华早富果实挥发性物质影响相似性较大。WF4 处理更接近于常规施肥处理，说明其挥发性物质成分和含量与常规施肥处理的相似性最大。WF1 处理和WF4 处理果实挥发性物质有较大的差异，说明根域水肥一体化模式下化肥施用过量或不足均会较大程度影响玉华早富果实挥发性物质。

4 结论

与当地常规施肥方法相比，根域水肥一体化注射施肥模式下，WF2 处理下果实挥发性物质种类最多，果实挥发性物质总含量与常规施肥处理无显著性差异，可使施用的化肥总养分用量减少37.07%时，果实挥发性物质种类最多，挥发性物质种类及总含量均与常规施肥处理无显著性差异，所以推荐水肥一体化施肥模式施肥量为N 0.27 kg/株、P2O50.19 kg/株、K2O 0.32 kg/株。