‘美乐’葡萄植株矿质元素与果实品质指数的关联性分析

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，山东烟台 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）

‘美乐’葡萄栽培较为容易，产量高。但随着树龄的增加，表现出产量不稳、抗逆性差、病虫害频繁发生等问题，严重影响了经济效益。其中，土肥水管理粗放是上述问题频发的主要原因之一。果树营养诊断是一种以叶营养分析为基础，对树体营养状况进行判断的重要方法，能够作为评价、预测肥效和指导施肥的一项综合性技术，在改善果实品质、提高果园生产效率和养分管理水平等方面发挥重要作用。因此，通过树体营养诊断制定施肥方案，用以指导葡萄园施肥可以很好地解决‘美乐’葡萄营养失衡的问题。

因果树种类和品种不同，其不同生育阶段矿质元素在各器官的吸收、运转和分配规律等方面差异较大，因此，营养诊断的采样时期和采样部位均有所差异[1]。在不同产量的梨叶片营养诊断中，N和Cu元素营养诊断部位应为当年生枝条的下部，K、Ca、Mg元素营养诊断部位应为当年生枝条的中部，P、Fe、Mn、Zn、B营养诊断部位应为当年生枝条的中上部[2]。在辽西富士苹果的产量和多个品质指标营养诊断中，叶片采自当年生新梢的中部[3]。对于诊断树莓大量元素N、P、K时应采取枝条7～12节位的成龄叶片，而其他中微量元素，除Mg之外，都采取枝条顶端幼叶进行分析[4]。春季生理落果期和夏季果实膨大期分别是中熟品种‘纽荷尔’脐橙水分和矿质养分介导的果实产量和品质调控的关键物候期，可用以建立柑橘高产和优质叶片养分适宜值标准[5]。在贺兰山东麓的自然条件下，葡萄叶分析的取样时期在树体生长缓慢期，即8月份为宜[6]，对欧洲种葡萄在盛花期采取第一穗花絮上的叶柄或花后4周取结果新梢中部的叶柄；对美洲种葡萄与圆叶葡萄在盛花后4～8周取果穗上一节的叶柄[7]。由此可见，过去叶片营养诊断研究中多是基于单一取样部位或单一取样时期进行。因此，葡萄生产中营养诊断的取样方法是需要解决的首要问题。

本研究以君顶酒庄的‘美乐’葡萄为研究对象，开展“5416”配方施肥试验[8]，对供试果园盛花期、转色期和成熟期的叶片、叶柄、花序/果实矿质营养元素、成熟期果实多个品质因子进行检测分析，探讨基于营养成分诊断（Compositional Nutrient Diagnosis, CND）法实现优质果园植株养分适宜标准的自动生成，并结合低质小区的诊断结果实现推荐施肥方案。以期建立‘美乐’葡萄园高效、实时、轻简的叶片营养诊断技术，对提高葡萄的肥料利用率、合理利用养分资源、提高果实品质及保护生态环境均具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2020年进行，选取山东省烟台市蓬莱区君顶酒庄酿酒葡萄‘美乐’为试材，树龄10～13年，砧木为SO4，株行距2 m×2 m。生长季（4—11月）的年有效积温为2240.8 ℃，降雨量为414.1 mm。试验地葡萄根系的富集深度为0～40 cm，该土层基础理化性质为土壤容重1.3 g·cm-3，pH值7.6，碱解氮60.6 mg·kg-1、速效钾675.7 mg·kg-1、速效磷107.8 mg·kg-1、可交换性钙6.5 mg·kg-1、可交换性镁406.5 mg·kg-1。

1.2 施肥处理

2018—2020年，选择16个树体健康、长势中庸、产量较稳定的园区作为固定试验区，进行“5416”配方肥施用试验[8-9]。“5416”配方肥是指5因素（N、P、K、Ca、Mg）、4水平（每公顷各肥料的基础用量的倍数，即0倍、0.5倍、1倍、1.5倍），共计16个肥料处理（表1）。配方肥是基于每公顷7500 kg果实的产量目标，设定“5416”试验每公顷各肥料的基础用量分别为：N 124.5 kg、P2O546.5 kg、K2O 112.5 kg、CaO 112.5 kg、MgO 46.5 kg。各肥料在萌芽期、初花期、末花期、转色期和成熟期的施用量参考王小龙[10]的研究。

表1 5416试验处理Table1 Treatments of 5416

1.3 样品采集及项目测定

于盛花期（FBS）、转色期（VS）和成熟期（MS）采集花序/果穗上或对生的叶片（L）、叶柄（P）及花序/果实（F），带回实验室，洗净，105 ℃下杀青20 min，85 ℃下烘干，粉碎混匀，待测其矿质元素含量。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。

于每年成熟期采集果实，每处理随机采集30穗，分别从上述果穗的上、中、下部位随机采集720粒果。籽粒数，统计30粒果实的种子数量。籽果比和皮果比、30粒果实的种子和果皮质量分别与果实质量比的平均值。用手持式糖量计测定30～50粒果实的混合果汁的可溶性固形物。采用DPS 7.5软件完成100粒果实可溶性固形物、百粒质量、籽粒数、籽果比、皮果比的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值越高表示综合品质越佳，即高优。基于品质指数，利用CND法对葡萄植株进行营养诊断分析[3]，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。以上所有测定指标均进行3次生物学重复。

1.4 数据处理

采用Excel 2016和SPSS 20.0软件对2018—2020年的果实品质和叶片/叶柄/花序/果实矿质元素含量进行统计分析和数据处理。

2 结果与分析

2.1 果实品质在不同施肥处理下的差异及其相关性

由表2可知，各品质指标的不同施肥处理平均值在年际间存在显著差异。皮果比和品质指数年际变化规律相似，2018年均显著大于2019和2020年。籽果比和籽粒数年际变化规律相似，均表现为2020年显著高于2018和2019年。2018和2020年百粒质量无显著差异，较2019年分别显著提高24.11%和18.33%。与百粒质量相似，2018和2020年可溶性固形物无显著差异，但较2019年分别显著降低了21.10%和22.94%。各品质指标的极值分布在不同年际的施肥条件间存在相似性和特异性。2018年，百粒质量和可溶性固形物最高值施肥处理均为T3，籽果比和品质指数最高值的施肥处理均为T1。2019年，籽果比和品质指数最高值的施肥处理均为T11。2020年，皮果比和籽果比最高值的施肥处理均为T15，籽粒数和可溶性固形物最高值的施肥处理均为T11。2018和2019年，百粒质量、品质指数的最低值施肥处理均为T13，籽果比的最低值施肥处理均为T14。由此说明，施肥效果可能还受其他因素影响，如温度、降雨量等气象因子。此外，各品质间相关系数表明（表3），籽粒数与籽果比、百粒质量均极显著正相关；可溶性固形物与籽粒数和百粒质量显著或极显著负相关；品质指数与皮果比、籽果比极显著正相关，与籽粒数显著正相关。

表2 不同施肥处理条件下的果实品质Table 2 Fruit quality under different fertilization treatments

表3 各果实品质之间的相关系数Table 3 Correlation coefficients between fruit quality

2.2 不同生育期各组织部位矿质元素含量与果实品质的相关性

由表4、5、6可知，不同生育期各组织部位矿质元素与果实品质之间存在复杂的显著相关关系，显著或极显著相关中存在相似性和特异性。皮果比与盛花期/转色期/成熟期的花序/果实、叶片、叶柄Mn均显著或极显著相关，与盛花期/转色期的花序/果实、叶片、叶柄Cu均显著或极显著相关，与转色期/成熟期的果实、叶片、叶柄N均极显著相关。籽果比与成熟期果实、叶片、叶柄B和Mo均极显著相关。与籽果比相似，籽粒数与成熟期果实、叶片、叶柄B和Mo均显著或极显著相关。百粒质量与转色期果实、叶片、叶柄Ca和Mn均极显著相关，与成熟期果实、叶片、叶柄Ca均极显著相关。可溶性固形物与转色期果实、叶片、叶柄Ca、Fe和Mn均显著或极显著相关，与成熟期果实、叶片、叶柄Ca、Cu和B均显著或极显著相关。品质指数与转色期果实、叶片、叶柄Fe均显著相关。由此可见，蓬莱产区‘美乐’葡萄不同生育期各组织部位矿质元素与果实品质之间同时存在协同与拮抗作用。

表4 各生育期花序/果实矿质元素含量与果实品质的相关系数Table 4 Correlation coefficients of mineral element content in inflorescence/fruit and fruit quality in each growth stage

表5 各生育期叶片矿质元素含量与果实品质的相关系数Table 5 Correlation coefficients of mineral element content in leaf and fruit quality in each growth stage

另外，转色期果实N、盛花期花序P、盛花期叶柄K、转色期叶片Ca、成熟期叶柄Mg、盛花期花序Fe、转色期叶柄Mn、转色期叶柄Zn、成熟期叶片Cu、转色期叶片B、盛花期叶片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0.398、-0.335、-0.486、-0.376、-0.345、0.489、0.395、0.429、-0.399、0.396、0.436。因此，选择上述生育期各器官所对应的元素作为植株营养诊断因子。

表6 各生育期叶柄矿质元素含量与果实品质的相关系数Table 6 Correlation coefficients of mineral element content in petiole and fruit quality in each growth stage

2.3 基于品质指数的高优园植株矿质元素适宜范围

各矿质元素累计方差函数参数FCi(Vx)与品质指数（X）之间存在函数关系见图1。根据CND法的理论计算[11]，各元素所对应的拐点值分别为XN=0.4237、XP=0.6827、XK=0.4218、XCa=0.4061、XMg=0.3922、XFe=0.4164、XMn=0.4236、XZn=0.3932、XCu=0.4231、XB=0.3044、XMo=0.4187、XR=0.4266。本研究中品质指数的最高值为0.6827，最低值为0.3044。根据CND法关于高优群体比例≥12%的要求[11]，划分高优园临界值应选择0.4266，高优园则有27个，占总体采样园的56.25%。同时，依据高优园划分结果，可获得高优园和低优园的植株矿质元素含量状况（表7）。由高优园确定蓬莱产区‘美乐’葡萄植株矿质元素含量适宜范围为：N 9.03～21.8、P 5.13～10.87、K 15.66～35.74、Ca 6.19～72.09、Mg 9.33～20.13 mg·g-1；Fe 153.42～454.84、Mn 162.24～899.08、Zn 27.72～97.55、Cu 20.06～1150.75、B 18.49～36.7、Mo 0.66～1.87 mg·kg-1。高优和低优园植株矿质元素含量除N、Ca和B外均存在显著性差异。低优园的P、K、Mg和Cu含量分别高于高优园11.20%、20.98%、33.29%和78.84%，而低优园的Fe、Mn、Zn、Mo含量分别低于高优园19.88%、29.00%、26.17%和17.70%。低优园除Ca、Cu和B外，其他元素的变异系数均高于高优园，说明高优园各矿质营养比较均衡，而低优园矿质营养存在较大差异。

表7 不同‘美乐’葡萄园各组织矿质元素含量Table 7 Contents of mineral elements in various tissues of 'Merlot' in different vineyards

2.4 基于品质指数的低优园植株营养状况与需肥顺序

根据CND法营养诊断计算得出，高优园的营养不平衡指数CND r2为11.56，而低优园的营养CND r2显著高于高优园，为16.35。由此可见，蓬莱产区‘美乐’葡萄低优园植株营养平衡状况较差。同时，计算得出低优园各矿质元素的诊断指数分别为：IN=-0.43、IP=0.49、IK=0.77、ICa=0.46、IMg=0.79、IFe=-0.60、IMn=-0.84、IZn=-0.90、ICu=0.52、IB=-0.51、IMo=-0.54。结果表明，低优园的需肥顺序为Zn＞Mn＞Fe＞Mo＞B＞N＞Ca＞P＞Cu＞K＞Mg，其中N、Fe、Mn、Zn、B、Mo元素含量表现偏低，其他元素含量充足。由“5416”试验结果得出各土壤肥力因子对品质指数的影响力大小排序为：Ca＞Mg＞N＞P＞K；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N3P3K1Ca4Mg1，即所对应的每公顷施肥量分别为N 124.50 kg、P2O546.50 kg、K2O 0 kg、CaO 168.75 kg、MgO 0 kg。

3 讨论与结论

3.1 植株矿质元素对果实品质的影响

树体矿质元素的累积主要源于根系对土壤或叶片对叶表面各矿质营养的吸收、运输和同化过程，树体矿质营养元素含量与果实品质密切相关[12]。本研究表明，‘美乐’葡萄盛花期花序Fe、转色期/成熟期果实N和Fe均与品质指数显著或极显著正相关，与张强[13]关于果实N、Fe含量对‘富士’苹果果实综合性状影响较大的结论一致。徐慧等[14]研究认为，‘富士’苹果P对可溶性固形物正作用最大，而N负作用最大。与之相似，‘美乐’葡萄果实可溶性固形物含量与盛花期/转色期/成熟期的花序/果实N均极显著负相关，与盛花期花序P极显著正相关。Mg元素能够提高碳水化合物的累积量，促使单糖转化为蔗糖；柑橘缺Mg会显著降低可溶性固形物含量[15]。‘美乐’葡萄也有类似发现，盛花期/转色期/成熟期叶片、叶柄Mg与可溶性固形物均呈极显著正相关。转色期/成熟期果实Ca与百粒质量均极显著正相关，与余阳[16]关于葡萄果面喷Ca可增加果实Ca含量和单果质量的研究结果一致。‘美乐’盛花期/转色期/成熟期果实K与可溶性固形物显著或极显著正相关，与K元素能够提高果实可溶性固形物含量的研究结果一致[17]。

微量元素的种类和含量也是影响果实产量和品质的重要因素之一[18-19]。文婷[20]研究表明，金柑果实单果质量与叶片Zn、果实B均呈正相关，可溶性固形物与叶片Mn、果实Cu呈正相关。‘美乐’葡萄与之不尽相同，其百粒质量与成熟期叶片Zn、盛花期叶片B均呈极显著负相关；可溶性固形物与盛花期/转色期/成熟期叶片Mn均呈极显著正相关、与转色期/成熟期果实Cu均显著负相关。元素与品质间的相关性差异可能是果树种类及土壤肥力条件等因素差异所造成。‘美乐’葡萄盛花期叶片Mo与百粒质量呈极显著正相关，与黄其颖[21]关于B/Zn/Cu/Mo肥配施能够提高香榧产量的结果相似。‘美乐’葡萄成熟期果实/叶片/叶柄B和Mo与皮果比和籽果比相关性相似，均达显著或极显著水平。有研究表明，葡萄酒中优质酚类物质主要是从果皮和种子中浸提得到[9]，较高的皮果比和籽果比将影响葡萄酒的口感和营养价值[22]。因此，通过调控‘美乐’葡萄成熟期果实/叶片/叶柄B和Mo含量来提升葡萄酒品质。综上所述，‘美乐’葡萄果实的品质的形成是由各种元素协同调控的结果。

3.2 植株矿质元素含量与品质指数的关联性分析

营养诊断的取样部位会随果树生长发育期和预分析的元素种类不同而不同，如花期应采集叶柄，果实成熟期应采集叶片；叶片用以诊断N，叶柄用以诊断P和K[23-24]。与本研究结果相似，‘美乐’葡萄叶柄在盛花期的K、转色期的Mn/Zn和成熟期的Mg与品质指数呈显著或极显著相关；叶片在盛花期的Mo、转色期的Ca/B、成熟期的Cu与品质指数相关性最强，且均达到显著或极显著水平。花期作为果树栽培管理的关键性阶段，对果实产量和品质具有直接的影响；与叶片营养诊断相比，花的营养诊断具有一定的前瞻性[25-26]。‘美乐’葡萄盛花期花序P/Fe与品质指数显著或极显著相关，且相关系数最大。‘美乐’葡萄转色期果实N与品质指数呈极显著正相关，且相关系数最大，与张强[13]和宋少华[27]研究结果相似。因此，可将上述各生育期、组织部位的矿质元素作为高优品质指数‘美乐’葡萄园的营养诊断因子。本研究中，根据CND法确定‘美乐’葡萄高、低优园临界值应选择0.4266，占总体采样园的56.25%。依据高优园矿质元素特征确定各营养诊断因子的适宜范围为：N 9.03～21.8、P 5.13～10.87、K 15.66～35.74、Ca 6.19～72.09、Mg 9.33～20.13 mg·g-1；Fe 153.42～454.84、Mn 162.24～899.08、Zn 27.72～97.55、Cu 20.06～1150.75、B 18.49～36.7、Mo 0.66～1.87 mg·kg-1。果树营养元素的丰缺和元素间的平衡是果树生长发育、果实产量和品质生成的物质基础，也是矿质元素在果树的生理循环中各有其不可替代的地位[28]。

研究表明，植株营养元素含量随砧木、树龄、品种、采样时期、气候条件等的不同而存在很大差别[29-30]。因此，不同葡萄品种间营养诊断中矿质元素含量适宜值区别较大。河北省‘赤霞珠’高产园叶片在果实膨大期各矿质元素的适宜范围：N 16.5～37.5、P 2.6～6.2、K 10.2～24.2、Ca 5.6～77.3、Mg 2.3～12.7 mg·g-1；Fe 17.5～92.4、Mn 9.2～239.8 、Zn 20.4～243、Cu 1.0～78.5、B 8.7～130.4 mg·kg-1[31]。其中，Cu元素的适宜范围在‘美乐’和‘赤霞珠’中差别最为明显，可能是由于大量铜制剂（如波尔多液）的使用造成了‘美乐’葡萄成熟期叶片Cu大量积累[32]。此外，由于 ‘赤霞珠’和‘美乐’的营养诊断目标分别为高产和高优，导致‘赤霞珠’N含量高于‘美乐’，而P、K含量低于‘美乐’，这可能是由于N元素供应充足，枝条和根系生长良好[33]，从而提高了‘赤霞珠’产量；随着N肥用量的减少，P、K肥用量的增多，果实中的可溶性固形物增加[34]，从而提高了‘美乐’葡萄果实的品质指数。因此，为保证营养诊断的确诊率，应针对性地进行试验论证，以期提高其在我国主产区酿酒葡萄营养诊断中的可靠性。

3.3 低优园施肥方案

‘美乐’葡萄低优园的P、K、Mg和Cu含量分别显著高于高优园11.20%、20.98%、33.29%和78.84%，而低优园的Fe、Mn、Zn、Mo含量分别显著低于高优园19.88%、29.00%、26.17%和17.70%。低优园除Ca、Cu和B外，其他元素的变异系数均高于高优园。因此，供试果园为开展营养诊断提供了良好的试验材料和数据支撑。根据营养诊断结果，蓬莱产区‘美乐’低优葡萄园的需肥顺序为Zn＞Mn＞Fe＞Mo＞B＞N＞Ca＞P＞Cu＞K＞Mg，其中N、Fe、Mn、Zn、B、Mo元素含量偏低，其他元素含量充足。有研究表明，N是果树生长的重要物质基础，也是蛋白质、核酸、磷脂、叶绿素等重要组分[35]。Fe是植物体内多种酶的重要组成成分和活化剂，参与光合、呼吸作用以及物质能量的转换[36]。外源Mn对作物的效应受剂量影响，适量Mn可以促进植株生长，增加产量，但过量Mn将产生毒害作用，而使作物输导组织受阻，体内激素平衡遭到破坏，阻碍作物生长，导致产量下降[37]。Zn是多种酶的辅助因子，影响果树的根茎叶等器官的生长发育，也对植株的抗逆性、生长素合成、光合作用、呼吸作用产生影响，从而影响到果实产量和品质[38]。B对花粉萌发、花粉管的伸长起重要作用，影响果树碳水化合物转运[39]。Mo参与植物代谢中的硝酸还原过程，同时具有增强光合作用、消除土壤中有毒物质活性铝在植物体内的积累等功能[40]。因此，‘美乐’葡萄低优园植株矿质营养的补充对其综合品质的提升具有重要作用。

由于“5416”配方肥研究因素的限制，目前只能选择N、P、K、Ca、Mg5个因素，以获得最高的果实品质指数为目标，其肥力因子最佳配比为N3P3K1Ca4Mg1。针对蓬莱产区‘美乐’葡萄，建议平衡N肥、P肥；不施K肥、Mg肥；增施Ca肥。N元素植株营养诊断结果与正交试验方差分析结果一致，所以植株N元素缺乏可能是由于肥料施用不足或土壤保肥能力较弱所造成，因此N肥施用应采用少量多次的原则，合理控制施用时间，避开雨量较大的季节。微量元素在土壤中容易转化成无效态，其后期肥效较弱，且土壤施用成本较高[41]，应以根外施肥及叶面喷施为主。