種植密度對馬鈴薯產量和淀粉品質的影響

張中寧 張晨霞 吳莘玲 陳晨 劉震宇 陳德華 陳媛

摘要：為研究不同種植密度對馬鈴薯產量和品質的影響，以早熟馬鈴薯品種費烏瑞它和早大白為供試材料，設置52 500、67 500、82 500株/hm2等3個種植密度，測定不同密度下馬鈴薯的產量及構成、比重、還原性糖含量、直鏈淀粉含量、淀粉磷含量、淀粉粒度、淀粉熱力學特性等指標。結果表明，隨著種植密度的增大，馬鈴薯產量呈先上升后下降的趨勢，在67 500株/hm2時達到最高，而單株結薯數和馬鈴薯塊莖單薯質量呈下降趨勢;還原性糖含量呈上升趨勢，直鏈淀粉的含量、淀粉磷含量、淀粉體積平均粒徑呈下降趨勢，淀粉糊化的起始溫度、終值溫度、峰值溫度均增高。綜上，52 500株/hm2 時，馬鈴薯的單薯質量和比重最高;直鏈淀粉含量和淀粉平均體積粒徑也高于其他密度;淀粉中還原性糖含量最低，利于高溫加工;當種植密度為82 500株/hm2時，淀粉含磷量最高，淀粉的糊化溫度高于其他種植密度。當種植密度為67 500株/hm2時，馬鈴薯的產量最高，而品質則介于以上2個密度之間。因此，生產中可以通過密度來調節馬鈴薯的部分淀粉品質，根據產量要求、口感品質、用途等選擇合適的種植密度。

關鍵詞：馬鈴薯;種植密度;產量;淀粉品質;理化特性;方差分析;影響

中圖分類號：S532.04 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）07-0059-08

收稿日期：2021-02-24

基金項目：江蘇省高等學校自然科學研究面上項目（編號：18KJB210013）。

作者簡介：張中寧（1996—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事作物栽培研究。E-mail：17352462202@163.com。

通信作者：陳 媛，博士，講師，主要從事作物栽培研究。E-mail：cheny@yzu.edu.cn。

馬鈴薯是茄科茄屬一年生草本塊莖植物，是世界上第四大糧食作物，其營養豐富，抗逆、抗病性強，產量高，易貯藏。盡管我國馬鈴薯產量與種植面積名列世界前幾，但加工利用率及增值率很低。淀粉加工是我國馬鈴薯加工中占比最大的一部分，約占總產量的20%[1]。

在世界范圍內，馬鈴薯淀粉產量排名第二，其類脂物含量低，淀粉、聚合物含量高。馬鈴薯淀粉及其衍生物是造紙、紡織、建材、化工等很多領域的添加劑、黏結劑、增強劑等;在醫學方面上，馬鈴薯淀粉可生產多種酶、酵母、人造血液等;目前，各國已研發出了上百種用馬鈴薯淀粉和其他糧食制成的美味又營養的食品[2]。

自然氣象條件、土壤肥力、塊莖成熟度、栽培技術、品種等都會影響到馬鈴薯淀粉品質[3-7]。6個品種在5個不同的地點的4年試驗數據表明，地點、年份和品種都對淀粉的直鏈淀粉含量、磷含量和淀粉體積有顯著影響[8]。不同生態條件下，馬鈴薯淀粉含量與品質也會相應發生變化，緯度是主要影響因素。在我國北方，馬鈴薯淀粉含量與緯度成正比，且低緯度地區的黏度低于高緯度地區[9]。同一緯度地區的不同海拔高度對淀粉產量與品質也存在一定影響。低海拔地區光照較少、溫度較高、降水量多，相對于高海拔地區不利于提高淀粉的產量及品質。馬鈴薯是一種喜涼怕熱的作物，高溫不利于淀粉的積累[10]。在溫室的持續高溫環境下，馬鈴薯淀粉的糊化溫度升高，直鏈淀粉含量升高，并且有更強的抗降解能力[11]。Noda等根據10年的氣象數據和馬鈴薯淀粉品質的數據進行了相關性分析，結果表明，糊化溫度和年積溫有顯著的相關性，并且磷含量在高溫年份會稍有降低。但是沒有檢測到從開花期到收獲期的降水量和淀粉品質指標的相關性[12]。收獲期對淀粉品質影響的研究表明，晚1個月收獲的馬鈴薯有較高的淀粉粒體積、峰值黏度、磷含量、崩解值，以及較低的糊化溫度含量和直鏈淀粉含量[13]。鈣肥的施用顯著降低了峰值黏度和淀粉粒體積，同時改變了細胞壁中的物質組成[14]。

種植密度是影響馬鈴薯淀粉產量和品質的重要影響因素。由于植物生長資源的競爭，種植密度增大會引起資源分配的壓力，導致產量差異大，品質參差不齊。合理密植可以形成有利的空間體系，促進淀粉的積累和品質的提升。關于密度對淀粉品質的影響，在水稻、小麥、玉米[15]中均有很多研究。關于密度對水稻淀粉品質的影響，胡雅杰等認為，種植密度對峰值黏度、崩解值、熱漿黏度等影響較大，而對起始糊化溫度、峰值溫度影響較小[16]。謝黎虹等則認為，不同種植密度對水稻糊化過程的回復值和消減值有顯著影響，種植密度為13.5萬株/hm2時，消減值最高，種植密度為27萬株/hm2時，消減值最低[17]。蔡瑞國等對小麥的研究表明，隨著密度的增加，小麥中直鏈淀粉含量下降，總淀粉、支鏈淀粉的含量增加，直支比也下降，密度增加到450萬株/hm2時，則呈相反趨勢[18]。孔令平等的研究表明，玉米品種間糊化特征值差異顯著，而密度對糊化特征值的影響較小[19]。

目前，大部分馬鈴薯的研究都是針對種植密度對產量與生長特性的影響，而對馬鈴薯淀粉特性的影響鮮有涉及。本研究主要以早熟品種費烏瑞它和早大白為材料，研究不同種植密度下馬鈴薯淀粉品質的變化，以期為提高馬鈴薯產量和品質提供栽培管理的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與栽培

于2018—2019年在揚州大學農學院（江蘇揚州）試驗田進行，試驗地為沙壤土，土壤有機質含量為17.8 g/kg、水解氮含量為64.8 mg/kg、速效磷含量為25.6 mg/kg、速效鉀含量為85.4 mg/kg。2年都于1月15日播種、6月10日收獲。選擇生產上廣泛使用的早熟馬鈴薯品種費烏瑞它和早大白為供試材料。采用起壟地膜覆蓋方式種植，人工穴播方式播種。小區長6.0 m，寬2.8 m，每個小區4行，行距0.7 m。施氮肥 （N） 130 kg/hm2，磷肥 （P 2O 5） 75 kg/hm2，鉀肥 （K 2O） 200 kg/hm2。其他生長管理措施按大田高產栽培要求進行。生育期間進行中耕、除草處理2次;根據氣候干旱情況進行灌溉，病蟲草害的防治按當地常規進行。

1.2 試驗處理

試驗采用裂區設計方法，3次重復，以品種[費烏瑞它（F）和早大白（Z）]為主區，種植密度為裂區，設3個密度：52 500、67 500、82 500株/hm2，分別以P1、P2、P3表示。

1.3 測定方法

1.3.1 產量及產量性狀的測定

按小區實收，換算獲得實際產量，并收取中間2行的10株，測量單薯質量和每株結薯數。

1.3.2 塊莖比重的測定

收獲后1周內將馬鈴薯塊莖洗凈晾干，稱取5 kg樣品，浸入17.5 ℃的水中稱質量（使塊莖全部浸沒在水中，并避免塊莖碰到容器壁）。根據公式：塊莖比重=塊莖在空氣中的質量/（塊莖在空氣中的質量-塊莖浸入水中的質量），計算出塊莖比重。

1.3.3 還原性糖含量測定

參考楊俊慧等的試驗方法[20]，使用3，5-二硝基水楊酸（DNS）比色法，利用紫外分光光度計測定還原性糖含量。

1.3.4 馬鈴薯淀粉的制備

參考王麗等的制備方法[21]，稱取去皮馬鈴薯1.5 kg，切片后再切丁，加水，用攪碎機打碎，將打碎的馬鈴薯放入蒸餾水中浸泡2 h，靜置沉淀后放于200目篩上過濾并丟棄液體，重復3～5次后將沉淀物放入烘箱中，40 ℃烘干，粉碎后過篩，置于密封紙袋中保存備用。

1.3.5 直鏈淀粉含量的測定

參考張娟等的方法[22]，使用碘藍比色法測定，利用紫外分光光度計在620 nm 處測吸光度，計算直鏈淀粉含量。

1.3.6 淀粉磷含量的測定

參考趙凱等的方法[23]，采用鉬銻抗分光光度法測定，根據提前繪制的磷標準曲線方程，計算樣液中的磷含量。

1.3.7 淀粉粒度

用激光衍射粒度分析儀（Mastersizer 2000，Malvern，England）分析淀粉粒體積分布，以100%無水乙醇作分散介質。

1.3.8 熱力學特性

使用差示掃描量熱分析儀（differential scanning calorimetric，DSC）進行測量。取 10 μg 淀粉，并加入20 μL ddH 2O，于鋁質樣品盤中搖勻，密封后于4 ℃過夜，以10 ℃/min的升溫速率使溫度從20 ℃升至100 ℃，同時以空白鋁盒作為參照，測定峰值溫度（peak temperature，簡稱 T? P）、起始溫度（onset temperature，簡稱 T? o）、終值溫度（conclusion temperature，簡稱 T? c）和熱焓變化值（enthalpy of transition，簡稱Δ H ）。

1.4 統計分析

采用Excel軟件對原始數據進行整理和描述性統計分析。統計分析則利用SAS軟件進行比較處理，使用最小顯著性差異（ LSD ）法測驗顯著性。

2 結果與分析

2.1 種植密度對馬鈴薯產量及產量性狀的影響

不同處理對2個馬鈴薯品種產量有顯著影響，2年中2個品種的產量均在67 500株/hm2時達到最高，且P2F產量最高，P2Z次之（圖1-A）。方差分析結果表明，密度與品種間互作不顯著（表1）。2年產量隨著密度的增加呈先升后降趨勢。即當密度為67 500株/hm2時，產量最高，密度為 52 500株/hm2 時產量最低。在2018年，品種間產量差異顯著，費烏瑞它產量顯著高于早大白。2019年品種間產量差異不顯著。

進一步分析表明，種植密度對2個馬鈴薯品種的單株結薯數和單薯質量有顯著影響，進而影響了產量（圖1-B和圖1-C）。隨著種植密度的增加，單位面積株數增加，單株結薯數和單薯質量均呈下降趨勢，2年試驗中2個品種在52 500株/hm2種植密度下的單株結薯數和單薯質量均顯著高于 82 500株/hm2 的種植密度處理，但是52 500、67 500株/hm2 的種植密度處理下單株結薯數和單薯質量均無顯著差異。因此，當密度由52 500株/hm2增長到67 500株/hm2，在沒有顯著降低單株結薯數和單薯質量的情況下，由于種植密度的增高，株數增多，從而顯著提高了最終產量。品種間的比較結果表明，費烏瑞它的單株結薯數高于早大白，而早大白的單薯質量高于費烏瑞它。

2.2 種植密度對馬鈴薯比重的影響

馬鈴薯品質測定中通常采用測量比重（密度）的方法來間接地測定淀粉含量。由圖2可知，不同處理間馬鈴薯比重差異顯著，其中2年的P1Z比重均最高。方差分析結果表明，密度與品種間互作不顯著（表1）。2個年度結果一致表明，種植密度顯著影響比重，種植密度為52 500株/hm2時馬鈴薯比重最高，其次是 67 500株/hm2 的種植密度處理，而 82 500株/hm2 種植密度時比重最低，但67 500、82 500株/hm2的種植密度處理間沒有顯著差異。早大白的比重在2018年顯著高于費烏瑞它，但在2019年2個品種的比重無顯著差異。

2.3 種植密度對還原性糖含量的影響

不同處理間還原性糖含量差異顯著，且2年間P3F的還原性糖含量均最高，而P1Z的最低（圖3）。方差分析結果表明，2018年密度與品種間互作影響不顯著，2019年密度與品種間互作達極顯著影響，這種差異性可能是由于2個品種的還原性糖含量隨著密度增高而增高的程度不同造成的（表1）。種植密度對馬鈴薯塊莖還原性糖含量有顯著的影響。

隨著種植密度的增大，還原性糖含量呈上升趨勢。2年間 82 500株/hm2 種植密度處理的還原性糖含量均顯著高于 52 500株/hm2 種植密度處理。2個品種的還原性糖含量比較結果表明，早大白的還原性糖含量顯著低于費烏瑞它。

2.4 種植密度對直鏈淀粉含量的影響

不同處理間直鏈淀粉含量差異顯著，其中P1F的直鏈淀粉含量最高，而P3Z的最低（圖4）。方差分析結果表明，密度與品種間互作對直鏈淀粉含量影響不顯著（表1）。種植密度對馬鈴薯直鏈淀粉含量的影響顯著。隨著種植密度的增大，直鏈淀粉的含量呈下降趨勢。52 500株/hm2 種植密度下馬鈴薯直鏈淀粉含量最高，顯著高于67 500、85 000株/hm2的種植密度處理。早大白直鏈淀粉含量顯著低于費烏瑞它。

2.5 種植密度對淀粉磷含量的影響

不同處理間淀粉磷含量差異顯著，其中P3Z的淀粉磷含量最高（圖5）。方差分析結果表明，密度與品種間互作不顯著（表1）。種植密度對馬鈴薯淀粉磷含量的影響顯著，2年在同一品種內，磷含量在不同密度處理間均表現為82 500株/hm2>67 500株/hm2>52 500株/hm2，其中67 500、82 500株/hm2 種植密度處理與52 500株/hm2種植密度處理差異顯著。總體上，與52 500株/hm2相比，在2018年，67 500、82 500株/hm2的種植密度處理的淀粉磷含量分別提高2.1%、50%;在2019年，67 500、82 500株/hm2 的種植密度處理的淀粉磷含量分別提高10.4%、13.1%。品種間馬鈴薯淀粉磷含量的比較結果表明，2018年2個品種間無顯著差異，2019年早大白顯著高于費烏瑞它。

2.6 種植密度對馬鈴薯淀粉粒度分布的影響

密度和品種對淀粉粒度分布的影響顯著，種植密度增大顯著降低了淀粉粒平均粒徑（表2），總體上，在2018年，52 500、67 500、82 500株/hm2的種植密度處理的淀粉粒體積平均粒徑分別為36.18、35.09、33.32 μm，在2019年，52 500、67 500、82 500株/hm2 的種植密度處理的淀粉粒體積平均粒徑分別為39.57、37.75、37.37 μm。密度與品種間互作在2018年影響顯著、2019年影響不顯著。2018年密度與品種間的互作影響顯著是由于2個品種淀粉粒度分布對密度的響應存在差異;雖然總體上2個品種都隨著密度增高而平均粒徑變小，其中67 500、52 500株/hm2的種植密度處理的平均粒徑均顯著高于82 500株/hm2，但是費烏瑞它隨密度增大平均粒徑先增大后變小，而早大白呈現一直下降趨勢。2019年2個品種平均粒徑均隨著密度增大而逐漸降低，其中52 500株/hm2的平均粒徑顯著高于67 500、82 500株/hm2的種植密度處理。早大白的平均粒徑顯著低于費烏瑞它。進一步分析粒徑分布結果表明，平均粒徑隨著密度的變小是由于≤30 μm的淀粉粒比例顯著增多，而≥50 μm的淀粉粒比例顯著降低導致的。

2.7 種植密度對馬鈴薯淀粉熱力學特性的影響

由表3可知，2018年密度與品種間的互作對馬鈴薯淀粉熱力學特性參數影響不顯著，在2019年對馬鈴薯淀粉熱力學特性參數影響顯著。總體上，2年熱力學特征參數隨密度變化趨勢基本一致，隨著種植密度的增大，起始溫度、峰值溫度、終值溫度均呈上升趨勢，并且2019年差異更顯著，表明高種植密度下的馬鈴薯淀粉需要更高的溫度才開始糊化。2018年，種植密度在52 500、67 500株/hm2時，2個品種的熱焓變化值差異不顯著，種植密度在 85 000株/hm2 時，熱焓變化值數值達到最低，且顯著低于其他種植密度。2019年，各密度間熱焓變化值無顯著差異。2年熱力學特征參數在品種間結果不完全一致。2018年，早大白的熱焓變化值顯著高于費烏瑞它，但起始溫度顯著低于費烏瑞它。2019年，早大白的起始溫度、峰值溫度、終值溫度均顯著高于費烏瑞它，2個品種的熱焓變化值無顯著差異。

3 討論

種植密度是影響馬鈴薯產量的重要因素。由于植物的生長資源的競爭，種植密度增大會引起資源分配的壓力，導致產量差異大，品質參差不齊[24]。王多成等認為，馬鈴薯種植密度與株高成正比，與商品薯率成反比，對淀粉含量無顯著影響;單株結薯個數、單株產量在密度為75 000株/hm2時表現最好[25]。在余幫強等的研究中，種植密度為 66 000株/hm2 時，馬鈴薯產量最高[26]。楊帆等認為，種植密度在54 000株/hm2時的產量低于種植密度為63 000株/hm2的產量，但大馬鈴薯率最高，這一種植密度有利于大塊莖的形成，其中的淀粉含量較高[27]。本研究的產量也是在67 500株/hm2時達到最高，同時隨著密度的增大，塊莖數和單薯質量降低，同時比重也下降，這和以上的研究結果一致。

康鵬玲等的研究還表明，種植密度對還原糖含量有一定影響，在67 500株/hm2時含量最高，顯著高于其他種植密度，高溫加工時，還原性糖與游離氮基酸發生美拉德反應，產生帶有苦味的褐色物質和致癌物質，嚴重影響了馬鈴薯食品的色澤和品質[28]。本研究中還原性糖含量也隨著種植密度的增大而升高，這與以上研究結果相似。

磷元素作為馬鈴薯淀粉分子中最重要的元素，并在馬鈴薯淀粉中以共價鍵的形式存在于支鏈淀粉中。隨著磷含量的提高，馬鈴薯淀粉與水黏合度高，淀粉糊透明度高，易膨脹，且淀粉糊很少出現凝膠和老化現象。有研究表明磷含量和直鏈淀粉含量呈負相關[8]，本研究也表明，隨著密度增加，直鏈淀粉含量降低，支鏈淀粉含量升高，磷含量提高。淀粉顆粒糊化和熱力學特性受顆粒大小、半結晶層結構、結構程度以及直鏈淀粉含量等因素綜合影響。淀粉支鏈淀粉含量高，糊化溫度高[7]。Kim等研究了42個品種的馬鈴薯淀粉，發現淀粉磷含量和糊化起始溫度呈現正相關關系[29]，并且Alvani等對11個馬鈴薯品種的研究也發現磷含量和峰值溫度之間呈正相關關系[3]。磷含量的提高意味著更多支鏈淀粉的存在以及更穩固的晶體結構，因此需要更高的糊化溫度去破壞晶體結構。本研究中隨著密度增高，支鏈淀粉含量升高，磷含量升高，淀粉分子結合比較緊密，淀粉糊化的起始溫度、終值溫度、峰值溫度也相應升高。

淀粉粒度分布除受其自身的遺傳性狀控制外，還受環境條件和栽培措施的影響。前人的研究表明，馬鈴薯同一品種隨著塊莖增大，淀粉的平均粒徑呈增大趨勢[30]，且較晚的收獲時間導致塊莖變大的同時淀粉粒徑也增大[31]。本研究中隨著種植密度增大，馬鈴薯塊莖變小，并且粒徑也同時變小，與以上結果相似。耿慶輝的研究表明，在灌溉和旱作條件下，隨著種植密度提高，A型淀粉粒（>9.8 μm）體積、表面積百分比降低，B型淀粉粒（<9.8 μm）體積、表面積百分比呈升高趨勢[32]。本研究結果表明，種植密度的提高顯著降低了淀粉平均粒徑，與以上結果一致。相較于結構緊密粒徑小的淀粉顆粒，結構松散粒徑大的淀粉的半結晶層結構的有序性和一致性以及結晶層厚度越小，淀粉粒在較低溫度下分子間氫鍵斷裂，水分子進入微晶束結構，結晶結構消失的早，變成黏稠的糊漿，易于糊化。本研究結果表明，隨著種植密度增大，淀粉平均粒徑降低，而淀粉糊化的起始溫度、終值溫度、峰值溫度均增高，表明密度增大導致的淀粉粒徑變小，使得淀粉結晶度更高，需要更高的溫度才開始糊化。Wang等的研究顯示，粒徑較小的馬鈴薯淀粉顆粒的直鏈淀粉含量較低，而支鏈淀粉含量較高[33]，本研究結果與之一致，隨著密度增大，淀粉粒徑變小，同時支鏈淀粉含量增高。

4 結論

馬鈴薯產量在67 500株/hm2時達到最高，而單株結薯數和馬鈴薯塊莖單薯質量呈下降趨勢。隨著種植密度的增大，還原性糖含量呈上升趨勢，直鏈淀粉的含量、淀粉磷含量、淀粉體積平均粒徑呈下降趨勢，淀粉糊化的起始溫度、終值溫度、峰值溫度均增高。費烏瑞它的單株結薯數顯著高于早大白，早大白的單薯質量高于費烏瑞它，費烏瑞它比早大白產量更高。早大白的還原性糖含量和直鏈淀粉含量均顯著低于費烏瑞它。因此，生產上可以通過密度來調節馬鈴薯的部分淀粉品質，根據產量要求、口感品質、用途等選擇合適的種植密度。

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