基于15N示踪的酿酒葡萄氮素营养需求分析

蒋婷婷，闫鹏科，2，于 茹，3，马婷慧，王 锐，5*

（1．宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2．东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030；3．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；4． 宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川 750002；5． 宁夏葡萄与葡萄酒研究所，宁夏 银川 750021）

宁夏贺兰山东麓得天独厚的自然条件，成就了中国最佳优质葡萄酒产区［1］。全区葡萄种植面积达到4.07万hm2，其中酿酒葡萄3.53万hm2，“赤霞珠”是其主要栽培品种［2］。然而，该产区土壤多为灰钙土，富含石砾，土壤质地粗，保水保肥性能差，土壤环境恶劣，pH值一般大于8.5，土壤有机质及全氮含量低于六级水平（全国第二次土壤普查养分分级标准），不利于酿酒葡萄产业的快速发展［3-4］。氮素是酿酒葡萄生产所必需的矿质营养元素，氮素的分配比例直接决定着酿酒葡萄的生长发育程度［5-6］。因此，研究宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄氮素分布特征和营养需求规律，对于指导贺兰山东麓酿酒葡萄生产实践具有重要意义。

酿酒葡萄体内的氮素循环是一个复杂的过程［7］。15N示踪技术作为研究氮素吸收、运转和代谢的重要手段，可以独立标记氮素从土壤到作物体内的运输传递路径，排除作物本身和环境的干扰，还能区分标记的氮及其他来源的氮［8］。在鲜食葡萄的氮素研究方面取得了一定成果，例如李鑫鑫等［9］研究得出在灌水量为5400 m3·hm-2、施氮量为177 kg·hm-2的条件下，葡萄的15N标记氮肥利用率和氮肥偏生产力达到最高。史祥宾等［10］研究得出巨峰葡萄氮素的最大需求期和最大效率期为果实膨大期至果实成熟期；汪新颖等［11］研究得出红地球葡萄施肥最佳深度为20 cm的结论。上述研究均为葡萄氮素合理施肥提供了理论依据，但是应用15N示踪技术对酿酒葡萄氮素吸收、分配及利用的研究较少。在宁夏贺兰山东麓砾质灰钙土滴灌的条件下，酿酒葡萄的氮肥分配率、氮肥利用率以及损失率尚不清楚。

本研究在砾质灰钙土滴灌条件下，以主栽的7年生“赤霞珠”为研究对象，利用15N同位素示踪技术，采用“刨根解枝”的微损采样方法，探究不同生育期氮素运移规律、各器官氮素分配特性、氮素利用率、残留率及损失率，确定酿酒葡萄各生育期的合理施氮量，同时掌握贺兰山东麓酿酒葡萄氮素营养最大效率期，为宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄氮肥的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于宁夏永宁县立兰酒庄葡萄园，该区域光照充足，属中温带大陆性气候，年日照时数2851～3106 h，平均日照时数7.8～8.3 h，年均气温8.9℃，年积温3289℃，年均降水量200 mm左右，年均蒸发量1684.3 mm，年无霜期176 d左右。试验区地势平缓，地面坡度约为1%，平均海拔高度为1060 m，葡萄园土壤类型为普通灰钙土，土壤质地为壤质砂土，砾石较多。土壤基本理化性质如表1、2所示。

表1 土壤基本物理性质

表2 土壤基本化学性质

1.2 试验设计

供试酿酒葡萄品质为7年生“赤霞珠”，整形方式为长梢修剪倾斜上架，南北行向定植，株行距0.6 m×3.5 m。2019年4月8日 出 土，10月28日埋土，灌溉、修剪整枝以及病虫害防治等生产管理措施一致。具体试验方案如下：在该区域内选取土壤肥力、水分条件等相近，立地条件和长势较为一致的15棵酿酒葡萄树挂牌标记，在4月13日，距树干水平距离30 cm处，左右两侧挖长40 cm、宽20 cm、深60 cm的条状施肥沟，氮肥施用量参照张筠筠等［12］，每株施15N-硫酸铵10 g（丰度15.2%），普通硫酸铵（N 21%）245.10 g、重过磷酸钙（P2O544%）57.23 g、硫酸钾（K2O 52%）82.82 g，将肥料与浮土拌匀后回填。在施氮后不同时间内采集土壤和酿酒葡萄各器官，测定植株各器官全氮含量和15N丰度。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 土壤样品的采集与测定方法

土壤样品在施肥前采集1次，在距离植株30cm处，挖取0～60 cm的土壤剖面，按照0～20、20～40、40～60 cm分为3层，用环刀法取原状土，并用采样袋采集每个土层适量的土样。将每个采样点同一深度的3份土样置于洁净的编织袋中混合均匀后，采用四分法取部分土样用自封袋收集，使用记号笔编号。将样品运回实验室后，把各小份土样分别摊晾在A4纸上，在室内风干、磨细，过1和0.25 mm筛，用于测定pH及全盐、有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾的含量。具体测定方法为：土壤pH（水土比5∶1）采用PHS-25精密酸度计测定；全盐（水土比5∶1）采用电导仪测定；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用钼锑抗比色法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾采用火焰光度法测定［13］。

1.3.2 植物样品的采集与测定方法

在15N标记氮肥施用后35、70、105、140和160 d共采集样品5次，按不同器官分为根、茎（茎分主干、一级分枝、二级分枝）、叶、果，从第一棵树开始，用等差法每次选3棵树采样，每棵树取叶样100片，在0～60 cm土体内取体积相等的粗根、中根和细根混合作为根样，在主干的1/2处采用钻孔取样法取样，一级分枝和二级分枝用剪刀在其1/2处剪10 cm，每株树剪3枝，作为分枝样品，每株树分3层。每棵树在不同高度取大小相近的5串葡萄作为果实样品［14］。将采回来的各器官用蒸馏水冲洗干净，在105℃下杀青30 min，然后在70℃的条件下烘干至恒量，最后用不锈钢粉碎机粉碎过1 mm筛，混合装袋，测定各个器官的氮含量和15N丰度。植株全氮含量采用H2SO4消煮-凯式定氮法测定，用元素分析仪-稳定同位素质谱仪联机（Flash EA 1112 HT-Delta V Advantages，Thermo公司）测定15N丰度［13］。

1.3.2.1 体积测定 酿酒葡萄为合轴分枝，有主干、一级分枝和二级分枝。每级分枝均近似看为圆台，每次采样均用游标卡尺测量所有标记葡萄主干和一级分枝1/2处的直径记作d，用卷尺测量其长度记作L，则体积V=π（d/2）2L。因为等高的圆柱和圆台，圆柱底面半径是圆台两底面半径的等差中项，则体积相等［13］。

1.3.2.2 密度测定 将三角瓶装满水，塞紧，用干洁的滤纸将瓶身粘附的水分擦干净，称重记作M1，样品称重记作M2，将样品放入加满水的三角瓶内，塞紧，用干洁的滤纸将瓶身粘附的水分擦干净，称重记作M3（为防止样品表面产生气泡，将样品在表面活性剂中浸一下，对密度的影响忽略不计），计算出样品的体积：V=（M1+M2-M3）/ρ水，式中，ρ水为水的密度，标准状态下，ρ水=1g·mL-1，样品的密度计算式为：ρ=M2/V［15］。

1.3.2.3 干物质量测定 整棵树主干和一级分枝的干物质量=V×ρ，二级分枝的干物质量=单枝质量×二级分枝数，叶的干物质量=百叶重/100×叶片数，果实的干物质量=百粒重/100×果实个数，根的干物质量=根冠比×地上部干物质量=根冠比×（主干的干物质量+一级分枝的干物质量+二级分枝的干物质量+叶的干物质量+果的干物质量）［16］。

各施氮时期干物质累积量=这一施氮时期的干物质量-上一施氮时期的干物质量。

1.4 相关计算

15N的计算公式如下［17-18］：

Ndff（%）=［植物样品中15N丰度（0.9478%）-自然丰度（0.3663%）］/［肥料中15N丰度（%）-自然丰度（0.3663%）］×100；式中，Ndff表示植株器官从肥料中吸收分配到的15N量对该器官全氮量的贡献率，反映了植株器官对肥料15N的吸收征调能力［19］。

器官全氮量（g）=干物质量（g）×器官中全氮含量（%）；

15N吸收量（mg）=器官全氮量（g）×Ndff×1000；

15N分配率（%）=各器官从氮肥中吸收的氮量（g）/总吸收氮量（g）×100；

氮肥利用率（%）=15N吸收量（g）/15N施氮量（g）×100；

氮肥残留率（%）=（Ndff×土层厚度×土层面积×土壤容重×土层全氮量）/施肥量（g）×100；

氮肥损失率（%）=100%-氮肥利用率（%）-氮肥残留率（%）。

1.5 统计分析

试验所有数据采用Excel 2010进行整理，采用SPSS 21.0进行统计分析，采用LSD法进行显著性检验，表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 施氮后不同时间酿酒葡萄各器官干物质量

由表3可知，在施氮后35 d，根、主干、一级分枝、二级分枝和叶的干物质量最少，分别为342.15、247.64、57.86、41.68和84.62 g·株-1，施氮70 d后果的干物质量最少，为78.07 g·株-1。施氮后160 d，根、主干、一级分枝、二级分枝、叶和果的干物质量最多，分别为1487.20、271.23、68.57、703.14、613.59和343.31 g·株-1，较施氮70 d后分别增加了234.26%、8.16%、15.71%、113.47%、80.39%和339.75%。根、主 干、一 级分枝、二级分枝、叶和果的干物质量均在施氮后70～105 d明显增加，施氮后105 d的干物质量较施氮后70 d分别增加了95.19%、4.23%、6.51%、58.58%、30.00%和219.84%。

表3 施氮后不同时间酿酒葡萄各器官干物质量

2.2 施氮后不同时间酿酒葡萄各器官Ndff值

由表4可知，根的Ndff值在施氮后呈现“下降-上升-下降”的趋势，在施氮后105 d，达到峰值为8.65%。整个施氮时期内，主干、一级分枝、二级分枝和叶的Ndff值均呈现上升的趋势，而果的Ndff值呈“上升-下降-上升”的趋势，在施氮后160 d最大，为23.30%，较施氮35 d后增加了15.63个百分点。根、主干、一级分枝、二级分枝和叶在施氮后160 d的Ndff较施氮后35 d分别增加了3.23、8.18、16.2、21.5和15.9个百分点。根、主干、一级分枝、二级分枝、叶和果在施氮后105 d的Ndff值较施氮后70 d分别增加了6.38、5.89、5.87、7.25、4.34和7.01个百分点。在施氮后35d，根的Ndff值最大，较主干、一级分枝、二级分枝和叶分别增加了4.22、4.00、2.48和2.61个百分点；在施氮后70 d，叶的Ndff值最大，为9.79%；施氮后105、140、160 d，二级分枝的Ndff值分别为16.81%、17.83%、23.72%，均高于根、主干、一级分枝、叶和果。

表4 施氮后不同时间酿酒葡萄各器官Ndff

2.3 施氮后不同时间酿酒葡萄各器官15N分配率

由表5可知，根的15N分配率在施氮后呈现“上升-下降”的趋势，在施氮后140 d最大，为9.38%，较施氮后35 d的15N分配率增加了7.92个百分点。在整个施氮时期内，主干、一级分枝和二级分枝在施氮后均呈现上升的趋势，在施氮后160 d最大，分别为1.09%、0.46%和7.59%。叶的15N分配率呈现“上升-下降”的趋势，在施氮后140 d最大，为17.56%。果的15N分配率呈现“上升-下降-上升”的趋势，施氮后105 d较施氮后70 d增加了3.21个百分点。根、主干、一级分枝、二级分枝和叶在施氮后105 d的15N分配率较施氮后70 d分别增加了5.26、0.52、0.24、2.55和3.70个百分点。在施氮后35 d，根的15N分配率明显高于其他器官，为1.46%。施氮后70～160 d，叶的15N分配率分别为6.42%、10.12%、17.56%和15.97%，均高于根、主干、一级分枝、二级分枝和果。

表5 施氮后不同时间酿酒葡萄各器官15N分配率

2.4 施氮后不同时间酿酒葡萄氮素利用率的变化

由表6可知，整个施氮时期内，氮肥利用率和氮肥损失率呈上升的趋势，而土壤氮肥残留率呈下降的趋势。氮肥利用率在施氮后35 d仅有1.50%，施氮后160 d最大为38.97%。施氮后160 d的氮肥利用率较施氮后35 d增加了37.47个百分点。土壤氮肥残留率在施氮后35 d最大，为95.00%，在施氮后105 d下降明显，较施氮后70 d降低了25.48个百分点。在施氮后160 d降到最低，为17.77%，较施氮后35 d减小了77.23个百分点。氮肥损失率在施氮后35 d最小，为3.50 %。施氮后105 d较施氮后70 d增加了10.16个百分点。在施氮后160 d达到峰值为43.25%，较施氮后35 d增加了39.75个百分点。整个施氮期酿酒葡萄的氮肥利用率为38.97%，土壤氮肥残留率为17.77%，氮肥损失率为43.25%。

表6 施氮后不同时间酿酒葡萄氮肥利用率

3 讨论

3.1 施氮后不同时间酿酒葡萄各器官干物质量

干物质量表示酿酒葡萄获取能量的能力［14］。本研究得出，酿酒葡萄各器官干物质量随着施氮时间的推进而增加，根在施氮后35～160 d的干物质量较主干、一级分枝、二级分枝、叶和果都大。在施氮后160 d根、主干、一级分枝、二级分枝、叶和果的干物质量达到最大。这与彭玲等［18］和柴仲平等［20］的研究结果相似，原因是生长初期，根系不发达，吸收氮素的能力低，所以根的干物质量最大；生长中期，随着光合面积的迅速扩大和根系的建立，酿酒葡萄各器官快速生长，干物质量增加显著并且氮素等营养元素逐渐向生殖器官转移，果的干物质量逐渐上升；生长后期，树体渐渐衰老，根系生长缓慢，酿酒葡萄各器官生长减慢以至停止，各器官干物质量不再上升。

3.2 施氮后不同时间酿酒葡萄各器官Ndff值

土壤中的氮素和树体贮藏的氮素是树体主要的氮来源，然而土壤中氮素无法满足果树需求，需通过氮素施入来补充和调节［21］，进一步确认树体对氮素的吸收和分配特性，是酿酒葡萄合理施用氮肥的关键环节。Ndff反映了植株器官对肥料15N的吸收征调能力。施氮后160 d根、主干、一级分枝、二级分枝、叶和果的Ndff值最大，此时期各个器官发育成熟，生理活性较强，代谢机能完善，故对15N的吸收征调能力较强，与汪新颖等［11］的结果一致。初期根和叶片的Ndff值较高，表明树体吸收的氮素先转运至根系，然后直接向枝叶中转移［22］。在施氮后105 d，叶片、果实的Ndff值明显升高，说明在此时期，叶片和果实为树体的生长中心；到了果实成熟期，果实的Ndff值较高，表明此时树体的生长中心为果实，这与何雪菲等［23］的研究结果一致。

3.3 施氮后不同时间酿酒葡萄各器官15N分配率

15N分配率是树体各器官中15N含量占全株15N总量的百分率，反映了肥料氮在树体内的分布及在各器官内的转运规律［24］。马文娟等［7］、Quinones等［25］、王富林等［26］的研究均表明，15N分配率以叶片最高。这与本研究结果相似，原因是氮素会优先运向根系和叶片，以形成良好的根冠形态，从而达到提高自身生长能力和养分利用效率的目的。施氮后70～105 d酿酒葡萄树体的15N分配率增长最快，说明在这一阶段是酿酒葡萄树体氮素吸收和利用的关键时期。叶片在施氮后70 d的15N分配率最高，此阶段果实膨大，需要叶片进行光合作用来完成物质的合成，而氮素是进行光合作用的重要因素之一。施氮后160 d，根和叶片的15N分配率下降，原因是果实成熟关键阶段，果实和其他器官存在竞争关系，由于库的增加，叶片合成的物质会优先分配给生殖器官。

3.4 施氮后不同时间酿酒葡萄氮素利用率的变化

前人研究得出果树的氮肥利用率在25%～35%之间［27-28］，本试验中氮肥的利用率为38.00%。高出前人的研究结果。其原因可能与根系对氮的吸收能力有关，施入适当的氮肥可促进根系生长，从而增大根系的有效吸收面积，并提高氮素吸收利用率［23］。但考虑到实际生产中氮素养分渗漏是肥料利用率降低的一个重要因素，所以在实际生产中氮素利用率较本试验结果低。朱宝国等［29］研究发现氮肥深追的条件下土壤氮肥残留率为14.57%，氮肥损失率为27.62%，本试验得出整个施氮时间的土壤氮肥残留率为17.77%，氮肥损失率为43.25%，可能由于宁夏贺兰山东麓土壤环境恶劣，富含石砾，保水保肥性能差，使得土壤氮肥残留率和氮肥损失率偏高。

4 结论

在宁夏贺兰山东麓砾质灰钙土滴灌条件下，施氮后70～105 d各器官干物质量、Ndff值以及15N分配律均明显增加，此阶段是酿酒葡萄树体氮素营养的最大效率期。因此，在施氮后70～105 d应注重氮肥的投入。整个施氮时期酿酒葡萄的氮肥利用率为38.97%，氮肥残留率为17.77%，氮肥损失率为43.25%。