土壤水分对富士苹果果实外观品质的影响

穆家壮，徐孙霞，薄海丰，陈家伟，王三红，渠慎春*

(1 南京农业大学 园艺学院，南京 210000；
2 丰县果业研究院，江苏丰县 221700；
3 丰县果树实用技术研究所，江苏丰县 221700；
4 丰县绿晟农业科技发展有限公司，江苏丰县 221700)

水果品质是一个动态概念，随着反映社会文化演变的消费者需求和观念而变化[1]。消费者一般先通过水果的外观来判断果实的质量，然后再通过果实的内在品质来判断果实的质量[2]。因此，在确保果实内在品质的前提下，改善苹果果实的外观品质显得尤为关键。

土壤水分是影响苹果产量和品质的主要因素，合理调控土壤水分，可以提高苹果产量，改善苹果品质[3]。水资源短缺已在全世界普遍存在[4]，果树种植的精准控水也显得尤为重要。亏缺灌溉被证明是一种有效的管理实践方法[5-6]，Wang等[7]的研究表明，在水果发育后期进行轻水控制可以获得最佳果实质量和产量。

土壤水分对苹果的外观品质具有重要影响。苹果的果皮由苹果的角质层加上表皮和皮下细胞层构成，角质层由一种均质生物聚酯基质的角质层和一种沉积在角质层内和表面的蜡层组成[8]。Opara等[9]的研究表明，频繁灌溉会增加“嘎啦”苹果茎端裂和内环裂的发生，且随着果实成熟期的推进，发生率均会增加。这可能是果肉细胞增大的不平衡，因为果实生长促进而加剧，从而导致细胞间的小裂缝，造成果皮的裂纹甚至裂果[10]。果实的开裂与品种性状、季节影响和降雨时期有很大关系[11]。Faust等[12]关于‘金冠’苹果表皮蜡质结构和裂缝的研究发现，在生长季早期，裂缝发生严重而延伸到蜡质层；
生长季后期，果实表面裂纹逐渐扩散形成网状结构。Ikeda等[13]曾报道水势梯度会促进果实的吸水，增加果肉膨压，这可能与果实开裂有关。

本研究以‘烟富3号’作为材料，旨在探讨不同土壤水分处理对富士苹果果实品质(主要为外观品质)的影响，揭示苹果土壤水分管理与果皮裂纹发生之间的关系。

1.1 试验设计

本研究于2020～2021年在江苏丰县大沙河果树试验站进行。该试验站为暖温带半湿润季风气候区，年平均温度14.9 ℃，最高温度38 ℃，最低温度-14 ℃，年平均降雨量787 mm，年平均日照时长2 136 h，2021年降雨量达到1 036.5 mm。土壤类型为沙壤土，pH在8左右，土壤质地疏松。试验园土壤容重1.37(0～20 cm)和1.509(20～40 cm)，土壤田间持水量(θf)21.167%，有机质含量为15.763 g/kg(0～20 cm)和7.973 g/kg(20～40 cm)，且矿质元素含量丰富。

以7年生的‘烟富3号’苹果作为试验材料，砧木为M9-T337矮化自根砧，果实采用套袋处理，授粉树为‘红玛瑙海棠’。水分处理分为两组，每组三个处理，其中一组的水分处理全生长季(盛花后7 d至盛花后190 d)保持不变；
由于研究表明，在果实后期进行低水处理可以提高其内外品质，且为防止果实发育前期水分供应不足导致落果，故本研究以苹果生理落果(6月19日)为节点，将另一组的水分处理划分为前期和后期两个阶段，来探究果实发育后期的低水对果实品质的影响，处理前期为盛花后7 d至生理落果节点，处理后期为生理落果节点至盛花后190 d。

水分处理用相对含水量表示，具体处理分别为LCK(果园灌溉)、LT1(土壤相对含水量为55%～65%)、LT2(65%～75%)、LT3(75%～85%)、LT4(前期55%～65%、后期45%～55%)、LT5(前期65%～75%、后期55%～65%)、LT6(前期75%～85%、后期65%～75%)。其中，果园灌溉为试验园日常灌溉方法，未进行其他水分处理，其余处理按照设置的水分梯度进行控制。为了预防外界土壤水分的渗透影响，在每棵试验树的树盘下开直径2 m、深度50 cm的环状沟，将塑料薄膜竖直放入沟中，并在紧贴沟壁固定后覆土掩埋。此外，在树盘下覆盖2 m×2 m防雨薄膜，降低雨水对试验处理的影响，并减少土壤水分蒸发，维持土壤水分稳定。每7 d测定一次各处理的土壤含水量，若低于设定值则人工补水，若高于设定值则及时翻开薄膜进行晾晒。当土壤水分低于设定值时，补水量依据以下农田水贮量计算方法得出，由于该计算方法没有考虑灌溉的各种损失，故实际灌溉量应较大于理论值，该值作为具体灌溉量的参考。

补水量(方/亩)=666.6 m2×深度(m)×土壤含水量之差(重量)×容重

1.2 测定指标及方法

1.2.1 含水量、水势和可溶性固形物含量分别在每个处理小区的不同方位采取3份待测土壤样品，用烘干法进行土壤含水量测定；
采取新鲜的土壤和果实样品，重复3次，使用Psypro露点水势仪进行水势测定；
每株试验树采取3个果实，使用手持折光仪(WZ-103，托普仪器，浙江)测定果实可溶性固形物含量。

1.2.2 果实裂纹指数、着色指数和光洁指数果实裂纹依据分级标准[14]分为6级：0级果实果面光滑，未出现裂纹；
1-5级果实裂纹面积分别约占果面总面积的1%～10%、11%～20%、21%～40%、41%～60%和60%以上。果实着色依据分级标准[15]分为1～4级，果实着色面积分别为0～25%、26%～50%、51%～75%、76%～100%。果实果面光洁度依据分级标准[16]分为4级：1级，果面粗糙如同未套袋果；
2级，果面粗糙，色较暗；
3级，果面较光滑；
4级，果面光洁细腻。依据调查果实裂纹、着色和光洁度等级及相应数量计算果实裂纹指数、着色指数和光洁指数。

裂纹指数=∑(各级果数×裂纹级数)/调查总果数。

着色指数=∑(各级果数×着色级数)/调查总果数。

果面光洁指数=∑(各级果数×着色级数)/调查总果数。

1.2.3 果皮超微结构观测果皮的石蜡切片由武汉赛维尔生物科技有限公司制作。制作过程包括：取材、脱水浸蜡、包埋与切片、番红染色、固绿染色、切片观察。果皮扫描电镜切片的制备在南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室完成，制备方法包括：取材、清洗、固定、清洗、脱水、置换、干燥、粘样和镀膜。

1.3 数据处理

试验数据使用SPSS 21进行多重比较和统计分析，采用Duncan新复极差法进行差异显著性检验，在P<0.05时检验统计的显著性。

2.1 不同水分处理的土壤含水量变化特征

试验于盛花后7 d(4月17日)开始进行露天土壤水分处理，并每周对各水分处理的土壤相对含水量进行监测，一直持续到苹果采摘前1周。监测结果(图1)显示，在苹果盛花后90 d之前，各水分处理的土壤相对含水量基本处于处理设置范围内波动；
在盛花后90～120 d之间，当地遭遇严重的暴雨天气，各处理的土壤相对含水量均有所提高；
在盛花后120 d后，经过适当的晾晒，土壤水分含量也均在处理设置范围内。其中，LCK处理土壤相对水分含量在整个监测过程中波动很大，于盛花后65 d最低达69.9%，于盛花后107 d时最高达93.2%，由此看出果园常规水分管理下土壤含水量的不稳定性。

LT1-LT6.土壤水分处理,土壤相对含水量分别为55%～65%、65%～75%、75%～85%、55%～65%/45%～55%(前期/后期)、65%～75%/55%～65%、75%～85%/65%～75%；
LCK.对照处理，果园常规灌溉管理。下同图1 不同水分处理的土壤相对含水量变化趋势LT1-LT6:Soil water treatments,their soil relative water content are 55%～65%,65%～75%,75%～85%,55%～65%/45%～55% (earlier stage/later stage),65%～75%/55%～65%,75%～85%/65%～75%;LCK.Control treatment,ordinary orchard management.The same as belowFig.1 Trend of soil relative water content of different water treatments

2.2 土壤水分对苹果果实可溶性固形物含量的影响

由图2可知，各处理苹果可溶性固形物含量在果实发育过程中呈上升趋势，且在盛花后130～150 d果实可溶性固形物含量增长最快。与LCK相比，LT1处理和LT4处理果实的可溶性固形物含量增加，而LT3和LT6处理果实的可溶性固形物含量降低，这一趋势贯穿整个发育过程。采摘时果实可溶性固形物含量以LT4处理的最高(14.367%)，相比对照提高了15.2%，其次是LT1(13.4%)和LT5(13.1%)，其余处理相差不大，LT3处理最低(11.9%)。

图2 不同土壤水分处理富士苹果可溶性固形物含量的变化趋势Fig.2 The soluble solid content in fruit of Fuji apple under different soil water content treatments

2.3 土壤水分对果实裂纹、着色及果面光洁度的影响

首先，在盛花后150 d时，富士苹果果实裂纹逐渐开始产生(图3)。其中，LCK果实的裂纹发生在盛花后157 d时已经十分严重，并且在持续加剧；
LT1、LT4和LT6处理的果实裂纹在果实发育过程中逐渐蔓延开来，LT4和LT6处理表现为密集的微小裂纹；
LT2、LT5和LT3处理果实裂纹在发育过程中发生相对较少。同时，表1显示，与对照LCK相比，LT1 和LT4处理的果实裂纹指数分别增加了30.1%和20.1%，而LT2、LT3、LT5和LT6处理的果实裂纹指数分别降低了49.8%、19.8%、49.8%和30.1%，且LT2和LT5处理与对照存在显著性差异(P<0.05)。

其次，随着果实发育时期的推移，富士苹果果实开始着色(图3)。其中，LT5处理的果实着色最早，在盛花后157 d时便在果实的右上部出现明显的红色；
其他的处理果实着色相对较晚，最晚的LT1直到盛花后178 d才看出明显的红色。果实采摘时，LT2和LT5处理的果实着色较好，颜色红艳且均匀，LT1、LT3和对照LCK处理的果实着色不太均匀，有明显的色差，LT4和LT6处理的果实着色相对较浅，果实偏黄绿色。同时，果实着色指数调查结果(表1)显示，LT1、LT2、LT5处理着色指数分别比对照提高了3.4%、14.0%、17.4%，而LT3、LT4、LT6处理的着色指数分别比对照降低13.7%、20.5%、31.1%，且LT4和LT6处理与对照存在显著性差异(P<0.05)。

图3 富士苹果成熟前果实裂纹发生及着色情况Fig.3 Crack occurrence and coloring of Fuji apple fruit before ripening

再次，富士苹果果面光洁指数在LT1～LT6处理中比对照分别提高了50.4%、150.4%、125.6%、45.2%、175.9%和100.8%，且LT1、LT2、LT3和LT5处理均与对照存在显著性差异(P<0.05)。可见，LT2与LT5处理在显著降低果实裂纹指数的同时，还显著提高了果实的着色指数与果面光洁指数，对果实外观品质表现出更好的改善效果(表1)。

表1 土壤水分对苹果外观相关指数的影响Table 1 Effects of soil moisture on some indexes of apple

2.4 土壤水分对富士苹果果皮显微结构的影响

从图4来看，LCK处理的果皮角质层较薄，并且可以明显看到角质层有陆续的断裂；
LT1处理的果皮角质层发生完全断裂，裂缝开口很大，且在断裂处有许多较小的细胞聚集；
LT3处理的果皮角质层也发生断裂，但断裂程度低于LT1，断裂处也观察到有细胞聚集；
LT4处理的果皮角质层产生一个小缺口，形成果皮的微裂纹；
LT2、LT5和LT6处理的果皮并没有发生角质层的明显断裂，但LT2、LT6处理角质层下也存在小细胞聚集的现象，这可能预示着果皮有开裂的趋势。LT5果皮角质层结构良好，没有发生开裂。

图4 不同土壤水分处理下富士苹果果皮的石蜡切片Fig.4 Paraffin section of Fuji apple peel under different soil water treatments

同时，从扫描电子显微镜观察结果(图5)可知，LT4和LCK处理的果皮表面存在很大的裂缝，果皮开裂十分严重，除大裂缝的其他部分均匀地分布着许多小波纹，这些波纹将表层的蜡板分割成一个个多边形的小室；
LT6处理的果皮表面也存在明显裂缝，但裂缝与对照LCK相比较小，且与果肉相连；
LT5处理的果皮没有明显的大裂纹，但在高倍下仍看到果皮上分布着许多类似补丁形状的细小裂纹，果皮虽然没有明显的开裂，但是存在着将要开裂的趋势。

另外，在露天条件下，富士苹果健康果实的角质层平均厚度为7.653 μm，裂果果实的角质层平均厚度为6.875 μm，健康果实的角质层厚度显著高于裂果果实(图6)。

2.5 富士苹果健康果与裂果不同部位的水势比较

试验测定了富士苹果果实萼洼、中部和梗洼3个部位(图7,A)的水势，结果表明健康果实的水势(-1.22 MPa)明显高于裂果的水势(-1.44 MPa)(图7，B)；
进一步比较健康果实和裂果不同部位的水势，发现无论是健康果实还是裂果，果实中部的水势都显著高于果实萼洼和梗洼处的水势，并且健康果实在果实萼洼、中部和梗洼的水势均要显著高于裂果相应的部位(图7，C)。

小写字母和*表示显著性差异(P<0.05)图7 富士苹果健康果实与裂果果实的不同部位(A)及其水势比较(B、C)Normal letters and * indicate significant differences (P<0.05)Fig.7 The different parts (A) and their water potential (B，C) of healthy fruit and cracked fruit of Fuji apple

可溶性固形物是影响果实食用品质的重要因素[17]，其含量受土壤水分影响较大。在本研究中，LT1和LT4处理提高了富士苹果果实的可溶性固形物含量，说明较低的土壤水分含量会促进果实可溶性固形物的积累。这与张艳霞等[18]在葡萄上的研究结果相似，即中度水分胁迫可以提高葡萄果实的可溶性固形物含量。

在保证果实内在品质的同时，果实外观品质也不容忽视。苹果果实的外观品质会影响其商品性，并主导着消费者的购买欲望，而水分与果实的外观品质关系密切。黄旭明等[19]曾报道，在柑橘果实的发育后期，一场暴雨会使果皮细胞壁来不及松弛，从而被果肉撑破，导致裂纹发生甚至裂果。本研究结果也表明果园常规水分管理的不规律会导致苹果果实水分吸收和果肉膨大不稳定，加剧裂纹的发生。此外，LT1和LT4处理在苹果果实发育前期进行稳定的低水分处理，但后期遭遇暴雨天气，由于预防工作有限，果实吸水迅速膨胀，果皮张力难以支撑，从而形成严重的开裂，这与Caroline等[20]的研究结论相似，同时也是当地苹果露天生产面临的难题。李娟等[21]发现在柑橘果实发育后期，随着水分胁迫的增加，果皮水溶性果胶含量增加，进而导致果皮细胞壁超微结构的变化，使细胞壁发生过度松弛，在膨压作用下，细胞壁发生溃裂。与其不同的是，本研究发现在富士苹果发育后期，进行适当土壤低水管理的LT6处理的果实裂纹指数略低于LT3处理，这表明后期的土壤低水会降低果实裂纹的发生。因此，本研究中LT2和LT5处理果实的裂纹指数最低(均为1.67)，主要原因有两点，一是处理本身设置的土壤水分含量并不低，受暴雨天气影响相对较小，土壤水分大致可以保持相对稳定；
二是与土壤含水量较高的处理相比，其土壤含水量适中，有利于果实后期的养分积累，果实快速膨大有限，从而降低了果实裂纹指数。

果实裂纹在微观上表现为果皮表层的角质层结构发生变化，包括纵向延伸和横向断裂。本研究通过果皮石蜡切片观察到LT5处理的果皮结构完好无断裂，角质层向表皮内壁细胞进行纵向延伸，在内壁形成了角质层沉积，这在Konarska[22]的研究中也可以看到。值得注意的是，与LT5处理相比，其他处理的果皮在发生断裂的部位可以观察到明显的皮下细胞聚集，这可能预示着断裂将要发生的趋势。有研究表明，果实发育分为两个主要阶段，第一阶段是在坐果之后，果实通过密集的细胞分裂而生长，第二阶段的果实则由于细胞增大和细胞间隙增加而膨胀[23-24]。因此，我们认为出现皮下细胞聚集，是因为果实在发育后期土壤水分骤然变化的情况下，皮下细胞吸水迅速膨胀，而果皮的张力有限，导致部分细胞被挤压聚集在一起，最终突破果皮的张力形成开裂。

横向断裂将苹果角质层划分为一个个多边形小室，此前有报道称之为“血小板”结构[25-27]，该现象很大程度上影响了果实裂纹的产生。本研究发现苹果角质层除了“血小板”结构以外，还存在着“补丁状”的细长裂纹。LT5处理的果皮相对光滑且裂纹较少，但在表皮上分布着许多类似补丁状的微裂纹，它可能也会发展形成纵长的裂缝，但实际还没有发生。这说明果面的形成是一个长期的动态过程，不同的处理导致了不同的结果，本研究旨在寻找使富士苹果果面光洁较好的土壤水分处理。

此外，也有相关研究证明了果实裂纹与果皮厚度和果实水势直接相关。Kaur等[28]的研究发现，健康的柠檬果皮厚度显著高于开裂果皮，说明柠檬果实的开裂与柠檬果皮的厚度有关。本研究结果表明，健康的苹果果皮角质层厚度显著高于裂纹多的果实，我们认为这是由于果肉细胞的膨胀，将果皮向外撑开，导致了角质层厚度的降低，同时引起裂纹的产生。Cline等[29]的研究表明，不同甜樱桃品种开裂的差异与果实的渗透势和表皮渗透势对水分积累速率的间接影响有关。果实水势会影响水分的运输方向，水分总是从水势高的地方向低的地方运输。本研究发现富士苹果裂果的水势要显著低于健康果实，这可能是因为裂果的可溶性固形物含量较高，果肉水分中溶质含量较高，水势较低，因此裂果的吸水能力也更高。此外，萼洼和梗洼处的水势普遍低于果实中部。

富士苹果在露天条件下种植时，果园不规律水分管理或发育后期受暴雨天气影响，会导致果实在发育后期裂纹发生严重，影响果实的商品性。适当的土壤水分胁迫(65%～75%)可以在不影响果实食用品质的同时显著降低果实表面裂纹的发生率，提高果面光洁度。在果皮的微观结构上，角质层发生断裂的部位有明显的细胞聚集，这可能与果肉吸水以及裂纹发生关系密切。同时，在果实发育后期，适当的轻水处理会促进果实的糖积累并减少裂纹的产生。果实裂纹的发生与果皮角质层厚度和果实水势相关，厚度越大、水势越高，裂纹发生越少。

另外，土壤的含水量受土壤性质影响很大，不同理化性质土壤的含水量可能相同，但其干旱程度却不大相同。土壤水势是衡量土壤水分状况、可用性和流动性的重要指标[30]，用它来衡量土壤水分状况不需要考虑土壤的性质。因此，研究根据Logistic方程制作了试验土壤的土壤水分特征曲线[31]，来实现土壤含水量和土壤水势之间的换算。在生产中可以通过该曲线进行土壤含水量与土壤水势的定量分析[32]。本研究中LT2与LT5处理的富士苹果果实品质最优，其土壤相对含水量分别为LT2(55%～65%)、LT5(前期65%～75%，后期55%～65%)，依据土壤水分特征曲线计算出的相应土壤水势分别为LT2(-0.569～-0.309 MPa)、LT5(前期-0.569～-0.309 MPa、后期-0.845～-0.569 MPa)。

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