设施栽培是利用塑料大棚、日光温室或其他保护设施,避开自然因素的不利影响,人为控制温度、光照和水分等生长条件的栽培模式
[1]。设施桃经济效益高,近两年,我国环渤海湾桃产区5月中旬前成熟的设施桃平均批发价达到了10~16元/kg,不算人工成本折合亩纯收益在1.5万元以上
[2]。
果实风味不佳,果品质量差是目前制约我国设施桃产业发展的主要问题
[3]。钾素是提高果实品质的重要营养元素,是多种生理生化反应中酶的合成成分和活化剂
[4]。在果树的生长发育周期中,单施钾肥或是与氮磷等其他营养元素配施,均能在不同程度上获得增产提质的效果。前人研究表明,钾肥可显著改善果实外观品质和内在品质,如提高果实鲜重、改善果实着色,提高可溶性固形物、可溶性糖和维生素C含量,降低糖酸比等,并且已经在西瓜
[5]、苹果
[6]和梨
[7]等多种果树作物上证实。目前国内已有不少关于钾肥提高桃果实品质的报道,其中包括对桃适宜施钾量
[8]、施钾方式
[9]、配施比例
[10]以及施钾时期
[11]的探讨。对于施钾量,不同品种、树龄和栽培方式下得出的适宜施钾量有一定差异。同一品种、同一施钾量在不同地区的施肥效果也不相同
[12]。本试验以设施桃优系‘C26-7-17’为试材,在固定氮磷肥比例的基础上,探究钾素对设施桃果实品质、不同部位营养元素含量及产量的影响,以期得出最佳钾肥用量,为设施桃增产提质和养分管理研究提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
本试验在河北省农林科学院昌黎果树研究所院内二号温室进行。株行距1.0 m×1.5 m,土壤pH=7.0,有机质质量分数27.16 g/kg。常规水肥管理,正常疏花疏果,保证每株负载量一致。施肥前土壤矿质元素基本条件见
表1。
1.2 试验材料
供试材料为江苏省农业科学院果树研究所选育的短需冷量优系‘C26-7-17’,2019年春季定植,主干形树形,平均树高1.65 m,主干平均粗度5 cm。
1.3 试验方法
试验以每2株为1小区,每个处理3个小区,共3次重复。施肥用量参考DB 37/T 1673—2020《桃优质丰产栽培技术规程》
[13]中施肥部分。固定氮磷肥比例(氮磷肥按照1∶0.5的比例分别施入152 g/株和292 g/株),以仅施氮磷肥为对照,硫酸钾按照0、0.5、1、1.5和2的质量比例设置5个施肥水平,分别是NPK
0(0 g/株)、NPK
1(67 g/株)、NPK
2(135 g/株)、NPK
3(202 g/株)和NPK
4(269 g/株),K
2O用量分别为0、35、70、105和140 g/株。条状沟施法施入,施肥深度30 cm。施肥时间为距离果实成熟一个月前的果实膨大期(2022年3月3日)。氮磷钾所用肥料分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P
2O
5 12%)和硫酸钾(含K
2O 52%)。
1.4 测定项目及方法
1.4.1 果实外观品质的测定
果实成熟时,每个处理随机选取15个果实测定单果重、纵横径,并计算果形指数;使用SPH 860(Colorlite公司,德国)色差仪测定每个果实果皮的L*、a*、b* 和h°的色泽参数值。
1.4.2 果实内在品质的测定
每个处理随机选取9个果实,用手持测糖仪测定可溶性固形物含量。用自动电位滴定仪测定可滴定酸含量,使用蒽酮比色法测定可溶性总糖含量。
果肉中可溶性糖及有机酸组分的测定采用高效液相色谱法(HPLC)外标法测定,测定仪器为岛津液相色谱仪(LC-20A)。称取1 g果肉匀浆到10 mL离心管中,加入8 mL超纯水,80 ℃水浴超声提取1 h;冷却后8 000 r/min离心15 min,取上清液;用微孔滤膜(0.22 μm×25 mm)过滤到样品瓶,用于上机测定。糖组分测定条件:色谱柱为Supelco apHera NH2 250 mm×4.6 mm 5 μm,流动相V(乙腈)∶V(水)=75∶25,流速0.8 mL/min,进样量10 μL,柱温30 ℃,检测器为岛津RID-10A示差检测器。有机酸组分测定条件:色谱柱为Phenomenex Luna C18 250 mm×4.6 mm 5 μm,流动相为V(10 mmol KH2PO4溶液)∶V(甲醇)=97∶3,KH2PO4溶液用磷酸调节pH至2.1,流速0.8 mL/min,进样量10 μL,柱温30 ℃,检测器为岛津SPD-20A紫外检测器,检测波长为210 nm。试验所配制的流动相均经过0.45 μm微孔滤膜过滤,检测样品均经过0.22 μm针孔滤膜过滤。
1.4.3 矿质元素含量的测定
果实、枝条和叶片采回洗净,放置烘箱中105 ℃杀青30 min,后80 ℃烘干至恒重,用球磨机粉碎所有样品并过100目筛。
全氮含量用凯氏定氮法测定。取果实、枝条和叶片粉末样品各0.2 g到消煮管中,加入10 mL浓硫酸后置于石墨消解仪消解,消解完成冷却后用凯氏定氮仪测定氮元素含量。其他矿质元素含量使用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES)测定。分别称取烘干后的粉末果实0.5 g、叶片0.2 g和枝条0.2 g到消煮管中,加入65% HNO3 10 mL后进行微波消解;消解完成后冷却,用滤纸过滤并用双蒸水定容至50 mL,之后上机测定P、K、Ca、Mg、Fe、Mn和Zn元素的含量。
1.5 数据处理及分析
使用SPSS 26.0软件进行差异显著性分析,使用Excel和Origin软件进行数据处理和作图。
2 结果与分析
2.1 不同钾肥水平对设施桃外观品质的影响
2.1.1 对果实形态的影响
钾肥对果实形态的影响如
表2所示。本试验条件下,果实大小在不同钾肥水平下并无明显变化。单果重随钾肥用量增加呈逐渐上升的趋势,在NPK
4处理下最大为186.59 g,分别高于NPK
0、NPK
1和NPK
2处理9.95%、11.13%和9.37%,差异均达到显著水平(
P<0.05)。各处理间果形指数为0.91~0.94,且无明显差异。
2.1.2 对果实着色的影响
对果皮着色指标测定的结果如
表3所示。
L* 在NPK
1处理下最大,显著高于NPK
0,说明NPK
1处理提高了果面光泽度。在NPK
4处理下,
a* 最大,且显著高于NPK
0;
h°最小,说明在NPK
4处理下果皮颜色最红润;
L* 在NPK
4处理中最低有可能是红色调较深的缘故。相比之下,NPK
4处理改善果实着色效果较明显。
2.2 不同钾肥水平对设施桃内在品质的影响
2.2.1 对可滴定酸、可溶性固形物和可溶性总糖含量的影响
钾肥对设施桃主要品质指标的影响见
表4。施用钾肥显著提高了设施桃可溶性固形物含量,降低了可滴定酸含量。NPK
2、NPK
3和NPK
4处理的可溶性固形物含量为11.48%、11.29%和11.68%,与NPK
0相比,分别显著增加了13.73%、11.87%和15.71%。可滴定酸含量除NPK
2外,NPK
1、NPK
3和NPK
4较NPK
0处理显著降低了13.60%、21.33%和28.42%。可溶性糖含量在NPK
2处理下最大,为97.17 mg/g,显著高于其他4个处理,其他处理的可溶性糖含量为70.82~77.57 mg/g。
2.2.2 对葡萄糖、蔗糖、果糖和山梨醇含量的影响
桃属于蔗糖积累型果实,4种可溶性糖含量中,蔗糖含量最高,占比最大,显著高于其他3种糖;含量第二的为果糖,其次为山梨醇和葡萄糖,两者含量相差不大。钾肥对设施桃可溶性糖含量的影响见
表5。山梨醇和蔗糖含量均在NPK
2处理下最大,与NPK
0相比分别显著增加了21.85%和43.50%。施钾后蔗糖质量分数分别为18.55、23.10、18.95和21.22 mg/g,均高于NPK
0(16.10 mg/g),NPK
2、NPK
4处理与NPK
0处理相比差异均达到显著水平。果糖和葡萄糖含量随钾肥用量增加均逐渐上升,均在NPK
4处理下达到最大值(7.21 mg/g和2.86 mg/g)。果糖含量在NPK
4处理下显著高于对照NPK
0 19.50%,葡萄糖在NPK
2、NPK
3和NPK
4处理下分别显著高于对照23.00%、42.51%和52.99%。因蔗糖和果糖在4种糖含量中占比较大,且两者均在NPK
4处理下显著高于对照,同时在NPK
4处理下葡萄糖含量也显著高于对照,所以NPK
4处理在提高可溶性糖含量上的效果较好。
2.2.3 对柠檬酸、酒石酸和苹果酸含量的影响
钾肥对有机酸含量的影响见
表6。3种有机酸中,苹果酸质量分数最高,在2.67~3.93 mg/g范围;其次是柠檬酸,质量分数在1.18~1.54 mg/g,酒石酸则在0.12~0.23 mg/g。低浓度钾肥增加了苹果酸含量,高浓度钾肥降低了苹果酸含量,NPK
4处理相比NPK
0显著降低了3种有机酸的含量。随钾肥用量增加,苹果酸含量从NPK
2处理开始呈下降趋势,在NPK
3和NPK
4处理下苹果酸质量分数为3.32和2.67 mg/g,与NPK
0(3.72 mg/g)相比显著降低了10.84%和28.31%。柠檬酸含量在NPK
1(1.18 mg/g)、NPK
2(1.34 mg/g)和NPK
4(1.34 mg/g)处理下显著低于NPK
0(1.44 mg/g),分别下降了18.47%、7.16%和6.87%。酒石酸含量在施钾后均低于NPK
0(0.23 mg/g),在NPK
1(0.14 mg/g)、NPK
2(0.12 mg/g)和NPK
4(0.16 mg/g)3个处理下分别显著降低了37.51%、46.23%和31.66%。
2.3 矿质元素含量
2.3.1 对果肉中矿质元素含量的影响
钾肥对果肉中矿质元素含量有显著影响,大部分元素含量均有所下降(
表7),以Fe元素降低最为明显。随钾肥用量增加,N、P、K、Ca、Mg、Fe和Zn元素含量均表现出先降低后上升的趋势,Mn元素表现为“降-升-降-升”的变化趋势;上述元素均在NPK
3处理下最低,且与对照相比差异显著;在NPK
4处理下各元素含量开始升高,但仍低于NPK
0处理,K元素除外。
2.3.2 对枝条中矿质元素含量的影响
由
表7可知,与仅施氮磷肥相比,4个钾肥处理均增加了枝条中P、K和Mg的元素含量;N和Mn元素除了NPK
3处理外,Ca和Zn元素除了NPK
4处理外,上述元素含量在其余处理下均有所增加。各元素含量随施钾量增加的变化趋势不一致。N、P、K、Mg和Mn元素均表现出“升-降-升”的锯齿状变化趋势,在NPK
4处理时分别较对照显著增加了9.70%、56.28%、33.02%、19.70%和33.55%;Fe元素质量分数在高钾处理下显著降低,NPK
3和NPK
4处理分别为15.15和20.17 mg/kg;Zn元素含量同样表现出锯齿状的变化趋势,但为“升-降-升-降”的走势;与NPK
0处理相比,Ca元素含量在NPK
1~NPK
3处理下升高,在NPK
4处理下显著降低了22.98%。
2.3.3 对叶片中矿质元素含量的影响
叶片矿质元素含量是反应树体营养状况的重要指标,通过检测叶片营养可以分析树体营养状况
[15]。
表8为钾肥对叶片中矿质元素含量的影响。施钾后N元素含量除NPK
2处理外均显著低于对照。P和K元素含量随施钾量增加逐渐增加,NPK
4处理的P和K元素含量增长最明显,分别是NPK
0处理的1.91和2.13倍。Ca元素含量在NPK
2和NPK
3处理下较NPK
0处理显著降低,分别降低了30.33%和14.02%。Mg元素含量在NPK
4处理下显著低于对照33.83%,其他处理与对照无明显差异。Fe元素含量随钾肥施用量增加先升高后降低,NPK
1和NPK
2处理是NPK
0处理的2.21倍和2.07倍,之后随钾肥用量增加,Fe元素含量显著降低。说明高钾条件会降低叶片中Mg和Fe元素含量。Mn和Zn元素含量随钾肥用量增加呈现出锯齿状的变化趋势,Mn在NPK
1和NPK
3处理显著高于对照,在NPK
2和NPK
4处理下显著低于对照;Zn元素含量在NPK
2处理下最大,为17.86 mg/kg,显著高于对照16.84%;在NPK
1处理下相比对照显著降低了19.26%。
2.4 产量及经济效益
施钾对设施桃产量和经济效益的影响见
表9。NPK
4处理的单株产量和经济效益最大,为6.64 kg和43 465.69 元/667 m
2,单株产量较NPK
0显著提高了43.15%;其他处理下单株产量均高于NPK
0但差异不显著。根据单果重的差异将果实进行分级,高钾处理增大了一级果的比例,在NPK
4处理下,一级果比例达到了75%。
2.5 不同钾肥施用量下设施桃果实品质及产量的综合评价
对本试验中16个果实品质及产量指标进行主成分分析(
表10和11)。共提取出4个特征值大于1的主成分,对应的方差贡献率分别为44.175%、21.717%、13.181%和8.015%,累计贡献率达到了87.087%,说明提取的主成分可以反映大部分指标所代表的信息。根据各主成分的方差百分比计算本试验中5个处理的综合得分,最终得分情况分别为-1.237、-0.938、0.301、0.768和1.207,排名由大到小为:NPK
4>NPK
3>NPK
2>NPK
1>NPK
0。由此得出钾肥对改善设施桃果实品质和提高产量有明显作用,以NPK
4处理的效果最好。
2.6 不同部位矿质元素含量与产量的相关性分析
果实、枝条、叶片中各矿质元素含量及产量间相关性分析结果表明(
图1),产量与叶片P、K元素含量呈极显著正相关关系,与枝条P、Mg元素含量呈显著正相关,与叶片N、Mn元素呈极显著和显著的负相关。果实各矿质元素间大部分表现出较强的正相关关系,且大部分为差异极显著水平。在枝条中,P与K,Mn与N、P、K,Ca与Fe、Zn表现为极显著正相关关系;Mg与N、P、K、Mn,Fe与Zn表现为显著正相关关系。叶片中各元素大部分表现出中等程度负相关(
r在0.4~0.6)或强负相关关系(
r在0.6~0.8),为显著或极显著水平,如N与P、K、Ca,P与Mg、Fe、Mn,K与Mg、Fe、Mn,Ca与Fe、Zn;Mg与Fe、Mn,K与Ca,P与K,N与Fe之间呈显著或极显著正相关。此外,Fe元素含量与其他部位其他元素间关系较密切,枝条中Fe元素与叶片中的N、Mg、Fe、Mn呈显著或极显著正相关,与叶片中P、K元素呈极显著负相关;果实中的Fe与枝条和叶片中的P、K元素呈显著负相关,与枝条中Fe呈显著正相关。
3 讨论
3.1 不同钾肥施用量对设施桃果实品质及产量的影响
本试验条件下,增施钾肥显著提高了设施桃单果重、改善了果实着色,提高了可溶性固形物,降低了可滴定酸含量。这与张绍阳等
[17]和曾朝辉等
[10]的研究结果一致。此外,已有研究证实,可溶性糖能够促进花色苷的积累
[18],钾能够促进花色苷相关代谢基因
DFR、LDOX和
UFGT的表达
[19],同时在氮钾互作条件下可通过诱导糖酸代谢相关酶基因的表达,调控可溶性糖和有机酸含量,进而影响花青苷合成酶基因的表达,调控花色苷的合成
[20],这有可能是本试验中高钾处理改善果实着色的原因。施钾肥后苹果酸含量随钾肥用量增加逐渐下降,这与郭志刚等
[21]对于苹果的研究结果一致;酒石酸和柠檬酸含量无明显变化趋势,但除了NPK
3处理外,酒石酸、柠檬酸含量均低于NPK
0处理。说明施钾有可能是影响了酸代谢过程中细胞质型苹果酸酶(cyME)和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)等相关酶的活性从而影响了有机酸的代谢。
曾朝辉等
[10]对7年生露地桃施肥试验得出适宜的氮磷钾配比为2∶1∶3;高清华等
[22]在对设施桃幼树施用200 g/株钾肥后(折合K
2O 111.2 g/株),叶片净光合速率Pn最大;杨颖等
[23]对油桃进行多次施肥,得出氮磷钾施用量分别为180、80和360 g/株时施肥效果最佳;陈栋等
[8]对7年生露地毛桃多次施肥得出N∶P∶K配比在1∶0.5∶1.5时(N∶336 kg/hm
2,P
2O
5∶168 kg/hm
2,K
2O∶504 kg/hm
2)最有利于提高果实品质。可见不同试验材料、不同栽培模式下适宜的施肥量有一定差异,这也说明施肥需要根据当地条件、品种特性和栽培模式有针对性地进行,这样才能实现精准、科学和高效的栽培。本试验通过综合评价得出NPK
4处理下140 g/株K
2O用量最佳,与高清华等
[22]的钾肥用量较接近。试验中最佳钾肥用量为所设定的最大用量,在一定范围内继续增加钾肥可能对品质提升效果更好,但超过一定范围会起反作用。
3.2 不同钾肥施用量对设施桃果实、枝条和叶片矿质元素含量的影响
不同部位的元素含量有较大差异,这与各部位对元素的调运、吸收和分配特性有关。在果实膨大期,果实是生长中心,各元素以向果实方向调运为主
[24]。同时各元素之间有着复杂的交互作用,不同施钾量对各器官各矿质元素作用不同,且部分元素在不同钾肥量下所表现出的变化趋势并无规律,有些呈锯齿状走势。
大量研究表明,施钾可增加氮、磷、钾和镁等其他养分的含量,单施钾肥或者与其他肥料配施均有显著的效果
[25-27]。涂美艳等
[28]、乔晓宇
[29]和王小娟等
[30]的试验证明,施钾可显著增加果实、枝条和叶片中K元素含量,本试验研究结果与其一致,且各器官钾元素含量均在NPK
4处理下最大,显著高于仅施氮磷肥处理。同时P、K元素之间具有协同作用,果实、枝条和叶片中P、K两元素含量随施钾量增加表现出相同的变化趋势,施钾显著增加了叶片和枝条中P、K元素含量。枝条中除了Fe元素外,其他元素含量在施肥后均增加,说明施钾有利于植株生长,提高植株抗性。果实中N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn和Zn元素含量随施钾量增加先降低后升高,可能与土壤理化状况有关。施肥前土壤中氮磷元素充足,钾元素亏缺,施了氮磷元素促进了植株的营养生长,削弱了钾元素促进果实同化物积累的作用,钾肥用量升至269 g/株时,钾肥发挥作用,各元素含量开始升高。可见不同氮磷钾肥料配比对果实矿质元素含量也有重要影响,具体原因还需进一步验证。
此外,诸多试验结果表明K离子与Ca、Mg离子之间存在复杂的相互作用,低钾浓度促进Mg离子的吸收,高钾浓度抑制Mg离子、Ca离子吸收
[31-34],并且马建梅等
[31]认为钾肥对Mg离子向果实运输有抑制作用。本试验结果与前人研究结果相似,施钾肥后枝条中Ca元素、叶片中Mg元素含量先升高但在高钾条件下显著下降,果实中Mg元素含量均低于仅施氮磷肥处理;但枝条中Mg元素含量在施钾肥后显著增加,可能是由于钾与镁的相互作用因器官不同而有所差异,也有可能是本试验的钾浓度还未达到枝条中钾镁产生抑制作用的临界浓度。
相关性分析表明Fe元素与其他部位元素间关系密切,说明影响Fe元素含量会间接影响其他部位的元素含量。枝条中Fe元素和叶片中Fe、Mn元素含量先升高但在高钾浓度下降低,说明适宜钾肥用量可提高叶片和枝条中Fe元素及叶片中Mn元素含量,高钾条件会降低枝条中Fe元素和叶片中Fe、Mn元素含量。上述结果与王登亮等
[35]对于柑橘的试验结果不一致,这有可能与试验材料本身有关。
张绩等
[36-37]的试验结果显示,叶片、枝条中K与纽荷尔脐橙果实产量间存在正相关关系,冰糖橙叶片Cu、Mn元素与产量呈极显著负相关。徐丞等
[38]在经过相关性分析和路径分析得出板栗产量与叶片中P、N、Fe、Ca含量呈显著正相关关系。苏利荣等
[39]对核桃的研究发现上部叶片中的P含量与核桃产量的相关性最大。本试验中,产量与叶片P、K元素,与枝条Mg、P元素存在显著正相关关系,叶片N、Mn元素含量与产量呈极显著和显著的负相关关系,P、K元素的结果与上述学者一致,N元素结果不一致。果实中各元素之间存在显著正相关关系,说明果实中各矿质营养含量变化规律较一致,并且在树体养分管理中提高P、K和Mg的含量对提高产量有积极的促进作用,改善树体营养元素水平是提高产量的重要措施。
4 结论
增施钾肥提高了设施桃的果实品质、 产量和经济效益,品质提升具体表现在提高了单果重,改善了果实着色,增加了糖含量,降低了酸含量;此外,增加了枝条、叶片中K元素含量以及枝条中部分矿质元素含量,降低了果实中大部分矿质元素含量,高钾浓度处理降低了叶片中大部分矿质元素含量。产量与叶片P、K元素,与枝条Mg、P元素存在显著正相关关系,且果实中各元素之间存在显著正相关关系。对品质和产量指标进行综合评价得出NPK4(K2O用量140 g/株)处理是本试验条件下最佳的钾肥用量。
河北省农林科学院基本科研业务费项目(2023020102)
河北省农林科学院科技创新专项(2022KJCXZX-CGS-6)
热杂果现代种业科技创新团队项目(21326310D)
财政部和农业农村部:国家现代农业产业技术体系项目(CARS-30-Z-02)
河北省现代农业产业技术体系创新团队建设项目(HBCT2023130205)