李玉梅， 王小龙， 马玉全， 张艺灿， 王海波

(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/辽宁省落叶果树常量营养与肥料高效利用重点实验室，辽宁兴城 125100)

土壤作为陆生植物生活的基质，不仅为植物的生存提供必需的营养和水分，更是影响植物的生长发育和高产优质。因此，对土壤养分进行全面客观的评价是制定科学合理的土壤施肥制度的基础[1]，对于提高肥料利用率、减少盲目施肥与过量施肥造成的农业污染和资源浪费以及农业生产具有重大的指导意义。对于营养诊断的研究很早就已经开始，且诊断方法与技术也已经非常成熟。目前，常用的营养诊断方法主要有Beaufils提出的营养诊断与施肥建议综合法(DRIS)[2]和Parent提出的成分营养诊断法(CND)[3]，而CND是通过数据分析将二元分析方法DRIS拓展得到的一种多元分析方法，因该方法可以同时明确所有分析元素间的互作关系，所以是农业生产中较常用的一种营养诊断方法。而营养诊断对象的选择目前的研究主要集中于对农作物本身的诊断研究[4-6]，对于土壤的营养诊断较少，且主要基于对某单一或少数元素[7-11]或基于建立产量与土壤营养诊断之间关系的研究[10，12-14]。所以，在此基础上本研究致力于建立全面可靠的葡萄果实品质与土壤营养诊断的关系，通过利用CND法构建土壤矿质养分与果实品质指数关系模型，明确针对获得优质葡萄果品的适宜土壤矿质养分含量范围，初步明确限制葡萄果实品质发展的土壤矿质养分因子，明确葡萄园土壤中有效态矿质元素的丰缺情况并制定基于获得优质果品时的各矿质元素对应的精确采样时期和土层指标，能很大程度上减少成本和工作量，并尽可能地减少全范围取土对土壤结构的破坏，以期为葡萄栽培生产中获得优质果品提供理论指导和因地制宜施肥提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究于2018年5—9月底分别于河南省农业科学院豫东试验基地(113.69°E，34.76°N)采集16个试验园的土壤样品192份和湖北省农业科学院果树茶叶研究所基地(114.34°E，30.50°N)采集16个试验园的土壤样品192份。河南省(豫东)葡萄园土壤类型为轻质潮土，土壤pH 值为6.9，有机质含量为12.9 g/kg，中等肥力水平[15]；栽植行距×株距为 3 m×1 m，南北行向，高宽垂架势，树龄4年，施肥灌水按常规管理进行。湖北省(武汉)葡萄园为红壤土、低洼地垄田，土壤pH值为7.0～7.5、有机质含量为13.6 g/kg，肥力中等，栽植行距×株距为 3 m×1.7 m，高干“Y”树形；树龄5年，肥水常规管理。

土壤样品采集方式：以树体主干为圆心，30 cm为半径的圆周采集8～10处0～20、20～40、40～60 cm 的土样，然后分层混合均匀获得0～20、20～40、40～60 cm的土样各1份，共3份，每份500 g，采样时期选择初花期、末花期、转色期和成熟期4个生育期。32个试验园共计采样384份。

果实采集方式：于果实成熟期采集果粒，每试验园选择长势中庸且健康的树体3棵，每棵树采集2串果穗，32个试验区共采集(3×2×32)串果穗用于测定品质指标。

1.2 试验方法与测定指标

土壤样品采集后置于室内阴凉通风处自然风干，风干后研磨去除杂质并过2 mm筛，保存待测。土壤样品测定有效态矿质元素氮(速效氮)、磷(速效磷)、钾(速效钾)、钙(交换性钙)、镁(交换性镁)、铁、锰、铜、锌、硼、钼(下文提及的各矿质元素均为有效态的元素)的含量。其中，速效氮和速效磷含量的测定使用流动分析仪[16-17]；有效态钾、钙、镁等其他矿质元素的测定使用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)[18]。

果实品质测定的指标参照王海波等的方法[19]确定为单粒质量和可溶性固形物含量2个指标，单粒质量通过电子天平测量，而可溶性固形物含量利用手持式折光仪测定。所有测定指标均进行3次重复。

1.3 数据分析

采用Excel 2010对土壤矿质养分数据进行统计分析，采用SPSS 20.0软件，通过单因素(One-Way ANOVA)和Duncan’s法进行方差分析和多重比较(α=0.05)；利用Pearson’s法对土壤各矿质元素间以及矿质元素与果实综合品质指数进行相关性分析(α=0.01)；综合品质指数是采用DPS 7.5数据处理系统中的Topsis综合评价法对品质指标赋予固定权重后计算而得，而各品质指标所占权重采用李思佳研究提供的经过国家葡萄产业体系通过对消费者和零售商的实际调研，然后利用层次分析法确定的值，即代表外观品质的单粒质量的权重是0.236，代表口感的可溶性固形物权重是0.573[20]。

2 结果与分析

2.1 土壤中各矿质养分含量

对照第2次全国土壤普查的养分分级标准[15]，由表1知，在河南地区的葡萄园土壤中，速效氮含量在果实成熟期较高，处于很丰富甚至极丰富的水平；有效磷含量则在末花期相对较高，超过分级表的极丰富(>40 mg/kg)水平；速效钾含量在0～20、20～40、40～60 cm等3个土层中都表现为在果实转色至成熟阶段较高，且均超出极丰富(>200 mg/kg)水平；土壤可交换性钙含量在各时期的不同土层中均处于中等水平；可交换性镁含量在不同土层中则呈现出随土层深度增加而递增的趋势。微量元素中，铁、锰、铜和锌元素的含量较高，铁和锰元素均超出了很丰富水平，铜和锌元素则都在丰富水平以上，硼元素处于中等至丰富水平，而钼元素则处于极缺乏水平。在湖北地区的葡萄园土壤中，3个土层的速效氮含量都在末花期相对较高，而转色至成熟阶段则相对较低，处于中等甚至以下水平；有效磷含量在3个土层中均集中在转色期较高，远超出极丰富水平，而速效钾含量在0～20 cm土层中表现为初花期较高，但在20～40、40～60 cm土层中均表现为果实转色期含量高，土壤可交换性钙含量在3个土层中均较低，呈缺乏水平。土壤可交换性镁含量也表现为0～20 cm土层中初花期较高，而20～40、40～60 cm土层中则集中在果实转色至成熟期相对较高。而微量元素中，铁、锰、铜和锌元素含量较高，均超出了分级表上各自的最高水平；硼元素含量则位于中等甚至缺乏水平，钼元素含量较低，处于极缺乏(<0.1 mg/kg)水平。

2.2 土壤各矿质养分诊断因子确定

由表2知， 不同生育期的各矿质元素与果实品质存在不同程度的相关性，尤其表现在钙、铁、锰、铜和锌元素与果实品质相关性较强。钙元素和铁元素在各时期与果实品质均呈极显著相关；锰元素除在0～20 cm土层中的转色期和成熟期与果实品质无显著相关性以及在20～40 cm土层的末花期、40～60 cm土层的转色期与果实品质呈显著相关外，其他时期与果实品质均呈极显著相关；3个土层的铜元素除了在成熟期与果实品质的显著性较弱外，其他时期与果实品质均呈极显著相关；而锌元素仅在20～40 cm土层中成熟期时与果实品质呈显著相关，其他时期也均呈极显著相关。根据CND理论，应按照土壤中各矿质元素与果实品质最相关且相关系数最大的原则确定各矿质元素诊断的最佳取样时期和取样部位。因此确定的土壤各矿质元素的最佳取样时期和取样部位分别为：选择转色期40～60 cm土层中的速效氮含量进行土壤氮素营养诊断；选择初花期20～40 cm土层的有效磷含量进行土壤磷营养诊断；选择末花期40～60 cm土层的有效钾、钙、镁、铜和锌元素，成熟期40～60 cm土层的有效硼，转色期0～20 cm土层的有效铁和转色期20～40 cm土层的有效锰以及转色期40～60 cm的有效钼元素含量分别进行钾、钙、镁、铜、锌、硼、铁、锰、钼的土壤营养诊断，且各元素的相关性及相关系数分别为-0.569**、0.830**、0.649**、0.503**、-0.585**、-0.567**、-0.572**、0.474**、-0.477**。

表2 土壤中各矿质元素含量与品质指数相关性分析

2.3 高优园的划分

将32个采样园的果实品质指数由高到低排序，并根据公式(1)～(5)计算土壤样品中的矿质元素含量参数。

R=100%-(N+P+K+…)；

(1)

G=(N×P×K×…×R)1/(n+1)；

(2)

VN=ln(N/G)，VP=ln(P/G)，VK=ln(K/G)，…，VR=ln(R/G)；VN+VP+VK+…+VR=0。

(3)

式中：N、P、K、…为各元素在土壤样品中的百分含量；R为添加值；n表示研究元素的总个数；VN、VP、VK、…、VR代表分析参数，以下公式中用Vx表示。

fi(Vx)=s2Vxn1/s2Vxn2(n=n1+n2，i=n-3)。

(4)

式中：n为所有采样园个数；n1为每次循环中品质指数最高的采样园数；n2为循环中剩余采样园数；分子s2Vxn1为n1的参数Vx的方差；分母s2Vxn1为n2的参数Vx的方差。第1次循环中n1=2，n2=n-n1；以后每次循环中总是n1+1、n2-1，循环直到最后n2=2时结束，并始终保持n=n1+n2。

(5)

(6)

表3 土壤矿质元素分析参数与品质指数的函数模型

2.4 低优园土壤营养进一步分析诊断

(7)

(8)

(9)

经计算得本研究中夏黑葡萄低优园土壤中各矿质元素的CND诊断指数分别为：IN=-0.70，IP=2.60，IK=-0.67，ICa=-2.89，IMg=-2.60，IB=-6.97，ICu=1.19，IFe=1.41，IMn=3.14，IMo=-2.13，IZn=3.38，IR=-1.86。即表明低优葡萄园土壤中有效态氮、钾、钙、镁、硼、钼含量偏低，有效磷、铜、铁、锰、锌含量相对充足，所以对于低优葡萄园的土壤管理应更注重于对氮、钾、钙、镁、硼、钼等含量偏低元素的检测应适时补施，以提升土壤矿质养分总体含量，从而促进树体发育，提升果实品质。

2.5 适宜养分范围以及分级

依据CND法原理，高优园土壤中各矿质元素的含量即作为获得优质果品的适宜养分范围：速效氮为27.16～157.24 mg/kg，有效磷为0.81～5.77 mg/kg，速效钾为106.80～131.50 mg/kg，可交换性钙为6 492.00～14 260.00 mg/kg，可交换性镁为517.15～708.75 mg/kg，有效硼为0.90～1.20 mg/kg，有效铜为0.86～2.40 mg/kg，有效铁为58.93～100.24 mg/kg，有效锰为81.77～ 88.05 mg/kg，有效钼为0.01～0.03 mg/kg，有效锌为0.94～1.33 mg/kg。

对依据CND营养诊断划分的高优、低优葡萄园土壤中各矿质养分含量进行分级，镁元素含量分级参照李宝鑫等的研究[25]，其他元素分级标准依据全国第2次土壤普查结果[15]。该分级结果与CND营养诊断结果对比发现，CND营养诊断划分的低优园土壤中含量偏低的元素氮、钾、钙、镁、硼、钼在该分级标准下并不都处于较低水平，钾、镁和硼元素含量甚至处于中等至丰富水平。且仅有效铜、铁、锰和交换性钙含量在高优园、低优园土壤中差异显著外，其余元素含量在高优园和低优园土壤中差异并不显著。说明低优园土壤中养分总含量并不低，则引起高优园和低优园果实品质差异的原因可能是低优园土壤中矿质养分间的拮抗作用较严重。除速效氮外，低优葡萄园土壤中的有效磷、钾、交换性钙、镁等矿质元素含量的变异系数均明显大于高优葡萄园。说明28个低优园之间土壤矿质元素含量差异大、矿质养分分布不均衡以及元素间互作关系相对较严重，从而影响了树体对养分的吸收，从而进一步导致葡萄果实品质不佳。

表4 高优、低优园土壤矿质养分含量及养分分级

3 讨论

目前，通过营养诊断技术科学高效掌握土壤养分含量状况以及明确影响果实品质提升的土壤养分限制因子，对于指导农业生产精准施肥、获得优质果品都有重要意义。前人虽然已对不少农作物根际土壤中的部分养分进行了诊断研究，并提出了相应的施肥策略，例如，孙德生等针对黑土区玉米土壤的氮磷钾等进行了营养诊断[8]；佟鑫等对于河北产区赤霞珠葡萄园0～30 cm土层的矿质元素进行了营养诊断，并提出了施肥指导[26]；王莉等对江苏省高产、中产和低产梨园的土壤养分进行了诊断研究[27]；田雪利等测定分析了天津玫瑰香葡萄园土壤养分与葡萄产量的关系[12]。但是，这些研究的不足在于所分析的元素数量少、植物生育期单一、涉及土层单一以及诊断模型主要建立在产量与土壤养分之间的关系上等。而本研究则是选择夏黑葡萄的4个关键生育期，且包含0～20、20～40、40～60 cm等3个土层的11种矿质养分进行营养诊断研究，最终构建了关于夏黑果实品质与土壤矿质养分的关系模型。因此相对来讲诊断结果更全面可靠，对葡萄甚至其他果树栽培生产的实践指导意义也更强。

本研究中对于各矿质养分诊断的具体采样时期和土层，以及对于土壤各元素适宜养分范围的确定与庞国成的研究结果[28]不一致。本研究认为对于氮、钾、钙、镁的营养诊断主要应在40～60 cm土层取样，而庞国成认为主要应在0～20 cm 土层取样，主要可能是因为庞国成的研究中采样深度并未涉及到40～60 cm土层；另外本研究的试验材料是在露地条件下栽培管理，庞国成的试验材料是在设施盆栽中栽培管理，因此土壤结构、葡萄品种和砧木年限以及树体主根系分布规律等都可能会导致研究结果的差异。并且庞国成的研究中在选取各元素的营养诊断因子时其与果实品质的相关性均未达极显著，而本研究则全部选择与果实品质呈极显著相关的因子进行分析。鉴于与以上的不同研究结果，且为了试验结果的准确性和对实践指导的可靠性考虑，对于葡萄园土壤诊断时确切的取土时期和土层还有待进一步深入研究，以便更好地指导我国葡萄生产栽培，从而获得优质果品。

本研究中高优园土壤中各矿质养分的含量即获得优质果品的适宜土壤养分含量范围的确定是依据CND的诊断原理[3]进行的，同时也有前人大量的试验研究[29-31]加以佐证，因此其结果理应是符合理论原理和客观实际的，但是本研究中有效磷含量的适宜范围是0.81～5.77 mg/kg，明显低于低优园的土壤有效磷含量，且与庞国成提出的适宜范围[28，32]相差很大，可能是由本研究样本数和高优园数相对较少而使数据代表性不强导致的，所以有效磷含量的适宜范围也需进一步研究确定。而本研究对低优园进一步营养诊断的结果表明夏黑低优葡萄园土壤中有效态氮、钾、钙、镁、硼、钼含量偏低，有效磷、铜、铁、锰、锌含量相对充足。但将含量偏低的元素与第2次全国土壤普查的养分分级标准[15]对比发现，钾、镁、硼元素的含量处于中等或丰富水平，由此说明全国性的且以大田作物为试材的土壤普查分级结果可能并不一定适用于果树，而目前针对葡萄的土壤养分分级标准[25，33-34]已有不少，但各方法的划分标准并不一致，所以在以获得优质果品为目标的基础上制定一个科学合理、可信度高的葡萄园土壤养分分级标准，用以指导生产栽培是非常有理论意义和实践需求的。

4 结论

河南和湖北2地夏黑葡萄园土壤中钙含量在高优园和低优园中普遍处于中等甚至缺乏水平，而微量元素基本处于中等至丰富水平，所以在保证不影响植株正常生长发育的情况下，应减少微量元素的施用，并适量补充钙肥。除了钙、铜、铁和锰元素之外，其他元素含量在高优园和低优园土壤中差异并不显著，可见导致低优葡萄园果实品质劣势的原因可能是土壤养分不均衡以及土壤养分利用率低。因此，对于低优园的土壤管理除了对含量较低的氮、钾、钙、镁、硼、钼等矿质养分进行补充外，更多地应注意土壤养分的平衡关系，提升养分利用率，进一步提升果实品质。