氮肥减量配施包膜尿素对阳光玫瑰光合特性、产量及品质的影响

胡文峰,周 旋,黄粤林,徐章倩,张慧如,杨 威,杨向东,彭建伟

(1.湖南农业大学 资源学院,土肥高效利用国家工程研究中心,湖南 长沙 410128;2.湖南省土壤肥料研究所,湖南 长沙 410125;3.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所,北京 100081)

葡萄(Vitisvinifera)是一种重要的鲜食果品和加工原料。近年来,随着种植业结构的调整和市场经济的深入发展,我国葡萄栽培面积不断扩大[1]。葡萄是蔓性果树,具有生长旺盛、营养生长迅速的特点,从展叶—开花期前后对氮(N)素的需求最大,后期果实膨大,成熟时间短。生产上施用速效N肥,一般提倡分次施用,但部分果农为追求效益最大化,常常通过增加施用量来提升葡萄产量,忽略果实品质的提高,造成资源浪费和环境污染等问题[2],而施肥不合理会使肥效不明显,或后期脱肥[3]。因此,合理施肥是葡萄树体正常生长及优质丰产的营养保证[4]。

缓控释肥料施入土壤中能缓慢释放其养分,具有缓效性或长效性[5-6],在减少施肥次数、降低施肥成本和养分流失、提高肥料利用率、改善作物产量品质等方面具有广泛的应用潜力[7-8]。目前,缓控释肥的包膜材料研究方向已由无机向有机转变,尤其是高分子聚合物控制效果良好,易降解,且对环境无污染[9]。其中聚氨酯(PUR)全称为聚氨基甲酸酯,作为包膜材料用于制备控释肥时,具有生产成本低、制备工艺简单、易实现连续化等特点,发展前景好[10]。故开展聚氨酯包膜尿素在经济作物中的化肥减量增效研究具有重要意义。

果树的生长周期长,可通过实时获取叶片中叶绿素水平,掌握其生长状况,从而指导科学合理的施肥,促进优质高效生产[11]。而单一测定葡萄叶片某一位点的SPAD值,不能准确代表叶片叶绿素含量[12],仍需加强精准监测。玫瑰香型阳光葡萄(Vitislabrusca×vinifera,Shine muscat)成熟后果皮呈绿黄色,果肉脆硬,有类似玫瑰香味,其外观规则整齐,抗病性强,难裂果,鲜食品质好,耐贮藏,有很好的经济效益而备受市场欢迎[13-14]。目前,关于包膜控释肥料在鲜食葡萄阳光玫瑰种植中的生长效应研究鲜有报道[15]。本研究根据阳光玫瑰生长中的需肥规律,采用田间小区试验研究不同N肥减量配施聚氨酯包膜尿素比例对鲜食葡萄光合特性、果实产量及品质的影响,以分析葡萄生长发育特征,评价在葡萄上施用缓控释肥的产量效应,筛选出合适的肥料配比及施用量,为其在葡萄栽培中的推广应用、鲜食葡萄合理施肥技术体系的建立提供科学理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018年10月—2019年10月在湖南省长沙市长沙县干杉镇阳光葡萄园内进行,该园栽培模式为U型架简易钢架大棚避雨栽培。该地区属亚热带湿润气候,水热充足,年均气温17.6 ℃,全年无霜期260 d,年均日照时数1 510.9 h,年均降水量1 472.9 mm。供试土壤成土母质为河湖沉积物,其土壤基本理化性质为:pH值5.81,有机质36.12 g/kg,全氮1.00 g/kg,全磷0.32 g/kg,全钾7.19 g/kg,碱解氮100.17 mg/kg,速效钾173.67 mg/kg,速效磷9.56 mg/kg。

1.2 供试材料

供试鲜食葡萄品种为玫瑰香型阳光玫瑰,嫁接贝达砧木,树龄3 a,树势健壮,长势基本一致,屋脊式棚架栽培。供试肥料为菜籽饼肥、聚氨酯包膜控释尿素(氮释放期90 d,N含量44%)、普通尿素(N含量46%)、钙镁磷肥(P2O5含量12%)、硫酸钾(K2O含量52%)。

1.3 试验设计

采用田间试验,每小区6株。共设置7个处理:①农民习惯施肥(Conventional fertilization,CF),全年化学N施用量为465 kg/hm2;②等N量配施包膜尿素(Coated urea,1.0N+CU),包膜尿素替代30%施N量;③减N10%配施包膜尿素(0.9N+CU),包膜尿素替代30%施N量,再减N10%;④减N20%配施包膜尿素(0.8N+CU),包膜尿素替代施N量30%,再减N20%;⑤减N30%配施包膜尿素(0.7N+CU),包膜尿素代替30%施N量,再减N30%;⑥减N40%配施包膜尿素(0.6N+CU),包膜尿素替代30%施N量,再减N40%;⑦无化学N肥处理(CK)。各处理P2O5、K2O用量分别为210,450 kg/hm2。重复3次,随机区组排列。小区长7.5 m,宽5 m,面积37.5 m2。

所有处理都于冬前条施(深30～50 cm)已发酵菜籽饼肥4 500 kg/hm2作基肥,磷钾肥施用量和方式均相同。包膜尿素、磷肥作基肥一次性施用,钾肥按基肥、萌芽肥、花前肥、膨果肥分别占总钾量的15∶15∶15∶55比例施用。2018年10月15日施基肥,2019年4月5日第1次追肥,5月2日第2次追肥,6月20日第3次追肥。每次施肥时开沟均匀施入。土壤施肥在距离主干基部30 cm处,挖宽20 cm×长50 cm深条沟施入。各处理施肥用量详见表1。采用单沟双行栽植,株行距224 cm×250 cm,栽培密度为1 800株/hm2。疏花疏果情况基本保持一致,施肥、灌水和病虫害防治等同常规管理。

表1 鲜食葡萄不同时期氮肥施用方案Tab.1 Nitrogen fertilizer application scheme of table grape at different growth stage kg/hm2

1.4 测定项目与方法

1.4.1 产量及其构成因素测定 采收于2019年9月29日果实成熟时,各处理随机抽取葡萄树3株中果穗5个,测定穗质量、十粒质量和果粒横、纵径,计数穗粒数,并测产[16]。

1.4.2 叶片叶绿素SPAD值测定 分别于葡萄生长萌芽期、花期和果实膨大期等关键生育期,选择各处理区生长状况相似的葡萄树,选取枝蔓基部向上连续3片叶(+1、+2、+3),分别采用SPAD-502型便携式叶绿素仪测定,重复3次。

1.4.3 叶片光合作用测定 于葡萄果实膨大期,选择各处理区生长状况一致的葡萄树,选取枝蔓基部第3个叶片,采用Li-6400便携式光合仪(Li-COR,美国),于晴天9:00—12:00测定功能叶净光合速率(Pn)、气孔导度(GS)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)等参数。控制条件如下:CO2浓度400 μmol/mol,温度30 ℃,光照1 200 μmol/(m2·s)。3次重复,求其平均值。

1.4.4 果实品质指标测定 于葡萄果实成熟时采收,各小区分别随机摘取3穗葡萄,测定葡萄果粒总糖、维生素C(VC)、可滴定酸和可溶性固形物等品质指标。果实总糖含量采用蒽酮比色法测定。果实VC含量采用2,6-二氯酚靛酚钠滴定法测定。果实可滴定酸含量采用NaOH滴定法测定。可溶性固形物采用手持式折光测糖仪测定。

1.5 数据分析

采用Excel 2016对试验数据进行处理,用SPSS 19.0软件对鲜食葡萄产量、品质及光合特性等数据进行单因素方差分析及最小显著差异性检验(Duncan′s新复极差法)。

2 结果与分析

2.1 叶片叶绿素含量

由表2可知,阳光玫瑰整个生育期各处理不同叶位叶绿素含量大小基本表现为+1>+2>+3。在萌芽期—开花期,CF处理葡萄叶片SPAD值略高于配施控释肥处理,且随着施N量的减少而呈先升后降的趋势,平均值分别于0.9N+CU和0.8N+CU处理出现峰值。说明包膜控释肥施用较常规施肥前期养分释放缓慢,会影响葡萄生长前期叶片中叶绿素的形成。鲜食葡萄果粒膨大期施N处理+1、+2、+3叶片SPAD值平均值较CK处理增幅为0.61%～3.68%。与CF处理相比,1.0N+CU、0.9N+CU、0.8N+CU、0.7N+CU和0.6N+CU处理鲜食葡萄膨大期叶片SPAD值平均值分别提高1.22%,3.05%,2.10%,1.40%,0.60%。与1.0N+CU处理相比,0.9N+CU、0.8N+CU和0.7N+CU处理叶片SPAD值分别提高1.80%,0.87%,0.17%,而0.6N+CU处理降低0.61%。说明配施包膜控释肥能有效提高葡萄膨大期叶片叶绿素含量,可能是由于生育后期养分供应平衡且释放充足,确保葡萄植株正常生长,而农民习惯施肥处理后期养分释放不均衡导致叶绿素含量降低。

表2 不同氮肥处理下鲜食葡萄各生育期葡萄叶片叶绿素含量Tab.2 Chlorophyll content of leaves of table grape at different stages under different N fertilization treatments

2.2 鲜食葡萄叶片光合特征

由表3可知,鲜食葡萄施N处理果实膨大期功能叶净光合速率较CK处理增幅为6.91%～24.39%,而胞间CO2浓度与净光合速率的变化趋势相反。说明施用N肥能有效提高葡萄生育中后期叶片气孔导度,降低胞间CO2浓度,增强叶片的光合、同化作用。与CF处理相比,1.0N+CU、0.9N+CU、0.8N+CU、0.7N+CU和0.6N+CU处理果实膨大期功能叶净光合速率分别提高7.44%,8.82%,16.35%,4.02%,0.70%。说明在一定用量范围内,N肥减量配施包膜控释肥有利于供给葡萄生长所需养分,提高叶片蒸腾速率,调节气孔开闭,增强CO2同化能力,促进叶肉细胞的羧化效率,增加净光合速率,且随着减N量的增加而出现先升后降的趋势。

表3 不同氮肥处理下鲜食葡萄果实膨大期功能叶光合特征参数Tab.3 Photosynthetic parameters of functional leaves of table grape at puffing period under different N treatments

2.3 鲜食葡萄产量及其构成因素

由表4可知,鲜食葡萄各处理单穗果粒数以CF处理最低,0.8N+CU处理最高,配施包膜控释肥处理随着N肥用量的降低,单穗果粒数先增加后减少。与1.0N+CU处理相比,0.9N+CU、0.8N+CU、0.7N+CU和0.6N+CU处理鲜食葡萄单穗果粒数分别提高5.71%,12.07%,9.59%,0.64%。说明N肥适当减量配施包膜控释肥能提高阳光玫瑰单穗果粒数。鲜食葡萄各处理单穗质量以CK处理最低,0.9N+CU处理最高,配施包膜控释肥处理随着N肥用量的降低,单穗质量呈先升后降趋势,但处理间差异不显著。十粒质量各处理为104.96～116.35 g。鲜食葡萄施N处理果实产量较CK处理增幅为5.73%～49.16%。说明施用N肥能有效提高鲜食葡萄果实产量。与CF处理相比,1.0N+CU、0.9N+CU、0.8N+CU和0.7N+CU处理果实产量分别提高10.67%,28.11%,32.91%,11.57%,而0.6N+CU处理减产5.79%。随着N肥施用量的降低,配施包膜控释肥处理葡萄果实产量呈先增后降趋势,以0.8N+CU处理效果最好。与1.0N+CU处理相比,0.9N+CU、0.8N+CU和0.7N+CU处理果实产量分别提高15.76%,20.09%,0.81%,而0.6N+CU处理减产14.88%。说明N肥适当减量配施包膜控释肥的养分释放过程能与葡萄需肥规律同步,而实现增产。

表4 不同氮肥处理下鲜食葡萄产量构成因素Tab.4 Yield components of table grape and its components under different fertilization treatments

2.4 鲜食葡萄果实品质

由表5可知,施N处理中鲜食葡萄可溶性固形物、VC含量均以0.9N+CU处理最高,CF处理最低;与CF处理相比,N肥减量配施包膜控释肥处理可溶性固形物和VC含量增幅分别为2.8%～7.4%,3.5%～7.7%。施N处理中鲜食葡萄总糖含量以0.8N+CU处理最高,CF处理最低,与CF处理相比,N肥减量配施包膜控释肥处理总糖含量增幅为1.5%～9.5%,但差异不显著。施N处理中鲜食葡萄可滴定酸含量以0.6N+CU处理最高,0.9N+CU处理最低。与CF处理相比,1.0N+CU、0.9N+CU处理鲜食葡萄可滴定酸含量分别降低1.6%,2.4%,而0.8N+CU、0.7N+CU、0.6N+CU处理分别增加0.1%,1.9%,4.7%。各处理鲜食葡萄固酸比、糖酸比处理间差异不显著,变幅分别为8.24～9.54,77.11～91.46。说明适量降低N肥用量配施包膜控释肥鲜食葡萄果实可溶性固形物、VC和总糖含量与常规施肥差异不大,甚至表现更好;而过多减少N肥施用会增加果实可滴定酸含量,降低浆果的食味品质。

表5 不同氮肥处理下鲜食葡萄的果实品质性状Tab.5 Fruit quality of table grape under different N treatments

2.5 叶绿素SPAD值与葡萄品质性状指标的相关分析

由表6可知,鲜食葡萄果实可溶性固形物和VC含量与萌芽期、花期、膨大期各叶位叶片SPAD值呈正相关,其中膨大期+2、+3及平均值达显著性水平(r>0.850)。果实总糖含量与萌芽期、花期、膨大期各叶位叶片SPAD值呈正相关,其中,花期+3、膨大期+3及平均值达显著性水平(r>0.790)。果实总酸与不同生育期各叶位叶片SPAD值均呈负相关(-0.254～-0.939**)。而糖酸比和固酸比与不同生育期各叶位叶片SPAD值呈正相关,其中花期和膨大期平均值达显著性水平(r>0.790)。膨大期+1、+2、+3叶位叶绿素SPAD值平均值与鲜食葡萄各品质性状指标(总酸除外)相关性呈显著或极显著正相关。说明葡萄膨大期叶绿素SPAD值平均值与品质性状指标的线性拟合回归方程最优。

表6 不同叶位叶绿素SPAD值与品质性状的相关性Tab.6 Correlation between SPAD value and quality traits of table grape

3 结论与讨论

3.1 氮肥减量配施包膜尿素对鲜食葡萄叶片叶绿素及光合特性的影响

研究认为,叶片光合能力及光合功能期的长短会对葡萄花芽及浆果产量、品质的形成产生直接影响[17-18]。本研究中,施肥处理鲜食葡萄功能叶各生育期叶绿素含量均有所增加,果实膨大期净光合速率高于对照,这主要是由于N素水平提高促进葡萄叶片叶绿素的合成,从而增加SPAD值[19],SPAD值又与葡萄品质有密切联系。此外,农民习惯施肥处理在葡萄生长萌芽期SPAD值高于包膜控释肥处理,而中后期却与包膜控释肥处理相近或降低,可能是由于聚氨酯包膜尿素能有效保障生长后期N肥的持续释放,避免土壤对肥料的固定与流失,维持植株正常营养需求与健康生长,利于叶绿素合成。迟丽华等[20]研究发现,葡萄减量25%控释肥处理叶绿素等生理指标均有一定程度的提高。与本研究结果相似,N肥适宜减量配施包膜控释肥能有效延缓葡萄叶片的衰老,但减施30%后则造成叶片光能利用能力的显著下降。

相关研究表明,施用包膜肥料可改善巨峰葡萄叶片的光合特性,降低气孔导度和蒸腾速率[21-22]。本研究中,农民习惯施肥处理葡萄生长后期养分不均衡导致阳光玫瑰叶片光合速率降低,而包膜控释肥施用由于养分供应平衡且充足,利于叶片气孔开放,改善叶肉细胞CO2的供应能力,从而提高葡萄后期的光合能力,促进光合产物的形成和转运,但是随着施N量的降低,叶片净光合速率整体呈下降趋势。这与程杰山等[23]研究结果相似,超过300 kg/hm2后,增加施肥量对巨玫瑰叶片净光合速率未有显著影响。因此,适宜N肥减量施用鲜食葡萄能降低叶片胞间CO2浓度,促进叶肉细胞的羧化效率,提高CO2同化速率,并延长叶片光合功能期,但N肥过量减施将会降低叶片的同化作用。

3.2 氮肥减量配施包膜尿素对鲜食葡萄产量及产量性状的影响

研究表明,缓控释肥能有效保证N素的持续供应,促进碳水化合物的合成,有效增加葡萄果实单果质量,并显著提高单位面积产量[5,24]。但N肥施用过量会导致葡萄的枝梢徒长,降低新生枝条和根系木质化程度,影响其越冬能力,进而出现大量落果,降低产量[25]。吴建平等[26]研究指出,在P、K用量相同的前提下,葡萄产量随着施N量的增加而升高,超过562.5 kg/hm2后产量有所降低。故N对葡萄产量的作用大于P和K,单穗质量、单粒质量和产量随着施N量的增加而增加,而超过一定范围,产量不增反降[27],主要原因是前期速效养分过多造成茎叶徒长,或肥料集中施入导致对根系的伤害而减产[28]。迟丽华等[20]研究表明,设施葡萄减量25%控释肥较对照增产41.6%。刘慧颖等[21]研究认为,包膜加抑制剂常规施肥减量20%处理效果最好,较对照和常规施肥处理分别增产35.41%,10.52%。这与本研究结果相似,N肥减量10%～20%配合包膜控释肥处理鲜食葡萄的产量最高。

车俊峰[29]研究认为,葡萄栽培过程中N素过多易造成树势徒长,成花坐果质量差;而树势弱坐果多。刘助生等[27]研究发现,单穗质量、单粒质量和产量在一定范围内随着施N量的增加而增加。而施用控释N肥能提高葡萄的穗质量、穗粒数、粒质量[2]。王佳武等[30]研究认为,控释肥有助于葡萄生长发育,降低生理落果率,显著提高果穗质量、果实横径。本研究中,鲜食葡萄配施包膜控释肥与农民习惯施肥相比,在果穗纵径、单穗质量上未有显著差异,但单穗果粒数有所增加。研究发现,巨峰葡萄施用控释肥后,穗质量、粒质量、单穗果粒数和粒径等明显增加[31-33]。本研究中,配施包膜控释肥能显著提高阳光玫瑰果实穗粒数,而农民习惯施肥植株营养生长过旺,果穗开花后落粒情况较严重,而N肥减量配施包膜控释肥能有效提高鲜食葡萄单穗果粒数,减少生理落果。

3.3 氮肥减量配施包膜尿素对鲜食葡萄果实品质的影响

曾庆华等[34]研究得出,N肥施用能极显著升高北玫葡萄果实VC含量和甜度,降低总酸度。而刘慧颖等[28]研究发现,尿素一次性施用可溶性糖含量虽不是很高,但对糖酸比有促进作用。这与本研究结果相似,施用N肥能有效降低鲜食葡萄果实酸度,提高糖酸比。但N肥过多会使植株枝梢生长过旺,从而影响葡萄果实产量与品质形成[35-36]。吴月燕等[4]研究发现,N肥施用量越多,大棚葡萄枝条越徒长,着果率越低,有些品种无产量,且品质较差。但施用缓控释肥养分释放缓慢、肥效期长,可满足作物整个生育期对养分的需求,促进葡萄植株生长,利于改善品质性状[31]。魏建林等[2]研究发现,与习惯施肥相比,葡萄施用控释肥后可溶性糖和VC含量明显提高,但糖酸比变化不大[28]。迟丽华等[20]研究认为,施用控释肥150 g/株能使设施葡萄果实含糖量更高、硬度最小,相对品质最佳、口感最好。本研究中,配施聚氨酯包膜尿素较农民习惯施肥,能促进鲜食葡萄果实可溶性固性物的积累,增加总糖及VC含量,降低有机酸含量,提高糖酸比,从而增强果实风味和品质,更能满足市场需求。

一般而言,葡萄成熟期主要对K素需求高,配以适量的P,但需控制N肥的施用[37]。吴建平等[26]研究认为,葡萄施肥600 kg/hm2固酸比最低,且随着施肥量的增加呈上升趋势,可溶性固形物也显著提高[38],但施肥量与可滴定酸含量不呈线性相关,可能与土壤肥力、气候条件、植株生长状况等多种因素有关[31]。本研究中,聚氨酯包膜尿素对N素具有控释效果,促使阳光玫瑰果实含糖量更高,酸度更低,品质更好,在一定程度上改善鲜食葡萄口味[30],但后期N的缓慢释放可能会造成与K的拮抗作用[37],而间接影响糖酸比。故N肥适宜减量配施包膜尿素处理鲜食葡萄在糖酸比、固酸比等品质方面均优于等量施肥处理。

本试验条件下,葡萄园施用聚氨酯包膜尿素能缓慢释放所含养分,为阳光玫瑰生长提供持续充足的营养,促进叶片叶绿素的合成,利于光合作用,增加单果粒及果穗质量,从而提高鲜食葡萄产量。适宜N肥减量施用将进一步提高鲜食葡萄的产量及品质,但减施超过30%N会导致减产和品质下降,降低阳光玫瑰的种植效益。