柿为柿科柿属,多年生落叶果树,乔木。柿(Diospyros)共有400多种,但栽培上应用最广泛的是Diospyros kakil。甜柿果实营养丰富,富含尼克酸,维生素B₁、B₂、E、C,β-胡萝卜素及铁、锌、硒等微量元素,这些物质在甜柿中的含量不但高于涩柿,而且也大大超过苹果、梨、葡萄等水果^[1]。自20世纪80年代日本甜柿引种与示范取得成功之后,甜柿生产在我国得到了快速发展,现在全国18个省、直辖市、自治区均已进行商业化生产^[2]。矿质营养是果树生长发育、产量和品质形成的物质基础,对产量的形成和品质的改善有重大的影响^[3]。土壤养分是甜柿获取所需矿质元素的主要来源,土壤理化性状水平直接影响到树体的生长、果实品质和果园的可持续发展。尹春英^[2]研究了甜柿在中亚热带地区栽培果实品质形成的影响因子,胡青素等^[4]和陈栋等^[5]研究了套袋对甜柿果实品质的影响,但有关甜柿果园土壤养分含量与果实品质关系方面还未见报道。眉县是陕西省甜柿主产县,主栽品种为‘阳丰’,全县共有甜柿300多hm²,年产甜柿5 000余吨。本研究通过对眉县甜柿果园土壤养分和果实品质的调查分析,应用典型相关分析、回归分析和线性规划等方法,定量研究优质‘阳丰’甜柿果实的土壤养分最佳含量优化方案,找出眉县甜柿果园土壤养分管理存在的问题,为甜柿果园土壤养分与果实品质的关系提供了研究方法,也为优质高效甜柿果园建设与栽培管理提供理论依据。

2014年10月在陕西省眉县选择13个甜柿生产果园,主栽品种为‘阳丰’,砧木为‘君迁子’,树龄5~8年,株行距为3 m×4 m,在每个果园随机选取2~3个小区,每个小区选择3株树。在每株树冠外围滴水线东、南、西、北的4个方位采集0~40 cm土层的土壤,弃去植物残体后过2 mm筛,把每个取样小区的土样混合均匀,室内风干用于分析土壤养分。于10月上旬果实成熟期分别在土壤取样树的树冠东南方位取5个果实,每个果园共取果实30~45个,带回实验室冷藏待分析^[6]。

1.2 测定项目

土壤有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定;碱解氮采用碱解扩散法测定;速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑比色法测定;速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定;有效钙、有效镁、有效铁、有效锰、有效锌和有效铜采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法分析^[7]。

单果质量和果形指数分别用百分之一的天平、游标卡尺测定。可溶性固形物和硬度分别用数字式水果糖度计TD-45和数显式硬度计测定,每个果实取赤道部分对称两点测定^[4]。可滴定酸含量采用NaOH中和滴定法^[8]测定;可溶性单宁含量采用Folin-Denis法(FD)^[9]测定;维生素C含量采用2.6-二氯酚靛酚法^[5]测定。

应用SAS 9.2和LINDO 6.1软件对果园的土壤养分和果实品质数据进行统计分析。

从表 1可以看出:甜柿园土壤平均速效钾含量为294.7 mg · kg^-1,有效钙含量为343.3 mg · kg^-1,有效镁含量为92.3 mg · kg^-1。不同果园之间钾、钙、镁的含量水平存在较大差异,土壤平均pH值为7.7。甜柿园土壤有效锰含量处于较低水平,有机质、碱解氮、有效钙、有效镁含量处于中等水平,速效磷、速效钾、有效铁、有效锌和有效铜含量处于较高水平。由甜柿果实品质的数据(表 2)分析可知,甜柿果实品质各项指标平均值均达到甜柿商品果要求。不同果园果实单果质量与维生素C含量存在较大的差异。

从表 3可看出:有机质含量与有效钙、有效铁、有效锌含量呈负相关,与其他土壤养分呈正相关,说明提高土壤有机质含量可以较好地增加各养分的含量。土壤矿质元素相关系数较大的为速效钾与有效镁(r=0.709 6),速效磷与速效钾(r=0.630 2),速效钾与有效锌(r=0.415 5)。由表 4可以看出:单果质量与有机质、速效钾、有效镁呈极显著正相关,与速效磷呈显著正相关,与有效铁呈显著负相关;硬度与有效镁呈极显著负相关,与有效锰呈极显著正相关;可溶性固形物与有机质呈极显著正相关,与有效铜呈显著正相关;可溶性单宁与有机质呈极显著负相关,与有效镁呈显著负相关;维生素C与有机质、碱解氮和速效磷呈显著正相关。不同土壤养分因子与果实之间的相关系数差异较大,说明土壤养分与果实品质间的关系较为复杂,并不能用简单的相关性分析来说明,需要采用多元统计分析方法进一步探讨其相关性。

土壤养分之间既相互作用,又共同影响着果实品质,简单相关分析并不能准确地反映土壤养分与果实品质之间的真实关系。因此在单因子分析的基础上需要进行多元统计分析。果园土壤养分和果实品质是2个不同的正态总体,果园土壤营养成分间的相关系数大于0.7(速效钾与有效镁),根据近代回归分析理论^[10],若相关系数大于0.7说明有多重复共线性存在,应用典型相关分析方法。以土壤有机质(x1)、碱解氮(x2)、速效磷(x3)、速效钾(x4)、有效钙(x5)、有效镁(x6)、有效铁(x7)、有效锰(x8)、有效锌(x9)和有效铜(x10)为一个总体,以果实单果质量(y1)、果形指数(y2)、果实硬度(y3)、可溶性固形物含量(y4)、可滴定酸含量(y5)、可溶性单宁含量(y6)和维生素C含量(y7)为另一个总体,依据典型相关系数的大小,结合专业知识与统计分析特点筛选出了影响‘阳丰’甜柿果实品质的土壤养分因子,建立了果实品质与土壤养分因子的回归方程(表 5)。对回归方程进行显著性检验,结果均达到显著性差异水平,表明建立的方程稳定性较好。

由表 5可知:土壤有机质、碱解氮、速效钾、有效镁和有效铁的含量为果实单果质量的主要影响因子。果实硬度主要受土壤碱解氮、有效镁和有效锰含量的影响;果实可溶性固形物含量受土壤有机质、速效磷、速效钾、有效钙和有效锰含量的影响;果实可滴定酸含量受土壤有机质、碱解氮、有效铁和有效锰含量的影响;果实可溶性单宁含量受土壤有机质、速效磷、有效铁和有效锰含量的影响;果实维生素C含量受土壤有机质、碱解氮、有效锰和有效铜含量的影响。土壤中矿质元素对果实果形指数的影响不明显。结合表 4可知,应用典型相关和多元回归分析筛选出的土壤养分因子与依据单因子相关系数选择的土壤养分因子有比较大的差异。这说明土壤养分对果实品质的影响是复杂的,不能用简单的相关性来分析。

以果实单果质量最大值(y_max1)为目标函数(A),果实硬度(y3)、可溶性固形物(y4)、果实可滴定酸(y5)、可溶性单宁(y6)、维生素C(y7)和土壤有机质(x1)、碱解氮(x2)、速效磷(x3)、速效钾(x4)、有效钙(x5)、有效镁(x6)、有效铁(x7)、有效锰(x8)、有效铜(x10)为约束条件(B),建立了求解果实单果质量最大的线性规划方程组。其中方程中土壤养分的约束条件是依据眉县‘阳丰’甜柿园调查的资料与陕西土壤养分适宜水平^[11];果实品质因子的约束条件依据调查的数据资料、国内外文献^[2]和柿子产品质量等级^[12]等‘阳丰’甜柿品质指标。

(A)

(B)

应用同样的方法,可建立求解果实硬度最大值(y_max3)、可溶性固形物最大值(y_max4)、果实可滴定酸最小值(y_min5)、果实可溶性单宁最小值(y_min6)和果实维生素C最大值(y_max7)的线性规划方程,其中甜柿果实的约束条件为大于200 g,且小于400 g。通过求解,获得生产优质‘阳丰’甜柿土壤养分因子的最适范围。从表 6可知:甜柿果园里适宜的土壤养分范围为有机质19.9~32.4 g · kg^-1,碱解氮50.0~177.3 mg · kg^-1,速效磷5~30 mg · kg^-1,速效钾319~600 mg · kg^-1,有效钙200 mg · kg^-1,有效镁100~200 mg · kg^-1,有效铁5 mg · kg^-1,有效锰9~20 mg · kg^-1,有效锌12 mg · kg^-1,有效铜0.5~4.3 mg · kg^-1。‘阳丰’甜柿理论最佳品质为单果质量344.4 g,硬度20.7 kg · cm^-2,可溶性固形物含量19.9%,可滴定酸含量0.012%,可溶性单宁含量0 mg · kg^-1,维生素C含量为350 mg · 100 g^-1。

为了更准确地分析甜柿果园土壤养分水平状况,将推测所得的适宜值与调查的实测值进行比较(表 7),结果表明:调查的甜柿果园土壤有机质小于19.9 mg · kg^-1的占100%,速效钾小于30 mg · kg^-1的占66.67%,有效镁小于100 mg · kg^-1的占53.30%,有效锰小于9 mg · kg^-1的占66.67%。根据果园土壤营养状况,眉县‘阳丰’甜柿施肥要以有机肥为主,有机无机配合,氮、磷、钾按适当比例施用,提高钾肥的施用量,适当补充镁和锰等微量肥料,满足果树生长发育之需,达到高效、低耗之目的。

果园土壤养分间各因素的关系十分复杂,元素间存在协同与拮抗作用。果实品质受一系列土壤理化、微生物性状、气候条件及植株根系吸收状况等因素的影响。本研究中,土壤有效锌与有效钾的相关系数大于0.7,若建立土壤与果实品质之间的回归方程会导致系数不稳、方程系数符号相反或与生产实际不一致等问题。在分析的过程中,以土壤养分与果实品质作为2个不同正态总体进行研究,筛选出影响果实品质的主要土壤养分因子,以消除在方程建立过程中复共线性的问题^[10]。前人已经采用线性规划模型求解在柑橘^[13]、高粱^[14]、苹果^{[6, 15]}、猕猴桃^[16]上应用。本试验是在前人研究的基础上,将土壤养分与果实品质作为2个不同的整体研究,通过典型相关筛选出影响果实品质的主要养分因子,并采用多元分步回归法和线性规划法求解出影响‘阳丰’甜柿主要土壤养分因子的优化方案。关于‘阳丰’甜柿果园土壤养分与果实品质的多元分析及优化方案国内外尚未见报道。

矿质元素对果实品质的影响是各种因素综合的结果。相应简单相关判断出的土壤因子与相应典型相关筛选出的土壤因子存在一定的差距。本研究结果表明:土壤中有效锌对果实品质的影响不明显,这可能与所调查果园土壤中有效锌含量较高,有效锌并不是限制果实品质增长的主要因子有关。土壤养分对甜柿果实果形指数的影响不显著。本研究结果表明:速效钾与有效镁(r=0.709 6)、土壤中速效磷与有效钾(r=0.630 2)、速效钾与有效锌(r=0.415 5)的相关系数较大,说明土壤养分对果实的影响是复杂的,仅仅用简单相关分析的结果不准确。前人研究表明:随着产量水平提高,土壤碱解氮、速效磷、速效钾呈增高趋势,土壤碱解氮、速效钾与产量的相关系数较高,速效磷与苹果园产量的相关系数较低^[17]。氮肥及钾肥施用量与产量作直线回归分析,结果显示产量随着氮用量增加而增加,随钾用量增加而减少;果实可溶性固形物随着氮肥施用量增加而降低,随着钾用量增加而增加;钾肥用量增加会抑制甜柿对氮素吸收,而增加果实的可溶性固形物含量,因此适量钾肥施用,可以降低果实酸度,增加可溶性固形物含量,提高果实品质^[18]。施用锰肥后抑制贮藏期间桃果实硬度、可滴定酸含量、维生素C含量的下降^[19]。有机肥可以提高猕猴桃的硬度和可溶性固形物,并降低可滴定酸的含量^[20]。土壤碱解氮越高,则果实可滴定酸含量越高;柑橘果实部分品质测定结果显示,氮对果径大小影响不大,缺钾影响柑橘果实膨大^[21];研究表明,叶片中缩合单宁的浓度随养分有效性的升高而降低^[22];施用氮、磷、钾和有机肥处理增加了苹果中维生素的含量,而且提高了果实的耐储性^[23],锰能促进维生素C的形成^[24]。本研究运用典型相关分析得出影响果实品质的土壤养分因子,并得出果实果形指数受土壤养分的影响不明显。这与前人的研究结果相吻合。

果园科学施肥及优化配方是根据果树生长发育的需要,合理确定施肥的种类和数量,达到高产、优质、高效的目的。植物生长所需元素的补肥数量应以土壤营养元素的含量和产量情况而定。元素间的比例要适当,营养元素间存在拮抗作用,在比例失调情况下,利用不充分,造成浪费或发生缺素症^[25]。张进^[26]调查陕北165个果园,有54.55%的果园土壤有效Mn含量缺乏;王志恒等^[27]通过对陕西白水县果园土壤养分状况分析表明:果园有机质含量普遍不足,磷素、钾素含量偏低,锌含量缺乏;隋鹏飞等^[28]通过对陕西红富士果实施肥量的调查表明,氮肥和磷肥过量,低钾和不施钾肥的果园占77%。本研究应用线性规划获得了眉县‘阳丰’甜柿果园果实品质优质的土壤养分优化方案,指出土壤中有机质、速效钾、有效镁和有效锰是果园土壤的重点。但是,应用多元统计分析方法、从定量化方面研究甜柿果园品质优质的土壤养分优化方案较少。本研究的优化方案仅是一个理论值,还需要根据不同地区果园土壤养分水平进行相应的田间验证,最终达到合理的配方施肥。