水肥一體化減量施肥對蘋果果實揮發性物質的影響*

張天皓，陶 茹，靳元凱，李鳳龍，樊淼淼，高 華

（西北農林科技大學園藝學院，陜西楊凌 712100）

我國是世界上最大的蘋果生產國，近年來，我國蘋果種植面積和產量快速增長，種植面積和總產量均占全世界的50%左右[1]。富士蘋果是我國現階段晚熟蘋果主栽品種之一，其栽培面積占我國蘋果總栽培面積的75%以上。

蘋果產量和品質與施肥量密切相關，科學合理施肥是蘋果產業健康發展的關鍵[2]。然而，當前我國蘋果生產一定程度上依賴于化肥和農藥，我國蘋果栽培面積僅占全國耕地總面積的1.7%，但化肥和農藥消費量卻分別高達217.3 萬t 和14.1 萬t，占全國總消費量的3.7%和7.7%[3]。我國大多數果農根據經驗施肥，缺乏科學的依據，造成了化肥施用過量，嚴重影響了我國的生態環境安全和食品安全[4]。彭福田等研究表明，我國蘋果主產區用氮量400～600 kg/hm2，是國外施氮量的2～3 倍，而單位面積產量僅為國外的一半左右[5]。然而，施入果園的大量氮肥并不能被完全吸收，果園吸收利用的氮不足施入量的20%[6]。過度施用化肥不僅造成資源浪費和成本增加，降低了肥料利用率，還導致了土壤質量下降、水體污染、農藥殘留等環境和食品安全問題[7]。隨著“化肥零增長”行動的提出，我國蘋果園減施化肥行動勢在必行[8]。因此，亟需根據地域特點，減少化肥的施用，建立因地制宜的科學施肥模式，改良土壤，為根系的生長和養分的活化提供最優環境[9]。

隨著人們生活水平的提高，人們對果實內在品質的要求越來越高，而香氣是果實評價的重要指標，因此對蘋果香氣物質的研究具有重要意義。香氣成分是構成水果風味的重要物質基礎，也是決定果實品質的主要因素，現已知蘋果產生的揮發性成分有300 多種。果實的香氣物質成分受很多因素的影響，如：品種[10]、栽培條件、立地條件、貯藏[11]等。趙玲玲等[12]研究發現，增施2.5 kg 稻殼炭能顯著增加富士蘋果果實香氣物質種類和特征香氣成分。唐巖等[13]研究發現，在一定的濃度范圍內，隨葉面噴施磷酸二氫鉀濃度的增加，果實揮發性物質含量和種類均呈逐漸增加的趨勢。史沉魚[14]采用N、P、K 肥三因子二次回歸正交設計田間試驗，研究了氮磷鉀肥料對洛川紅富士蘋果香氣成分的影響發現，紅富士蘋果主體香氣含量最高時為92.03%，各種香氣成分在各個處理中所占比例不同。

渭北黃土高原是世界上面積最大、土層最厚最為潔凈的一片黃土地，是世界蘋果的最佳優生區[15]。本試驗選擇渭北黃土高原地區典型果園，通過化肥減量及不同施肥模式處理，研究了蘋果園減施化肥的可行性以及化肥減量對玉華早富蘋果揮發性物質的影響，以期得到渭北黃土高原地區最佳施肥量和相應的施肥模式，為減肥不降效提供實證和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

1.1.1 試驗園概況

供試蘋果園位于陜西省白水縣秋林蘋果專業合作社，該地區為渭北高原溝壑區，位于東經109°5′～109°16′，北緯35°4′～35°27′，平均海拔850 m，平均年降水量577.8 mm，年平均氣溫11.4 ℃，極端最低氣溫-13 ℃。無霜期227 d，平均年日照時數2 112 h。供試土壤為褐土，pH 值7.57，有機質含量7.37 g/kg，硝態氮含量13.8 mg/kg，銨態氮含量10.6 mg/kg，有效磷含量41.55 mg/kg，速效鉀含量111.98 mg/kg。

蘋果品種為5 年生盛果期玉華早富，基砧為新疆野蘋果（Malus sieversii），中間砧為M26，行株距4.0 m×1.5 m，除試驗處理外，其余栽培條件和管理水平一致。

試驗所用肥料氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O516%），鉀肥為農用硫酸鉀（含K2O 54%），有機肥采用腐熟牛糞。

1.1.2 試驗設計

挑選長勢基本一致且健康的玉華早富果樹，按試驗設計施肥。試驗設6 個處理：根域水肥一體化施肥4 個處理（WF1、WF2、WF3、WF4），用施肥槍將肥料注射入樹體根域四周土壤，灌水量4 個處理一致，均為0.12 m3/株；雙減模式為當地主推減肥施肥模式；常規施肥模式為當地農戶主要施肥模式。具體施肥量見表1。

表1 各試驗處理施肥量

根域水肥一體化施肥4 個處理的基肥于上年10月6 日采用條狀溝施肥方式施入（施用N 60%，P2O540%，K2O 20%，有機肥100%，不灌水）；追肥均采用根域注射施肥的方式施入，分別于萌芽期4 月7 日（施用N 10%，P2O510%，K2O 5%，灌水0.02 m3/株）、萌芽后5 月6 日（施用N 10%，P2O510%，K2O 5%，灌水0.02 m3/株）及果實膨大期6 月10 日（施用N 5%，P2O510%，K2O 20%，灌水0.02 m3/株）、7 月5 日（施用N 5%，P2O510%，K2O 20%，灌水0.02 m3/株）、7 月21 日（施用N 5%，P2O510%，K2O 20%，灌水0.02 m3/株）和采收前8 月16 日（施用N 5%，P2O510%，K2O 10%，灌水0.02 m3/株）施入，全年共追肥6 次。

常規施肥模式的基肥于上年10 月6 日施入（施用N 60%，P2O540%，K2O 20%，不灌水），追肥分別于萌芽期4 月7 日（施用N 20%，P2O530%，K2O 20%，不灌水）和果實膨大期6 月10 日施入（施用N 20%，P2O530%，K2O 60%，不灌水）；雙減施肥模式的基肥于上年10 月6 日施入（施用N 60%，P2O540%，K2O 20%，有機肥100%，不灌水），追肥于果實膨大期6 月10 日施入（施用N 40%，P2O560%，K2O 80%，不灌水）。常規施肥模式、雙減施肥模式的基肥和追肥均采用條狀溝施肥的方式，即在距離樹體主干左右兩側50 cm 處挖深度和寬度大約30 cm 的施肥溝，施肥后覆土。

1.2 測定項目及方法

（1）試劑。內標物質：3-壬酮，購買自Alfa Aesar公司。

（2）儀器與設備。ISQ&Trace ISQ 氣相色譜-質譜聯用儀，美國賽默飛科技有限公司。

（3）香氣成分測定。用頂空固相微萃取法對果實的香氣物質成分進行提取。在50 mL 的樣品瓶中依次加入1 g NaCl、轉子、5 g 樣品、內標物0.04 μL/mL 3-壬酮10 μL，加入后迅速用錫箔紙封口，放在磁力攪拌加熱板上平衡10 min，平衡后將萃取頭插入樣品瓶中吸附，吸附40 min 后，插入250 ℃的GC 進樣口解析，解析2.5 min 后，取出萃取頭，用氣相色譜-質譜聯用儀測定果實揮發性成分。

（4）色譜條件。采用HP-INNOWas 毛細管色譜柱（柱長60 m，內徑0.25 mm，液膜厚度0.25 μm），載氣為高純氦氣，流速1.0 mL/min，進樣口溫度為230 ℃，采用不分流進樣方式。采用程序升溫，初始溫度40 ℃，保持3 min；先以5 ℃/min 升至150℃，再以10 ℃/min 升至220 ℃，保持5 min。

（5）質譜條件。電子電離為EI 源，電子轟擊能量為70 eV；離子源溫度為240 ℃；傳輸線溫度為240 ℃；采集時間為2.5 min。

（6）香氣物質定性與定量。未知化合物質譜圖經計算機檢索同時與NIST05 質譜庫相匹配，確認各種揮發性成分；以3-壬酮為內標進行定量。

1.3 數據處理

試驗數據測定取3 次生物學重復，采用Excel 2019 進行處理，采用SPSS 21.0 進行顯著性分析及主成分分析，用Duncan’s 統計法計算各處理間差異的顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質成分分析

由表2 可知，利用GC-MS 技術，6 個不同施肥處理共檢測出玉華早富果實揮發性成分31種，包括24種酯類，3種醛類，2種醇類，1種酸類和1種其他類物質。

在簡易水肥一體化施肥的4 個處理中，WF1 處理中共檢測到揮發性物質21種，主要揮發性成分為酯類、醛類、醇類和酸類物質。其中酯類物質16種，主要成分為2-甲基-1-丁基乙酸酯；醛類2種，分別為正己醛和2-己烯醛；醇類2種，分別為2-甲基丁醇和反式2 甲基環戊醇；酸類1種，為2-甲基丁酸。WF2 處理中共檢測到揮發性物質29種，主要揮發性成分為酯類、醛類、醇類、酸類和其他類物質。其中酯類物質23種，主要成分為2-甲基-1-丁基乙酸酯、乙酸己酯和異戊酸己酯等；醛類2種，分別為正己醛和2-己烯醛；醇類2種，分別為2-甲基丁醇和反式2 甲基環戊醇；酸類1種，為2-甲基丁酸；其他類1種，為草蒿腦。WF3 處理中共檢測到揮發性物質22種，主要揮發性成分為酯類、醛類、醇類、酸類和其他類物質。其中酯類物質16種，主要成分為2-甲基-1-丁基乙酸酯、乙酸己酯和異戊酸己酯等；醛類2種，分別為正己醛和2-己烯醛；醇類2種，分別為2-甲基丁醇和反式2 甲基環戊醇；酸類1種，為2-甲基丁酸；其他類1種，為草蒿腦。WF4 處理中共檢測到揮發性物質28種，主要揮發性成分為酯類、醛類、醇類、酸類和其他類物質。其中酯類物質21種，主要成分為2-甲基-1-丁基乙酸酯、乙酸己酯和異戊酸己酯等；醛類3種，分別為正己醛、2-己烯醛和壬醛；醇類2種，分別為2-甲基丁醇和反式2 甲基環戊醇；酸類1種，為2-甲基丁酸；其他類1種，為草蒿腦（表2）。

表2 玉華早富不同施肥處理果實揮發性成分相對含量

雙減施肥處理共檢測到揮發性物質23種，主要揮發性成分為酯類、醛類、醇類和酸類物質。其中酯類物質19種，主要成分為2-甲基-1-丁基乙酸酯、異戊酸己酯等；醛類2種，分別為正己醛和2-己烯醛；醇類1種，分別為2-甲基丁醇；酸類1種，為2-甲基丁酸（表2）。

常規施肥處理共檢測到揮發性物質26種，主要揮發性成分為酯類、醛類、醇類、酸類和其他類物質。其中酯類20種，主要成分為2-甲基-1-丁基乙酸酯、異戊酸己酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸丁酯等；醛類2種，分別為正己醛、2-己烯醛；醇類2種，分別為2-甲基丁醇和反式2 甲基環戊醇；酸類1種，為2-甲基丁酸；其他類1種，為草蒿腦（表2）。

2.2 不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質成分種類相對含量分析

由表3 可知，各處理間玉華早富果實的酯類物質相對含量均無顯著性差異，即減施化肥對玉華早富果實的酯類物質相對含量影響不顯著。

各處理間玉華早富果實醇類物質、酸類物質和其他類物質差異顯著。WF3 處理的醇類物質相對含量最高，為2.81%，常規施肥處理果實醇類物質相對含量為2.11%，與WF3 處理無顯著性差異（表3）。

表3 玉華早富不同施肥處理果實揮發性成分分類相對含量 %

雙減施肥處理果實酸類物質相對含量最高，達到了1.27%，顯著高于WF1、WF2、WF3 和常規施肥模式處理，與WF4 處理無顯著性差異（表3）。

WF3 處理果實其他類物質相對含量最高，為0.33%，顯著高于其他處理；其次為常規施肥處理和WF4 處理，二者無顯著差異，且均顯著高于WF2處理；雙減施肥處理和WF1 處理果實均沒有檢測到其他類物質（表3）。

2.3 不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質種類數量及總含量分析

如圖1 所示，不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質種類差異顯著。其中WF2 中揮發性物質種類最多，共檢測到29種，其次為WF4，共檢測到28種，常規施肥處理共檢測到26種，雙減施肥處理共檢測到23種，WF3 共檢測到22種，WF1 共檢測到21種。雙減施肥、WF2、WF3、WF4 果實揮發性物質種類與常規施肥處理無顯著性差異，WF1果實揮發性物質種類顯著低于常規施肥處理。

圖1 不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質種類

如圖2 所示，不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質總含量差異顯著。其中常規施肥處理果實揮發性物質總含量最高，為2 699.41 μg/kg；其次為雙減施肥處理，為2 687.28 μg/kg；其他依次為：WF2 2 593.94 μg/kg，WF3 2 088.12 μg/kg，WF4 1 939.14 μg/kg，WF1 1 328.10 μg/kg。雙減施肥處理和WF2處理果實揮發性物質總含量與常規施肥處理無顯著性差異，WF3 和WF4 果實揮發性物質總含量顯著低于常規施肥處理。WF1 處理果實揮發性物質總含量最低，顯著低于常規施肥處理。

圖2 不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質總含量

2.4 不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質主成分分析

以不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質種類及其相對百分含量為數據源，進行主成分分析，以PC1 為橫坐標，PC2 為縱坐標，繪制主成分分析載荷圖（圖3），并且得分圖中處理間距的遠近表明其差異性的大小。在PCA 模型中，PC1 和PC2累積方差貢獻為99.99%，能夠反映樣本的絕大部分信息，因此選取2 個主成分（PC1 和PC2）進行分析。由圖3 可知，不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質分別聚集在PCA 得分圖的同一區域，根據其距離間隔的大小與香氣成分的相關性分為一類，表明不同施肥處理對玉華早富果實揮發性物質影響相似性較大。

圖3 不同施肥處理玉華早富果實揮發性物質含量PCA 得分圖

3 討論

香氣是衡量水果品質的關鍵因素之一[16]，蘋果的香氣不僅能刺激人的食欲，還有助于人們對其他物質的吸收，對人體有很重要的作用。研究表明，植物經卡爾文循環生成蔗糖，然后經過糖酵解、莽草酸途徑和甲羥戊酸途徑生成脂肪酸、類胡蘿卜素、苯丙氨酸和支鏈氨基酸4 類揮發性物質合成底物，進一步轉化為酯類、醛類、醇類、酮類、酸類和其他類物質[17]。蘋果果實中檢測到的香氣物質已超過300種，其香味物質一般分為酯類、醛類、醇類、萜類、酮類等，這些化合物以一定比例存在于果肉或果皮，構成了蘋果獨特的典型香味，起主要作用的有酯類、醛類等[18]。本試驗表明，玉華早富果實揮發性物質共檢測到31種，主要由酯類和醛類組成，分別占到總揮發性物質的49.47%和44.52%，其余由醇類、酸類和其他類組成。

Jonathan 等[19]研究表明，自然條件下蘋果揮發性物質中，低分子酯類占78%～92%，以乙酸、丁酸和己酸分別與乙醇、丁醇和己醇形成的酯類物質為主，它們具有典型的蘋果香味。本試驗表明，蘋果果實中含量較高的香氣成分有2-甲基-1-丁基乙酸酯、2-己烯醛、異戊酸己酯、正己醛、乙酸己酯、2-甲基丁酸丁酯，占到總香氣成分的80.29%，酯類含量最高，醛類次之，醇類、酸類和其他類較低，這與劉俊靈等[20]的測定結果基本一致。在常規施肥模式和水肥一體化施肥模式條件下，蘋果果實中酯類物質含量無顯著性差異，可能是由于影響蘋果揮發性物質形成的因素不僅與養分供應有關，還可能較大程度受氣候特征[21]、管理水平[22]和品種[23]等因素的影響。在傳統施肥模式下，蘋果果實揮發性物質總含量最高，可能得益于較高的元素供應促進苯丙氨酸代謝，β-葡萄糖苷酶促進苯丙烷合成，脂氧合酶催化多元不飽和脂肪酸降解等一系列生化反應，最終提高蘋果果實揮發性物質總含量[24]。

早期學者研究認為，果樹缺乏肥料會使其果實風味變差，并認為只有均衡養分才能保證良好的果實風味[25]。Taylor 等[26]研究表明，嘎拉蘋果香氣成分在一定程度上受到氮素的影響。趙玲玲等[12]研究發現，增施2.5 kg 稻殼炭能顯著增加富士蘋果果實香氣物質種類和特征香氣成分。本研究表明，在水肥一體化模式下，過高或過低的化肥施肥量會顯著影響蘋果果實揮發性物質的含量和種類。在過高或過低的化肥施用量上，均可使玉華早富果實揮發性物質的總含量降低，以WF2 處理下果實揮發性物質種類最多，總含量與常規處理無顯著性差異，表現效果最好。這可能是由于揮發性物質屬于果實的次級代謝產物，是由果實的基本組成物質，如脂肪酸、氨基酸、碳水化合物等作為前體物質，在果實中生長發育過程中適量的元素供應會促進脂肪酸途徑、氨基酸途徑和萜類途徑合成化合物，而這些前體物質和合成途徑均需要多種元素參與完成[27-28]。

蘋果中揮發性物質種類繁多，成分差異較大，通過主成分分析，根據其分布區域和間隔大小可確定其種類和成分的差異并對其進行分類。本試驗經過主成分分析表明，不同施肥處理的玉華早富果實揮發性物質分別聚集在PCA 得分圖的同一區域，表明不同施肥處理對玉華早富果實揮發性物質影響相似性較大。WF4 處理更接近于常規施肥處理，說明其揮發性物質成分和含量與常規施肥處理的相似性最大。WF1 處理和WF4 處理果實揮發性物質有較大的差異，說明根域水肥一體化模式下化肥施用過量或不足均會較大程度影響玉華早富果實揮發性物質。

4 結論

與當地常規施肥方法相比，根域水肥一體化注射施肥模式下，WF2 處理下果實揮發性物質種類最多，果實揮發性物質總含量與常規施肥處理無顯著性差異，可使施用的化肥總養分用量減少37.07%時，果實揮發性物質種類最多，揮發性物質種類及總含量均與常規施肥處理無顯著性差異，所以推薦水肥一體化施肥模式施肥量為N 0.27 kg/株、P2O50.19 kg/株、K2O 0.32 kg/株。