西北地區馬鈴薯品質與土壤養分間的耦合關系

張 帆，李 源，陳夢茹，邢英英，黨菲菲，王秀康

（1.延安大學生命科學學院，陜西延安 716000；2.延安市農業科學研究院，陜西延安 716000）

0 引言

馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)是世界第4 大糧食作物，在保障糧食安全方面發揮著不可替代的作用[1]。水和肥是影響馬鈴薯生長和產量的2大重要因素，合理的水肥供應對于馬鈴薯提質穩產極其重要[2]。馬鈴薯作為西北地區的主要農業作物，在當地的經濟發展、民生保障等方面發揮著不可取代的作用。但由于當地氣候干旱、自然環境惡劣等問題，利用過度灌溉和過量施肥來追求高產高質成為當地農業生產實踐的主要方式[3]。過量的水肥利用不僅導致自然資源的浪費，帶來無畏的經濟損失，而且還會引發一系列的環境問題，如氮素淋溶、地下水污染等，嚴重影響農業生產的可持續發展[4]。因此，探明水肥供應與馬鈴薯品質及產量間的耦合關系是推動農業生產活動健康、綠色發展的前提條件。

馬鈴薯在整個生育期對水、肥極其敏感，虧缺灌溉和過量灌溉均會影響馬鈴薯的產量和品質[5]。馬鈴薯作為淺根系植物，其在整個生育期對水分的需求高于其他植物，當水分虧缺時，馬鈴薯葉片表面溫度升高，保衛細胞構成的氣孔關閉，阻斷了CO2向葉片擴散的通道，影響植株光合作用的進行，導致作物嚴重減產降質[6]。水分虧缺對馬鈴薯產量和品質有重要影響，特別是在塊莖萌發期和塊莖膨大期[7]。相關研究發現，馬鈴薯的產量隨著灌溉量的增加而增加，但塊莖的品質隨著灌溉量的增加而下降[8]。在馬鈴薯的整個生育期中，有規律及充足的灌溉是保證其高產高質的基礎[9]。因此，探明土壤水分與馬鈴薯產量和品質間的耦合關系，是提高馬鈴薯產量和品質的關鍵。肥是影響馬鈴薯產量和品質高低的另外一個重要因素。合理肥料的施用可以提高馬鈴薯的品質和產量[10]，但過量的施肥可能會造成氮淋失的風險。肥料的施用并不是與作物的產量成正比的，氮磷鉀肥施用量超過一定范圍時，馬鈴薯產量和經濟效益均下降[11]。控制和協調氮、磷、鉀肥料的施用和比例是保證馬鈴薯高產的基礎[12]，過量的施肥不僅會使得馬鈴薯塊莖硝酸鹽含量積累超標，給人類健康造成威脅[13]，而且會導致產量和品質的下降，污染環境，造成嚴重的經濟損失[14]。因此，探究土壤養分與馬鈴薯產量與品質的關系，尋找一個合適的施肥量，減少肥料的過量施用對于現代農業綠色可持續發展特別重要。

國內外學者在水肥互作對馬鈴薯產量和品質影響方面也有眾多研究，有研究指出，在灌溉和施肥的相互作用下可以對馬鈴薯的產量和品質產生顯著影響[15]。在60%ET0和80%ET0的虧缺灌溉水平下，當施用相同的肥料時，產量隨著灌溉頻率的增加而增加[16]。然而，先前的研究主要集中于通過水肥管理對馬鈴薯產量和品質進行調控，很少有學者對土壤養分與馬鈴薯品質之間的關系進行探究，特別是對西北干旱、半干旱地區的土壤養分與馬鈴薯品質的關系尚無明確結論。由于農業生產中施用的肥料轉化為土壤養分受多種因素影響，因此探明土壤養分與馬鈴薯品質的關系，可以為當地水肥施用提供精確指導。

本試驗通過收集西北地區常種植的多個不同品種馬鈴薯的塊莖和根區土壤樣品，采用相關性分析和偏最小二乘法等分析馬鈴薯品質與土壤養分之間的耦合關系，明確了該地區馬鈴薯塊莖品質與根區土壤養分間的相關關系，并篩選出了影響西北地區馬鈴薯品質的主要土壤養分指標，同時建立回歸方程模型，定量化地解析限制該地區馬鈴薯品質的主要土壤養分因子。

1 材料與方法

1.1 試驗地描述

本試驗于2018 年、2019 年和2020 年在陜西省榆林市現代農業科技示范園（109°43'E、38°23'N）進行。試驗地氣候類型為干旱或半干旱季風性氣候，海拔高度為1 050 m，全年降水量集中于6-8 這3 個月份，年降水量371 mm，年蒸發量1 900 mm，總日照時數2 900 h，年平均溫度8.6 ℃，無霜期168 d。試驗地土壤類型為砂壤土，在試驗開始前，耕作土壤容重為1.32 g∕cm3，田間持水量為15.84%，pH 值為8.1，銨態氮的含量為5.79 mg∕kg，速效鉀含量為55.52 mg∕kg，有效磷含量為6.77 mg∕kg，硝態氮含量為1.03 mg∕kg，有機質含量為7.85 g∕kg。

1.2 試驗設計

選取了西北地區常種植的57 種馬鈴薯品種為供試材料。在本試驗中，每一小區寬1.8 m，長20 m，小區面積為36 m2。試驗在2018 年、2019 年和2020 年進行，3 a 中馬鈴薯播種日期為5 月15 日，收獲日期為10 月3 日。馬鈴薯種植方式均采用機械起壟和人工行栽的方式，單行布局，行距為90 cm，株距為25 cm，每個小區種植2行馬鈴薯，種植密度為50 505 株∕hm2。

灌水采用管徑為16 mm 的聚乙烯樹脂內鑲式薄壁迷宮滴灌帶，滴頭間距為30 cm，每一小區裝有一個水表，用以控制灌溉量。根據當地推薦的肥料類型和施肥水平，氮肥用尿素(含46%氮)，磷肥用過磷酸鈣(含12%磷)，鉀肥用硫酸鉀(含50%鉀)，所有處理施肥量相同，施用氮肥（純氮）為200 kg∕hm2，磷肥（純磷）為80 kg∕hm2，鉀肥（純鉀）300 kg∕hm2。肥料在馬鈴薯整個生育期分4 次施入，4 次施肥比例分別為苗期15%，塊莖形成期20%，塊莖膨大期40%和淀粉積累期25%。采用容量壓差式施肥罐，每個罐容積為15 L，一個小區一個罐，以控制每個小區施肥量相同。

作物灌水量的計算方式如下：

采用適用于風沙區參考作物需水量（ET0）的Penman-Monteith 公式[17]。馬鈴薯生育期130 d，其生長可以分為5 個階段，5 個階段Kc的取值均不同，分別為幼苗期0.5，塊莖形成期0.65，塊莖膨大期1.15，淀粉積累期1.15和成熟期0.75。

在本次試驗中，按照當地管理方式對馬鈴薯整個生育期的害蟲和雜草等進行有序的管理。試驗結束后，滴灌帶和塑料薄膜收集并回收，所有地塊上種植苜蓿，以平衡所有地塊中的養分殘留。

1.3 樣品采集

（1）馬鈴薯樣品采集。在馬鈴薯成熟期，每個品種隨機選取3 株，裝入塑封袋中，利用液氮速凍后迅速置于-70 ℃低溫進行保存，等待馬鈴薯塊莖的各品質指標測定。

（2）土壤樣品采集。在馬鈴薯成熟期，每個品種馬鈴薯試驗區中，隨機選取3 個樣點作為重復，沿垂直滴灌方向10、20、30、40、50、60、70、80 cm 取8 個土層深度的土壤，隨后迅速裝入塑封袋中，帶回實驗室，測定土壤中的水分和養分。

1.4 指標測定與方法

（1）品質。在馬鈴薯成熟期，每一小區隨機選取3株馬鈴薯，取其塊莖，烘箱殺青，烘干至恒重進行碎化成粉后測量各品種的淀粉含量（SC）、還原糖含量（RSC）、可溶性總糖含量（TSS）、粗蛋白含量（CPC）、維生素C 含量（VC）和多酚氧化酶活性（POA），每一處理測量3 次，取均值作為最終測量結果。淀粉采用碘比色法測定，維生素C采用鉬藍比色法測定，可溶性糖采用蔥酮法測定，還原糖采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，粗蛋白質采用考馬斯亮藍G250 染色法測定，多酚氧化酶活性采用分光光度法測定[18,19]。

（2）土壤理化指標測定。在馬鈴薯成熟期，采集各品種的馬鈴薯塊莖根際土壤，分別測定土壤pH、電導率（SEC）、土壤含水量（SWC）、土壤堿解氮（SAHC）、土壤硝態氮（SNNC）、土壤速效鉀（AK）、土壤速效磷（AP）和土壤有機質（SOM），每一處理測量3 次，取均值作為最終測量結果。土壤pH 用雷磁便攜式pH 計測定，土壤電導率用雷磁便攜式電導率儀測定，土壤硝態氮含量采用2 mol∕L KCl 浸提后用紫外分光光度計法測定，土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定，土壤速效鉀含量采用火焰光度法測定，土壤速效磷含量采用紫外分光光度法測定，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀—硫酸消化法測定[20]。

1.5 數據分析

利用Microsoft Excel 2010 進行數據統計及結果計算；分別利用SPSS 16.0和Sigma Plot 14.0進行統計分析和圖表繪制；利用SPSS 16.0 中雙變量相關性分析計算馬鈴薯品質與土壤養分之間的關系；利用SIMCA 14.1中變量重要性投影法（VIP）對影響馬鈴薯品質的主要土壤養分因子進行篩選并建立回歸方程模型。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯品質

供試馬鈴薯品質如表1 所示。淀粉含量最高為22.98%，最低為2.92%，平均含量為12.48%，變異系數為48.88%。還原糖含量的變化較大，變異系數為148.08%，最高含量為3.14%，平均含量為0.52%。可溶性總糖含量最高為5.78%，最低為0.07%，平均含量為1.79%，變異系數為84.36%。粗蛋白含量的差異較大，變異系數為75.00%，最高含量為0.35 mg∕g，平均含量為0.12 mg∕g。維生素C 含量最高為25.08 mg∕(100 g)，平均含量為11.62 mg∕(100 g)，變異系數為35.37%。多酚氧化酶活性的差異較大，變異系數為56.99%，最高活性為100.00 U∕(g·min)，平均活性為46.76 U∕(g·min)。

表1 供試材料品質統計Tab.1 Statistics of quality of tested materials

2.2 根區土壤水分和養分

供試馬鈴薯根區土壤水分和養分如表2所示。根區土壤含水量的變化范圍為3.84%～7.62%，變化幅度較小，變異系數為16.58%，平均含水量為5.55%。根區土壤pH 的變化較小，均呈弱堿性，最高值為9.03，最低值為7.61。電導率的最高值為186.50 μS∕cm，最低值為43.27 μS∕cm，變異系數為33.59%。堿解氮含量的變化范圍為6.45～25.35 mg∕kg，平均含量為13.57 mg∕kg，變異系數為27.63%。硝態氮含量的變化幅度較大，變異系數為86.84%，最高含量為13.81 mg∕kg，平均含量為3.04 mg∕kg。速效鉀的含量普遍較高，變化幅度也較大，變異系數為50.14%，最高含量為75.50 mg∕kg，平均含量為35.94 mg∕kg。土壤速效磷的變化范圍為1.04～18.93 mg∕kg，變異系數為44.77%，平均含量為8.42 mg∕kg。根區土壤有機質的平均含量為3.59 g∕kg，最高含量為9.19 g∕kg，變異系數為34.26%。

表2 供試材料根區土壤水分和養分統計Tab.2 Statistics of soil water and nutrient in root zone of tested materials

2.3 土壤養分和水分與馬鈴薯品質的相關性分析

土壤養分和水分與馬鈴薯品質的相關性分析結果如表3所示。pH 與SC、RSC 和CPC 呈負相關關系；SEC 與SC 和TSS 呈顯著正相關關系，相關系數分別為0.321 和0.264，與POA 呈極顯著正相關關系，相關系數為0.376；SWC 與SC、TSS、CPC、VC 和POA 呈負相關關系，其中與SC 的關系達到顯著水平，相關系數為-0.331；SAHC 與SC、TSS、CPC、VC 和POA呈正相關關系，其中與CPC 的關系達到顯著水平，相關系數為0.287；SNNC 與所有品質指標均呈負相關關系，其中與TSS和POA 關系達到顯著水平，相關系數分別為-0.280 和-0.264，與SC關系達到極顯著水平，相關系數為-0.416；AK與POA 呈極顯著正相關關系，相關系數為0.465，與其余品質指標呈負相關關系，其中與TSS 和VC 的關系達到顯著水平，相關系數分別為-0.302和-0.324，與RSC的關系達到極顯著水平，相關系數為-0.496；AP 與CPC 和POA 均呈正相關關系，與其余指標呈負相關關系；除POA 外，SOM 與其余指標均呈負相關關系。

表3 品質與根區土壤養分和水分的相關性分析Tab.3 Correlation Analysis between quality and soil nutrients and water in root zone

2.4 影響馬鈴薯品質的重要土壤因子篩選

利用VIP篩選出影響馬鈴薯品質的重要土壤養分因子，選取VIP 值大于1 的作為影響馬鈴薯各品質特征的主要養分因子，篩選結果如圖1所示。馬鈴薯的淀粉含量受根區土壤硝態氮、電導率、含水量和堿解氮含量的影響較大，其中與硝態氮含量和含水量的呈負相關關系，與電導率和堿解氮含量呈正相關關系。馬鈴薯的蛋白質含量受根區土壤堿解氮、電導率和硝態氮含量的影響較大，其中與堿解氮含量和電導率呈正相關關系，與硝態氮含量呈負相關關系。馬鈴薯的還原糖含量與根區土壤所有養分指標均呈負相關關系，其中與速效鉀含量的負相關關系最強。馬鈴薯的可溶性總糖含量受根區土壤速效鉀和含水量的影響較大，2者均與可溶性糖含量呈負相關關系。馬鈴薯維生素C含量受根區土壤速效鉀和硝態氮含量的影響較大，且均呈負相關關系。馬鈴薯多酚氧化酶活性受根區土壤速效鉀、電導率、堿解氮和硝態氮含量的影響較大，其中與硝態氮含量呈負相關關系，與速效鉀、電導率和堿解氮含量呈正相關關系。

圖1 影響馬鈴薯品質的土壤養分因子VIP值Fig.1 VIP value of soil nutrient factors affecting potato quality

2.5 影響馬鈴薯品質的重要土壤因子偏最小二乘回歸分析

參考VIP 所篩選出的各品質指標重要養分影響因子，應用偏最小二乘回歸分析建立西北干旱地區馬鈴薯品質與根區土壤養分因子的回歸方程模型，如表4 所示。以根區土壤pH（X1）、SEC （X2）、SWC （X3）、SAHC （X4）、SNNC （X5）、AK（X6）、AP（X7）和SOM（X8）為自變量，以馬鈴薯SC（Y1）、CPC（Y2）、RSC（Y3）、TSS（Y4）、VC（Y5）和POA（Y6）為因變量。在所建立的回歸方程模型中，各自變量的系數大小代表根區土壤養分對馬鈴薯各品質指標影響的強弱，系數正負代表根區土壤養分對馬鈴薯各品質指標影響的方向。

表4 馬鈴薯品質與根區土壤養分的回歸方程模型Tab.4 Regression equation model between potato quality and soil nutrients in root zone

3 討 論

選擇合理的田間管理技術對馬鈴薯品質和根區土壤環境有重要的影響，近年來，隨著人類生活標準的提高，馬鈴薯品質已經成為評估田間管理技術的必要指標[21]。馬鈴薯品質受多種因素的影響，如土壤環境、品種、氣候條件等。淀粉是馬鈴薯的重要營養指標，高的淀粉含量對于馬鈴薯生產加工特別重要，特別是在大規模性的馬鈴薯生產鏈中[22]。在本研究中，淀粉含量與電導率呈顯著正相關關系，與含水量和硝態氮呈負相關關系且均達顯著水平，即說明馬鈴薯在生長期對水分和硝態氮的吸收利用量較多，在成熟期土壤中殘留的較少。土壤含水量對馬鈴薯淀粉的合成極其重要，有研究表明馬鈴薯淀粉合成時對水分不敏感[23]，另有學者發現隨著灌水的增加，馬鈴薯的淀粉含量將隨之減少[24]，而本研究表明馬鈴薯吸收水分越多，淀粉含量越高，這與前人的研究結果完全相反，產生這一差異的原因可能是由于氣候、土壤條件、灌水頻率和周期不同等所導致。通過相關性分析，同時結合VIP篩選出影響淀粉含量的主要土壤養分因子，構建回歸方程后發現，淀粉含量對根區土壤硝態氮含量極為敏感，Zhang 等[25]研究發現，隨著施氮量的增加，淀粉含量也隨之增加，Yang[26]等發現，隨著施氮量的增加，淀粉含量呈現先增加后下降的趨勢，研究結果出現這些差異的原因可能與不同地區土壤質地和土壤基底養分含量不同有關。

蛋白質是組成生物體的4大有機物之一，在維持生物體正常生理代謝過程方面發揮著重要作用[27]。相關性研究結果表明，蛋白質含量與土壤堿解氮殘留量呈顯著正相關關系，通過VIP 篩選主要土壤養分因子，構建回歸方程后發現，堿解氮、硝態氮和電導率對馬鈴薯蛋白質的形成有重要影響。馬鈴薯蛋白質的合成過程受多種因素的影響，其中栽培環境和田間管理占主導地位[28]。Zhang 等[29]研究表明，施用生物肥和有機肥顯著增加了馬鈴薯塊莖中的酪氨酸、蛋氨酸等氨基酸的含量，提高了塊莖中的粗蛋白質含量。廖佳麗等[30]研究表明施肥處理下可以顯著提高塊莖中的蛋白質含量。因此，注重馬鈴薯根區土壤環境的調控，是提高塊莖品質的關鍵。

眾所周知，馬鈴薯是人類飲食中獲得VC 的重要來源，先前有研究表明[31]，馬鈴薯的VC 含量介于6.5～36.9 mg∕(100 g)，在本研究中所有供試馬鈴薯材料VC 含量的均值為11.62 mg∕(100 g)。相關性分析結果發現，VC 含量與土壤中所殘留的速效鉀呈顯著負相關關系，通過構建VC 含量與土壤養分因子的回歸方程模型得到VC 含量受速效鉀和硝態氮影響較大且均呈負相關效應，說明土壤速效鉀和硝態氮在整個生育期對馬鈴薯塊莖中VC 含量的合成極其重要。有數據表明[32]，鉀肥施用提高了植株的光合作用效率，增加了干物質在塊莖中的積累量，提高了塊莖中的維生素C的含量。另外，馬鈴薯塊莖中的VC 含量還與馬鈴薯本身的遺傳特性密切相關[33]，馬鈴薯品種的遺傳基因對VC 的含量的影響程度遠超于環境[34]，因此，在后期要提高馬鈴薯塊莖中VC 含量時，不僅要創造良好的根區土壤環境，也必須考慮選擇優質的馬鈴薯種質。

塊莖中還原糖含量與馬鈴薯儲存的時間密切相關，其含量越低，越利于儲存[35]。在本研究中，還原糖受土壤速效鉀含量影響最大，呈極顯著負相關水平，相關系數為-0.496，說明適量的鉀肥（純鉀含量為300 kg∕hm2）投入可降低馬鈴薯塊莖中的還原糖含量，以達到增加馬鈴薯儲存時間的目的。本研究所建立的回歸方程模型可以看出，可溶性總糖含量受根區土壤硝態氮和含水量的影響最大，且與2者均呈顯著負相關關系，說明在馬鈴薯整個生育期水氮供應對塊莖中可溶性糖積累極其重要。相關研究發現，適度的虧缺灌溉（80%ET0）可以顯著影響塊莖中的可溶性總糖含量[36]，但過量的施肥將影響馬鈴薯塊莖的成熟度，影響塊莖中可溶性總糖含量，降低馬鈴薯品質[37]。多酚氧化酶廣泛存在于水果和蔬菜當中，是誘導酶促褐變的主要原因[38]。本研究發現，多酚氧化酶活性受多種因素的影響，其中與土壤電導率、速效鉀和堿解氮含量呈正效應，與硝態氮含量呈負效應。土壤養分對馬鈴薯塊莖品質的影響較為復雜，應該通過大量的田間試驗和模型預測來探究影響塊莖品質的主要養分因子，以明確馬鈴薯塊莖中各品質對土壤養分響應的內在機理，針對性地采取合理的田間管理措施。

4 結 論

在西北干旱地區，土壤電導率是影響馬鈴薯淀粉、粗蛋白和多酚氧化酶活性的首要土壤養分因子。淀粉主要受土壤硝態氮、堿解氮、含水量和電導率的影響，粗蛋白主要受土壤電導率、硝態氮和堿解氮的影響，可溶性總糖受土壤含水量和速效鉀的影響，維生素C 受土壤硝態氮和速效鉀的影響，還原糖受土壤速效鉀含量影響最大，多酚氧化酶活性受土壤電導率、硝態氮、堿解氮和速效鉀的影響。因此，調控土壤電導率，適量增施鉀肥和氮肥是提高西北地區馬鈴薯品質的有效途徑。