甘薯种质资源盆栽保存基质的筛选与评价

姚肖健，张雄坚，姚祝芳，罗忠霞，王章英，黄立飞，房伯平，杨义伶

（广东省农业科学院作物研究所/广东省农作物遗传改良重点实验室，广州 510640）

0 引言

甘薯为继水稻、小麦、玉米、马铃薯、木薯之后的世界第六大粮食作物[1-2]，其薯块及植株含有丰富的营养物质，包括高含量的淀粉、膳食纤维、黄酮、多酚、花青苷、类胡萝卜素等[3-4]，因其良好的营养保健价值，甘薯被称为抗癌食物，深受消费者的喜爱。近年来，因甘薯较短的生产周期及良好的经济价值，甘薯产业得到了迅速的发展，尤其是在脱贫攻坚和乡村振兴中发挥着重要的作用。

随着产业的发展，对甘薯育种及种业的要求也随之提升。种质资源是作物育种的核心，资源的收集与保存对作物育种具有十分重要的意义[5-6]。目前，国际马铃薯中心保存有世界最丰富的甘薯种质资源，共计7000余份[7]，中国甘薯种质资源主要保存于国家种质广州甘薯圃和国家种质徐州试管苗库内，保存资源品种2000余份[8]，主要的保存方式包括田间栽培保存、温室盆栽保存、仓库薯种保存和试管苗保存等方式。其中盆栽保存是国家种质广州甘薯圃内甘薯资源越冬保存的一种重要方式。土壤基质是盆栽保存的基础，基质的理化特性，包括基质的容积、透气性、含水量、肥力、温度等对甘薯的生长具有重要的影响[9]，优质的土壤基质可最大程度上保证资源品种的活力，体现资源品种的特性，因此盆栽基质的选用对甘薯资源盆栽保存具有十分重要的作用。

生产上，根据甘薯的生产需求及不同区域的土壤类型特性，相关学者已经开展研究，均表明土质疏松和通气性良好的沙壤土最适应甘薯的生长[10-11]，其中土壤的透气性可以促进源端光合产物向块根中运转进而对甘薯群体结构及产量产生影响[12]。针对不同类型的土壤理化特性及肥力特点，相关学者开展了土壤改良研究，结果显示有机肥的施用可提高土壤有机质含量、调节土壤pH变化，进而提高甘薯产量和改善土壤生物性状，同时可显著提高土壤碱性磷酸酶、脱氢酶等酶活性，增加土壤碱解氮和速效磷含量，促进甘薯植株和块根干物质的积累[13-14]。但禹阳等也表示有机肥的合理增施能显著提高土壤有机质含量，但过量的有机肥施用反而促使甘薯植株地上部与地下部竞争生长，从而影响产量[15]。

针对甘薯盆栽基质，目前缺乏系统针对性的科学研究。与田间生产不同，甘薯资源的盆栽保存主要目的为保证植株的活力和体现资源的种性特点，而田间生产主要为获取高产和优质的薯块，且盆栽基质较少，因此，对土壤和肥力的需求可能有所不同。目前，盆栽基质主要选择田间生产用土或直接采用泥炭土，而田间生产用土常为粘性壤土，在盆栽种植中容易导致板结或肥力偏弱等现象，泥炭土则成本较高，且失水较快，容易导致干旱现象，为了维持甘薯资源的长势和活力，通常需要投入更多的人力物力。为了优化盆栽基质条件，满足甘薯种质资源保存所需，根据甘薯对土壤的需求特点，本研究选择了易获取的田土、沙及富含有机质的泥炭土为材料，开展不同基质配比试验，通过不同基质条件下，不同资源品种生长指标的测定及分析，筛选评价出适于资源盆栽保存的优良基质，为甘薯资源的盆栽保存提供条件标准，同时为盆栽基质的进一步优化奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

选择6个种性及长势差异较大的甘薯资源品种作为实验对象，6个甘薯资源品种均来自国家种质广州甘薯圃，圃内编号分别为1070、130、A237、1445、1454、A476。基质材料选择易获取的田土、沙和泥炭土(Jiffy)，其中泥炭土主要为苔藓泥炭。

1.2 实验方法

1.2.1 盆栽基质的配制 参照甘薯最适宜种植的沙壤土，结合泥炭土良好的营养条件，进行7种不同比例的配比，7种不同比例基质的配比如下：

基质1：100%田土；

基质2：75%田土+25%沙；

基质3：50%田土+50%沙；

基质4：50%田土+30%沙+20%泥炭土；

基质5：50%田土+20%沙+30%泥炭土；

基质6：50%田土+10%沙+40%泥炭土；

基质7：100%泥炭土。

不同配比基质营养情况如表1，其中pH和有机质含量参照NY/T 1121.6—2006进行检测，水解性氮含量采用LY/T 1228—2015测定，有效磷含量参照LY/T 1232—2015测定，速效钾含量参照NY/T 889—2004测定。

表1 不同配比基质营养情况表

续表1

1.2.2 生长指标的测定 根据资源圃管理规程，每年10月份左右开始盆栽种植，实验于2020年10月中旬在国家种质广州甘薯圃内进行基质装盆，花盆规格12 cm/10.5 cm/15 cm（顶半径/底半径/高），10月底在资源圃内剪取各资源品种健康种苗63株，于不同基质中每盆种植3棵植株，每个处理3次重复，共计378盆，实验过程仅正常浇水，不再追施肥。

待植株生长5个月后，不同基质处理条件下，测定能反应甘薯植株生长情况的生长指标：

（1）测定各品种植株的叶柄长、叶柄直径、茎直径、节间长、茎基部直径、基部分枝数、最长蔓长等；（2）在晴朗的天气，利用Li-6400光合测定仪测定每个处理植株的净光合速率；（3）收获后统计每株的薯块产量、地上部湿重、地上部干重。

其中叶柄长、叶柄直径、茎直径、节间长、光合速率等生长指标均以植株的第6～10片叶间的叶片、茎干为测定对象。

1.3 数据分析

数据统计采用Excel 2010进行，方差分析和因子分析采用SPSS 19.0进行。不同基质处理条件下，各资源品种生长指标综合评价采用隶属函数分析进行[16]，生长指标在不同品种或基质中的变化差异采用变异系数进行评价[17]，盆栽基质综合评价采用生长指标系数及主成分分析法对各生长指标进行综合评价[18-19]，利用生长指标系数进行因子分析，提取主成分，获取主成分得分，并通过权重计算进行主成分综合评价，选择最佳的土壤基质配比。隶属函数值U(Xi)、隶属函数综合评价值D(i)、变异系数、生长指标系数、主成分得分F(Xi)、主成分权重计算W(X)和主成分综合评价Y(i)的计算分别见公式(1)～(7)。

其中U(Xi)为第i个X指标的隶属函数值；Xi为第i个X指标值；Xmax、Xmin为X指标的最大值与最小值。

其中Di为第i个样本隶属函数综合评价值，ΣU(Xi)为第i个样本不同生长指标累计隶属函数值。

其中单项生长指标系数为不同品种单项生长指标系数平均值。

其中F(Xi)为第i基质处理条件下，第X个主成分得分，FAC(Xi)为第i个基质处理条件下，第X个主成分的因子得分，λ(X)为第X个主成分的特征值。

其中W(X)为第X个主成分权重值，P(X)为第X个主成分的贡献率，ΣP为不同主成分累计贡献率。

其中Yi为第i个基质处理的主成分综合评价值，F(Xi)为第i个处理的第X个主成分得分值。

2 结果与分析

2.1 不同甘薯资源品种在不同基质条件下生长指标差异性分析

为了对不同基质条件下各甘薯资源品种的生长情况进行评价，对各植株的叶柄长、叶柄直径、茎直径、节间长、茎基部直径、基部分枝数、最长蔓长、光合速率、薯块产量、地上部鲜重、地上部干重等能反应甘薯植株生长情况的指标进行测定，对不同品种在不同基质条件下各生长指标值进行差异显著性分析（图1），结果显示：6个资源品种的地上部鲜重在不同基质处理条件下均呈现出显著性差异，表明地上部分鲜重受基质条件影响较大，6个品种中1070、A237、130、1445的基部分枝数在不同基质处理条件下均无显著性差异，表明这4个品种基部分枝数可能受基质条件影响较小，但因1454和A476具有显著性差异，因此该指标在一定范围内也受基质条件影响，其他生长指标均有1～3个品种受基质影响较小，表现为无显著性差异，但不同生长指标间品种组成不同，如1070、A237和A476叶柄长在不同基质中无显著性差异，而A237、1445和A476叶柄直径在不同基质中无显著性差异。

图1 甘薯资源品种在不同基质条件下生长指标测定值

不同品种间，1070、A237和A476均有5～6个生长指标在不同基质处理条件下表现出无显著性差异，而130、1454、和1445仅有2～3个生长指标在不同基质中无显著性差异，其他生长指标均表现出差异显著性，但单一品种显著性差异指标在不同基质条件下的差异分布有所不同，如在130品种中，叶柄长、茎直径、茎基部直径、地上部分干重指标值均在基质6条件下最高，最长蔓长、薯块产量和地上部鲜重指标值在基质7条件下最高，叶柄直径和节间长则在基质3处理下最高。因此，利用单一指标的差异性分析结果，很难对资源品种的基质适应性进行评价，同时不同资源品种的各生长指标差异性较大，利用单一品种的基质适应性评价，对甘薯资源基质适应性进行整体评价会存在结果的片面性。基于此，本研究采用隶属函数、变异系数及主成分分析法对不同甘薯资源品种在不同基质条件下的生长指标进行综合评价，以筛选适宜甘薯资源盆栽保存的基质配比。

2.2 基于隶属函数分析评价不同甘薯资源品种的基质适应性

为了对不同资源品种的基质适应性进行评价，利用公式(1)和公式(2)对不同甘薯资源品种在不同基质条件下的生长指标进行隶属函数分析，获得各资源品种在不同基质条件下的综合隶属函数值（表2）。结果显示：甘薯资源品种1070、A237在基质7综合隶属函数值最高，为最适宜土壤基质；甘薯资源品种130在基质6综合隶属函数值最高，为最适宜土壤基质；甘薯资源品种1445、1454、A476在基质5综合隶属函数值最高，为最适宜土壤基质。上述结果进一步表明，不同资源品种对基质的适宜性有所差异，因此优质资源保存基质的筛选应对不同品种进行综合评价。

表2 不同资源品种在不同基质条件下生长指标隶属函数综合评价值

2.3 不同生长指标在甘薯资源品种间及不同基质处理间的变异系数分析

不同基质处理条件下，同一资源品种生长指标变异系数大小，可反应该资源品种受基质条件影响的程度，而同一基质条件下，不同资源品种生长指标变异系数大小，可反应在该基质条件下，不同品种间种性差异程度，差异性越大表明该基质条件下更能体现各品种资源的种性特征。为了从资源品种和基质两个层面对甘薯资源品种基质适应性进行评价，笔者利用公式3对同一品种在不同基质（表3）及不同品种在同一基质（表4）中生长指标变异系数进行分析，并通过公式(1)和公式(2)对其进行隶属函数综合评价。结果显示，甘薯资源品种1445、1454、A476基质处理间各指标变异系数综合隶属函数值均高于1070、130、A237，表明1445、1454、A476生长受土壤基质的影响大于1070、130、A237，对土壤基质的要求更高（表3），而这3个资源品种均在基质5条件下综合隶属函数值最高，为最适宜土壤基质。

表3 不同甘薯资源品种下基质处理间各生长指标变异系数及隶属函数分析

续表3

表4 不同基质处理条件下品种间各生长指标变异系数及隶属函数分析

不同基质处理条件下，各品种间生长指标的变异系数分析显示（表4），基质5综合隶属函数值最高，表明基质5条件下，各资源品种间生长差异最大，更能展现品种间的种性差异，因此笔者推出基质5可更好的保证各资源品种种性特点的保存，适宜用于甘薯种质资源的盆栽保存。

2.4 基于主成分分析评价甘薯资源品种的基质适应性

甘薯资源品种基质适应性是各生长指标综合作用的结果，而甘薯植株不同生长指标具有一定的相关性，并非独立存在，为了对不同基质条件下的各资源品种生长指标进行更为合理的分析，以筛选最优基质配比，本研究采用因子分析对其进行相关性及主成分分析。因不同资源品种基质适应性评价结果显示，不同甘薯资源品种存在基质适应性差异，为了消除品种间的差异，笔者参照马铃薯等作物[17]，利用公式(4)将不同资源品种在不同基质条件下的各单项生长指标转化为生长指标系数用于后续分析（表5）。

表5 不同基质处理条件下各品种平均单项指标系数

通过相关性分析得出不同基质条件下各生长指标的相关系数矩阵（表6），结果显示11个生长指标间均存在一定的相关性，表明各生长指标间存在一定程度的信息重叠，其中最长蔓长与叶柄长、叶柄直径、茎直径、节间长、茎基部直径、光合速率等相关系数绝对值均大于0.5，表明相互间信息重叠度较高。而主成分分析可对各项指标的重叠信息进行有效的剔除，进而对各生长指标进行更为客观的评价，用以筛选最佳基质配比。

表6 各生长指标相关性分析

为对不同基质条件下各生长指标进行主成分评价，笔者采用因子分析对11个生长指标进行主成分提取（表7），根据特征值大于1的原则，将11个生长指标转换为3个独立的主成分因子，3个主成分因子的贡献率分别为40.669%、30.409%、12.935%，累积贡献率为84.012%，大于80%，即3个主成分因子涵盖了11个生长指标的大部分信息，表明这3个主成分能够代表原有11个生长指标进行甘薯资源品种基质适应性评价。

表7 生长指标主成分提取分析

为了利用因子分析提取所得的3个主成分进行不同基质条件下甘薯资源品种的适应性评价，笔者根据其相关成分系数及11个生长指标系数值，通过因子分析方法获得了3个主成分在不同基质处理条件下的因子得分值，通过公式(5)计算得出3个主成分得分值，并利用公式(6)和公式(7)最终获得了7个基质处理的主成分综合评价值（表8）。结果显示基质5综合评价值最高，为0.8031，其后依次为基质6(0.8031)＞基质4(0.5280)＞ 基质7(0.4662)＞基质3(0.3994)＞ 基质 2(-0.4505)＞基质1(-2.6187)。上述结果表明，7种基质中，基质5的土壤基质配比最适宜甘薯资源品种的盆栽保存，与变异系数分析结果相吻合。

表8 不同基质处理主成分综合评价

3 讨论

国家种质广州甘薯圃是我国甘薯种质资源保存的重要单位，温室盆栽保存是圃内甘薯资源越冬保存的重要途径。土壤基质是盆栽保存的基础，优质盆栽基质的选用不仅可以保证甘薯资源的活力，同时可以维持资源品种的种性特征，防止资源品种的退化。相比大田种植，甘薯盆栽种植土壤基质较少，土壤环境受限，根系及植株的发育对土壤基质的要求更高。但目前针对甘薯盆栽基质的研究相对较少，盆栽基质主要以田间生产用土或泥炭土为主，缺乏科学系统的配比研究。基于此，本研究根据甘薯对土壤的需求特点，以田土、沙和泥炭土为材料开展不同基质的配比研究，以期筛选出适于甘薯盆栽保存的基质配比。

通过对7种不同配比土壤基质养分测定（表1）显示，随着泥炭土的加入及比例的提升，土壤基质的有机质、氮、磷、钾含量随之增加，容重随之降低，表明土壤的养分及透气性均得到的良好的改善。这与前期报道的，秸秆、稻草等有机质的使用可改良土壤理化特性、提高土壤养分、改善土壤生态环境，进而提高甘薯的产量和品质具有一致性[14,20]。为了对不同土壤基质进行甘薯资源盆栽保存的适用性评价，本研究从资源圃内选择了6个种性及长势差异较大的甘薯资源品种进行种植比较，通过对其蔓长、分枝数、地上部鲜重、薯块产量等生长指标的测定及分析，表明基质7为甘薯资源品种1070、A237最适宜土壤基质，基质6为130最适宜土壤基质，基质5为1445、1454、A476最适宜土壤基质。而基质5、基质6和基质7均含有较高比例的泥炭土，营养成分含量较高，容重相对较低，参照金莲花等作物的研究结果[21-22]，容重的下降可导致孔隙度的增加，尤其是通气孔隙和大小孔隙比，因此笔者推测泥炭土的加入增加了土壤营养含量，改善了土壤通气环境，有利于甘薯植株的生长，这表明泥炭土对盆栽土壤基质的改良具有重要作用，可作为甘薯盆栽保存优质基质材料。研究结果与生产中有机肥的使用可有效的提高甘薯植株干物质的积累，促进甘薯产量的形成与提升具有相似性[23]。

因资源品种不同对基质的适应性也有所差异，为了进一步筛选适于多数甘薯资源盆栽保存的优质基质配比，我们采用了变异系数分析和主成分分析对不同资源品种的基质适应性进行综合评价，变异系数分析显示，相比1070、130、A237，1445、1454、A476资源品种生长受土壤基质的影响更大，且在基质5条件下不同品种间种性差异最大，最能体现不同资源品种的种性特征；主成分分析结果显示，7种基质适应性排序为基质5＞基质6＞基质4＞基质7＞基质3＞基质2＞基质1。综上所述，基质5为甘薯资源盆栽保存的最优基质配比。根据主成分分析结果，含有泥炭土的基质4、基质5、基质6、基质7适应性均强于基质3、基质2和基质1，但基质4的氮、磷、钾含量低于基质1，这也进一步表明泥炭土在改良土壤理化特性上具有重要的作用，非常适于盆栽基质的选用。但基质5＞基质6＞基质4＞基质7的结果表明泥炭土的加入并非越多越好，基质6、基质7的泥炭土含量均高于基质5，土壤中有机质、氮、磷、钾也均高于基质5，但适应性低于基质5，这与前期研究结果，有机肥的合理增施能高土壤有机质含量，提高甘薯产量，但过量的有机肥施用反而影响产量的结论是一致的[15]。参照田鑫等[24]在白及的研究表明容重过低可能是主要原因，基质容重过小，易造成孔隙度过大，保水性下降，容易造成干旱。此外，邢强等[25]研究表明，有机质材料的增加，可有效降低土壤容重，但因其入渗率过高，导致土壤保水保肥性变差，容易导致植株叶片枯黄、根系腐烂，间接增加了病、菌、杂草出现机率，因此应控制其用量。与基质1相比，基质2和基质3在各营养成分上均有所下降，但其主成分综合排序仍高于基质1，主要原因为沙子的加入改良了土壤的物理结构，增加了土壤的透气性，这与生产中沙壤土最适宜甘薯种植是一致的，尤其是在甘薯的种苗繁育中沙培法明显优于土培法[26-27]，参照邢强等[25]的研究结果，基质中加入一定的沙，可有效提高土壤的渗透性，有助于土壤理化性质的改善，因此沙也为基质配比的优质选材。但盆栽基质中沙的比例过高将导致土壤基质肥力、保水保肥性能下降，因此需要合理的配比。

通过对7种基质的评价与筛选，表明泥炭土、沙非常适用于甘薯盆栽基质的配制，其对盆栽土壤理化性质的改良非常适于甘薯资源的盆栽保存，通过研究筛选出基质5（50%壤土+20%沙+30%泥炭土）的配比最适宜甘薯资源的盆栽保存，但该结果仅为对甘薯盆栽保存基质的粗选，筛选的基质配比为满足多数甘薯资源品种保存所需，针对部分特殊资源品种的保存，相关基质配比还需细化。此外，盆栽保存基质的配制涉及的科学问题有很多，包括如何合理的配入化肥，保持基质的肥力可持续性，减少后续人工的投入；微量元素的补充；药剂的配施等，都有待于后续的进一步研究。

4 结论

温室盆栽保存是国家种质广州甘薯圃内甘薯越冬保存的重要方式，土壤基质是盆栽保存的基础，但目前针对盆栽基质的配制缺乏科学系统的研究，为此本研究根据甘薯生长对土壤的需求特点，选择田土、沙和泥炭土为材料开展不同基质的配比研究，并利用不同资源品种在不同基质中的生长情况对其进行评价，以期筛选出适宜甘薯资源品种保存的基质配比。采用隶属函数对不同资源品种在不同基质中的生长指标进行分析，显示基质7为甘薯资源品种1070、A237最适宜土壤基质，基质6为130最适宜土壤基质，基质5为1445、1454、A476最适宜土壤基质，表明不同资源品种对基质的适应性有所差异。为了对其进行综合评价，本研究采用变异系数和主成分分析对不同资源品种生长指标进行进一步的分析，变异系数分析显示，同一品种不同基质间，1445、1454、A476资源品种生长受土壤基质的影响大于1070、130、A237资源品种，同一基质不同品种间，基质5条件下不同品种间种性差异最大，该结果表明基质5条件下更能体现资源品种的种性特征。主成分分析显示，基质5配比（50%壤土+20%沙+30%泥炭土）最适宜甘薯资源的盆栽保存，7种基质适应性排序为基质5＞基质6＞基质4＞基质7＞基质3＞基质2＞基质1。研究结果为甘薯资源的盆栽保存提供了科学的基质配比，同时为甘薯生产土壤的改良提供了参考。