間作及施氮量對寧南旱區馬鈴薯生理特性及品質的影響

王曉港，蔡 明，吳 娜，劉吉利，麻仲花

(1.寧夏大學農學院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學生態環境學院,寧夏 銀川 750021 )

馬鈴薯營養價值高、抗旱能力強，是寧夏南部山區的傳統栽培作物[1]。近年來，寧南旱區馬鈴薯連作率高達40%[2]，導致土壤肥力下降、病蟲害加重、產量減少、品質降低，給當地農民造成巨大的經濟損失[3]。

通過合理施用氮肥來延緩植物葉片衰老并提高作物產量與品質已成為發展現代農業的必然趨勢[4]，氮肥使作物產量提高的貢獻率可達40%左右[5]。氮肥對馬鈴薯產量的提高與品質的改善影響顯著[6]，合理施用氮肥有利于馬鈴薯干物質的積累與分配，并可以增加馬鈴薯塊莖的淀粉含量、提高葉片保護酶活性及商品薯的比例[7]。合理的間作系統可以緩解馬鈴薯連作障礙，并可以作為減施氮肥的一種可持續手段[8]。薯豆間作相較于馬鈴薯單作，其產量可提高17.2%，并顯著提高薯塊粗蛋白與還原糖含量[9]；馬鈴薯燕麥間作系統中，整個生育時期馬鈴薯保護酶POD、CAT活性均高于單作馬鈴薯[10]。因此，充分發揮間作優勢緩解馬鈴薯連作障礙，并提高馬鈴薯品質對寧南旱區馬鈴薯種植業發展具有重大意義。

近年來，寧南山區已經普遍推廣間作馬鈴薯的種植模式，但當地農民仍以增施化肥作為增產的主要措施，為明確適宜當地馬鈴薯種植的氮肥施用量并解決連作障礙，本文研究馬鈴薯燕麥間作，通過設置不同梯度的氮肥施用量，了解施氮和間作的互作效應，分析施氮和間作對馬鈴薯品質的影響并探究其生理特性，為當地馬鈴薯的合理栽培與施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試品種

馬鈴薯：青薯9號由青海省農林科學院生物技術研究所選育，屬中晚熟品種，適合在海拔2 600 m以下的區域種植。

燕麥：燕科1號由內蒙古農科院以8115-1-2×鑒17選育而成，適宜旱地種植。

1.2 試驗地概況

試驗于2019年在寧夏海原縣樹臺鄉大嘴村試驗基地(105°9′～106°10′E，36°6′～37°4′N)進行，地處寧夏中部干旱帶，海拔2 166 m，年均氣溫8℃，年均降雨量290 mm，年無霜期147～171 d。試驗地土壤類型為侵蝕黑壚土，耕層土壤理化性狀見表1。

表1 耕層土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of topsoil

1.3 試驗設計

采用裂區試驗設計，主區為2種不同的種植模式(馬鈴薯單作、馬鈴薯燕麥間作，分別記為IP、JP)，副區為4種不同的施氮水平(0、75、150、225 kg·hm-2，分別記為N0、N1、N2、N3)。以上處理均設3次重復，共24個小區，小區面積36 m2(6 m×6 m)。單作馬鈴薯每小區種植12行，種植方式為單壟雙行半覆膜種植，壟寬60 cm，壟距40 cm，株距40 cm，種植深度20 cm；馬鈴薯燕麥間作小區中，行數比為(JP∶JO=4∶2)，馬鈴薯燕麥間距25 cm，燕麥條播，其余設計均同于單作。

馬鈴薯和燕麥均于2019年5月12日播種，將70%氮肥(尿素)、全部磷鉀肥(過磷酸鈣90 kg·hm-2、硫酸鉀15 kg·hm-2)結合整地施入，30%氮肥于馬鈴薯現蕾期追施。9月30日收獲燕麥，10月5日收獲馬鈴薯，其他管理(間苗、中耕除草、防治病蟲等)同當地大田生產。

1.4 測定項目與方法

于馬鈴薯苗期、現蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期，每個小區選取有代表性的植株，取馬鈴薯植株基部第3～4片復葉放入低溫取樣箱中帶回室內，置于-40℃冰箱保存，采用愈創木酚法[11]測定過氧化物酶(POD)活性；采用硫代巴比妥酸法[11]測定丙二醛(MDA)含量；采用紫外吸收法[11]測定過氧化氫酶(CAT)活性；脯氨酸 (Pro) 含量采用茚三酮比色法[12]測定；葉綠素含量采用丙酮乙醇混合液法[19]測定。品質指標的測定參照李合生[11]的方法。

1.5 數據統計分析

用SPSS軟件進行數據統計分析，DPS軟件進行差異顯著性檢驗，其他分析與作圖用Excel完成。

2 結果與分析

2.1 間作及施氮量對馬鈴薯生理特性的影響

2.1.1 過氧化氫酶(CAT)活性 由表2可知，馬鈴薯的CAT活性隨生育時期的推進呈現先升高后降低的趨勢，在塊莖形成期達到最高值，成熟期降到最低值。苗期，馬鈴薯單作模式(IP)下的CAT活性高于間作(JP)，IP的CAT活性表現為N2>N3>N0>N1，JP表現為N3>N2>N1>N0，且N2和N3間差異不顯著(P>0.05)。現蕾期，IP在N2水平下CAT活性最高，JP在N3水平下CAT活性最高。塊莖形成期，種植模式間差異不顯著(P>0.05)，而種植模式和施氮水平交互作用間差異顯著(P<0.05)，IP在N3水平下CAT活性最高，JP在N0水平下CAT活性最高。塊莖膨大期，種植模式和施氮水平交互作用間差異顯著(P<0.01)，IP在N3水平下CAT活性最高，JP在N0水平下CAT活性最高，且顯著高于其他施氮水平(P<0.05)。淀粉積累期，馬鈴薯在N1水平下CAT活性最高。成熟期，IP在N3水平下CAT活性最高，且與其他施氮水平差異顯著(P<0.05)，JP條件下各施氮處理(N0～N3)較IP處理分別增加了36.9%、3.6%、64.1%、19.3%。苗期至現蕾期，JP比IP馬鈴薯 CAT活性低，塊莖形成期至成熟期，JP比IP馬鈴薯 CAT活性高?？傮w來看，施氮對馬鈴薯CAT活性提高的貢獻顯著大于種植模式。

表2 間作及施氮量對馬鈴薯過氧化氫酶(CAT)活性的影響/(U·g-1·min-1)Table 2 Effects of intercropping and nitrogen application on CAT activity in potato

2.1.2 過氧化物酶(POD)活性 如表3所示，馬鈴薯POD活性隨生育時期的推進呈先升高后降低的趨勢，在塊莖膨大期或淀粉積累期達到最高值。苗期，種植模式間無顯著性差異(P>0.05)，馬鈴薯在N3水平下POD活性最高?，F蕾期至塊莖形成期，馬鈴薯單作模式(IP)下的POD活性高于間作模式(JP)，N3水平下POD活性最高，且顯著高于N0處理(P<0.05)。塊莖膨大期至成熟期，種植模式間無顯著差異(P>0.05)，而種植模式和施氮水平交互作用間差異顯著(P<0.05)。其中在塊莖膨大期，JP在N3水平下較N0、N1、N2分別增高42.2%、38.5%、29.8%。淀粉積累期，JP在N3水平下較N0、N1、N2分別增高27.9%、66.0%、30.1%?？傮w來看，施氮對馬鈴薯POD活性提高的貢獻顯著大于間作。

表3 間作及施氮量對馬鈴薯過氧化物酶(POD)活性的影響/(U·g-1·min-1)Table 3 Effects of intercropping and nitrogen application on POD activity in potato

2.1.3 丙二醛(MDA)含量 如表4所示，馬鈴薯 MDA含量隨施氮量增加呈先降低后升高的趨勢。苗期，施氮水平和種植模式間差異不顯著(P>0.05)，JP在N2水平下MDA含量最低。現蕾期，間作模式高于單作，IP在N2處理下顯著低于其他施氮水平(P<0.05)，JP在N1處理下顯著低于其他施氮水平(P<0.05)。塊莖形成期，N3處理MDA含量最低，但與其他處理無顯著差異(P>0.05)。塊莖膨大期，單作模式高于間作，JP在N2處理下MDA含量最低。淀粉積累期至成熟期，MDA含量均在N2水平下最低，其中在成熟期N2較N0、N1、N3水平下MDA含量分別降低40.2%、22.9%、38.9%。

表4 間作及施氮量對馬鈴薯丙二醛(MDA)含量的影響/(μmol·g-1)Table 4 Effects of intercropping and nitrogen application on MDA content in potato

2.1.4 脯氨酸含量 如表5所示，馬鈴薯脯氨酸含量隨生育時期的推進呈先升高后降低的趨勢，在塊莖膨大期達到最高值。苗期，JP脯氨酸含量高于IP，種植模式、施氮水平及種植模式和施氮水平交互作用間均差異顯著?，F蕾期，IP在N3水平下脯氨酸含量最高，且顯著高于其他處理(P<0.05)，JP表現為N30.05)；淀粉積累期至成熟期，IP在N1處理下均高于其他處理，JP在N2處理下均高于其他處理且差異性顯著(P<0.05)，種植模式及施氮水平間無顯著差異(P>0.05)，成熟期，種植模式和施氮水平交互作用間差異顯著(P<0.05)。

表5 間作及施氮量對馬鈴薯脯氨酸含量的影響/(μg·g-1)Table 5 Effects of intercropping and nitrogen application on proline content of potato

2.1.5 葉綠素含量 如表6所示，馬鈴薯葉片葉綠素含量隨生育時期的推進呈逐漸下降趨勢，成熟期降至最低。苗期，IP、JP均在N2水平下葉綠素含量最低?，F蕾期，JP的葉綠素含量高于IP，N3葉綠素含量均顯著低于其他處理(P<0.05)。塊莖形成期，IP葉綠素含量高于JP，各處理間差異不顯著(P>0.05)。塊莖膨大期，IP葉綠素含量低于JP，各處理間差異不顯著(P>0.05)。淀粉積累期，JP葉綠素含量N3較N0、N1、N2分別增加39.2%、48.0%、37.0%。成熟期，葉綠素含量降至最低，IP表現為N2>N3>N1>N0，JP表現為N3>N2>N0>N1，各處理間差異不顯著(P>0.05)，種植模式、施氮水平及種植模式和施氮水平交互作用間均差異顯著。

表6 間作及施氮量對馬鈴薯葉片葉綠素含量的影響/(mg·g-1)Table 6 Effects of intercropping and nitrogen application on chlorophyll content of potato

2.2 間作及施氮量對馬鈴薯品質的影響

由表7可以看出，種植模式對直鏈淀粉形成的影響顯著(P<0.05)，N0、N1、N3水平下IP優于JP。IP直鏈淀粉含量在N1、N2、N3水平下較不施氮處理分別增加15.9%、23.8%、12.3%，支鏈淀粉含量分別增加3.2%、16.7%、22.8%。JP直鏈淀粉含量在N1、N2、N3水平下較不施氮處理分別增加11.4%、45.6%、17.1%，支鏈淀粉含量分別增加27.8%、64.6%、1.1%。淀粉含量總體上隨施氮量呈先上升后下降的趨勢，各施氮水平間差異顯著(P<0.05)，不同模式下N2水平含量最高，且與對照差異顯著(P<0.05)。JP模式下，各施氮處理總淀粉含量較對照分別增加3.2%、16.7%、22.8%。同一種植模式下可溶性糖含量隨施氮量呈先降低后升高的趨勢，各施氮處理間差異不顯著(P>0.05)。粗蛋白含量隨施氮量的增加呈現先增后減的趨勢，各處理間差異顯著，IP模式下N1、N2、N3處理較N0分別增加4.3%、3.8%、8.9%，JP模式下N2較N0、N1、N3分別增加3.2%、1.7%、5.4%，種植模式和施氮水平間差異不顯著(P>0.05)，而間作和施氮水平交互作用間差異顯著(P<0.05)。

表7 間作及施氮量對馬鈴薯品質的影響/%Table 7 Effects of intercropping and nitrogen application on potato quality

2.3 馬鈴薯生理及品質指標的通徑分析

由于馬鈴薯淀粉積累期塊莖大小已基本定型，塊莖淀粉、粗蛋白開始快速積累，同時糖分相應減少，因此將馬鈴薯淀粉積累期的CAT、POD、MDA、脯氨酸、葉綠素含量分別設為自變量x1、x2、x3、x4、x5，直鏈淀粉、支鏈淀粉、可溶性糖、粗蛋白設為因變量(4個因變量均符合正態性檢驗)進行線性回歸方程的建立，將上述自變量逐步引入，直至建立最優的線性回歸方程為止。由表8可知，隨著自變量被逐步引入回歸方程，各品質指標的相關系數(R)和決定系數(R2)都會增大，表明生理指標對以上3種品質的作用在增加，各因變量的剩余因子e=(1-R2)1/2大小為支鏈淀粉>可溶性糖>直鏈淀粉>粗蛋白，表明5個自變量對支鏈淀粉的形成影響最大，對粗蛋白含量影響最小。

表8 品質指標的線性回歸方程輸出結果Table 8 Linear regression equation output results of quality index

由表9可得，x1(CAT)、x2(POD)、x3(MDA)、x4(脯氨酸)、x5(葉綠素)5個自變量對馬鈴薯直鏈淀粉形成的直接影響表現為x5>x3>x1>x2>x4，對馬鈴薯支鏈淀粉形成的直接影響表現為x5>x3>x4>x1>x2。間接通徑系數可表明，MDA通過脯氨酸對直鏈淀粉形成的間接影響較大，間接通徑系數為0.177，MDA通過POD間接通徑系數為負值，但是MDA與直鏈淀粉的相關系數及通徑系數較大，其相關系數達到0.460，所以MDA對直鏈淀粉形成的影響較大；脯氨酸的直接通徑系數為-0.640，通過其他自變量的間接通徑系數也較低，分別為0.009、-0.181、-0.075、0.067，因此對直鏈淀粉改變的影響較小。5個自變量對可溶性糖形成的直接影響表現為x2>x5>x1>x3>x4，POD與可溶性糖的簡單相關系數最大為0.684，所以POD對可溶性糖形成的影響最大。而5個自變量與粗蛋白的直接通徑系數均為負值，與粗蛋白的簡單相關系數也均是負值，表明生理特性對馬鈴薯粗蛋白形成的影響較小。

表9 馬鈴薯生理特性與品質的通徑分析Table 9 Path analysis of potato physiological characteristics and quality

3 討論與結論

3.1 間作及施氮量對馬鈴薯生理特性的影響

間作可以充分利用光照、降水與土地面積，提高作物產量與經濟效益。王曉紅等[13]研究表明，桑樹與馬鈴薯間作條件下，馬鈴薯葉片的MDA含量較單作降低20.4%(P<0.05)，CAT活性較單作顯著升高28.89%(P<0.05)， POD活性較單作升高28.35%(P<0.05)。金建新等[14]研究表明，馬鈴薯玉米間作模式下各指標比單作模式均有所提高,馬鈴薯和玉米的葉綠素含量分別提高10.3%和24.2%。本研究發現，間作馬鈴薯葉片CAT、POD活性在塊莖形成期至成熟期高于單作，而在苗期低于單作，說明間作馬鈴薯較單作有明顯的通風透光優勢，保障了馬鈴薯的生長發育條件，因此在生育后期間作馬鈴薯葉片的抗逆性高于單作處理。

CAT、POD在逆境脅迫下可以提高植物細胞的抗氧化性[15]，MDA含量可反映植物對逆境條件反應的強弱[16-17]，脯氨酸對植物滲透勢有顯著調節作用[18]，葉綠素含量直接影響作物的生長狀況。氮素通過參與氮化合物的形成影響植物體內活性氧的產生與清除，有利于提高葉片的抗氧化酶活性，同時氮素既可以提高GSH-PX活性，清除大量自由基來防止脂質過氧化，也有利于蛋白質的合成從而降低脯氨酸含量。研究表明，增施氮肥有助于植物在逆境條件下消除細胞內產生的活性氧代謝物質，提高植物抗逆性。楊潔等[19]研究表明，增施氮肥可以減緩干旱脅迫對POD、SOD的抑制作用，有一定的氮補償效應。張松超等[20]研究發現，適量施氮可顯著降低小麥MDA及脯氨酸含量，過量施氮或不施氮都會增高MDA含量。董道峰等[21]研究發現，高施氮量會提高馬鈴薯葉片葉綠素含量，延緩植株衰老。本研究結果表明隨著施氮量的增加，馬鈴薯葉片CAT、POD活性及葉綠素含量增高，MDA與脯氨酸含量呈現降低的趨勢，這與前人研究結果一致，說明增施氮肥有助于植物在逆境條件下消除細胞內產生的活性氧代謝物質，提高植物抗逆性。

間作模式和適宜的施氮量可以有效改善寧南旱區馬鈴薯生理特性，綜合比較而言，施氮量在N2(150 kg·hm-2)和N3(225 kg·hm-2)水平下，馬鈴薯各生理指標表現最佳。

3.2 間作及施氮量對馬鈴薯品質的影響

本研究表明，間作模式下馬鈴薯淀粉、粗蛋白、可溶性糖含量高于單作。張海星等[22]研究表明，禾豆間作與施氮能增加玉米產量與品質。馬鈴薯和燕麥間作研究表明，可以通過改善間作作物的微環境循環，進而影響作物淀粉、粗蛋白、可溶性糖的變化[23]。施氮對品質的影響要高于種植模式，這與曹哲等[23]的研究一致，可能是由于間作模式下馬鈴薯對氮素的吸收能力強于燕麥，兩者改善了間作土壤微環境，從而利于品質提高。

合理增施氮肥有利于作物品質的提高，而淀粉、可溶性糖及粗蛋白含量等是評價馬鈴薯品質的重要指標[24]。本試驗結果表明，隨施氮量的增加淀粉含量呈現先升后降的趨勢，可溶性糖含量變化趨勢與之相反，粗蛋白含量呈現遞增趨勢，這是因為氮素有利于D-葡萄糖基的合成，從而通過糖苷鍵合成大量直鏈淀粉與支鏈淀粉。董茜等[25]研究表明，施氮可以提高馬鈴薯的淀粉含量，過量施氮會降低淀粉含量，這與本研究結果一致?？傊g作和適宜的施氮量有益于寧南旱區馬鈴薯品質的提高，而過量施氮會導致品質下降，本試驗以150 kg·hm-2的施氮量為宜。

3.3 馬鈴薯生理特性與品質的關系

本試驗研究表明，馬鈴薯生理特性對支鏈淀粉的影響最大，其中通過直接通徑系數可以看出，對直鏈淀粉與支鏈淀粉形成直接影響最大的是葉綠素與MDA含量，對可溶性糖形成直接影響最大的是POD活性與葉綠素含量。葉綠素含量的高低直接影響著作物光合作用，而且在一定范圍內也可反映施氮量與種植模式是否合理[26-27]。研究還發現，馬鈴薯生理特性對粗蛋白的影響不顯著，這可能是因為馬鈴薯塊莖中粗蛋白含量受施氮量和干旱脅迫影響較小所造成的，這與文國宏等[28]的研究結果一致。總之，馬鈴薯生理特性在一定程度上可作為品質高低的參考指標，本試驗中馬鈴薯葉綠素高低可反映出塊莖直鏈淀粉、支鏈淀粉及可溶性糖的含量，且葉綠素含量與其均呈正比。