潮土與灘涂鹽土環境下甘薯塊根產量及營養成分差異分析

王 潔 趙凌霄 張 安 周志林 戴習彬 肖世卓 曹清河 趙冬蘭

（江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所，江蘇 徐州 221131）

甘薯［Ipomoeabatatas（L.） Lam］是旋花科番薯屬的重要糧食作物，具有高產、穩產的優點［1］。雖然我國糧食產能高，但人口基數大且飲食標準日益提高。在現有耕地不變的前提下，僅靠提高作物產量水平來增加糧食總量較為困難，且短期難以突破。隨著農業科技水平的進步，物理、化學、生物及其集成技術逐漸應用于開發鹽堿地等非傳統類型的耕地［2］。我國內陸鹽堿地面積約為1 億公頃，其中約234 萬公頃為灘涂地［3］，具有極大的利用空間，但鹽堿土環境容易使植物發生生理干旱或離子毒害［4］。有報道稱，當土壤含鹽量低于2‰時，楊樹存活率可達到80%以上，而當含鹽量達到4‰時，楊樹存活率約為60%［5］。此外，鹽脅迫還會抑制土壤微生物活性，降低根際土壤微生物功能性繼而影響植物營養吸收［6］。為了充分利用鹽堿土地，研究人員篩選了大量的耐鹽水稻［7-8］、小麥［9］、大豆［10］種質資源。甘薯有較強的逆境耐受能力，在3.87‰鹽漬地條件下，200 個甘薯品種產量平均能達到改良對照地塊產量的67%，且有22 個品種持平甚至超出對照地塊產量［11］。除了具有較穩定的產量，甘薯還能降低鹽漬地鹽分，提高其氮、磷、鉀元素含量，進而改良土壤［12］。

甘薯塊根營養成分易受鹽脅迫影響，與非鹽漬地相比，鹽漬地甘薯塊根干物率下降，而可溶性糖、還原性糖、蛋白質含量均增加［13］。甘薯淀粉粒徑、均方根旋轉半徑、多分散系數、紅外光譜吸收（1 045 cm-1/1 022 cm-1）峰強度比值等結構性質對其粉條品質有重要影響［14］，不同甘薯品種塊根的淀粉組分、糊化特性有所差異，對其淀粉加工價值有直接影響［15］。根據X射線在不同衍射角度的特征峰，淀粉主要分為A、B、C三種晶體型［16-17］。甘薯淀粉結構具有多樣性，有研究報道甘薯淀粉由A、B、C 三種晶體型淀粉混合構成［18］。鹽土環境對淀粉結構性質有一定影響，有研究發現，與普通耕土（潮土）相比，鹽土環境下（含鹽量3.1‰）甘薯淀粉的高峰黏度、低谷黏度、最后黏度、反彈值、峰值時間平均值較高，而稀懈值和糊化溫度平均值較低［19］。

綜上所述，甘薯在沿海灘涂地推廣有很好的發展潛力，對保障我國糧食安全具有重要意義。鑒于此，本研究通過鹽土和潮土環境下甘薯塊根產量和營養成分的差異分析，旨在揭示鹽土環境對甘薯塊根產量和營養組分的影響，為甘薯在鹽堿地中的推廣種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及處理

兩處試驗地分別位于徐州市和連云港市：江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所院內基地（117.31°E，34.28°N），土壤為堿性潮土；連云港市連云區新灘二組（119.20°E，34.76°N），土壤為鹽堿土。分別取兩地0～15 cm 土層土樣。兩地試驗材料均為6月中旬栽插，10 月中下旬收獲。每個品種（系）種2 行，每行10 株，行距80 cm，株距25 cm。甘薯試驗材料一共113份，包括8個品種和105個有性雜交（新24×豫薯10號）后代品系。在連云港鹽土有79份材料收獲膨大塊根（表1），選擇薯形良好的10 份試驗材料測定其營養成分，其中包括4個常見的鮮食品種和6個新品系。

表1 鹽土中有膨大塊根的79份甘薯材料Table 1 The 79 sweet potato materials with bulky roots in saline soil

1.2 測定項目與方法

1.2.1 土壤總鹽量的測定 土壤水溶性鹽待測液的制備：稱取過1 mm篩的20 g風干土，放于三角瓶中，準確加入100 mL無CO2蒸餾水，加塞，振蕩浸提3 min，干過濾。棄去最初渾濁液，收集清液，每25 mL濾液加1滴0.1%偏磷酸鈉溶液，備用。浸出液中鹽分的測定：用移液管吸取浸提待測液50 mL 放于已知烘干質量（萬分之一天平）的瓷蒸發皿中，在沸水浴上蒸干。用滴管沿皿周圍滴加少量15%的H2O2使殘渣濕潤，蒸干。如此反復加少量H2O2溶液處理，至有機質被氧化完全，殘渣呈白色，蒸干后將殘渣和皿一起放入已升溫至105 ℃的烘箱中，在105～110 ℃條件下烘干1～2 h 后取出，冷卻，用分析天平稱量，記錄質量。然后再將蒸發皿和殘渣放入烘箱中105～110 ℃烘0.5 h，取出冷卻，稱量，至前后兩次質量之差不大于2 mg 為恒重。按以下公式，用最低一次的質量計算土壤總鹽量：

土壤總鹽量= 干殘渣質量÷ 稱樣量× 100%。

1.2.2 土壤營養元素含量的測定 土壤營養元素檢測委托江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所中心實驗室進行，硝態氮含量參照DB22/T 2270-2018《農田土壤中銨態氮、硝態氮的測定 流動注射分析法》［20］進行測定；有效磷含量參照NY/T1121.25-2012《土壤檢測第25 部分：土壤有效磷的測定連續流動分析儀法》［21］進行測定；速效鉀含量參照DB13/T 844-2007《土壤速效鉀的測定 中性醋酸銨提取-火焰光度法》［22］（前處理）采用發射光譜法（inductively coupled plasma，ICP）進行測定；有效鈣含量參照NY/T 1121.13-2006《土壤檢測 第13 部分：土壤交換性鈣和鎂的測定》［23］進行測定；參照NY/T 890-2004《土壤有效態鋅、錳、鐵、銅含量的測定 二乙三胺五乙酸（DTPA）浸提法》［24］，采用二乙三胺五乙酸（diethylenetriaminepentaacetic acid，DTPA）浸提法測定有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量；有機質含量測定參考NY/T 85-1988《土壤有機質測定法》［25］；pH 值測定參考NY/T 1121.2-2012《土壤肥力評價 第2部分：土壤pH值的測定》［26］。

1.2.3 塊根產量及干物率的測定 收獲稱量每行10 株所有塊根重量，不足10 株的換算成10 株產量；干物率測定流程參考《甘薯種質資源描述規范和數據標準》［27］，收獲后選取中等大小薯塊3 塊，將薯塊洗凈后晾干，隨后切絲混勻，稱取100 g新鮮薯絲，置于鼓風干燥箱65 ℃、48 h 烘至恒重，記錄烘干后薯絲重量，每個樣品兩個重復。

1.2.4 塊根營養成分含量的測定 參考唐忠厚等［28］的方法，使用VECTOR22/N型近紅外反射光譜儀（德國BRUKER 光譜儀器公司）測定薯塊中的淀粉、可溶性糖、蛋白質含量。參考Xiao 等［29］的方法，采用比色法測定鮮樣類胡蘿卜素含量。

1.2.5 淀粉中直鏈淀粉含量的測定 使用0.2%氫氧化鈉溶液提取薯塊淀粉后，使用K-AMYL直鏈淀粉/支鏈淀粉試劑盒（愛爾蘭Megazyme 公司）測定淀粉中直鏈淀粉的含量。

1.2.6 X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）的測定參考Cai 等［30］的方法測定淀粉晶體特性。先在干燥器內對淀粉進行干燥吸水處理，在D8粉末X 射線衍射儀（德國Bruker 公司）上對樣品晶體結構進行掃描測定，獲得XRD波譜圖。

1.3 數據分析

使用Excel 2019進行數據整理，IBM SPSS Statistics 24軟件進行相關性分析。所有圖均由Origin Pro2021軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 潮土與鹽土土壤營養元素含量差異

經過測定，連云港鹽土總鹽量為4.4‰，屬于中等強度鹽漬地（表2）。徐州土壤樣品來自江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所院內基地，為普通的非鹽漬耕土。對兩地土壤樣品進行營養元素含量測定（表2），發現鹽土中硝態氮、有效磷、速效鉀、有效鈣、有效鎂含量遠高于潮土，而有效鋅含量遠低于潮土。有效鐵、錳、銅、有機質含量與潮土較為接近，酸堿度均為較強的堿性。

表2 鹽土和潮土的土壤指標Table 2 The indicators of the saline soil and the fluvo-aquic soil

2.2 潮土與鹽土環境下的薯塊產量

113 份試驗材料中，在鹽土環境有34 份鹽敏感材料沒有產量，79 份品種（系）有膨大塊根，測定薯塊產量并與潮土環境數據作對比，結果表明（圖1），鹽土環境下所有材料產量均較潮土大幅降低，平均產量減少79.98%。耐鹽系數為鹽土地薯塊產量與潮土薯塊產量的比值，可以直觀反映材料對鹽脅迫的耐受能力。本研究中79份材料的耐鹽系數在0.02～0.69之間（圖2），說明不同基因型材料的耐鹽堿能力有所差異。多數材料耐鹽能力較弱，耐鹽系數高于0.35的材料僅7份，這表明鹽土環境使多數品種（系）薯塊減產超過65%。此外，品系XY33、XY44 耐鹽系數分別達到0.69 和0.61，表明二者具有很好的耐鹽性，可供耐鹽基因發掘和耐鹽品種選育等利用。

圖2 79份鹽土有產試驗材料的耐鹽系數Fig.2 The salt tolerance coefficient of 79 materials with yield in saline soil

2.3 潮土與鹽土環境對甘薯塊根品質的影響

由圖3-A 可知，除XY153與XY205外，其余8份材料干物率在鹽土環境下均較潮土有所降低，以栗子香降幅最大，達到9.89 個百分點。另外，本研究發現，甘薯薯塊的淀粉含量與干物率呈顯著正相關，鹽土環境中淀粉含量與干物率相關系數為0.697（P=0.025），潮土環境中淀粉含量與干物率相關系數為0.887（P=0.001）。除了XY205 在兩地持平，其余材料淀粉含量在鹽土環境均較潮土極顯著降低（圖3-B）。所有材料可溶性糖含量在鹽土環境下均較潮土顯著或極顯著升高，平均升高4.38 個百分點（圖3-C）；所有材料蛋白質含量在鹽土環境下均較潮土極顯著降低，平均下降1.73個百分點（圖3-D）。鹽土環境下，所有材料的類胡蘿卜素含量均較潮土顯著或極顯著下降。其中高胡蘿卜素型品種普薯32在潮土中的類胡蘿卜素含量為263.0 mg·kg-1，在鹽土中降至182.9 mg·kg-1（圖3-E）。從2013 年積累的鹽土（河北黃驊港）、潮土（徐州）環境下薯塊營養成分數據來看（圖4），干物率、淀粉含量在鹽土環境中僅尚志12、B2F1162 存在不顯著的升高，其余材料均較潮土降低；而蛋白質和可溶性糖含量在所有材料中表現一致，鹽土環境下蛋白質含量下降，可溶性糖含量升高，與“徐州-連云港”對比試驗結果一致，這說明不同環境的鹽土對薯塊品質性狀影響是相似的。由圖5 可知，鹽土與潮土中干物率、淀粉含量、可溶性糖含量、蛋白質含量、類胡蘿卜素含量的平均比值分別為0.87、0.90、1.40、0.62、0.84。干物率與淀粉含量在鹽土與潮土中的比值更趨近于1，可溶性糖含量（高）和蛋白質含量（低）則遠離1，而類胡蘿卜素含量數值波動較大，可見鹽土環境對甘薯塊不同營養成分的影響效應有所差異。

圖3 鹽土和潮土環境下甘薯塊根營養成分差異分析Fig.3 Difference analysis of nutritional components of sweet potato storage roots in saline soil and fluvo-aquic soil

圖4 10個品種（系）在河北黃驊港鹽土和潮土環境下的營養成分含量Fig.4 The nutrient components of ten varieties in saline soil （Huanghua port，Hebei） and fluvo-aquic soil

圖5 各營養成分在鹽土與潮土環境中的比值Fig.5 The ratio of the nutritional components in saline soil and fluvo-aquic soil

2.4 潮土與鹽土環境下甘薯塊根直鏈淀粉含量及淀粉X射線衍射圖譜分析

淀粉是甘薯最主要的營養成分，除了淀粉含量，本研究還進一步分析了鹽土環境對淀粉組分及結構的影響。如圖3-F 所示，潮土環境中所有材料平均直鏈淀粉含量為19.81%，以普薯32 直鏈淀粉含量最高，為22.65%；栗子香直鏈淀粉含量最低，為16.72%。除栗子香直鏈淀粉含量增加了2.55 個百分點，其余所有材料直鏈淀粉含量在鹽土中均較潮土有所下降，所有材料平均直鏈淀粉含量降至17.92%。在鹽土環境中，以普薯32直鏈淀粉含量下降最多，較潮土降低6.42個百分點。

各材料X 射線衍射圖譜如圖6 所示，衍射角2? 范圍為4.76°～30.13°。與潮土環境相比，部分甘薯材料（XY202、XY205、栗子香、徐薯18）在鹽土環境下的衍射強度發生了改變，但特征峰所處衍射角并未發生變化。除普薯32外，所有材料在衍射角2? 15°、17°、18°、23°處有較強的衍射峰，普薯32 塊根淀粉在2? 18°處無明顯的衍射峰。值得注意的是，所有甘薯淀粉在衍射角2? 5°附近有較強的衍射強度，但受限于試驗采集范圍，未能獲得附近完整的峰型。此外，XY202 與XY205薯塊淀粉在鹽土環境下的衍射強度明顯高于潮土環境，其他材料則較為接近。

圖6 試驗材料在鹽土和潮土環境下的淀粉X射線衍射圖譜Fig.6 The X-ray diffraction pattern of starch of test varieties in saline soil and fluvo-aquic soil

3 討論

徐州市與連云港市均位于江蘇省北部，兩地氣象條件（如氣溫、相對濕度、云量、降水量、風力和日照時數）較為相似（https：//data.cma.cn/data/weatherBk.html）。因此，選擇連云港市沿海灘涂鹽土和徐州市潮土作為對比試驗環境，可以有效減少氣候等非土壤因素對結果的影響。此外，2013 年徐州潮土與河北黃驊港鹽漬土對比試驗數據也支持“徐州-連云港”對比試驗結果。

甘薯鮮薯產量受鹽土影響較大，以非鹽漬地為對照，2.5‰和5‰鹽土環境中鮮薯分別減產34.5%和77.1%［13］。本試驗結果表明，在總鹽量為4.4‰的鹽土環境中，鮮薯較潮土減產幅度為30.98%～97.72%，平均減產79.98%。平均減產量略高于前人研究中5‰鹽土環境下的減產量［13］，這可能是由本試驗絕大部分試驗材料為初步鑒定的品系材料，而非育成品種所致。試驗結果表明，僅少數耐鹽材料（如XY33、XY44）在高鹽條件下仍可獲得可觀產量。甘薯為高度雜合的六倍體作物，通常表現為自交不親和且生育期長，通過有性雜交選育新品種較為困難［31］。高耐鹽種質的稀缺性是阻礙甘薯耐鹽種植推廣的重要因素，利用基因編輯等生物技術創制耐鹽種質突破其制約更具可行性。綜合來看，甘薯品種在鹽土中的產量和營養品質受到不同程度的影響，其中XY33 和XY44 表現出較強的耐鹽性，而普薯32 的類胡蘿卜素含量極顯著降低。鹽土中的薯塊普遍具有高可溶性糖和低蛋白質含量的特征，而淀粉含量則除XY205 外均有所下降。因此，甘薯品種的鹽土適應性需要綜合考慮產量和營養品質兩方面的因素，同時需要更多的類胡蘿卜素型材料來探究鹽脅迫對其的影響機制。

根據X 射線衍射光譜可判斷淀粉晶體結構，受限于衍射角范圍，本研究在2? 5°處未檢測到完整峰型，但已有研究報道白、黃、紫肉甘薯淀粉均表現出CA晶體型，即在2? 5.6°、15°、17°、18°、23°處有衍射峰［32］。本試驗中，普薯32未能在衍射角2? 18°處檢測到明顯衍射峰，說明該品種淀粉為較純的C型晶體型，其他9個測試材料淀粉為CA晶體型。甘薯直鏈淀粉相對含量與其黏度特性呈極顯著負相關，對甘薯薯條油炸感官屬性也有重要影響［33］。與潮土相比，鹽土環境中栗子香直鏈淀粉含量升高，而其余材料均下降，且下降幅度有所差異，說明鹽土條件下甘薯淀粉加工特性有所改變。利用天然鹽土條件生產具有高黏度等性質的特用型甘薯淀粉能創造較高的經濟效益，在此之前，科研人員有必要進一步細化研究鹽土與甘薯淀粉理化性質、加工性質之間的關系。綜合來看，因各甘薯品種（系）耐鹽性的差異，鹽土環境對各甘薯材料營養成分、淀粉結構造成的影響具有較大差異，干物率和淀粉含量在不同環境下表現較為穩定，而可溶性糖、蛋白質、類胡蘿卜素含量因環境變化波動較大。甘薯塊根淀粉晶體型并未因處于鹽土環境而發生改變，但多數品種（除栗子香）淀粉構成有所差異，即直鏈淀粉含量有所下降。優良耐鹽品種選育是甘薯鹽堿地大面積推廣的前提，結合本試驗結果，應選擇在中重度鹽土條件下耐鹽系數達到0.65以上，且塊根品質性狀表現穩定的材料。

徐州潮土試驗地總鹽量為0.53‰［34］，與鹽土試驗地（總鹽量4.4‰）含鹽量差異巨大。雖然本試驗中連云港灘涂地為中等偏重程度的鹽土環境，但該試驗地為“水改旱”地塊，可能具有一定的肥力優勢。此外，試驗地周圍分布大量的田菁，該植物能有效改良鹽堿土壤［35］，這很好地解釋了本試驗鹽土中氮磷鉀等元素含量遠高于潮土的結果。綠肥輪作可顯著提高沿海灘涂地土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷含量［36］，這表明經過人為改良的沿海灘涂地具備一定的農業生產潛力。我國耕地人均面積少，且耕地質量欠佳。2019年，將耕地質量等級由高到低依次劃分為一至十等，我國20.23 億畝平均等級為4.76 等［37］。2022 年我國耕地面積為19.14 億畝［38］。在經濟高速發展的前提下，維持現有耕地面積有很大困難。我國鹽漬土總面積約3 690萬公頃，其中26%的土壤有機質含量不足1%［39］。本研究結果表明，中度偏重度的灘涂鹽土仍有生產潛力，可進一步嘗試綠肥植物與甘薯等廣適穩產作物輪作、間作，對適宜生態區鹽漬土進行計劃性的“增肥減鹽”措施，這將有助于增加可利用耕地面積，拓寬我國糧食產出渠道。

4 結論

本研究結果表明，含鹽量為4.4‰的鹽土環境下，各試驗材料平均產量較潮土減少79.98%，基于產量表現篩選出兩份耐鹽資源（XY33、XY44）。與潮土相比，鹽土環境所有甘薯品種（系）塊根可溶性糖含量升高、蛋白質含量降低；除個別材料外，鹽土環境下淀粉含量、干物率均降低，但變化幅度不及可溶性糖和蛋白質含量；鹽土環境下平均直鏈淀粉含量降低1.89 個百分點。淀粉XRD 分析結果表明，雖然部分材料衍射強度在潮土和鹽土環境下有所差異，但淀粉特征峰衍射角一致，說明淀粉晶體型并未改變。