品种和气象因子对马铃薯主要品质的影响*

张佳莹,李 扬,王 靖,胡 琦,黄明霞,刘霞霞

(中国农业大学资源与环境学院 北京 100193)

马铃薯(L.)是继小麦(L.)、水稻(L.)和玉米(L.)之后的世界第四大粮食作物,其营养价值高,素有“地下苹果”和“第二面包”之称,且低脂肪、低热量的特点成为理想的食物来源。据测算,一个148 g 的马铃薯可提供人体每天所需维生素C 的45%、钾的21%。马铃薯品质的好坏对其产业发展十分重要,选育品质优良的特用品种有利于马铃薯加工行业的发展和居民日常膳食营养的丰富,也有利于供给侧种植结构的调整和居民膳食结构的调整与升级。随着生产力水平的提高,品种选择及适宜的气象条件对于马铃薯品质的提升愈显重要。

马铃薯是中国北方传统的农作物之一,生长季(4−9月)降水和温度等气象条件的适宜程度决定了块茎的产量水平和品质。然而北方马铃薯生长季的水热条件变异较大,在品种和管理水平相对稳定的情况下,马铃薯生育期内的温度、日照时数和降水量等气象因子成为影响马铃薯品质指标的主要因子。探究马铃薯品质指标和气象因子的关系有利于提升马铃薯的综合品质,但目前关于马铃薯品质与气象因子的关系研究较少。肖国举等研究表明,马铃薯块茎的维生素C、淀粉和干物质含量随温度升高呈现一定程度的增加,但块茎的粗蛋白和还原糖含量随温度升高呈降低趋势; 此外,马铃薯对水分十分敏感,水分亏缺会影响马铃薯的品质,生育期内充足的水分补给有利于马铃薯品质的提升。

选择适宜的品种是马铃薯生产应对气候变化、保证品质质量的主要措施之一。杨炳南等研究指出,不同品种马铃薯的多个品质指标差异明显。王颖等指出品种是决定马铃薯淀粉差异的最主要因素。张凤军等指出,因品种遗传基础的不同,块茎维生素C 的含量差异十分明显,干物质含量在品种间的差异最小,还原糖和粗蛋白含量在品种间差异较大,并且马铃薯块茎粗蛋白和淀粉含量具有显著的正相关关系。但前人的研究多集中于对单一马铃薯品种在特定气象条件下的品质表现,鲜有研究不同水热条件下多个品种的品质指标及其与不同生育阶段气象因子间的关系。

为探究不同品种在不同播期下马铃薯生育阶段气象因子和主要品质之间的关系,本文选择2018−2020 连续3年的马铃薯品质试验数据,结合不同生育期内气象因子,定量解析各生育阶段气象因子对马铃薯主要品质指标的影响,揭示马铃薯品质形成机理,为马铃薯品种品质的进一步提升提供理论参考,对于保障我国粮食安全、丰富居民饮食结构具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究站点概况

马铃薯播期和品种耦合试验区位于内蒙古呼和浩特市农业部武川农业环境科学观测试验站(41°06N,111°28E,海拔1756 m,简称武川试验站)。属中温带大陆性季风气候,年平均气温3 ℃,年平均降水约354 mm,≥10 ℃活动积温为1800～2600 ℃·d。武川县农作物种植面积约为1.3×10hm,受积温限制,当地农作物熟制为一年一熟,马铃薯生长季为4−9月,主栽的马铃薯品种有‘费乌瑞它’ ‘康尼贝克’和‘克新一号’等。

1.2 试验方案和指标测定

试验选取当地3 个马铃薯主栽品种,分别为早熟品种‘费乌瑞它’、中熟品种‘康尼贝克’和晚熟品种 ‘克新一号’。每年设置的3 个播期均相同,分别为早播(4月27日)、中 播(5月15日)、晚 播(6月2日),不同处理均设置3 个重复。播种密度均为5 株∙m,行距50 cm,株距40 cm。试验均在播种时一次性施入尿素37.5 kg∙hm、磷酸二铵75 kg∙hm和氯化钾37.5 kg∙hm,由于播种期土壤较干旱,为了保证正常出苗,在播前进行30 mm 的补水,之后均处于雨养条件。

马铃薯生育期主要记录出苗、现蕾、开花和成熟时期。待马铃薯地上部95%以上枯萎后记为成熟期并进行收获,收获时每个处理取中间两行有代表性的3 株马铃薯的块茎,并迅速运送到实验室进行品质检测。使用3,5-二硝基水扬酸比色定糖法、碘比色法、2,6-二氯靛酚滴定法和凯氏定氮法,分别测定新鲜马铃薯块茎的可溶性糖、淀粉、维生素C 和粗蛋白含量。

1.3 统计分析和隶属函数值

本研究采用来衡量各品质指标和气象因子之间的线性相关密切程度,利用方差分析进行各播期和品种间品质指标的差异显著性检验。

马铃薯块茎包含多种评价品质的营养指标,采用模糊数学隶属函数法评价不同处理下马铃薯块茎中主要营养指标的差异。将马铃薯块茎粗蛋白、可溶性糖、淀粉和维生素C 含量作为评价指标,通过隶属函数方法求得平均值,数值越大则表明该处理下的综合品质越好,相反则越差。首先计算不同处理下马铃薯块茎中单个营养指标的隶属函数值,然后再根据单个指标的隶属函数值求出各品种的平均隶属函数值:

式中:X为某一处理单个指标的平均隶属值,为某一营养指标测得的值,为某一营养指标序列中的最小值,为某一营养指标序列中的最大值,、、X分别为某一处理各指标的平均隶属函数值,为指标个数,C为处理的综合隶属函数值。

1.4 品质指标-气象因子关系构建

在马铃薯生长过程中,前期叶片通过光合作用形成的干物质主要分配于地上部分用于株高增加和茎叶生长等,而薯块形成是干物质分配的转折点,此阶段的干物质主要分配给地下部分。

因此参考前人研究,本文结合马铃薯实际生长情况,按马铃薯的生长发育进程将播种−现蕾划分为营养生长期,现蕾−成熟划分为生殖生长期,再将生殖生长期划分为现蕾−开花期和开花−成熟期。同时,马铃薯水分关键期设为现蕾前10 d 至后15 d,共对6 个生长阶段进行研究,分别为全生育期、营养生长期、生殖生长期、现蕾−开花期、开花−成熟期和水分关键期。气象因子选取有效积温(EAT)、日均温()、温度日较差(DTR)、日照时数()和降水量()。通过各生育阶段气象因子和马铃薯品质指标的关系来定量不同生育阶段气象因子对马铃薯主要品质形成的影响。

2 结果与分析

2.1 播期与品种耦合处理下马铃薯的主要品质指标

图1 为不同播期和品种耦合处理下马铃薯块茎粗蛋白、维生素C、可溶性糖和淀粉含量。粗蛋白含量平均值为100.1 g∙kg,维生素C 含量平均值为19.64 mg∙(100g),可溶性糖含平均值为18.58 g∙(100g),淀粉含量平均值为31.48 g∙(100g)。马铃薯块茎主要品质指标变异系数的排序为可溶性糖(44.71%)>淀粉(20.02%)>维生素C(16.45%)>粗蛋白(15.03%)。

图1 2018−2020年不同播期下不同马铃薯品种的主要品质指标Fig.1 Main quality indices of different potato cultivars planted in different dates during 2018−2020

随播期推迟,早熟品种‘费乌瑞它’平均隶属函数值下降,早播(4月27日)平均隶属函数值最高,综合品质最好; 中熟品种‘康尼贝克’晚播(6月2日)平均隶属函数值最高,中播(5月15日)处理下平均隶属函数值最低,仅为0.2; 晚熟品种‘克新一号’中播(5月15日)平均隶属函数值最高,明显高于早播和晚播处理(表1)。

表1 不同播期下不同马铃薯品种主要品质指标的平均隶属函数值Table 1 Mean membership function values of different quality indices of different potato cultivars planted in different dates

2.2 播期和品种耦合对马铃薯品质的影响

表2 分析了不同播期和品种耦合对马铃薯主要品质指标的互作效应。方差分析结果表明,2018年不同播期和品种间主要品质指标无显著差异,2019年可溶性糖与维生素C 含量在品种间差异达极显著水平(<0.01),淀粉和粗蛋白含量在品种间差异达显著水平(<0.05),2020年淀粉含量在品种间差异达极显著水平(<0.01),维生素C 含量在品种间差异达显著水平(<0.05)。播期和品种互作效应分析表明,二者耦合调控2019年对4 个品质指标均有极显著影响(<0.01),2020年对粗蛋白含量有显著影响(<0.05),对淀粉含量有极显著影响(<0.01)。

表2 2018—2020年播期和品种对马铃薯主要品质指标的互作效应Table 2 Interactive effects of planting date and cultivar on main quality indices of potato during 2018−2020

2.3 马铃薯品质与各生长阶段气象因子的关系

马铃薯不同生长阶段的有效积温、日均温、温度日较差、降水量和日照时数对其主要品质指标的影响存在明显差异(表3−5)。品种‘费乌瑞它’ 块茎淀粉含量随水分关键期的有效积温和全生育期日均温增加表现出极显著增加趋势(<0.01),随现蕾−开花期降水量增加表现出显著增加趋势(<0.05),随生殖生长阶段温度日较差增加表现出极显著下降趋势(<0.01); 维生素C 含量随生殖生长阶段有效积温、降水量和开花−成熟期日均温增加表现出极显著上升趋势(<0.01),随生殖生长阶段日照时数增加表现出显著上升趋势(<0.05),随生殖生长阶段温度日较差增加表现出显著减少趋势(<0.05); 可溶性糖含量随生殖生长阶段的有效积温、降水量和开花−成熟期日均温增加表现出极显著增加趋势(<0.01),随生殖生长阶段日照时数增加表现出显著增加趋势(<0.05),随生殖生长阶段的温度日较差增加表现出显著减少趋势(<0.05); 粗蛋白含量随开花−成熟期的有效积温、日均温增加表现出显著减少趋势(<0.05) (表3)。

表3 马铃薯品种‘费乌瑞它’品质指标与各生长阶段气象因子线性关系的决定系数(R2)Table 3 Coefficients of determination (R2) of linear relationships between tuber quality indices and meteorological factors at different growth stages for potato cultivar ‘Favorita’

马铃薯品种‘康尼贝克’ 块茎淀粉含量随全生育期日均温增加表现出极显著增加趋势(<0.01),随水分关键期有效积温和现蕾−开花期降水量增加呈显著增加趋势(<0.05),随生殖生长阶段的温度日较差增加呈极显著减少趋势(<0.01); 维生素C 含量随开花−成熟期有效积温、日均温和生殖生长期降水量增加呈极显著增加趋势(<0.01),随生殖生长阶段温度日较差增加呈极显著减少趋势(<0.01); 可溶性糖含量随生殖生长阶段有效积温、日均温和现蕾−开花期降水量增加呈极显著增加趋势(<0.01),随生殖生长阶段日照时数增加呈显著增加趋势(<0.05),但随生殖生长阶段的温度日较差增加呈极显著下降趋势(<0.01) (表4)。

表4 马铃薯品种‘康尼贝克’品质指标与各生长阶段气象因子线性关系的决定系数(R2)Table 4 Coefficients of determination (R2) of linear relationships between tuber quality indices and meteorological factors at different growth stages for potato cultivar ‘Connibeck’

马铃薯品种‘克新一号’块茎淀粉含量随开花−成熟期有效积温、日均温增加表现出极显著增加趋势(<0.01),随全生育期日照时数增加表现出显著增加趋势(<0.05),随开花−成熟期温度日较差增加表现出极显著减少趋势(<0.01); 维生素C 含量随生殖生长期有效积温、日均温、降水量和开花−成熟期日照时数增加表现出极显著增加趋势(<0.01),但随生殖生长期温度日较差增加表现出极显著减少趋势(<0.01); 可溶性糖含量随生殖生长期日均温、降水量和开花−成熟期日照时数增加表现出极显著增加趋势(<0.01),随生殖生长期有效积温增加表现出显著增加趋势(<0.05),但随生殖生长期温度日较差增加表现出极显著减少趋势(<0.01) (表5)。

表5 马铃薯品种‘克新一号’品质指标与各生长阶段气象因子线性关系的决定系数(R2)Table 5 Coefficients of determination (R2) of linear relationships between tuber quality indices and meteorological factors at different growth stages for potato cultivar ‘Kexin_1’

综合马铃薯品质与各生育阶段气象因子关系发现,品种‘费乌瑞它’和‘康尼贝克’块茎淀粉含量随全生育期日均温增加表现出极显著上升趋势(<0.01),随生殖生长阶段有效积温和现蕾−开花期降水量增加表现出显著上升趋势(<0.05); 品种‘克新一号’淀粉含量随开花−成熟期有效积温、日均温增加表现

出极显著上升趋势(<0.01),随全生育期日照时数增加表现出显著上升趋势(<0.05),3 个品种淀粉含量均随生殖生长阶段的温度日较差增加表现出极显著下降趋势(<0.01); 各品种的维生素C 含量均随生殖生长阶段的有效积温、降水量和开花−成熟期日均温增加表现出极显著上升趋势(<0.01),随生殖生长阶段温度日较差增加表现出极显著下降趋势(<0.01); 各品种可溶性糖含量均随生殖生长阶段的有效积温、降水量和全生育期日均温增加表现出极显著上升趋势(<0.01),随生殖生长阶段的日照时数增加表现出显著上升趋势(<0.05),随生殖生长阶段的温度日较差增加表现出极显著下降趋势(<0.01);品种‘费乌瑞它’粗蛋白含量随开花−成熟期的有效积温、日均温增加表现出显著下降趋势(<0.05),品种‘克新一号’粗蛋白含量随全生育期降水量增加表现出极显著下降趋势(<0.01),品种‘康尼贝克’粗蛋白含量和生育期气象因子均无显著相关。

3 讨论

选择适宜的马铃薯播期和品种耦合可有效提升块茎的品质,对改变消费结构和形成绿色健康的消费习惯有重要意义。本研究表明早熟马铃薯品种早播的综合品质最好,这与李扬研究结果相一致,原因是早熟品种早播在生殖生长阶段的有效积温、日照时数和降水量在3 个播期中均最高,更有利于马铃薯的生长。中熟品种晚播的综合品质比早播和中播更高,主要原因为晚播生殖生长阶段的日照时数更长,更有利于淀粉和可溶性糖的积累,张荣华等研究也表明中熟品种晚播对马铃薯淀粉含量积累更有利。晚熟品种中播综合品质最好,这与李琪等研究发现晚熟品种在5月中下旬播种有利于宁夏粉用马铃薯品质提升一致,原因是晚熟品种中播下生殖生长期的平均温度和日照时数均更高,有利于品质的提升。以上的研究结果也反映了播期和品种对马铃薯品质影响存在显著的交互作用。

通过2018−2020年播期和品种对马铃薯品质指标的互作效应分析发现,品种和播期耦合对品质的影响主要表现在2019年和2020年,结合3年不同播期气象因子比较发现,气象因子的年际差异显著大于播期间差异,如生育期平均温度年际差异为1.4 ℃,而播期间最大差异为1.1 ℃,生育期降水量年际最大差异为124 mm,而播期间差异仅为11.4 mm。这与刘凯等研究发现品质性状在年际间会产生较大差异相一致。因此,年际间气象因子的差异对品质的影响高于播期间气象因子变化对品质的影响。姚玉壁等的研究同样表明,生育期温度的变异是决定马铃薯粗蛋白、淀粉和维生素C 含量变异的主要原因。此外,不同品种马铃薯在味道、淀粉含量、蛋白质含量和块茎质地结构等方面均具有很大的差异性,这可能与不同品种马铃薯的基因特性有关,如叶片的气孔导度、叶绿素含量和磷素营养状况等。

不同马铃薯生育阶段的气象因子对其主要品质指标的影响是不同的,相同气象因子在品种间对块茎品质的影响程度也不尽相同。本研究结合马铃薯的实际生长情况,按其生理学特性将马铃薯生长过程划分为6 个阶段,结果表明对品质影响的气象因子主要作用于生殖生长阶段,尤其表现在开花−成熟期,这与王立春研究发现6−9月气象因子对马铃薯品质形成有显著影响相一致,也与罗爱花等发现马铃薯营养物质积累发生在块茎形成后期相同。此外,在气象因子中,有效积温和降水量对品质指标影响较大,日均温次之,温度日较差和日照时数对品质影响相对较小,这与肖国举等和潘小番等的研究结果相同。前人研究表明,内蒙古地区马铃薯生长所需的有效积温约为1513～1667 ℃·d,马铃薯从休眠期到成熟期的适宜温度为11.1～24.3 ℃,全生育期需水量约450 mm,而武川地区3 个播期的生育期有效积温为1127.2～1533°C·d,日均温度为16.3～19.1 ℃,全生育期降水量为137～304 mm,因此,温度和降水量是当地限制马铃薯品质提升的最主要因素。同时,马铃薯品质指标随温度日较差增大而显著减小,与代海林在甘肃定西覆膜条件下马铃薯研究结果相反,这可能是由于温度日较差增大引起光合作用增强,作物需水量增多,而武川地区降水又不能完全满足作物生长发育的需要,导致光合作用所需的还原性辅酶减少,引起光反应受到抑制,从而引起马铃薯品质降低。

本研究基于单点试验探究了马铃薯主要品种的品质和气象因子的关系,但马铃薯的品质和气象因子的关系可能会随种植区的气候、品种、土壤和栽培管理方式的变化而变化。因此今后应结合多点田间试验和农业生产系统模型,探究不同种植区马铃薯品质和生育期气象因子的关系,提出不同品种栽培的适宜气象指标。此外,前人研究结果还表明马铃薯品质指标还受施肥种类、灌溉、耕作方式(如垄作、平作)等影响,在本研究中暂未考虑上述因素,进一步研究将分析不同种植和耕作方式对马铃薯品质指标的影响。

4 结论

本研究基于内蒙古武川试验站2018−2020年马铃薯播期和品种耦合试验,分析了不同播期和品种耦合下气象因子对马铃薯主要品质指标的影响。结果表明不同播期和品种耦合方式下马铃薯主要品质指标存在显著差异,早熟品种早播(4月27日)、中熟品种晚播(6月2日)和晚熟品种中播(5月15日)的综合品质最高。播期和品种变化均显著影响马铃薯品质,而生殖生长阶段尤其是开花−成熟阶段的气象因子决定了主要品质指标的形成,限制当地马铃薯品质提升的主要气象因子为生育期平均温度和降水量。研究结果可为提升马铃薯品质和改善饮食结构提供重要的理论参考。