甘肃省元帅系苹果不同生长期叶营养诊断研究

Foliar nutrition diagnosis of Delicious apple at different growth stages in Gansu

摘要

目的 为明晰元帅系苹果生长周期中对各营养元素的需求，从而制定高产优质的施肥方案。 方法 本研究以甘肃省天水市不同产量元帅系苹果园中树龄为12~15 a的苹果树植株为研究对象，通过测定不同生长时期叶片氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）和镁（Mg）营养元素含量，运用营养诊断与施肥建议综合法（DRIS）和标准含量适宜偏差百分数法（DOP）分析了生长过程中元帅系苹果叶片营养状况动态特征，并对营养含量丰缺及需肥顺序进行诊断评价。 结果 随着树体生长时期变化，高、低产园叶片各营养元素含量大体呈降低走势，Mg元素于5月份后发生波动变化。叶片部分元素营养含量与果实产量间存在相关性，分别为5、6月份K、Ca与产量表现出极显著正相关（P<0.01），7、8月份N、K、Ca呈显著正相关（P<0.05），9月份则为N、Ca有显著正相关性（P<0.05），而P、Mg含量则与产量无相关性（P>0.05）。经DRIS法判断后，不同生长时期确定的叶片营养诊断参数不同。2种诊断方法因诊断体系的差别使所得结果也具有一定差异，然而Ca、K、N是整个生长时期元帅系苹果叶片较为缺乏的营养元素的结果却是相同，即Ca> K > N元素含量。于不同生长时期，NII和ΣDOP值之间均呈线性关系，但未表现出显著性（P>0.05）。 结论 高、低产区再增产潜力巨大，建议元帅系苹果在整个生长周期内增施含Ca、K元素肥料，其中K元素以中后期为主，中期配合增加含N元素肥料，P、Mg元素肥料则进行适量补充。

Abstract

Objective The study aimed to clarify the demand of Delicious apple for nutrients in the annual growth cycle，formulating a fertilization scheme in order to obtain high yield and good quality. Method The experiment employed 12 ~ 15-year-old trees in Delicious apple orchard with different yields in Tianshui，Gansu Province.The foliar content of nitrogen (N)，phosphorus (P)，potassium (K) and calcium (Ca) and magnesium (Mg) were determined in different growth stages.The dynamic characteristics of foliar nutritional status were analyzed by using the comprehensive method of diagnosis and recommendation integrated system (DRIS) for fertilization and deviation from optimum percentage (DOP) during growth，and the deficiency/abundance of nutrient content and the order of fertilizer demand were diagnosed and evaluated. Result The results showed that with the change of tree growth period，the contents of nutrient elements in leaves generally decreased in both high- and low-yield gardens，and Mg fluctuated after May.There was a significant positive correlation between the content of some nutrient elements in leaf and fruit yield.In May and June，K and Ca showed a very significant positive correlation with the yield (P<0.01)，N，K and Ca showed a significant positive correlation in July and August (P<0.05)，and N and Ca had a significant positive correlation in September (P<0.05)，while P and Mg had no correlation with the yield (P>0.05).By the diagnosis with DRIS，the diagnostic parameters of foliar nutrition were different in the different growth stages.The results obtained by the two diagnostic methods were also different due to the difference in diagnostic system.However，the leaf of Delicious apple displayed the deficiency of Ca，K and N during the whole growth period，which ranged in the order as follows: Ca>K>N.At different growth stages，there was a linear relationship between NII and ΣDOP values，but it was not significant statistically (P>0.05). Conclusion There is a great potential to increase the production of Delicious apple in either high or low yield areas.It is suggested that the added fertilization of Ca and K elements would be beneficial in the whole growth cycle of Delicious apple，with the K element mainly in the middle and late stage and N element in the middle stage，and P and Mg elements should be supplemented appropriately.

Graphical abstract

关键词

元帅系苹果 / 生长时期 / 叶片营养诊断 / 需肥顺序

Key words

Delicious apple / periods of growth / foliar nutrition diagnosis / order of nutrient requirement

Author summay

任静，副研究员，博士，主要从事果树营养与生理生态研究。E-mail：[e-mail]

在过去的几十年里，中国苹果产量不断增涨。1990年至2019年，国内苹果生产面积从1.64万hm²上升到2.04万hm²，苹果产量由4.33万t增长到42.43万t^［1］。然而，随着适宜产区种植面积的迅速扩大，大多数苹果园使用的某种甚至多种营养元素缺乏，不足以支持其健康生长，生产者则会以投入大量无机肥料来确保果园高产^［2］。如此以来，长期的土壤肥力不平衡及不平衡引起的土壤营养元素间拮抗作用使苹果园出现无机营养奢侈消费，生理和生化过程紊乱、产量损失以及环境污染等不良后果，导致果园寿命降低，农业生态系统无法持续发展^［3-5］。

甘肃省天水市是元帅系苹果北方最佳栽培地之一，作为第1个在国际市场获得正式商标的中国苹果品牌，花牛苹果的产值高达20亿元，且占农民总收入的38%，已成为当地特色支柱产业和农民增收的主要来源^［6］。纵观近年产业发展现况，由缺素症引起的树势衰弱、果实品质骤降和树体生理性病害频发等问题占据了主导地位^［7］，这就需要在栽培管理中合理地供给树体健康生长所需养分，恢复树势、提高抗性。采用植物组织分析诊断果树营养状况具有重要应用价值^［8］，而叶片组织营养浓度更被认为是生态环境条件下影响作物对施肥反应的主要综合生长因子之一^［9］。因此，可选择叶片作为果树某个特定生长阶段营养状况的诊断组织，且同时反映了果园土壤肥料利用效率情况。

为了提高叶片营养诊断准确性，有研究者^［10］提出基于营养平衡原理的“营养诊断与施肥建议综合法”（Diagnosis and Recommendation Integrated System，DRIS），即在降低叶片分析对植物年龄敏感性前提下，以所测定营养元素双变量含量比值来体现树体多种营养元素平衡状态的综合诊断施肥法^［11］。此方法能获得叶片各营养元素的缺失及需求顺序情况，是当下倍受认可的一种植物营养诊断方法，已成功应用于柑桔^［12-13］、芒果^［14］、杏^［15］及核桃^［16］等多种果树与经济林研究。随后，又有学者^［17］通过直接对单一营养元素含量偏差进行计算而得到诊断指数的“标准含量适宜偏差百分数”（Deviation from Optimum Percentage，DOP）法，其诊断值不受其他营养元素影响，能简单快速地计算施肥试验中某一营养元素需求。目前，已有不少文献报道了叶片诊断法对于苹果园的应用，但主要材料为富士品种。姜远茂等^［18］对不同种植土壤类型下红星苹果进行了叶片营养诊断研究，却并未涉及采样时期；而刘小勇等^［19］也仅是研究了甘肃省元帅系苹果叶片营养含量的标准值。故而，鉴于元帅系苹果在甘肃省天水市栽植的绝对地位，引入更科学深入的叶片营养诊断方法，并对不同生长时期叶片营养含量进行分析，有助于更加全面地解决元帅系苹果园施肥管理、建立叶片营养诊断方案及果实品质和产量改善的问题，可成为当地行之有效的生产策略。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于甘肃省具代表性元帅系苹果主产区天水市进行。根据近3 a对当地果园产量的调查，选取栽植面积1 hm²以上，树龄为12~15 a的高产园（年产量 ≥ 37.5 t/hm²）和低产园（年产量<37.5 t/hm²）各6个（表1）。采样园种植品种以天汪一号、俄矮二号和瓦里短枝为主，砧木均为山定子，株行距为2 m×4 m或3 m×4 m。分别于样园的东、南、西、北及中心5个方向选取15株苹果树进行标记，并作为试验采样样株。于2020年5月上旬、6月中旬、7月中旬、8月中旬及9月中旬，每样株采集树冠外围不同方向当年生枝条中部的健康叶片10~12片，将样园15株叶片进行混合后作为此样园测试叶片样品。带回实验室，用去离子水将样品冲洗干净后擦干，放入烘箱105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒质量，取出粉碎，过60目（0.5 mm）筛后保存，用于后续测试。

1.2 试验指标测定

将处理后叶片样品进行大量和中量元素测定。全氮采用凯氏定氮法，全磷为钼锑抗分光光度法，全钾为火焰光度计法，钙和镁为原子吸收分光光度法^［20］。

1.3 营养指数计算方法

1.3.1 DRIS法

DRIS指数可反映植物对某一营养元素的需求程度，以实际营养元素含量值偏离高产园适宜含量的偏离程度表示^［21］。X/A表示任意2种营养元素含量组成比例，X为待诊断营养元素，A为其他元素；x/a为高产园该2种元素适宜含量的比值，则X/A偏离x/a的程度，可由偏函数f（X/A）代表，其计算公式如下：

X/A > x/a，f（X/A） = (\frac{X/A}{x/a}-\mathrm{1})×\frac{\mathrm{1}\mathrm{000}}{CV}（1）

X/A <x/a，f（X/A） =(\mathrm{1}-\frac{X/A}{x/a})×\frac{\mathrm{1}\mathrm{000}}{CV}（2）

其中CV是x/a的变异系数。如果2种营养元素含量偏低或偏高且比值不变时，其比值有很大程度是处于适宜范围内的，这样可导致营养元素诊断有误。因此，营养指数计算中增加了被诊断元素偏离程度函数对营养指数进行修正。计算公式为：

X>x，f（X） = (\frac{\mathrm{X}}{x}-\mathrm{1})×\frac{\mathrm{1}\mathrm{000}}{CV}（3）

X<x，f（X） =(\mathrm{1}-\frac{\mathrm{X}}{x})×\frac{\mathrm{1}\mathrm{000}}{CV}（4）

DRIS指数绝对值的代数和被称作营养不平衡指数NII。公式为：

I_X = \frac{\mathrm{f}(X/A)+\mathrm{f}(X/B)+\mathrm{f}(X/C)+\dots +\mathrm{f}(X)}{n}（5）

NII =|I_A|+|I_B|+|I_C|+…+|I_X|（6）

式（5）中：n表示参与诊断的营养元素个数；如果待诊断元素是X/A中的X，f（X/A）为正值；如果待诊断元素是X/A中的A，则f（X/A）为负值。I_X <0时，说明待诊断元素缺乏，且值越小，缺乏越严重；I_X>0时，说明待诊断元素过量；I_X=0时，说明待诊断元素处于平衡状态。NII值越高，表明营养元素越失衡。

此外，诊断参数的筛选十分重要。例如，当对X/A和A/X 2个参数进行筛选时，通过对高产园与低产园的方差比值进行F值检验后，选择F（X/A） 和F（A/X）值中较大一方作为诊断参数。

1.3.2 DOP法

DOP指数计算比较简单，其以待诊断元素实际含量与适宜含量百分比偏差来表示。DOP营养不平衡指数∑DOP的意义和计算方法均与NII相同 ［见公式（6）］，其指数诊断公式为：

I_X = \frac{X\times \mathrm{100}}{x}-\mathrm{100}（7）

式中：X为待诊断元素含量，x为该元素适宜含量。

1.4 数据处理

利用Excel 2016和SAS 9.4统计分析软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 元帅系苹果叶片各营养元素含量基本状况

表2表明，不同生长时期元帅系苹果叶片各养分元素含量存在较大差异。5月为高、低产园各养分元素含量的最高时期，随时间延后，各养分元素含量呈不同变化趋势，但都于6月后趋于平缓。其中，高、低产园的K和Ca元素含量于整个生长时期变化趋势相同，呈持续降低走势；而Mg元素含量在5月之后均无显著差异（P>0.05），且6月后含量变化趋于平稳。5月至8月，高、低产园N和P元素含量逐渐下降，而至9月时，低产园N含量持续降低，高产园出现回升，P元素含量于高、低产园则发生略微升高，但与6、7、8月相比差异不显著（P>0.05）。元帅系苹果叶片各养分元素含量于不同生长时期变化趋势并非一致，因此，基于叶片养分元素含量和养分含量比值的营养诊断方法，需以采样时期的不同而确定诊断标准。同时，高产园与低产园叶片各养分元素含量也有差异。5月和6月时，高、低产园叶片K和Ca元素含量差异显著（P<0.05），以及9月时，N和K元素含量也达到显著差异水平（P<0.05）。

2.2 元帅系苹果叶片各营养元素含量与产量的相关性

从表3可知，不同生长时期元帅系苹果叶片各营养元素含量与产量的相关性差异较大。5月和6月时，K和Ca元素含量与产量呈极显著相关（P<0.01）；7月、8月N、K和Ca元素含量与产量表现出显著相关（P<0.05）；9月时，N和Ca含量与产量也是达到极显著相关（P<0.01）。然而，整个生长时期，P和Mg元素含量均未表现出与产量的显著相关性（P>0.05）。此外，6月的叶片K、Ca元素含量与产量相关性高于5、7和8月，而N元素则是9月最高。

2.3 元帅系苹果叶片营养诊断

2.3.1 DRIS诊断参数筛选与需肥顺序

对甘肃天水市元帅系苹果低产园与高产园叶片N、P、K、Ca和Mg含量以N/P、N/K、N/Ca、N/Mg等形式和各比值倒数形式进行统计，逐一计算低产园和高产园各形式的平均值、标准差、变异系数以及高产园与低产园方差比值，并以高产园各指标作参比标准，进行方差比值显著性检验。随后，选择F值法检验达到P=0.05或 0.01水平下的表示形式作为DRIS诊断参数，且每对参数（如N/K和K/N）仅留方差比值较大的那个^［22］。由表4可知，元帅系苹果于5月筛选出重要叶片元素营养诊断参数为P、K、Ca、Mg 4个营养元素含量和P/K、P/Ca、Ca/K、Mg/K、Mg/Ca 5个营养元素含量比值，6月份为K、Ca、Mg、K/N、Ca/N、P/K、P/Ca、Mg/K、Mg/Ca 9个元素含量和元素含量比值参数，7月是N、P、K、Ca、N/P、P/K、P/Ca、Mg/P共8个参数，8月是N、K、Ca、N/Mg、P/N、K/Mg、Ca/Mg、Ca/P、K/P 9个参数，9月则有N、P、K、Ca、P/N、Ca/P 6个参数。在高产园各诊断参数平均值和变异系数为参比值的基础上，根据DRIS指数计算公式（5）、（6）及表5结果可知，开始的2个月高、低产园叶片营养含量缺乏元素相同，分别为5月的Ca、K元素和6月的N、Ca元素，且6月高、低产园的需肥顺序一致，K元素含量偏低，而P元素过量；7月的高产园与5月相同，低产园与6月相同，Mg含量则过量；8月的高产园与低产园基本相同，缺乏元素为Ca、Mg，过量元素为P、K，N元素含量适中；到了9月，N、K成为高、低产园缺乏元素，而Ca、P元素过量，Mg元素适中。此外，5~9月的NII值均表现为低产园>高产园，且低产园NII值较高产园分别高2.66、1.20、1.01、0.49和0.56倍（表5）。

2.3.2 DOP诊断与需肥顺序

DOP诊断方法的计算比较简单，根据表5结果可知，5月高产园各营养诊断指数均为正，说明各营养元素呈过量现象，其中P元素指数高达57.70，而低产园K、Ca元素含量缺乏，P、Mg、N元素含量过量；6月高、低产园需肥顺序差别较大，高产园各营养诊断指数与5月相同，无缺乏现象，低产园则出现相反情况，叶片营养含量严重缺乏，以N元素含量为最低；随后的7~9月低产园及8月高产园也呈现出与6月低产园相同结果，各营养元素含量缺乏，其中8、9月低产园需肥顺序一致，且与8月高产园相同，均为K、P元素含量较低，7月则Mg、P元素含量较缺乏；7月高产园的P、Mg、N、Ca含量缺乏，K元素过量；9月高产园K、Ca、P、Mg元素含量缺乏，N含量适中。除5月∑DOP值外，低产园∑DOP值均高于高产园，并且是高产园的0.05~2.47倍。

2.4 不同诊断方法综合分析

根据对DRIS法和DOP法的分析可知，得到的元帅系苹果叶片需肥顺序结果差异较大。DRIS法诊断高产园5~9月需求强度最大的元素分别为Ca、N、Ca、Ca、N，DOP法诊断的元素为Ca、Ca、P、P、K；DRIS法确定的低产园5~9月最缺乏元素分别为Ca、N、N、Mg、K，DOP法为K、N、Mg、K、K。但是，在整个生长时期里2种方法所诊断得到的缺乏营养元素大致相同，即以Ca、K元素缺乏严重，而后为N元素。进一步分析了2种诊断方法不平衡指数间的相关关系（图1），统计结果显示，5~9月份的NII和∑DOP之间存在线性关系，但相关性均不显著（P>0.05），仅5月时R²达到0.547 0，其余4个月的R²均低于0.5。

3 讨论

影响苹果叶片营养元素含量变化的因素很多，如品种、采样时期，采样方位及环境因子等^［23］。随着生长发育进程中存在的不确定性，相同品种叶片各营养元素含量变化的分析结果也是千差万别^［24］。本试验中，从检测到的叶片各营养含量可以看出，随着元帅系苹果生长时期延长，高、低产园的元帅系果树叶片大、中量元素含量变化较大，大体上呈下降趋势。苹果开花后进行各器官构建时，嫩叶含N量为当年生长周期中最高，随后器官构建完成含N量下降，包括晚秋叶片N素回流也是造成生长后期叶片N素含量降低的原因^［25］，这与本试验结果相一致。刘小勇等^［26］对不同生育阶段元帅系苹果叶片养分变化的研究也表明，N、P含量持续减少，且于新梢停长后（7月中旬）下降趋势减缓，此结果与本研究中的N、P含量趋于缓和时期略有不同，相差近1个月时间，说明环境因素和采样部位的差异同样可引起叶片营养含量变化规律不同。路永莉等^［27］报道了不同时期施K的红富士叶片K含量呈下降的动态变化，表明“品质元素”K在后期果实品质生长时，需求量加大，且随生长中心变化发生转移，导致叶片中的K元素运移至果实中，从而降低叶片中K元素浓度。较多研究认为^［28-29］，苹果叶片Ca、Mg元素含量随生长进程稳定升高，此结果与本研究相差甚大。通过生产实践可证明西北黄土高原元帅系苹果发生水星病概率极高^［30］，正是由于果实发育期Ca元素的缺乏而导致。根据前面所述，元帅系苹果叶片营养含量不同生长时期变化规律的差异，可严重影响以叶片营养含量或含量比值为基础营养诊断方法的判断，可见，确定各生长时期的相应诊断标准很有必要。

现今，元帅系苹果叶片营养诊断标准并未制定，生产者们均凭借栽培经验或年均产量划分的高产园树体营养元素特征来制定^［28］。本研究也以高产园各营养元素参数平均值及变异系数作为元帅系苹果叶片营养含量诊断的标准，整个生长时期各元素含量分别为N（18.37~26.35）g/kg、P（1.66~3.32）g/kg、K（9.66~18.06）g/kg、Ca（21.17~28.22）g/kg、Mg（3.57~6.42）g/kg。同样是元帅系苹果，姜远茂等^［18］对山东省3种土壤类型果园叶片营养诊断研究中，所用诊断标准参比值为N 22.4 g/kg、P 1.84 g/kg、K 14.0 g/kg、Ca13.9 g/kg、Mg 2.88 g/kg；而刘小勇等^［19］在甘肃省苹果叶片营养水平报道中表明，叶片养分正常值为N（24.1~25.2）g/kg、P（1.96~2.14）g/kg、K（15.5~18.5）g/kg、Ca（27.5~33.6）g/kg、Mg（5.9~6.5）g/kg。显然，本试验N、P、K含量标准与前两位研究者所得结果基本一致，但Ca含量介于两研究者给出的值、Mg含量则高于山东省，且与甘肃省标准有部分重合。这可能是因采样时间、种植土壤类型以及常年生产所导致土壤时空变异而产生的差异^［31］。

根据最小养分律可知，最小营养元素限制了植物生长^［32］，而叶片作为果实营养元素的主要供给源之一，其自身对某种营养元素含量缺乏可直接影响果实的生长发育，进而导致果实产量和品质下降。在本试验不同生长时期叶片各营养元素含量与产量的相关性研究中，Ca、K含量（除9月份K元素）与产量之间存在的显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）正相关性，且6月时相关性达最大；其次为N元素，而P、Mg含量则与产量无相关性（P>0.05）。此结果表明Ca、K和N 3种营养元素在元帅系苹果树体养分中的重要性，尤其是对果实生长发育及品质形成影响较大^［33］。故此，植物叶片营养平衡诊断研究对元帅系苹果田间养分管理具有重要指导意义。

经DRIS和DOP法诊断分析后，研究区不同生长时期叶片需肥顺序差异略大，但缺乏的营养元素大致相同，以Ca、K含量为主，N含量次之，这也恰好同前述各元素含量与产量相关性分析结果相印证，说明元帅系苹果于整个生长时期内对Ca、K元素的需求强度最高，其次为N素，而N素的缺乏应该与近些年果园提倡减施N肥或生产者施用N肥时间有误紧密相关。本试验2种方法对9月高产园的诊断结果中，DRIS法表明N为此时期最缺乏元素，这与元帅系苹果生产状况并不相符，而DOP法则得到的为K元素，更贴合实际。由此可见，2种方法的主要差别在于判断标准不同。DRIS法是二元分析法，以实测重要元素比值与其适宜比值的离均差为基础进行计算，其更多考虑的是营养元素间的平衡状况，此平衡即有高水平的可能，也有低水平营养平衡的现象出现，当某几种元素含量升高或降低的比例相等时，会导致诊断结果有误^［34］。DOP法作为一元诊断方法，优点在于其是以元素最适值为参比值的绝对比较，可直接判断某营养元素含量偏差，对后续大田生产中该元素施用量的计算提供方便^［17］。然而，果树叶片营养诊断的适宜值并非是某个确定值，而是一个范围，尤其是对于不同生长时期进行诊断的情况，当待诊断植株某元素处于适应范围时，是会被误诊为过量或缺乏的，这也是此方法的缺点。更多地，根据2种方法各生长时期NII和∑DOP呈线性、但无显著性（P>0.05）的相关关系来看，足以证明，在实际生产中，应至少选择两种或更多的营养诊断方法进行综合分析，可降低误判风险，从而得到更加准确的判断结果^［35］。

4 结论

元帅系苹果叶片因生长时期变化其营养含量也不同，高、低产园大、中量元素于不同时期基本呈下降趋势，且于6月份后降低速率减缓。叶片营养含量与果实产量存在部分相关性。除9月K元素外，整个生长时期的Ca、K含量均与产量之间存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）正相关性，并于6月其相关性最高，其次为N元素。虽然DRIS和DOP法诊断结果存在差异，但Ca、K、N成为较缺乏元素的结果却是一致的。各生长时期NII和ΣDOP呈线性关系，却无显著性（P>0.05）。综合考虑营养诊断结果，建议应在元帅系苹果整个生长时期增施Ca、K元素，并适量补充N、P、Mg元素。

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基金资助

甘肃省技术创新引导计划项目(23CXNA0003)

甘肃省现代农业科技支撑体系区域创新中心重点科技项目(2022GAAS03)

静宁县果园营养诊断（土壤、叶片）及施肥试验项目(JNJY2022ZC-068)

静宁县苹果园土壤质量提升技术研究与应用项目(JNJY2023ZC-132)