“5416”配方施肥对梅乐葡萄矿质元素和果实酚类物质含量的影响

王小龙，张正文，邵学东，钟晓敏，王福成，史祥宾，张艺灿，王海波

(1.中国农业科学院 果树研究所，辽宁 兴城 125100；2.农业部园艺作物种质资源利用重点实验室，辽宁 兴城 125100；3.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；4.君顶酒庄有限公司，山东 蓬莱 265600；5.烟台市蓬莱区葡萄与葡萄酒产业发展服务中心，山东 蓬莱 265600)

酿酒葡萄果实品质决定葡萄酒的品质，酿酒葡萄果实中的花色苷、单宁等酚类物质在其发酵过程中大量浸出，直接影响葡萄酒的颜色、口感、风味等品质[1-3]，还决定葡萄酒的一些生理活性功能[4]。红葡萄酒的颜色成分主要源于酿酒葡萄果皮组织中的花色苷，其对葡萄酒的色调、澄清度、稳定性等方面影响较大[5]。单宁具有鞣革能力，增强葡萄酒醇厚性[6]。葡萄酒中的酚类物质含量主要取决于葡萄皮和种子，其含量远超过果肉，使红葡萄酒具有颜色和特殊的味觉特征[7-8]。

在果树的生长发育过程中，不断地从土壤中吸收用以形成果实产量及品质的矿质元素，因此，肥料是植株获取养分的重要来源。长期以来，我国多因经验施肥造成肥料施用量大且失衡，并且植物生长受最小养分制约[9]，过量施肥对果树产量及品质的积极影响已达上限。单一或多个元素的丰缺均会引起树体营养的失衡，并造成该元素特有的缺素症，甚至对果实产量、品质、抗性、果园经济效益产生重大影响[10]。因此，树体营养诊断作为研究果树营养状况的有效手段和指导果园精准施肥的重要依据[11]，已逐渐成为农业发展的新方向和新趋势。前人采用CND法对马铃薯进行营养诊断，克服DRIS方法仅能通过双元素比例实现的局限，其确诊率在87.5%以上[12-13]。近年来，CND法在果树上的应用较为广泛，如龙眼[14]、柑橘[15]、苹果[16]、香蕉[17]、荔枝[18]、87-1葡萄[19]等。由于不同生长发育期，树体不同组织部位对各矿质元素的需求不同，且采收前树体营养状况直接影响果实品质。因此，研究盛花期、转色期、成熟期的叶片、叶柄、花序/果实营养元素含量的变化与果实品质的关系，可为果树的标准化施肥管理提供指导依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

于2018—2020年在山东省烟台市君顶酒庄有限公司，在相同试验田选择16个“5416”配方施肥处理的梅乐葡萄园进行调查，共48个。“5416”配方施肥是基于产量目标为7 500 kg/hm2进行设计，N、P2O5、K2O、CaO、MgO的基础用量分别设定为：124.5，46.5，112.5，112.5，46.5 kg/hm2。“5416”试验包括N、P、K、Ca、Mg，即5个研究因素；各肥料基础用量的0，0.5，1，1.5倍，即 4个施用水平；经非完全正交组合，共计16个施肥处理(T)。根据“5416”试验处理，将表1中1、2、3、4定义为4个施用水平，分别为各肥料基础用量的0，0.5，1.0，1.5倍。具体施肥管理方式和各生育期的施肥量参照王小龙等[20]的研究。研究对象为红色酿酒葡萄梅乐，以SO4为砧木，树龄10～13 a，株行距为2 m×2 m。土壤理化性质分别为：土壤碱解氮0.078 mg/g、速效磷1.097 mg/g、速效钾0.139 mg/g、交换性钙6.511 mg/g、交换性镁0.644 mg/g，pH值7.4。

表1 “5416”试验处理Tab.1 Treatments of "5416"

1.2 试验方法与项目测定

在盛花期(FBS)、转色期(VS)和成熟期(MS)均采集不同组织部位样品，包括叶片(L)、叶柄(P)和花序/果实(F)，各样品经去离子水冲洗干净后，于105 ℃条件下进行20 min杀青前处理，85 ℃烘箱烘干至恒定质量，粉碎后过筛，测定叶片、花/果实矿质元素含量。结合H2SO4-H2O2消解法，用全自动流动分析仪测定叶片、叶柄和花序/果实全氮(N)，用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)测定叶片、花序/果实磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)、硼(B)、钼(Mo)全量。成熟期采集果实，每处理随机采集果穗20～30个，然后从上述果穗的“上、中、下”各部位随机采集果粒720 粒，用于测定花色苷、果皮单宁和种子单宁含量，其测定方法参照苏鹏飞[21]的研究方法，进行3次生物学重复。每年3次重复，连续3 a取平均值。

1.3 数据处理

首先，利用SPSS 20.0软件Topsis评价法计算果实花色苷、果皮单宁和种子单宁的综合评价得分，即品质指数(CI)，CI值越高表示综合品质越佳；其次，依据CI和植株矿质元素含量的相关系数，选择相关性最强的矿质元素作为营养诊断因子；最后，采用CND法[16]对CI进行诊断，确定高优品质指数的果园(即高优园)划分标准和参比值。利用SAS软件计算土壤各元素对各品质的影响力排序和最佳理论配比。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对果实酚类物质含量和品质指数的影响

由表2可知，各品质指标极值的施肥处理组在各年份存在相似性和特异性。2018年，皮单宁含量、籽单宁含量、品质指数最小值的施肥处理均为T1，分别为0.65 mg/g、0.08 mg/g、0.09；其最大值的施肥处理均为T13，分别为2.48 mg/g、4.10 mg/g、0.44。2019年，皮花色苷和皮单宁含量最小值施肥处理均为T12，分别为1.79，0.76 mg/g；籽单宁含量和品质指数最小值施肥处理均为T5，分别为0.31 mg/g 和0.23。2020年，皮花色苷含量和品质指数的最小值施肥处理均为T2，分别为1.10 mg/g和0.12；皮花色苷、籽单宁含量和品质指数的最大值施肥处理均为T11，分别为3.55 mg/g、12.26 mg/g和0.88。其他指标的极值处理组表现不同。由此说明，各施肥效果可能还会受当年气象因子的影响，如降雨量和温度等。

表2 不同施肥处理对果实酚类物质含量和品质指数的影响Tab.2 Effects of different fertilization treatments on fruit phenolic content and CI

2.2 各组织部位矿质元素之间及与品质指数的相关性分析

由表3可知，叶片、叶柄与果实矿质元素含量间存在较为复杂的协同与拮抗作用。叶片、叶柄Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、B与果实N均极显著相关(P<0.01)。叶片、叶柄Ca、Mn、Zn、B与果实P均极显著相关(P<0.01)。叶片、叶柄N、Ca、Mg与果实K均极显著相关(P<0.01)。叶片、叶柄N、P、Ca、Mn、Zn、Cu与果实Ca均极显著相关(P<0.01)。叶片、叶柄Ca、Mg、Fe与果实Fe均极显著相关(P<0.01)。叶片、叶柄N、P、Mn、Zn、Cu与果实Mn均极显著相关。叶片、叶柄P、Ca、Mg与果实Zn均极显著相关(P<0.01)。叶片、叶柄N、P、Mn、Zn、Cu与果实Cu均极显著相关(P<0.01)。叶片、叶柄Mn、Zn、B与果实Cu均极显著相关。由表4可知，转色期果实N、成熟期果实P、转色期果实K、转色期叶片Ca、盛花期花序Mg、转色期果实Fe、盛花期叶片Mn、成熟期果实Zn、盛花期叶柄Cu、转色期叶柄B、盛花期叶片Mo与品质指数相关性最强，且均达到显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平，其相关系数分别为-0.500，-0.459，0.461，0.523，0.434，-0.534，0.491，-0.440，-0.488，-0.543，-0.345。因此，选择上述各生育期、组织部位的元素作为植株营养诊断因子。

表4 梅乐葡萄植株矿质元素含量与品质指数的相关系数Tab.4 Correlation coefficient of mineral element content and CI of Merlot plant

2.3 基于品质指数的高优园营养诊断

根据植株营养诊断因子元素含量的累积方差函数与品质指数的关系得知(图1)，各元素高优园的拐点值分别为：YN=0.724 8，YP=0.819 2，YK=0.675 7，

YCa=0.675 4，YMg=0.714 3，YFe=0.674 6，YMn=0.684 4，YZn=0.729 0，YCu=0.628 5，YB=0.643 2，YMo=0.735 5，YR=0.696 7。高优园临界值选取原则是取研究数据范围内拐点值最高，且高优群体数量达12%以上[22]。因此，选择0.735 5作为划分高优园的临界值，有7个满足此条件的果园，占总体采样园的14.58%。同时，依据高、低优果园的植株矿质元素含量特征分布(表5)，确定高优园矿质元素含量适宜范围为：N(8.85～11.81)mg/g、P(1.98～4.26)mg/g、K(14.97～20.70)mg/g、Ca(35.57～68.83)mg/g、Mg(3.69～15.51)mg/g、Fe(70.96～103.26)mg/kg、Mn(166.20～277.67)mg/kg、Zn(10.71～20.27)mg/kg、Cu(9.54～14.90)mg/kg、B(11.44～17.07)mg/kg、Mo(0.69～1.60)mg/kg。

由表5可知，高优园和低优园植株矿质元素含量除Zn、Cu和Mo外均存在显著性差异(P<0.05)。其中，低优园的K、Ca、Mg、Mn含量分别显著较高优园低24.32%，42.52%，45.75%和25.27%，而低优园的N、P、Fe、B含量分别显著较高优园高38.74%，72.72%，144.97%和48.11%。低优园除Mg外，其他元素含量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。由此说明，蓬莱产区梅乐葡萄叶片、叶柄、花序/果实矿质元素为开展营养诊断提供了良好的试验材料。

2.4 基于品质指数的低优果园需肥顺序

图1 植株矿质元素含量累积方差函数与品质指数之间的关系Fig.1 Relationship between cumulative variance function and CI

表5 不同果园梅乐葡萄各组织矿质元素含量Tab.5 Contents of mineral elements in various tissues of Merlot grapes in different orchards

3 结论与讨论

3.1 元素间的相互作用影响果实品质

矿质元素的丰缺状况与酿酒葡萄品质有着密切关系。然而，矿质元素在植株体内并不是孤立地发挥作用，而是相互间存在着协同与拮抗等复杂联系[23]。本研究表明，蓬莱产区梅乐葡萄叶片、叶柄与果实各矿质元素间同样存在显著的协同与拮抗关系。其中，梅乐葡萄叶片K与果实Fe、叶片B与果实P均极显著正相关，与马宗桓等[24]关于黑比诺酿酒葡萄叶片K与果实Fe、叶片B与果实P均显著负相关的研究结果相似。葡萄叶片是其执行光合作用，并合成营养的重要组织部位[25]，对果实的生长发育和品质形成至关重要。有研究表明，叶片中N、Fe、Mn、Zn元素在促进叶绿素合成、增强光合作用等方面发挥重要作用[26]。梅乐葡萄果实P与叶片N、Mn、Zn显著负相关，果实中适量的P能促进果实发育和提高果实品质[27]。梅乐葡萄果实K与叶片N、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、B显著或极显著正相关，K对果实膨大、着色、成熟和改善果实品质等方面影响较大[27]。梅乐葡萄果实Cu与叶片Mg、Fe、Mn、Zn、Cu极显著负相关，Cu可以催化果实内部蛋白质和碳水化合物的形成[26]。梅乐葡萄果实Ca与叶片、叶柄Ca极显著负相关，说明叶片、叶柄Ca能够有效地转运到果实，供其参与细胞壁的合成[28]。由此可见，在梅乐葡萄生长发育过程中，各组织部位的矿质元素均衡利用非常重要，明确各组织部位、各矿质元素含量的适宜值范围，对于指导其合理施肥尤为重要。

表6 土壤肥力因子对品质指数的影响力与最佳施肥配比Tab.6 The influence of soil fertility factors on CI and the theoretical optimum fertilization ratio

3.2 各矿质元素含量适宜值范围的确定

目前，酿酒葡萄植株营养诊断标准多依靠经验或年平均高产园矿质元素含量进行制定，鲜见涉及基于果实品质综合评价的诊断标准[29-30]。花期作为果树生长发育的关键阶段，直接影响果实产量及品质，与叶片营养诊断相比，花器官诊断具有一定的前瞻性[31-32]。另有研究表明，叶柄可作为马哈密地区葡萄[33]、山葡萄[34]、葡萄[35]、赤霞珠[36]等营养诊断的取样部位。因此，与过去凭借单一品质、单一器官或单一生育期的营养诊断研究相比，本研究通过不同生育期、不同组织部位各矿质元素含量的累积方差函数与品质指数建立关系，由此获得的诊断结果对实际生产的指导意义更强。相关性分析结果表明，转色期果实N、成熟期果实P、转色期果实K、转色期叶片Ca、盛花期花序Mg、转色期果实Fe、盛花期叶片Mn、成熟期果实Zn、盛花期叶柄Cu、转色期叶柄B、盛花期叶片Mo与品质指数相关性最强，所以将其定义为蓬莱产区梅乐葡萄基于品质指数的营养诊断因子。

选择使用CND多元分析法，计算出本研究是针对蓬莱产区梅乐葡萄植株营养元素含量开展的，利用单一产区的标准参比值针对性更强[16]，误差小、确诊率高。根据CND多元分析法[16]，确定高低优果园品质指数的临界值为0.735 5，其中高优果园共有7个，占总体采样园的14.58%。依据高优果园矿质元素特征，确定各营养诊断因子的适宜范围分别为：N(8.85～11.81)mg/g、P(1.98～4.26)mg/g、K(14.97～20.70)mg/g、Ca(35.57～68.83)mg/g、Mg(3.69～15.51)mg/g、Fe(70.96～103.26)mg/kg、Mn(166.2～277.67)mg/kg、Zn(10.71～20.27)mg/kg、Cu(9.54～14.90)mg/kg、B(11.44～17.07)mg/kg、Mo(0.69～1.60)mg/kg。与郑永强等[37]研究结果相似，本研究中，低优果园除Mg外，其他元素的变异系数均高于高优果园。由于植株营养元素含量随砧木、树龄、品种、采样时期、气候条件等因素的不同而存在很大差别[38-39]。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使用的可靠性。

3.3 低优园树体营养状况及施肥建议

本研究表明，蓬莱产区梅乐葡萄低优园植株K、Ca、Mn、Mg表现偏低。由“5416”试验的研究因素的限制，目前只能研究N、P、K、Ca、Mg共5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N2P3K1Ca2Mg3，建议减施N、Ca肥，平衡施用P、Mg肥，不施K肥。Ca和Mg营养诊断结果与正交试验方差分析结果一致，所以植株Ca和Mg元素缺乏可能是由肥料施用不足或土壤保肥能力较弱造成的，因此Ca和Mg肥施用原则应少量多次，合理控制施用时间，以避开雨量较大的生育期。K元素植株营养诊断结果与正交试验方差分析结果不一致，土壤中K、含量表现为丰富，说明植株K元素的缺乏可能是蓬莱产区的灌溉条件较差，水肥得不到合理的配合施用，影响了树体营养的吸收，造成了营养缺乏。由于土壤酸化趋势日益严重，多种植物所需微量元素难以从土壤中吸收[40]。因此，在今后的果园管理中应对水肥进行科学管理，通过叶面喷施适当补充Mn元素。