定向槽内温度对山药块茎膨大发育的影响

郭文琦 张培通* 王 立 刘贤松 殷剑美 金 林 蒋 璐 韩晓勇 杜 静 李春宏

（1 江苏省农业科学院经济作物研究所，江苏南京 210014；2 邳州市宿羊山镇农业技术推广服务中心，江苏邳州 221300）

山药（Thunb.）属于薯蓣科薯蓣属缠绕性草质藤本单子叶植物，其块茎富含淀粉、蛋白质、糖类、皂苷等成分，具有补脾养胃、补肺益肾等功效，是我国传统的药食同源作物，有2 000 多年的栽培历史（李庆宏，2011；钱文文 等，2016；周滢 等，2016）。山药主要有薯蓣类山药、参薯、山薯和褐苞薯蓣等类型（罗宜富，2015；齐路明 等，2016），薯蓣类山药是我国传统山药的主要类型，分布区域广，栽培面积大，占山药栽培面积的80%以上。薯蓣类山药传统种植方式采用粉垄种植，山药下扎1 m 多深，种植过程劳动力投入大、劳动强度大（史新敏 等，2010；殷剑美 等，2014）。随着我国农村劳动力转移，种植用工问题成为限制山药生产发展的瓶颈，加之近年来主产区暴雨频发，山药塌沟频现，山药生产气候风险凸显（侯本民 等，2017；张武君 等，2019）。为解决上述问题，多地在生产实践中开展了薯蓣类山药定向槽栽培技术应用试验，但由于山药块茎生长的土壤温度、湿度、角度等环境发生改变，块茎普遍出现畸形，导致定向槽浅生栽培技术在薯蓣类山药种植中无法推广应用。笔者多年潜心研究薯蓣类山药定向槽浅生栽培技术，探索块茎畸形发育和产量降低的原因，发现定向槽内温度变化对山药块茎膨大发育影响很大，本试验旨在探索定向槽内温度对薯蓣类山药块茎膨大发育的影响，以期为薯蓣类山药定向槽浅生栽培技术的进一步研发提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019 年和2020 年在江苏省农业科学院六合实验基地（118.83°E，32.35°N）进行，供试品种为六月薯（福建地方特色薯蓣类山药农家品种），采用定向槽浅生种植方法（图1）。供试土壤为马肝土，有机质含量为15.94 g·kg，土壤碱解氮98.55 mg·kg，有效磷15.21 mg·kg，速效钾111.32 mg·kg。试验设置2 个处理，分别为覆盖秸秆降温处理（在铺设定向槽的坡面覆盖黑色地膜，然后在地膜上严密覆盖厚10 cm 的玉米秸秆）和不覆盖秸秆处理（仅在铺设定向槽的坡面覆盖黑色地膜），每个处理3 次重复，每个小区60 m，随机区组排列。2019 年和2020 年均在3 月25—27 日用机械起梯形垄，垄高50 cm，底面宽220 cm，顶面宽40 cm，坡面角30左右，垄为南北走向，在垄的东西向垄面均按照槽距20 cm 铺设定向槽，定向槽长100 cm，宽7.5 cm，深3.5 cm，用机器先在垄面开槽，然后将定向槽放入开好的槽中，然后覆土，土层厚度为10～15 cm，每667 m铺设2 500槽。起垄前每667 m施腐熟有机肥1 000 kg、45%硫酸钾复合肥（N-PO-KO 为15-15-15）50 kg，播种时在垄顶施腐熟菜籽饼肥200 kg，膨大期再施腐熟菜籽饼肥200 kg。2019 年于4 月25 日播种，2020年于4 月27 日播种，播种结束后立即覆盖黑色地膜，2019 年和2020 年均为6 月26 日开始覆盖秸秆，直到收获，其他管理按薯蓣类山药高产优质栽培技术要求执行。

图1 山药定向槽浅生栽培技术及秸秆覆盖

1.2 定向槽内温度调查

在定向槽内放置精创RC-4 温度记录仪，槽内温度测定时间是2019 年6 月26 日至9 月19 日，连续记录不同处理定向槽内温度，记录间隔时间为0.5 h。

1.3 块茎生长发育调查

2019 年 度 分 别 于7 月22 日、8 月9 日、8 月29 日、9 月19 日，2020 年度分别于7 月13 日、8 月27 日、9 月28 日进行块茎膨大发育调查，每个处理每次选取代表性山药植株5 株，收取整株块茎样品，调查块茎鲜质量和干质量；收获期（2019年10 月25 日收获，2020 年9 月28 日收获）测定各处理山药产量及其构成。将每次调查后烘干块茎样品粉碎保存，用于测定块茎品质指标。

块茎干鲜质量累积速率=（后一次单株山药块茎的干鲜质量 -前一次单株山药块茎的干鲜质量）/前后两次取样间隔的天数

1.4 块茎品质指标测定

用微量凯氏定氮法测定块茎氮含量，再乘以系数6.25，为块茎蛋白质含量（李合生，2000）；采用碘化钾反应法测定淀粉含量（龙雯虹 等，2009）；参考张敏等（2007）的方法测定皂苷含量；采用苯酚硫酸法测定多糖含量（王晶 等，2017）。

1.5 数据分析

采用Excel 软件进行数据处理和作图，用SPSS 11.0 软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 定向槽内高温形成原因分析

对不覆盖秸秆处理的东西朝向坡面定向槽内温度日变化情况进行比较（图2），可以看出，晴天定向槽内温度随着垄面日照的变化存在较大差异，东向垄面的定向槽内温度5：30—13：00 高于西向垄面定向槽内温度，而15：00—19：00 低于西向垄面；但阴天东西向垄的定向槽内温度差异很小，说明晴天定向槽内出现极端高温主要是由于日晒提高土表温度所致。

图2 定向槽内温度日变化（2019 年）

2.2 不同覆盖方式对定向槽内温度的影响

分析山药定向槽内温度变化情况可知（表1），2019 年和2020 年山药块茎膨大发育期，与不覆盖秸秆处理相比，覆盖秸秆降温处理的定向槽内日均温平均值分别下降1.17 ℃和1.72 ℃，日最高温平均值下降5.33 ℃和4.44 ℃，日最低温平均值升高1.23 ℃和0.22 ℃；膨大期日均温极差分别降低5.40℃和2.52 ℃，日最高温极差分别降低14.20 ℃和10.90 ℃，日最低温极差分别降低4.80 ℃和0.20 ℃；覆盖秸秆后极端高温分别下降13.50 ℃和10.00℃，极端低温提高4.80 ℃和0.30 ℃，平均日温差降低6.56 ℃和4.22 ℃。以上结果表明，覆盖秸秆后定向槽内平均温度略有下降，日最高温降低，日最低温提高，温差大幅度降低，具有稳定槽内温度的效果。

表1 不同覆盖方式对山药膨大期定向槽内温度的影响

分析山药膨大期主要阶段定向槽内温度变化情况（表2），表明在山药膨大期，最高温出现在膨大加速期（7 月23 日至8 月9 日）和快速膨大期（8月10—29 日），且极端高温也主要出现在这个时期；其次温度相对较高的阶段为膨大前期（6 月26 日至7 月22 日）。覆盖秸秆降温处理定向槽内温度在膨大前期到快速膨大期的日均温、日最高温、日温差均低于不覆盖秸秆处理。表明覆盖秸秆能够有效降低槽内极端高温和温差，尤其在极端高温容易出现的山药膨大加速期和快速膨大期对槽内温度稳定效果最为明显，利于块茎的快速膨大。

表2 不同覆盖方式对山药膨大期各阶段定向槽内温度的影响

2.3 定向槽内温度对山药块茎膨大的影响

由图3 可见，覆盖秸秆降温处理在7 月中下旬至8 月底的块茎鲜质量累积速率和干质量累积速率显著高于不覆盖秸秆处理，但在9 月上中旬低于不覆盖秸秆处理，表明通过覆盖秸秆降低定向槽内温度影响了块茎膨大发育动态。在块茎膨大加速期和快速膨大期，覆盖秸秆能有效降低定向槽内温度，尤其大幅降低极端高温，使定向槽内温度更有利于块茎膨大；9 月上中旬进入山药块茎膨大后期，由于覆盖秸秆定向槽内温度相对较低，此时低温不利于块茎膨大，导致块茎鲜质量和干质量累积速率低于不覆盖秸秆处理。

图3 定向槽内温度对山药块茎鲜质量和干质量累积的影响（2019 年和2020 年）

2.4 定向槽内温度对山药产量的影响

由表3 可见，与不覆盖秸秆处理相比，覆盖秸秆降温处理的单株结薯数降低，单个块茎质量、单株块茎质量和单产增加，畸形薯率显著降低。表明覆盖秸秆降温有利于减少块茎畸形，促进单个块茎膨大，提高单产，增产提质效果明显。

表3 定向槽内温度对山药产量及其构成的影响

2.5 定向槽内温度对山药品质的影响

山药块茎中淀粉、蛋白质、皂苷、多糖含量是评价山药品质的重要指标，由图4 可见，在整个山药块茎膨大发育期，块茎淀粉含量呈持续增加的趋势；块茎粗蛋白、皂苷和多糖含量均呈先升高后降低的趋势，并在8 月上旬出现峰值，覆盖秸秆降温处理没有改变各指标在整个膨大期的变化趋势。与不覆盖秸秆处理相比，覆盖秸秆降温处理的山药块茎蛋白质含量降低，多糖和皂苷含量升高，淀粉含量在块茎膨大后期高于不覆盖秸秆处理。说明定向槽内温度对块茎品质形成有明显影响，坡面秸秆覆盖处理有利于提高块茎淀粉、皂苷、多糖的含量。

图4 定向槽内温度对山药块茎品质指标的影响（2019 年和2020 年）

3 讨论与结论

我国长江以北是薯蓣类山药主产区，山药种植主要采取粉垄栽培技术，受气候和采挖费工等因素的限制，种植风险和成本居高不下，导致山药传统主产区种植面积大幅下滑，产业脆弱。为解决该问题，生产中开展了薯蓣类山药定向槽浅生栽培技术引进实践，该技术虽然在南方参薯类山药品种应用中获得成功，但在薯蓣类山药应用时，由于块茎畸形率太高，产量太低，未获成功。笔者在该项技术多年的试验探索中发现，薯蓣类山药定向槽浅生种植由于土层覆盖较浅，夏季受到阳光暴晒和高温天气叠加影响，容易引起槽内高温，槽内温度可达45 ℃以上，而适合于山药块茎生长和膨大的温度仅为20～30 ℃，因此过高的气温和定向槽内温度可能是导致山药畸形发育，块茎膨大受阻，产量降低的主要原因。秸秆覆盖是夏季田间降温保墒的重要措施，本试验通过秸秆覆盖措施调节定向槽内温度，山药膨大前期定向槽坡面覆盖秸秆后，可降低定向槽内日均温、日最高温，尤其是极端高温降低更为明显，定向槽内温度变化更趋稳定。在2019 年度未出现持续40 ℃以上的高温天气，且采用的是较耐高温的品种六月薯，坡面不覆盖秸秆时定向槽种植的块茎畸形率达到32.1%；而定向槽坡面覆盖秸秆后，极端高温不超过32 ℃，块茎畸形率降低到12.5%，达到正常种植水平，同时产量显著提高，进一步说明定向槽内高温是导致薯蓣类山药浅生种植块茎发生畸形和产量降低的重要原因。但目前有关山药块茎高温致畸作用机理还不明确。

研究表明，马铃薯生长阶段高温对植株生理代谢和生长发育均有影响，进而影响块茎形态和产量品质（冯朋博 等，2019）。本试验结果表明，在山药块茎快速膨大期和膨大加速期，由于气温和强日晒导致的定向槽内温度远高于山药块茎膨大的适宜温度，而坡面覆盖秸秆具有很好的降温效果，有利于膨大加速期的块茎膨大，块茎鲜质量和干质量累积速率明显加快，且这一阶段容易出现极端高温，定向槽坡面覆盖秸秆后，大幅降低了极端高温，薯块畸形得到有效控制。9 月以后山药进入块茎膨大后期，坡面覆盖秸秆降温处理的块茎鲜质量和干质量累积速率反而低于不覆盖秸秆处理，其原因一方面可能是此时不覆盖秸秆的定向槽内温度适宜块茎膨大，秸秆覆盖降温抑制了块茎的膨大，另一方面可能是通过覆盖降温使块茎膨大发育高峰提前，促进了块茎提前发育成熟，导致后期块茎鲜质量和干质量累积速率降低。因此，薯蓣类山药在定向槽浅生种植时，田间覆盖措施的应用关键是要加强块茎快速膨大期和膨大加速期的覆盖管理，保障定向槽内温度适宜稳定；进入块茎膨大后期随着气温的降低，可适当采取去除覆盖秸秆的措施，提高地温，满足山药块茎膨大对温度的需求。

山药作为典型的药食同源作物，提升其营养和保健功能成分是山药生产的重要内容，山药块茎中淀粉、蛋白质、多糖、皂苷含量是评价山药品质的重要指标（Huang et al.，2007；梁任繁 等，2011；罗海玲 等，2018）。目前有关山药营养和功能物质积累方面的研究，多数认为山药块茎品质与品种（王飞 等，2005；王小丽 等，2013）、产地（谢彩霞，2002；付小雨，2012；韩晓勇 等，2018）、栽培措施（高国栋 等，2007；范玉贞，2011；殷剑美 等，2014；倪丹 等，2018；朱建军 等，2020）等有关。梁任繁等（2011）对不同山药品种品质研究表明，不同品种间代谢物质和功能物质积累存在较大差异，山药块茎多糖含量、皂苷含量与淀粉含量显著相关；对不同产地山药品质研究发现，生态环境对山药块茎品质影响显著，同一品种在不同产地营养品质和功能成分差异较大（韩晓勇 等，2018）；对山药秸秆套网袋栽培研究发现，山药秸秆套网袋栽培有利于提高山药皂苷、可溶性糖、粗多糖和黏液多糖等营养、功效成分的含量（殷剑美 等，2014）；对文成糯米山药研究发现，浅生槽定向栽培条件下种植密度和定向槽大小对山药品质有明显影响（朱建军 等，2020）。但目前有关浅生种植条件下生态环境对薯蓣类山药块茎发育和品质形成过程的影响鲜见报道。本试验结果表明，薯蓣类山药浅生种植条件下，定向槽内温度对山药块茎营养和药用成分有明显影响，秸秆覆盖降低定向槽内温度可明显提高块茎的淀粉、皂苷和多糖含量，提升山药的药用保健功能。

综上所述，定向槽内高温是导致薯蓣类山药定向槽浅生种植块茎畸形率高、产量降低的重要因素，采用秸秆覆盖措施，在山药膨大期降低定向槽内温度，可提高山药块茎膨大速率，尤其是与高温期重叠的块茎膨大加速期和快速膨大期的块茎膨大速率增加更为明显，降低块茎畸形率，同时提高产量，促进山药块茎功能成分含量的提升。在实际生产应用中，也可以充分考虑利用山药藤蔓和密集叶片的遮阴效果、增加定向槽上土壤覆盖的厚度来进一步降低定向槽内温度，以满足山药块茎膨大对温度的需求。