软籽石榴果园土壤养分与果实品质关系的多元分析及其优化方案

张 欢，高小峰，雷梦瑶，陶爱丽，李玉英，姚 岗

（1. 南阳师范学院水资源与环境工程学院，河南省软籽石榴工程研究中心，河南省南水北调中线水源区流域生态安全国际联合实验室，河南 南阳 473061；2. 南阳市农业科学院，河南 南阳 473061；3. 河南丹圣源农业开发有限公司，河南 淅川 474450）

石榴（Punica granatumL.）为石榴科石榴属，根据生长地区不同一般为落叶灌木或小乔木，最早于中东地区发现。中国石榴种植的历史可追溯到公元前200 年左右[1]，距今已有2 000 多年的历史。石榴果实因富含丰富的抗氧化成分，被广泛认为具有突出的营养保健和药用价值，因此大受消费者欢迎[2]。软籽石榴是石榴发育过程中种子退化变软而形成的一种特殊品种，因其食用无需吐籽、口感优良，从而被广泛推广种植[3]。突尼斯软籽石榴是我国引进的软籽石榴优良品种，目前已成为淅川县软籽石榴主栽品种，栽培面积已达到3 000 hm2。淅川县位于河南省西南部、南阳盆地西缘，是南水北调中线工程源头所在地。为保证水源区生态安全，减轻面源污染，淅川县进行农业结构调整，由传统农业转型为生态林果业，并把发展软籽石榴绿色产业作为促进淅川乡村振兴的重要途径。

土壤是果树栽培的基本条件，对果树生长和果实发育具有重要作用，其养分含量的多少和养分之间的相互作用决定了果树的生长状况和果实品质是否优良。优质的土壤能够充分提供果树生长的水、肥、气、热等条件，从而帮助果树健康成长，获得优质的果品并丰产。国内外学者在土壤与果实品质的关系方面做了大量研究，如孔婷婷等[4]通过探究和田县皮亚曼石榴园土壤养分和果实品质的关系，认为增加土壤有机质含量，提高氮磷肥和微量元素施用量可以显著提高当地石榴果实品质；薛辉等[5]研究了不同土壤类型和肥料对突尼斯软籽石榴品质的影响，发现红壤土的软籽石榴种子硬度最小，合理应用复合肥料可改善土壤营养，进而提升果实品质；王改革等[6]在对河阴地区软籽石榴进行测土配方施肥后发现，科学的配方施肥可以改良土壤营养，显著提升果实产量和品质；GUO 等[7]在对猕猴桃果园的研究中发现，土壤pH 值是影响土壤养分有效性的重要因素，其对果实品质的影响可能与土壤养分的吸收有关；VOS 等[8]比较了不同木瓜果园土壤养分含量和果实产量后得出，土壤缺乏磷、钾、钙和锌元素可导致果实产量降低。为提高软籽石榴果园科学管理水平，通过对淅川县主要软籽石榴栽培区域的土壤养分和果实品质进行采样分析，应用偏最小二乘回归和线性规划的方法，探讨土壤养分与果实品质间的多元关系，找出影响果实品质的主要土壤理化因子，并定量研究突尼斯软籽石榴品质达到最优时所对应的的土壤养分含量范围，对指导果园合理施肥、提高品质、保持果园可持续生产等具有重要理论意义和应用价值。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验于2020 年在淅川县（32°55´～33°23´ N，110°58´～111°53´ E）软籽石榴产区的5 个规模较大软籽石榴园进行。淅川县位于河南省西南部，与陕西、湖北省相邻。试验选取园区均为规模化种植，最大园区面积600 hm2，最小园区面积54 hm2，总面积2 334 hm2，占淅川县全县软籽石榴种植面积的80%，供试品种为突尼斯软籽石榴。土壤均为黄棕壤土类型。研究区域属于北亚热带向暖温带过渡的季风性气候，四季分明，雨量充沛，年均日照时间1 881.5 h，降水量802.9 mm，气温15.7 ℃，无霜期最长263 d，最短208 d。

1.2 采样方法

于2020 年9 月中旬软籽石榴果实成熟期进行样本采集。土壤样本采集方法为每个园区划分10个采样组，每组选取5个样株，选取的石榴树龄均为6年生，树势良好。采用S 形布点方法采集冠下土壤（树冠垂直投影外沿），每个样株按照东西南北4 个方向，取土深度为0～30 cm，用四分法将多余的土壤弃去，每个混合样品1 kg，风干、研磨过筛备用。

果实样品采集地点与土样采集地点相对应，每株采集颜色均匀、无斑痕、无病虫害的成熟果实8颗（东南西北方向各采2 颗），每组共采集40 颗果实。采摘后立即带回实验室贮藏于（4±1）℃待测，保存时间不宜过长。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤养分理化指标 土壤pH 值采用水浸提电位法（水土比为2.5∶1），土壤有机质（SOM）含量采用重铬酸钾容量法，土壤总氮（TN）含量采用H2SO4消煮-凯氏定氮法，土壤碱解氮（SAN）含量采用碱解扩散法，土壤铵态氮（-N）、硝态氮（-N）含量采用流动分析比色法，土壤有效磷（AP）含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，土壤速效钾（AK）含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[9]。

1.3.2 果实品质 果实品质测定参照曹建康等[10]的方法。取出放置在（4±1）℃环境下储藏的石榴样品，首先通过称量的方法测定单个果实鲜质量（g），然后手工把果皮和籽粒分离。随机选取100颗新鲜籽粒称出百粒质量（g）；种子硬度（kg/cm2）用谷物硬度计测定；将部分籽粒手工榨汁并过滤，准确称取果汁质量与所取籽粒质量，其比值即为出汁率（%）；可溶性固形物含量（%）用Atago PAL-1 型糖度计测定；果实维生素C 含量采用2，6-二氯靛酚滴定法测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；可滴定酸含量采用酸碱中和滴定（氢氧化钠）法测定，可滴定酸度以柠檬酸表示。

1.4 数据分析

采用Excel 2017 和R 语言（4.0.3）进行统计性和相关性分析，采用Simca1 4.1 软件进行偏最小二乘回归分析，使用LINGO 18.0软件进行规划求解。

2 结果与分析

2.1 不同石榴园土壤养分和果实品质基本情况

从表1 可以看出，不同石榴园土壤养分中有机质、总氮、碱解氮、铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾含量均有较大差异，土壤pH 值差异较小，其均值为6.41。软籽石榴果实品质指标中（表2），单果质量、种子硬度指标的差异相对较大，其余指标的差异性较小，总体上各园区石榴品质较为均衡。根据我国国家林业局颁布的石榴质量等级标准，所测样本中单果质量和百粒质量的平均值分别为441.37 g 和57.29 g，达到1 级以上标准（单果质量≥350 g，百粒质量≥56 g）；可溶性固形物含量和可滴定酸含量分别为16.41%和0.10 mg/mL，达到特级标准（可溶性固形物含量≥15.50%，酸度≤0.40 mg/mL）。

表1 不同石榴园土壤养分含量描述性统计特征Tab.1 Descriptive statistical characteristics of soil nutrient content in different pomegranate orchards

表2 不同石榴园果实品质描述性统计特征Tab.2 Descriptive statistical characteristics of fruit quality in different pomegranate orchards

2.2 石榴园土壤养分与果实品质间的相关性

2.2.1 土壤养分之间的相关性 土壤养分指标间的关系比较复杂，不同指标间存在协同和拮抗作用。由图1可知，土壤pH 值和速效钾呈显著性负相关（P<0.01），说明土壤的酸碱度和土壤钾肥的施用量有关。有机质和总氮之间呈显著正相关（P<0.01），说明提高土壤有机质可以有效提高土壤总氮含量。硝态氮和铵态氮含量均与碱解氮含量呈显著正相关（P<0.01），说明提高铵态氮和硝态氮含量可以增加易于果树吸收的氮元素类型。

图1 石榴园土壤养分指标相关性热图Fig.1 Heatmap of correlation among soil nutrients in pomegranate orchard

2.2.2 果实品质与土壤养分之间的相关性 由于根系吸收土壤中的营养物质后会在植物体内产生一系列复杂的转化，先是影响树体、叶片等其他器官，进而间接体现在果实品质上。因此，果园土壤养分与果实品质之间并不是简单的此消彼长的关系，其内在关系十分复杂。如图2 所示，土壤pH 值与可溶性固形物含量以及种子硬度呈显著正相关（P<0.05），与可滴定酸含量呈显著负相关（P<0.01）。说明降低土壤酸度有助于增加可溶性固形物含量和降低果实酸度，但可能会造成种子硬度增加。土壤有机质含量与果实单果质量、维生素C 含量呈显著正相关（P<0.05），说明提高土壤有机质可能会对增加果实质量以及提高维生素C含量有帮助。土壤的铵态氮、硝态氮和碱解氮含量均与果实维生素C含量呈显著正相关（P<0.05），说明增加易于植物吸收的氮元素可以帮助提高果实维生素C含量。而值得注意的是，硝态氮和碱解氮含量与种子硬度呈显著负相关（P<0.01），铵态氮、碱解氮含量与果实可滴定酸含量呈显著正相关（P<0.05），说明氮含量过高可能会导致果实种子变软，酸度增大。速效钾含量与百粒质量呈显著负相关（P<0.01），与可溶性固形物含量呈显著负相关（P<0.05），与可滴定酸含量呈显著正相关（P<0.01），说明土壤速效钾含量过高对果实品质也可能造成不利影响。

图2 石榴园土壤养分与果实品质相关性热图Fig.2 Heatmap of correlation between soil nutrients and fruit quality in pomegranate orchard

不同土壤养分因子与果实品质之间的相关系数差异较大，并且果实品质、土壤养分之间存在自相关关系，说明土壤养分与果实品质间的关系较为复杂，不能用简单的相关性分析来说明，需要采用多元统计分析方法进一步探讨。

2.3 影响果实品质的土壤养分因子筛选及回归方程的建立

软籽石榴果园土壤养分与果实品质的关系属于多自变量和多因变量间的关系，一般的统计分析方法难以说明问题。本研究采用偏最小二乘回归方法，将土壤养分因子作为自变量，果实品质因子作为因变量，建立土壤养分与果实品质的回归方程以及筛选影响软籽石榴果实品质含量的土壤养分因子，对回归方程进行显著性检验（F检验），均达到显著性差异水平，表明建立的方程稳定可靠。从表3 可知，在果实品质（Y）与土壤养分（X）的正态总体中，单果质量主要受有机质、硝态氮、碱解氮含量影响，百粒质量主要受土壤pH 值、总氮和速效钾含量的影响，种子硬度主要受土壤pH 值、硝态氮、铵态氮和碱解氮含量的影响，出汁率主要受土壤pH值、有机质和有效磷含量的影响，维生素C含量受到除土壤pH 值和速效钾含量外所有其他指标的影响，可溶性固形物含量主要受土壤pH 值、铵态氮和速效钾含量的影响，可滴定酸含量主要受土壤pH值、铵态氮、碱解氮和速效钾含量的影响，可溶性糖含量主要受土壤pH 值、有机质、总氮、铵态氮、碱解氮和速效钾含量的影响。回归方程的系数可在一定程度上反映自变量和因变量的关系，结合图2 可知，应用偏最小二乘法回归分析筛选出的土壤养分因子与依据单因子相关系数选择的土壤养分因子有较大的差异，这进一步说明土壤养分对果实品质的影响具有复杂性，不能用简单的相关性分析来揭示其内在联系。

表3 对软籽石榴果实品质影响最大的土壤养分因子筛选及回归方程建立Tab.3 Screening of soil nutrient factors affecting fruit quality of soft-seed pomegranate and establishment of regression equations

2.4 石榴园土壤养分含量优化方案

为找出能使软籽石榴果实品质达到最优时的土壤养分含量范围，在果实品质（Y）与土壤养分（X）2 个正态总体中，以果实某一品质最大值（Ymax）或最小值（Ymin）为目标函数（A），果实其余品质指标与土壤养分和pH 值为约束条件（B），建立求解各果实品质指标最优时的线性规划方程组。当求解某一果实品质因子最大时，确保其他果实品质因子达到最优水平，同时人为约束土壤养分因子范围。

结合其他研究成果和当地实际情况，本研究中果实品质指标约束值下限为所测样本的平均值，土壤养分因子约束值上限为所测样本指标的最大值，下限为平均值。

以果实单果质量最大值（Y1max）为例，果实品质与土壤养分线性规划方程组如下：

应用相同的方法，可分别建立规划方程组求解出百粒质量最大值（Y2max）、种子硬度最小值（Y3min）、出汁率最大值（Y4max）、维生素C 含量最大值（Y5max）、可溶性固形物含量最大值（Y6max）、可滴定酸含量最小值（Y7min）和可溶性糖含量最大值（Y8max）。如表4所示，能使果实品质达到最佳的石榴果园土壤pH值和土壤养分范围：pH 值6.70～7.50、有机质含量27.49～65.20 g/kg、总氮含量8.73～12.91 g/kg、碱解氮含量65.50 mg/kg、硝态氮含量7.51～28.93 mg/kg、铵态氮含量42.43～50.03 mg/kg、有效磷含量19.33～73.53 mg/kg 和速效钾含量160.31 mg/kg。土壤pH 值和养分指标在此范围区间时，软籽石榴果实品质最佳：单果质量776.46 g、百粒质量59.56 g、种子硬度0.44 kg/cm2、出汁率82.58%、维生素C 含量15.90×10-2mg/g、可溶性固形物含量17.90%、可滴定酸含量0.97 mg/mL和可溶性糖含量23.34%。

表4 软籽石榴最优果实品质对应的土壤养分含量和pH值最佳范围Tab.4 Optimum ranges of soil nutrients and pH for best fruit quantity of soft-seed pomegranate

续表4 软籽石榴最优果实品质对应的土壤养分含量和pH值最佳范围Tab.4（Continued） Optimum ranges of soil nutrients and pH for best fruit quantity of soft-seed pomegranate

3 结论与讨论

3.1 石榴园土壤pH值和养分现状

石榴果园土壤养分之间关系复杂，其含量和相互作用直接影响果树根系对营养物质的吸收，并最终体现在果实品质的差异上。本研究结果表明，除pH 值外，不同园区土壤养分含量差异较大，造成这种现象的原因除不同园区土壤本身的差异外，也与不同栽培管理方式有很大关系。各园区土壤的pH值平均值为6.41，属于较适宜软籽石榴生长的范围，但pH值最低值达到了6.15，说明部分果园的土壤已呈现出酸化趋势。有研究表明，施肥方式不当、种植模式单一等不合理的耕作方式可能会造成土壤酸化，而土壤酸化会引起养分失衡和营养物质作用强度的降低[11]。与国内其他果园[12‐15]相比，本试验果园土壤平均氮含量（包括总氮、铵态氮、硝态氮和碱解氮）属于中等水平，土壤有效磷含量偏低，速效钾和有机质含量属于较高水平。

3.2 软籽石榴果实品质与果园土壤养分关系

土壤营养物质含量和果实品质关系密切，为找出影响果实品质的关键因素，有必要将果实品质指标和土壤营养物质含量进行对比分析，以期找出对相应果实品质影响最大的土壤养分种类。本研究基于软籽石榴果园8 种土壤理化指标和8 种果实品质因子，运用Pearson相关系数分析土壤养分与果实品质间关系，研究结果表明两者之间存在相关性。但由于土壤养分指标之间存在相关系数很高的自相关关系，因此不能用简单的相关性分析来解释其内在联系，需要应用多元统计分析方法进一步研究二者之间的关系。已有多项研究将多元分析方法应用在果树土肥、果实品质提升和采后储藏研究等方面[16‐19]。本研究运用的偏最小二乘回归是一种新型的多元统计分析方法，结合了多元线性回归分析、典型相关分析和主成分分析的特点，主要研究的是多因变量对多自变量的回归建模[20]，已有研究者将该方法用于果树学领域，揭示了土壤养分、叶片营养和储存条件等与果实品质的复杂关系[21‐24]。本研究通过偏最小二乘回归分析，筛选出对果实品质影响最大的土壤养分种类，发现其与相关分析中的结论有所区别，这说明了土壤养分对果实品质的影响是复杂的，土壤中某种养分含量不但对植株吸收该养分产生直接的影响，同时还会影响到树体对其他养分的吸收。此外，土壤pH 值会对除单果质量和果实维生素C含量外的大部分果实品质产生影响，是最值得关注的土壤指标；而有效磷含量对果实品质影响较小，这是因为土壤磷元素难以被植物利用和吸收，与研究者对菠萝的研究结果[25]一致。

3.3 软籽石榴园土壤养分优化方案

施肥是果树栽培过程中最重要的环节之一，施肥方式是否科学将直接影响到果树生长、果实品质和产量。本研究通过对利用偏最小二乘回归分析得到的方程组进行规划求解，定量获得能使果实品质达到最佳的土壤养分含量范围，把理论计算出的土壤pH 值、有机质、总氮、碱解氮、铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾含量等8 项养分指标的最优阈值，与目前调查的果园土壤养分实测值进行比较，分析存在的关键问题，进而指导软籽石榴施肥。结果显示，当土壤pH值在6.70～7.50时果实品质最佳，说明中性土壤或弱碱性土壤更适合软籽石榴生长，因此需要控制土壤的酸化趋势；土壤有机质含量除能使可溶性固形物含量达到最优时取最高值65.20 g/kg外，其余果实品质指标在土壤有机质达到平均值27.49 g/kg时已经可以达到最优，说明现有土壤有机质含量已基本可满足果实生长需求，这与近年来有机肥料的普及有很大关系。对有效磷的分析结果和有机质类似，说明继续增加有效磷含量对果实品质的提升效果有限。土壤硝态氮含量使可溶性固形物含量达到最优时取值28.93 mg/kg，大于平均值，远小于土壤实测最大值，其余果实品质指标达到最优时硝态氮取值均小于平均值，说明土壤中硝态氮含量已远超实际所需。由于硝酸盐是土壤中氮元素转化的最终形式，如不能被植物充分吸收，则可能通过淋洗等形式对地下水或周边水源造成污染，导致面源污染的发生[26]，因此，在施肥过程中需要注意硝态氮过高带来的环境污染问题。能使果实品质达到最优的碱解氮含量取值高于实测平均值，说明目前果园土壤中的碱解氮含量偏低，计算所得的总氮和铵态氮含量理论最大值远低于实际测定的最大值，说明土壤中的总氮和铵态氮含量并不缺乏，因此，在施肥管理中要注意选择合适的氮肥品种，在提高氮元素利用率的同时避免造成资源浪费和环境污染。土壤速效钾最优含量为其实测的平均值，说明总体上速效钾含量已满足果实生长需要。本研究的土壤养分优化方案是根据现有的软籽石榴园土壤养分和果实品质的调查资料进行理论计算的结果，有果树品种、地域和环境因素的限制，不同果园还需按照自身情况适当调整。

综上，淅川县软籽石榴不同园区之间果实品质指标差异较小，整体处于优良水平。不同园区土壤养分含量高低不一，说明各个园区之间没有形成统一规范的管理模式。目前，土壤pH 值和碱解氮含量偏低，有机质、速效钾和有效磷含量可以满足果实生长需求，而总氮、硝态氮和铵态氮含量已超出实际需要值。土壤养分指标最佳取值为：土壤pH值、有机质、总氮、硝态氮、铵态氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为6.70～7.50、27.49～65.20 g/kg、8.73～12.91 g/kg、7.51～28.93 mg/kg、42.43～50.03 mg/kg、65.50 mg/kg、19.33～73.53 mg/kg 和160.31 mg/kg。此时，软籽石榴果实能达到以下最佳品质：单果质量776.46 g、百粒质量59.56 g、种子硬度0.44 kg/cm2、出汁率82.58%、维生素C 含量15.90×10-2mg/g、可溶性固形物含量17.90%、可滴定酸含量0.97 mg/mL 和可溶性糖含量23.34%。不同土壤养分因子会对同一果实品质指标发挥作用，不同的果实品质指标也会受到同一养分因子的影响，且影响大小不同。过量施肥会造成资源浪费和环境污染，甚至会对果树造成伤害而导致果实品质下降。因此，在施肥时要根据果树的需肥规律科学合理施肥。