Multivariate Analysis and Optimum Proposals of Soil Nutrient and Leaf Nutrient with Fruit Qualities in 'Jiro' Persimmon Orchard

2015年6月至2016年10月，在云南省保山市隆阳区连续2 a选择19个稳产甜柿园进行调查(表 1)，果园栽培品种‘次郎’，砧木‘君迁子’，树龄8~12 a，株行距3 m × 4 m。在每个果园中用“S”形法选取长势一致、树龄一致的健壮柿树20株，7月上旬叶片营养元素稳定时进行叶片取样，于每株树的东、南、西、北4个方向选取树冠外围中上部健壮营养枝中部的成熟、健康、完整叶片各1片(带叶柄)，每株取4片，每个果园总共取80片叶，去离子水冲洗干净后，去掉叶柄，105℃下杀青20 min，然后在70~80℃下烘干至恒质量，粉碎后过筛，测定叶片养分；每年冬季12月份且连续1个月未进行施肥时采集土壤样品，每年采集1次。于每个果园选取的20株样树中，用“S”形法每隔2株树选1个取样点，每个果园选6个样点。在树冠外围滴水线附近分别采集0~30 cm和30~60 cm两层土样，每层取土1 kg左右。分层将所有样点土样混合均匀，除去杂草、树根和石块等杂物，用四分法每层取土1 kg左右。取样时避开施肥沟、田埂、沟边、堆肥处等特殊部位。取好的土样置于阴凉干燥处风干后，过2 mm土壤筛，测定土壤养分。每年10月上旬果实成熟期，于每株树树冠外围中上部东、南、西、北4个方向各随机选取1个柿果，每个果园共取80个柿果，带回实验室测定果实品质。

土壤养分测定：土壤有机质用重铬酸钾氧化-外加热法测定；全氮用半微量开氏法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；速效磷用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定；速效钾用乙酸铵提取-火焰光度法测定；交换性钙、镁用乙酸铵提取-原子吸收分光光度法测定；有效铁、有效锰用DTPA浸提-原子吸收分光光度法测定^[12]；PH采用电极法测定。

叶片矿质元素测定：H₂SO₄-H₂O₂消煮，氮用凯氏定氮法测定；磷用钒钼黄比色法测定；钾用火焰光度计法测定；钙、镁、铁、锰、锌、铜用原子吸收分光光度法测定^[13]。

果实品质测定：单果质量用百分之一天平测定，果实纵、横径用游标卡尺测量；硬度用GY-4型数显式水果硬度计(北京恒奥德仪器仪表有限公司)测定，可溶性固形物用PAL-1型数显手持式糖度仪(日本Atago公司)测定，每个果实测定3次，取顶部一点及赤道部分对称两点测定，取平均值^[14]。维生素C含量用荧光法和2, 4-二硝基苯肼法测定^[15]。类胡萝卜素含量测定用石油醚：丙酮(1：1，v/v)浸提法测定^[16]。

采用Excel 2010和SPSS 18.0软件对2a的土壤养分、叶片矿质养分和果实品质数据进行统计分析。

由表 2可以看出，‘次郎’甜柿园土壤速效钾、交换性镁和有效铁、有效锰含量在果园间存在较大差异。除速效钾外，‘次郎’甜柿园其它土壤养分含量均高于陕西眉县‘阳丰’甜柿园^[10]。‘次郎’甜柿叶片矿质养分中(表 3)，全钙和全锌在果园间含量差异较大，全磷、全铁、全锰含量差异较小；叶片全磷含量水平整体偏低，叶片全氮、全钾、全镁含量处于中等水平。由表 4‘次郎’甜柿果实品质数据可以看出，果实平均单果质量为159.34 g，符合甜柿商品果要求^[17]，果园间单果质量、维生素C、类胡萝卜素含量差异较大，硬度、可溶性固形物含量差异较小。

由表 5可以看出，土壤养分间的相关性较好，有机质含量与全氮(r=0.717)、碱解氮(r=0.655)含量极显著正相关，与有效磷(r=0.549)、速效钾(r=0.594)含量显著正相关，说明土壤有机质含量的提高可以显著增加土壤中大量元素的有效含量；此外，相关系数大于0.7的有：有机质与全氮(r=0.717)、全氮与碱解氮(r=0.908)、有效磷与速效钾(r=0.770)，且相关性均达到极显著水平。叶片矿质元素间的相关性较土壤养分间弱(表 6)，只在全氮、全磷(r=0.840)，全磷、全钾(r=0.545)，全钙、全镁(r=0.596)，全镁、全铜(r=0.543)之间检测到较强的相关性，其它元素间相关性不显著。表 7是土壤养分、叶片矿质养分与果实品质指标间的相关性。有机质含量与单果质量、硬度、维生素C含量均显著或极显著正相关，说明土壤有机质不仅调节土壤养分，还可以促进果实品质的提高。单果质量与土壤有机质、全氮含量极显著正相关，与碱解氮显著正相关，与叶片全钾显著正相关；硬度与有机质相关性显著；可溶性固形物与有效磷、有效铁显著正相关，与交换性钙、镁分别呈极显著和显著负相关关系，与叶片全锰、全锌相关性显著；维生素C与有机质、有效磷显著正相关，与交换性钙显著负相关，与叶片全锌显著正相关；类胡萝卜素与有效磷、速效钾、有效锰显著正相关，与有效铁极显著正相关，与叶片全锰、全锌极显著正相关。果实品质是土壤养分、叶片养分综合作用的结果，简单相关分析不能完全解释其复杂关系，需应用多元统计分析方法进行分析。

土壤养分、果实品质和叶片养分、果实品质分别属于2对不同的正态总体，若某一正态总体中，相关系数大于0.7说明存在多重共线性^[18]。本研究中土壤养分间相关系数大于0.7的有3项，叶片矿质养分间有1项，运用典型相关分析可以消除方程建立过程中的多重共线性问题^[18]。以土壤有机质(X₁)、全氮(X₂)、碱解氮(X₃)、有效磷(X₄)、速效钾(X₅)、交换性钙(X₆)、交换性镁(X₇)、有效铁(X₈)、有效锰(X₉)、单果质量(Y₁)、硬度(Y₂)、可溶性固形物(Y₃)、果形指数(Y₄)、维生素C(Y₅)、类胡萝卜素(Y₆)为1对正态总体，以叶片全氮(Z₁)、叶片全磷(Z₂)、叶片全钾(Z₃)、叶片全钙(Z₄)、叶片全镁(Z₅)、叶片全铁(Z₆)、叶片全锰(Z₇)、叶片全铜(Z₈)、叶片全锌(Z₉)、单果质量(W₁)、硬度(W₂)、可溶性固形物(W₃)、果形指数(W₄)、维生素C(W₅)、类胡萝卜素(W₆)为另1对正态总体，进行典型相关分析。依据典型相关系数和统计分析特点，筛选出了影响‘次郎’甜柿果实品质的土壤养分因子和叶片养分因子，并建立了回归方程(表 8、表 9)，且方程显著性检验均达到显著差异水平，表明方程稳定可靠。

由表 8可以看出，在土壤养分(X)与果实品质(Y)正态总体中，单果质量主要受有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效铁影响；硬度主要受有机质、速效钾、交换性钙、有效铁影响；可溶性固形物主要受有机质、有效磷、速效钾、有效铁影响；维生素C主要受有机质、碱解氮、速效钾、有效铁、有效锰影响；类胡萝卜素主要受有机质、速效钾、交换性镁、有效铁影响。

由表 9以看出，在叶片矿质养分(Z)与果实品质(W)正态总体中，单果质量的影响因子为叶片全磷、全钾、全镁、全锰、全铜；硬度的影响因子为叶片全磷、全钾、全钙、全镁、全铜；可溶性固形物的影响因子为叶片全磷、全钾、全镁、全锰、全铜；维生素C的影响因子为叶片全钾、全钙、全镁、全铁、全锌；类胡萝卜素的影响因子为叶片全氮、全钾、全镁、全铜、全锌。土壤养分与叶片养分对果形指数影响均不明显。

为了探明果实品质最佳时土壤养分和叶片养分含量的适宜范围，在土壤养分(X)与果实品质(Y)正态总体中，以果实单果质量最大值(Y_max1)为目标函数(A)，以硬度(Y₂)、可溶性固形物(Y₃)、维生素C(Y₅)、类胡萝卜素(Y₆)和土壤有机质(X₁)、全氮(X₂)、碱解氮(X₃)、有效磷(X₄)、速效钾(X₅)、交换性钙(X₆)、交换性镁(X₇)、有效铁(X₈)、有效锰(X₉)为约束条件(B)；在叶片养分(Z)与果实品质(W)正态总体中，以果实单果质量最大值(W_max1)为目标函数(U)，以硬度(W₂)、可溶性固形物(W₃)、维生素C(W₅)、类胡萝卜素(W₆)和叶片全氮(Z₁)、叶片全磷(Z₂)、叶片全钾(Z₃)、叶片全钙(Z₄)、叶片全镁(Z₅)、叶片全铁(Z₆)、叶片全锰(Z₇)、叶片全铜(Z₈)、叶片全锌(Z₉)为约束条件(V)，分别建立求解果实单果质量最大的线性规划方程组。果实品质因子约束条件依据调查数据资料及相关文献^{[1, 19]}和柿子产品质量等级^[17]等确定，土壤养分的约束条件根据云南省保山市隆阳区‘次郎’甜柿园调查资料确定。

应用相同方法，可建立求解2对正态总体中其它果实品质指标的线性规划方程。通过求解，得到了果实品质优质时土壤养分和叶片养分的适宜范围(表 10、表 11)。由土壤养分和叶片养分求得的‘次郎’甜柿理论最佳品质分别为：单果质量331.42 g、328.63 g，硬度18.46 kg·cm^-2、17.12 kg·cm^-2，可溶性固形物18.66%、18.06%，维生素C 1.65 mg·g^-1、1.41 mg·g^-1，类胡萝卜素66.70 mg·kg^-1、71.36 mg·kg^-1。

为了更好地掌握‘次郎’甜柿园土壤养分和树体营养状况，指导果园科学高效管理，将各果园土壤养分和叶片养分的实测值与理论值进行对比分析。如表 12所示，100%的果园土壤有机质含量小于理论适宜值，47.37%的果园土壤有效磷、有效铁含量较低，碱解氮、速效钾、交换性钙、镁、有效锰含量较为适宜。如表 13所示，有84.21%的果园叶片全氮含量偏高，分别有15.79%、26.32%和84.21%的果园叶片全磷、叶片全钾、叶片全锰含量偏低，叶片全钙、全镁、全铜、全锌含量适宜。表 10、表 11对比可以看出，部分土壤养分与叶片养分在对比过程中结果不一致，如土壤碱解氮含量适宜，而叶片全氮含量却偏高；47.37%的果园土壤有效铁含量偏低，而叶片全铁含量多在适宜范围内；土壤锰含量适宜，而84.21%的果园叶片全锰含量低于适宜值。原因之一可能是由于土壤自身理化性质影响树体对锰、铁等微量元素的吸收，如土壤pH、含水量、微生物、土壤质地、通透性等因素；还可能是由于某些人为因素，如果农盲目施肥，导致土壤养分比例失衡，加剧了土壤养分间的协同或拮抗作用，进而影响树体对土壤养分的吸收和转运利用。

与理论值相比，当地‘次郎’甜柿园应适时增施有机肥，适当减少氮肥施用，增施磷、钾肥，同时注重大量肥料与各种微量肥料配合施用，配方施肥、比例施肥。调节土壤养分比例，改善养分失衡状态，平衡树体营养是今后该地区甜柿土壤和树体养分管理的关键。

果园土壤养分及叶片养分间存在错综复杂的协同、拮抗作用，相互作用的同时又共同影响甜柿品质。张东等^[20]和张强等^[7]分别利用典型相关分析方法研究了苹果园叶片养分和土壤养分与果实品质的关系；宋少华等^[10]研究了‘阳丰’甜柿园土壤养分与果实品质的关系，并给出了土壤养分含量的优化方案。但国内外鲜见关于‘次郎’甜柿土壤养分、叶片养分与果实品质的多元分析及优化方案的报道。本研究对云南省保山市隆阳区19个‘次郎’甜柿园土壤养分、叶片养分和果实品质展开系统调查，与宋少华等^{[10, 21]}的调查数据相比，结果表明该地区‘次郎’甜柿园土壤养分含量丰富，但叶片养分含量偏低。土壤养分中除速效钾含量较低外，其它土壤养分均明显高于陕西眉县‘阳丰’甜柿园，其中有机质含量比陕西眉县‘阳丰’甜柿园高180%，碱解氮高51%，有效磷高88%，微量元素含量均比‘阳丰’甜柿园高10倍以上；除叶片氮、钾含量略高外，其它叶片矿质元素尤其是微量元素含量明显偏低。这可能是由于施肥的盲目性或配方不合理，导致土壤养分比例失衡，加剧了土壤养分间的协同和拮抗作用，进而影响树体对土壤养分的吸收和转运利用；也可能是由于品种间遗传特性的差异使得‘次郎’和‘阳丰’甜柿对各矿质营养元素的需求存在差异。据此，作者运用典型相关分析筛选出影响‘次郎’甜柿果实品质的主要土壤养分、叶片养分因子，并运用多元线性回归和线性规划求解出土壤养分和叶片养分因子的优化方案。

作者对‘次郎’甜柿园9种土壤养分、9种叶片养分和5个果实品质因子进行综合分析，结果表明单果质量主要受土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效铁的影响，这与苹果^{[7, 22]}、‘阳丰’甜柿^[10]的研究结果基本一致。来源等^[23]认为施用有机肥能够提高猕猴桃果实硬度和可溶性固形物含量，赖文龙等认为钾肥用量增加会抑制甜柿对氮素的吸收，而增加果实可溶性固形物含量^[24]，Weibel等^[25]研究认为土壤铁和速效钾对苹果果糖、总糖等可溶性固形物含量影响最大；对杏^[26]的研究也表明，钾肥可提高杏果实中可溶性固形物含量，改善果皮颜色；本研究也得到相同的结论，认为可溶性固形物受土壤有机质、有效磷、钾、铁的影响。适量施钾也能提高猕猴桃维生素C含量^[27]，锰能促进维生素C形成^[28]。果实类胡萝卜素含量受土壤有机质、速效钾、交换性镁、有效铁影响。不难发现，土壤有机质对所有果实品质指标均有促进作用，这充分说明有机质是其它土壤养分的物质基础，不仅直接调节土壤矿质元素的有效含量，而且间接促进果实品质的提高。Weibel等指出苹果果实硬度与土壤全磷呈负相关^[25]，张强等^[29]也认为环渤海地区‘富士’苹果园土壤有效磷与果实硬度呈负相关；但本研究却没有检测到土壤有效磷与硬度相关性。前人对土壤养分与果实品质关系的研究结果也常有出入，说明单一土壤分析尚不能全面解释矿质营养与果实品质的关系。而叶片是树体对矿质元素反应最敏感的器官，其矿质元素含量可以代表树体对土壤养分的吸收和利用状况。因此，在研究果实品质与土壤关系的基础上，有必要系统研究叶片养分与果实品质间关系。

本研究中，叶片养分与果实品质间关系的研究结果表明，对‘次郎’甜柿单果质量影响较大的是叶片全磷、全钾、全镁含量，这与对苹果^[30]的研究结果类似。果实硬度受叶片全磷、全钾、全钙、全镁、全铜的影响，张东等^[20]指出影响‘富士’苹果果实硬度的叶片养分因子为叶片全镁、全钾、全磷、全钙、全铁，与本研究的结果类似；Fallahi等^[31]也认为‘新红星’苹果果实硬度与叶片全钙呈正相关。张立新等^[32]认为，充足的钾可增加苹果含糖量，并能显著提高果面着色度、果实风味和耐藏性，而铜正好相反^[33]，本研究也得到相同结论。本研究发现，果形指数受土壤养分和叶片养分的影响均不明显，与前人研究结果一致。上述结果表明，同一果实品质指标受多个土壤养分和叶片养分因子的共同影响，不同果实品质指标受土壤养分和叶片养分因子的影响程度各异，应将土壤养分和叶片养分结合起来综合分析。而对于本研究中土壤、叶片锰、铁含量不一致的问题，可能是由于土壤理化性质，如土壤pH、含水量、微生物、土壤质地、通透性等因素影响树体对锰、铁等微量元素的吸收；有研究表明，土壤pH是影响土壤中锰的化学行为及可给性的重要因素^[34]，土壤中锰的有效性随pH升高而下降，缺锰土壤的pH常大于6.5^[35]。本研究调查的所有果园中，土壤pH均超过6.5，很可能是土壤pH过高抑制了树体对锰的吸收。而土壤pH也是影响根际铁有效性的重要因素，pH过高使Fe²⁺转化为Fe³⁺，溶解度减小，有效态铁的含量减少^[36]，这也解释了47.37%的果园土壤有效铁含量偏低的原因；至于多数果园叶片铁含量处于正常值，或是由于甜柿品种自身对铁的需求并不高，也可能是由于在土壤有效铁缺乏的条件下，树体加强了对铁的吸收，其原因还有待于进一步研究。

在前文典型相关分析及多元线性回归分析的基础上，本研究通过线性规划法获得云南省保山市隆阳区‘次郎’甜柿园土壤养分和叶片养分的优化方案，最终确定当地甜柿园土壤养分的优化方案为：有机质60.00 g·kg^-1，全氮2.50 g·kg^-1，碱解氮40.58~200.00 mg·kg^-1，有效磷17.95~80.00 mg·kg^-1，速效钾35.00~448.17 mg·kg^-1，交换性钙2.53~11.00 g·kg^-1，交换性镁150.10~1 000.00 mg·kg^-1，有效铁107.56~300.00 mg·kg^-1，有效锰100.20~450.00 mg·kg^-1。叶片养分的优化方案为：全氮15.00~20.22 g·kg^-1，全磷1.09~2.00 g·kg^-1，全钾15.93~30.00 g·kg^-1，全钙10.00~40.00 g·kg^-1，全镁2.00~9.70 g·kg^-1，全铁0.05~0.20 g·kg^-1，全锰0.50~1.50 g·kg^-1，全铜1.00 mg·kg^-1，全锌5.00~60.00 mg·kg^-1。与理论值相比，当地甜柿园应适时增施有机肥，适当减少氮肥施用，增施磷、钾肥，同时注重大量肥料与各种微量肥料配合施用。调节土壤养分比例，改善养分失衡状态，平衡树体营养是今后该地区甜柿土壤和树体养分管理的关键。该优化方案只是理论值，如苹果园^{[7, 20, 28, 33]}研究发现，不同品种、地域、气候条件的其养分优化方案也不尽相同，需要根据各个果园的实际情况进行调整。

本文通过对云南省保山市隆阳区19个‘次郎’甜柿园9种土壤养分、9种叶片养分和5个果实品质因子进行综合分析，最终确定当地甜柿园土壤养分的优化方案为：有机质60.00 g·kg^-1，全氮2.50 g·kg^-1，碱解氮40.58~200.00 mg·kg^-1，有效磷17.95~80.00 mg·kg^-1，速效钾35.00~448.17 mg·kg^-1，交换性钙2.53~11.00 g·kg^-1，交换性镁150.10~1 000.00 mg·kg^-1，有效铁107.56~300.00 mg·kg^-1，有效锰100.20~450.00 mg·kg^-1。叶片养分的优化方案为：全氮15.00~20.22 g·kg^-1，全磷1.09~2.00 g·kg^-1，全钾15.93~30.00 g·kg^-1，全钙10.00~40.00 g·kg^-1，全镁2.00~9.70 g·kg^-1，全铁0.05~0.20 g·kg^-1，全锰0.50~1.50 g·kg^-1，全铜1.00 mg·kg^-1，全锌5.00~60.00 mg·kg^-1。与理论值相比，当地甜柿园应适时增施有机肥，适当减少氮肥施用，增施磷、钾肥，注重大量肥料与各种微量肥料配合施用。该研究结果也可为其它地区甜柿栽培提供参考。