纳米零价铁对黑比诺葡萄果实品质及矿质元素含量的影响

Effects of nanoscale zero-valent iron on fruit quality and mineral element content of Pinot Noir grape

摘要

目的 通过叶面喷施的方式，探究不同浓度的纳米零价铁对黑比诺酿酒葡萄在生长发育期果实品质及其矿质元素含量的影响，为合理施用纳米零价铁肥提高河西走廊酿酒葡萄的品质提供参考依据。 方法 以甘肃武威市依诺酒庄的黑比诺酿酒葡萄为试材，设置5个不同浓度纳米零价铁肥喷施处理T₁（5 mg/L）、T₂（10 mg/L）、T₃（15 mg/L）、T₄（20 mg/L）、T₅（25 mg/L）和1个清水喷施作为对照（CK），测定其果实品质以及叶片、枝条和果实的矿质元素含量。 结果 15 mg/L的纳米零价铁肥可显著增加葡萄果实的单粒质量、可溶性总糖、葡萄糖和蔗糖含量；各处理葡萄果实中奎宁酸、苹果酸和酒石酸含量与CK相比均降低；15 mg/L的纳米零价铁喷施处理能够显著增加黑比诺葡萄叶片和枝条的N含量和Fe含量，N、K、Mn、Zn、Cu和Mg元素的含量呈先上升后下降的趋势，P和Ca元素的含量则逐渐降低。 结论 15 mg/L浓度的纳米零价铁肥显著地提升了葡萄果实生理品质，同时可以不同程度地增加葡萄叶片和枝条的矿质元素含量，但P和Ca元素随着纳米零价铁肥的施入呈下降趋势。综合来看，15 mg/L的喷施浓度是河西走廊地区黑比诺葡萄品种的最适浓度。

Abstract

Objective The objective of this study was to investigate the effects of different concentrations of nano-zero-valent iron on fruit quality and mineral element content of Pinot Noir wine grapes through foliar spraying during growth and development，offering insights for the judicious application of nano-zero-valent iron fertilizer to enhancing wine grape quality in the Hexi Corridor. Method Pinot Noir wine grapes from Yinuo Winery in Wuwei City，Gansu Province served as the experimental material. Five different concentrations of nano-zero-valent iron fertilizer spray treatments，T₁(5 mg/L)，T₂(10 mg/L)，T₃(15 mg/L)，T₄(20 mg/L) and T₅(25 mg/L)，along with a control group sprayed with clear water (CK) were utilized. Result The results indicated that the application of 15 mg/L nano-zero-valent iron fertilizer significantly increased the individual grain weight，total soluble sugar，glucose，and sucrose content of grape fruits.Compared with CK，the levels of quinic acid，malic acid，and tartaric acid in grape fruits decreased across all treatments. Spraying 15 mg/L nano-zero-valent iron notably boosted the nitrogen (N) and iron (Fe) content in the leaves and branches of Pinot Noir grapes. While the levels of N，potassium (K)，manganese (Mn)，zinc (Zn)，copper (Cu)，and magnesium (Mg) initially increased and then decreased，phosphorus (P) and calcium (Ca) content exhibited a gradual decline. Conclusion The nano-zero-valent iron fertilizer with a concentration of 15 mg/L significantly enhanced the physiological quality of grape fruits and increased mineral element content in grape leaves and branches to varying degrees.However，the application of nano-zero-valent iron fertilizer led to a decline in phosphorus (P) and calcium (Ca) levels.Overall，the optimal spraying concentration for Pinot Noir grape varieties in the Hexi Corridor was determined to be 15 mg/L.

Graphical abstract

关键词

葡萄 / 纳米零价铁 / 叶面喷施 / 果实品质 / 矿质元素

Key words

grape / nanoscale zero valent iron / foliar spray / fruit quality / mineral elements

Author summay

申登耀，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

铁是植物生长发育过程中重要的微量元素之一，它是细胞色素和氧化还原反应中电子传递的组成部分，对叶绿素的合成起着至关重要的作用^［1］。铁元素同样参与呼吸作用，也是植物能量代谢和有氧呼吸的酶的重要组成物质之一。葡萄（Vitis vinifera L.）作为世界第二大水果，具有品种多、适应性强和用途广泛等特点^［2］。甘肃河西走廊地区位于丝绸之路经济带沿线，属温带大陆性气候，干旱少雨，日照充足，昼夜温差较大，有利于酿酒葡萄果实品质的形成^［3-4］。但由于该地区以弱碱性土壤为主，缺乏能够被高效吸收利用的矿质营养，使得原本总量就不足的各类矿质元素很难满足葡萄正常生长的营养需求。以纳米螯合物形式的Fe、K、Ca和Mn等元素在植物生长发育期叶面喷施具有其可维持性、释放的精确可控性，粒径更小，更易吸收的特点，被广泛应用于具有高经济效益的果树生产中^［5］。

纳米零价铁（nanoscale zero valent iron，nZVI）是把铁原子按照纳米级别逐一叠加形成的铁，具有相对比表面积大和反应活性高的特点^［6］。此外纳米零价铁还具有超强吸附能力以及强还原性，极易被氧化，比普通的零价铁颗粒反应活力高很多，常被作特殊的催化剂和还原剂^［7］。低剂量的纳米零价铁对植物的萌发和生长具有明显的促进作用，Li等^［8］研究发现它不仅会刺激花生的生长，还会穿透花生种子增加其对水分的吸收。Kim等^［9］研究表明0.5 g/L纳米零价铁可以促进拟南芥根系的伸长，促进作用为150%~200%，这是由于纳米零价铁可引起植物细胞壁结构松散，而细胞壁的疏松会促进植物的伸长和发育。此外，纳米零价铁对植物的生长和发育具有两重性，表现为低剂量刺激和高剂量抑制的现象。Ma等^［10］用不同浓度的纳米零价铁悬浮液来培养宽叶香蒲和杨树幼苗，结果显示，纳米零价铁悬浮液浓度低于200 mg/L会促进宽叶香蒲和杨树幼苗的生长，超过这个阈值则开始出现抑制生长的现象，并且浓度越高，宽叶香蒲和杨树幼苗生长受到的抑制作用越明显。Ma等^［10］也发现高剂量也可以起到刺激作用，纳米零价铁可以诱导氢氧自由基降解细胞壁中的果胶多糖，释放纵向和轴向的张力，从而导致细胞壁疏松和植物根系伸长。

目前在酿酒葡萄栽培方面的研究多集中于穴施、滴施、树干注射的方式来补充树体生长所需的营养元素，且对于纳米零价铁促进其生长发育和果实品质方面的研究仍较少。本试验以酿酒葡萄品种黑比诺为试材，采用叶面喷施的方式，探究不同浓度的纳米零价铁对树体中矿质元素含量及果实品质的影响，为合理施用纳米零价铁肥和有效促进河西走廊酿酒葡萄产业的发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2021年在甘肃省武威市依诺酒庄进行（N 37°18′06″ ，E 102°82′26″），平均年降雨量150~247 mm，年均日照时数2 876.9 h，年平均气温7.1 ℃，年平均降水量123 mm，昼夜温差大。该基地葡萄采用单臂立架栽植，行距3.5 m，株距1 m。

1.2 试验试材及处理

本试验以4年生黑比诺大田葡萄苗为试验材料。试验共设6个处理，包括5个不同浓度的纳米零价铁肥喷施处理：5（T₁）、10（T₂）、15（T₃）、20（T₄）、25 mg/L（T₅）和一个清水喷施处理作为对照（CK）。每个处理选取长势良好、整齐一致的葡萄树40棵，试验设3次重复，喷施时间以花后45 d开始，每隔15 d喷1次，共施肥5次，以喷施叶片正背面80%以上为宜（叶片正反两面均匀喷湿不滴水即可）。将纳米零价铁颗粒（甘肃谷硕纳米农业科技有限责任公司）在100 W，40 kHz的条件下超声振动，分散到去离子水中配置成所需的浓度。

1.3 试验方案

1.3.1 果实生理生化指标测定

花后149 d，每次取样挑选生长大小一致的5株葡萄，并分别在植株阴、阳两个部位各采1串果穗，共取10穗果实，分别在采得果穗上、中、下3个部位随机选取60粒果实，样品采集后液氮速冻并置于-80 ℃冰箱中，用于后续相关指标的测定分析，每项指标测定3个重复。

采用电子天平测量果实单粒质量。可溶性糖含量与有机酸含量的测定采用高效液相色谱仪（美国Waters Acquity Arc），具体参考李彦彪等^［11］的方法。

1.3.2 矿质元素测定

各处理植株样品为局部取样，采样部位为叶片，自花后149 d开始，每隔15 d 采样一次，花后224 d结束，每株从东、西、南、北4个方向取新梢中部健康叶片各5片，每株树20片。采收期为花后253 d，采样部位为果实，采样后将样品洗净，并置于信封袋中，在烘箱（105 ℃）杀青30 min，随后降温至80 ℃，烘干水分至恒质量，称其干质量，粉碎后过筛（100目），装袋备用。

矿质元素的测定方法具体参考吴茂东等^［12］，并稍作改进。准确称取0.5 g过筛风干样品于锥形瓶中，加少许超纯水润湿，再加入5 mL浓硫酸，摇匀，静置6 h后，在各锥形瓶中加入4 mL H₂O₂，反应结束后将其置于消煮炉上进行加热，待不断产生白烟，溶液呈褐色时，立即停止加热。稍冷后继续加热消煮，H₂O₂所加体积为3 mL→2 mL→1 mL，反复操作，至消煮液呈无色或清亮色后，再继续加热5 min。冷却后，使用超纯水稀释3~5次，过滤至50 mL容量瓶中定容，用于矿质元素的测定。样品N含量测定参照曾庆庭等^［13］，采用凯氏定氮法，P元素测定参照吴自立等^［14］，采用钼锑抗比色法；Cu、Fe、Mn、Zn、K、Ca和Mg元素测定采用原子吸收光谱法^［15］，所用原子吸收光谱仪型号为ZEEnit700P（德国耶拿分析仪器股份有限公司）。

1.4 统计分析

使用Excel 2016进行数据整理和表格绘制，Origin Pro 9.8 软件进行柱状图和热图绘制；通过SPSS 26.0对数据进行显著性分析，采用单因素方差分析（One Way ANOVA）进行方差分析和多重比较，显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 纳米零价铁对黑比诺葡萄果实生理品质的影响

不同处理对黑比诺葡萄果实单粒重、可溶性糖含量、糖含量和有机酸含量的影响较大（图1）。各处理的果实单粒质量较CK均显著增加，其中T₃处理最重，与CK相比增加了18%（图1-A）。各处理的可溶性总糖含量均高于CK（图1-B）；其中T₃的可溶性总糖含量最高，比CK增长了24.54%。各处理糖组分中以果糖和葡萄糖为主（图1-C）；其中，T₁、T₃和T₄处理的果糖含量要高于CK；各处理葡萄糖和蔗糖含量均高于CK，其中T₃处理最高，且与CK有显著性差异。不同处理葡萄果实内草酸、酒石酸、奎宁酸、苹果酸以及抗坏血酸含量存在差异，其中酒石酸含量最高，奎宁酸和苹果酸次之，草酸和抗坏血酸含量最低（图1-D）；T₂、T₃和T₄处理的草酸含量与CK相比差异显著；T₁和T₅处理的酒石酸含量最高；T₃处理的奎宁酸含量以及苹果酸含量相对较低，但其抗坏血酸含量最高。

由上可知，T₃处理的单粒质量、可溶性总糖和糖组分含量较高，有机酸含量较低，有效改善了黑比诺葡萄果实的品质和风味。

2.2 纳米零价铁对黑比诺葡萄叶片矿质元素含量的影响

各处理N含量随葡萄生长发育整体呈先升高降低的趋势（表1），8月2日各处理叶片N含量出现小幅降低趋势，随后由于铁肥的施入，使得部分处理的N含量出现回升，此时T₁和T₃处理的N含量显著大于CK；8月17日，CK及各处理的N含量达到最高，且均大于CK，其中T₄和T₃最大；9月1日，T₃处理最大比CK增加了14.64%，与CK之间存在极显著差异。各处理叶片枝条中的P元素含量呈逐渐下降趋势，但与CK间无显著性差异，说明喷施纳米零价铁不利于葡萄P含量的增加（表2）。随着葡萄的生长发育，不同处理的葡萄叶片K含量呈先升后降（表3）；8月17日各处理的K含量均达到其生长期的最高值，且与CK有显著性差异。CK和各处理叶片Fe含量随着生长发育和铁肥的喷施不断增加（表4）；7月3日，T₃、T₄、T₅与CK有显著性差异；8月17日，叶片Fe元素增长较为明显，且在9月1日达到最大。叶片Zn含量的变化趋势有小幅度波动（表5）；7月3日，T₃处理Zn含量增幅明显；8月2日，部分处理Zn含量出现第一次上升，第二次上升峰值在8月17日，该时期各处理的叶片Zn元素含量显著高于CK。叶片Ca元素的含量随着生长发育呈逐渐下降的趋势（表6）；9月1日各处理叶片Ca含量下降幅度较高与CK差异显著。叶片Mn元素含量呈先升后降的趋势，各处理的Mn含量存在差异（表7）；7月3日至9月1日，T₅处理的Mn含量最大，与CK之间有显著性差异；8月17日各处理Mn含量达到最大值。各处理叶片的Cu含量随葡萄生长发育整体呈先升高降低的趋势（表8）；7月3日，T₃、T₄、T₅处理与CK差异显著；8月17日各处理Cu元素含量达到生长期的峰值，各处理与CK之间存在显著差异。叶片的Mg元素含量呈先上升后下降的趋势（表9）；8月17日，T₁、T₃、T₄、T₅ 均达到生长期峰值，与CK差异显著。

喷施不同浓度的纳米零价铁对葡萄叶片矿质元素含量的影响各异，随着葡萄的生长发育，各处理下葡萄叶片中N、K、Zn、Mn、Cu和Mg的含量总体上呈先升高后降低的趋势，Fe的含量随着葡萄的生长发育逐渐升高，而P以及Ca则相反。

2.3 纳米零价铁对黑比诺葡萄枝条矿质元素含量的影响

枝条中各处理N含量变化呈先上升后下降趋势，说明喷施纳米零价铁有利于葡萄枝条N含量的增加（表10）；8月17日各处理枝条N含量到达最大值，较CK皆有显著性增长；9月1日，各处理枝条N含量下降，其中T₃、T₅与CK之间具有显著差异。各处理枝条中的P元素含量呈逐渐下降趋势（表11）；8月17日和9月1日，各处理P含量均显著低于CK。枝条中K含量呈先升高后降低趋势（表12）；8月17日各处理枝条K含量达到峰值，且均显著高与CK；9月1日，各处理枝条K含量均下降，其中T₃、T₄、T₅与CK存在显著性差异。CK及各处理枝条的Fe含量随着生长发育和铁肥的喷施不断增加（表13）；9月1日，T₂、T₃、T₄、T₅与CK之间差异显著；全生长期，各处理Fe含量均大于CK，枝条Fe含量增加量最高为T₃。枝条中各处理Zn含量变化呈先上升后下降趋势（表14）；8月17日，各处理Zn含量达到最大值；9月1日，各处理Zn含量出现明显下降，T₃、T₄、T₅与CK存在显著差异。枝条的Ca元素含量随着生长发育呈逐渐下降的趋势（表15）；7月18日，T₂、T₃、T₄与CK相比有显著差异；8月2日起，各处理Ca含量均显著低于CK。叶片和枝条Mn元素含量呈先升后降的趋势（表16）；8月17日，各处理Mn元素含量达到最高值，且显著高于CK。各处理的Cu含量整体呈先升高降低的趋势（表17）；7月3日，T₃处理增长明显，且与CK之间差异显著；8月17日各处理CK及各处理的Cu含量达到最高，且均显著大于CK；9月1日，各处理Cu元素含量均出现下降，且与CK差异显著。枝条Mg元素的含量呈先上升后下降的趋势（表18）；6月18日枝条中各处理Mg元素含量较低，随后逐渐积累；8月17日，T₃的Mg元素含量最大。

由上可知，喷施不同浓度的纳米零价铁对葡萄枝条矿质元素含量有不同的影响，即随着葡萄的生长发育，各处理黑比诺葡萄叶片中N、K、Zn、Mn、Cu和Mg的含量呈先升高后降低的趋势，Fe含量不断升高，P和Ca含量则不断降低。

2.4 成熟期果实品质与叶片、枝条矿质元素含量的相关性分析

在黑比诺葡萄果实中，成熟期果实品质和叶片、枝条的矿质元素含量呈现不同的相关性（图2）。N、K、Fe、Zn、Mn、Cu和Mg含量与果实的单粒重、可溶性糖、葡萄糖和蔗糖含量呈显著正相关，而与果糖含量呈负相关关系，相反，P和Ca则与果糖含量达到正相关水平，且在成熟期，P和Ca含量与其他矿质元素尤其是Fe含量呈负相关；在叶片中，Fe含量与果实的抗环血酸含量呈正相关关系，但在枝条中两者没有相关性；成熟期黑比诺葡萄叶片和枝条的Fe含量与P、Ca含量之间呈负相关，其余元素与Fe含量之间为正相关，表现为增效作用，且Fe与N、Cu之间达到显著正相关水平，说明葡萄的生长发育不仅需要充足的矿质营养，而且还需要各矿质元素之间的相互协同创造动态平衡的环境。

3 讨论

纳米肥料中的纳米化合物可以迅速被植物吸收，并为植物提供短缺和必需的养分，因此适量施用纳米肥料会促进植物生长^［15］。前人的研究结果表明，在罗勒^［16］、花生^［17］和菠菜^［18］中观察到纳米铁肥对植物的生长产生了积极影响；于树干中注射螯合铁也会促进葡萄果实的生长发育，且能够不同程度地提高果实品质^［19］。在本试验中，不同浓度的纳米零价铁肥均可增加果实单粒质量，以15 mg/L浓度的纳米零价铁喷施为最大，这与喷施硫酸亚铁能够提高植株生理作用，继而影响果实的紧密度和单果质量的研究结果相似^［20］。杨艳等^［21］研究表明，成熟期对红地球葡萄补铁可提高其含糖量，在本研究中，15 mg/L的纳米零价铁能够显著增加黑比诺葡萄果实可溶性糖含量以及葡萄糖、蔗糖含量，5、15、20 mg/L浓度纳米零价铁喷施处理的果糖含量显著高于CK，这与前人的研究结果一致^［21-22］，说明通过叶面施用适量铁肥可以促使光合产物的产生，推动果实糖分的运输和积累，加速果实成熟，有效提升果实品质^［23-24］。有机酸组分含量的变化与陈晓丽等^［25］和张陈等^［26］的研究结果相似，其中酒石酸含量最高，说明酿酒葡萄有机酸组分中以酒石酸为主，符合目前对酿酒葡萄有机酸含量的研究^［27］。综上所述，15 mg/L的纳米零价铁肥综合得分最高，提升果实品质效果最佳。

在本试验中，不同浓度纳米零价铁处理下葡萄叶片和枝条的N含量总体趋势表现为先升后降，15 mg/L的纳米零价铁喷施处理能够显著增加黑比诺葡萄叶片和枝条的N含量，在孙海高^［28］的研究中也得到了相似的结果，这可能是由于生长后期根系未能及时将地下养分通过枝条输送给叶片，使叶片内N含量降低，从而无法向果实输送养分。不同处理下叶片的Mg含量在葡萄生长发育的进程中不断上升，8月17日，5、15、20 mg/L浓度纳米零价铁喷施处理与CK相比有显著差异，在本研究中，葡萄叶片和枝条中Fe含量随着喷铁浓度增加而持续升高，这与前人对梨和小麦的研究结果一致^［29-32］。本研究结果显示，15 mg/L的纳米零价铁肥的施入还可以在生长发育时期提高植物对K、Zn、Cu和Mn的吸收，而植株内P和Ca元素的含量不断下降，表明植物在吸收铁的过程中抑制了P和Ca含量的增长，这可能是由于叶片养分受土壤养分浓度、养分的可利用性、植物年龄以及矿物质相互作用等多种因素影响^［33］。总体来看，叶面喷施铁肥会提高营养器官中Fe元素含量，能有效促进铁的吸收和转运速率，同时，也会加速植物对K、Mg、Mn、Cu和Zn的吸收，但植物对养分的吸收也存在复杂的相互关系。

4 结论

叶面喷施15 mg/L浓度的纳米零价铁肥能够明显改善黑比诺葡萄的果实品质，同时提高了植株内矿质元素含量。但随着葡萄的生长发育，P和Ca元素不断降低。综上所述，在满足生长发育期所需营养元素的前提下，15 mg/L的喷施浓度为河西走廊产区酿酒葡萄品种黑比诺的最适浓度。

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基金资助

甘肃省自然基金重点项目(22JR5RA831)

甘肃省丝路寒旱农业科技支撑项目(GSLK-2022-4)